研究IPv4向IPv6过渡的技术及过程

1　IPv6与IPv4互通技术出现的背景及现状

随着Internet的日益膨胀，现有的IPv4地址已经十分紧缺，虽然使用分配临时IPv4地址或网络地址翻译（NAT）等地址使用技术，在一定程度上缓解了IPv4地址不足的状况，但同时也增加了地址解析和处理方面的开销，导致某些高层应用失效，而且仍然无法回避IPv4地址即将被分配殆尽这个问题。采用长度为128 b IP地址的IPv6协议，彻底解决了IPv4地址不足的难题，并且在地址容量、安全性、网络管理、移动性以及服务质量等方面有明显的改进，是下一代互联网络协议采用的核心标准之一。IPv6与IPv4不兼容，但他同所有其他的TCP／IP协议族中的协议兼容，即IPv6完全可以取代IPv4。

在IPv6成为主流协议之前，首先使用IPv6协议栈的网络希望能与当前仍被IPv4支撑着的Internet进行正常通信，因此必须开发出IPv4／IPv6互通技术以保证IPv4能够平稳过渡到IPv6。此外，互通技术应该对信息传递做到高效无缝。国际上IETF组建了专门的NGTRANS工作组开展对于IPv4／IPv6过渡问题和高效无缝互通问题的研究。目前已经出现了多种过渡技术和互通方案，这些技术各有特点，用于解决不同过渡时期、不同环境的通信问题，有些已经相当成熟并形成了RFC，有些还只是作为 Internet draft有待完善。

2　IPv6与IPv4互通的3种基本技术

目前解决过渡问题的基本技术主要有3种：双协议栈（RFC2893 obsolete RFC1933），隧道技术（RFC2893），NAT-PT(RFC2766)。

2．1　双协议栈（DualStack）

双协议栈技术是使IPv6节点与IPv4节点兼容的最直接方式，应用对象是主机、路由器等通信节点。支持双协议栈的IPv6节点与IPv6节点互通时使用IPv6协议栈，与IPv4节点互通时借助于4over6使用IPv4协议栈。IPv6节点访问IPv4节点时，先向双栈服务器申请一个临时IPv4地址，同时从双栈服务器得到网关路由器的TEP（TunnelEndPoint）IPv6地址。IPv6节点在此基础上形成一个4 over 6的IP包，4 over 6包经过IPv6网传到网关路由器，网关路由器将其IPv6头去掉，将IPv4包通过IPv4网络送往IPv4节点。网关路由器要记住IPv6源地址与IPv4临时地址的对应关系，以便反方向将IPv4节点发来的IP包转发到IPv6节点。采用双协议栈方式互通时的系统如图1所示。

这种方式对IPv4和IPv6提供了完全的兼容，但由于需要双路由基础设施，增加了网络的复杂度，依然无法解决IP地址耗尽的问题。

2．2　隧道技术（Tunnel）

隧道技术提供了一种以现有IPv4路由体系来传递IPv6数据的方法：将IPv6包作为无结构意义的数据，封装在IPv4包中，被IPv4网络传输。根据建立方式的不同，隧道技术可分为手工配置隧道和自动配置隧道两类。隧道技术巧妙地利用了现有的IPv4网络，他的意义在于提供了一种使IPv6的节点间能够在过渡期间通信的方法，但他不能解决IPv6节点与IPv4节点间互通的问题。

2.3　NAT-PT

NAT-PT是一种纯IPv6节点和IPv4节点间的互通方式，所有包括地址、协议在内的转换工作都由网络设备来完成。支持NAT-PT的网关路由器应具有IPv4地址池，在从IPv6向IPv4域中转发包时使用。此外网关路由器支持DNS-ALG(DNS,应用层网关），在IPv6节点访问IPv4节点时发挥作用。采用NAT-PT方式互通时的系统构成如图2所示。

NAT-PT方式的优点是不需要进行IPv4，IPv6节点的升级改造，缺点是IPv4节点访问IPv6节点的实现方法比较复杂，网络设备进行协议转换、地址转换的处理开销较大，一般在其他互通方式无法使用的情况下使用。

3　过渡期间IPv6和IPv4互通的解决方案

过渡初期，Internet将由运行IPv4的“海洋”和运行IPv6的“小岛”组成，随着时间的推移，IPv4“海洋”将逐渐变小，而IPv6“小岛”将越来越多，最终彻底取代IPv4。在过渡期要解决的互通问题可分成2大类：第一类是解决IPv6“小岛”间的互通问题；第二类则解决IPv6“小岛”与IPv4“海洋”间互通的问题。

3．1　IPv6“小岛”之间的互通方式

（1）手工配置隧道（Configured Tunnel）

这种隧道是手工配置建立的，隧道的端点地址由配置决定，不需要为节点分配特殊的IPv6地址，适用于经常通信的IPv6节点之间使用。每个隧道的封装节点必须保存隧道终点地址，当IPv6包在隧道上传输时，终点地址会作为IPv4包的目的地址进行封装。通常封装节点要根据路由信息决定这个包是否通过隧道转发。采用手工配置隧道方式进行互通的节点间必须有可用的IPv4连接，并且至少要具有一个全球惟一的IPv4地址，每个节点都要支持IPv6，路由器需要支持双协议栈，在隧道要经过NAT设施的情况下该机制失效。

（2）自动配置隧道(Auto-configured Tunnel）

这种隧道的建立和拆除是动态的，其端点根据分组的目的地址确定，适用于不经常通信的节点间使用。自动配置隧道需要节点采用IPv4兼容的IPv6地址（IPv4ADDR：：／96），这些节点间必须有可用的IPv4连接，采用这种机制的节点需要有一个全球惟一的IPv4地址。采用这种机制不能解决IPv4地址空间耗尽的问题，并且如果把Internet上全部IPv4路由表包括到IPv6网络中，将会加剧路由表的膨胀。这种隧道的两个端点都必须支持双协议栈，在隧道要经过NAT设施的情况下该机制失效。

（3）TunnelBroker

TunnelBroker是一种方便构造隧道的机制，可以简化隧道的配置过程，适用于单个主机获取IPv6连接的情况。TunnelBroker要求隧道的双方都支持双协议栈并有可用的IPv4连接，在隧道要经过NAT设施的情况下该机制失效。TB转换机制包括TunnelServer（TS）和TunnelBroker（TB），Server和Boker位于不同的主机上，隧道的控制通常是web形式的。

（4）6 over 4，IPv4多播隧道

6 over 4是一种自动建立隧道的机制，采用前提是IPv4网络基础设施支持IPv4多播。该机制适用于IPv6路由器上无直接物理链路连接的孤立IPv6主机，使得他们能够将IPv4广播域作为他们的虚拟链路，成为功能完全的IPv6节点。采用这种方法连接的IPv6节点不需要IPv4兼容地址和手工配置隧道。当采用6 over 4的节点通过一台支持6 over 4的路由器与外界相连时，节点内的主机可以和外部IPv6节点通信，但6 over4没有解决孤立的IPv6节点连接到全球性IPv6 Internet的问题。

（5）6 to 4

6 to 4要求采用自动从节点的IPv4地址派生出的特殊IPv6地址（IPv4ADDR：：／48），所以采用6 to 4机制的节点必须至少具有一个全球惟一的IPv4地址。由于隧道端点的IPv4地址可以从IPv6地址中提取，所以隧道是自动建立的，这种机制适用于运行IPv6的节点之间的互通。6to 4要求隧道中路由器支持双协议栈和6 to 4，主机至少支持IPv6协议栈。6 to 4机制允许在采用6 to 4的IPv6节点和纯IPv6节点之间通过运行BGP4＋的中继路由器（6to 4 Relay Router）进行互通。这种机制把广域的IPv4网络作为一个单播的点到点链路层，适合作为IPv4／IPv6共存的初始阶段的转换工具。

3．2　IPv6“小岛”与IPv4“海洋”之间的互通方式

（1）DualStack Model23

在这种模型下任意节点都是完全双协议栈的，不存在IPv4与IPv6之间的互通问题，但是这种机制要给每一个IPv6的节点分配一个IPv4地址。这种方法不能缓解IPv4地址资源不足的问题，而且随着IPv6节点的增加会很难得到满足。

（2）SIIT（Stateless IP／ICMPTranslation）

SIIT定义了在IPv4和IPv6的分组报头之间进行翻译的方法，这种机制可以和其他机制（如NAT-PT结合用于纯IPv6节点同纯IPv4节点间的互通，但在采用网络层加密和数据完整性保护的环境下这种技术失效。

（3）NAT-PT(Network Address Translation- ProtocolTranslation）

NAT-PT就是在做IPv4／IPv6地址转换（NAT）的同时在IPv4分组和IPv6分组之间进行报头和语义的翻译（PT），适用于纯IPv4节点和纯IPv6节点之间的互通。对于一些内嵌地址信息的高层协议（如FTP),NAT-PT需 要和应用层的网关协作来完成翻译。在实现方面，如果没有DNS-ALG的支持，只能实现由IPv6发起的与IPv4之间的通信，反之，包就会被丢弃；如果有DNS-ALG的支持，就可以实现双向的通信。

除了上述3种互通方式，IPv6“小岛”与IPv4“海洋”间还可以通过BIS，BIA，SOCKS64，TRT，ALG等方式进行互通。

4　IPv4向IPv6平稳过渡技术的发展形式

从前面总结的过渡机制可以看出，每种机制都不是普遍适用的，都只适用于某一种或几种特定的网络情况，而且常常需要和其他技术组合使用。在实际应用时要综合考虑各种实际情况制定合适的过渡策略。 在IPv4向IPv6过渡时期，通常应采用如下的组网原则：

（1）在能直接建立IPv6链路的情况下使用纯IPv6路由。

（2）在不能使用IPv6链路的情况下，IPv6节点之间使用隧道技术。

（3）双协议栈的IPv6／IPv4节点和纯IPv6节点或者纯IPv4的节点通信不需要采用协议转换，而直接“自动”选择相应的通信协议（IPv4或者IPv6）。

（4）对于纯IPv6节点和纯IPv4节点之间的互通，则应该使用协议转换（NAT-PT）或者应用层网关（ALG）技术，设计的协议转换器或者ALG应该尽量保证在不修改原有应用的情况下就可以使用。

相应于上述组网原则，我们认为IPv4向IPv6过渡采用 分阶段演进是最为可行的方式，概括起来有以下4个阶段：

第一阶段，IPv4“海洋”中开始有越来越多的IPv6“小岛”。这时，必然需要各种适当的过渡机制，可供选择的机制主