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1  前言

    隨著互聯(lián)網(wǎng)用戶的不斷增多以及他們對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)要求的不斷提高，IPv4固有的一些缺陷使得它已經(jīng)不能滿足這種日漸增長(zhǎng)的需要。IPv6正是為解決這個(gè)問(wèn)題而出現(xiàn)的，同時(shí)它的新特性為下一代互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供了更好的支持。
    互聯(lián)網(wǎng)的普及使IPv4向IPv6的過(guò)渡不可能一蹴而就，它需要很長(zhǎng)一段時(shí)間才能完成。IPv6也不僅僅是對(duì)IPv4的簡(jiǎn)單升級(jí)，因?yàn)轭^部特征和配址機(jī)制的不同，這兩種協(xié)議是互不兼容的。因此，IPv4如何漸近、平滑的過(guò)渡到IPv6是必須解決的一個(gè)問(wèn)題。
    IETF的Ngtrans工作組提出了從IPv4過(guò)渡到IPv6的3種主要遷移機(jī)制：雙協(xié)議、協(xié)議翻譯A、隧道。

2  雙協(xié)議

圖1  雙協(xié)議（棧）節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)分層模型

    如圖1(a)所示，雙協(xié)議節(jié)點(diǎn)（包括主機(jī)和路由器）同時(shí)實(shí)現(xiàn)了IPv4和IPv6協(xié)議，可以和IPv4或IPv6主機(jī)建立通信。主機(jī)根據(jù)目的IP地址來(lái)決定采用IPv4還是IPv6協(xié)議發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包。在理想的網(wǎng)絡(luò)分層模型中，傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層是獨(dú)立的，IP層的改變并不會(huì)影響傳輸層協(xié)議的運(yùn)行，但實(shí)際上TCP和UDP協(xié)議在校驗(yàn)碼計(jì)算中都采用包含了源和目的IP地址的偽頭部，所以在LINUX、WINDOWS等操作系統(tǒng)的IPv6協(xié)議實(shí)現(xiàn)中，作為IPv6上層協(xié)議的TCP/UDP代碼是獨(dú)立于IPv4上的TCP/UDP而實(shí)現(xiàn)的，如圖1(b)所示，因此稱之為雙棧節(jié)點(diǎn)更合適。
    目前雙棧是運(yùn)行最廣泛的遷移機(jī)制。不過(guò)雙棧只允許相同IP版本之間的通信，即IPv4和IPv4之間的通信，或IPv6和IPv6之間的通信。不同版本IP之間的通信需要通過(guò)協(xié)議翻譯來(lái)完成。
    在IPv4到IPv6的過(guò)渡初期，絕大多數(shù)終端或路由器都是純IPv4節(jié)點(diǎn)（只實(shí)現(xiàn)了IPv4協(xié)議棧的節(jié)點(diǎn)）或雙棧節(jié)點(diǎn)，在過(guò)渡中期，雙棧節(jié)點(diǎn)或純IPv6節(jié)點(diǎn)將是主要的通信實(shí)體，到過(guò)渡后期，所有接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備基本上都是純IPv6節(jié)點(diǎn)（只實(shí)現(xiàn)了IPv6協(xié)議棧的節(jié)點(diǎn)）。

3  協(xié)議翻譯

    協(xié)議翻譯用來(lái)將IPv4（IPv6）數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IPv6（IPv4）數(shù)據(jù)包，這種轉(zhuǎn)換對(duì)上層協(xié)議是透明的。利用協(xié)議翻譯可以在純IPv6節(jié)點(diǎn)和純IPv4節(jié)點(diǎn)之間建立通信，而不需要修改應(yīng)用軟件。但在IPv4數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IPv6數(shù)據(jù)包的過(guò)程中，由于IPv6頭部含有擴(kuò)展頭部以及諸如流標(biāo)簽等新字段而引起的不適當(dāng)?shù)姆g，可能會(huì)導(dǎo)致傳輸性能的下降。另外，協(xié)議翻譯如NAT一樣會(huì)潛在的破壞端到端的服務(wù)（比如IPSec）。
    Bump-In-the-Stack（BIS）和Bump-In-the-API（BIA）機(jī)制可以使IPv4主機(jī)上的應(yīng)用軟件和純IPv6主機(jī)進(jìn)行通信，當(dāng)應(yīng)用軟件向純IPv6主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，IPv6地址被映射成一個(gè)臨時(shí)的IPv4地址，然后根據(jù)SIIT（Stateless IP/ICMP）將IPv4數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IPv6數(shù)據(jù)包。協(xié)議轉(zhuǎn)換是一個(gè)十分消耗資源的過(guò)程，考慮到擴(kuò)展性的問(wèn)題，協(xié)議翻譯器應(yīng)該處于網(wǎng)絡(luò)邊緣的位置。目前最有名的協(xié)議翻譯機(jī)制是NAT-PT（Network Address Translator－Protocol Translator）。

    如圖5所示，雙棧主機(jī)首先向ISATAP服務(wù)器發(fā)送路由請(qǐng)求，得到一個(gè)64位的IPv6地址前綴，再加上64位的接口標(biāo)識(shí)符::0:5EFE:a.b.c.d，構(gòu)成一個(gè)ISATAP地址，這里的a.b.c.d是雙棧主機(jī)的IPv4單播地址，該地址可以是公有的，也可以是私有的。雙棧主機(jī)配置了ISATAP地址后，就成為一個(gè)ISATAP客戶機(jī)，可以和IPv4域內(nèi)的其他ISATAP客戶機(jī)進(jìn)行通信了。通信過(guò)程如下：雙棧主機(jī)1獲得雙棧主機(jī)2的ISATAP地址后向其發(fā)送數(shù)據(jù)包，根據(jù)目的地址該數(shù)據(jù)包被交給ISATAP接口進(jìn)行發(fā)送，ISATAP從數(shù)據(jù)包的IPv6源地址和目的地址從提出相應(yīng)的IPv4源和目的地址，并對(duì)該數(shù)據(jù)包用IPv4頭部進(jìn)行封裝，封裝后數(shù)據(jù)包的目的地址為雙棧主機(jī)2的IPv4地址，這樣就建立了一條從主機(jī)1到主機(jī)2的隧道。數(shù)據(jù)包最后到達(dá)主機(jī)2，主機(jī)2對(duì)其解封裝，得到一個(gè)IPv6數(shù)據(jù)包。
    ISATAP隧道的優(yōu)點(diǎn)是它不要求隧道端節(jié)點(diǎn)必須具有全球唯一的IPv4地址，因此可用于內(nèi)部私有網(wǎng)中各雙棧主機(jī)之間進(jìn)行IPv6通信。和6to4隧道技術(shù)相結(jié)合，還可以使內(nèi)部網(wǎng)的雙棧主機(jī)接入IPv6主干網(wǎng)。

(3)  Teredo
    位于NAT后的IPv6節(jié)點(diǎn)采用一般的隧道技術(shù)（IPv6-over-IPv4）是不能和NAT域外的IPv6節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的，因?yàn)槟壳暗腘AT一般不支持協(xié)議類型為41（也就是IPv6-over-IPv4）的數(shù)據(jù)包。Teredo隧道有別于一般的IPv6-over-IPv4隧道，確切的講，它是一種IPv6-over-UDP隧道。數(shù)據(jù)包通過(guò)被封裝在UDP載荷中的方式穿過(guò)NAT，這是Teredo隧道的基本思想。
Teredo協(xié)議定義了4中通信實(shí)體： Client、Server、Relay、Host-specific Relay。其中Client指位于NAT域內(nèi)的雙棧主機(jī)，Server負(fù)責(zé)為Client分配Teredo地址，Relay負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)Client和一般IPv6節(jié)點(diǎn)通信時(shí)的數(shù)據(jù)包，Host-specific Relay指不通過(guò)Relay可直接和Client進(jìn)行通信的IPv6主機(jī)。這些通信實(shí)體都同時(shí)支持IPv6/IPv4協(xié)議。Teredo還為Client之間的通信進(jìn)行了優(yōu)化，可大幅度提高傳輸性能。
    Teredo可使NAT域內(nèi)的IPv6節(jié)點(diǎn)獲得全球性的IPv6連接，在因IPv4地址匱乏而廣泛運(yùn)行NAT的地區(qū)尤其是在我國(guó)，Teredo隧道無(wú)疑具有較好的應(yīng)用前景。但Teredo的運(yùn)行需要Relay的支持，并且它不支持隧道中間存在Symmetric NAT，Teredo地址采用規(guī)定格式的前綴也不符合IPv6路由分等級(jí)的思想，這些不足在一定程度上也將影響Teredo的部署。

(4)  6over4
    6over4是一種IPv4組播隧道機(jī)制，通過(guò)將IPv6數(shù)據(jù)包封裝在IPv4中的方式連接互相分離的IPv6主機(jī)。6over4主機(jī)的IPv6地址由64位的單播地址前綴和規(guī)定格式的64位接口標(biāo)識(shí)符::AABB:CCDD組成，其中AABB:CCDD是其IPv4地址a.b.c.d的十六進(jìn)制表示。6over4將IPv4網(wǎng)絡(luò)當(dāng)做具有組播功能的一條鏈路，通過(guò)IPv6組播地址和IPv4組播地址的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)IPv6協(xié)議的鄰居發(fā)現(xiàn)功能，以此，它要求IPv4網(wǎng)絡(luò)支持組播功能。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)很少支持組播功能，所以6over4極少使用。

(5)  DSTM
    如果一個(gè)雙棧主機(jī)沒(méi)有配置IPv4地址，但想和另一個(gè)IPv4主機(jī)通信的話，可以采用DSTM也就是雙棧轉(zhuǎn)換機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙棧主機(jī)首先向DSTM服務(wù)器申請(qǐng)得到一個(gè)臨時(shí)的IPv4地址和DSTM邊緣路由器的地址，然后IPv4數(shù)據(jù)包被封裝在IPv6載荷中進(jìn)行傳輸，所以它是一種IPv4-over-IPv6隧道。在過(guò)渡后期，IPv6網(wǎng)絡(luò)占據(jù)主導(dǎo)地位，IPv4網(wǎng)絡(luò)反過(guò)來(lái)成為IPv6網(wǎng)路汪洋中孤立的小島，當(dāng)IPv6主機(jī)想訪問(wèn)IPv4資源的時(shí)候，DSTM將發(fā)揮作用。

(6)  Tunnel Broker
    Tennel Broker也就是隧道代理相當(dāng)于一個(gè)虛擬的IPv6服務(wù)提供商，它通過(guò)IPv6-over-IPv4隧道的方式為IPv4網(wǎng)絡(luò)中的雙棧主機(jī)提供全球性的IPv6連接。隧道代理通過(guò)web方式為用戶分配IPv6地址、建立隧道以提供和其他IPv6站點(diǎn)之間的通信。目前已有不少提供隧道代理的網(wǎng)站。隧道代理的特點(diǎn)是靈活、可操作性強(qiáng)，針對(duì)不同用戶可提供不同的隧道配置。