IPv4向IPv6過渡技術分析

牛凱廷

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

IPv4向IPv6過渡技術分析

牛凱廷

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

隨著互聯網的不斷發展，IPv4地址已瀕于匱乏，互聯網的發展需要有更大的地址空間、更高的安全性、更好的網絡質量和對移動性更好的支持,因此，當前互聯網由IPv4過渡到IPv6是一個不可逾越的重要階段。互聯網由IPv4過渡到IPv6有雙棧技術、隧道技術和協議轉換技術。文中重點分析了這3種過渡技術的優缺點和3個過渡階段。最后建議在實際網絡建設中，選擇適合網絡自身特征的過渡技術，促使國內互聯網絡盡早完成向IPv6的過渡。

IPv6過渡技術雙棧技術隧道技術協議轉換技術

1 引言

2011年2月3日互聯網地址指派機構淵Internet Assigned Numbers Authority，IANA冤宣布全球IPv4地址池已全部耗盡；2013年，中國的IPv4地址正式宣布用完。為解決當下IPv4地址匱乏的問題，出現了新一代互聯網地址院IPv6。文中首先介紹了IPv6特性及國內發展現狀，接著主要分析了IPv4向IPv6過渡的3種過渡技術和3個過渡階段，最后總結了互聯網由IPv4向IPv6過渡是一個非常關鍵的階段。

2 IPv6簡介

IPv6是由互聯網工程任務組淵Internet Engineering Task Force,IETF冤設計，用于替代現行IPv4的下一代互聯網通信協議。IPv6相對于IPv4具有充足的地址數，平均每個地球上的人可以擁有5伊1028個IPv6地址，是新一代互聯網全球部署和發展的必要技術[1]。

IPv6相對于IPv4主要有以下幾個特性院

淤更充足的地址空間。IPv6將原為32位的地址長度擴大到128位，地址空間增大了2^96倍，充分解決互聯網地址匱乏問題；

于簡化了報頭格式。IPv4報頭有10個固定域堯2個地址空間和若干選項，共計24個字節；IPv6只有6個固定域和2個地址空間，長度為40個字節。IPv6使用固定格式的擴展頭部取代了IPv4中可變的選項字段，加快了報文的轉發[2]；

盂優化了路由功能。IPv6去掉了廣播，改進了組播，增強了組播路由選擇的可調性，并增加了任意播地址；

榆支持認證和加密。身份認證和隱私權是IPv6的關鍵特性，IPv6提供了兩種安全性擴展，AH和ESP，前者對數據發送方進行身份認證，后者對發送數據進行加密；

虞改進了DHCP。不僅可以分配IPv6地址，還可以分配IPv6前綴，便于全網自動配置和管理。

截至2012年3月，全球共有196個國家獲得了IPv6地址，中國擁有9410個32位掩碼的地址塊，排到第五位，前4個國家依次是巴西堯美國堯日本堯德國。截至2014年12月，我國IPv6地址數量為18,797個32位掩碼的地址塊，比2012年翻了一番，僅次于巴西和美國。

3 IPv4向IPv6的過渡技術分析

3.1 3種過渡技術的解析

3種過渡技術為雙棧技術堯隧道技術和協議轉換技術，主要是用來保證互聯網在IPv6成為主流協議之前，傳統的IPv4業務和新的IPv6業務的共存和互通。

優雙棧技術

雙棧技術是IPv4向IPv6過渡的基礎，它要求某個網絡設備或某個特定網絡同時支持IPv4和IPv6協議棧,當雙棧節點與IPv4節點通信時使用IPv4協議棧，與IPv6通信時使用IPv6協議棧[3]。雙棧協議棧模型如圖1所示。

圖1 雙協議棧模型

在網絡通信中，目的地址是路由選擇的主要參數。網絡終端設備根據上層業務提供的目的地址，對發送的數據采用相應IP協議棧封裝。如果目的地址是IPv4設備，則采用IPv4協議棧封裝，如果目的地址是IPv6設備，則采用IPv6協議棧封裝。對接收的數據，根據IP數據報報頭中的第一個字段淵版本號冤來選用相應的IP協議棧進行解析。如果版本代碼為4，將數據包交給IPv4協議棧解析，如果版本號為6，則由IPv6協議棧處理。網絡中的交換設備也是根據報文中目的地址的協議類型選擇相應的協議棧進行處理和轉發。

當某個網絡支持雙棧時，它要求此網絡中的所有設備都支持IPv4和IPv6協議棧，連接雙棧網絡的設備接口均可同時配置IPv4和IPv6地址。

對于目前互聯網升級為雙棧網絡后，因網絡不需要特殊的配置，所以業務開展和部署比較方便；但目前網絡的絕大部分都是IPv4升級的投資比較大，而且對于設備對于節點設備要求比較高，需要運行和維護兩個協議棧。因此，網絡過渡起始階段，采用局部限制型方式進行網絡升級，向IPv6過渡。

悠隧道技術

隧道技術就是用一種協議來封裝另一種協議的傳輸技術[4]。隧道技術將源端的IPv6數據包在隧道入口處封裝到IPv4數據包中，利用隧道進行傳輸，并在隧道的出口處將IPv6的數據包從IPv4數據包中解封，然后送至目的主機。在向下一代網絡過渡階段初期，隧道技術主要用來解決分散的堯局部的純IPv6網絡通過現有的IPv4網絡互通問題，如圖2所示。在隧道入口處，路由器將IPv6數據包封裝，在隧道出口處將IPv6解封。

圖2 IPv6 to IPv4隧道示意圖

隧道技術很好的利用現有IPv4網絡實現了IPv6網絡之間的互通，但對于IPv4網絡邊緣路由交換設備要求較高，不僅要支持雙棧協議，而且要負責隧道出入口處數據包的解封和封裝，因此適用于小規模的網絡。

憂協議轉換技術

雙棧技術實現了網絡節點IPv4和IPv6協議棧的共存，隧道技術實現了純IPv6網絡通過穿越IPv4網絡互通，純IPv6網絡和純IPv4網絡之間的互通可通過協議轉換技術來實現。協議轉換技術，即完成IPv6和IPv4兩個協議棧之間的轉換，轉換包括兩部分，一個是協議層淵網絡層堯傳輸層冤，一個是應用層。

IPv4和IPv6的協議棧轉換可通過NAT-PT淵網絡地址轉換-協議轉換技術冤網關實現。NAT-PT網關通過轉換協議頭，將網絡層堯傳輸層及一些應用程序的相應協議進行轉換。NAT-PT網關主要完成網絡層IP協議頭的轉換和IP地址的轉換[5]。

協議轉換技術在原有網絡不用升級的情況下，解決了純IPv6網絡和純IPv4網絡互通問題，但協議轉換時，網絡節點設備處理協議和地址轉換的開銷較大，而且部分應用層協議無法實現轉換，所以在過渡階段首選雙棧和隧道技術[6]。

3.2下一代互聯網3個過渡階段

下面以通用無線分組業務淵General Packet Radio Service，GPRS冤網絡為例講述了IPv4向IPv6過渡的3個階段。GPRS網絡在原有的GSM網絡的基礎上增加了SGSN淵Service GPRS Support Node冤堯GGSN淵Gateway GPRS Support Node冤等功能實體，這樣使得GSM網絡對數據業務的支持從網絡體系上得到了加強。

如圖3所示，起始整個網絡僅支持IPv4，所有連接到互聯網上的終端都是純IPv4的設備，在網絡邊緣路由器R1上使用了NAT來節約公網的IPv4地址。圖3至圖6中給出了GPRS網絡由IPv4過渡到IPv6的3個階段，解決本地移動終端設備之間堯本地終端設備與遠端終端設備之間的通信。

圖中MT淵Mobil Terminal冤代表移動終端，NAT淵Network Address Translation冤代表網絡地址轉換，Carriers Network代表運營商網絡，虛框表示GPRS移動網絡，以上這些表示，下同。網絡終端設備之間互通如下院

淤本地終端IPv4 MT與本地網主機Host1通信時，因為是純IPv4網絡不需要任何過渡技術，如虛線淤所示；

于本地IPv4 MT通過互聯網與遠端主機Host2堯Host3互通。由于本地MT使用的是私網地址，這就需要邊沿路由器R1的NAT為其分配一個公網IPv4，本地MT通過這個公網IP與遠端的IPv4主機互通，如虛線于盂堯于榆所示。

圖3 傳統IPv4網絡

傳統IPv4網絡向IPv6過渡可劃分為3個階段院

第一階段院IPv6部署初期，只部署了小部分的IPv6孤立網絡堯升級為雙棧的設備和純IPv6設備，網絡業務還是以IPv4為主。如圖4所示，網絡中有一個IPv6 Intranet孤島，這個遠端野孤島冶通過IPv4 Internet與本地雙棧終端或純IPv6終端互通，需要在IPv4網絡上配置野IPv6 to IPv4冶的隧道來實現；純IPv4和純IPv6之間互通需要協議翻譯器。GGSN中陰影部分表示本地網絡對IPv6業務的支持程度，第一階段只支持一小部分。具體實現如下院

淤本地雙棧的移動終端淵以下簡稱雙棧MT冤與本地網絡IPv6主機互通，如雙棧MT到IPv6 Host1。本地移動終端根據目的地址類型，選擇工作在IPv6模式下，它從GGSN接收到一個全球的IPv6地址。該終端通過IPv6網絡連接到純本地IPv6 Host1上，這時2個終端工作在IPv6模式下，可直接互通,如虛線淤所示；

于本地雙棧與遠端IPv6終端網絡互通，如雙棧MT到IPv6 Host2。在這種情況下，通過在IPv4 Internet上R1和R2之間配置野IPv6 to IPv4冶隧道，雙棧終端啟動IPv6模式，通過IPv4 Internet與IPv6 Host2互通，如虛線于盂所示；

盂本地IPv4終端與遠端IPv6互通，如IPv4 MT到IPv6 Host2。此時，在運營商網絡邊緣路由器R1上安裝協議轉換服務器，如NAT-PT，來完成IPv4與IPv6協議之間的翻譯轉換，如虛線愚榆所示；

本地雙棧與遠端IPv4互通，如雙棧MT到IPv4 Host3。在運營商的網絡邊緣路由器R1上設置NAT，為雙棧MT分配公網地址,雙棧MT啟動IPv4模式，與Host3互通，如虛線于虞所示。

圖4 IPv4過渡到IPv6第一階段

第二階段院這一階段IPv6已經廣泛部署。如圖5所示，在本地網絡里雙棧和IPv6終端的數量增多；在遠端，IPv6內部網絡的數量也隨之增多，并出現了IPv6互聯網業務。但IPv6網絡還沒有達到全面覆蓋的程度，因此GGSN圖中陰影部分表示此階段本地網絡已支持大部分IPv6業務[7]。主要實現方式如下院

淤本地IPv6移動終端與遠端IPv6主機互通，如IPv6 MT到IPv6 Hsot2。純IPv6移動節點從GGSN獲得了全球的IPv6地址，直接與IPv6內網互通，如虛線淤于所示；

于本地IPv6終端通過IPv4網絡與遠端IPv6主機互通，如IPv6 MT與IPv6 Host3。實現方法同第一階段于，在邊緣路由器R1和R3之間建立6to4隧道，如虛線淤盂所示；

純IPv6終端與純IPv4主機互通，如IPv6 MT與Host4堯Host2與Host4。實現方法同第一階段盂，需要NAT-PT來實現IPv6-IPv4協議和地址之間的翻譯，如虛線淤榆堯虞所示；

圖5 IPv4過渡到IPv6第二階段

第三階段院如圖6所示，GGSN中的陰影部分表明IPv6已成為互聯網絡主流協議，本地網絡中一基本是IPv6設備，雙棧模式也只需要啟用IPv6模式，遠端網絡只有小部分的IPv4網絡需要啟用NAT-PT轉換翻譯，其余均已過渡為IPv6網絡。這使得網絡結構更加簡單，網絡也更容易維護，IPv6 MT與Host2和Host3互通，都是純IPv6之間的直接互通，如虛線淤于堯淤盂所示。至此，IPv4到IPv6的過渡基本完成。

Analysis on Transition Technology from IPv4 to IPv6

NIU Kai-ting
(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

The IPv4 address is decreasing with the developing Internet.The development of the Internet needs larger address space, higher security,higher network quality and more supports for mobility.Now,for the Internet,the transition from IPv4 to IPv6 is an unavoidable period.There are three kinds of technology for Internet transiting from IPv4 to IPv6,such as dual stack technology,tunnel technology,protocol translation technology.This paper focuses on the analysis of advantages and disadvantages of these three transition technologies,and the three transition periods.Finally,during the actual network construction,the transition technology suitable for network characteristics is selected to implement the transition to IPv6 is as soon as possible.

IPv6;transition technology;dual stack technology;tunnel technology;protocol translation technology

TP393.4

A

1008-1739（2015）08-35-4

定稿日期：2015-03-26