基于SOCKS的IPv4向IPv6过渡技术

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。

四、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