對ＩＰｖ４／ＩＰｖ６過渡技術的分析與研究

摘要：該文對目前的三類IPv4/IPv6過渡技術進行了深入地分析，并在windows局域網環(huán)境上搭建了一個IPv4/IPv6過渡技術的測試平臺，在此平臺上對這三類過渡技術進行了進一步的研究。這對實現IPv4向IPv6的平滑過渡具有重要意義。

關鍵詞：IPv6；雙棧；網絡地址協議轉換；隧道

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)34-1885-02

Analysis and Research on Transition Technology from IPv4 to IPv6

LAN Ji-ming， ZHANG Hai-yan

(Sichuan University of Science Engineering， Zigong 643000， China)

Abstract: This paper analyzes three kinds of transition technology from IPv4 to IPv6 deeply， builds a testing platform for IPv4/IPv6 transition technology in the Windows LAN， and makes research on these technologies. This is very important to smooth transition from IPv4 to IPv6.

Key words: IPv6;dual stack;NAT-PT;tunnel

在20世紀90年代初，IETF（Internet Engineering Task Force）就開始著手對IP層進行研究，并在1996年發(fā)表的RFC1883-1887中正式闡述了IPv6的概念，試圖解決IPv4所面臨的局限性問題，并附加一些重要的功能。但是，在實際的應用中由于目前的Internet網絡是基于IPv4協議的，其中存在大量的IPv4主機及各種IPv4網絡設備，要想將IPv4徹底推倒，迅速完成從IPv4到IPv6的改造，這顯然是不現實的，也是違背計算機行業(yè)“向下兼容”、逐步過渡的規(guī)律的。因此，IPv4和IPv6將在一段時期內共存和交互，IPv4必須平滑、無縫、安全地向IPv6逐步過渡，這將是Internet未來發(fā)展的必然。

為此，對IPv4/IPv6過渡技術的研究就是眼下一件十分迫切的任務，這對將來Internet的發(fā)展具有十分重要的意義，對從事計算機網絡研究的人員來說，也是一個難得的機會。IETF下一代互聯網過渡工作組NGTrans己經提出了一些過渡策略和技術，概括起來可分為三類：同時支持兩種協議的雙協議棧技術、采用IP數據報封裝的隧道技術和透明轉換技術(包括數據報頭轉換和協議轉換)[1]。下面，本文就將對這三類IPv4/IPv6過渡技術進行深入地比較與分析。

1 IPv4向IPv6過渡的三類技術

1.1 雙棧技術(Dual Stack，also known as Dual IP layer)

“雙?！笔侵竼蝹€結點同時支持IPv4和IPv6兩種協議棧，這樣的結點既可以基于IPv4協議直接與IPv4結點通信，也可以基于IPv6協議直接與IPv6結點通信，因此它可以作為IPv4網絡和IPv6網絡之間的銜接點，這樣的結點也被稱為IPv6/IPv4結點。IPv6/IPv4結點通常是采用一種雙IP層結構來實現的[2]，如圖1所示。

但在實際應用中這種雙IP層結構可能會有所變形。比如，在Windows XP和Windows Server 2003系列中的IPv6協議并沒有照搬這種雙IP層結構。它們是在IPv6協議的驅動程序（tcpip6.sys，此文件位于\\WINDOWS\\system32\\drivers目錄下）中分別包含了TCP和UDP協議的不同實現方案，這通常稱為雙棧結構，如圖2所示。

采用雙棧技術的網絡不存在互通問題，具有一定的方便性。但這需要給每一個IPv6 結點分配一個IPv4地址，這就又將面臨IPv4地址資源緊張的問題；另外，每個IPv6/IPv4結點都要同時運行IPv4和IPv6兩種協議棧，同時保存兩套命令集，同時計算、維護與存儲兩套表項，對網關設備而言還需要對兩種協議棧進行報文轉換和封裝，這無疑又增加了每個結點的負擔，對這些結點的性能產生更高的要求；還有，在采用雙棧技術的網絡中DNS服務器必須要支持主機域名與IPv6地址的映射[3]。采用雙棧技術組建的網絡示意圖如圖3所示?；谏鲜龇治鑫覀儾浑y得知，雙棧技術僅適合于IPv4向IPv6過渡的初期或者后期，在IPv6或者IPv4的小型孤島上組建網絡。

需要指出的是：雙棧技術適合于IPv6/IPv4結點與IPv6結點或IPv4結點之間，以及所有IPv6/IPv4結點之間的相互通信，但并不適合于在IPv6-Only和IPv4-Only結點之間的通信。要實現IPv6-Only和IPv4-Only結點之間的相互通信，還必須結合IPv4/IPv6 地址和協議轉換技術。雙棧技術是處理IPv4/IPv6過渡問題最廣泛和最簡單的方式，也是其他過渡技術的基礎。

1.2 轉換技術

轉換技術有多種層次的實現，包括網絡層的SIIT、NAT-PT和BIS，傳輸層的TRT、BIA和SOCKS64，應用層的ALG。其中，NAT-PT（Network Address Translation and Protocol Translation）是一種在IPv4-Only和IPv6-Only結點之間實現互通的技術，比較常用。

NAT-PT技術有靜態(tài)和動態(tài)之分。靜態(tài)NAT-PT技術是在NAT-PT網關靜態(tài)配置IPv6和IPv4地址的綁定關系。當IPv4主機和IPv6主機之間互通報文時，NAT-PT網關根據靜態(tài)配置的綁定關系進行轉換，且任何一側主機都可以主動向另一側發(fā)起連接。這種技術原理簡單，適合永久在線或需要提供穩(wěn)定連接的應用場合。但是當有很多主機需要轉換時，這種靜態(tài)的配置和維護工作就顯得過于復雜，而且會消耗很多的IPv4地址，所以這不適合在大規(guī)模的網絡中使用。

動態(tài)NAT-PT技術則采用動態(tài)地址映射和上層協議映射的方法，使大量的IPv6地址可以通過很少的IPv4地址進行轉換，這就不會消耗大量的IPv4地址。采用動態(tài)NAT-PT技術的網關路由器會向IPv6域中發(fā)布一個路由前綴PREFIX：：/96，凡是具有該前綴的IPv6包都被送往網關路由器。網關路由器為了支持NAT-PT功能，還具有IPv4地址池，在從IPv6向IPv4網絡中轉發(fā)包時使用，也可以通過端口復用的方式使多個IPv6用戶共用一個IPv4臨時地址。

在采用動態(tài)NAT-PT技術的網絡中，若連接首先從IPv4端發(fā)起，則IPv4端無法知道IPv6端隨機映射后的IPv4地址或上層協議端口，連接將失敗。為了解決這個問題，通常采用ALG（Application Level Gateway）技術配合動態(tài)NAT-PT技術來進行。ALG包括DNS-ALG，FTP-ALG，SIP-ALG等多種應用，這里僅以DNS-ALG技術為例。圖4舉例說明了動態(tài)NAT-PT技術與DNS-ALG技術的工作過程，由IPv4-Only結點PCB發(fā)出訪問www.a1.com結點開始，經歷6步以后完成PCB與PCA的通信。

NAT-PT技術不需要對原IPv4用戶終端進行升級改造，只需要在僅使用IPv4協議或僅使用IPv6協議的網絡中提供一個或多個特殊的DNS服務器作“IP偽裝”，同時提供一個或多個雙棧的服務器做NAT-PT網關，即可以實現NAT-PT的功能，完成包括地址、協議在內的所有轉換工作，從而使IPv4-Only和IPv6-Only之間能透明通信。NAT-PT還可擴展成NAPT-PT（Network Address Port Translation - Protocol Translation），NAPT-PT在地址轉換時包含了端口的轉換，這點同目前IPv4下的NAT沒有本質區(qū)別，這可以避免因NAT-PT地址池用完時IPv6與IPv4網絡不能通信的問題。

需要指出的是，這項技術在應用上有一些限制，首先在拓撲結構上要求一次會話中所有報文的轉換都在同一個路由器上；其次一些協議字段在轉換時不能完全保持原有的含義；另外協議轉換方法缺乏端到端的安全性。

1.3 隧道技術(Tunnel)

在IPv4/IPv6過渡的初期，也就是在IPv6網絡流行于全球之前，總會有些網絡首先采用IPv6協議，而這些網絡就像是IPv4海洋中的一些小島，我們希望如果能在IPv4的“海底”建立一條“隧道”實現這些“小島”之間的連接，那么這些IPv6小島就可以跨越IPv4海洋實現彼此之間的通信，這就是隧道技術。

隧道的端點可以是主機或者路由器，但都必須是雙協議棧的結點，它們連接兩種網絡，進行報文的封裝與拆封。在隧道入口處，入口端點將IPv6報文封裝到IPv4報文中，IPv4報文的源地址和目的地址分別是隧道入口和出口的IPv4地址。封裝后的IPv4報文將通過IPv4的路由器進行傳輸，報頭的協議域設置為41，指示這個報文的負載是一個IPv6的報文。在隧道的出口處，出口端點對IPv4報文進行拆封，將IPv6報文取出來，轉發(fā)給目的站點。由于隧道技術只要求在隧道的入口和出口端對報文進行修改，在其他地方沒有什么要求，所以這種技術是很容易實現的。圖5是隧道技術實現的基本原理。

在實際的應用中，根據封裝和拆封操作發(fā)生位置的不同，以及隧道配置方式的不同，隧道技術可以被分為若干種類[4-5]。但是，不管采用哪種隧道技術，最終發(fā)出的報文的封裝是一樣的，即使隧道兩端分別采用不同的配置方式（如一端采用Configured Tunnel配置，另一端采用Auto-Configured Tunnel配置），只要參數不出錯，它們都是可以互相通信的。

實際上，隧道技術不僅適合于過渡的初期，通過建立IPv6 over IPv4隧道實現將IPv4海洋中的兩個IPv6孤島連接起來，也適合于過渡的后期，類似地建立起IPv4 over IPv6隧道，從而將IPv6海洋中的IPv4孤島連接起來。

2 IPv4/IPv6過渡技術的選擇

關于IPv4如何向IPv6過渡的問題，IPv6協議的設計者們在最初的“IPng協議建議”中定義了以下幾條過渡原則：1) 逐步演進；2) 逐步部署；3) 地址兼容；4) 降低費用[6]。這是衡量已有過渡技術和進行過渡技術研究的一個總體原則。

另外，目前提出的所有過渡技術都是針對某一種或幾種具體的網絡情況提出的，都不是普遍通用的技術，而且這些技術也往往不是獨立使用的，需要相互結合，互為補充。在實際的網絡應用中，我們既要深刻地理解這些過渡技術，也要透徹地把握所要應用的環(huán)境，合適地選擇一種或幾種過渡技術，特別是要事先明確應用的類型、范圍、功能等情況。根據網絡環(huán)境的變化和具體情況，有時也需要對已有的過渡技術進行改進和更新，甚至要另辟蹊徑，尋找新的方式方法[7]。（下轉第1896頁）

（上接第1886頁）

3 IPv4/IPv6過渡技術的實驗[8]

為了實現對IPv4/IPv6過渡技術的測試和研究，在實驗室的局域網中自行設計并實現了IPv4/IPv6過渡技術的測試平臺。該平臺在VC++6.0集成開發(fā)環(huán)境下利用Socket編程實現。它可以利用IPv4地址或者IPv6地址分別進行TCP或UDP連接，在連接完成后可以在連接對端之間互相傳送消息或文件。對于UDP連接，采用了異步模式來接收傳送過來的消息，而對于TCP連接，則可以支持一臺服務器和多臺客戶機進行連接，同時在狀態(tài)框中顯示連接的建立過程和對端傳送的消息，對程序的運行有著準確的把握。

另外，對于已經加入了中國教育科研網（CERNET）IPv6實驗床的實驗室，可以通過CERNET所提供的隧道代理(Tunnel Broker)系統(tǒng)，連入IPv6網絡世界，享受IPv6網絡服務。

4 結束語

以上分析研究的幾種過渡技術都是針對不同的情況提出來的有效方案，從理論上講都是比較成熟的，但是在實際的應用中，并非一帆風順。IPv4網絡要完全地過渡到IPv6網絡是一個漫長的過程，這個過程究竟要歷時多久，并不完全取決于這些過渡技術的有效性問題，而在很大程度上將取決于Internet用戶和管理者采用這些技術的動力。如果這些技術是經濟實惠、簡便易行的，那必然會有一種強大的吸引力促使Internet用戶和管理者向著功能更加強大和豐富的IPv6網絡迅速過渡。然而，目前的這些過渡技術對用戶并不“友好”，往往需要比較復雜和專業(yè)的配置，對ISP來說也不夠經濟合算，這也正是這些年來IPv4/IPv6過渡進程緩慢的主要原因之一。缺少廣大Internet用戶的強大推動力，IPv4/IPv6的過渡將是寸步難行的。所以，對于IPv4/IPv6過渡技術的研究并未結束，經濟實惠、簡便易行、功能豐富將是今后繼續(xù)努力的方向。

參考文獻：

[1] IETF:Internet Engineering Task Force[EB/OL].http://www.ietf.org.

[2] E.Nordmark，R.Gilligan，Basic Transition Mechanisms for IPv6 Hosts and Routers[R].RFC 4213，October 2005.

[3] S. Thomson，C. Huitema，V. Ksinant，M. Souissi，DNS Extensions to Support IP Version 6[R].RFC3596，October 2003.

[4] 李振強，趙曉宇，馬嚴，IPv6技術揭秘[M].北京:人民郵電出版社，2006.

[5] 沈慶偉，張霖.基于隧道的IPv4/ IPv6過渡技術分析[J].計算機技術與發(fā)展，2007，7(5).

[6] Bradner S，Mankin A.The Recommendation for the IP Next Generation Protocol[R].RFC1752，January 1995.

[7] 姬同亮，李玲娟， IP v4向IPv6過渡技術研究[J]，江蘇通信技術，2006，22(6).

[8] 李潤知，趙紅領，譚同德.IPv6-IPv4隧道技術的研究及互連方案實現[J].鄭州大學學報:工學版，2007，28(3).