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IPv4向IPv6過渡的技術與過程

2019-11-03 09:00:09
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來源:轉載
供稿:網友
韓 宇1,羅衛兵2,姜 琳2


  (1.武警重慶總隊通信站 四川 重慶401147;2.武警工程學院 陜西 西安710086)

  摘 要:研究ipv4向IPv6過渡的技術及過程,介紹了IPv6與IPv4互通技術出現的背景,以及IPv4向IPv6過渡的三種基本技術,分析了過渡期間IPv6“小島”間以及IPv6“小島”與IPv4“海洋”間的互通關系及解決方案,闡述了IPv4向IPv6分階段過渡的過程。

  關鍵詞:IPv6;IPv4;IP過渡技術;Internet Technology and PRocess of the Transition from IPv4 to IPv6

  HAN Yu1,LUO Weibing2,JIANG Lin3

  (1.Communication Station,CAPFChongqing Branch,Chongqing,401147,China;2.CAPFEngineering College,Xi′an,710086,China)

  Abstract:It studies the technology and process of the transition from IPv4 to IPv6.The background of the intercommunicatetechnology ofIPv4 and IPv6 is presented,and three type ofbasic technology ofthe transition from IPv4 to IPv6 has been shown as therelationship ofIPv6 islands and IPv4 ocean,the intercommunicate solution ofthe transition period.How the transition step by stepevolutionalprocedure also was illuminated in detail.

  KeyWords:IPv6;IPv4;IPtechnology transition;Internet

  1 IPv6與IPv4互通技術出現的背景及現狀

  隨著Internet的日益膨脹,現有的IPv4地址已經十分緊缺,雖然使用分配臨時IPv4地址或網絡地址翻譯(NAT)等地址使用技術,在一定程度上緩解了IPv4地址不足的狀況,但同時也增加了地址解析和處理方面的開銷,導致某些高層應用失效,而且仍然無法回避IPv4地址即將被分配殆盡這個問題。采用長度為128 b IP地址的IPv6協議,徹底解決了IPv4地址不足的難題,并且在地址容量、安全性、網絡管理、移動性以及服務質量等方面有明顯的改進,是下一代互聯網絡協議采用的核心標準之一。IPv6與IPv4不兼容,但他同所有其他的TCP/IP協議族中的協議兼容,即IPv6完全可以取代IPv4。

  在IPv6成為主流協議之前,首先使用IPv6協議棧的網絡希望能與當前仍被IPv4支撐著的Internet進行正常通信,因此必須開發出IPv4/IPv6互通技術以保證IPv4能夠平穩過渡到IPv6。此外,互通技術應該對信息傳遞做到高效無縫。國際上IETF組建了專門的NGTRANS工作組開展對于IPv4/IPv6過渡問題和高效無縫互通問題的研究。目前已經出現了多種過渡技術和互通方案,這些技術各有特點,用于解決不同過渡時期、不同環境的通信問題,有些已經相當成熟并形成了RFC,有些還只是作為 Internet draft有待完善。

  2 IPv6與IPv4互通的3種基本技術

  目前解決過渡問題的基本技術主要有3種:雙協議棧(RFC2893 obsolete RFC1933),隧道技術(RFC2893),NAT-PT(RFC2766)。

  2.1 雙協議棧(DualStack)

  雙協議棧技術是使IPv6節點與IPv4節點兼容的最直接方式,應用對象是主機、路由器等通信節點。支持雙協議棧的IPv6節點與IPv6節點互通時使用IPv6協議棧,與IPv4節點互通時借助于4over6使用IPv4協議棧。IPv6節點訪問IPv4節點時,先向雙棧服務器申請一個臨時IPv4地址,同時從雙棧服務器得到網關路由器的TEP(TunnelEndPoint)IPv6地址。IPv6節點在此基礎上形成一個4 over 6的IP包,4 over 6包經過IPv6網傳到網關路由器,網關路由器將其IPv6頭去掉,將IPv4包通過IPv4網絡送往IPv4節點。網關路由器要記住IPv6源地址與IPv4臨時地址的對應關系,以便反方向將IPv4節點發來的IP包轉發到IPv6節點。采用雙協議棧方式互通時的系統如圖1所示。



  這種方式對IPv4和IPv6提供了完全的兼容,但由于需要雙路由基礎設施,增加了網絡的復雜度,依然無法解決IP地址耗盡的問題。

  2.2 隧道技術(Tunnel)

  隧道技術提供了一種以現有IPv4路由體系來傳遞IPv6數據的方法:將IPv6包作為無結構意義的數據,封裝在IPv4包中,被IPv4網絡傳輸。根據建立方式的不同,隧道技術可分為手工配置隧道和自動配置隧道兩類。隧道技術巧妙地利用了現有的IPv4網絡,他的意義在于提供了一種使IPv6的節點間能夠在過渡期間通信的方法,但他不能解決IPv6節點與IPv4節點間互通的問題。

  2.3 NAT-PT

  NAT-PT是一種純IPv6節點和IPv4節點間的互通方式,所有包括地址、協議在內的轉換工作都由網絡設備來完成。支持NAT-PT的網關路由器應具有IPv4地址池,在從IPv6向IPv4域中轉發包時使用。此外網關路由器支持DNS-ALG(DNS,應用層網關),在IPv6節點訪問IPv4節點時發揮作用。采用NAT-PT方式互通時的系統構成如圖2所示。



  NAT-PT方式的優點是不需要進行IPv4,IPv6節點的升級改造,缺點是IPv4節點訪問IPv6節點的實現方法比較復雜,網絡設備進行協議轉換、地址轉換的處理開銷較大,一般在其他互通方式無法使用的情況下使用。

  3 過渡期間IPv6和IPv4互通的解決方案

  過渡初期,Internet將由運行IPv4的“海洋”和運行IPv6的“小島”組成,隨著時間的推移,IPv4“海洋”將逐漸變小,而IPv6“小島”將越來越多,最終徹底取代IPv4。在過渡期要解決的互通問題可分成2大類:第一類是解決IPv6“小島”間的互通問題;第二類則解決IPv6“小島”與IPv4“海洋”間互通的問題。

  3.1 IPv6“小島”之間的互通方式

   (1)手工配置隧道(Configured Tunnel)

  這種隧道是手工配置建立的,隧道的端點地址由配置決定,不需要為節點分配特殊的IPv6地址,適用于經常通信的IPv6節點之間使用。每個隧道的封裝節點必須保存隧道終點地址,當IPv6包在隧道上傳輸時,終點地址會作為IPv4包的目的地址進行封裝。通常封裝節點要根據路由信息決定這個包是否通過隧道轉發。采用手工配置隧道方式進行互通的節點間必須有可用的IPv4連接,并且至少要具有一個全球惟一的IPv4地址,每個節點都要支持IPv6,路由器需要支持雙協議棧,在隧道要經過NAT設施的情況下該機制失效。

  (2)自動配置隧道(Auto-configured Tunnel)

  這種隧道的建立和拆除是動態的,其端點根據分組的目的地址確定,適用于不經常通信的節點間使用。自動配置隧道需要節點采用IPv4兼容的IPv6地址(IPv4ADDR::/96),這些節點間必須有可用的IPv4連接,采用這種機制的節點需要有一個全球惟一的IPv4地址。采用這種機制不能解決IPv4地址空間耗盡的問題,并且如果把Internet上全部IPv4路由表包括到IPv6網絡中,將會加劇路由表的膨脹。這種隧道的兩個端點都必須支持雙協議棧,在隧道要經過NAT設施的情況下該機制失效。

  (3)TunnelBroker

  TunnelBroker是一種方便構造隧道的機制,可以簡化隧道的配置過程,適用于單個主機獲取IPv6連接的情況。TunnelBroker要求隧道的雙方都支持雙協議棧并有可用的IPv4連接,在隧道要經過NAT設施的情況下該機制失效。TB轉換機制包括TunnelServer(TS)和TunnelBroker(TB),Server和Boker位于不同的主機上,隧道的控制通常是web形式的。

  (4)6 over 4,IPv4多播隧道

  6 over 4是一種自動建立隧道的機制,采用前提是IPv4網絡基礎設施支持IPv4多播。該機制適用于IPv6路由器上無直接物理鏈路連接的孤立IPv6主機,使得他們能夠將IPv4廣播域作為他們的虛擬鏈路,成為功能完全的IPv6節點。采用這種方法連接的IPv6節點不需要IPv4兼容地址和手工配置隧道。當采用6 over 4的節點通過一臺支持6 over 4的路由器與外界相連時,節點內的主機可以和外部IPv6節點通信,但6 over4沒有解決孤立的IPv6節點連接到全球性IPv6 Internet的問題。

  (5)6 to 4

  6 to 4要求采用自動從節點的IPv4地址派生出的特殊IPv6地址(IPv4ADDR::/48),所以采用6 to 4機制的節點必須至少具有一個全球惟一的IPv4地址。由于隧道端點的IPv4地址可以從IPv6地址中提取,所以隧道是自動建立的,這種機制適用于運行IPv6的節點之間的互通。6to 4要求隧道中路由器支持雙協議棧和6 to 4,主機至少支持IPv6協議棧。6 to 4機制允許在采用6 to 4的IPv6節點和純IPv6節點之間通過運行BGP4+的中繼路由器(6to 4 Relay Router)進行互通。這種機制把廣域的IPv4網絡作為一個單播的點到點鏈路層,適合作為IPv4/IPv6共存的初始階段的轉換工具。

  3.2 IPv6“小島”與IPv4“海洋”之間的互通方式

  (1)DualStack Model23

  在這種模型下任意節點都是完全雙協議棧的,不存在IPv4與IPv6之間的互通問題,但是這種機制要給每一個IPv6的節點分配一個IPv4地址。這種方法不能緩解IPv4地址資源不足的問題,而且隨著IPv6節點的增加會很難得到滿足。

  (2)SIIT(Stateless IP/ICMPTranslation)

  SIIT定義了在IPv4和IPv6的分組報頭之間進行翻譯的方法,這種機制可以和其他機制(如NAT-PT結合用于純IPv6節點同純IPv4節點間的互通,但在采用網絡層加密和數據完整性保護的環境下這種技術失效。

  (3)NAT-PT(Network Address Translation- ProtocolTranslation)

  NAT-PT就是在做IPv4/IPv6地址轉換(NAT)的同時在IPv4分組和IPv6分組之間進行報頭和語義的翻譯(PT),適用于純IPv4節點和純IPv6節點之間的互通。對于一些內嵌地址信息的高層協議(如FTP),NAT-PT需 要和應用層的網關協作來完成翻譯。在實現方面,如果沒有DNS-ALG的支持,只能實現由IPv6發起的與IPv4之間的通信,反之,包就會被丟棄;如果有DNS-ALG的支持,就可以實現雙向的通信。

  除了上述3種互通方式,IPv6“小島”與IPv4“海洋”間還可以通過BIS,BIA,SOCKS64,TRT,ALG等方式進行互通。

  4 IPv4向IPv6平穩過渡技術的發展形式

  從前面總結的過渡機制可以看出,每種機制都不是普遍適用的,都只適用于某一種或幾種特定的網絡情況,而且常常需要和其他技術組合使用。在實際應用時要綜合考慮各種實際情況制定合適的過渡策略。 在IPv4向IPv6過渡時期,通常應采用如下的組網原則:

  (1)在能直接建立IPv6鏈路的情況下使用純IPv6路由。

  (2)在不能使用IPv6鏈路的情況下,IPv6節點之間使用隧道技術。

  (3)雙協議棧的IPv6/IPv4節點和純IPv6節點或者純IPv4的節點通信不需要采用協議轉換,而直接“自動”選擇相應的通信協議(IPv4或者IPv6)。

  (4)對于純IPv6節點和純IPv4節點之間的互通,則應該使用協議轉換(NAT-PT)或者應用層網關(ALG)技術,設計的協議轉換器或者ALG應該盡量保證在不修改原有應用的情況下就可以使用。

  相應于上述組網原則,我們認為IPv4向IPv6過渡采用 分階段演進是最為可行的方式,概括起來有以下4個階段:

  第一階段,IPv4“海洋”中開始有越來越多的IPv6“小島”。這時,必然需要各種適當的過渡機制,可供選擇的機制主要有隧道代理,6 over 4, 6to 4, NAT-PT。

  第二階段,越來越多的IPv6“小島”逐漸變大、變多,成為與IPv4“海洋”不相上下的另一個“海洋”,采用NAT的過渡機制可能會更有效率。

  第三階段,與第一階段正好相反,即IPv6成為整個網絡世界的主流,而IPv4網絡越來越少,形成IPv6“海洋” 和IPv4“小島”并存的情形,可能采用的過渡機制有NAT-PT和DSTM。

  第四階段,IPv6成功應用,那時應該是純IPv6“海洋”,IPv4“小島”也不存在了。這時已不需要過渡技術,各網絡節點間都采用基于IPv6的通信方式。

  IPv4自身的局限性注定了IPv4支撐的Internet會逐漸、平穩地過渡到以IPv6為核心的新一代Internet,在不同的過渡階段、不同的網絡環境應分別采用不同的過渡技術和機制。

  迄今為止,還沒有一種普遍適用的標準過渡機制,現有過渡機制各有優缺點和各自不同的適用范圍,只有因地制宜、科學分析,在不同的過渡階段明確應用的類型、范圍和系統類型,合理選擇轉換機制,才能更順利地以較小的代價實現IPv4網絡向IPv6的平穩過渡。

  參考文獻

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摘自 現代電子技術
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