IPv6過渡技術場景分析

摘要：分析了當前比較成熟的隧道和翻譯過渡技術，主要包括主干網隧道過渡技術、接入網隧道過渡技術、接入網翻譯過渡技術。針對過渡場景及其解決方案各不相同，認為在過渡過程中應當充分考慮網絡的特征與現狀。以主干網和接入網為主線，給出了各場景適用的技術方案，包括主干網的IPv6過渡場景、接入網的IPv6過渡場景、互聯網內容提供商過渡場景。

關鍵詞： 下一代互聯網；過渡技術；過渡場景

Abstract： In this paper， we discuss more mature IPv6 transition technologies related to the backbone tunnel， access network tunnel， and access network translation. We suggest that it is necessary to consider the characteristics and status quo of the network in the transition process. We analyze the technology applicable to a backbone IPv6 transition scenario， an access network IPv6 transition scenario， and an Internet content provider transition scenario.

Key words： next generation Internet； transition technology； transition scenarios

1 IPv6過渡技術的背景

IPv4互聯網已在全球范圍取得了巨大的成功，但隨著互聯網規模的持續增長，IPv4地址資源日益短缺。采用私有IP地址的網絡地址轉換（NAT）技術雖然可以緩解地址短缺壓力，但是破壞了互聯網端到端特性，影響了許多互聯網應用的推廣。IPv6具有地址空間巨大、改進了地址格式和路由匯聚特性等諸多優點，是下一代互聯網中取代IPv4的最佳選擇。然而IPv6與IPv4不兼容，因而在IPv4向IPv6過渡時期，IPv4與IPv6網絡共存，帶來了IPv4/IPv6互聯與穿越等基本需求，產生了異構路由、地址映射、狀態維護與可擴展性等問題。如何平穩實現互聯網向IPv6過渡，已經成為全球下一代互聯網發展的重大技術挑戰之一。

針對IPv6過渡問題，目前國際上提出了許多過渡方案。這些技術方案針對不同的網絡場景、用戶的需求和過渡階段提出，其技術思想也不盡相同。過渡技術從整體上可以劃分為雙棧技術、隧道技術和翻譯技術。雙棧過渡技術需要節點上并行維護IPv4和IPv6協議棧，代價高，不能解決IPv4地址耗竭的問題，因此對隧道和翻譯過渡技術的研究在互聯網工程任務組已經成為了重點和熱點。

隧道技術通過對報文的封裝、解封裝，使得兩個同構網絡能夠在一個異構網絡的兩邊橋接起來從而實現相互通信。通過隧道技術使底層承載網絡保持單棧，僅將隧道端點的地址簇邊界路由器升級成雙棧，即可實現數據報文跨異構網絡的透傳。隧道技術具有保持端到端特性，對終端上層應用透明，對底層網絡獨立的優勢。早期的隧道方案包括手工配置隧道、6to4[1]、6PE[2]、ISATAP[3]、Teredo[4]等。近年來，IETF Softwire工作組針對主干網和接入網研究并制訂了一系列的隧道過渡標準。

翻譯技術是指將IP數據包在IPv4和IPv6兩種協議簇之間的轉換，其可以分為有狀態和無狀態兩種。有狀態翻譯是指在翻譯設備中需要保存動態信息或是在接收轉發報文時需要新建或者修改翻譯設備中的數據結構，反之，如果都不需要則稱為無狀態翻譯。翻譯技術能夠直接、高效地實現IPv4/IPv6的互通。早期的翻譯技術包括SIIT[5]、NAT-PT[6]等，目前翻譯相關標準的制訂主要在behave工作組進行。現階段比較成熟的翻譯技術包括NAT64[7]、IVI[8]等。由于翻譯技術本身的限制以及IPv6地址空間遠大于IPv4地址空間等因素，這些翻譯技術對過渡場景的適用有著一定的局限性。

2 主干網隧道過渡技術

6to4用于解決IPv6孤島穿越IPv4網絡實現相互通信，以及與IPv6 Internet通信。這是通過6to4邊界路由器（連接IPv6子網和IPv4網絡）采用無狀態自動隧道實現。6to4將固定前綴2002：：/16劃分成多個IPv6網絡前綴，而這些網絡前綴在中繼處無法聚合，將極大地擴張路由器路由表規模，從而帶來IPv6可擴展性問題。

網狀軟線Softwire Mesh[9-11]采用的也是一種網狀穿越場景下路由器到路由器的隧道機制，它應用的場景是內部IP（I-IP）主干網下外部IP（E-IP）客戶網間的互聯，包括IPv4承載IPv6（IPv4-over-IPv6）和IPv6承載IPv4（IPv6-over-IPv4）兩類場景。Softwire Mesh通過擴展MP-BGP協議，將E-IP目的前綴與I-IP封裝目的地址形成映射，實現跨異構網絡路由信息傳遞。映射表的大小不會超過E-IP轉發表，所以查表時間在可以接受的范圍之內。網狀軟線保持了4/6獨立編址，具有良好的可擴展性，可適用于大規模網絡；支持多種隧道類型，包括IP-IP、GRE、MPLS、L2TP、IPsec等；通過擴展邊界網關協議（BGP）提供了通用的信令機制支持；為主干網的過渡提供了重要的解決方案。

3 接入網隧道過渡技術

6RD[12-13]技術面向IPv6網絡穿越IPv4接入網與IPv6互聯網通信的場景，將6to4隧道應用到星型IPv6-over-IPv4場景中。6RD采用無狀態封裝，并且在6to4技術的基礎上擴展，使用因特網業務提供商（ISP）實際可變前綴（NSP），按照NSP+{IPv4}：：/的格式組成IPv6前綴，再生成IPv6地址。6RD具有無狀態和簡單的特性，但由于IPv6地址與IPv4地址耦合，6RD同樣存在IPv6可擴展性的問題。

近年來，IPv6接入網逐漸增多，但用戶和應用仍大量留在IPv4中。由于IPv6接入網中的IPv4應用或終端仍需要訪問IPv4互聯網，IPv4-over-IPv6場景逐漸增多。為緩解IPv4地址緊缺的壓力，該場景下增加了IPv4地址共享的考慮。基于地址共享方式和有無狀態維護兩個維度，IETF提出3類IPv4-over-IPv6過渡方案[14]。

Dual-Stack Lite[15]方案采用運營商級別的網絡地址轉換（CGN）和有狀態封裝技術。在該機制中公有地址在CGN處集中控制，本地網絡需要使用私有IPv4地址，而隧道匯聚點即CGN負責將封裝在IPv6中的IPv4報文解封裝并進行NAT轉換。該方案能有效地緩解IPv4地址不足的問題，但處于較高位置的NAT會帶來狀態維護上的巨大開銷，并且由于NAT的阻隔，外部網絡無法主動發起對IPv6域內IPv4主機的訪問。

4over6機制將公有地址的分配、共享和有狀態封裝有機地結合起來。Public 4over6[16]方案通過DHCPv4-over-IPv6技術跨越IPv6接入網動態地分配完整的公有IPv4地址[17]。用戶獲取公有地址后可以直接將IPv4報文經4over6隧道發送到運營商側的隧道匯聚點，由匯聚點進行解封裝和IPv4轉發。由于該機制用戶側無NAT，因此支持外部網絡對域內主機或服務器的訪問。

4over6機制的狀態維護從每流的規模降到每用戶的規模，從而減輕隧道匯聚點的性能壓力；將公有地址下放至用戶側，可以保持端到端的特性；沒有應用層翻譯的問題，并且可以保持通信的雙向透明性[18]。

為了進一步提高IPv4地址的復用率，Public 4over6的擴展方案lightweight 4over6[19]方案可以根據實際需求分配適當的端口范圍，通過劃分端口段的方式來共享提高IPv4地址利用率。

IPv4-over-IPv6的第三類解決方案是4RD[20]和MAP-E[21]，采用的是包含地址共享的無狀態封裝方式。支持該類方案將IPv4地址和端口段信息內嵌入IPv6地址，通過IPv4/IPv6地址映射算法[22]實現雙向地址解析。通過計算獲取的地址進行路由和封裝/解封裝。通過將IPv4與IPv6地址進行結合，該機制實現了無狀態維護，這使得該類方案在狀態維護上優于DS-Lite和4over6方案。然而，IPv4地址與IPv6地址的耦合性將會給IPv4/IPv6網絡的規劃和運行帶來較大的限制。

4 接入網翻譯過渡技術

接入網翻譯技術主要包括有狀態和無狀態翻譯。NAT64采用有狀態翻譯方式，明確了IPv4主機地址映射到IPv6時使用固定前綴64：FF9B：：/96。NAT64細化了DNS尋址的方法，將DNS翻譯的功能獨立為DNS64設備。NAT64方案的適用場景包括IPv6網絡訪問IPv4互聯網、IPv6互聯網訪問IPv4網絡、IPv6網絡訪問IPv4網絡。狀態維護的特性決定了它不可能適用于IPv6互聯網訪問IPv4互聯網的訪問場景。而對IPv4訪問IPv6的4種場景，現有的一些機制并不可行。

IVI機制為無狀態翻譯技術采用網絡專用的可變前綴（NSP），用NSP+IPv4地址+后綴的形式組建IPv6地址。IVI機制的路由可擴展和尋址問題都得到了解決，同時具有高性能、支持雙向無狀態通信的優點，適用于IPv6網絡與IPv4網絡互通的場景。然而IVI機制本身仍需要消耗IPv6用戶量級的IPv4地址，因此其并不適合大規模部署。對此IVI又給出了支持IPv4地址復用的擴展方案，每個用戶只占用1個IPv4地址的部分端口空間。這就需要主機端或用戶終端設備（CPE）端進行相應的端口映射。

5 場景分析與適用技術方案

IPv6過渡符合下一代互聯網的發展方向，但過渡場景及其解決方案各不相同，在過渡過程中應當充分考慮網絡的特征與現狀。本文以主干網和接入網為主線，對各種IPv4/IPv6過渡的場景進行描述和分析，供ISP和ICP進行實際的決策和部署時作參考。

5.1 主干網的IPv6過渡場景

主干網向上連接為自己提供傳輸服務的上級供應商網絡，向下可連接各個邊緣網絡，同時主干網還與同級的其他主干網相連[23]。主干網基本過渡場景如圖1所示。主干網的主要任務是提供IPv4和IPv6的接入和傳輸服務，無論是IPv4分組還是IPv6分組都能夠通過所接入的主干網轉發到正確的目的地。為達到這一目的，可以將主干網升級成雙棧，但是開銷巨大；對于單棧的主干網，則需要借助過渡技術來同時提供IPv4和IPv6的傳輸服務。

主干網的過渡場景主要包括IPv6客戶網穿越IPv4主干網與IPv6 Internet互通和IPv4客戶網穿越IPv6主干網與IPv4 Internet互通兩類。現有的一些IPv4主干網可能需要提供IPv6傳輸服務，出現IPv6-over-IPv4過渡場景，此時可以只將主干網邊界路由器升級成雙棧，而核心路由器仍保持IPv4單棧，使用6to4或Softwire Mesh技術等來提供IPv6傳輸服務。

隨著下一代互聯網的發展，純IPv6主干網逐漸建成。但是IPv4客戶網以及IPv4 Internet仍會長期存在，為促進IPv6主干網的利用率，IPv4-over-IPv6過渡場景越來越多，可以利用Softwire Mesh技術使IPv6主干網能夠提供IPv4的傳輸服務。這樣可以將IPv4流量引入到IPv6主干網中，減輕IPv4網絡的負擔，并逐漸取代IPv4網絡，也可以積累較多的IPv6運營經驗。

5.2 接入網的IPv6過渡場景

接入網一方面向下為用戶側設備提供接入，另一方面向上接入Internet。在過渡時期，接入網需要為各種終端用戶設備和服務器設備提供IPv4和IPv6接入服務。接入網的基本場景如圖2所示。接入網絡的用戶可以是直接以與接入網相同地址協議簇形式接入，也可能是用戶側設備（CPE）接入網絡并且在其后連接了不同地址協議簇的主機；在接入網絡另一側的接入網邊界路由器（BR）接入Internet。若接入網為雙棧，則可以利用已有的IPv4和IPv6同時為用戶提供雙棧的接入環境。但是采用雙棧開銷巨大，而且并沒有解決IPv4地址緊缺的問題，因此在過渡時期通過單棧的接入網結合過渡技術為用戶提供IPv4和IPv6服務。

由于IPv4地址的耗竭以及中國國家的大力推動，IPv6接入網將逐漸建成。在此IPv6接入網中的用戶會有與IPv4或IPv6 Internet交互的需求。用戶設備可以直接以IPv6接入IPv6接入網，此時可以正常的與IPv6 Internet通信；但是訪問IPv4 Internet時，出現異構網絡直連的過渡場景。IPv6應用訪問IPv4 Internet場景如圖3所示。此時需要IVI或NAT64等翻譯技術來實現。

IPv6接入網中的用戶也可能使用IPv4應用或者一部分IPv4用戶通過CPE接入IPv6網絡。若用戶訪問IPv4 Internet則會出現如圖4所示的IPv4-over-IPv6過渡場景。此時可以借助Public 4over6、Lightweight 4over6等隧道解決方案，用戶設備（CPE或直連設備）作為隧道的發起點（TI），接入網另一側的BR設備作為隧道的匯聚點（TC）。用戶的IPv4分組在TI上根據具體方案進行封裝，TI再將封裝好的分組通過IPv6接口發往TC，TC收到此分組后進行解封裝發往IPv4 Internet。另外，該場景下可以使用MAP-E無狀態隧道技術或者是兩次翻譯方案。

若IPv6資源的豐富，而IPv6接入網中某些終端的上層應用由于技術等原因仍然使用的是IPv4，則會產生IPv4應用與IPv6 Internet進行通信的場景，如圖5所示。在這種場景下需要進行用戶側的翻譯。根據翻譯點的不同所使用的翻譯技術也有所不同。如果是直連設備，則翻譯點就在直連設備上。此時可以使用主機側翻譯技術[24]；如果是CPE設備所連接的IPv4主機上的IPv4應用希望與IPv6 Internet通信，那么翻譯點就在CPE上。

現有的已建設的接入網一般是IPv4單棧，出現的過渡場景與IPv6接入網的恰好相反。在此IPv4接入網中的用戶會有與IPv6和IPv4 Internet交互的需求。用戶設備可以直接以IPv4接入IPv4接入網，此時可以正常地與IPv4 Internet通信，但是訪問IPv6 Internet時，會出現異構網絡直連的過渡場景，此時可以采用IVI等翻譯技術來實現。IPv4接入網中的用戶也可能使用IPv6應用或者一部分用戶使用IPv6通過CPE接入IPv4網絡，此時用戶若訪問IPv4 Internet則會出現異構網絡直連的過渡場景，可以借助IVI等翻譯技術來實現，但是并不提倡這種在全網都是IPv4的情況下只將終端或應用升級成IPv6的場景；若用戶訪問IPv6 Internet則會出現IPv4-over-IPv6過渡場景，此時可以借助6rd等隧道過渡技術來實現互訪。

5.3 互聯網內容提供商過渡場景

對于互聯網內容提供商（ICP）而言需要為Internet提供服務，并且由于ICP的服務系統構架升級相對普通用戶要困難得多，需要對其進行單獨討論。首先單棧接入網絡應當為ICP提供雙棧傳輸能力，使得ICP既可以提供IPv4的服務又可以提供IPv6的服務。單棧接入網使用隧道技術為ICP提供雙棧環境如圖6所示。假設ICP接入的是IPvX單棧網絡，則其可以直接使用與接入網地址協議簇相同的IPvX Internet提供服務，而使用隧道技術來為IPvY Internet提供服務。

另一方面，考慮到ICP服務系統構架由于技術升級等原因可能是單棧的，則可以使用翻譯技術來為異構的網絡提供服務。IPv4 ICP為IPv6 Internet提供服務如圖7所示。現有的ICP實際上大多數只支持提供IPv4的服務，隨著IPv6規模的增大，這些ICP希望在沒有升級之前為IPv6 Internet提供服務。在這種過渡場景下可以通過在ICP側與IPv6網絡的接入處部署NAT64有狀態的翻譯設備實現互通。與此相反的是ICP升級自己的服務，最終會出現只能提供IPv6服務的系統架構。此時IPv4 Internet可能還有一定的規模，則IPv6 ICP需要為IPv4 Internet提供服務。在這種需求場景下，可以通過在ICP側與IPv4網絡的接入處部署一個無狀態的翻譯設備，IVI可以很好地適應ICP在這種場景下的需求。

6 結束語

由IPv4向IPv6平滑過渡是中國發展下一代互聯網的重要步驟之一，也是當前國際互聯網發展的大勢所趨。本文綜合介紹了在當前IPv6過渡的環境下，全球的主流過渡技術，并對各個典型過渡場景進行了分析。針對不同的過渡場景，運營商和互聯網內容提供商可以選擇不同的過渡技術實現IPv4與IPv6的互通。通過各方的共同努力以推動下一代互聯網的發展。

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作者簡介

孫靜文，北京郵電大學網絡技術研究院寬帶網研究中心在讀碩士研究生；研究方向為IPv4/IPv6過渡技術、下一代互聯網；已發表學術論文1篇。

孫琪，北京郵電大學網絡技術研究院寬帶網研究中心在讀碩士研究生；研究方向為IPv4/IPv6過渡技術、下一代互聯網；已發表學術論文1篇。

吳鵬，清華大學計算機科學與技術系在讀博士研究生；研究方向為IPv4/IPv6過渡、下一代互聯網、網絡體系結構；已發表學術論文5篇。