【协议森林】IPv6过渡技术之MAP-T/E技术_ipv4overipv6(map-e)

1. 背景

在IPv4向IPv6网络演进的浪潮中，存在着两对主要矛盾的较量，一对是IPv4地址短缺和IPv4业务蓬勃发展之间的矛盾，另一对是IPv6海量的地址空间和IPv6应用的匮乏之间的矛盾。在IPv4方面通过地址复用（A+P)方式似乎缓解了IPv4快速消耗的压力，但是NAT设备投入巨大，各类业务应用也或多或少受到影响。在IPv6发展方面，用户、ICP、ISP以及运营商对IPv4地址枯竭的敏感度不一致，从而导致IPv6产业链发展不平衡，各方面在积极推动IPv6发展的同时都或多或少存在顾虑。同时两对矛盾又互相制约，IPv4地址共享机制似乎又减缓了IPv6产业链的发展，IPv6产业链的不断发展似乎又在考验着IPv4地址共享机制的部署规模。
为了保持IPv4业务持续性和促进IPv6产业的发展性，4over6场景凭借其兼顾IPv4业务和IPv6发展的特点，成为长期演进方案研究的焦点。在4over6场景中，MAP技术结合了无状态和双重翻译/封装技术，成为目前IETF关注度最高的解决方案。MAP（Mapping Address and Port）技术是指无状态地对地址和端口进行复用，根据报文格式又分为双重封装MAP-E和双重翻译MAP-T两种。MAP技术文稿目前是IETF的WG draft状态（截止2013年11月）。

2. MAP技术

MAP技术定义了在IPv6-only的网络中承载IPv4和IPv6业务无状态地址封装/翻译的机制。MAP-CE和MAP-BR作为边界设备划定了MAP Domain的区域，IPv4业务流仅存在于MAP Domain之外。

MAP技术的本质特征可以简单总结为四个关键字，即共享、无状态、分布、优化。

• 共享：采用A+P理念共享Public IPv4地址，即通过TCP/UDP层的端口号资源来扩展Public IPv4资源，分配Port-Set受限的IPv4地址实现多个用户共享同一个IPv4地址。
• 无状态：无状态方式实现IPv4 A+P到IPv6地址映射。即通过MAP
  Rule实现IPv4地址+端口与IPv6地址的无状态映射，解决CGN维护地址映射状态的问题。
• 分布：NAT44分布到MAP CE实现。即秉承NAT卸载的理念，利用MAP CE的资源实现分布式NAT，解决集中式NAT44性能瓶颈的问题。
• 优化：优化流量转发和提高网络可靠性。即通过配置MAP Rule实现MAP CE间流量直接转发，通过MAP-BR Pool实现负载分担，同时由于无状态映射的特点，MAP BR故障切换时无session同步需求，网络可靠性更高。
  MAP技术的实现需要考虑以下几个关键问题
  1、IPv4地址和端口与IPv6地址之间遵循什么映射规则？
  2、MAP域中是如何来规划映射规则？又是如何进行规则下发的？
  3、MAP-BR的Pool是如何实现？可靠性如何提升？
  4、MAP场景下业务流量的报文格式是什么样的？

3. 端口映射规则

这是MAP技术要解决的第一个问题，也是MAP技术的基础。
首先，从IPv4地址和传输层port来看，32bit的IPv4地址容量有限，16bit的传输层端口（Transport port)目前使用不多，因此借用传输层端口来扩展IPv4地址是一个不错的方法，这就是“A+P"的概念。
为了确保用户使用的IP+Port-set的唯一性，需要将port-set进行有序划分。由于传输层端口中有一些已经分配给特定的应用使用（比如80为http，20/21为ftp等)，因此建议分配port-set是需要避免使用此类端口。在MAP中，我们将传输层端口号的16bit划分为三部分，A、PSID和M。

• 关于A和a：因为0-1023是well-known端口区间，在MAP中建议扩展到0-4095（2^12），即建议a(=PSID offset)默认值是4（16-12）。A的取值为非零值，M的取值为任意值。若a=0，则标识全部port区间均可以分配。
• 关于PSID和k：PSID的长度k决定了共享比率，共享比率值=2^k ,即传输层端口可以分成2^k份，每份共享给一个CPE使用，每个共享此IPv4地址的CPE获得一个唯一的PSID，即获得一段唯一的port-set。
• 关于m：M域的长度m决定了port-set中端口的连续长度，连续长度值为=2^m。
  通过这样的划分，可以获得2^k个Port-Set，每个Port-Set由唯一的Port-Set ID值标识，每Port-Set ID值对应的Port-Set含有((2^a)-1) * (2^m)的端口号。
  下面是一个MAP映射规则的举例：
• 给定共享比例R（=2^k=1024）和a(=PSID offset=4);
• 推算出: a=4,k=10,m=2;
• 列出PSID值和对应的port-set
  因此，对于给定的唯一Prot-Set ID值，都对应一组固定的Prot-Set与之对应。

4. 地址映射

MAP技术是通过IPv4地址的的一部分和端口的一部分特征值嵌入到IPv6地址中实现，IPv4地址选的的特征部分是IPv4-Addr-suffix，port-set选择的是PSID，这样将IPv4的地址信息和端口信息与IPv6地址建立了强关联，此乃MAP设计的巧妙之处。

通过上图对IPv4+Port与IPv6地址的映射关系可以看出，不管是MAP-CE还是MAP-BR，只要获得End-user IPv6-prefix、Rule-IPv6-prefix、EA-bits、Rule-IPv4、Port-Set ID offset就能推导出公网IPv4地址和端口序列。MAP技术采用IPv4 address和Port-Set ID的值组合形成Interface ID来标识MAP-CE，再与End-user IPv6-prefix一起合成IPv6地址，作为MAP-CE在MAP Domain中的唯一标识。

• 对于IPv4address字段，若分配了一个公网IPv4地址，则IPv4address字段填写分配的IPv4地址，长度是32比特，如果分配了IP-prefix，即分配一段地址给IPv4用户（有可能是个企业用户），则IPv4address字段需要右填0补齐，比如给用户分配IPv4-prefix=“192.0.2.0/29”,则此处IPv4address字段需要填写"0xC0000200"（十六进制）。
• 对于Port-Set ID字段，若EA-bits位提取的Port-Set ID值不足16bit时，左填0补充，如:Port-Set ID=“0xAC”，则此处的Port-Set ID字段填“0x00AC”，如果分配了IPv4-prefix或者独享的IPv4-address时，则没有Port-Set ID值可以提取，则此处的Port-Set ID字段填写“0x0000”。

至此，MAP域中的IPv4地址共享型用户的IPv4地址和端口已经和IPv6地址建立了无状态映射所需的强关联关系，并可以构建IPv6地址在MAP域中唯一地标识此用户。

5. 映射规则定义

在MAP技术中有三种MAP规则：BMR(Basic Mapping Rule)、FMR(Forwarding Mapping Rule)和DMR(Default Mapping Rule)。其中，DMR在MAP-E技术中称为Destinations outside the MAP domain。

5.1 BMR（必选规则）

用于计算MAP CE的IPv4地址和Port-Set以及IPv6地址。BMR在MAP CE和MAP BR上都需要配置，配置在MAP-CE上用于将IPv4用户数据进行NAT44和IPv6翻译/封装，配置在MAP-BR上用于将IPv4地址从IPv6报文中解封装/解隧道，以及将回程流量的IPv4地址+port进行IPv6翻译和封装后，在MAP域中按照IPv6路由转发到MAP-CE上。

BMR的配置的基本参数包括：Rule-IPv6-prefix、Rule-IPv4-prefix、EA-bits-length、PSID-offset，这些参数配置在MAP-CE上可以计算出共享的IPv4地址和端口序列，以及MAP-CE的IPv6地址，举个实例分析下（参考上一节的映射图）。

MAP-CE获得属于IPv6前缀信息：（DHCPv6正常分配）

End-user IPv6-prefix: 2001:db8:0012:3400::/56
通过BMR下发的信息如下：

Rule-IPv6-prefix : 2001:db8:0000::/40
Rule-IPv4-prefix : 192.0.2.0/24 (0xC0000200/24)
EA-bits-length : 16
PSID-offset(a) : 4 (default)
则推导出如下信息（MAP-CE的共享A+P和IPv6地址）

EA-bit : 0x1234
IPv4-suffix : 0x12 (p=32-24=8)
PSID : 0x34 (q=o-p=16-8=8)
IPv4-address : 192.0.2.18 (0xC0000212)
Port-set : 4928-4943, 9024-9039, …, 62272-62287(a=4, A>0; PSID=0x34)
IPv6-address : 2001:db8:0012:3400:00C0:0002:1200:3400

在MAP Domain中可以按照IPv4子网逻辑划分多个sub-domain，每个IPv4子网段作为一个sub-domain，这样在sub-domain中所有MAP-CE配置的MR可简化为一条。每个MAP-CE配置不同的End-user IPv6-prefix和相同的BMR即可。

5.2 FMR（可选规则）

用于在mesh网络中实现MAP-CE间的互访流量直接通信，不需要通过MAP-BR中转。这就是说在MAP-CE访问其他MAP-CE时，目的IPv6地址应该是对端MAP-CE的地址。报文的源IPv6地址是BMR生成的，则目的MAP-CE的IPv6地址就成了FMR的转换目标。前面也提到每个MAP-CE的BMR是相同的（在一定范围），因此FMR和BMR也是可以相同的，即可以将BMR通过配置作为FMR。

举例如下，在MAP-Domain域中配置BMR=FMR，当MAP-CE2用户的IPv4业务访问MAP-CE1用户的IPv4业务时，在MAP-CE2上通过NAT44和BMR生成源IPv6地址，同时通过FMR生成目的MAP-CE1的IPv6地址。

5.3 DMR（可选规则）

BMR规则和FMR规则对于MAP-E和MAP-T均适用，但在DMR规则上，MAP-E和MAP-T是不同的：
MAP-T：DMR（Default Mapping Rule）代表报文的目的IPv4地址为MAP Domain域外的地址，通过BR进行转发到域外。DMR含有两个参数Rule-IPv6-prefix和Rule-IPv4-prefix。Rule-IPv6-prefix的值是MAP BR的IPv6前缀，Rule-IPv4-prefix值是0.0.0.0/0，即在MAP-CE上匹配IPv4路由时作为默认路由适用的映射规则。如下图所示，在使用这条规则后，目的IPv6地址将通过DMR配置的Rule-IPv6-prefix+目的IPv4地址组成目的IPv6地址。

MAP-E：DMR（Destinations outside the MAP domain），更加明确的表征了规则的意义。由于MAP-E中是IPv6报头嵌套IPv4地址，因此对于报文中目的IPv4地址是MAP域外的地址，只需要再封装一层BR的IPv6地址即可，到达BR是直接剥掉IPv6报头就可以还原目的IPv4地址。因此在MAP-E中Destinations outside the MAP domain就是配置MAP-BR的IPv6地址。

6. MAP-T/MAP-E IPv6前缀

前面谈了这些规则和属性，那这些是通过何种协议进行配置呢？最容易想到的就是DHCPv6属性，但是目前的DHCPv6属性除了配置MAP域所需的End-user-IPv6-prefix之外，其他属性还没有定义，因此就有了draft-ietf-softwire-map-dhcp文档，就是针对MAP-E、MAP-T以及lightweight 4over6（三种协议的特点就是均采用A+P理念）所需的属性对DHCPv6进行了扩展。
IPv6前缀分配方式
MAP-T/MAP-E用户的IPv6前缀，目前Bras只支持通过DHCPv6 IA_PD方式分配，不支持通过ND方式分配。
MAP-T/MAP-E用户识别
MAP-T/MAP-E用户进行DHCPv6拨号时，必须在DHCPv6请求报文的ORO选项中请求对应的MAP option（option94、option95）。
请求option94的用户识别为MAP-E用户，请求option95的用户识别为MAP-T用户。对于同时请求option94、option95的用户，默认优先识别为MAP-E用户，如果MAP-E方式分配IPv6前缀失败，则继续按MAP-T方式分配IPv6前缀。支持在Domain下配置为MAP-T优先。
在draft-ietf-softwire-map-dhcp中定义了五个DHCPv6 Option，它们分别是OPTION_S46_RULE，OPTION_S46_BR OPTION_S46_PORTPARAMS，OPTION_S46_DMR，OPTION_S46_IPV4ADDRESS。另外定了针对MAP-E、MAP-T和LW46三个协议的三个Container，包含的DHCPv6 Option的关系如下。

MAP option封装
Bras为MAP-E、MAP-T用户分配IPv6前缀后，在DHCPv6回应报文中封装option94（MAP-E）、option95（MAP-T），将相关的MAP参数带给用户。

6.1 option 94（OPTION_S46_CONT_MAPE）

仅限于MAP-E用户，option格式如下：
option code为94，option-length不固定，按实际长度封装；
encapsulated-options：MAP-E用户的其他option，做为option94的子option，包括option89、option93、option90。

6.2 option 95（OPTION_S46_CONT_MAPT）

仅限于MAP-T用户，option格式如下：
option code为95，option-length不固定，按实际长度封装；
encapsulated-options：MAP-E用户的其他option，做为option95的子option，包括option89、option93、option91。

6.2 option 89（OPTION_S46_RULE）

MAP-E/MAP-T用户均需要封装，做为optioin94、opton95的sub option，option格式如下：

option code为89，option-length不固定，按实际长度封装；
flags：详细格式如下

其中保留位为0，F比特位默认为1，如果地址池下配置了option-s46 fmr-flag disable，则将F比特位置0。
ea-len：从前缀池下引用的map-rule中获取，由命令行配置；
prefix4-len及ipv4-prefix：从前缀池下引用的map-rule中获取，由命令行配置。其中ipv4-prefix固定长度为4字节，prefix4-len后的bits用0补齐；
prefix6-len及ipv6-prefix：从前缀池下引用的map-rule中获取，由命令行配置。当prefix6-len不能被8整除时，ipv6-prefix要用0补齐到8的整数倍，但prefix6-len不变；
S46_RULE-options：即option93，做为option89的sub option。

6.3 option 93（OPTION_S46_PORTPARAMS）

MAP-E/MAP-T用户均需要封装，做为option89的sub option，option格式如下：

option code为93，option length固定为4字节；
offset：从地址池下引用的map-rule中获取，由命令行配置。
PSID-len及PSID：分以下三种场景
ea-len + prefix4-len < 32，PSID-len及PSID均填0，此时分给MAP用户的是IPv4前缀；
ea-len + prefix4-len = 32，PSID-len及PSID均填0，此时分给MAP用户的是一个独享IP；
ea-len + prefix4-len > 32，PSID-len为ea-len + prefix4-len - 32, PSID为MAP用户PD前缀的最后“PSID-len”bit，此时分给MAP用户的是共享IP，其使用的IPv4 port根据PSID计算。

6.4 option 90（OPTION_S46_BR）

仅限于MAP-E用户，做为option94的sub option，option格式如下：

option code为90，option length固定为16字节；
br-ipv6-address：根据地址池下option-s46 br-ipv6-address的配置封装，长度固定16字节，当掩码长度为128时是unicast地址，当掩码长度小于128时是anycast地址，掩码之后的bits用0补齐。

6.5 option 91（OPTION_S46_DMR）

仅限于MAP-T用户，做为option95的sub option，option格式如下：

option code为91，option length不固定，按实际长度封装；
dmr-prefix6-len及dmr-ipv6-prefix：根据地址池下option-s46 dmr-prefix的配置封装。当dmr-prefix6-len不能被8整除时，dmr-ipv6-prefix要用0补齐到8的整数倍，但dmr-prefix6-len不变。
谈到这里，肯定有人会问：MAP-E和MAP-T哪个更好呢？
其实每个技术都有其特点，对于MAP-E而言增加了一层IPv6报头，增加了报文长度，有可能会引起MTU问题，但是这种封装方式对IPv4的信息是完全保存下来，不破坏IPv4报文的其他属性，即不存在IPv4报文信息的丢失。对于MAP-T而言通过IPv6报头代替IPv4报头，单层报头的报文承载效率高，但是会造成IPv4报头信息的丢失（感觉关键信息已经映射了，只有部分信息有所丢失而已）。

加入讨论