第38卷第2期计算机仿真2021年2月文章编号：1006 - 9348(2021)02 - 0119 - 05
IPV6远程监控网络无状态双向通信方法
梁勇，刘承启*
(南昌大学，江西南昌330031)
摘要：当前互联网协议第6版（Internet Protocol Vereion6，IPv6)远程监控网络通信无法实现互联网协议第4版（Internet Protocol Verai〇n4，IPv4) 地址与Ipv6 地址的转换，且对网络状态要求较髙，导致通信效率不理想。提出Ipv6 远程监控网络无状态
双向通信方法。设计Ip v6网络与Ipv4互联网的地址映射规则，在代理服务器协议栈内引入支持IPv4与Ip v6的双协议，实 现同步访问权限。建立不同协议栈与目的机器的连接，采用代理服务器静态映射表完成Ip v4地址与IPv6地址静态转换，根 据代理服务器生成的socket对象，完成Ip v6网络的无状态双向通信。仿真结果表明，所提方法可有效实施双向通信，且与
传统方法相比通信速率优势较为显著。
关键词：互联网协议第6版；远程监控网络；无状态；双向通信；代理服务器
中图分类号:TP393 文献标识码：B
Ipv6 Remote Monitoring Network Stateless
T w o-W a y Communication Method
LIANG Yong,LIU Cheng- qi*
(Nanchang University,Jiangxi Nanchang330031,China)
A B S T R A C T：At present,Internet Protocol Version6 (Ipv6) remote monitoring network communication i s unable to
realize the conversion between Ipv4 (Internet Protocol Version4) address to Ipv6 address,resulting in low communication efficiency.Therefore,a stateless bidirectional communication method for Ipv6 remote monitoring network was proposed.At first,the address mapping rules of Ipv6 network and Ipv4 network were designed,and then dual protocols supporting Ipv4 and Ipv6 were introduced in the protocol stack of proxy server to realize the synchronous access.
The connection between different protocol stacks and the destination machine was established.Further
more,the static mapping table of proxy server was used to complete the s t atic conversion of Ipv4 address and Ipv6 address.According to socket objects generated by the proxy server,the stateless bidirectional communication of Ipv6 network was completed.Simulation results show that the proposed method can effectively implement the bidirectional communication.
Meanwhile,the communication rate i s higher than the traditional method.
K E Y W O R D S：Internet Protocol Version6 (Ipv6) ；Remote monitoring network；Statelessness；Bidirectional communication；Proxy server
i引言
各类网络的使用范围与规模日益扩大，传统的Ipv4[1]已经无法满足当今技术需求，因此，丨pv4地址大幅度缩减，也因 此推动了 Ipv4向Ipv6转变。由于初期的Ipv6网络地址设计 与Ipv4网络地址为不兼容状态，因此，基于所有的映射规则 与技术，能够完成Ipv4到丨Pv6的过渡并实现互联网双向通 信的有效手段为无状态通信机制。根据丨pv4地址与Ipv6地
收稿日期:2020 - 05-15修回日期:2020-06-22址内存在的映射规则，互联网服务提供商统一管理并控制Ipv4与Ipv6网络的用户。在Ipv4到Ipv6的演变过程中，不 仅需要过渡时间，还要达成与Ipv6的互联通信。当前的 N A T64翻译策略虽然可以令I Pv6访问丨pv4，但却不是直接式 访问D
目前针对Ipv4与Ipv6网络的双向通信研究数量较多，并得到一些研究成果。例如，文献[3]针对支持I Pv6的嵌人 式设备进行了研究，分析了嵌人式设备基于Ipv6网络互联的 关键方式之一的地址自动配置，通过对无状态与有状态两种 自动配置方式的运作机理和过程进行分析，在嵌入式协议栈
—119—
中设计并实现了两种地址的自动配置。但是该方法存在网 络状态要求较高问题，实用性较差。文献[4]借助WMware
W o rk s ta tio n 以及W ire s h a rk 等软件，设计I p v 6地址自动配置
实验，将IPv 6工程配置和协议分析相结合，为丨Pv 6实验体系 的构建提供了一定参考。但是该方法存在应用效率较低 问题。
为解决以上传统方法存在的应用问题，依据互联网接人 策略，提出新的丨pv 6远程监控网络无状态双向通信方法。通 过在Ipv 6远程监控网络无状态双向通信模型中嵌人具有双 协议的代理服务器，达成Ipv 6与I Pv 4间服务器转化，实现
Ipv 6远程监控网络的无状态双向通信。实验中处理时长与
冲突频率为对比测试指标。实验结果验证了所提方法应用 性能的优势。
2 Ipv 6远程监控网络无状态双向通信模型架构
无状态通信是指在IPv 6远程监控网络报文头部的所有 字段间，实现算法中映射关系的构建，以确保在未存储、未追 踪动态映射关系的前提下，翻译网关也能够从报文[5]含有的 信息里完成翻译处理。
根据翻译机制中的核心技术标准R F C 6052，制定IPv 6网 络与IpV 4互联网双向通信状态下的地址映射规则，如图1、 图2所示。
图1 Ipv 6网络与丨pv 4互联网无状态地址映射横型
由于总体lpv 4地址空间能够无状态对应映射一个Ipv 6 子网[6]，因此，映射规则在Ipv 6的前缀后加人Ipv 4地址，并 用补零的方式处理其余空位，则得到的Ipv 6地址属于Ipv 4 的转换地址，无法应用于实际的Ipv 6计算机应用中。互联网 服务提供商将特殊的Ipv 6地址分配给远程监控网络的计算 机，以实现丨Pv 6地址与Ipv 4地址空间的无状态映射，该特殊 地址也叫作Ipv 4可译地址。利用Ipv 6地址集合与Ipv 4地址 空间的部分子网[7]，完成一对一或者多对一的无状态映射关
图2 Ipv 6与Ipv 4网络无状态地址映射模型
系架构，则Ip v 4地址空间中IPv 6地址的映像为IPv 4地址，无 法用于实际的IPv 4计算机应用中。
基于网络地址映射规则，设定为//w 6任意计算机地 址，互联网的任意计算机地址为，如果两计算机进 行无状态双向通信，则的通信对端为计算机C #在/# 里的映像；如果（:^通过访问在/pt 4内所映射的W 4地 址，达成Cip i 6的访问，则C #的通信对端即为访问地址。
互联网服务提供商通过接入Ip v 6网络，为用户提供IPv4 与Ip v 6互联网访问服务，而网络内容服务商则通过升级IPv6 网络，为用户提供I p v 6与IPv 4互联网服务，因此,I Pv 6远程 监控网络的无状态双向通信模型，对I p v 4到IPv 6的过渡阶 段起到有效的促进作用。
3无状态双向通信的实现
3.1代理服务器嵌入
为使Ip v 6远程监控网络的无状态双向通信效果更加理
想，应令代理服务器的协议栈[8]内存在支持Ip 4与IPv 6的 双协议，并具有Ip v 6子网与IPv 4子网的同步访问权限，从而 进一步实现内外网I p v 6与丨Pv 4之间的代理服务器[9]转化， 因此，通信网关应符合协议的协商机制。Ip v 6协议栈示意图 如图3所示。
当用户与代理服务器间经过认证协商，用户发送请求数 据包时，用户将目的站点地址与端口发送至代理服务器，此 时会出现以下两种情况：
1) 若发送的内容为域名与端口，代理服务器将进行域名
解析。在用户端无法获知Ip v 6站点是目的站点还是Ip v 4站 点是目的站点的情况下，代理服务器可以依据域名解析结果 对目的站点进行判定。若目的站点为Ip v 6地址，则采用目的 机器与Ip v 6协议栈完成连接建立；若目的站点为IPv 4地址， 则采用目的机器与Ip v 4协议栈完成连接建立。
2) 若发送的内容为I P 地址[1<)]与端口，那么，代理服务
120
—
图3 Ip v6协议栈示意图
器能够依据所请求的地址格式，实现地址种类判定，并利用 不同的协议栈与目的机器创建连接。
基于支持丨pv4与IPv6双协议的代理服务器，不仅可以 使Ipv4用户实现I Pv4服务器的访问，而且Ipv6用户也能够 对Ipv4服务器进行访问，用户之间实施交叉访问。但是大多 数情况下,Ipv6用户端的软件必须要具备有效识别I Pv4目的 地址的功能，Ipv4用户端也要具备有效识别I Pv6目的地 址[11]的功能，因此，要将Ipv4地址与I Pv6地址的转换性能 赋予代理服务器，或者通过与Ipv4兼容的I Pv6地址，实现 Ipv6主机对I Pv4主机的访问，最后，利用代理服务器的静态 映射表，进行Ipv4地址与Ipv6地址的静态转换。
图4代理服务器解析流程图
代理服务器会生成两个socket[12]对象，其主要功能是连 接监听Ipv4与Ipv6。如果用户连接地址不同，则处理对象也 不同，即每产生一对新的连接，就会形成对应的两个socket 对象实例，且不同的用户来源与请求目的地址，所生成的对象也会发生相应改变。若均为Ipv4的socket对象，则用户来 源与请求目的
地址也为Ipv4主机；若均为IPv6的socket对 象，则用户来源与请求目的地址也为IPv6主机；若分别为Ipv4与Ipv6的socket对象，则要对Ipv6与Ipv4间的节点建 立连接。
代理服务器协议处理完成后，根据新产生对象实例间的 对应关系，将网络接口收到的数据传输给各对象，经过处理 后再进行下一步发送。
Ipv6地址与I Pv4地址的双协议代理服务器软件，其开发 平台为Microsoft visual C ++6.0版本，由面向对象法_13-与 M F C类库框架完成创建。为接收Ipv6与Ipv4双协议的T C P 连接请求，该代理服务器使用同一端口设置了两种协议栈的 T C P连接服务，令I Pv6与Ipv4的两个目的地址均能够支持双协议，因此，所创建的代理服务器可以实现Ipv6远程监控 网络的无状态双向通信。
对Ipv6进行升级的初始阶段，会在海量的I Pv4网络内 形成Ipv6网络“孤岛”，通过创建的代理服务器，可以使网络 “孤岛”与众多互联网节点间完成双向通信，此时的网络访问 形式为Ipv6主机对Ipv4网络的访问。
3.2双向通信的优化
设置处理时长与冲突频率两个指标，并将两个参数最小 化作为最优目标，此外，如果网络性能具有较低的反向査询 复杂度，则通信效率会更加理想。其中，IPv6远程监控网络 处理一次双向通信的时长为时
长参数，相同平台的处理时长 越短，双向通信速率越快；冲突频率指的是基于一组指定Ipv6远程监控网络地址集合，双向通信阶段内产生的I Pv4地 址重复频率，冲突频率指标与双向通信效果呈反比例关系。
已知丨Pv6网络地址集合中的I Pv6地址数量为N，值域S 中的Ipv4地址数量为\1，且N> M，假设I Pv6地址映射到第i 个Ipv4地址的数量为％，当其超过一个时，冲突数量用％ - 1表示，那么，即可推导出下列冲突频率表达公式
P= ~-I))= 1~-1)
(1)式（1)中，阶跃函数为e U)，其条件式如下所示
10,* < 0
通过上式可以看出，若想最小化冲突频率，则要最大化 % >0的Ipv4地址个数，即要使N个Ipv6地址与不同的N 个Ipv4地址实现对应映射关系。
反向査询复杂度是指经过映射Ipv6地址到I Pv4地址集 S。，再根据S。内Ipv4地址对Ipv6地址进行反向査询，其具有 的期望时间复杂度即为反向査询复杂度，反向查询复杂度(即期望时间复杂度）越低，双向通信效果优势越显著。将各 Ipv6地址的发生概率设定成N_\那么，采用下列条件式对第i个I Pv4地址所
需查询的期望次数进行界定
—121
—
f 女W +系）
EiT ,)=
1.^=1 ^0,/V , = 0
则整体期望査询次数表达式如下所示
E (T ) =
= ^v |j (^ +3Ni
-2)e (Ni
-l
)
= ^1N - +y
= ^
i ^.-f )2+|-) +p +y
=
^
2
+p + !1i r
⑷
根据上式能够发现,％方差O "2和冲突频率p 均与期望 查询次数为线性正相关关系，若冲突频率一致，则期望査询 次数随着方差V
的增加而上升，故双向通信的均衡性能可
以通过方差参数进行表示。
4实验结果与分析
4.1 实验环境
采取文献[3]、文献[4]与本文方法进行对比以检测本
文方法的合理性。实验环境采用内核为2.4. 8版本的Linux 操作系统，硬件环境为英特尔酷睿i 7型号2. 7G H z 处理器, 运行内存是4G B 1333M H Z 。在某远程监控网络中抽取了大 小分别为15万、50万、130万、180万以及250万的独立IPv 6 地址集合。
4.2不同方法的耗时对比分析
利用哈希函数[14]获取本文方法与文献[3]、文献[4]各 独立Ipv 6地址集合的映射处理时长均值，所得结果如图5所示。
N ] +3^-2
2N ;
(3)
通过图5可以看出，相较于另外两种传统方法，本文方 法的处理时长增幅较小，最短处理时长仅有1.32#，最长也 只有1.76JAS ，增加比例为0.33%。说明IPv 6集合量的提升 并没有对处理时长指标产生太大的影响，本文方法的稳定性 比较理想。这是因为在本次研究中设计了 Ipv 6网络与I Pv 4 互联网的地址映射规则，在代理服务器协议栈内引人支持 I Pv 4与I Pv 6的双协议，实现同步访问权限。同步访问大大减
小了通信耗时。
4.3不同方法应用过程中通信冲突频率对比分析
经过各IPv 6网络地址集合通信冲突频率及其大小的对 比，得出本文方法与文献[3]、文献[4]冲突频率及其大小之 间的关系曲线图。
图6
冲突频率对比图
根据图6中实验结果曲线的趋势可以看出，如果l pv 4的 集合数量为固定值，则通信冲突频率与lpv 6集合数量呈正比 例关系，若Ipv 6集合数量为固定值，那么，I Pv 4集合数量越 多，冲突频率越小。当Ipv 6地址集合大小为15万时，冲突频 率为最小值，当IPv 6地址集合大小为250万时，冲突频率得 到最大值。另外从上图可知，与文献[3]、文献[4]方法进行 对比，本文方法在不同地址集合冲突频率对比中的数值更 低，尽管当Ipv 6地址集合大小为250万时，冲突频率得到最 大值，但该极大冲突频率仍处于实际应用的可允许范围内， 符合Ipv 6远程监控网络的理想通信需求。这是因为所提方 法建立了不同协议栈与目的机器的连接，采用代理服务器静 态映射表完成IPv 4地址与[Pv 6地址静态转换，该转换过程 有效避免了监控网络通信冲突，提高了方法的实用性。
5结论
为使不同地址的总体通信机制结构体系的统一应用目
的，设计新的IPv 6远程监控网络无状态双向通信方法。基于 网络地址映射规则，判定出Ipv 4与I Pv 6网络的通信对端；将 支持I p W 与I Pv 6的双协议嵌入代理服务器协议栈，采用生 成的socket 对象连接并监听Ipv 4与Ipv 6，完成Ipv 6与Ipv 4 双协议的T C P 连接请求，进而达成无状态双向通信，将处理 时长、冲突频率以及反向査询复杂度设定为指标参数，对通
—
122
信方法性能进行评估。该方法是技术解决策略的关键推动
引擎之一，具有较好的扩展性与可溯源性，也为Ipv4到Ipv6
网络的过渡需求提供了理想且有效的路线与更加便捷的
服务。
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[作者简介]
梁勇（1973 -)，男（汉族），江西临川人，助理研
究员，研究方向：网络通信、数据库、信息安全。
刘承启（1977 _)，男（汉族），江西鄱阳人，硕士，助
理研究员，研究方向：计算机应用（通讯作者）。
(上接第1〇〇页）
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[作者简介]
宁兴良（1973 -)，男（汉族），山西太原市人，高级
工程师，主要研究领域为电力机车运行与控制。
杨宁（1983 -)，男（汉族），山西省太原市人，副
研究员，主要研究领域为载运工具运用工程。
赵震（1979-)，男（汉族），河北省邯郸市人，副研究员，主要研究领域为电力电子与电力传动。
黄景春（1973 -)，男（汉族），吉林大安市人，副教授，硕士研究生导师，主要研究领域为粘着控制。
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