剖析IPv6时代的域名系统

剖析IPv6时代的域名系统

IPv6协议是取代IPv4的下一代网络协议，它具有许多新的特性与功能。域名系统DNS）是Internet的基础架构，IPv6的新特性也需要DNS的支持。因此，DNS必须升级以满足IPv6的需求。本文将从IPv6 DNS的体系结构、IPv6的地址解析、IPv6地址自动配置和即插即用、IPv4到IPv6的过渡等几方面对IPv6时代的DNS进行分析和研究。
一、 IPv6优势简介
域名系统Domain Name System，简称DNS）的主要功能是通过域名和IP地址之间的相互对应关系来精确定位网络资源，即根据域名查询IP地址，反之亦然。DNS是当今Internet的基础架构，众多的网络服务都是建立在DNS体系基础之上的。业界权威人士说：“只有理解了DNS，才真正懂得了Internet。” IPv6协议是用来取代IPv4的互联网协议。相比IPv4，IPv6具有很多优点。首先，它提供了巨大的地址空间；其次，IPv6的地址结构和地址分配采用严格的层次结构，以便于进行地址聚合，从而使路由器中路由表的规模大幅度“瘦身”；再次，IPv6协议支持网络节点地址的自动配置，可以实现即插即用功能。此外，IPv6协议对主机移动性有较好的支持，适合于越来越多的互联网移动应用；IPv6协议在安全性、对多媒体流的支持性等方面都具有超过IPv4的优势。
IPv6网络中的DNS非常重要，一些IPv6的新特性和DNS的支持密不可分。本文从IPv6 DNS的体系结构、IPv6的地址解析、IPv6地址自动配置和即插即用、IPv4到IPv6的过渡等几方面对IPv6时代的DNS进行了分析和研究。
二、IPv6域名系统的体系结构
IPv6网络中的DNS与IPv4的DNS在体系结构上是一致的，都采用树型结构的域名空间如图1所示）。IPv4协议与IPv6协议的不同并不意味着需要单独应用IPv4 DNS体系和IPv6 DNS体系，相反，它们的DNS体系和域名空间必须保持一致，即IPv4和IPv6共同拥有统一的域名空间。在IPv4到IPv6的过渡阶段，域名可以同时对应于多个IPv4和IPv6的地址。随着IPv6网络的普及，IPv6地址将逐渐取代IPv4地址。

图1的最上方是DNS树形结构中惟一的根Root），用点号“.”表示。根的下一级称为顶级域Top Level Domain， 简称TLD），也称一级域。顶级域的下级就是二级域Second Level Domain, 简称SLD），二级域的下级就是三级域，依此类推。每个域都是其上级域的子域Sub Domain），比如 “.net.cn”是“.cn”的子域，而“cnnic.net.cn”既是“net.cn”的子域，也是“.cn”的子域。
DNS树上的每一个节点都有一个标识Label），根节点的标识是“空”即长度为0），其他节点的标识长度在1～63字节之间。一个节点的域名是由从这个节点到根节点的路径上的所有标识从左到右顺序排列组成的，标识之间用“.”分隔。例如http://www.ccw.net.cn/
整个DNS域名空间划分成若干个区Zone），见上图中的椭圆标记。每个区都有域名服务器包括主服务器和辅服务器），以资源记录Resource Record）的形式来存储域名信息。资源记录包括了主机名域名）和IP地址的对应以及子域服务器的授权等多种类型。 用户在使用DNS服务时，不必细致地了解DNS域名空间的树型结构体系，只须在设置网络时指定一个DNS服务器或使用动态主机配置DHCP）等相关技术。用户的应用程序可以通过操作系统内嵌的解析器Resolver）访问DNS系统，查询域名相关的网络资源信息。
三． IPv6地址及其表示方法
IPv6地址长度为128比特，地址按照其传输类型分为3种：
1） 单播地址Unicast Address）：用来标识单一网络接口。目标地址是单播地址的数据包将发送给以这个地址为标识的网络接口。
2） 任播地址Anycast Address）：用来标识一组网络接口通常属于不同的节点）。目标地址是任播地址的数据包发送给其中路由意义上最近的一个网络接口的地址。
3） 多播地址Multicast Address）：用来标识一组网络接口通常属于不同的节点）。发送到多播地址的数据包将发送给本组中所有的网络接口。在IPv6中没有广播地址Broadcast Address），用多播地址取代。 其中，单播地址按照地址的传输范围分为可聚合全局单播地址Aggregatable Global Unicast Addresses）、NSAP地址、IPX层次地址、站点本地地址Site-Local Address）和链路本地地址link-Local Address）等。所有的网络接口至少要有一个链路本地地址，同时还可以拥有多个地址包括单播地址，任播地址和多播地址）。
IPv6的地址在表示和书写时，用冒号将128比特分割成8个16比特的部分，每个部分包括4位的16进制数字。例如：
1080:0000:0000:0000:0008:0800:200C:123A
在每个4位一组的十六进制数中，如其高位为0，则可省略。例如将0800写成800，0008写成8，0000写成0。于是1080:0000:0000:0000:0008:0800:200C:123A可缩写成1080:0:0:0:8:800:200C:123A。为了进一步简化，规范中导入了重叠冒号的规则，即用重叠冒号置换地址中的连续16比特的0。例如，将上例中的连续3个0置换后，可以表示成如下的缩写形式: 1080::8:800:200C:123A。重叠冒号的规则在一个地址中只能使用一次，例如：地址0:0:0:BA98:7654:0:0:0可缩写成::BA98:7654:0:0:0或0:0:0:BA98:7654::，但不能记成::BA98:7654::。
另外，可以用“IPv6地址/前缀长度”来表示地址前缀。这个表示方法类似于CIDR中IPv4的地址前缀表示法。这里IPv6地址是上述任一种表示法所表示的IPv6地址，前缀长度是一个十进制值，指定该地址中最左边的用于组成前缀的比特数。例如，对32比特的前缀10800000十六进制），可以如下表示:
1080::8:800:200C:123A/32
1080::/32
四、DNS对IPv6地址层次性的支持
IPv6可聚合全局单播地址是在全局范围内使用的地址，必须进行层次划分及地址聚合。它的层次结构如下表所示：
其中：
FP001）：用于可聚合全局单播地址的格式前缀FP:Format Prefix）3比特）；
TLA ID：顶级聚合标识符Top-Level Aggregation Identifier）；
RES：为将来使用而保留；
NLA ID：次级聚合标识符Next-Level Aggregation Identifier）；
SLA ID：站点级聚合标识符Site-Level Aggregation Identifier）；
INTERFACE ID：接口标识符。
IPv6全局单播地址的分配方式如下：顶级地址聚合机构TLA即大的ISP或地址管理机构）获得大块地址，负责给次级地址聚合机构NLA中小规模ISP）分配地址，NLA给站点级地址聚合机构SLA子网）和网络用户分配地址。IPv6地址的层次性在DNS中通过地址链技术可以得到很好的支持。下面从DNS正向地址解析和反向地址解析两方面进行分析。
1．正向解析
IPv4的地址正向解析的资源记录是“A”记录。IPv6地址的正向解析目前有两种资源记录，即，“AAAA”和“A6”记录。其中，“AAAA”较早提出，它是对“A”记录的简单扩展。由于IP地址由32位扩展到128位，扩大了4倍，所以资源记录由“A”扩大成4个“A”。“AAAA”用来表示域名和IPv6地址的对应关系，并不支持地址的层次性。
“A6”在RFC2874中提出，它是把一个IPv6地址与多个“A6”记录建立联系，每个“A6”记录都只包含了IPv6地址的一部分，结合后拼装成一个完整的IPv6地址。“A6”记录支持一些“AAAA”所不具备的新特性，如地址聚合、地址更改Renumber）等。
首先，“A6”记录方式根据TLA、NLA和SLA的分配层次把128位的IPv6的地址分解成为若干级的地址前缀和地址后缀，构成了一个地址链。每个地址前缀和地址后缀都是地址链上的一环，一个完整的地址链组成一个IPv6地址。这种思想符合IPv6地址的层次结构，从而支持地址聚合。
其次，用户在改变ISP时，要随ISP的改变而改变其拥有的IPv6地址。如果手工修改用户子网中所有在DNS中注册的地址，是一件非常烦琐的事情。而在用“A6”记录表示的地址链中，只要改变地址前缀对应的ISP名字即可，这样大大减少了DNS中资源记录的修改，并且在地址分配层次中越靠近底层，所需要改动的越少。
2． 反向解析
IPv6反向解析的记录和IPv4一样，是“PTR”，但地址表示形式有两种。一种是用 “.”分隔的半字节16进制数字格式Nibble Format），低位地址在前，高位地址在后，域后缀是“IP6.INT.”。另一种是二进制串Bit-string）格式，以“\[”开头，16进制地址无分隔符，高位在前，低位在后）居中，地址后加“]”，域后缀是“IP6.ARPA.”。半字节16进制数字格式与“AAAA”对应，是对IPv4的简单扩展。二进制串格式与“A6”记录对应，地址也象“A6”一样，可以分成多级地址链表示，每一级的授权用“DNAME”记录。和“A6”一样，二进制串格式也支持地址层次特性。
五、IPv6中的即插即用与DNS
IPv6协议支持地址自动配置，这是一种即插即用的机制。IPv6支持无状态地址自动配置和有状态地址自动配置两种方式。
在无状态地址自动配置方式下，需要配置地址的网络接口先使用邻居发现机制获得一个链路本地地址。网络接口得到这个链路本地地址之后，再接受路由器宣告的地址前缀，结合接口标识得到一个全局地址。而有状态地址自动配置的方式，如DHCP(动态主机配置协议)，需要一个DHCP服务器，通过客户机/服务器模式从DHCP服务器处得到地址配置的信息。
IPv6节点通过地址自动配置得到IPv6地址和网关地址。但是，地址自动配置中不包括DNS服务器的自动配置，如何自动发现提供解析服务的DNS服务器也是一个需要解决的问题。正在研究的DNS服务器的自动发现的解决方法可以分为无状态和有状态两类。
在无状态的方式下，需要为子网内部的DNS服务器配置站点范围内的任播地址。要进行自动配置的节点以该任播地址为目的地址发送服务器发现请求，询问DNS服务器地址、域名和搜索路径等DNS信息。这个请求到达距离最近的DNS服务器，服务器根据请求，回答DNS服务器单播地址、域名和搜索路径等DNS信息。节点根据服务器的应答配置本机DNS信息，以后的DNS请求就直接用单播地址发送给DNS服务器。
在有状态的DNS服务器发现方式下，是通过类似DHCP这样的服务器把DNS服务器地址、域名和搜索路径等DNS信息告诉节点。当然，这样做需要额外的服务器。
六、 IPv6过渡阶段与DNS
在从IPv4到IPv6的过渡过程中，作为Internet基础架构的DNS服务也要支持这种网络协议的升级和转换。IPv4和IPv6的DNS记录格式等方面有所不同，为了实现IPv4网络和IPv6网络之间的DNS查询和响应，可以采用应用层网关DNS-ALG结合NAT－PT的方法，在IPv4和IPv6网络之间起到一个翻译的作用。例如，IPv4的地址域名映射使用“A”记录，而IPv6使用“AAAA”或“A6”记录。那么，IPv4的节点发送到IPv6网络的DNS查询请求是“A”记录，DNS-ALG就把“A”改写成“AAAA”，并发送给IPv6网络中的DNS服务器。当服务器的回答到达DNS-ALG时，DNS-ALG修改回答，把“AAAA”改为“A”，把IPv6地址改成DNS-ALG地址池中的IPv4转换地址，把这个IPv4转换地址和IPv6地址之间的映射关系通知NAT－PT，并把这个IPv4转换地址作为解析结果返回IPv4主机。IPv4主机就以这个IPv4转换地址作为目的地址与实际的IPv6主机通过NAT－PT通信。示意如下图。 对于采用双协议栈方式的过渡方法，在DNS服务器中同时存在“A”记录和“AAAA”或“A6”）记录。由于节点既可以处理IPv4协议，也可以处理IPv6协议，因此无需类似DNS-ALG的转换设备。无论DNS服务器回答“A”记录还是“AAAA”记录，都可以进行通信。
七、 总结
随着Internet技术的不断发展，IPv6已经离我们越来越近。DNS作为IPv4时代的网络基础服务，对Internet起着重要的作用。在即将到来的IPv6时代，新的协议和功能要求DNS不再是仅仅提供传统意义上的简单资源定位，而是一方面提供类似IPv4 DNS的基础功能，另一方面结合IPv6的新特性，和其他协议有机地结合在一起，提供新的功能，使网络的配置、维护、使用变得更加简单方便，让用户感觉到新技术带来的新体验。