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IPv4/IPv6安全网关原理及应用分析

2011年04月22日 23:45 次阅读

IPv4/IPv6安全网关原理及应用分析

1 引言

IPv6取代IPv4已经成为公认的事实,然而这将是一个长期的、渐进的过程。IPv6的部署大致要经历一个过程。初始阶段,在IPv4的网络海洋中,会出现若干局部零散的IPv6孤岛,为了保持通信,这些孤岛通过跨越IPv4的隧道彼此连接。随着IPv6规模的应用,原来的孤岛逐渐聚合成为了骨干的IPv6 Internet网络,形成于IPv4骨干网并存的局面。在IPv6骨干上可以引入了大量的新业务,同时可以充分发挥IPv6的优势。为了实现IPv6和IPv4网络资源的互访,还需要转换服务器以实现IPv6和IPv4的互通。最后,IPv4骨干网逐步萎缩成局部的孤岛,通过隧道连接,IPv6占据主导地位,具备全球范围的连通性。
  
IPv6提供很多过渡技术来实现这个渐进过程。这些过渡技术主要围绕着解决两类问题:IPv6孤岛互通技术——实现IPv6网络和IPv6网络的互通;IPv6和IPv4互通技术——实现两个不同网络之间互相访问资源。因此我们提出研制IPv4/IPv6互联网关,通过协议地址翻译的机制来解决IPv4和IPv6的互联互通问题,实现IPv4向IPv6的平滑过渡。该设备可应用在城域网、校园网、企业网和其他专用网络上,实现各级子网对现有IPv6/IPv4资源的安全访问。图1-1为IPv4/IPv6网关的典型应用场景。图1-2为IPv4/IPv6网关组网的连接情况。

 
图1-1  IPv4/IPv6安全网关的典型应用场景

 
图1-2 IPv4/IPv6安全网关组网

2 IPv4/IPv6安全网关原理

IPv4/IPv6安全网关主要由四部分构成,分别为机械结构部分、路由器电器部分、一次电源和通风散热系统。机械部分包括主机箱和配线架,主机箱可以外购或者按照机械尺寸定制,配线架采用19英寸机箱的标准配线架;一次电源和电源厂家协商定制;通风散热系统由两组风扇组成,负责网关主机框和电源的散热;路由器电器将采用主控板、交换板、电源冗余设计等模块实现模块化结构设计,具有平滑的可升级能力。IPv4/IPv6安全网关的体系结构如图1-3所示。

                          
图1-3 IPv4/IPv6网关体系结构

安全网关主要包括支撑子系统,路由协议处理子系统(主要是BGP4+代理),IPv4/IPv6互连网关核心功能处理子系统、IP转发子系统(分布式结构),操作管理子系统等等。图1-4给出了在该体系结构下,IP分组流动的示意图。


图1-4  IP分组处理流程示意图

操作与管理子系统

操作与管理子系统(OAM子系统)是整个IPv4/IPv6互连网关的控制核心。它需要实现对整个IPv4/IPv6互连网关系统的控制和管理。操作与管理子系统的主要功能包括:提供多种用户操作界面,包括控制台、虚拟终端和SNMP网络管理;实现被管理模块之间的信息交互;提供分布式支持;实现错误检测和错误恢复功能;提供一套完善的运行时调试接口。

IP转发子系统

转发子系统实现IPv4/IPv6互连网关系统中路由器的基本功能—IP分组的转发。该子系统实现IPv6、ICMPv6和Neighbor Discovery三个主要协议以及IPv4协议栈中的相应协议,并能够同时支持单处理器平台和分布式多处理器平台的IP分组转发。

路由协议处理子系统

路由协议处理子系统主要实现IPv4/IPv6互连网关上的BGP4+的代理,4to6过渡协议需要支持IPv4路由表向IPv6传播,并从IPv6网络中学习IPv4路由表。该部分主要实现4to6过渡协议中的路由处理机制,包括组播路由的支持。

支撑子系统

支撑子系统是整个IPv4/IPv6互连网关系统上层应用实体的服务提供者。从协议角度看,它为BGP4+代理以及网管协议SNMP提供服务;从系统角度来看,它是操作和管理系统的一种手段。支撑子系统将实现它的三个组成部分的协议规范要求,实现了端到端的数据传输,并且提供了一种远程登录访问的手段。

IPv4/IPv6安全网关核心功能处理子系统

安全网关核心功能处理主要是实现IPv4/IPv6网络过渡机制和过渡技术,目前包括协议翻译转换技术、隧道技术、4to6过渡技术以及应用层网关技术。安全网关3个主要的部分:报文翻译,DNS应用层网关,FTP应用层网关。

 
图1-5  NAT_PT的总体结构图

报文翻译

报文翻译部分是NAT_PT的最基础部分。它负责进行IPv4和IPv6报文之间的翻译。具体的实现主要针对TCP、UDP和ICMP三种不同类型的报文进行翻译。由于TCP自己的特性,在地址映射的时间上,还有TCP建立连接的时候,对动态地址池的操作都和UDP、ICMP有所区别。

DNS应用层网关

DNS应用层网关部分是为了支持DNS的IPv6扩展功能的。它主要对针对目的端口/源端口=53的DNS_UDP报文进行翻译的。DNS应用层网关的主要功能是支持外部的IPv4主机对IPv6域内服务器的访问。这样,当外部的DNSv4的查询报文通过路由器的时候,将被翻译后送到IPv6域内的IPv6 DNS服务器。同样IPv6域内的IPv6 DNS服务器的DNSv6回复报文,也将被翻译后返回给原IPv4主机。

FTP应用层网关

由于FTP的IPv6扩展功能和现有的IPv4FTP命令不相同,不完全兼容,所以需要对FTP的命令作翻译。同时的由于TCP报文的负荷长度有所变动,所以还需要对一个FTP的连接的所有TCP数据报的顺序号进行修正。FTP应用层网关部分主要对针对目的端口/源端口=21的FTP_TCP报文进行翻译。

3 IPv4/IPv6安全网关解决方案

根据IPv4/IPv6安全网关的原理和市场需求,从性能,可扩展性以及高可靠性的角度出发,推荐采用研祥(EVOC)的网络系统平台NPC-8205作为解决方案的硬件平台,在此可靠的平台上实现IPv4/IPv6安全网关。

NPC-8205是一款基于Intlel新一代服务器JasperForest平台的高端网络应用系统产品。采取的服务器平台,北桥集成在CPU里面,大大提高了CPU对内存和外设的访问速度。全模块化的网络设计,可灵活选择光电组合,并在千兆,万兆之间灵活切换。主板支持两颗CPU,支持12个DIMM内存槽,6个SATA接口。支持CF卡,板载PCI扩展槽和两个PCI-E扩展槽。整机支持三个全模块的网络扩展,支持两个2.5寸抽拉硬盘位,支持液晶屏显示,板载2千兆电口,1个串口,2个USB,前面板可扩展两个PCI –E设备,支持冗余电源。

采用JASPER FOREAST平台具有以下优点:

(1)支持超线程:第三代超线程技术。

(2)支持虚拟化设备输入/输出 (VT-d):在之前以虚拟化CPU为主的基础上增加设备输入/输出的虚拟化,能有效提高虚拟机的性能和效率。

(3)内核加速模式(Turbo Mode):内核运行动态加速。可以根据需要开启、关闭以及加速单个内核的运行。这样动态的调整可以提高系统和CPU整体的能效比率。

(4)Cache的设计:采用三级全内含式Cache设计,L1的设计和Core 微架构一样;L2采用超低延迟的设计,每个内核256KB;L3采用共享式设计,被片上所有内核共享。

(5) 集成了内存控制器(IMC):从芯片组上移到CPU片上,支持多通道DDR3内存,内存读取的延迟大幅度减少,内存带宽大幅提升,最多可达三倍。

(6)QPI:“快速通道互联”,取代前端总线(FSB)的一种点到点连接技术,20位宽的QPI连接其带宽可达惊人的每秒25.6GB,远非FSB可比。QPI最初能够发放异彩的是支持多个处理器的服务器平台,QPI可以用于多处理器之间的互联。

自由切换的光电口模块设计

不打开箱盖,直接在前面板操作,就可以在光口模块和电口模块间任意更换。可以灵活的搭配出光口不同数量。电口不同数量。光口模块和电口模块混合同时使用。

 
(应用原理图)

4.结束语

综上可见,研祥(EVOC)的网络系统平台NPC-8205作为实现IPv4/IPv6安全网关解决方案的硬件平台,解决了IPv4/IPv6安全网关对对计算性能,存储性能,可靠性能,扩展性能的需求,是一个比较优秀的解决方案。

参考文献:

冯登国. 计算机通信网络安全(M).北京:清华大学出版社,2001.2

英特尔嵌入式与通信产品资源,技术和解决方案

Christopher Y.Metz.IP Switching Protocols and Architeetures. 北京:机械工业出版社,1999.11

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发表于 2012-06-18 09:03 311次阅读
IPv6正式上线 或突破物联网寻址难题

IPv6全球启动 中国物联网规模将破5000亿

  IPv6昨日在全球范围内正式启动- -基于IPv6(国际互联网协议第6版)的下一代互联网。有比喻...

发表于 2012-06-07 09:17 250次阅读
IPv6全球启动 中国物联网规模将破5000亿

三大运营商忙布局IPV6 物联网规模将破5000...

IPv6昨日在全球范围内正式启动- -基于IPv6(国际互联网协议第6版)的下一代互联网。有比喻说,...

发表于 2012-06-07 09:16 286次阅读
三大运营商忙布局IPV6 物联网规模将破5000...

Lantiq任命用户端设备事业部总经理

领特公司(Lantiq)今日宣布:Dirk Wieberneit先生已加入公司并担任新的高级副总裁兼...

发表于 2012-06-06 18:10 194次阅读
Lantiq任命用户端设备事业部总经理

新一代因特网协议IPv6今天正式上线

今天是新一代互联网协议IPv6正式上线的日子。互联网协会发起的IPv6上线日活动今日举行,全球各大网...

发表于 2012-06-06 10:27 547次阅读
新一代因特网协议IPv6今天正式上线

Lantiq在世界IPv6启动日上强调具备IPv...

领特公司(Lantiq)今日宣布将参加于6月6日举行的“世界IPv6启动日”活动。作为演进到下一代互...

发表于 2012-06-05 11:54 201次阅读
Lantiq在世界IPv6启动日上强调具备IPv...

教育网成国内规模最大IPv6主干网

在昨日举行的“2012全球IPv6暨下一代互联网高峰会议”上,CERNET委员会委员马严透露,目前第...

发表于 2012-04-12 10:36 363次阅读
教育网成国内规模最大IPv6主干网

中国2014年后停止分配IPv4地址

2014-2015年中国将逐步停止向新用户和应用分配IPv4地址,同时全面商用部署IPv6。3月29...

发表于 2012-03-30 10:07 559次阅读
中国2014年后停止分配IPv4地址

iPv6加速普及,物联网商用在即

  目前物联网产业正进入稳步发展阶段,在交通、医疗、工业自动化等多个行业得到应用,全国有28个省市将...

发表于 2012-03-21 08:37 152次阅读
iPv6加速普及,物联网商用在即

资讯:IPv6将于今年6月6日正式开通商业服务

日前,ISOC(InternetSociety)组织宣布将在今年6月6日,招集全球ISP、信息提供商...

发表于 2012-02-21 09:48 339次阅读
资讯:IPv6将于今年6月6日正式开通商业服务

出井伸之与冯军均将重磅出席2012年北京全球IP...

2012年加快了IPv6部署的步伐!即将于北京举办的全球规模最大的IPv6峰会迎来了更多业界人士的关...

发表于 2012-02-09 09:21 180次阅读
出井伸之与冯军均将重磅出席2012年北京全球IP...

IPv6导入成物联网落实关键

网际网路标准发展机构-网际网路工程工作小组(IETF)自11/13起,首度在台北举行为期一周的会议。...

发表于 2011-11-16 10:36 327次阅读
IPv6导入成物联网落实关键

华为IPv6 IPTV方案首家通过实用验证

华为公司宣布,一个包括IPTV业务系统、城域网核心路由器NE5000E、业务路由器NE40E、接入网...

发表于 2011-10-21 09:02 564次阅读
华为IPv6 IPTV方案首家通过实用验证

基于IPV6的嵌入式数据采集系统设计

本文以工业生产中的“网络化数据采集系统”这一实际应用为讨论研究对象,借此来说明基于IPv6协议的嵌入...

发表于 2011-10-13 15:12 367次阅读
基于IPV6的嵌入式数据采集系统设计

IPv6的4大优势

IPv6并不神秘,其实只是一个网络地址的编码方式。不过,尽管在使用体验上 IPv6 与IPv4没啥区...

发表于 2011-10-05 13:50 2868次阅读
IPv6的4大优势

基于6LOWPAN的IPv6传感器网络报头压缩方...

本文设计并实现了一种IPv6报头压缩机制,理想情况下可以将IPv6报头压缩到1 B,在节点单跳和多跳...

发表于 2011-09-21 11:03 706次阅读
基于6LOWPAN的IPv6传感器网络报头压缩方...

基于IPv6和ARM9的地震烈度计开发

以低功耗微型电容式三轴向加速度传感器作为传感部件,采用基于ARM9的嵌入式系统并定制Linux作为总...

发表于 2011-09-19 16:30 439次阅读
基于IPv6和ARM9的地震烈度计开发

基于Linux的IPv6复合防火墙的设计

IPv6运用AH和ESP对所传输的数据进行认证和加密,保证了数据的机密性、完整性和可靠性,实现了信息...

发表于 2011-06-07 11:40 576次阅读
基于Linux的IPv6复合防火墙的设计

IPv6时代真的来了吗?

过去几年中,人们不断听到类似于“IPv4枯竭”、“IPv6”已经到来这样的说法,却总有“雷声大、雨点...

发表于 2011-03-15 12:03 215次阅读
IPv6时代真的来了吗?

IPv6的安全机制对现有网络安全体系的影响

IPv6(Internet Protocol Version 6 )是IETF 设计的用于替代现行版...

发表于 2011-02-23 10:57 291次阅读
IPv6的安全机制对现有网络安全体系的影响

IPv6应用对网络安全的影响

如果你还没有考虑IPv6对你的网络安全的影响,那么现在是时候开始考虑了!,IPv6协议的出现对我们的...

发表于 2011-02-21 09:51 273次阅读
IPv6应用对网络安全的影响

IPv4向IPv6过渡的难题

运营商所需要的IPv6演进方案,首先要能够解决IPv4的地址短缺问题,由于时间紧迫,这个方案还要具备...

发表于 2011-01-25 09:37 582次阅读
IPv4向IPv6过渡的难题

IPv6在流媒体传输应用方面的意义

  传统的IPv4网络已经无法满足高质量流媒体通信的要求,而IPv6在流媒体传输应用方面的意义主要有...

发表于 2010-08-30 11:25 370次阅读
IPv6在流媒体传输应用方面的意义

IP地址即将枯竭

“在网上,你不知道和你聊天的是个人还是一只狗。”这句经典的台词,道尽了互联网的虚拟性和不可确定性。如...

发表于 2010-08-04 08:54 274次阅读
IP地址即将枯竭

基于IPv6的嵌入式视频监视系统的硬件设计

基于IPv6的嵌入式视频监视系统的硬件设计 目前嵌入式视频监视系统已成为国内外视频监视系统应用的主...

发表于 2010-01-12 10:11 277次阅读
基于IPv6的嵌入式视频监视系统的硬件设计