CN1243437C - 一种可穿越网络地址翻译的自动隧道的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及互联网技术领域，一种可穿越NAT(网络地址翻译)的自动隧道技术，也就是该隧道技术允许隧道主体存在任何类型和任意数量的NAT，它是一种新的IPv4互联网向IPv6互联网过渡时期的隧道技术。目的是为了使NAT域内的IPv6/IPv4双栈节点获得全球端到端IPv6连接。利用该隧道技术NAT域内的IPv6/IPv4双栈节点将通过中间服务器和不在NAT域内的IPv6节点进行通信，对同为NAT域内的IPv6/IPv4双栈节点之间。

Description

一种可穿越网络地址翻译的自动隧道的方法

技术领域

本发明涉及互联网技术领域，特别是一种可穿越NAT(网络地址翻译)的自动隧道方法。该方法利用现有的IPv4网络路由体系传输IPv6数据包，是一种IPv4向IPv6过渡时期的隧道技术，用以实现IPv4向IPv6的过渡。

背景技术

NAT(网络地址翻译)技术是解决IPv4地址不足的一种有效方法，它在中国的部署极其广泛。NAT按映射关系不同可以分为3种类型：“cone”NAT、“Restricted”NAT、“Symmetric”NAT。

NAT收到来自内部网络的数据包时，将数据包的IPv4源地址(私有地址)转换成另一地址(公有地址)，我们称该地址为外部地址，将TCP或UDP源端口号转换成另一端口号，我们称该端口号为外部端口，然后向外部网络发送转换后的数据包。并在它维护的转换表中增加源地址、源端口和外部地址、外部端口之间的映射关系。外部网络收到数据包后如果要往回发送数据包，它将外部地址设为数据包的目的地址，将外部端口设为数据包的目的端口。当NAT收到来自外部网络的数据包时，根据转换表中的映射关系将数据包的IPv4目的地址和TCP或UDP目的端口(也就是原来的外部地址和外部端口)转换成源地址和源端口后发送给内部网络。

“cone”NAT中，转换表的映射关系为<源地址，源端口，外部地址，外部端口>。只要来自外部网络的数据包中的<目的地址，目的端口>符合映射关系中的<外部地址，外部端口>，它就将之转化为映射关系中的<源地址，源端口>，然后向内部网络发送该数据包。

“Restricted”NAT中，转换表的映射关系为<源地址，源端口，外部地址，外部端口，目的地址，目的端口>或<源地址，源端口，外部地址，外部端口，目的地址>。如果来自外部网络的数据包的<目的地址、目的端口、源地址、源端口>符合映射关系中的<外部地址，外部端口，目的地址，目的端口>或<外部地址，外部端口，目的地址>，它就将数据包的<目的地址，目的端口>转化为映射关系中的<源地址，源端口>，然后向内部网络发送该数据包。

上述两种NAT，映射关系是一对一，也就是说只要原象<源地址，源端口>不变，映射后的象<外部地址，外部端口>也不变。”Symmetric”NAT不同，它的映射关系是一对多，对于同一个原象<源地址，源端口>，根据数据包不同的目的地址，会被映射成不同的象<外部地址，外部端口>。

NAT在解决IPv4地址不足的同时也破坏了IP协议端到端的特性，而IPv4协议本身在地址分配策略、安全、接入、Qos、移动性等方面存在诸多不足，IPv6就是为解决这些问题而设计的。随着政府和企业对IPv6互联网研究和运行投入的不断增加，IPv4互联网向IPv6互联网的转变势在必行。但这种转变不是一蹴而就的，它需要一个漫长的过程。目前，IETF已经提出了从IPv4过渡到IPv6的3种主要迁移机制：双栈、协议翻译、隧道。

双栈节点同时实现了IPv4和IPv6协议，可以和IPv4或IPv6节点建立通信。节点根据目的IP地址决定采用IPv4还是IPv6协议发送或接收数据包。目前双栈是运行最广泛的迁移机制。但双栈只允许相同IP版本之间的通信。

协议翻译就是将数据包透明的从一种协议翻译成另一种协议。这样使得纯IPv6节点可以和纯IPv4节点之间建立通信，而不需要修改任何软件。最有名的协议翻译机制是NAT-PT。NAT-PT采用SIIT(StatelessIP/ICMP T路由广告nslator)进行协议翻译，当IPv6节点和IPv4节点需要建立通信时，NAT-PT为IPv6节点分配一个临时的IPv4地址，并在会话期间维护IPv4地址和IPv6地址的映射关系。同时它还可以提供应用层网关的功能，执行IPv4和IPv6DNS请求和应答的翻译。

隧道技术的实质是将IPv6(IPv4)数据包封装在IPv4(IPv6)数据包中，利用已有的IPv4(IPv6)路由体系进行传输，从而解决被不兼容的网络分离的采用相同IP版本的节点之间相互通信的问题。在过渡前期，IPv4网络占主导地位，IPv6网络好比是整个IPv4汪洋中的孤立岛屿，这些岛屿之间的通信可采用IPv6-over-IPv4隧道来实现。过渡后期，IPv6网络占统治地位，类似地，各个孤立IPv4岛屿之间的通信可采用IPv4-over-IPv6隧道来实现。

通常隧道由3部分组成：隧道首节点，对数据包进行封装；隧道尾节点，对数据包进行解封装；隧道主体，实际上是一条IPv6或IPv4路径，将封装后的数据包从隧道首节点传送到隧道尾节点。根据各部分实现方式的不同，隧道技术包括6to4、ISATAP、6over4、Tunnel Broker、DSTM等。

目前绝大部分隧道技术都采用将IPv6数据包封装在IPv4载荷中的方式解决被IPv4网络分离的两个IPv6节点之间通信的问题。但是，这些隧道技术都无法支持NAT域内的IPv6节点和其他IPv6节点之间的通信，也就是说，这些隧道不允许隧道主体上有NAT存在。原因是目前的NAT基本上不允许IPv6-in-IPv4数据包(也就是IPv4头部的协议类型字段为41的数据包)通过。NAT收到IPv6-in-IPv4数据包后，由于不认识而将之丢弃。

发明内容

本发明提出一种可穿越NAT的自动隧道的方法，目的是解决NAT域内的IPv6节点和其他IPv6节点(可以在NAT域内，也可以不是)之间互相通信的问题。

本发明的技术方案：

因此提出了一种将IPv6数据包封装在UDP载荷中的隧道技术，我们称之为“SilkRoad”，相应的，我们称这种隧道为SilkRoad隧道，SilkRoad不受隧道主体上存在任意类型和任意数量的NAT的影响，可将IPv6数据包从隧道首节点传送到隧道尾节点。

SilkRoad隧道定义了3个通信实体，用于实现上述的方法：

1.Silkroad客户端(以下简称客户端)，表示NAT域内的IPv6/IPv4双栈节点，支持Silkroad隧道功能，有一个全球单播聚类IPv6地址(我们称之为SilkRoad地址)和一个私有IPv4地址。

2.Silkroad服务器(以下简称服务器)，在NAT域外，表示为客户端分配IPv6地址并具有路由功能的IPv6/IPv4双栈节点，支持Silkroad隧道功能，有一个公有IPv4地址，它可以有通向IPv6骨干网的路由，也可以有通向孤立IPv6网络的路由。

3.普通IPv6节点，表示除客户端和服务器以外的其他IPv6节点。

附图说明

图1为服务器分配给客户端的SilkRoad地址格式图。

图2为SilkRoad定义的数据包格式图。

图3为SilkRoad定义的维持包格式图。

图4为SilkRoad的路由体系图。

图5为客户端启动后的初始化配置过程图。

图6为相同链路上客户端之间的通信过程图。

图7为位于不同NAT域客户端之间通信的第一种情况图。

图8为位于不同NAT域客户端之间通信的第二种情况图。

图9为位于不同NAT域客户端之间通信的第三种情况图。

图10为客户端到普通IPv6节点的通信过程图。

图11为普通IPv6节点到客户端的通信过程图。

客户端通信时采用的IPv6地址是一种规定格式的地址，它包括64位的IPv6地址前缀和64位的接口标识符，接口标识符由伪外部端口字段、NAT类型标志位字段、Silkroad地址标志位字段和伪外部地址字段组成，如附图1所示。各部分说明如下：

◆IPv6前缀：

IANA正式分配的全球聚类单播地址前缀或“site-local”地址前缀，不可以是“link-local”地址前缀或组播地址前缀。

◆伪外部端口：

外部端口(经NAT映射后的端口)和0xFFFF与或后的16位数值。

SilkRoad客户端启动后向服务器发送一个初始化数据包，该包经过NAT时其UDP端口被映射成一个不同的端口，我们称之为外部端口。服务器从接收到的初始化数据包中获得此端口。考虑到NAT会删除过期的映射关系，客户端(或服务器)将周期性的向NAT发送数据包以维持这种映射关系，所以NAT的转换表中始终保留该映射关系。对外部端口进行与或操作的目的是为了防止某些“自作聪明”的NAT将UDP数据包载荷，即IPv6头部+IPv6载荷中的外部端口进行转化。

◆NAT类型标志位：

长度为2位，用来表示客户端所在NAT的类型。00表示客户端位于“cone”NAT域，10表示客户端位于“Restricted”NAT域，11表示客户端位于“Symmetric”NAT域。

◆Silkroad地址标志位：

长度为14位，设为0，表示该地址是一Silkroad地址。将该字段放在接口标识符中间的目的在于避免和其他地址冲突，因为目前只要不是随机分配的接口标识符，其中间16位都是FFFE。

◆伪外部地址：

外部地址即经NAT映射后的地址和0xFFFFFFFF与或后的32位数值。

客户端启动后向服务器发送一个初始化数据包，该包经过NAT时其私有IPv4地址被映射成一个公有IPv4地址，我们称之为外部地址。服务器从接收到的初始化数据包中获得此地址。考虑到NAT会删除过期的映射关系，客户端(或服务器)将周期性的向NAT发送数据包以维持这种映射关系，所以NAT的转换表中始终保留该映射关系。对外部地址进行与或操作的目的是为了防止某些“自作聪明”的NAT将UDP数据包载荷，即IPv6头部+IPv6载荷中的外部端口进行转化。客户端和其他IPv6节点通信时发送或接收的数据包我们称之为Silkroad数据包，它由IPv4头部、UDP头部、IPv6头部以及IPv6载荷组成，如附图2所示。具体说明如下：

●IPv4头部：

源IPv4地址为客户端的IPv4地址(私有地址)，目的IPv4地址为服务器的IPv4地址(如果目的地是普通IPv6节点)或对方客户端经NAT映射后的外部地址(如果目的地是另一客户端)。

●UDP头部：

源端口为5188，目的端口为5188(如果目的地是普通IPv6节点)或对方客户端经NAT映射后的外部端口(如果目的地是另一客户端)。

●IPv6头部：

包含源IPv6地址和目的IPv6地址，其中至少有一个是SilkRoad地址。

●IPv6载荷：

由0或若干个IPv6扩展头部，以及上层协议数据单元(PDU)组成。

为了维持NAT中的映射关系，如“cone”NAT的<源地址，源端口，目的地址，目的端口>。客户端需要周期性的向NAT发送数据包，我们称这种数据包为维持包，如附图3所示。在维持包的IPv6头部中，下一跳字段设为59，表示没有IPv6载荷。

Silkroad的路由体系如附图4所示。客户端通过SilkRoad隧道接口发送或接收数据包，SilkRoad隧道接口是一个逻辑接口，它会自动将IPv6数据包封装在UDP载荷中进行发送。同样，Silkroad隧道接口接收到的数据包肯定是一个封装了IPv6报文的UDP数据包。客户端有一个缺省路由(::/0)，它将所有IPv6地址视为同一链路上的地址并使用SilkRoad隧道接口进行转发。缺省路由的下一跳地址为IPv6数据包中的目的地址，下一跳接口为SilkRoad隧道接口。服务器有通向IPv6骨干网以及各孤立IPv6网络的路由，也有通向各客户端的路由。IPv6骨干网以及各孤立IPv6网络中任何一个IPv6节点发送的数据包，只要目的地址前缀是服务器分配给客户端的地址前缀，都将被路由至服务器(图中以地址前缀2001：*/64为例)，服务器再通过去往客户端的路由将数据包转发至客户端。同样，客户端可通过服务器和IPv6骨干网以及各孤立IPv6网络中的任何一个IPv6节点实现互访。

客户端每次启动后首先向服务器注册以获得一个SilkRoad地址，这样才能和其他IPv6节点建立通信，这个过程我们称之为客户端的初始化配置，如附图5所示。

客户端的初始化配置通过向服务器发送一系列路由请求报文来完成，服务器以路由广告报文作为响应，路由广告报文中含有客户端被NAT映射后的外部地址和外部端口信息。通过此过程客户端获得一个SilkRoad地址并判断它位于何种NAT域内。

客户端的初始化配置过程如下：

1、客户端向首选的服务器(图中为服务器1)发送一个路由请求报文，报文的源IPv6地址是一个“link-local“地址，其F字段值为00。

2、服务器1收到路由请求报文后发送一个路由广告报文作为响应，因为路由请求报文显示客户端位于“cone”NAT域内(F字段设为00)，所以它选择一个不同的IPv4地址作为源地址发送路由广告报文，如果客户端能收到此报文，表明客户端确实位于“cone”NAT域内。

3、如果客户端没有收到此路由广告报文，它将再向服务器1发送一个路由请求报文，路由请求报文的源IPv6地址是另一个“link-local“地址，其F字段值为10。

4、服务器1收到路由请求报文后发送一个路由广告报文作为响应，因为路由请求报文显示客户端位于“Restricted”NAT域内，它将以路由请求报文中的目的IPv4地址作为源IPv4地址发送路由广告报文，客户端如果收到此报文，表示它位于一个“Restricted”NAT域内。

5、客户端为了明确是否位于“Symmetric”NAT域内，将再向另一个服务器(图5中为服务器2)发送路由请求报文，服务器2收到路由请求报文后发送一个路由广告报文作为响应。

6、客户端收到此路由广告报文后和原先收到的路由广告报文作比较，如果报文包含的用来构造SilkRoad地址的信息相同，表示NAT的地址端口映射关系是一一对应的。如果不同，表示NAT将相同的内部地址和端口映射成了不同的外部地址和端口，映射关系是一对多，所以客户端认为它位于“Symmetric”NAT域。根据第2、4或6步收到的路由广告报文，客户端按如下构造一个SilkRoad地址：

·地址的前64位设置为路由广告报文中的“前缀信息选项”(如2001：***/64)。

·接下去的16位设为路由广告报文中包含的外部端口。

·接下去的2位设为00(如果客户端位于“cone”NAT后)或10(如果客户端位于“Restricted”NAT后)或11(如果客户端位于“Symmetric”NAT后)。

·接下去的14位设为0。

·最后32位设为路由广告报文包含的外部地址。

客户端和其他IPv6节点之间的通信情况分以下3种情况：

一、通信对方是同一链路上的客户端；

对于目的地是相同链路上客户端的数据包，SilkRoad隧道接口采用SilkRoad维持包的交换代替邻居发现的地址决议过程，交换SilkRoad维持包是为了获得通信对方在该链路上的IPv4地址以便可以直接进行通信；

为了判断目的地址所对应的主机是否位于同一链路，客户端会检查它的SilkRoad邻居缓存，每个客户端都会向和它相连的IPv4链路发送SilkRoad维持包以表明它在该链路上的存在，所有收到这些SilkRoad维持包的客户端将包中的SilkRoad地址和IPv4地址放入它的SilkRoad邻居缓存；因此，如果某个目的SilkRoad地址位于SilkRoad邻居缓存，那么该地址对应的主机肯定位于相同的链路上，相同链路上客户端之间的通信如附图6所示。通信过程如下：

1、客户端1，本主机发送一个维持包，其IPv4目的地址为一保留的IPv4多播地址224.0.0.1(由IANA分配)。维持包的IPv6头部的目的IPv6地址为客户端2，目的主机的SilkRoad地址。

2、客户端2收到SilkRoad维持包后判断客户端1的IPv4地址是否属于同一链路、UDP端口是否为5188。若地址端口都得到确认，客户端2向客户端1发送一个维持包作为响应，客户端1收到该包后获得客户端2的IPv4地址(此地址是NAT域内的私有地址)。

3、接着客户端1直接向客户端2发送数据，不需要经过NAT，更不需要经过服务器。

二、通信对方另一NAT域的客户端；

这种情况又可细分为3种情况：

1.本主机位于“cone”NAT域或“Restricted”NAT域，目的主机位于“cone”NAT域

它们之间的通信可以直接进行，如附图7所示。因为“cone”NAT不会对任何源IPv4地址加以限制，所以客户端1可以直接向客户端2发送数据包来创建对方NAT转换表中的地址端口映射关系。若客户端1位于“Restricted”NAT，因为在它向客户端2发送数据后NAT1经建立了目的地为NAT2的映射关系，所以客户端2的数据包可以通过NAT1；

2.目的主机位于“Restricted”NAT域

SilkRoad隧道接口采用维持包的交换来代替邻居发现的地址决议过程，使得对方所在NAT创建通信必须的地址端口映射关系，之后两个客户端之间就可以直接交换数据包，如附图8所示。具体通信过程如下：

●客户端1(即本主机)向客户端2(即目的主机)发送一个维持包，目的是为了在“Restricted”NAT1建立目的地为NAT2的映射关系，以便来自NAT2的数据可以通过NAT1。如果NAT1是“cone”类型，则可以省略这一步。

●接着客户端1向服务器1(即客户端1注册的服务器)发送维持包，目的IPv4地址为服务器1的公有IPv4地址，目的IPv6地址为客户端2的地址。

●服务器1收到此包后剥去IPv4头部和UDP头部，新的数据包只有一个IPv6头部。通过IPv6网将新数据包转发至服务器2(即客户端2注册的服务器)。图中虚线表示该包走的是IPv6网络。

●服务器2收到此包后从目的IPv6地址中提取出外部地址和外部端口，将此包封装在UDP中后发送给客户端2。UDP的目的端口为提取的外部端口，源端口为5188，IPv4头部的源地址为服务器2的IPv4地址，目的地址为提取的外部地址。

●客户端2收到来自服务器2的数据包后从源IPv6地址中提取出客户端1的外部地址和外部端口，并从客户端1的地址中获知它不位于“Symmetric”NAT域。然后向客户端1发送一个维持包，其中IPv4源地址为客户端2的私有地址，IPv4目的地址为提取的外部地址。UDP源端口为5188，目的端口为提取的外部端口。即使NAT1是“Restricted”类型，因为第一步中NAT1已经建立了到NAT2的映射关系，所以该包可以通过NAT1。

接下去客户端1就可以直接向客户端2发送数据包，不需要中间服务器的转发。发送之前从目的IPv6地址也就是客户端2的SilkRoad地址中提取出外部地址和外部端口，然后将数据包封装在UDP中，目的IPv4地址为提取的外部地址，源IPv4地址为本机的私有IPv4地址，目的端口为提取的外部端口，源端口为5188。客户端2收到此包后进行解封装，如果它要向客户端1发送数据包，必须执行同客户端1一样的封装过程。

3.本主机或对方位于“Symmetric”NAT域

它们之间通信的数据包必须通过服务器转发，如附图9所示。具体过程如下：

●客户端1，本主机将要发送的数据包封装在UDP中，目的IPv4地址为服务器1的公有IPv4地址，源IPv4地址为本机的私有IPv4地址，目的端口和源端口均为5188。

●服务器1(即客户端1注册的服务器)剥去IPv4和UDP头部，通过IPv6网将没有封装的IPv6数据包转发至服务器2。图中虚线表示该包走的是IPv6网络。

●服务器2(即客户端2注册的服务器)收到此包后从目的IPv6地址中提取出外部地址和外部端口，将此包封装在UDP中然后发送给客户端2目的主机。UDP的目的端口为提取的外部端口，源端口为5188，IPv4头部的源地址为服务器2的IPv4地址，目的地址为提取的外部地址。

●客户端2收到来自服务器2的数据包后如果要向客户端1发送数据包，则将该包封装在UDP中，目的IPv4地址为服务器2的公有IPv4地址，源IPv4地址为本机的私有IPv4地址，目的端口和源端口均为5188。

三、通信对方是普通IPv6节点

客户端和普通IPv6节点之间通信的数据包必须通过服务器转发，客户端和服务器之间采用“SilkRoad”隧道传送数据流，服务器和普通IPv6节点之间的数据流直接利用IPv6网络进行传送或通过IPv6-over-IPv4隧道利用IPv4网络进行传送。

客户端到普通IPv6节点的通信过程如附图10所示，具体描述如下：

●客户端将要发送的数据包封装在UDP中，目的IPv4地址为服务器的公有IPv4地址，源IPv4地址为本机的私有IPv4地址，目的端口和源端口均为5188。

●服务器剥去IPv4和UDP头部，通过IPv6网将没有封装的IPv6数据包转发给IPv6节点。图中虚线表示该包走的是IPv6网络。

●IPv6节点向客户端发回的数据包最终将被路由至服务器。图中虚线表示该包走的是IPv6网络。

●服务器收到此包后从目的IPv6地址中提取出外部地址和外部端口，并将该数据包封装在UDP中，其IPv4头部的源IPv4地址为服务器的公有IPv4地址，目的地址为提取的外部地址，源端口为5188，目的端口为提取的外部端口。

普通IPv6节点到客户端的通信过程，如附图11所示，具体描述如下：

●IPv6节点向客户端发送数据包，目的IPv6地址为客户端的SilkRoad地址。图中虚线表示该包走的是IPv6网络。

●该数据包最终被路由至服务器，服务器从目的IPv6地址中提取出外部地址和外部端口，并将该数据包封装在UDP中，其IPv4头部的源IPv4地址为服务器的公有IPv4地址，目的地址为提取的外部地址，源端口为5188，目的端口为提取的外部地址。然后将封装后的数据包发送给客户端。

●客户端将要发送的数据包封装在UDP中，目的IPv4地址为服务器的公有IPv4地址，源IPv4地址为本机的私有IPv4地址，目的端口和源端口均为5188。

●服务器剥去IPv4和UDP头部，通过IPv6网将没有封装的IPv6数据包转发给IPv6节点。图中虚线表示该包走的是IPv6网络。

Claims (5)

1、一种可穿越NAT的自动隧道的方法，其特征在于，提出了一种将IPv6数据包封装在UDP载荷中的隧道技术，称这种隧道为Silkroad隧道。Silkroad不受隧道主体上存在任意类型和任意数量的NAT的影响，可将IPv6数据包从隧道首节点传送到隧道尾节点，

Silkroad隧道技术定义了3个通信实体，用于实现上述的方法：

●Silkroad客户端，表示NAT域内的IPv6/IPv4双栈节点，支持Silkroad隧道功能，有一个全球单播聚类IPv6地址和一个私有IPv4地址；

●Silkroad服务器，在NAT域外，表示为客户端分配IPv6地址并具有路由功能的IPv6/IPv4双栈节点，支持Silkroad隧道功能，有一个公有IPv4地址，它可以有通向IPv6骨干网的路由，也可以有通向孤立IPv6网络的路由；

●普通IPv6节点，表示除客户端和服务器以外的其他IPv6节点，Silkroad客户端和IPv6节点分以下3种情况进行通信：

一、通信对方是同一链路上的客户端

Silkroad维持包是没有数据载荷的IPv6数据包，对于目的地是相同链路上客户端的数据包，客户端采用Silkroad维持包的交换代替邻居发现的地址决议过程，交换Silkroad维持包是为了获得通信对方在该链路上的IPv4地址以便可以直接进行通信，

为了判断目的地址所对应的主机是否位于同一链路，客户端会检查它的Silkroad邻居缓存，每个客户端都会向和它相连的IPv4链路发送Silkroad维持包以表明它在该链路上的存在，所有收到这些Silkroad维持包的客户端将包中的Silkroad地址和IPv4地址放入它的Silkroad邻居缓存；因此，如果某个目的Silkroad地址位于Silkroad邻居缓存，那么该地址对应的主机肯定位于相同的链路上，相同链路上客户端之间的通信过程如下：

●客户端1，即本主机发送一个维持包，其IPv4目的地址为一保留的IPv4多播地址224.0.0.1，由IANA分配，维持包的IPv6头部的目的IPv6地址为客户端2，即目的主机的Silkroad地址；

●客户端2收到Silkroad维持包后判断客户端1的IPv4地址是否属于同一链路、UDP端口是否为5188，若地址端口都得到确认，客户端2向客户端1发送一个维持包作为响应，客户端1收到该包后获得客户端2的IPv4地址，此地址是NAT域内的私有地址；

●接着客户端1直接向客户端2发送数据，不需要经过NAT，更不需要经过服务器；

二、通信对方另一NAT域的客户端

这种情况又可细分为3种情况：

a、本主机位于“cone”NAT域或“Restricted”NAT域，目的主机位于“cone”NAT域

它们之间的通信可以直接进行，因为“cone”NAT不会对任何源IPv4地址加以限制，所以客户端1可以直接向客户端2发送数据包来创建对方NAT转换表中的地址端口映射关系，若客户端1位于“Restricted”NAT，因为在它向客户端2发送数据后NAT1已经建立了目的地为NAT2的映射关系，所以客户端2的数据包可以通过NAT1；

b、目的主机位于“Restricted”NAT域

客户端采用维持包的交换来代替邻居发现的地址决议过程，使得对方所在NAT创建通信必须的地址端口映射关系，之后两个客户端之间就可以直接交换数据包，具体通信过程如下：

●客户端1，即本主机向客户端2，即目的主机发送一个维持包，目的是为了在“Restricted”NAT1建立目的地为NAT2的映射关系，以便来自NAT2的数据可以通过NAT1，如果NAT1是“cone”类型，则可以省略这一步；

●接着客户端1向服务器1，即客户端1注册的服务器发送维持包，目的IPv4地址为服务器1的公有IPv4地址，目的IPv6地址为客户端2的地址；

●服务器1收到此包后剥去IPv4头部和UDP头部，新的数据包只有一个IPv6头部，通过IPv6网将新数据包转发至服务器2，即客户端2注册的服务器；

●服务器2收到此包后从目的IPv6地址中提取出外部地址和外部端口，将此包封装在UDP中后发送给客户端2，UDP的目的端口为提取的外部端口，源端口为5188，IPv4头部的源地址为服务器2的IPv4地址，目的地址为提取的外部地址；

●客户端2收到来自服务器2的数据包后从源IPv6地址中提取出客户端1的外部地址和外部端口，并从客户端1的地址中获知它未位于“Symmetric”NAT域，然后向客户端1发送一个维持包，其中IPv4源地址为客户端2的私有地址，IPv4目的地址为提取的外部地址，UDP源端口为5188，目的端口为提取的外部端口，即使NAT1是“Restricted”类型，因为第一步中NAT1已经建立了到NAT2的映射关系，所以该包可以通过NAT1；

接下去客户端1就可以直接向客户端2发送数据包，不需要中间服务器的转发，发送之前从目的IPv6地址也就是客户端2的Silkroad地址中提取出外部地址和外部端口，然后将数据包封装在UDP中，目的IPv4地址为提取的外部地址，源IPv4地址为本机的私有IPv4地址，目的端口为提取的外部端口，源端口为5188，客户端2收到此包后进行解封装，如果它要向客户端1发送数据包，必须执行同客户端1一样的封装过程；

c、本主机或目的主机位于“Symmetric”NAT域

它们之间通信的数据包必须通过服务器转发，具体过程如下：

●客户端1，即本主机将要发送的数据包封装在UDP中，目的IPv4地址为服务器1的公有IPv4地址，源IPv4地址为本机的私有IPv4地址，目的端口和源端口均为5188；

●服务器1，即客户端1注册的服务器剥去IPv4和UDP头部，通过IPv6网将没有封装的IPv6数据包转发至服务器2；

●服务器2，即客户端2注册的服务器收到此包后从目的IPv6地址中提取出外部地址和外部端口，将此包封装在UDP中然后发送给客户端2，即目的主机，UDP的目的端口为提取的外部端口，源端口为5188，IPv4头部的源地址为服务器2的IPv4地址，目的地址为提取的外部地址；

●客户端2收到来自服务器2的数据包后如果要向客户端1发送数据包，则将该包封装在UDP中，目的IPv4地址为服务器2的公有IPv4地址，源IPv4地址为本机的私有IPv4地址，目的端口和源端口均为5188；

三、通信对方是普通IPv6节点

客户端和普通IPv6节点之间通信的数据包必须通过服务器转发，客户端和服务器之间采用“Silkroad”隧道传送数据流，服务器和普通IPv6节点之间的数据流直接利用IPv6网络进行传送或通过IPv6-over-IPv4隧道利用IPv4网络进行传送；

客户端到普通IPv6节点的通信过程如下：

●客户端将要发送的数据包封装在UDP中，目的IPv4地址为服务器的公有IPv4地址，源IPv4地址为本机的私有IPv4地址，目的端口和源端口均为5188；

●服务器剥去IPv4和UDP头部，通过IPv6网将没有封装的IPv6数据包转发给IPv6节点；

●IPv6节点向客户端发回的数据包最终将被路由至服务器；

●服务器收到此包后从目的IPv6地址中提取出外部地址和外部端口，并将该数据包封装在UDP中，其IPv4头部的源IPv4地址为服务器的公有IPv4地址，目的地址为提取的外部地址，源端口为5188，目的端口为提取的外部端口；

普通IPv6节点到客户端的通信过程如下：

●IPv6节点向客户端发送数据包，目的IPv6地址为客户端的Silkroad地址；

●该数据包最终被路由至服务器，服务器从目的IPv6地址中提取出外部地址和外部端口，并将该数据包封装在UDP中，其IPv4头部的源IPv4地址为服务器的公有IPv4地址，目的地址为提取的外部地址，源端口为5188，目的端口为提取的外部地址，然后将封装后的数据包发送给客户端；

●客户端将要发送的数据包封装在UDP中，目的IPv4地址为服务器的公有IPv4地址，源IPv4地址为本机的私有IPv4地址，目的端口和源端口均为5188，

服务器剥去IPv4和UDP头部，通过IPv6网将没有封装的IPv6数据包转发给IPv6节点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，客户端通信时采用的IPv6地址是一种规定格式的地址，它包括64位的IPv6地址前缀和64位的接口标识符，接口标识符由伪外部端口字段、NAT类型标志位字段、Silkroad地址标志位字段和伪外部地址字段组成，各部分说明如下：

●IPv6前缀：

IANA正式分配的全球聚类单播地址前缀或“site-local”地址前缀，不可以是“link-local”地址前缀或组播地址前缀；

●伪外部端口：

外部端口，即经NAT映射后的端口和0xFFFF与或后的16位数值，Silkroad客户端启动后向服务器发送一个初始化数据包，该包经过NAT时其UDP端口被映射成一个不同的端口，我们称之为外部端口；服务器从接收到的初始化数据包中获得此端口，考虑到NAT会删除过期的映射关系，客户端或服务器，将周期性的向NAT发送数据包以维持这种映射关系，所以NAT的转换表中始终保留该映射关系，对外部端口进行与或操作的目的是为了防止某些NAT将UDP数据包载荷，即IPv6头部+IPv6载荷中的外部端口进行转化；

●NAT类型标志位：

长度为2位，用来表示客户端所在NAT的类型，00表示客户端位于“cone”NAT域，10表示客户端位于“Restricted”NAT域，11表示客户端位于“Symmetric”NAT域；

●Silkroad地址标志位：

长度为14位，设为0，表示该地址是一Silkroad地址，将该字段放在接口标识符中间的目的在于避免和其他地址冲突，因为目前只要不是随机分配的接口标识符，其中间16位都是FFFE；

●伪外部地址：

外部地址，即经NAT映射后的地址和0xFFFFFFFF与或后的32位数值，客户端启动后向服务器发送一个初始化数据包，该包经过NAT时其私有IPv4地址被映射成一个公有IPv4地址，我们称之为外部地址，服务器从接收到的初始化数据包中获得此地址，考虑到NAT会删除过期的映射关系，客户端或服务器，将周期性的向NAT发送数据包以维持这种映射关系，所以NAT的转换表中始终保留该映射关系，对外部地址进行与或操作的目的是为了防止某些NAT将UDP数据包载荷，即IPv6头部+IPv6载荷中的外部端口进行转化。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，客户端和其他IPv6节点通信时发送或接收的数据包由IPv4头部、UDP头部、IPv6头部以及IPv6载荷组成，

具体说明如下：

●IPv4头部：

源IPv4地址为客户端的IPv4地址，即私有地址。如果目的地是普通IPv6节点，目的IPv4地址为服务器的IPv4地址；如果目的地是另一客户端，目的IPv4地址为对方客户端经NAT映射后的外部地址，

●UDP头部：

源端口为5188，如果目的地是普通IPv6节点，目的端口为5188；如果目的地是另一客户端，目的端口为对方客户端经NAT映射后的外部端口，

●IPv6头部：

包含源IPv6地址和目的IPv6地址，其中至少有一个是Silkroad地址；

●IPv6载荷：

由0或若干个IPv6扩展头部，以及上层协议数据单元即PDU组成，

为了维持NAT中的映射关系，客户端需要周期性的向NAT发送数据包，称这种数据包为维持包，在维持包的IPv6头部中，下一跳字段设为59，表示没有IPv6载荷。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，客户端通过Silkroad隧道接口发送或接收数据包，Silkroad隧道接口是一个逻辑接口，它会自动将IPv6数据包封装在UDP载荷中进行发送，同样，Silkroad隧道接口接收到的数据包肯定是一个封装了IPv6报文的UDP数据包，客户端有一个缺省路由(::/0)，它将所有IPv6地址视为同一链路上的地址并使用Silkroad隧道接口进行转发，缺省路由的下一跳地址为IPv6数据包中的目的地址，下一跳接口为Silkroad隧道接口，服务器有通向IPv6骨干网以及各孤立IPv6网络的路由，也有通向各客户端的路由，IPv6骨干网以及各孤立IPv6网络中任何一个IPv6节点发送的数据包，只要目的地址前缀是服务器分配给客户端的地址前缀，都将被路由至服务器；同样，客户端可通过服务器和IPv6骨干网以及各孤立IPv6网络中的任何一个IPv6节点实现互访。

5、据权利要求1所述的方法，其特征在于，客户端每次启动后首先向服务器注册以获得一个Silkroad地址，这样才能和其他IPv6节点建立通信，这个过程我们称之为客户端的初始化配置，

客户端的初始化配置通过向服务器发送一系列路由请求报文来完成，服务器以路由广告报文作为响应，路由广告报文中含有客户端被NAT映射后的外部地址和外部端口信息，通过此过程客户端获得一个Silkroad地址并判断它位于何种NAT域内；

客户端的初始化配置过程如下：

●客户端向首选的服务器，即服务器1发送一个路由请求报文，报文的源IPv6地址是一个“link-local“地址，其F字段值为00；

●服务器1收到路由请求报文后发送一个路由广告报文作为响应，因为路由请求报文显示客户端位于“cone”NAT域内，F字段设为00，所以它选择一个不同的IPv4地址作为源地址发送路由广告报文，如果客户端能收到此报文，表明客户端确实位于“cone”NAT域内；

●如果客户端没有收到此路由广告报文，它将再向服务器1发送一个路由请求报文，路由请求报文的源IPv6地址是另一个“link-local“地址，其F字段值为10；

●服务器1收到路由请求报文后发送一个路由广告报文作为响应，因为路由请求报文显示客户端位于“Restricted”NAT域内，它将以路由请求报文中的目的IPv4地址作为源IPv4地址发送路由广告报文，客户端如果收到此报文，表示它位于一个“Restricted”NAT域内；

●客户端为了明确是否位于“Symmetric”NAT域内，将再向另一个服务器，即服务器2发送路由请求报文，服务器2收到路由请求报文后发送一个路由广告报文作为响应；

●客户端收到此路由广告报文后和原先收到的路由广告报文作比较，如果报文包含的用来构造Silkroad地址的信息相同，表示NAT的地址端口映射关系是一一对应的；如果不同，表示NAT将相同的内部地址和端口映射成了不同的外部地址和端口，映射关系是一对多，所以客户端认为它位于“Symmetric”NAT域，

根据第2、4或6步收到的路由广告报文，客户端按如下构造一个Silkroad地址：

●地址的前64位设置为路由广告报文中的“前缀信息选项”，2001：***/64；

●接下去的16位设为路由广告报文中包含的外部端口；

●接下去的2位设为00，如果客户端位于“cone”NAT后或10，如果客户端位于“Restricted”NAT后或11，如果客户端位于“Symmetric”NAT后；

●接下去的14位设为0；

●最后32位设为路由广告报文包含的外部地址。

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