基于SOCKS地IPv4向IPv6过渡技术

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        一、概述

　　由于IPv6与IPv4相比具有诸多的优越性，IPv6代替IPv4已经成为网络发展的必然趋势。然而现有IPv4网络是如此的庞大，以至于短时间之内不可能将它全部废除。因此，需要寻找一种合适的过渡技术来解决这一难题。由于无状态IP/互联网控制消息协议翻译算法（SIIT）、网络地址翻译-协议转换器（NAT-PT）和栈内凸块（BIS）等过渡技术都存在着这样那样的缺点，隧道技术又不能解决IPv6节点与IPv4节点之间相互通信的问题，而在网络中应用代理服务既可以充分利用IP地址资源，又能够保证网络安全，尤其是全能代理协议SOCKS，它可以完成网页浏览、文件传输和远程登陆等所有工作的代理，是可用的功能最强大、应用最灵活、安全性较高的代理，因而基于具有强大功能的SOCKS代理的IPv4向IPv6过渡技术已经成为一种不错的选择。基于SOCKS的过渡技术分为两种。一种是API内凸块(BIA)技术，这种技术直接在双栈主机上实现IPv4和IPv6的地址转换；另一种是SOCKS64技术，这种技术是通过一个双栈网关来进行IPv4和IPv6的地址转换。

　　二、BIA技术

　　BIA技术在双栈主机的Socket API模块与TCP/IP模块之间加入一个API翻译器(如图1所示)。API翻译器包含三个模块：域名解析器，地址映射器和函数映射器。其中，域名解析器负责对IPv4应用程序的请求域名返回一个正确的应答，地址映射器在主机内部维护一张IPv4与IPv6地址对的表格（分配的IPv4地址来自IPv4地址池中，采用未使用的IPv4地址，如 0.0.0.1 ~ 0.0.0.255），函数映射器负责在IPv4的Socket API函数与IPv6的Socket API函数间相互翻译。


图1 采用BIA机制的双栈主机的结构模型

　　RFC3338中描述了采用BIA机制的双栈主机与IPv6主机之间相互通信的过程。其中双栈主机Dual Stack向IPv6主机Host6发起通信的过程如下：

　　·当双栈主机Dual Stack上的IPv4应用向它的域名服务器（DNS）发送查询目的主机的地址请求时，域名解析器拦截了这个请求，并产生一个新的查询请求转发给DNS来解析A和AAAA两种记录。

　　·DNS解析出Host6的AAAA记录后，将它返回给域名解析器。

　　·域名解析器要求地址映射器为IPv6地址分配一个IPv4地址。

　　·地址映射器在IPv4地址池中选择一个未用的保留地址，在映射表中注册后返回给域名解析器。

　　·域名解析器为分配的IPv4地址产生一条A记录，返回给IPv4应用程序。

　　·IPv4应用程序调用IPv4的Socket API函数，函数映射器对调用命令进行拦截，判断其是否来自于IPv6的应用。若不是，跳过翻译程序；否则，函数映射器向地址映射器请求该IPv4地址对应的IPv6地址，地址映射器从映射表中查找后将结果返回。函数映射器使用收到的这个AAAA型地址调用Host6上相应的IPv6 socket API函数。

　　·当函数映射器接收到Host6上IPv6 socket API函数的应答后，向地址映射器请求与Host6对应的IPv4地址。然后，函数映射器利用此IPv4地址继续完成socket API函数的调用。

　　由IPv6主机Host6发起到双栈主机Dual Stack的通信过程相对简单一些。Host6通过它的DNS解析Dual Stack的AAAA记录，然后向Dual Stack发送一个IPv6的数据包。为了通过调用IPv4的API函数和IPv4应用通信，函数映射器检测到IPv6数据包到达Dual Stack后，向地址映射器发送一个IPv4地址请求，并用返回的IPv4地址发起一个IPv4的Socket API调用。然后，函数映射器再向地址映射器请求与该IPv4地址对应的原来的IPv6地址，按照这个地址对Host6答复。 三、SOCKS64技术

　　SOCKS64技术是原有SOCKS协议(IETF RFC1928)的扩展，相当于IP层的代理，其原理如图2所示。它增加了两个新的功能部件*Socks Lib*和*Gateway*。*Socks Lib*是在客户机一端引入的，它位于应用层和Socket层之间，可以替代应用程序的Socket API和DNS域名解析API。在*Socks Lib*中有一个DNS域名解析代表，它在源节点（客户机C）全权代表到中继服务器（网关G）的域名解析行为。*Gateway*是安装在IPv6和IPv4双栈网关上的一个增强型的SOCKS服务器，可以完成客户机C（IPvX）和目的端D之间的任何协议组合类型的中继。当*Socks Lib*调用中继时，由父*Gateway*来产生出一个*Gateway*进程（线程）来负责中继连接。


图2 采用SOCKS64技术的网络通信原理

　　在SOCKS5中规定，IPv4地址、IPv6地址和域名的全限定域名（FQDN）信息可以用在SOCKS协议格式的地址类型(ATYP)域。SOCKS64技术就是利用这一点，通过DNS域名解析代表将FQDN信息用在ATYP域中从客户机C传到网关G来指出目的地D的位置。为此，SOCKS64技术也和BIA技术一样使用了IPv4中未使用的保留地址（称之为伪IP地址），并在*Socks Lib*（客户机C处）中引入一个映射表来管理伪IP地址和FQDN之间的映射。

　　客户机C[IPvX]使用SOCKS64技术通过双栈网关G[IPvX|IPvY]与目的主机D[IPvY]通信的过程如下：

　　·源节点（客户机C）上的应用尽力通过调用DNS域名解析函数来获得目的节点（目的地D）的IP地址信息。这时，目的地D的逻辑主机名（即FQDN）信息被作为被调用的API的一个参数传递给应用的*Socks Lib*。

　　·FQDN信息被注册到*Socks Lib*中的一个映射表内。*Socks Lib*选择一个伪IP地址回复给应用。

　　·应用利用收到的伪IP地址信息组织一个socket，并将socket用作API的一个参数来调用socket API启动通信。

　　·由于*Socks Lib*已经取代了这些socket API，真正的socket函数将不再调用，而是先检查socket的IP地址信息。如果该地址是伪IP地址，则从映射表中获取与该伪IP地址相匹配的登记过的FQDN信息。通过使用与调用的socket API相匹配的SOCKS命令（例如与conNECt()对应的CONNECT命令），FQDN信息被传送到中继服务器（网关G）上的*Gateway*。

　　·*Gateway*通过接收到的FQDN信息调用真正的DNS域名解析API从一个DNS服务器处获得一个真IP地址，并利用真IP地址信息创建一个socket。*Gateway*再将socket用作API的一个参数来调用socket API与目的地D通信。

　　三、技术比较分析

　　虽然BIA与SOCKS64都是为了使IPv4能够顺利过渡到IPv6的技术，都是基于SOCKS的技术，都是采用双栈主机思想，都需要使用伪IP地址，但是它们的出发点却各有侧重，也各有优缺点。

　　1．适用性

　　BIA与SOCKS64都可以使IPv4应用在不作任何修改的情况下与IPv6主机通信。BIA技术提供的是具有IPv4和IPv6协议的双栈主机直接与IPv6主机通信的解决方案，SOCKS64技术是提供了IPv4主机通过双栈网关与IPv6主机通信的解决方案。

　　2. 预留IP地址的使用

　　BIA与SOCKS64都使用预留IP地址。虽然BIA技术中的地址池可以在节点中以不同的粒度来实现，然而如果大量的IPv4应用和IPv6的主机通信时，可能耗尽可用地址，导致IPv4应用不能和IPv6的主机通信，所以需要对地址池内的地址进行有效管理。SOCKS64技术由于主要使用FQDN信息、通过DNS域名解析代表 在*Socks Lib*处负责域名管理工作，伪地址必须被作为临时值来处理，所以不需要为地址映射预留很大的地址空间，也不需要复杂的地址申请和垃圾收集机制。

　　3．对应用的支持

　　BIA与SOCKS64的初衷都是不需要修改IPv4应用而与IPv6主机通信。但是它们对应用的支持都不能达到尽善尽美。对于BIA来说，由于需要转换嵌在应用层协议中的IP地址（例如FTP），所以这种机制可能不适用于那些其负载中包含地址的新应用。BIA仅支持单播通信，如果要支持组播通信，还需要在函数映射模块中增加新的功能。BIA只是从语义上将IPv4 Socket API函数转换成相应的IPv6 Socket API函数，如果在API函数中转换内嵌于应用层协议的IP地址，其实现有赖于操作系统。由于IPv6的API具有新的高级参数，转换带有这种参数的IPv6 API是很困难的，因此接收到的带有高级参数的IPv6数据包会被丢弃。对于SOCKS64来说，虽然它是直接继承SOCKS机制的技术，但是在使用时仍有一定的问题。SOCKSv5协议由三个命令（CONNECT、BIND和UDP ASSOCIATE）组成，所有这三个命令在SOCKS64中都能使用。其中，主要的命令也是使用最频繁的命令CONNECT没有明确的弱点，可以不加考虑地随意使用它。而BIND命令基本上是为支持FTP类型应用的反向通道聚合而设计的，所以通常的BIND命令的使用可能会导致一些问题。UDP ASSOCIATE命令基本上是为简单UDP应用（如archie）而设计的，所以在支持同时使用TCP和UDP的一大类应用时通用性还不够。另外，如果有些应用使用了非常灵活的、特别的方式创建连接，SOCKS64技术就无能为力了。

　　4．DNS查询结果与另一端应用程序版本不匹配问题

　　对于BIA，若正在使用的服务器端应用不支持IPv6，但是它又运行在一台支持其他IPv6服务的主机上，而且这台主机还在DNS中以AAAA型记录出现，在DNS的查询结果和服务器应用的版本之间就出现了不匹配的情况。这时，使用BIA的IPv4客户端应用可能连接不到这个服务器端应用上。解决方法是尝试所有在DNS中列出的地址，而不应只尝试一次即宣告失败。但是对于UDP socket，即便可能，BIA也很难发现可工作的IP地址，因此应用必须重复尝试各种可能的地址，直到发现一个可用地址为止。另一种避免这种问题的方法是仅当通信对端的A型记录不存在时，BIA才发生作用。这样，一台采用BIA的双栈主机上的应用到另一台双栈主机的数据流只使用IPv4协议。对于SOCKS64则不存在这个问题。

　　5．安全性

　　对于BIA，由于它采用了API翻译器，很难实现端到端的安全性，而且传输层和应用层的安全也同样无法实现。但是，由于翻译机制发生在socket API层，采用BIA机制运行IPv4应用的主机和其他IPv6主机通信时，可以利用网络层的安全策略(如IPsec)。另外，由于预留IP地址的使用，有地址耗尽的可能，这就使得使用这种机制的主机易于遭到拒绝服务攻击。对于SOCKS64，由于它是直接建立在SOCKSv5协议基础上的，其安全方面的特点与SOCKSv5相一致。它同样不提供从原始源节点到最终目的节点的整体端到端的安全保证。但是由于它建立了应用层两个“分开的”连接的中继，所以端到端的安全就由这两个被中继的链接来提供保证。

　　四、结语

　　基于SOCKS的IPv4向IPv6过渡技术主要有BIA与SOCKS64两种，它们都采用双栈主机和IPv4预留地址思想，使IPv4应用在不作任何修改的情况下与IPv6主机通信。BIA技术提供的是具有IPv4和IPv6协议的双栈主机直接与IPv6主机通信的解决方案，SOCKS64技术是提供了IPv4主机通过双栈网关与IPv6主机通信的解决方案。也正由于它们是两种不同的解决方案，才使得它们分别具有各自的优点和缺点。在实际应用时，可以根据具体情况确定采用哪种技术，并根据需要对它们加以改进。