基于双协议栈和隧道技术的IPv6网络性能分析

吴英姣（成都市妇女儿童中心医院，成都　610091）

基于双协议栈和隧道技术的IPv6网络性能分析

吴英姣
（成都市妇女儿童中心医院，成都610091）

本文主要讨论IPv4向IPv6过渡的机制，重点测试分析了双协议栈、ISATAP隧道、6to4隧道三种过渡机制的性能。结果表明，双协议栈机制下IPv6网络的性能优于IPv4网络的性能；双协议栈机制下IPv6网络的性能优于6to4隧道和ISATAP隧道机制下IPv6网络的性能。

双协议栈技术；隧道技术；IPv6；吞吐量；往返时延

0　引言

IPv4网络遭遇了越来越多的问题，特别是网络安全漏洞以及地址空间危机。IPv6将32位IP地址增加到128位，从而解决了IP地址的危机，目前有很多工作已经过渡到IPv6以及网络安全的维护。IPv6和IPv4的兼容性是极其有限的，当前对于IPv4向IPv6过渡机制的研究非常广泛深入，主要包括：双协议栈技术和隧道技术两种方案。本文在阐述过渡机制原理的的基础上，通过测试常用的IPv6过渡机制的性能，并进行了对比分析。因此我们认为IPv6协议可以提供更高的安全性，主要由于其128-bit的地址空间能够很好防御蠕虫病毒。

1　过渡机制

1.1双协议栈技术

双协议栈是指在完全过渡到IPv6之前，使一部分主机或路由器装有两个协议栈，一个IPv4和一个IPv6。双协议栈主机或路由器既能够和IPv6的系统通信，又能够和IPv4的系统通信。双协议栈主机在和IPv6主机通信时采用IPv6地址，在和IPv4主机通信时采用IPv4地址。双协议栈主机能通过对域名系统DNS的查询知道目的地主机是采用哪一种地址。若DNS返回的是IPv4地址，双协议栈的源主机就使用IPv4地址。但当DNS返回的是IPv6地址时，源主机就使用IPv6地址。

1.2隧道技术

向IPv6过渡的另一种方法是使用隧道技术。这种方法的要点就是在IPv6数据报要进入IPv4网络时由实现了双协议栈的路由器将IPv6数据报封装成为IPv4数据报，使得整个IPv6数据报变成了IPv4数据报的数据部分。然后IPv6数据报就在IPv4网络的隧道中传输。当IPv4数据报离开IPv4网络中的隧道时，再由实现了双协议栈的路由器将其数据部分，即原来的IPv6数据报交给IPv6协议栈。

1.2.16to4隧道

6to4（RFC3056）机制被定义在站点之间进行IPv6通讯，每个站点必须至少有一台“6to4”路由器作为出入口，使用特需的地址格式，地址前缀为（2002：开头），并将路由器的IPv4地址夹入IPv6地址中，因此位于不同6to4 site内的主机彼此通讯时即可自动抽出IPv4地址在路由器之间建立Tunnel。

透过6to4 router，不同6to4 site内的主机可互相通讯，当需与一般IPv6主机通讯时，则必须过6to4 relay router。6to4 relay router必须同时具备6to4及IPv6接口，同时提供这些接口的封包转送。

6to4需要一个全球合法的IPv4地址，所以对解决IPv4地址短缺没有太大帮助。但它不需要申请IPv6地址，通过它可使站点迅速升级到IPv6。

1.2.2ISATAP隧道

ISATAP和6to4都是目前比较流行的自动建立隧道的过渡技术，都可以连接被IPv4隔绝的IPv6孤岛，都是通过将IPv4地址嵌入到IPv6地址当中，并将IPv6封包封装在IPv4中传送，在主机相互通信中抽出IPv4地址建立tunnel。但具体实现的流程，IPv6地址和应用范围不尽相同。

ISATAP（draft-ietf-ngtrans-isatap-23.txt） 的全名是 Intra-Site Automatic Tunnel Addressing Protocol，它将IPv4地址夹入IPv6地址中，当两台 ISATAP 主机通讯时，可自动抽取出 IPv4 地址建立 Tunnel 即可通讯，且并不需透过其它特殊网络设备，只要彼此间IPv4网络通畅即可。

双栈主机支持isatap后会自动在该隧道接口上生成本地链 路的前缀（fe80：：开头）和64位的接口标识符：：0：5EFE：X.X.X.X（这里的X.X.X.X是双栈主机的IPv4单播地址），这样就可以和同一子网内其他isatap客户机进行ipv6通讯了；如果需要和其他网络的isatap客户机或者IPv6网络通信，必须通过ISATAP路由器拿到全球单播地址前缀（2001：, 2002：, 3ffe：开头），通过路由器与其他IPv6主机和 网络通信。

ISATAP过渡技术不要求隧道端节点必须具有全球惟一的IPv4地址，只要双栈主机具有IPv4单播地址即可，不管该地址公有的还是私有的都可以。

2　性能测试设计与分析

本文主要进行了吞吐量和往返时延的测试：在双协议栈过渡机制下，对比分析IPv6与IPv4网络的吞吐量和往返时延。ISATAP和6to4两种隧道过渡机制的性能指标，并进行对比分析。

2.1测试结构的设计

本文主要测试分析了双协议栈、ISATAP和6to4三种过渡机制下网络的吞吐量和往返时延，其三种过渡机制的测试结构如图1所示。

在图1中，PC1和PC2分别为测试的发送端和接收端，装有Windows操作系统。由于条件限制，路由器由装有Windows操作系统的高性能PC模拟。测试采用主动测试，即由PC1经过网络向PC2发送特定强度的数据包进行测试。

图1　实验测试结构图

2.2测试分析

2.2.1吞吐量

图2　双协议栈机制下IPv6网络吞吐量及IPv4网络吞吐量

图3　三种过渡机制下IPv6网络吞吐量对比图

本实验中采用了TCP协议测试吞吐量，测试数据包有效载荷大小从64字节到1408字节，每组测试取10次测试的平均值。图2为双协议栈机制下IPv6网络吞吐量及与IPv4网络吞吐量的对比。图3为双协议栈机制下、ISATAP隧道机制下和6to4隧道机制下的IPv6网络吞吐量对比。

图4　双协议栈机制下IPv6网络双向时延及IPv4网络双向时延

图5　三种过渡机制下IPv6网络双向时延对比图

由图2可以看出，在双协议栈机制下，TCP/IPv6吞吐量随着数据包有效载荷大小的增大而增大，且比相同条件下测得的TCP/IPv4吞吐量大。由图3可以看出，在相同测试条件下，6to4隧道机制下的吞吐量和ISATAP隧道机制下的吞吐量相差不大，但双协议栈机制下的吞吐量要比6to4和ISATAP隧道机制下的吞吐量大。

2.2.2往返时延

本实验中IPv6网络、IPv4网络的双向时延测试分别采用ICMPv6和ICMP协议，测试数据包大小为1024字节且每组测试结果取100次测试的平均值。图4为双协议栈机制下测试得到的50组IPv6网络、IPv4网络的往返延迟结果。图5为双协议栈机制下、ISATAP隧道机制下和6to4隧道机制下的IPv6网络双向时延对比。

由图4可以看出，在双协议栈机制下，在相同的网络负载及数据包大小的条件下，IPv6网络往返时延平均比IPv4网络往返时延小。由图5可以看出，在相同测试条件下，6to4隧道机制下的往返延迟和ISATAP隧道机制下的往返延迟相差不大，但双协议栈机制下的往返延迟要比6to4和ISATAP隧道机制下的往返延迟小。

需要指出的是，以上实验结果都是在小型Ethernet局域网环境下测试得到的，具有一定的局限性和特殊性，还应当在广域网中进行实验，开展近一步的研究。

3　结论

本文在分析IPv6过渡机制原理的基础上，采用主动测量方法对过渡机制下IPv6网络性能进行了测试研究，并编写了测试程序，对双协议栈、6to4隧道、ISATAP隧道三种过渡机制下的IPv6网络性能进行了实验测试。结果表明，双协议栈机制下IPv6网络的性能优于双协议栈机制下IPv4网络的性能；双协议栈机制下IPv6网络的性能优于6to4隧道和ISATAP隧道机制下IPv6网络的性能。

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Performance Analysis of IPv6 Network Based on dual Stack and Tunneling Technology

WU Ying-jiao
(Chengdu Women & Children’s Central Hospital, Chengdu610091）

The paper discussed the transition mechanism about the transition of IPv4 network to IPv6 network and analyzed several solutions, such as Dual-Protocol Stack, ISATAP Tunnel, 6 to 4 Tunnels. The practice program is designed and different transition mechanisms are tested. By in-depth analysis of the theory and the validation of practice, the results show that IPv6 gains a better performance than others.

Dual-Protocol Stack； Tunnel； IPv6； Throughput； Round-Trip Delay

吴英姣，女，学士学位，成都市妇女儿童中心医院质量管理部；研究方向：卫生信息管理。