IPv4是目前Internet的最大支撑。IPv4地址匮乏的问题众所周知, 只有40亿左右各可用的IP地址, 人均还不到1个IP。IPv6采用128位编址方式, 提供了个IP地址, 每个人可以分配个IP地址。IPv6的编址方式带来了几乎无穷无尽的可用的地址, 为新兴的各种互联网应用提供了有效的解决方案, 从而推动整个网络不断向IPv6过渡和转换。
几乎现有的每个网络终端、网络互联设备都支持IPv4;部分设备支持IPv6, 但是却没有开启IPv6应用;只有很少的一部分设备以IPv6方式在运行。因此要想一夜间就完成所有设备从IPv4到IPv6的转换是不切实际的。可以预见, IPv4向IPv6的过渡需要相当长的时间才能完成。在IPv4向IPv6过渡过程中可能需要的各种问题需要提前进行分析, 并给出相应的解决方案。常见的过渡技术有如下几种。
1 双协议栈技术
IPv6和IPv4是功能相似的网络层协议IPv6是在IPv4的基础上发展起来的。两者都可以基于TCP/IP协议栈结构进行运作可以享用相同的物理层、数据链路层, 高一层次的传输层协议TCP和UDP也是没有任何区别。双协议栈技术的工作机理:如果一台设备同时运行IPv4和IPv6两种协议, 那么该设备既能通过IPv4协议访问IPv4网络, 又能通过IPv6协议访问IPv6网络。
对于主机而言, “双栈”是指可以按照需求对应用层生成的数据报文进行IPv4或者IPv6封装;对于网络设备如路由器来讲“双栈”是指在设备中同时维护IPv4和IPv6两套路由表, 使得设备既能与IPv4主机也能与IPv6主机通信, 分别支持独立的IPv4和IPv6路由协议;IPv4和IPv6路由信息按照各自的路由协议进行运作。
双栈方案的优点是:概念清晰, 网络规划比较简单, 在IPv6逻辑网络中可以充分发挥IPv6协议的优点 (如安全性、路由约束等) 。但是双栈方案也存在以下缺点:因为设备不但支持IPv4路由协议, 而且支持IPv6路由协议, 这就要求其必须同时维护大量的协议和数据, 对网络设备的性能要求较高;另外, 网络升级将涉及到网络中的所有网络设备, 投资较大、建设周期也比较长。
2 隧道技术
随着IPv6网络的发展, 出现了许多局部的IPv6网络, 即IPv6孤岛, 这些网络内部不再运行IPv4协议, 由于这些IPv6网络都是处于孤立状态, 那么它们之间必须通过IPv4骨干网络才能实现互联。隧道技术可以较便捷实现以上功能, 是IPv4向IPv6过渡的过程中广泛采用的技术。
隧道主要是在路由器上建立的;路由器上隧道接口的目的地址和源地址都采用IPv4地址, 隧道的入口、出口设备都必须同时支持IPv6和IPv4。路由器将IPv6的分组报文封装入IPv4报文中, 发送到IPv4隧道中, 在隧道的出口处, 再将IPv6分组取出来再根据路由表信息转发给最终目的设备。隧道技术只需要在隧道的入口和出口进行报文的修改, 主要是封装和解封装, 对隧道所经设备没有特别要求, 因而非常容易实现。此外, 隧道也可以在路由器和主机之间建立, 这时候, 主机就等同于路由器了。
在实践中, 根据隧道建立的方式不同, 隧道技术可分为:构造隧道、自动配置隧道、组播隧道以及IPv6to IPv4隧道。根据隧道节点的组成情况, 隧道可分为以下4种类型:路由器-路由器隧道、路由器-主机隧道、主机-主机隧道、主机-路由器隧道。
隧道方案能够充分利用现有的网络资源, 因此在过渡初期是一种不错的选择。但是, 因为数据报文在隧道的入口会被拆分, 在隧道出口处会进行重组, 这增加了隧道出入口的实现难度, 不利于大规模的组网应用。
此外需要注意的是:隧道技术只是一种报文转发技术, 对转发的原始报文不做修改的, 所以不能实现IPv4主机与IPv6主机的直接通信。
3 网络地址转换/协议转换技术
隧道技术一般用于IPv6 (或IPv4) 节点间的互相通信, 而对于IPv4和IPv6节点间的通信, 需要采用对IPv4和IPv6报文进行语法和语义转换的NAT技术。其工作原理如下:当IPv6网络中有IPv6报文发给网关时, 网关将其转化成IPv4报文发向IPv4网络;反过来当IPv4网络中有报文要发送时, 网关就将其转化成IPv6报文发向IPv6网络。转化网关需要维护一个IPv4和IPv6地址的映射表。在IP协议基础上利用端口号信息, 就可以实现NAT, 这同目前IPv4环境下的NAT没有本质上的区别。
对应协议的转换类型可以分为两种, 一种是IPv4与IPv6网络层的转换, 另一种是IPv4应用层与IPv6应用层之间的转换。前者主要是通过NAT技术实现的, 后者主要通过应用代理网关 (ALG) 来实现。
地址、协议转换技术的优点主要是不需要进行IPv4、IPv6节点的升级改造, 缺点是IPv4节点访问IPv6节点的实现方式比较复杂, 网络设备进行协议转换、地址转换的处理开销较大。
目前这一方面最新研究成果是中国CNGI-CERNET2 IPv6过渡技术研究组提出的IPv4和IPv6的转换技术一一IVI。通过这种转换技术, IPv6主机可以透明地访问IPv4网络, IPv4主机可以有条件地访问IPv6网络。IVI转换类型可以分为无状态的一对一转换和有状态的一对N转换两种。IVI支持一对一的无状态地址转换, 即通过一段特殊的IPv6地址和IPv4地址进行一一映射, 可以同时支持IPv4和IPv6发起的通信。IVI网关能够通过IPv4和IPv6的一对一的映射直接找到对应的地址, 从而大大减轻网关设备的负担和效率。IVI还支持一对N的有状态地址转换, 也可以实现IPv4地址的复用和IPv6对IPv4地址的单向互通。
相比双栈或隧道等过渡技术, IVI为向IPV6转换提供了一条简单和现实的路径:既高效地解决了IPV6网络对IPv4网络海量资源的利用难题, 又大大减少了双栈设备的维护费用。
4 结语
I P v 4协议本身的局限性注定了当前的Internet会逐渐、平稳地过渡到以IPv6为核心的新一代互联网上, 其过渡演变过程也一定是漫长的。整个过渡呈现出先边缘后核心的趋势, 即先行升级转换的都是一些小型的边缘网络, 然后才是大型的核心网络, 最后是全网向IPv6转换。在不同的过渡阶段、不同的网络环境中需要采用不同的过渡技术和转换机制, 才能以较小的成本实现Internet从IPv4向I P v 6网络的顺利过渡。
摘要：IPv4向IPv6转换过渡过程中需要面临的问题, 并对常见的过渡技术进行了分析。
关键词：IPv6,双栈,隧道,IVI