IPv6网络过渡环境建设方案

◆马骁

IPv6网络过渡环境建设方案

◆马骁

（大庆油田信息技术公司北京分公司 黑龙江 163000）

全球信息化已逐步进入全面渗透、跨界融合、加速创新、引领发展的新阶段。大数据、物联网、人工智能、区块链等新技术使网络开始向万物互联进化。由于IPv4地址资源枯竭和IPv4协议本身所带来的限制，目前全球通信行业的运营商、服务商以及开展新兴技术应用的企业都在向IPv6迁移，并且呈现加速的趋势。但两个协议相互之间并非兼容的，因此在目前基于IPv4的网络环境中，IPv6是否可以成功是由IPv4向IPv6过渡情况来决定的。本文围绕IPv6网络过渡环境建设进行深入的分析和探究，以供参考。

IPv6；过渡环境；全球信息化；万物互联

1 IPv6/IPv4网络过渡的需求

IPv6协议与IPv4协议并不兼容，两者无法直接互相通信，因此采用IPv6技术建设网络需要考虑IPv6与IPv4网络过渡的需求，主要有两方面：一是原有基于IPv4协议构建的系统如何接入IPv6网络，使得在IPv6网络中与原有IPv4环境下相比，数据通信效果一致或更优。二是IPv6与IPv4的互通，使IPv6网络与其他IPv4网络能够互访。因此需要搭建网络过渡环境，满足过渡期IPv6与IPv4协议共存、IPv6与IPv4相互通信的需求。

2 网络过渡环境建设技术方案

2.1 IPv6网络演进路线

随着网络的快速发展，终端在IP地址需求方面会不断提升。结合有关数据可知，世界上能够分配的IPv4地址在2011年就已经全部分配完，互联网发展会受到很严重的影响。如今IPv6是对于IP地址不足最有效或者说唯一的解决方法，然而因为其与IPv4并没有兼容，并且当前网络中IPv4用户与设备数量很多，所以对于如何从IPv4平滑的过渡到IPv6的研究课题成为焦点。

IPv6网络的建设是一个从无到有的过程，应用迁移以及全网的IPv6化是一个循序渐进的工作，并不能一蹴而就。IPv4网络向IPv6网络演进路线可以分为以下三个阶段。

第一阶段：是IPv4网络向IPv6网络过渡的初期阶段。绝大部分应用仍然处于IPv4网络中，而IPv6网络仅在局部构成中小型网络，类似是一些孤岛。这个阶段可以称为“IPv6孤岛、IPv4海洋”。这一阶段面临的问题主要有两个，其一，连通所有相互独立的IPv6网络；其二，IPv6孤岛访问资源基本上都是位于以IPv4为基础的网络内，急需处理IPv6和IPv4网络相互通信的问题。

第二阶段：是IPv4网络向IPv6网络过渡的中期阶段。IPv6网络运用范围不断扩展，形成与IPv4网络相互独立存在的以接入、汇聚、核心为主的系统网络结构。此阶段最关键的任务就是IPv4网络资源以及IPv6网络资源相互访问问题的处理。还包括IPv4网络节点向IPv6网络节点的升级，IPv4网络中应用、业务以及资源向IPv6网络的转移等。

第三阶段：是IPv4网络向IPv6网络过渡的后期阶段。IPv4网络中的大部分业务和应用都向IPv6迁移完成，与初级阶段对比来看，从IPv6孤岛转变为IPv4孤岛，从IPv4海洋转变为IPv6海洋，以相互独立的IPv4网络的连通和IPv4终端对IPv6资源进行访问的问题为主要任务。

图1 IPv6过度技术及其演进路线

2.2 IPv6生产网过渡技术选择

由于IPv6和IPv4的报文格式并不兼容，如何实现IPv6和IPv4的平滑过渡已经成为IPv6广泛应用的瓶颈。下面介绍几种主要的过度技术：

（1）双栈技术

图2 双栈拓扑示意图

该技术指的是IPv4与IPv6协议在网络节点中同时运行，从逻辑层面构建互相独立的IPv4网络、IPv6网络。通过该技术对IPv6网络进行部署，独立性强，可以渐进式完成。在当前IPv6网络部署的方式中是难度最低的，因此应用非常普遍。

该技术使IPv4、IPv6两大网络共存得以实现，不过对于二者的互通问题依旧无法解决。而且它并不节省IPv4地址，无法应对IPv4地址耗尽。

（2）隧道技术

隧道技术是指将一种协议封装到另外一种协议中的技术。该技术在IPv6网络孤立于IPv4网络中时互通问题进行处理，或者分布在IPv6网络中的IPv4岛屿互连。隧道技术只需要边界节点实现双栈，并通过隧道将一个地址族的数据穿越另一个地址族网络。

隧道技术本质是对点到点透明传输通道进行提供，但IPv4和IPv6网络节点互通不能实现。对于大范围部署并不适用，扩展性能并不理想。

图3 隧道技术拓扑示意图

（3）翻译技术

该技术指的是使IP数据包从原本的IP协议族转化为其他IP协议族，包含应用层与网络层翻译，应用层翻译是基于网络层翻译的，具体实现是利用多种应用层网关来完成。

对于IPv4与IPv6网络互连问题的处理，该技术是唯一解决方法，不过在扩展性和性能等多种因素的干扰下，一般只能在网络边缘中应用该技术。

图4 翻译技术拓扑示意图

（3）地址翻译技术选择

该技术主要有无状态和有状态翻译技术两种。

①无状态的翻译技术-IVI

IVI机制针对IPv4/6互通的需求，提供一套可路由无状态的映射机制实现IPv4与IPv6网络互访。IVI对特定的IPv4和IPv6地址提供了双向的单一的映射，还提出了详细的路由解决方案。IVI路由器与IPv4网络和IPv6网络连通，完成自身数据包对译，使相互访问得以实现，并且对网络本身不会产生干扰。地址映射和协议翻译这两大功能是在IVI路由器中完成的，对于地址映射来说，简单来说就是以统一规则为基础，完成两大网络地址的一一映射，进而实现翻译；对于协议翻译来说，就是以有关规定为基础，完成两大网络协议字段对译，并且对TCP/UDP协议有关字段进行更新，使数据包翻译彻底完成。在IVI路由器运作下，两大网络节点本身不需要进行改变就能完成互访。

IVI方案包括1:1和1:N两种方式.1:1方案实现了IPv6地址和IPv4地址的一一映射关系，而1:N方案则引入了端口映射机制，实现了IPv6地址与IPv4地址+端口的映射关系，这种机制由于需要保存映射关系，因此需要保留状态来完成通信，在IPv4地址渐渐枯竭时，这种方式应该是一种较好的解决方式。

②有状态的翻译技术-NAT64

该技术属于有状态的网络地址与协议转换技术，通常情况下只能从IPv6网络向IPv4网络发送访问，不过反方向的连接访问可以利用手机配置静态映射关系来实现。

在IPv4网络与IPv6网络间安装NAT64双栈路由器，其作用是完成两大网络间的翻译。所以，该路由器必须至少具有IPv4公有地址池和IPv6前缀各一个。源地址翻译是翻译模块在IPv4公有地址池中选出没有应用的端口以及IPv4地址一个，然后映射到源主机IPv6地址上；目的地址的翻译则是直接去掉特定的IPv6前缀，完成IPv6包头向IPv4 包头的翻译，然后利用NAT64双栈路由器IPv4接口向外网发送，由此访问IPv4服务就得以完成。

3 IPv4/IPv6网络过渡环境建设

IPv4到IPv6的演进是一个长期的过程，中间涉及改造初期、改造中期、改造后期三个阶段，因此需要建设一套网络过渡环境保证IPv4与IPv6网络共存和平滑过渡，过渡环境的建设有两种方案：

3.1 方案一：分散式部署

在各汇聚点建设相应的网络过渡环境。当下联的接入单位和上联核心需要进行IPv4与IPv6网络或业务的数据交互时，都在各汇聚点来完成。

优点：可以更好契合各汇聚点的网络和业务，保证改造前后业务质量的一致性。

缺点：过渡环境建设费用较高，个别汇聚点业务较少，对设备性能和链路产生浪费，需要每个汇聚点配备运维人员。

3.2 方案二：集中式部署

在核心层统一建设过渡环境，当下联汇聚点、接入点等需要进行IPv4与IPv6网络或业务的数据交互时，都在核心层来完成。

优点：核心层统一部署，建设费用低、机房环境优良，可以充分利用设备性能和链路，便于管理和维护。

缺点：对设备性能要求较高。

4 结语

在进行IPv6的平滑过渡升级之前需要充分通过方案比选，比较各种方案的优缺点，对现网设备信息收集和IPv6改造难度进行评估（终端、运维支撑系统、承载网、周边系统、数据中心）。结合网络的现状，综合考虑了成本、效益、技术实现、可扩展性、安全性、冗余性等多方面因素后，根据实际业务需求采用IVI、NAT64和双栈三种过渡技术，使新建的IPv6网络与原有IPv4网络能够互通，最大限度地利用现有资源和服务。

[1]国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）.

[2]国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见（2017-00206.

[3]国务院关于印发“十三五”国家信息化规划的通知》（国发【2016】73号）.