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IPv6还未完成，IPv10已来！P4带你进入IPv10的世界

中国IPv6网 IPv6信步闲谈 2259

作者简介：杨艺，福州大学数计学院2015级计算机科学与技术（实验班）本科生，对于P4语言感兴趣

P4全称Programming Protocol-Independent Packet Processors,是Nick McKeown和他的团队在2014年提出的一种用于编程与协议无关的数据包处理器的高级语言。P4有三大特征:协议无关性、目标无关性、可重构性。快速实现网络新协议，缩短传统网络设备的研发周期，是P4的重要驱动力之一。本文依据IETF于2017年9月13日公布的最新的IPv10草案，用P4实现支持IPv10协议的交换机，并搭建实验环境来验证IPv10的特性。本文只是通过P4实现IPv10协议为例，说明P4实现网络新协议的路径方法。IPv10本身的价值或前景，不在本文的判断中。

一、背景

自IPv6协议由互联网工程任务组IETF于1998年开发，至今已19年，但到目前为止还没有全面的迁移，导致互联网分为两部分，IPv4仍然占据互联网流量的主导地位。谷歌在2017年4月统计互联网的流量IPv4占85%,IPv6只占15%。因此，对于IPv4和IPv6共存的解决方案的需求成为迁移过程中的一个重要问题，IPv4全面迁移到IPv6也并非轻而易举。
下面列举了几个相关的解决方案：
1.IPv4 / IPv6双协议栈：让计算机同时使用IPv4和IPv6地址，共享IPv4和IPv6，但该解决方案不允许使用IPv4协议的主机与使用IPv6协议的主机相互通信。 此外，在IPv4地址空间耗尽之后，新的Internet主机将无法使用IPv4 / IPv6双栈。
2.隧道技术：允许使用IPv6协议的主机之间通过基于IPv4的网络进行通信，但仍然不允许IPv4主机与IPv6主机相互通信。
3.NAT-PT：允许使用IPv6协议的主机与使用IPv4协议的主机进行通信，并使用主机名，在通信过程中通过DNS获取地址；但该解决方案效率不高，因为它不允许直接使用IP地址进行通信，还需要大量的源、目IP地址转换，使解决方案变得复杂。此外，它的改进版本NAT64在通信过程中采用了DNS64[5]技术，也需要大量的协议转换和静态配置。

二、IPv10介绍

IPv10目前是IETF草案，在2017年9月13日发布了最新版本草案，声称用一个非常简单和有效的方法解决了使用IPv6协议的主机与使用IPv4协议的主机之间相互通信的问题，当主机间直接使用IP地址进行通信时，以及当使用IPv10协议的主机之间使用主机名进行通信时，无需进行协议转换，并且在通信过程中不需要DNS进行地址解析。IPv10协议通过在IP数据报报头中包含IPv4和IPv6地址，支持使用IPv6协议的主机与使用IPv4协议的主机之间进行通信，其报文格式如图一和图二所示。

图一：IPV10的数据包头

图二：IPv10数据包的源目地址

图三：基于IPv10协议，支持使用IPv6协议的主机与使用IPv4的主机之间进行通信

图三中，主机PC-1只有IPv6地址，而主机PC-2只有IPv4地址，两者均都支持IPv10。当主机PC-1往主机PC-2发送数据包时，主机PC-1使用IPv10协议，并在IPv10数据首部的目的地址中填入IPv4的地址。

三、 支持IPv10的P4交换机


图四：P4交换机处理IPv10数据报的流程图

原理说明：
当基于IPv10协议的数据报文进入P4交换机时，解析器解析目的地址的后48位是否全为零：如果全为零，则进行IPv4的地址解析；如果不全为零，则进行IPv6的地址解析。不同的解析方式对应于不同的匹配-动作阶段。流水线处理之后，将IPv10数据报进行封装，并进行转发。

关键代码：

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header ipv10_t { //定义IPv10的前面字段

    bit<4>    version;

    bit<8>    traffic_class;

    bit<20>   flow_label;

    bit<16>   payload_length;

    bit<8>    next_header;

    bit<8>    hop_limit;

    ip6Addr_t srcAddr;

}

 

header ipv6_addr_t{ //目的地址为IPv6类型时

    ip6Addr_t dstAddr;

}

 

header ipv4_addr_t{ //目的地址为IPv4类型时

    ip4Addr_t dstAddr;

    bit<48>   mac;

    bit<48>   zero;

}

//通过判断目的地址后48位是否全为0,走不同的解析器

state parse_ipv10 {

        packet.extract(hdr.ipv10);

        transition select(packet.lookahead<ipv4_addr_t>().zero){

      0: parse_ipv4_addr;

      default: parse_ipv6_addr;

}

}

四、实验验证

实验通过P4-16语言描述交换机对IPv10数据报的处理流程，实验拓扑由一台P4交换机s1和两台主机h1，h2组成。在h1主机终端上通过scapy[8]将IPv6的数据包改造为IPv10的数据包经过s1发送给h2，h2收到数据包后将展示收到数据包的内容。

首先,需要git

Shell

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$ git clone https://github.com/deepYY/ipv10_p4.git

然后进入制定目录创建P4交换机

Shell

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$ cd ipv10_p4

$ ./run.sh

图五：创建拓扑

创建成如图的拓扑：


图六：拓扑图

然后开启两个主机h1,h2的终端

Shell

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$ mininet > xterm h1 h2

在h2的终端上

Shell

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$ ./receive.py

在h1的终端上
先发送h2的ipv4地址数据包

Shell

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$ ./send_ipv4_addr.py 10.0.2.10 ‘P4 is cool ’

在发送h1的ipv6地址数据包

Shell

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$ ./send_ipv6_addr.py fe80::5678 ‘P4 is cool’

h1主机查看信息：


图七：h1终端发送数据包

h2主机查看信息：

图八：h2接受到数据包

四、参考文献
IPv4 RFC : https://tools.ietf.org/html/rfc791
IPv6 RFC : https://tools.ietf.org/html/rfc2460
NAT-PT RFC : https://tools.ietf.org/html/rfc2766
NAT64 RFC : https://tools.ietf.org/html/rfc7269
DNS64 RFC : https://tools.ietf.org/html/rfc6147
IPv10 draft：http://www.potaroo.net/ietf/html/ids/draft-omar-ipv10-09.txt
P4-16 : https://p4lang.github.io/p4-spec/docs/P4-16-v1.0.0-spec.html
scapy : http://www.secdev.org/projects/scapy/

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