基于NAT-PT转换网关的ALG设计与实现

论文摘要

NAT-PT就是一种解决纯IPv6网络与纯IPv4网络相互通信的过渡机制。NAT-PT既要执行地址翻译，还要进行协议翻译，其中NAT对IPv4地址和IPv6地址进行相互翻译，PT按照语义等价的原则对IPv4报文和IPv6报文进行相互翻译。现有的网络中有许多应用层的协议，为了实现某些特定功能，则会将IP地址信息和TCP／UDP的端口信息作为通信负载的一部分进行传输。当这样的数据报文通过NAT-PT网关设备时，由于NAT-PT的基本功能只对IP网络层和TCP／UDP传输层进行翻译转换，若不对应用层负载中的IP和TCP／UDP端口信息进行相应的处理，则应用层的通信将可能无法完成，因此NAT-PT必须结合应用层网关（Application Layer Gateway）才能完整实现IPv4-IPv6互通的功能。本课题着力于研究在NAT-PT基本功能的基础之上，研究设计和实现支持关键应用层协议的应用层网关，包括DNS-ALG，FTP-ALG和SIP-ALG，其中SIP-ALG为NAT-PT（RFC2766）要求之外的新功能。DNS是支撑当今互联网的最关键的应用层协议之一，FTP是运用最为广泛的应用层文件传输协议，SIP是下一代互联网中占据重要位置的新兴应用协议，这三种协议均需要ALG支持的应用层协议。本文首先介绍基于NAT-PT的IPv4-IPv6转换网关的关键技术，为ALG设计与实现提供技术背景，然后分别针对三个应用层协议的技术原理进行具体的研究和分析，提出对应的穿越NAT-PT的应用层协议翻译模型或者处理算法，在此基础之上，为每一个应用层协议设计出具有实用价值的应用层转换网关，本文对此进行了详细的分析和叙述，并从系统结构的角度提出了一个实用的优化性能的解决方案。本文的最后一部分简要的介绍了对ALG系统测试方案的设计。在设计和实现各个ALG系统的过程中，除了对协议进行分析研究，提出确实可行的翻译算法和设计之外，还提出了基于快速消息分类算法，基于哈希和索引目录的快速查询算法，较好的提升ALG系统的处理速度。通过一系列的研究和分析，本课题最终完成了基于NAT-PT的应用层网关ALG的设计与实现，并且通过了测试验收，达到了实用的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究的内容
• 1.3 课题来源
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 IPV4-IPv6转换网关关键技术分析
• 2.1 IPv4协议
• 2.1.1 地址格式
• 2.1.2 IP包长
• 2.1.3 IP路由
• 2.1.4 ICMP
• 2.1.5 IPv4包首部格式
• 2.2 IPv6协议
• 2.2.1 IPv6编址
• 2.2.2 IPv6包首部格式
• 2.2.3 IPv6和域名系统
• 2.2.4 IPv6与IPv4的比较
• 2.3 IPv4-IPv6过渡方案分析
• 2.3.1 隧道技术
• 2.3.2 基于NAT-PT的IPv4-IPv6协议转换技术
• 2.3.3 双协议栈技术
• 第三章 NAT-PT相关协议分析
• 3.1 网络地址翻译技术NAT
• 3.1.1 传统的NAT技术
• 3.1.2 双向NAT
• 3.1.3 NAT的特性
• 3.1.4 NAT在IPv6过渡机制中的应用
• 3.2 协议转换PT
• 3.2.1 IPv4到IPv6的转换算法
• 3.2.2 IPv6到IPv4的转换算法
• 3.2.3 TCP/UDP较验和的计算
• 第四章 应用层网关（ALG）转换原理研究
• 4.1 DNS-ALG原理研究分析
• 4.1.1 DNS消息结构
• 4.1.2 DNS对IPv6的扩展
• 4.1.3 DNS-ALG协议转换模型分析
• 4.2 FTP协议转换原理研究
• 4.2.1 FTP连接模式
• 4.2.2 FTP对IPv6和NAT的扩展
• 4.2.3 FTP-ALG协议转换模型
• 4.3 SIP-ALG原理及算法研究分析
• 4.3.1 SIP协议解析
• 4.3.2 SIP中的协议元素
• 4.3.3 SDP会话描述协议
• 4.3.4 SIP路由机制
• 4.3.5 SIP模型
• 4.3.6 SIP模型在IPv4-IPv6转换网关下的变体
• 4.3.7 基于NAT-PT转换网关的SIP-ALG算法
• 第五章 应用层网关（ALG）系统设计与实现
• 5.1 IPv4-IPv6转换网关架构设计
• 5.1.1 网关系统硬件体系结构
• 5.1.2 网关软件体系结构
• 5.1.3 网关系统运行流程设计
• 5.2 应用层网关整体系统框架设计
• 5.2.1 ALG系统框架结构
• 5.2.2 ALG系统开发及运行环境
• 5.3 DNS-ALG算法设计与实现
• 5.3.1 DNS-ALG整体处理翻译流程设计
• 5.3.2 DNS消息Question段的翻译流程
• 5.3.3 PTR类型请求内容的翻译
• 5.3.4 DNS消息Resource Record内容的翻译流程
• 5.3.5 RDATA数据内容的处理
• 5.4 FTP-ALG算法设计与实现
• 5.4.1 FTP-ALG整体处理流程设计
• 5.4.2 FTP消息类型快速识别算法
• 5.4.3 FTP消息翻译处理
• 5.4.4 FTP表的设计与使用
• 5.5 SIP-ALG算法设计与实现
• 5.5.1 SIP消息翻译处理整体流程
• 5.5.2 SIP首行的解析算法
• 5.5.3 SIP头域的词法分析算法
• 5.5.4 Record-Route头域的分析算法
• 5.5.5 SIP消息头域的翻译处理
• 5.5.6 SDP的翻译处理算法
• 第六章 系统功能测试与系统性能优化及测试
• 6.1 系统功能测试
• 6.1.1 系统测试环境
• 6.1.2 DNS-ALG测试
• 6.1.3 FTP-ALG测试
• 6.1.4 SIP-ALG测试
• 6.2 系统性能优化与测试
• 6.2.1 ALG处理流程分析
• 6.2.2 Xscale处理能力分析和改进
• 6.2.3 数据包拷贝性能分析和改进
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果
• 论文勘误表