SuIP協(xié)議的原理及實現(xiàn)

1、可伸縮的n×IPv4層區(qū)結(jié)構(gòu)

SuIP協(xié)議用嚴格的技術(shù)語言來表達可以被稱為“可伸縮的n×IPv4協(xié)議”。當引入SuIP技術(shù)后，整個IP網(wǎng)絡(luò)變成一種完全以IPv4地址為基礎(chǔ)的，具有可伸縮特性的層區(qū)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 可伸縮的層區(qū)結(jié)構(gòu)

第一層L1對應(yīng)于我們現(xiàn)在所說的“公網(wǎng)”地址區(qū)。L2及以下對應(yīng)于我們現(xiàn)在所說的“私網(wǎng)”，L2對應(yīng)于一級私網(wǎng)，L3對應(yīng)于二級私網(wǎng)。

層區(qū)向下的延伸是可伸縮的。事實上，如果采用圖1所示的4個層區(qū)的結(jié)構(gòu)，其等效的最大地址空間已經(jīng)是128位了。每一個向下延伸的層區(qū)深度可以是不一樣的。例如某一個向下的路徑上最大是5（最底層為L5）層，而另一個路徑上最大的路徑可能只有2（最底層為L2）層。

2、層區(qū)和終端的編址

每個層區(qū)的層區(qū)子地址是以其與上層IP層區(qū)聯(lián)結(jié)處（層區(qū)網(wǎng)關(guān)）的IPv4地址進行編址。如：

例1，位于L2的某層區(qū)網(wǎng)關(guān)的IP地址為202.32.11.240,這個IPv4地址就是它對應(yīng)層區(qū)的層區(qū)子地址。

每個層區(qū)的完整層區(qū)地址為從上往下所有層區(qū)的子地址連接起來的n個IPv4地址。如：

例2，在例1中的某個地址10.31.66.30下面還接了一個L3的層區(qū)，它的層區(qū)子地址就是10.31.66.30，而其完整的層區(qū)地址為：202.32.11.240.10.31.66.30。它是兩個IPv4地址的拼接。

終端的完整SuIP為層區(qū)地址加上其本機在本層區(qū)內(nèi)的IPv4地址。如：

例3，例2中L3的層區(qū)內(nèi)有一個終端，其本機的IP地址為192.168.3.10，則其完整的SuIP地址就是由層區(qū)地址加上本機地址來表達。層區(qū)地址為：202.32.11.240.10.31.66.30，本機地址為：192.168.3.10。

3、SuIP包頭的封裝及格式

圖2 SuIP包頭的封裝

SuIP包頭是插在原IP包頭和傳輸層包頭之間的。IP包頭僅調(diào)整協(xié)議號，如傳輸層是TCP，就將協(xié)議號從6改為200，如果是UDP，就將協(xié)議號從17改為201。從SuIP恢復時依同樣映射關(guān)系改回去。

傳輸層包頭不作任何變化。SuIP包頭格式如圖3所示。

圖3 SuIP的格式

獲取封裝的MIPA（映射IP地址）的一個案例如圖4所示。

例4，假設(shè)圖4中SuIP包從A傳到B：

Ø A的層區(qū)地址為：MIPA1+IPd，本機地址為IPs

Ø B的層區(qū)地址為：MIPA2+MIPA3+MIPA4，本機地址為MIPA5

圖4 SuIP的MIPA獲取

在完整的SuIP包中，IP包頭的源地址為IPs,目的地址為IPd。封裝的SuIP包頭中的映射IP（MIPA）依次為MIPA1，MIPA2，MIPA3，MIPA4，MIPA5。

Totalnum字段表示封裝的MIPA地址總數(shù)，本例中此字段值為5；

Stagenum字段為當前指針，表示SuIP包在整個傳遞過程中當前所在的層區(qū)，初始值為1；

Checksum為校驗和。

4、SuIP包的傳遞

SuIP包的傳遞很簡單，在每個層區(qū)內(nèi)，該包的傳遞和路由與現(xiàn)IPv4協(xié)議100%一致，沒有任何變化。當SuIP包傳遞到層區(qū)網(wǎng)關(guān)上時，根據(jù)Totalnum和Stagenum兩個字段的指示，對IP包頭的源地址和目的地址進行置換。例如當SuIP包到達第一個層區(qū)結(jié)束的層區(qū)網(wǎng)關(guān)（IPd的位置）時，將IP包頭的源地址置換為IPd,目的地址置換為MIPA1，IPs轉(zhuǎn)放在原MIPA1的位置，從而進行第二個層區(qū)的IPv4路由傳遞。在第二個層區(qū)內(nèi)SuIP包的路由依然100%與現(xiàn)在IPv4協(xié)議是一樣的。

當?shù)竭_第二個層區(qū)的結(jié)束位置的層區(qū)網(wǎng)關(guān)（MIPA1的位置）時，再將IP包頭的源地址置換為MIPA1，目的地址置換為MIPA2，IPd轉(zhuǎn)放到MIPA2的位置，從而進行第三個層區(qū)的IPv4路由傳遞。

依此方法一個層區(qū)接一個層區(qū)地通過不斷置換IP包頭的源地址和目的地址，就可以最終100%兼容IPv4路由地將SuIP包從A傳到B。

5、對SuIP技術(shù)的評估

5.1流量匯集和路徑收縮

在基本的樹狀層區(qū)結(jié)構(gòu)里，每個層區(qū)在其層區(qū)網(wǎng)關(guān)處會形成流量的匯集，這個匯集點可能形成流量的瓶頸。在RFC1631中，NAT地址協(xié)議的提出者就認為這是NAT技術(shù)的5個缺點之一。但事實上，由于實際的電信級的網(wǎng)絡(luò)中從接入層向匯聚層、骨干層的收斂過程中就天然存在這種路徑收縮，因此它并不是一個值得認真考慮的問題。

另外，SuIP封裝的MIPA并非絕對就是一定要匯集到最上層的當前為公網(wǎng)的地址層，而是容許采用最短路徑，以及容許橫向的不同地址區(qū)之間存在直接聯(lián)接，因此可以比較容易地解決較大的流量匯集。

而從好的方面說，這種路徑的匯集可以有利于安全的管理。一個層區(qū)可能就是一個企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)。這也是現(xiàn)有私網(wǎng)被認為有利的一個方面。

5.2升級涉及工作量及成本

將現(xiàn)有NAT升級為SuIP在網(wǎng)絡(luò)側(cè)僅僅涉及到原NAT網(wǎng)關(guān)處的設(shè)備，并且完全為軟件升級，不涉及任何硬件變化。并且由于SuIP包在層區(qū)網(wǎng)關(guān)處僅僅是作極少量的包內(nèi)地址置換工作，因此其處理量非常少，速度非常快。

終端側(cè)傳輸層協(xié)議基本可以不作任何改變，接近100%兼容。僅需極少量軟件改變。

顯而易見，以上兩個軟件基本功能的規(guī)模都僅為幾百行代碼的量級。即使加上其它相關(guān)的增強功能，其軟件代碼規(guī)模也是相當小的。

所有層區(qū)內(nèi)數(shù)量巨大的IPv4路由器完全不用作任何改變，絕對100%兼容。

5.3應(yīng)用軟件的升級

SuIP并不影響現(xiàn)有NAT技術(shù)及IPv4協(xié)議的運行，因此與現(xiàn)有應(yīng)用軟件是可以100%簡單共存的。如果要利用SuIP技術(shù)，應(yīng)用軟件需要支持SuIP協(xié)議，但這個支持可以不改變原有套接字的基本運行過程，僅增加少量SuIP相關(guān)處理代碼。

SuIP在增加應(yīng)用軟件升級需求的同時，也會完全消除應(yīng)用軟件在私網(wǎng)打洞等問題上的考慮，因此它也會同時極大簡化未來所有應(yīng)用軟件開發(fā)上的難度。

6、結(jié)論

綜上所述，SuIP是一個相當輕量級的協(xié)議，在保持對現(xiàn)有IPv4協(xié)議簇及應(yīng)用軟件影響最低前提下，從根本上永久性地徹底解決了NAT地址穿透和IPv4地址不足問題，是一個真正充分解決實際問題的技術(shù)方案。它本質(zhì)上可以認為是對NAT技術(shù)的平滑改進，因此，其普及升級難度與成本，和當初引入NAT地址時基本是類似的。歷史事實證明了NAT技術(shù)的引入幾乎沒有對現(xiàn)網(wǎng)產(chǎn)生任何動蕩性的影響，其升級成本幾乎可以忽略不計。

而IPv6方案則與ATM類似，ATM的歷史經(jīng)歷證明了IPv6失敗的可能性是極大的。并且IPv6對現(xiàn)實真正迫切的私網(wǎng)穿透市場需求沒有提供任何解決能力，因為IPv6的普及與私網(wǎng)穿透問題的解決本質(zhì)上是相互矛盾的。

SuIP需要增加層區(qū)網(wǎng)關(guān)側(cè)的軟件升級，但當初NAT技術(shù)引入時也需要做同樣的事情。而SuIP技術(shù)遠比NAT技術(shù)簡單，因此SuIP軟件升級的工作量遠小于當初NAT技術(shù)升級時的工作量；

SuIP需要升級終端側(cè)的部分底層軟件，這比NAT稍微復雜一點；

SuIP需要升級應(yīng)用軟件。NAT技術(shù)升級后也影響到了應(yīng)用軟件，增加了私網(wǎng)打洞等大量復雜的通訊協(xié)議處理。而SuIP升級后這部分相當復雜的工作可以完全消除，不同層區(qū)間的通訊應(yīng)用軟件將轉(zhuǎn)變?yōu)楹凸�網(wǎng)地址之間的通訊應(yīng)用軟件是完全一樣的。在增加工作量的同時也更大程度地簡化了應(yīng)用軟件通訊協(xié)議的開發(fā)工作量。

因此，SuIP技術(shù)對現(xiàn)網(wǎng)技術(shù)的影響和成本代價完全可以參考NAT技術(shù)引入時的情況，甚至最終會比NAT技術(shù)引入時的影響和成本還要低。

汪濤個人簡介:

南京郵電大學學士，北京郵電大學碩士。通播網(wǎng)理論創(chuàng)始人和超級IP協(xié)議發(fā)明人，在通信、廣播、計算機和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域前后有長達近30年的研發(fā)、工程、運維和營銷經(jīng)驗，以及在原鄭州郵電部設(shè)計院、王碼電腦公司、中興通訊等在行業(yè)內(nèi)具有巨大影響力的單位和公司擔任工程師、研發(fā)人員、高級管理等工作的經(jīng)驗，。最早在2000年提出關(guān)于未來網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想——通播網(wǎng)，經(jīng)反復研究，到2006年基本成型。2007年成立優(yōu)恩艾斯通播網(wǎng)技術(shù)（北京）有限公司，專職研究和開發(fā)通播網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品。前后在通播網(wǎng)理論和技術(shù)上有長達7年的積累和沉淀。

作者：汪濤 來源：通信世界網(wǎng)