ipv6与ipv4的互连技术的探讨实现-睿诚科技协会

背景与挑战：为什么需要互连技术？核心问题是什么？
核心互连技术分类：主流技术方案的概览。
关键技术详解：对最重要的几种技术进行深入剖析，包括原理、实现、优缺点。
技术选型与部署场景：如何根据不同场景选择合适的技术。
未来展望：过渡期结束后的最终形态。

背景与挑战

IPv4地址已于2011年耗尽,其32位地址空间已无法满足物联网、移动互联网等海量设备的连接需求，IPv6以其128位地址空间、简化的报头、内置安全性和更好的服务质量支持，成为下一代互联网的基石。

向IPv6的迁移是一个渐进的过程,而非“一刀切”的切换，在此期间，网络中同时存在IPv4和IPv6用户/设备，这就带来了互连的挑战：

ipv6与ipv4的互连技术的探讨实现

地址不兼容：IPv4和IPv6是两个完全不同的协议族，数据包格式、地址结构都不同，无法直接路由。
应用层兼容性：许多应用（如DNS、应用层协议）是基于IPv4或IPv6地址设计的，需要修改或适配才能同时支持双栈。
平滑过渡：如何在不中断现有IPv4业务的前提下，逐步引入IPv6，并确保IPv4用户仍能访问IPv6资源，反之亦然？

为了解决这些问题,业界发展出了一系列互连和过渡技术。

核心互连技术分类

互连技术主要可以分为以下几大类：

类别	技术名称	核心思想	典型场景
双栈技术	Dual Stack	终端和路由器同时运行IPv4和IPv6协议栈。	最基础的过渡方案，是所有其他技术的基础。
隧道技术	6in4, 6to4, GRE, Teredo	将IPv6数据包封装在IPv4数据包中进行传输，在IPv4“海洋”中构建IPv6“隧道”。	连接孤立的IPv6网络，或为IPv4用户提供IPv6接入。
翻译技术	NAT64/DNS64	在网络边界进行IPv4和IPv6地址及协议头的转换。	让纯IPv6用户访问IPv4互联网资源的主流方案。
协议转换技术	SIIT (Stateless IP/ICMP Translation)	无状态地转换IP和ICMP报头，是NAT64的基础。	无状态翻译，适用于特定场景。
代理/网关技术	Dual Stack Lite (DS-Lite)	在网络侧集中IPv4地址，通过隧道传送到用户侧的“软线缆”(AFTR)。	为IPv6-only用户提供IPv4服务，节省公网IPv4地址。
	4rd (IPv4 Residual Deployment)	类似DS-Lite，但针对IPv4 over IPv6隧道，优化了性能。	DS-Lite的演进版本，性能更优。

关键技术详解

a. 双栈技术

这是最简单、最根本的过渡技术。

ipv6与ipv4的互连技术的探讨实现

原理：在网络设备（路由器、交换机）和终端主机上同时启用和运行IPv4和IPv6两个协议栈，一个节点可以同时拥有一个IPv4地址和一个IPv6地址。
实现：
- 终端：操作系统（如Windows, macOS, Linux）都原生支持双栈，管理员可以为终端配置IPv4地址（DHCP或静态）和IPv6地址（SLAAC, DHCPv6）。
- 网络设备：现代路由器和交换机也普遍支持双栈配置。
通信流程：
1. 当双栈主机A要访问双栈主机B时,它会首先尝试使用IPv6（通过DNS查询AAAA记录）。
2. 如果IPv6通信成功,则使用IPv6。
3. 如果IPv6通信失败（目标不支持或网络路径不通），它会回退到使用IPv4（通过A记录）。
优点：
- 简单直接：不需要复杂的转换设备。
- 端到端透明：IPv4和IPv6流量各自独立，互不干扰，保留了原始协议的端到端连接特性。
缺点：
- 资源消耗：每个设备需要维护两个协议栈，消耗更多的内存和CPU资源。
- 管理复杂：需要同时管理IPv4和IPv6两套地址、路由和安全策略。
- 无法解决地址耗尽：它只是共存，并没有解决IPv4地址短缺的问题。

b. 隧道技术

隧道技术主要用于在纯IPv4网络中“打通”一条IPv6的通道。

原理：将IPv6数据包作为“有效载荷”封装进一个IPv4数据包中，当封装后的IPv4数据包到达隧道的另一端时，被“解封”，还原成原始的IPv6数据包继续传输。
常见类型：
- 6in4 (配置隧道)：最基础的隧道，由管理员手动配置隧道的两端点IPv4地址，适用于连接两个有固定公网IPv4地址的IPv6站点。
- 6to4 (自动隧道)：利用特殊的IPv6地址（2002:IPv4地址::/48），让路由器能自动从IPv6地址中提取出隧道的远端IPv4地址，无需手动配置，但依赖中继路由器才能访问全球IPv4网络，性能不佳。
- Teredo (穿越NAT的隧道)：一种特殊的隧道，允许IPv6数据包通过NAT设备（如家庭路由器）进行传输，它将IPv6包封装在UDP包中，使得它看起来像普通的NAT后的UDP流量，主要用于为没有IPv6连接但能上网的终端提供IPv6接入。
- GRE隧道：通用路由封装隧道，可以封装多种协议（包括IPv6），比6in4更灵活，支持多播等。
优点：
- 复用现有IPv4网络：在不改变现有IPv4骨干网的前提下，快速部署IPv6。
- 连接孤岛：可以连接被IPv4网络隔开的IPv6孤岛。
缺点：
- 效率低：增加了额外的封装和解封开销，MTU（最大传输单元）会变小，可能导致分片。
- 管理复杂：配置和维护隧道端点需要专业知识。
- 性能瓶颈：所有流量都经过隧道端点，可能成为性能瓶颈。

c. 翻译技术

翻译技术主要用于解决“IPv6-only”用户访问“IPv4-only”互联网的问题。

原理：在网络边界（如出口路由器）部署一个翻译设备，它将IPv6地址和报头转换为IPv4地址和报头，反之亦然。
核心技术：NAT64/DNS64
- NAT64 (Network Address Translation 64)：一个有状态的IPv6/IPv4翻译器，它维护一个会话表，记录了IPv6客户端和IPv4服务器之间的连接关系。
- DNS64：一个DNS服务器，当它收到一个IPv6-only客户端对IPv4-only服务器的A记录查询时，它不会直接返回错误，相反，它会：
  1. 从DNS中获得服务器的IPv4地址（如 184.216.34）。
  2. 根据预设的规则（通常是 64:ff9b::/96 这个前缀），将这个IPv4地址转换成一个伪IPv6地址（如 64:ff9b::5db8:d822）。
  3. 将这个伪IPv6地址返回给客户端。
- 协同工作流程：
  1. IPv6-only客户端 ([Client-IPv6]) 想访问 example.com。
  2. 它向 DNS64服务器 查询 example.com 的AAAA记录。
  3. DNS64服务器 发现 example.com 只有IPv4的A记录，于是生成一个伪IPv6地址 (64:ff9b::IPv4-address) 并返回给客户端。
  4. 客户端向这个伪IPv6地址发起连接请求。
  5. 该请求被发往 NAT64网关。
  6. NAT64网关将这个IPv6请求翻译成一个标准的IPv4请求,并发往真实的IPv4服务器 (184.216.34)。
  7. IPv4服务器处理请求,将IPv4响应发回给NAT64网关。