IPv4向IPv6過渡技術的研究

范玉宇

摘 要：本文首先探討了IPv4向IPv6下一代網絡演進過渡的必要性和協議過渡的基本原則。然后對雙棧技術、隧道技術、翻譯技術等各種過渡技術的詳細介紹，比較各自的優劣及其適用范圍。又對IPv4向IPv6過渡的場景和步驟進行分析，闡述了過渡時期策略選擇的實時性和復雜性。展望IP互聯網技術的發展未來，以平滑穩健的IPv4/IPv6過渡技術向下一代網絡體系演進。

關鍵詞：IPv6；過渡技術；下一代互聯網

中圖分類號：TP393.04

1 IPv4向IPv6過渡的必要性

隨著互聯網技術的飛速發展，用戶量和網絡規模都在以幾何方式驟增，32位的IPv4地址資源日趨枯竭。隨著互聯網應用的發展，IPv4協議也逐步暴露出其固有的缺點：龐大的路由表、支持移動性不足、信息安全保障有限、QOS問題等都亟待解決。而IPv6協議在設計過程中就綜合考慮了以上這些因素，相比IPv4，不僅IPv6將地址擴充到128位，還擁有更強的安全性，以及對網絡移動性的支持。因此，在互聯網不遠的未來，IPv6協議必將最終取代IPv4協議。然而如何從IPv4平滑、高效、穩健地過渡到IPv6網絡，在技術、實施的各個環節中，都需要認真全面的加以考量。

2 IPv4向IPv6過渡的基本原則

由于互聯網網絡系統的龐大與其架構的復雜性，要從純IPv4網絡完全過渡到純IPv6網絡，還需要相當長的一段時間，在這段時間里，網絡上需要IPv4和IPv6共存。因而，在過渡期間，需要遵循一定的原則：（1）現有的主機可在任何時候升級，與其他主機、路由器的升級是完全獨立的。（2）僅使用IPv6協議的新主機可以在任何時間加入網絡，完全不受其他主機、路由器網絡結構影響。（3）現有的IPv4主機在安裝了IPv6的協議之后，仍能繼續使用原有的IPv4地址。（4）可用比較簡單的方式，將現有的IPv4節點升級至IPv6；用較少的準備就能部署新的IPv6節點。

3 IPv4向IPv6過渡的各種技術分析

要實現IPv4向IPv6的過渡，主要涉及三大類別的技術：雙棧技術、隧道技術和翻譯技術。

3.1 雙棧技術。雙棧技術定義于RFC4213中，指在主機終端和通信網絡上的每個網元節點都同時支持和配置IPv4和IPv6的兩個協議棧，每個協議棧分別處理各自的數據包，實現IPv4或IPv6節點間通信。每個通信節點既分配IPv4地址，也分配IPv6地址。雙棧技術對網絡設備的要求比較高，雙路由配置，增加網絡的復雜度，提供完全IPV6兼容，但無法解決IPv4地址耗盡的問題。雙棧技術是IPv4與IPv6節點兼容最直接的方式，也是其他過度技術的基礎，目前廣泛地應用于互聯網早期變遷過程之中。

3.2 隧道技術。隧道技術是用一種協議傳輸另一種協議數據的技術，隧道技術只要求隧道兩端的設備支持兩個協議，它提供了一種用IPv4路由傳輸IPv6數據的方法。它又分為手工配置隧道、自動配置隧道。手工配置隧道技術，隧道是手工配置建立的，類似虛擬的點到點連接，在隧道兩端人工配置單向隧道或者是雙向隧道，在入口網元處把IPv6分組封裝到IPv4分組中，在出口網元進行解封，還原數據，從而實現IPv6通過IPv4網絡連接；自動隧道的拆除和建立都是動態的。它的出口地址由分組數據中的目的地址來決定。由其查找隧道終點方式的不同，又可分為自動配置隧道、6over4隧道和6to4隧道。隧道技術的優點在于它的透明性，IPV6主機之間可以忽略隧道的存在，而且隧道技術只對入口、出口設備進行改動，對網絡其他部分沒有要求，技術實現容易，但它只能解決IPv6節點間通信，仍不能解決IPv6與IPv4節點間通信的問題。這種技術適用于初期流量小、IPv6孤島之間互通的場景。

3.3 翻譯技術。為解決IPv6與IPv4網絡資源互訪問題，產生了翻譯（協議轉換）技術，將IPv4分組與IPv6分組相互轉換，來實現不同協議應用之間的相互訪問。其中主要包括SIIT和NAT-PT技術。（1）SIIT（無類IP/ICMP翻譯技術）是IPv6/ICMPv6分組與IP/ICMPv4分組之間相互轉換的算法。這種算法面向分組，無需保留每個連接的狀態信息。（2）NAT-PT技術將IPv4地址NAT技術、SIIT技術、以及各種ALT技術相結合，通過NAT技術給IPv6主機動態分配IPv4地址進行地址翻譯、ALG技術用于所傳送數據中攜帶的網絡地址（如DNS等）。

翻譯技術的優點是實現了IPv6與IPv4的互通，以及對現有IPv4資源的共享。缺點是破壞了網絡端到端的透明性。

4 IPv4向IPv6過渡場景與步驟

從IPv4向IPv6過渡是一個長期共存的過程。無論何種過渡技術，都不能通過單一方法實現IPv4向IPv6的過渡和轉換。在不同的應用場景下，需要各種技術組合使用，逐步達到過渡的目的。在實際網絡中，需要結合實際情況，綜合考慮應用場景變換問題，制定合適的網絡過渡策略。

從IPv4到IPv6協議的過渡的場景主要有以下幾種：

4.1 IPv4 NAT及NAT444階段。在這個階段，由于IPv4地址的逐漸短缺，從用戶側使用NAT進行地址轉換，發展到運營商網絡使用NAT技術進行二次轉換（NAT444），即雙層NAT。主要是通過私網地址、端口復用暫時解決IPv4資源緊張的問題。

4.2 純IPv6接入初期階段。在這個階段，出現了純IPv6用戶接入的場景，用戶接入側是純IPv6，運營商支持IPv4和IPv6的網絡。此時的目標是保持IPv4的后向兼容性，使用戶仍然能夠將IPv4的應用接入純IPv6網絡之中。

4.3 純IPv6接入中期階段。在這個階段，隨著IPv6的進一步發展，操作系統以及應用程序對IPv6的支持都有了較好的提升，用戶開始轉向使用純IPv6的應用，用戶端出現了較多的純IPv6的主機，此時，IPv6的服務還較為有限， IPv4的服務依然存在，用戶仍需通過IPv6的應用來訪問IPv4的服務。

4.4 IPv6普及發展階段。在此時，IPv6已較為普及，用戶及網絡側都已經基本升級到純IPv6的環境時，此時還存在少量IPv4服務。

綜上所述，在向IPv6過渡的初期階段，主要問題怎樣使用戶能夠在IPv6的接入環境中無縫使用IPv4的應用與服務。從IPv4到IPv6協議的過渡，總體包括以下步驟：（1）網絡中從各類路由器、網絡服務器、應用服務器、和各種服務終端系統、到用戶端全面支持IPv6協議，并逐步開啟并全面應用該協議。（2）在網絡中逐步關閉IPv4協議，使對IPV4的支持漸漸減少，直至停止。

目前國內運營商大部分城域網絡正在或即將進行第一步驟的初步實施過程中。

5 結束語

在IPv4向IPv6過渡的過程中，如何是網絡平滑過渡是尤為重要的問題。在網絡過渡的不同時期，采取何種過渡方式實現對網絡資源的有效訪問，是能否順利過渡的關鍵因素。不同的過渡技術與策略各有優劣，我們需要根據具體情況應用，在不同階段合理選擇組合不同的技術和過渡策略，以最小的代價實現IPv4網絡向IPv6網絡的平穩過渡。

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作者單位：中國聯通北京市分公司網管中心，北京 100029