淺析IPv6網絡演進及其部署方案

羅慧+楊曉鳴

摘 要：隨著互聯網的高速發展，IPv4的地址問題變得越來越嚴峻。IPv6作為下一代互聯網協議，可有效解決IPv4地址短缺的問題。如何實現從IPv4向IPv6的平滑演進，在現網中部署IPv6，并實現商用是運營商面臨的難題。目前，各運營商都在積極部署下一代互聯網技術，以應對地址問題。文中闡述了IPv6網絡的演進方案，并介紹了相關技術的現網部署方案。

關鍵詞：IPv6；NAT444；DS-Lite；雙棧

中圖分類號：TP393；TN915 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-00-03

0 引 言

隨著IANA機構宣布IPv4地址已全部分配完畢，IP地址短缺已成為業界不得不關注的問題。而我國的地址問題更為突出，目前中國IPv4地址擁有量大約2億，人均地址擁有量為0.15，而美國人均擁有量為4.5。根據中國互聯網絡信息中心發布的第39次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》，中國網民數已達7.31億，且一直保持高速增長勢頭，但IPv4地址擁有量的增長速度卻相對落后，網民平均IP地址數已持續多年下滑。在IPv4地址枯竭的背景下，運營商迫切需要在業務承載“All-IP”的趨勢下尋找應對之道。IPv6作為下一代互聯網協議，已被全球各大運營商提上了商用日程。

1 IPv6技術的優勢及其演進難點

同IPv4相比較，IPv6具有如下優勢：

（1）IPv4采用32位地址長度，IPv6采用128位地址長度，地址空間增大了2的96次方倍，幾乎可不受限制的提供地址。

（2）IPv6具有靈活的IP報文頭部格式，使路由器可以簡單路過選項而不做任何處理，加快了報文處理速度。

（3）IPv6具有更高的安全性。在使用IPv6網絡過程中，用戶可以對網絡層的數據進行加密并對IP報文進行校驗，增強了網絡的安全性。

（4）支持更多的服務類型，加入了對自動配置的支持。這是對DHCP協議的改進和擴展，使得網絡（尤其是局域網）管理更加方便、快捷。

（5）IPv6增加了增強的組播（Multicast）支持以及對流的支持（Flow Control），這使得網絡上的多媒體應用有了長足的發展，為服務質量（Quality of Service，QoS）控制提供了良好的網絡平臺。

（6）允許協議繼續演變，增加新的功能，使之適應未來技術的發展。

雖然IPv6技術能徹底解決IP地址枯竭的問題，但是由于IPv4已經得到大量應用，且現階段缺乏IPv6“殺手級”應用，因此在相當長一段時間內，互聯網將是IPv4和IPv6共同存在、共同運行的時期。

2 下一代互聯網演進技術

DS-Lite、NAT444、NAT-PT、NAT64、Smart6[1]等技術是近年來業界研究的向下一代互聯網演進的技術。這些技術方案有的可以緩解IPv4地址短缺的燃眉之急，有的可以幫助運營商應對來自終端用戶或自身網絡建設的IPv6部署需求。各種技術方案的應對場景不同，再加之運營商的網絡基礎各異，故增加了運營商選擇方案的難度。

在下一代互聯網演進過程中，為解決IP地址不足的問題，運營商最早采用的是多級網絡地址轉換（Network Address Translation，NAT）技術，NAT技術是通過地址轉換設備將私網IPv4地址轉換成公網IPv4地址，如在企業出口交換機處進行NAT轉換，企業內部使用的均為私網地址。多級NAT通過在網絡不同層級部署NAT設備來提高公有IPv4地址的利用率。

IPv6技術日益成熟，且可從根本上解決IP地址的問題[2]，因此未來運營商將會更積極的向IPv6技術演進，直接在網絡中采用IPv6地址進行通信。但現階段，IPv4很難在短時間內將其取代，很長一段時間內IPv4/IPv6將長期共存。運營商成本、業務發展、用戶感知、部署難易等因素在網絡演進過程中尋求異構網絡共存與互通問題的最佳解決方案中具有重要地位，解決好這些問題方可實現IPv4到IPv6的順利過渡[2，3]。

本文以最常用的NAT444、DS-Lite、Smart6為例說明下一代互聯網過渡技術的部署方案。

2.1 NAT444技術及其部署方案

NAT444由兩級NAT構成——部署在用戶側的NAT和部署在運營商網絡的NAT（稱CGN設備）。用戶側的NAT進行第一級地址轉換，將客戶終端設備（Customer Premise Equipment，CPE）給終端分配的私網IPv4_1轉換為運營商BRAS給CPE分配的私網IPv4_2（如192.168.2.4轉換為10.28.174.1）。CGN進行第二級地址轉換，將私網IPv4_2轉換為公網IPv4（如10.28.174.1轉換為公網地址138.28.19.32）。

NAT444現網部署方式如圖1所示。NAT444技術可通過兩類方式進行部署，集中式和分布式。將CGN設備部署于網絡匯聚節點（如城域網CR處）的方式稱為集中式，將CGN設備部署于業務接入節點（如城域網BRAS、OLT等）的方式稱為分布式。

集中式和分布式的CGN設備均可采用兩種設備形態，獨立設備或板卡，采用獨立設備部署稱為旁掛方式，采用板卡部署于運營商網絡的設備稱為插卡方式。運營商可根據需要選擇其部署方式，其中集中部署優選旁掛方式，分布部署優選插卡方式。

考慮到安全性和部署難易程度，運營商CGN部署常采用分布插卡式部署。

NAT444技術的部署思路是將網絡改造的復雜性控制在網絡側，避免用戶側的大量強制改造。只需在業務控制層或核心層配置CGN設備即可，無需進行較大規模設備替換。NAT444技術可有效提高IP地址的復用率，且便于部署。endprint

2.2 DS-Lite技術及其部署方案

輕量級雙棧 （Dual-Stack Lite，DS-Lite）[4]技術采用IPv4-in-IPv6隧道，通過隧道，IPv4流量可穿越IPv6網絡到達運營商級的CGN設備地址族轉換路由器（Address Family Translation Router，AFTR），CPE無需對私有IPv4地址進行翻譯，從而避免了多級NAT。DS-Lite需要用戶側的家庭網關（B4）和運營商側的AFTR設備同時開啟雙棧，其它網絡節點只需支持IPv6即可。運營商只需給用戶分配IPv6地址提供雙棧接入，可減輕運營商IPv4地址短缺壓力。BRAS無需為用戶規劃、分配私網IPv4地址，可避免與ITMS，IPTV私有地址沖突，使得管理成本降低。

DS-Lite解決方案由局端和用戶端兩種組件構成。局端設備簡稱AFTR（Address Family Transition Router，AFTR），用戶端設備稱為B4（Basic Broad Band Bridging）。

（1）AFTR設備負責執行隧道封裝、解封裝和IPv4-IPv4地址翻譯，提供多個用戶對公網IPv4地址池的復用。其主要作用是在網絡側終結IPv6隧道后，對其中的IPv4報文作地址及端口號翻譯，并轉發至IPv4 Internet。

AFTR設備形態分為插卡式和獨立式。AFTR基本都是在路由器的空余槽位上設置DS-Lite業務板卡實現。主要支持廠家為Juniper，華為，中興和華三。在測試驗證過程中，華為采用的設備為NE40e-X，華三采用S9505E，中興采用M6000，Juniper采用M120。

（2）B4（Basic Bridging Broad Band Element）模塊可集成部署在雙棧家庭網關上或者通過軟件部署在雙棧主機接口功能上，其主要作用是在建立與AFTR模塊之間的IPv6隧道之后，將IPv4報文封裝進入隧道并轉發出去。B4設備型態可以是路由型家庭網關，也可以由客戶端軟件實現，以路由型家庭網關實現為主。

DS-Lite部署方式類似于NAT444部署方式，可通過集中式和分布式進行部署。其設備形態分為插卡式和獨立式，如圖2所示。

與NAT444方案比較，DS-Lite更能促進IPv6產業鏈的發展。但DS-Lite方案為了節省IPv4公網地址，也存在NAT技術的應用，所以NAT444方案面臨的地址溯源及業務穿越問題在DS-Lite方案中同樣存在，需要類似的解決方案以滿足大規模商用部署的要求。

2.3 IDC網IPv6部署方案Smart6

由于內容提供商（CP）和服務提供商（SP）存在數量眾多、規模各異、業務復雜等特點，因此CP/SP向IPv6遷移存在諸多困難。

運營商為解決IDC網絡的IPv6演進，常用的技術為Smart6技術，該技術可以較少的代價在IPv6互聯網邊緣提供IPv4 CP/SP/IDC的接入能力，實現IPv6用戶對IPv4應用的訪問，從而豐富IPv6互聯網上的應用，降低CP/SP進入IPv6的門檻。

Smart6技術的思路是在CP/SP的駐留地——IDC出口處旁掛一個轉換網管設備-Smart6網關，實現IP層面的互通和數據包翻譯轉換，IPv6網絡上的用戶可以穿越IPv6網絡及Smart6網關來訪問該CP/SP資源，在不消耗IPv4公網地址的情況下，實現業務流量從IPv4向IPv6網絡的遷移。Smart6技術的系統組成如圖3所示。

0 引 言

隨著IANA機構宣布IPv4地址已全部分配完畢，IP地址短缺已成為業界不得不關注的問題。而我國的地址問題更為突出，目前中國IPv4地址擁有量大約2億，人均地址擁有量為0.15，而美國人均擁有量為4.5。根據中國互聯網絡信息中心發布的第39次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》，中國網民數已達7.31億，且一直保持高速增長勢頭，但IPv4地址擁有量的增長速度卻相對落后，網民平均IP地址數已持續多年下滑。在IPv4地址枯竭的背景下，運營商迫切需要在業務承載“All-IP”的趨勢下尋找應對之道。IPv6作為下一代互聯網協議，已被全球各大運營商提上了商用日程。

1 IPv6技術的優勢及其演進難點

同IPv4相比較，IPv6具有如下優勢：

（1）IPv4采用32位地址長度，IPv6采用128位地址長度，地址空間增大了2的96次方倍，幾乎可不受限制的提供地址。

（2）IPv6具有靈活的IP報文頭部格式，使路由器可以簡單路過選項而不做任何處理，加快了報文處理速度。

（3）IPv6具有更高的安全性。在使用IPv6網絡過程中，用戶可以對網絡層的數據進行加密并對IP報文進行校驗，增強了網絡的安全性。

（4）支持更多的服務類型，加入了對自動配置的支持。這是對DHCP協議的改進和擴展，使得網絡（尤其是局域網）管理更加方便、快捷。

（5）IPv6增加了增強的組播（Multicast）支持以及對流的支持（Flow Control），這使得網絡上的多媒體應用有了長足的發展，為服務質量（Quality of Service，QoS）控制提供了良好的網絡平臺。

（6）允許協議繼續演變，增加新的功能，使之適應未來技術的發展。

雖然IPv6技術能徹底解決IP地址枯竭的問題，但是由于IPv4已經得到大量應用，且現階段缺乏IPv6“殺手級”應用，因此在相當長一段時間內，互聯網將是IPv4和IPv6共同存在、共同運行的時期。

2 下一代互聯網演進技術

DS-Lite、NAT444、NAT-PT、NAT64、Smart6[1]等技術是近年來業界研究的向下一代互聯網演進的技術。這些技術方案有的可以緩解IPv4地址短缺的燃眉之急，有的可以幫助運營商應對來自終端用戶或自身網絡建設的IPv6部署需求。各種技術方案的應對場景不同，再加之運營商的網絡基礎各異，故增加了運營商選擇方案的難度。endprint

在下一代互聯網演進過程中，為解決IP地址不足的問題，運營商最早采用的是多級網絡地址轉換（Network Address Translation，NAT）技術，NAT技術是通過地址轉換設備將私網IPv4地址轉換成公網IPv4地址，如在企業出口交換機處進行NAT轉換，企業內部使用的均為私網地址。多級NAT通過在網絡不同層級部署NAT設備來提高公有IPv4地址的利用率。

IPv6技術日益成熟，且可從根本上解決IP地址的問題[2]，因此未來運營商將會更積極的向IPv6技術演進，直接在網絡中采用IPv6地址進行通信。但現階段，IPv4很難在短時間內將其取代，很長一段時間內IPv4/IPv6將長期共存。運營商成本、業務發展、用戶感知、部署難易等因素在網絡演進過程中尋求異構網絡共存與互通問題的最佳解決方案中具有重要地位，解決好這些問題方可實現IPv4到IPv6的順利過渡[2，3]。

本文以最常用的NAT444、DS-Lite、Smart6為例說明下一代互聯網過渡技術的部署方案。

2.1 NAT444技術及其部署方案

NAT444由兩級NAT構成——部署在用戶側的NAT和部署在運營商網絡的NAT（稱CGN設備）。用戶側的NAT進行第一級地址轉換，將客戶終端設備（Customer Premise Equipment，CPE）給終端分配的私網IPv4_1轉換為運營商BRAS給CPE分配的私網IPv4_2（如192.168.2.4轉換為10.28.174.1）。CGN進行第二級地址轉換，將私網IPv4_2轉換為公網IPv4（如10.28.174.1轉換為公網地址138.28.19.32）。

NAT444現網部署方式如圖1所示。NAT444技術可通過兩類方式進行部署，集中式和分布式。將CGN設備部署于網絡匯聚節點（如城域網CR處）的方式稱為集中式，將CGN設備部署于業務接入節點（如城域網BRAS、OLT等）的方式稱為分布式。

集中式和分布式的CGN設備均可采用兩種設備形態，獨立設備或板卡，采用獨立設備部署稱為旁掛方式，采用板卡部署于運營商網絡的設備稱為插卡方式。運營商可根據需要選擇其部署方式，其中集中部署優選旁掛方式，分布部署優選插卡方式。

考慮到安全性和部署難易程度，運營商CGN部署常采用分布插卡式部署。

NAT444技術的部署思路是將網絡改造的復雜性控制在網絡側，避免用戶側的大量強制改造。只需在業務控制層或核心層配置CGN設備即可，無需進行較大規模設備替換。NAT444技術可有效提高IP地址的復用率，且便于部署。

2.2 DS-Lite技術及其部署方案

輕量級雙棧 （Dual-Stack Lite，DS-Lite）[4]技術采用IPv4-in-IPv6隧道，通過隧道，IPv4流量可穿越IPv6網絡到達運營商級的CGN設備地址族轉換路由器（Address Family Translation Router，AFTR），CPE無需對私有IPv4地址進行翻譯，從而避免了多級NAT。DS-Lite需要用戶側的家庭網關（B4）和運營商側的AFTR設備同時開啟雙棧，其它網絡節點只需支持IPv6即可。運營商只需給用戶分配IPv6地址提供雙棧接入，可減輕運營商IPv4地址短缺壓力。BRAS無需為用戶規劃、分配私網IPv4地址，可避免與ITMS，IPTV私有地址沖突，使得管理成本降低。

DS-Lite解決方案由局端和用戶端兩種組件構成。局端設備簡稱AFTR（Address Family Transition Router，AFTR），用戶端設備稱為B4（Basic Broad Band Bridging）。

（1）AFTR設備負責執行隧道封裝、解封裝和IPv4-IPv4地址翻譯，提供多個用戶對公網IPv4地址池的復用。其主要作用是在網絡側終結IPv6隧道后，對其中的IPv4報文作地址及端口號翻譯，并轉發至IPv4 Internet。

AFTR設備形態分為插卡式和獨立式。AFTR基本都是在路由器的空余槽位上設置DS-Lite業務板卡實現。主要支持廠家為Juniper，華為，中興和華三。在測試驗證過程中，華為采用的設備為NE40e-X，華三采用S9505E，中興采用M6000，Juniper采用M120。

（2）B4（Basic Bridging Broad Band Element）模塊可集成部署在雙棧家庭網關上或者通過軟件部署在雙棧主機接口功能上，其主要作用是在建立與AFTR模塊之間的IPv6隧道之后，將IPv4報文封裝進入隧道并轉發出去。B4設備型態可以是路由型家庭網關，也可以由客戶端軟件實現，以路由型家庭網關實現為主。

DS-Lite部署方式類似于NAT444部署方式，可通過集中式和分布式進行部署。其設備形態分為插卡式和獨立式，如圖2所示。

與NAT444方案比較，DS-Lite更能促進IPv6產業鏈的發展。但DS-Lite方案為了節省IPv4公網地址，也存在NAT技術的應用，所以NAT444方案面臨的地址溯源及業務穿越問題在DS-Lite方案中同樣存在，需要類似的解決方案以滿足大規模商用部署的要求。

2.3 IDC網IPv6部署方案Smart6

由于內容提供商（CP）和服務提供商（SP）存在數量眾多、規模各異、業務復雜等特點，因此CP/SP向IPv6遷移存在諸多困難。

運營商為解決IDC網絡的IPv6演進，常用的技術為Smart6技術，該技術可以較少的代價在IPv6互聯網邊緣提供IPv4 CP/SP/IDC的接入能力，實現IPv6用戶對IPv4應用的訪問，從而豐富IPv6互聯網上的應用，降低CP/SP進入IPv6的門檻。

Smart6技術的思路是在CP/SP的駐留地——IDC出口處旁掛一個轉換網管設備-Smart6網關，實現IP層面的互通和數據包翻譯轉換，IPv6網絡上的用戶可以穿越IPv6網絡及Smart6網關來訪問該CP/SP資源，在不消耗IPv4公網地址的情況下，實現業務流量從IPv4向IPv6網絡的遷移。Smart6技術的系統組成如圖3所示。endprint

其主要的組成部分及其功能實現如下：

（1）Smart6網關

Smart6網關主要負責實現位于IDC內的IPv4 CP/SP服務器和IPv6網絡之間的互通。該網關在IPv4側旁掛到IDC的出口路由器上，實現IPv4 CP/SP資源的接入。

Smart6要對于穿越自己的IPv4和IPv6數據包格式進行雙向翻譯轉換，包括對于IPv4（或IPv6）包中的源地址和目的地址進行映射或變換。

（2）DNS系統

作為支撐IPv4 CP/SP和IPv6互聯網互通的配合單元，DNS系統主要負責對用戶訪問應用服務器的DNS請求進行地址解析，對IPv6用戶提供合成后的IPv4 CP/SP的AAAA記錄。

Smart6技術通過在IDC出口處部署Smart6網關，并在DNS系統的配合下，實現IPv6用戶訪問IPv4的CP/SP提供的各種服務功能。不僅能降低CP/SP的IPv6升級成本，同時也能緩解運營商IP地址的壓力，避免地址共享帶來的問題。該技術是目前切實可行的一種IDC IPv6過渡技術。

3 結 語

運營商網絡從IPv4 遷移至IPv6，已成為下一代互聯網發展的必然方向。但IPv6的演進不可能一蹴而就，不同電信業務、不同應用場景在不同階段對IPv6的演進方案有著不同的需求，遷移之路必將是一個長期過程。

各大運營商所需要的IPv6演進方案，首先要能有效解決IPv4的地址短缺問題，由于時間緊迫，該方案還要具備較高的成熟度，且部署簡單。其次，運營商需要長遠考慮，確定中后期的演進路線。在全盤考慮整個網絡演進的過程中，運營商需要綜合考慮網絡規模、用戶規模、網絡拓撲等，以控制投資成本，保護投資。

IPv6演進前期采用NAT444方案可解決地址短缺的問題，而DS-Lite是適用于中后期的演進方案。最終，運營商網絡將實現純粹IPv6的部署，完成遷移。

參考文獻

[1]韋樂平.下一代互聯網的發展戰略和策略思考[J].電信科學， 2010，26（6）：1-7.

[2]楊曉鳴，孫曉亮，王彪.下一代互聯網現網部署及其物聯網應用實例[J].物聯網技術，2014，4（11）：56-59.

[3]程燁，周雁，謝軍建.運營商IP城域網向IPv6演進方案及策略探討[J].郵電設計技術，2013（1）：55-59.

[4] A Durand，R Droms，J Woodyatt，et al.Dual-Stack Lite Broadband Deployments Following IPv4 Exhaustion[J].Heise Zeitschriften Verlag，1918，23（1）：7-12.

[5]李亞明，劉陳，王辰，等.基于IPv6的無線傳感網絡設計[J].物聯網技術，2015，5（3）：37-39.

[6]邢濤，閻璐，劉謙.IPv6網絡演進方案分析[J].電信技術，2011，1（3）：97-102.

[7]申健，朱婧.校園網IPv6安全隱患及其對策[J].物聯網技術，2015，5（4）：47-49.

[8]馬軍鋒，妥?？?向IPv6網絡演進的技術路線和方案分析[J].電信網技術，2010（5）：6-11.

其主要的組成部分及其功能實現如下：

（1）Smart6網關

Smart6網關主要負責實現位于IDC內的IPv4 CP/SP服務器和IPv6網絡之間的互通。該網關在IPv4側旁掛到IDC的出口路由器上，實現IPv4 CP/SP資源的接入。

Smart6要對于穿越自己的IPv4和IPv6數據包格式進行雙向翻譯轉換，包括對于IPv4（或IPv6）包中的源地址和目的地址進行映射或變換。

（2）DNS系統

作為支撐IPv4 CP/SP和IPv6互聯網互通的配合單元，DNS系統主要負責對用戶訪問應用服務器的DNS請求進行地址解析，對IPv6用戶提供合成后的IPv4 CP/SP的AAAA記錄。

Smart6技術通過在IDC出口處部署Smart6網關，并在DNS系統的配合下，實現IPv6用戶訪問IPv4的CP/SP提供的各種服務功能。不僅能降低CP/SP的IPv6升級成本，同時也能緩解運營商IP地址的壓力，避免地址共享帶來的問題。該技術是目前切實可行的一種IDC IPv6過渡技術。

3 結 語

運營商網絡從IPv4 遷移至IPv6，已成為下一代互聯網發展的必然方向。但IPv6的演進不可能一蹴而就，不同電信業務、不同應用場景在不同階段對IPv6的演進方案有著不同的需求，遷移之路必將是一個長期過程。

各大運營商所需要的IPv6演進方案，首先要能有效解決IPv4的地址短缺問題，由于時間緊迫，該方案還要具備較高的成熟度，且部署簡單。其次，運營商需要長遠考慮，確定中后期的演進路線。在全盤考慮整個網絡演進的過程中，運營商需要綜合考慮網絡規模、用戶規模、網絡拓撲等，以控制投資成本，保護投資。

IPv6演進前期采用NAT444方案可解決地址短缺的問題，而DS-Lite是適用于中后期的演進方案。最終，運營商網絡將實現純粹IPv6的部署，完成遷移。

參考文獻

[1]韋樂平.下一代互聯網的發展戰略和策略思考[J].電信科學， 2010，26（6）：1-7.

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[3]程燁，周雁，謝軍建.運營商IP城域網向IPv6演進方案及策略探討[J].郵電設計技術，2013（1）：55-59.

[4] A Durand，R Droms，J Woodyatt，et al.Dual-Stack Lite Broadband Deployments Following IPv4 Exhaustion[J].Heise Zeitschriften Verlag，1918，23（1）：7-12.

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[6]邢濤，閻璐，劉謙.IPv6網絡演進方案分析[J].電信技術，2011，1（3）：97-102.

[7]申健，朱婧.校園網IPv6安全隱患及其對策[J].物聯網技術，2015，5（4）：47-49.

[8]馬軍鋒，妥海俊.向IPv6網絡演進的技術路線和方案分析[J].電信網技術，2010（5）：6-11.endprint