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IPv4向IPv6演進方案

2019-11-03 09:07:27
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來源：轉載
供稿：網友
張惠卿　錢輝兵　何勇琳　沈金龍

本文作者張惠卿女士，南京郵電學院計算機科學與技術系計算機應用專業研究生；

錢輝兵先生，江蘇移動鹽城分公司工程維護部助理工程師；何勇琳女士，

南京欣網視訊科技股份有限公司軟件開發工程師；沈金龍先生，

南京郵電學院計算機科學與技術系教授。


　　關鍵詞：ipv6　隧道技術　雙棧技術

一 前言

　　網絡發展的日新月異，使人類的生活發生了重大變革。在全世界范圍內，Internet的發展正以幾何速度增長著。新的協議、新的應用及新的服務不斷地出現，網絡給人們提供了無盡的資源與機會。目前的IP協議版本是IPv4。但是隨著網絡的飛速發展，IPv4已經暴露出其當初設計不足的地方。尤其是地址空間的局限性使得升級IP協議成為必然。從20世紀90年代初以來，國際上已經開始討論下一代的IP協議，IETF最終確定IPng協議為版本6，稱為IPv6。

二 IPv4向IPv6演進方案

　　目前Internet上成千上萬的主機、路由器等網絡設備都運行著IPv4協議。這就決定了IPv4的網絡向IPv6演進將是一個浩大而且煩雜的工程，IPv4和IPv6網絡將在很長時間內共存，如何從IPv4平滑地過渡到IPv6是一個非常復雜的問題。到目前為止，基本的方式有隧道、雙協議棧及NAT/PT等。

1. 隧道技術

　　隧道技術在過渡階段中是IPv6單獨子網間通信的基本手段。這種機制在IPv4網絡“海洋”之上連接孤立的IPv6節點“孤島”。隧道技術將IPv6的分組封裝到IPv4的分組中，封裝后的IPv4分組將通過IPv4的路由體系傳輸，分組報頭的“協議”域設置為41，表示這個分組的負載是一個IPv6的分組，以便在適當的地方恢復出被封裝的IPv6分組并傳送給目的站點。隧道技術如圖1所示。



　　這樣就可以實現兩個IPv6“孤島”之間的連接。同時在IPv6變為主導后，可以反過來作為IPv4“孤島"的連接方式。

2. 雙協議棧

　　雙棧方式是過渡階段的一種主要的方式。雙棧方式是指主機同時運行IPv4和IPv6兩套協議棧，同時支持兩個版本的網絡層IP協議標準。主機和路由器都可以通過雙棧方式來獲得和IPv4及IPv6結點的通信能力。

　　雙棧工作方式可以描述如下：

　　a. 如果應用程序使用的目的地址是IPv4地址，則使用IPv4協議棧。

　　b. 如果應用程序使用的目的地址是嵌入IPv4地址的IPv6地址，則IPv6就封裝到IPv4中。

　　c. 如果目的地址是IPv6地址，則使用IPv6地址，或者封裝在默認配置的隧道中。

　　雙棧協議層次模型如圖2所示。



3. 地址翻譯與報頭轉換技術(NAT/PT)

　　隧道技術一般用于IPv6節點間的通信，而對于v4和v6節點間的通信，采用直接對IPv4和IPv6報文進行語法和語義翻譯的NAT/PT技術。基本工作原理如圖3所示：當IPv6子網中有IPv6分組發給網關時，網關將其轉化成IPv4分組發向IPv4子網；反過來當IPv4子網中有數據分組要發送時，網關就將其轉化成IPv6分組發向IPv6子網。轉化網關要維護一個IPv4和IPv6地址的映像表。



　　NAT/PT技術是在SIIT(Stateless IP/ ICMP Translator)技術上發展起來的。SIIT是一種網絡層的翻譯技術。NAT/PT技術主要是按照協議規范規定的報頭格式對IPv4和IPv6的協議進行轉化，從而連接IPv4和IPv6兩個部分。轉化分為兩個部分，一個是IPv4和IPv6地址的轉化，另外一個是IPv4和IPv6報頭的轉化。

　　a. 地址轉換

　　IPv4的地址是32位，而IPv6的地址為128位，兩個地址格式不同的地址之間需要建立映像關系。有以下幾種建立方式。封裝IPv4地址為ADDR4類型，封裝IPv6地址為ADDR6類型，封裝IPv4兼容IPv6地址為ADDR64型。

　　(1)DNS解析地址

　　為了擴展DNS支持IPv6，IETF先后定義了兩種新的資源記錄類型：AAAA和A6。為了實現v4和v6的轉化可以擴充DNS服務器，為IPv4或IPv6的網絡提供DNS服務器作“IP轉換欺騙”。IPv4主機(ADDR4)向DNS請求查詢的時候，如果DNS服務器發現目的主機只有IPv6地址(ADDR6)，將會返回給該IPv4主機一個IPv4的地址(ADDR64)作為查詢結果。DNS服務器要和NAT-PT轉換網關實時的通信，保持ADDR4、ADDR6和ADDR64這3個地址之間對應關系的更新。這樣NAT-PT網關就可以根據這些信息進行地址/協議轉換。同樣適用于當IPv6主機查詢DNS獲得IPv4地址的時候。

　　(2)IPv4和IPv6地址映像表

　　地址映像表將IPv4地址和IPv6地址分別看作內部地址和全局地址，或者正好相反。內部的IPv4主機和外部的IPv6主機通信時，將IPv4地址(相當于內部地址)變換成IPv6地址(相當于全局地址)，服務器維護一個IPv4與IPv6地址的映像表。反之，當內部IPv6主機和外部IPv4主機進行通信時，IPv6轉為IPv4地址。執行NAT/PT的主機上配置了一個地址映像表。這個映像表形如：

　　10.10.9.200　beef:feed::1234:5678

　　3ffe:1cff::bead:ed:cafe:dffd　100. 10.9.188

　　(3)利用IPv4兼容IPv6地址

　　類似于::10.10.9.188這樣的IPv6地址稱為IPv4兼容的IPv6地址。在v6結點要訪問v4結點的時候，可以使用這種地址作為v6結點去訪問v4結點時的目的地址。NAT/PT網關處理時只要把低32位取出來作為v4包的目的地址即可。對于IPv6地址來說，也可以使用這種v4兼容的v6地址，但這就要求每個IPv6結點有對應的一個v4地址。

　　b. 報頭轉換

　　IPv4報頭和IPv6報頭之間有一些字段可以直接轉化，而一些字段是對方特有的，需要特殊處理。

　　(1)IPv4 To IPv6

　　在IPv4沒有分段的情況下，也就是IPv4.Df=0，這個時候偏移量也為0。IPv6的報頭轉換如下：

　　IPv6.Version=6：將版本變為6

　　IPv6. Traffic Class=IPv4.TOS：直接拷貝，或者按照語義予以翻譯

　　IPv6. Flow Label=0：可以全部置為0

　　IPv6.Payload Length=IPv4.length-length(IPv4-header)：新的IPv6中的負載長度定義為凈荷的長度，也就是總長度減去IPv4報頭和選項的長度。

　　IPv6.Next　header=IPv4.PRotocol：協議字段直接拷貝過來

　　IPv6. Hop　Limit=IPv4.TTL-1：逐跳限制和IPv4的生存時間含義相似，如果是跳數為0就要發出ICMP報文給源目的地。

　　IPv6. Source　Address=ADDR64(IPv4. Source Address)：IPv4地址轉換得到的ADDR64地址

　　IPv6. Destination　Address=ADDR64 (IPv4. Destination Address)：準備發送的目的地址。

　　(2)IPv6 To IPv4

　　在IPv6沒有分段擴展報頭情況下，IPv6轉化到IPv4報頭的算法如下：

　　IPv4.Version=4：將版本變為4

　　IPv4.length=5：沒有選項擴展報頭的情況下

　　IPv4.TOS=IPv6. TrafficClass：直接拷貝，或者按照語義予以翻譯

　　IPv4.Total　Length=IPv6.Payload length+IPv4.length：總長度設置

　　IPv4. Identification=zero

　　IPv4. Flags=0

　　IPv4. Fragment Offset=0

　　IPv4.Next　header=IPv6.Protocol：協議字段直接拷貝過來

　　IPv4.TTL=IPv6. Hop Limit-1: IPv4的生存時間和IPv6逐跳限制和含義相似，如果是0就要發出ICMP報文給源目的地。

　　IPv4.Header Checksum=sum()：需要對IPv4頭做一個校驗和

　　IPv4.Protocol=IPv6.Next header：協議字段直接拷貝過來。

　　IPv4. Source　Address=ADDR64(IPv6. Source Address)：IPv6地址轉換得到的ADDR64地址

　　IPv4. Destination　Address=ADDR64 (IPv6. Destination Address)：準備發送的目的地址。

三 結論

　　IPv6的最終實現還需要很長時間。但是由于各種推動因素的加劇，IPv6網絡的大規模實施已經為期不遠。網絡過渡時期中IPv4和IPv6技術將保持長時間共存，并最終過渡到IPv6。雖然通過CIDR和NAT等技術，可以緩解IPv4向IPv6演進的步伐，但IP網絡的高速發展已成為不可阻擋的趨勢，從長遠發展的眼光來看，IPv6技術勢在必行?？傊?，下一代的IP網絡將是一個以IPv6協議族為基礎，保持高度簡潔的網絡核心同時結合區分服務及其他技術提供服務質量，可以承載復雜多樣的業務，可以運行在各種網絡底層平臺之上的統一IP網絡。這個網絡將作為計算機網絡，通信網絡的統一平臺。(全文完)


----《世界電信網絡》

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