需求规格说明书

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文档说明

为了明确用户的需求，使用户和开发者双方对该项目的初始规定有一个共同的理解，特编写本文档——需求规格说明书，其中列出了项目开发的内容及要点，是项目组进行整个系统设计和开发的基础，作为项目组成员在项目整个周期内的工作着眼点和开发依据。

目录

1.引言 (1)

1.1. 项目背景 (1)

1.2. 编写目的 (2)

1.3. 术语定义 (2)

2.项目/产品概述 (3)

2.1. 目标范围 (3)

2.2. 运行环境/边界 (3)

2.3. 条件限制 (3)

3.功能需求 (3)

3.1. 系统用例模型 (3)

3.2. 系统用例描述 (5)

3.2.1. 协议转换子系统用例描述 (5)

3.2.1.1. DS-Lite转换协议用例描述 (5)

3.2.1.2. NAT64转换协议用例描述 (6)

3.2.1.3. NAT-PT转换协议用例描述 (7)

3.2.1.4. IVI转换协议用例描述 (8)

3.2.2. 路由协议子系统用例描述 (9)

3.2.2.1. RIP协议用例描述 (9)

3.2.2.2. OSPF协议用例描述 (10)

3.2.2.3. BGP协议用例描述 (11)

3.2.2.4. IS-IS协议用例描述 (12)

3.2.3. 网络管理子系统用例描述 (13)

3.2.3.1. Console管理用例描述 (13)

3.2.3.2. Telnet/SSH管理用例描述 (13)

3.2.3.3. SNMP管理用例描述 (15)

3.2.3.4. Web管理用例描述 (15)

4.性能需求 (16)

5.运行需求 (16)

5.1. 物理环境 (16)

5.2. 系统安装 (17)

5.3. 用户界面 (17)

5.4. 故障处理 (17)

6.参考资料 (17)

《安全高性能IPv4和IPv6互通网关》

需求规格说明书

1.引言

1.1.项目背景

随着Internet的日益发展和规模的不断扩大，现有的IPv4地址资源业已耗尽，虽然使用IPv4临时地址和网络地址翻译（NAT）等技术，可以在一定程度上缓解IPv4地址不足的状况，但这将极大地限制互联网的发展。采用128位比特的IPv6地址技术，解决了IPv4地址不足的问题，在地址容量，网络安全以及移动性等方面都有了明显的改进。由于IPv6和IPv4地址的不兼容性，使得当前基于IPv4协议开发的大部分应用以及终端系统无法直接使用IPv6，这给IPv4向IPv6网络的过渡带来挑战，IPv6网络的部署受到过渡技术激励机制的影响。

在大规模使用IPv6技术之前，研发IPv4和IPv6互通技术对IPv4向IPv6网络的过渡具有重要意义。为此国际上IETF组建专门的工作组对IPv4/v6过渡问题和高效无缝互通问题展开研究。目前已制定完成多种过渡协议和互通方案，如NAT-PT、NAT64、DS-Lite、IVI等，这些协议和方案各有特点，分别用以解决不同过渡阶段、不同环境的转换互通问题。

然而，很多技术的产业化在很大程度上受到商业利益的推动和影响，在真正的IPv6大规模部署之前，很多的技术公司都进行了相关技术的积累，但真正的产业化一般尚未展开，或者产品中蕴含的技术功能不全面。在IPv6即将大规模商用之际，广州杰赛科技股份有限公司提出“安全高性能IPv4和IPv6互通网关项目”是向技术产业化迈进的重要一步，对其IPv4和IPv6互通产品在未来IPv6网络商业部署中竞争到有利地位，具有重要影响。

安全高性能IPv4和IPv6互通网关项目是基于现有的IPv4和IPv6网络技术，进一步研究基于新一代互联网的体系结构和面向网络融合的一体化接入技术，目的是研发高性能IPv4和IPv6网络互通设备，其研究指标包括支持IPv4/IPv6双协议栈，支持IPv4/IPv6地址到域名和域名到IPv4/IPv6地址的正确解析，提供基于TePA的三元对等安全接入鉴权认证，支持本地接入认证及漫游接入认证，满足电信级运营要求，支持多种网络过渡技术等，达到支持IPv6终端对IPv4现有大部分应用资源的访问的目的。

但由于当前广州杰赛科技股份有限公司技术积累上尚不完善，现委托北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室进行部分相关技术的研发，具体委托的研发内容见合同中

规定的项目要求。项目背景简要信息如下：

项目名称：安全高性能IPv4和IPv6互通网关；

项目提出者：广州杰赛科技股份有限公司；

项目开发者：北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室；

项目的用户：现假设为一般的IPv4/IPv6边缘接入网运营商；

研发系统与其他系统的关系：项目的开发建立在ATCA硬件系统平台之上，需要在当前RHEL6.3或以上版本软件系统中，兼容现有的IPv4/IPv6路由协议、IPv4/IPv6网络互通协议以及其他相应协议；

研发系统与机构的关系：项目研发过程中涉及到其他机构时，需要作出说明；并最终在不侵犯第三方权益时，合同双方均享有项目成果系统的使用权，和进一步升级完善的权利，具体内容参照项目合同执行。

1.2.编写目的

编写本文档旨在明确任务提出者的需求和项目计划中包含和不包含的范围，明确开发者需要完成的项目目标范围，功能和性能上的需求以及运行需求等。本文档向任务提出者明确了开发者的任务范围，也可作为项目组开发人员后续开发的参考资料。

1.3.术语定义

ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）：先进的电信计算平台；

DPDK （Data Plane Development Kit）：数据平台开发套件；

IPv4 （Internet Protocol Version 4）：因特网协议版本4

IPv6 （Internet Protocol Version 6）：因特网协议版本6

DNS （Domain Name System）：域名系统

DHCP （Dynamic Host Configuration Protocol）：动态主机配置协议

NAT （Network Address Translation）：网络地址转换

RIP （Routing Information Protocol）：路由信息协议

OSPF （Open Shortest Path First）：开放式最短路径优先

BGP （Border Gateway Protocol）：边界网关协议

FTP （File Transfer Protocol）：文件传输协议

ALG （Application Level Gateway）：应用级网关

2.项目/产品概述

2.1.目标范围

本项目的目标任务如下：

1）构建ATCA平台，实现HA功能、热备、分布式冗余功能；

2）完成IPv4/IPv6双协议栈、DS-Lite、NAT-PT、NAT64/DNS64、IVI等过渡协议移植；

3）实现静态路由、OSPFv2/OSPFv3、RIP/RIPng、BGP/BGP4+，ISIS等路由协议；

4）实现WEB/SNMP/telnet等网管功能；

5）实现DNS、DDNS、DNS-ALG、HTTP-ALG、FTP-ALG等应用网关功能。

考虑到本项目涉及的领域为计算机网络高端技术领域，本项目的用户应具备相当充足的网络技术知识，而且具备一定的计算机网络操作管理及应用经验。

2.2.运行环境/边界

本互通网关运行在版本为Red Hat Enterprise Linux 6.3及以上版本系统上，对Intel DPDK 1.3及以上版本进行支持，硬件上采用支持PICMG 3.0以上标准的ATCA架构的高性能设备，提供至少两个10G或以上接口，支持10G数据转发。

硬件平台能支持备份冗余或者分布式冗余计算。

2.3.条件限制

本项目在2014年4月前完成编码以及单元测试，5月前完成集成测试，5月20日前完成系统测试，6月15日进行项目验收。

3.功能需求

3.1.系统用例模型

本项目涉及的软件部分主要可分为以下几个子系统，如图1所示，它们包括：协议转换子系统、路由转发子系统、网络管理子系统以及IPv4&IPv6网络双协议栈。其中，协议转换子系统负责接入网用户数据和互联网数据之间进行IPv4和IPv6互通时的协议格式转换；路

由转发子系统负责对接入网用户数据以及互联网数据的路由转发，通过对外的路由协议接口，交互生成必要的路由条目信息；网络管理子系统用于向网络管理者提供该协议转换设备的管理接口；IPv4&IPv6网络双协议栈是内核系统已具有的功能，在本项目中，不需要重复开发。

互联网

接入网

图1 系统用例模型

3.2. 系统用例描述

3.2.1. 协议转换子系统用例描述 3.2.1.1. DS-Lite 转换协议用例描述

双栈域

Native IPv6域

Native IPv4域

服务

IPv4 Packet 1

IPv6 Packet 2IPv4 Packet 3IPv4 Dst: 200.0.0.1IPv4 Src: 192.168.1.1TCP Dst: 80TCP Src: 1000

IPv4 Dst: 200.0.0.1IPv4 Src: 192.168.1.1TCP Dst: 80TCP Src: 1000

IPv6 Dst: 2001:1::1IPv6 Src: 2001:1::2IPv4 Dst: 200.0.0.1IPv4 Src: 129.0.0.1TCP Dst: 80TCP Src: 5000

图2 DS-Lite 转换协议用例

DS-Lite 是一个网络层的IPv4 over IPv6的隧道，通过将IPv4流量封装在IPv6隧道中进行传输，接入网络为IPv6单栈。如图2所示，一台双栈用户A 想要通过IPv6网络访问纯IPv4服务器，其转换过程如下：

1) 家庭网关收到主机A （192.168.1.1）发送的数据包IPv4 Packet 1后，B4模块将IPv4 Packet

1直接封装在IPv6 Packet 2内，并通过IPv4-in-IPv6隧道发送至AFTR 模块。

2) AFTR 模块收到IPv6 Packet 2后，解封装出IPv4 Packet1，并根据隧道封装的IPv6源地址

（2001:1::2）执行NAT 操作，将IPv4 Packet 1转换为IPv4 Packet 3，并向主机C 转发。

https://www.360docs.net/doc/055367827.html,

NAT64路由器

图3 NAT64转换协议用例

在上图中，DNS64服务器与NAT64路由器是完全独立的部分。其中64:FF9B::/96 为DNS64的知名前缀，DNS64 一般默认使用此前缀进行IPv4 地址到IPv6 地址的合成，同时该前缀也作为NAT64 的转换前缀，实现匹配该前缀的流量才做NAT64 转换。纯IPv6用户访问IPv6、IPv4过程如图3所示：

1)纯IPv6用户发起连接访问普通IPv6 网站，流量将会匹配IPv6 默认路由而直接转发至

IPv6 路由器处理。

2)纯IPv6用户发起连接访问的是IPv4 单协议栈的服务器时，将经DNS64 Server 进行前缀

合成，Pref64::/n 网段的流量将被路由转发至NAT64 路由器上，从而实现IPv6 与IPv4 地址和协议的转换，访问IPv4 网络中的资源。

IPv6节点A

FEDC:BA98::7654:3211

图4 NAT-PT转换协议用例

如图4所示，NAT-PT设备上配置了一个IPv4的地址池用来做地址转换，地址池中的地址为120.130.26.0/24。地址转换时采用的是静态地址转换，每个IPv6的地址对应一个地址池中IPv4的地址。如果地址池中的地址个数比IPv6网络中的节点数要少，那么NAT-PT地址转换中的动态分配是必须的，否则因为IPv4地址枯竭无法进行地址转换，从而不能建立连接。

假设IPv6网络中的节点A要与IPv4网络中的节点C建立连接进行通讯，则具体通信过程如下：

1)节点A创建的数据包信息是：

源地址：SA=FEDC:BA98::7654:3210

目的地址：DA = PREFIX::132.146.243.30

（注：前缀PREFIX::/96是由管理员选定的任何可以进行路由的前缀，已经被NAT-PT在IPv6网络中进行了通报，因此以此为前缀的数据包都被路由到NAT-PT设备进行处理。）

2)该数据包到达NAT-PT后，其报文信息将被转换为IPv4版本。

i.如果该数据包不是用来初始化连接的，那么NAT-PT一定保存着该数据包所从

属的连接的状态信息，包括IPv6节点A被分配的IPv4地址及其它用于转换的

信息。如果该数据包所从属连接的状态信息不存在，或者根本没有这个连接，

那么该数据包将被丢弃。

ii.如果该数据包是用来初始化连接的，那么NAT-PT将从地址池中分配一个IPv4地址（比如120.130.26.10），并将其报文信息转换为IPv4版本。其传输在整个

连接过程中会被存储于内存中，IPv6与IPv4之间的地址映射也将一直被维持

着直到连接的结束。

转换后的IPv4报文信息如下：

源地址：SA=120.130.26.10

目的地址：DA=132.146.243.30

3)所有与此连接相关的从节点C返回的IPv4数据包，NAT-PT会根据所存储的连接信息进

行信息转换如下：

源地址：SA=PREFIX::132.146.243.30

目的地址：DA=FEDC:BA98::7654:3210

4)数据包在IPv6网络中进行路由传输了。

3.2.1.

4.IVI转换协议用例描述

图5 IVI转换协议用例

IVI是一个特定前缀和无状态地址映射的方案，这种地址映射和转换机制是通过一个连接IPv4和IPv6网络的IVI网关来实现的。IVI无状态地址映射方案主要由ISP来实现，IVI方案将128位的IPv6协议地址分为三部分。其中0-39位为LIR前缀，0-31位为ISP前缀，32-39位为IVI标志位；40-71位为内嵌其中的全球IPv4地址；72-127位为全零。将32位的IPv4地址嵌入IPv6地址中，任何一个IPv4地址都可以通过这种地址嵌套找到一个IPv6地址。如图5所示，一个网段为202.38.108.0/24的IPv4网络要访问一个IPv6网络的具体转换如下：IVI的地址映射规则是在IPv6地址中插入IPv4地址，但是为了便于将IPv6地址前缀去掉以翻译回IPv4地址，各个前缀的长度是固定的，如图六所示：

图6 IVI地址映射格式

1)0~31位表示LIR前缀，例如可设为2001：da8

2)为了表示纯IPv6地址和由IPv4地址经过IVI机制映射过来的IPv6地址，同时保证位对

齐，IPv6地址前缀后面加入8位长的IVI标识字段“FF”

3)IPv4地址嵌入IPv6地址

4)地址的剩下字段由“0”填充

最终得到映射后的IPv6地址可在IPv6网络中传输。

3.2.2.路由协议子系统用例描述

3.2.2.1.RIP协议用例描述

图7 RIP协议用例描述

若网络中路由器拓扑如图7所示，未启动RIP协议时，协议转换网关中包含的路由条目如表一：

表一RIP开启前协议转换网关路由表

当启动RIP协议后，路由器向相邻的路由器自动转发路由表。路由器2直接和网络40.0.0.0相连。当它向协议转换网关通告网络40.0.0.0的路径时，它把跳数增加1。与之相似，路由器1接和网段10.0.0.0相连。当它向协议转换网关通告网络10.0.0.0的路径时，它把跳数增加1。

此时，协议转换网关在原有的路由表中自动添加到达网络10.0.0.0和网络40.0.0.0的路由条目。路由表变为表二：

表二RIP开启后协议转换网关路由表

3.2.2.2. OSPF 协议用例描述

路由器A 路由器B 协议转换网关路由器E

图8 OSPF 协议用例描述

如图8所示网络拓扑，在开启OSPF 前，协议转换网关中存在的路由信息为表三：

表三 OSPF 开启前协议转换网关路由表

当启动OSPF 后，各路由器将相邻路由器加入到自己的邻居列表中去，建立近邻关系。在收到邻居发来的路由更新包后，进行一系列的检查，决定是否更新自己的数据库、计算新路由。如图8所示，协议转换网关在开启OSPF 协议后，可以收到路由器A 给它路由更新包并根据最短路径算法添加新的路由信息。例如可以得到到20.0.0.0/24网段的路由，其下一跳是路由器A 。

IGPs:RIP,OSPF,IS-IS,EIGRP

图9 BGP 协议用例描述

BGP 是运行于 TCP 上的一种自治系统的路由协议。BGP 是唯一一个用来处理像因特网大小的网络的协议，也是唯一能够妥善处理好不相关路由域间的多路连接的协议。BGP 系统的主要功能是和其他的 BGP 系统交换网络可达信息。网络可达信息包括列出的自治系统（AS ）的信息。如图9所示，协议转换网关路由变化过程如下： 1) 协议转换网关与R1建立对等体对话

2) 从对等体接收的路由：这些路由的部分或全部将做成路由表

3) 进行BGP 路由决策 4)

更新路由表

当运行BGP 协议后，可以在协议转换网关中查到邻居表：

图10 转换协议网关邻居表

同时能够得到协议转换网关更新后的路由表：

图11 开启BGP 协议后转换协议网关得到的新路由表

图12 IS-IS协议用例描述

ISIS是一个分级的链接状态路由协议，实际上与OSPF非常相似，它也使用Hello协议寻找毗邻节点，使用一个传播协议发送链接信息。ISIS可以在不同的子网上操作，包括广播型的LAN、WAN和点到点链路。如图12所示网络拓扑，当开启IS-IS协议时，路由器A与路由器B进行路由交换的过程如下：

1)邻接关系的建立：

a)发送点对点电路的IIH报文：

i.当电路的外部域属性被设置为“False”时，中间系统将在点对点电路发送IIH

报文，发送时机为：

ii.中间系统接收到一个ISH报文时

iii.IS-IS HELLO定时器超时发送完成之后，IS-IS HELLO定时器将被重置

b)接受点对点IIH报文：

i.IIH报文接收检查

ii.IIH报文处理

2)链路状态的产生：

每台路由器收集自己的周边环境信息，比如自己以及邻居的系统ID、直接相连的IP子网，并把这些信息封装进LSP中。然后，它们把这些信息通告给直接相连的邻接路由器并最终通过一种被称作扩散的机制到达区域内所有的节点。

3)链路状态信息的更新、同步、路由计算：

链路状态路由协议一般采用最短路径算法

开启IS-IS协议后，协议转换网关能够得到新添加的路由信息，如下图：

图13 开启IS-IS协议后协议转换网关得到的新路由表

3.2.3.网络管理子系统用例描述

3.2.3.1.Console管理用例描述

管理者主机协议转换网关

图14 Console管理用例描述

如图14所示，Console 控制接口是网络设备用来与计算机或终端设备进行连接的常用接口。协议转换网关上有一个“Console”端口，它是专门用于对协议转换网关进行配置和管理的。当管理者主机通过Console口与路由器相连后，可以对路由器进行配置和管理。

3.2.3.2.Telnet/SSH管理用例描述

协议转换网关

图15 Telnet/SSH管理用例描述

如图15所示为管理者主机通过局域网与协议转换网关相连。管理者主机若想通过远程

控制协议转换网关，可以通过Telnet/SSH管理来访问，具体过程如下：

Telnet管理：

主机A、协议转换网关要实现telnet远程控制，必须满足下面的4个条件：

1.主机A、协议转换网关双方都要支持telnet远程控制协议。

2.主机A、协议转换网关双方要建立物理连接，比如都连接到某一局域网上。

3.将主机A(或协议转换网关)设置为server端，将协议转换网关(或主机A)设置为client端。

4.client端需要知道server端的IP地址、用户名及密码.如用户名：yhy；密码：820816(6

位)

满足上述条件后，可实现主机A和协议转换网关的telnet远程控制，具体过程如下：1)主机A和协议转换网关连接到某一局域网上。例如：主机A为192.168.220.54；协议转

换网关为192.168.220.31。

2)将协议转换网关设置为server端.

i.在终端上输入命令来配置协议转换网关的IP地址：

[root@localhost /]#ifconfig eth0 192.168.220.31 netmask 255.255.255.0

ii.在终端上输入命令来启动协议转换网关的telnet服务器端.

[root@localhost /]#telnetd

3)将主机A设置为client端.

i.在终端上输入命令来配置主机A的IP地址.

[root@localhost /]#ifconfig eth0 192.168.220.54 netmask 255.255.255.0

[root@localhost /]#ping 192.168.220.31

ii.在终端上输入telnet命令来远程连接server端.

[root@localhost /]#telnet 192.168.220.31

iii.当提示"login in"时，在client端输入server端的用户名及密码.

4)成功访问该主机上的yhy用户后，在终端显示：

[yhy@localhost yhy]#

这样，client端便控制了server端，此时server端无法再进行任何操作，否则死机.相当于用户在client端直接操作server端，即主机A直接管理协议转换网关.

SSH管理：

通过ssh协议来实现主机A与协议转换网关的远程管理过程如下：

1)在主机A终端内输入：#ssh 用户名@协议转换网关的IP地址。

（如主机A的IP地址为192.168.220.54，协议转换网关的IP地址为192.168.220.31，该主机用户名是yhy）

#ssh yhy@192.168.220.31

2)IP地址为192.168.220.54的主机A就可以在虚拟机上访问IP地址为192.168.220.31的协

议转换网关了。

3.2.3.3.SNMP管理用例描述

管理者主机

转换协议网关

图16 SNMP管理用例描述

简单网络管理协议（SNMP：Simple Network Management Protocol）是由互联网工程任务组（IETF：Internet Engineering Task Force ）定义的一套网络管理协议。该协议基于简单网关监视协议（SGMP：Simple Gateway Monitor Protocol）。利用SNMP，管理者主机可以远程管理转换协议网关，包括监视网络状态、修改网络设备配置、接收网络事件警告等。

SNMP采用了Client/Server模型的特殊形式：代理/管理站模型。对网络的管理与维护是通过管理工作站与SNMP代理间的交互工作完成的。每个SNMP从代理负责回答SNMP管理工作站（主代理）关于MIB定义信息的各种查询。

如图16所示，管理者主机可以通过SNMP对管理者主机等进行查询、修改等工作。3.2.3.4.Web管理用例描述

管理者主机

图17 Web管理用例描述

协议转换网关支持基于Web的管理方式，在Web管理方式下允许管理者主机通过网络上标准浏览器来查看和管理协议转换网关。其管理功能也十分完善，如：配置端口、建立VLAN、观察网络活动、监控连接状态以及浏览日志等。由于协议转换网关web界面的图形化，从而大大简化了协议转换网关的配置、管理和监控等操作过程。管理者主机可远程登录到协议转换网关web界面如下：

图18 Web管理平台

4.性能需求

1）吞吐量性能达到6GBps以上，最大可达10Gbps；

2）IPv4转发性能：1Gbps

3）IPv6转发性能：1Gbps

5.运行需求

5.1.物理环境

1）设备在常温下运行

2）在洁净的机房内使用