浅谈IPv6与IPv4的互通技术
作者：梁国宁
来源：《电子世界》2012年第20期
        【摘要】IPv6作为Internet协议的下一版本，对IPv4的最终取代将不可避免的成为必然。但，IPv4支撑的互联网，不可能所有节点立即过渡到IPv6.在相当一段时间内，互联网的特征将是IPv6和IPv4共同存在.采用合理的互通技术是IPv4向IPv6平稳过渡的必要保障。本文对双协议栈（DUAL STACK）、隧道（TUNNEL）和NAT64与DNS64等三种IPv4与IPv6互通技术进行探讨。
        【关键词】IPv4；IPv6；互联网
        1.引言
        IPv4，是互联网协议（Internet Protocol，IP）的第四版，也是第一个被广泛使用，构成现今互联网技术的基础协议。IPv4可以运行在各种各样的底层网络上，比如端对端的串行数据链路（PPP协议和SLIP协议）、以太网（TCP/IP协议）卫星链路等。目前的全球因特网所采
用的协议族是TCP/IP协议族。IP是TCP/IP协议族中网络层的协议，是TCP/IP协议族的核心协议。目前IP协议的版本号是4（简称为IPv4，v，version版本），它的下一个版本就是IPv6。IPv6正处在不断发展和完善的过程中，它在不久的将来将取代目前被广泛使用的IPv4。
        随着Internet的迅速增长以及IPv4地址空间的逐渐耗尽，IPv6作为Internet协议的下一版本，对IPv4的最终取代将不可避免的成为必然。IPv6作为一种新的协议，从诞生到实际应用是有很大距离的，尤其是对于IPv4支撑的互联网，不可能要求所有节点立即过渡到IPv6。在IPv6部署初期，互联网将由IPv4“海洋”和一个个新建的IPv6“小岛”组成。随着IPV6的发展，这些小岛将逐步扩大。所以在相当一段时间内，互联网的特征将是IPv6和IPv4共同存在。在这个阶段，要解决两个方面的问题：IPv6“小岛”和IPv4“海洋”之间的通信。
        2.IPv4与IPv6的比较
        IPv4的地址位数为32位，理论上最多有2的32次方的IP地址可以分配，实际上可用的IP地址比理论上的更少。目前用于标示全球网络设备和终端设备的网络地址约有40亿个，现已基本殆尽。
        IPv6地址长度为128位（16字节），即有2^128-1（3.4E+38）个地址，这一地址空间是IPv4地址空间的1029倍（或以目前全球总人数而言，人均可分配1.8×1019个IPv6地址）。IPv6采用分级地址模式，支持从Internet核心主干网到企业内部子网等多级子网地址分配方式。在IPv6的庞大地址空间中，目前全球连网设备已分配掉的地址仅占其中极小一部分，有足够的余量可供未来的发展之用。同时由于有充足可用的地址空间，NAT之类的地址转换技术将不再需要。与IPv4相比，IPv6以其特性占据了优势：具有更大的地址空间，使用更小的路由表，服务质量（QoS，QualityofService）控制提供了良好的网络平台。
        3.IPv4与IPv6互通技术
        在很长的一段时间内，IPv6地址和IPv4地址必须共存。IPv4/IPv6的互通技术用来保证这两种网络协议可以在互联网中共同工作，在IPv6发展过程中这些技术可以帮助IPv6业务在现有的IPV4网路基础架构上工作。本文探讨的IPv4与IPv6互通的基本技术为以下三种：双协议栈（DUAL STACK）、隧道（TUNNEL）和NAT64与DNS64技术。
        3.1 双协议栈（DUAL STACK）
        双协议栈是指在完全过渡到IPv6之前，使一部分主机或路由器装有两个协议栈，一个IPv4和一个IPv6。双协议栈主机或路由器既能够和IPv6的系统通信，又能够和IPv4的系统通信。双协议栈主机在和IPv6主机通信时采用IPv6地址，在和IPv4主机通信时采用IPv4地址。双协议栈主机可以通过对域名系统DNS的查询知道目的地主机是采用哪一种地址。若DNS返回的是IPv4地址，双协议栈的源主机就使用IPv4地址。但当DNS返回的是IPv6地址时，源主机就使用IPv6地址。
        在图1中边缘路由器为双协议栈路由器，其连接的局域网中有单纯的IPv4客户端也有单纯的IPv6客户端，我们可以通过为路由器的以太网接口同时配置IPv4地址和IPv6地址的方式使下面的客户端接入网络，同时我们也要在边缘路由器上同时配置IPv4路由协议和IPv6路由协议，这样才能保证IPv4网络和IPv6网络同时工作。
        3.2 隧道（TUNNEL）
        隧道（Tunnel）是指将一种协议报头封装在另一种协议报头中，这样，一种协议就可以通过另一种协议的封装进行通信。IPv6隧道是将IPv6报头封装在tcp ip协议4和6IPv4报头中，这样IPv6协议包就可以穿越IPv4网络进行通信。在IPv6全面实施之前，总有一些网络先提供对IPv6的支持，
但是这些IPv6网络被运行IPv4协议的骨干网络隔离开来。“IPv6 over IPv4”的隧道就用来连接这些孤立的IPv6网络，完成IPv4与IPv6的互通。隧道技术目前是国际IPv6试验床6Bone所采用的技术。利用隧道技术可以通过现有的运行IPv4协议的Internet骨干网络（即隧道）将局部的IPv6网络连接起来，因而是IPv4向IPv6过渡的初期最易于采用的技术。
        隧道技术的优点在于隧道的透明性，IPv6主机之间的通信可以忽略隧道的存在，隧道只起到物理通道的作用。它不需要大量的IPv6专用路由器设备和专用链路，可以明显地减少投资。其缺点是：在IPv4网络上配置IPv6隧道是一个比较麻烦的过程，而且隧道技术不能实现IPv4主机和IPv6主机之间的通信。
        如图2所示：网络终端首先通过IPv6网络将其数据包发送到路由器（同时也是隧道入口）。对于可以进行转换的数据包，路由器将IPv6数据包转换成IPv4数据包，在公网上进行传递；对于不能进行转换的数据包（如利用IPsec加密的数据包），利用隧道进行传递，在隧道入口处对IPv6数据包进行封装，然后将封装有IPv6的IPv4数据包在公网上进行传输。
        3.3 NAT64与DNS64
        在IPv6网络的发展过程中，面临最大的问题应该是IPv6与IPv4的不兼容性，因此无法实现二种不兼容网络之间的互访。为了实现IPv6与IPv4的互通，IETF（互联网工程任务组）在早期设计了NAT-PT的解决方案：RFC2766，NAT-PT通过IPv6与IPv4的网络地址与协议转换，实现了IPv6网络与IPv4网络的双向互访。但NAT-PT在实际网络应用中面临各种缺陷，IETF推荐不再使用，因此已被RFC4966所废除。
        为了解决NAT-PT中的各种缺陷，同时实现IPv6与IPv4之间的网络地址与协议转换技术，IETF（互联网工程任务组）重新设计一项新的解决方案：NAT64与DNS64技术。
        NAT64是一种有状态的网络地址与协议转换技术，一般只支持通过IPv6网络侧用户发起连接访问IPv4侧网络资源。但NAT64也支持通过手工配置静态映射关系，实现IPv4网络主动发起连接访问IPv6网络。NAT64可实现TCP、UDP、ICMP协议下的IPv6与IPv4网络地址和协议转换。
        DNS64则主要是配合NAT64工作，主要是将DNS查询信息中的A记录（IPv4地址）合成到AAAA记录（IPv6地址）中，返回合成的AAAA记录用户给IPv6侧用户。DNS64也解决了NAT-PT中的DNS-ALG存在的缺陷。
        NAT64一般与DNS64协同工作，而不需要在IPv6客户端或IPv4服务器端做任何修改。NAT64解决了NAT-PT中的大部分缺陷，同时配合DNS64的协同工作，无需像NAT-PT中的DNS-ALG等。
        目前NAT64与DNS64均处于IETF的草案阶段，尚未形成正式的RFC文档。但由于IPv6的快速发展、应用场景的需求、IPv6侧网络用户的强烈需求，处于草案阶段的NAT64与DNS64已经正式开始在互联网中部署应用了。NAT64也只是IPv6网络发展初期的一种过渡解决方案，在IPv6发展前期会被广泛部署应用，而后期则会随着IPv6网络的发展壮大，逐步退出历史舞台。
        如图3中，DNS64 Server与NAT64 Router是完全独立的部分。其中64：FF9B：：/96为DNS64的知名前缀，DNS64一般默认使用此前缀的流量才做NAT64转换。一般在DNS64与NAT64中该前缀被标示为pref64：：/n，该前缀可根据实际网络部署进行配置。在NAT-PT中，转换的前缀只支持固定96位长度，而NAT64中则可使用：32，40，48，56，64或96等范围，每种长度的前缀转换规则也不完全相同。
        当IPv6用户发起连接访问普通IPv6网站，流量将会匹配IPv6默认路由而直接转发至IPv6
Router处理。而访问的是IPv4单协议栈的服务器时，将经DNS64 Server进行前缀合成，pref64：：/n的流量将被路由转发至NAT64 Router上，从而实现IPv6与IPv4地址和协议的转换，访问IPv4网络中的资源。
        4.结束语
        互联网向IPv6演进，不仅涉及运营商网络的IPv6改造，还涉及大量的内容提供商ICP和上网用户的IPv6迁移。因此，如何启动IPv6工程，选择适合的过渡技术，引导网民和ICP向IPv6迁移是至关重要的。完善的互通技术和互通机制将有利于IPv4向IPv6的平稳过渡，加快互联网向IPv6的演进步伐。
        参考文献
        [1]李琳麟，冯彦君.IPv6/IPv4 Tunnel研究及一种过渡初期解决方案[J].计算机工程，2004（19）：159-162.
        [2]付爱英，曾勍炜，徐知海.IPv6隧道技术及其安全性分析[J].计算机与现代化，2006（03）：80-82，86.
        [3]何小燕，吴介一.IPv6/IPv4网络地址转换[J].计算机工程与应用，2000（07）：122-124.

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