圖1  雙NAT過渡場景
         （2）純IPv6接入初期
        隨著IPv4地址消耗殆盡，此時用戶已無法得到IPv4地址，這時便出現(xiàn)了純IPv6接入的應(yīng)用場景，即用戶接入的網(wǎng)絡(luò)是純IPv6，而不支持IPv4。由于在此階段仍然存在著大量的IPv4應(yīng)用與服務(wù)，因此IPv4與IPv6的共存階段具有以下兩個長尾特征：
         ●操作系統(tǒng)的長尾特征。雖然目前的主流操作系統(tǒng)（Windows XP，Vista，Linux等）都已經(jīng)能夠支持IPv6，但對純IPv6的支持還不夠。例如，XP尚不能在純IPv6環(huán)境中處理DNS請求。此外，一些IPv4的應(yīng)用無法很快升級到IPv6，一些電子設(shè)備目前也只能支持IPv4。因此，這就要求在純IPv6的接入環(huán)境中仍然能夠使用IPv4的應(yīng)用以及IPv4的操作系統(tǒng)。
         ●服務(wù)與內(nèi)容的長尾特征。目前IPv6的服務(wù)還比較少，這就要求在純IPv6的介入環(huán)境中仍然能夠保持IPv4服務(wù)的連通性。
        在本階段，IPv4與IPv6的共存機制包括已廣泛使用的IPv4 NAT（CGN，雙層NAT），IPv4應(yīng)用與服務(wù)以及IPv6應(yīng)用與服務(wù)（見圖2）。IPv6過渡初期的一個重要目標(biāo)就是保持IPv4的后項兼容性，使用戶仍然能夠?qū)Pv4的應(yīng)用接入純IPv6網(wǎng)絡(luò)中，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)IPv6的順利過渡。

                  圖2  純IPv6接入過渡初期場景
         （3）純IPv6接入中期
         在純IPv6的接入中期，隨著IPv6的進(jìn)一步發(fā)展，操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序?qū)Pv6的支持都有了較好的提升，因此用戶開始較多地轉(zhuǎn)向使用純IPv6的應(yīng)用，用戶端出現(xiàn)了較多的純IPv6的主機，而非雙棧或純IPv4的主機（見圖3）。在該階段，IPv6的服務(wù)還較為有限，大量IPv4的服務(wù)依然存在，因此用戶需要通過IPv6的應(yīng)用來訪問IPv4的服務(wù)。

                  圖3  純IPv6接入過渡中期景
          （4）IPv6普及發(fā)展階段
        在IPv6已較為普及，用戶及網(wǎng)絡(luò)側(cè)都已經(jīng)基本升級到純IPv6的環(huán)境時，此時還存在少量位于NAT后的IPv4服務(wù)。這個階段需要解決的問題是，在純IPv6的環(huán)境中訪問少量位于NAT后的IPv4服務(wù)（見圖4）。

             圖4  IPv6普及發(fā)展階段
        綜上所述，純IPv6接入場景是向IPv6過渡非常重要的應(yīng)用場景。尤其在IPv6的過渡初期，需要解決的主要問題在于保持IPv4的后向兼容性，使用戶能夠在IPv6的接入環(huán)境中無縫使用IPv4的應(yīng)用與服務(wù)。
        3  已有過渡技術(shù)
        迄今為止，已有的IPv4/v6過渡技術(shù)可以分為協(xié)議翻譯類和隧道類。其中，IETF的Behave工作組主要研究協(xié)議翻譯類的技術(shù)，而Softwire工作組則主要研究隧道類的技術(shù)。
        3.1  協(xié)議翻譯類
        （1）技術(shù)原理
         IPv6過渡中的協(xié)議翻譯類技術(shù)是由IPv4的NAT技術(shù)發(fā)展而來的。在IPv4的NAT技術(shù)中，為了減少IPv4公網(wǎng)地址的消耗，NAT協(xié)議翻譯網(wǎng)關(guān)為私網(wǎng)IPv4地址和公網(wǎng)IPv4地址建立起映射關(guān)系，通過端口的復(fù)用技術(shù)，從而達(dá)到一個公網(wǎng)地址可以由多個私網(wǎng)地址共享的效果。
        與此相對應(yīng)，IPv6過渡中的協(xié)議翻譯類技術(shù)就是將IPv6數(shù)據(jù)包中的每個字段與IPv4數(shù)據(jù)包中的每個字段建立起一一映射的關(guān)系，從而在兩個網(wǎng)絡(luò)的邊緣實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的轉(zhuǎn)換。其應(yīng)用場景參見圖5。

                  圖5 協(xié)議翻譯機制的應(yīng)用場景
        在這里，通信雙方的主機需要明確本機在另一個網(wǎng)絡(luò)中的對應(yīng)地址。在上例中需明確以下兩組地址：
        ●PCA：主機IPv6地址與轉(zhuǎn)換的IPv4地址。
        ●PCB：主機IPv4地址與映射的IPv6地址。
        由于IPv4地址空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IPv6的地址空間，因此位于IPv4網(wǎng)絡(luò)中的主機可以通過加上IPv6前綴即可實現(xiàn)IPv4地址與IPv6地址的一一映射，但為了確定IPv6網(wǎng)絡(luò)中主機的IPv4地址則較為困難。由于IPv6的地址空間遠(yuǎn)大于IPv4的地址空間，因此只能通過縮小IPv6地址空間的方法與IPv4地址建立映射關(guān)系，或者通過建立映射表的方法與IPv4地址建立映射關(guān)系。
        （2）技術(shù)分類
        根據(jù)IPv6地址空間與IPv4地址空間映射的不同方法，可以將協(xié)議翻譯類技術(shù)分為有狀態(tài)協(xié)議翻譯和無狀態(tài)協(xié)議翻譯。其中，有狀態(tài)協(xié)議翻譯是通過建立映射表的方案，將任意IPv6地址與任意IPv4地址之間建立映射關(guān)系，而無狀態(tài)協(xié)議翻譯則是通過將IPv4地址內(nèi)嵌到IPv6地址中，實現(xiàn)無狀態(tài)地址翻譯。因此，無狀態(tài)協(xié)議翻譯僅能訪問具有特定格式IPv6地址的主機，而有狀態(tài)協(xié)議翻譯則能夠訪問任意地址格式的IPv6主機。
        現(xiàn)有協(xié)議翻譯技術(shù)已有很多不同的種類。其中，根據(jù)IPv6地址空間與IPv4地址空間映射的不同方法，可分為有狀態(tài)協(xié)議翻譯和無狀態(tài)協(xié)議翻譯。其中，有狀態(tài)協(xié)議翻譯（如NAT64，PNAT等）是通過建立映射表的方案，將任意IPv6地址與任意IPv4地址之間建立映射關(guān)系，而無狀態(tài)協(xié)議翻譯則是通過將IPv4地址內(nèi)嵌到IPv6地址中，實現(xiàn)無狀態(tài)地址翻譯。因此，無狀態(tài)協(xié)議翻譯（如IVI，DIVI等）僅能訪問具有特定格式IPv6地址的主機，而有狀態(tài)協(xié)議翻譯則能夠訪問任意地址格式的IPv6主機。
        此外，根據(jù)協(xié)議翻譯的位置，可以分為主機側(cè)協(xié)議翻譯、網(wǎng)絡(luò)側(cè)協(xié)議翻譯以及主機側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的協(xié)議翻譯。主機側(cè)協(xié)議翻譯（如BIS，BIA等）在主機中完成翻譯即可，完成端系統(tǒng)中應(yīng)用程序協(xié)議類型與網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議類型的不匹配，其應(yīng)用場景為4-6-6或6-4-4；網(wǎng)絡(luò)側(cè)協(xié)議翻譯（如NAT64，IVI，Socks64等）僅在網(wǎng)絡(luò)中部署協(xié)議翻譯網(wǎng)關(guān)即可，完成網(wǎng)絡(luò)兩側(cè)協(xié)議類型的不匹配，其應(yīng)用場景為6-6-4或4-4-6；而主機側(cè)和網(wǎng)絡(luò)中的兩次協(xié)議翻譯（如PNAT）可應(yīng)用于4-6-4和6-4-6的應(yīng)用場景。
        最后，根據(jù)協(xié)議翻譯技術(shù)的協(xié)議層次，可以包括網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議翻譯（如NAT64，PNAT，IVI，BIS）、傳輸層協(xié)議翻譯（如TRT）以及應(yīng)用層協(xié)議翻譯（如BIA，Socks64等）。
        （3）典型的協(xié)議翻譯技術(shù)
        ●NAT64
        NAT64是有狀態(tài)的協(xié)議翻譯技術(shù)，在網(wǎng)關(guān)中記錄了“IPv4地址＋端口”與IPv6地址的映射表會話狀態(tài)，是網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議翻譯技術(shù)，其應(yīng)用場景為6-6-4。NAT64的提出實際是用于替代NAT-PT的，NAT64僅允許IPv6主動發(fā)起的連接，并通過將DNS-ALG的功能與NAT64網(wǎng)關(guān)的功能相分離，從而可以避免NAT-PT中一些與DNS-ALG相關(guān)的缺陷。

        NAT64能夠支持純IPv6主機與純IPv4主機的直接通信，接入網(wǎng)絡(luò)可以為純IPv6網(wǎng)絡(luò)，無需更改主機側(cè)設(shè)備，并且其IPv6地址格式不受限。由于NAT64是一個有狀態(tài)的協(xié)議翻譯機制，因此具有一定的可擴展性問題和狀態(tài)同步問題，且需要處理ALG的相關(guān)問題。
        ●IVI
        IVI是無狀態(tài)協(xié)議翻譯技術(shù)。其中，1:1的IVI方式僅將IPv4地址內(nèi)嵌到IPv6地址中，因此會消耗過多的IPv4公網(wǎng)地址，此時協(xié)議翻譯網(wǎng)關(guān)僅需在網(wǎng)絡(luò)側(cè)部署即可；而1:N的IVI則通過將IPv4的地址和端口范圍同時內(nèi)嵌到IPv6地址中，從而實現(xiàn)1:N的地址復(fù)用，此時的協(xié)議翻譯網(wǎng)絡(luò)需要在用戶側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)同時部署，用戶側(cè)僅實現(xiàn)端口的有狀態(tài)映射，而網(wǎng)絡(luò)側(cè)則可以實現(xiàn)無狀態(tài)地址映射。
        IVI能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)核心無狀態(tài)處理，報文轉(zhuǎn)發(fā)高效，實現(xiàn)簡單。由于IVI中需要將IPv4地址內(nèi)嵌到IPv6中，因此IPv6地址格式比較受限，在1:1的IVI中會消耗過多的IPv4地址，而在1:N的IVI中則又需要在用戶側(cè)有一定的更改，并且也需要處理ALG的相關(guān)問題。
        3.2  隧道類
        （1）技術(shù)原理
         隧道類技術(shù)是指將另外一個協(xié)議數(shù)據(jù)包的報頭直接封裝在原數(shù)據(jù)包報頭前，從而可以實現(xiàn)在不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)上直接進(jìn)行傳輸。其應(yīng)用場景參見圖6。

                  圖6  隧道轉(zhuǎn)換實現(xiàn)原理
        在隧道類技術(shù)中，通過不同協(xié)議類型數(shù)據(jù)包的封裝和解封裝可以方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)包在不同協(xié)議類型網(wǎng)絡(luò)中的傳輸穿越。因此，隧道方式能夠較為方便地實現(xiàn)原有流量的承載。
        （2）技術(shù)分類
        ●在隧道類技術(shù)中，根據(jù)其穿越的不同網(wǎng)絡(luò)類型，又可以分為IPv6 over IPv4類隧道（圖6左側(cè)）和IPv4 over  IPv6類隧道（圖6右側(cè)）。其中，支持IPv6 over IPv4的隧道類型較多，包括已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的6 to 4，6
over 4，ISATAP，TSP，Teredo，6PE等，而支持IPv4 over  IPv6的隧道類型目前基本還都處于草案階段，如DS-Lite，A+P，TSP等。
         ●根據(jù)隧道封裝的協(xié)議層次，又可以分為應(yīng)用層隧道、傳輸層隧道（TSP）以及網(wǎng)絡(luò)層隧道（DS-Lite，A+P等）。其中，應(yīng)用層隧道的隧道報頭通常包括以太頭，IP頭，TCP/UDP頭和應(yīng)用層的標(biāo)識頭；傳輸層隧道的隧道報頭通常包括以太頭，IP頭，TCP/UDP頭；而網(wǎng)絡(luò)層隧道的隧道報頭則通常包括以太頭和IP頭。
         ●針對隧道方式所應(yīng)用的不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，又可以將隧道分為星型隧道和網(wǎng)狀型隧道。其中，星型隧道通常有一個集中控制器與多個客戶端建立一對一隧道，通常這類隧道可以應(yīng)用到接入網(wǎng)中，需具備NAT穿越的功能，并且能夠AAA認(rèn)證、用戶管理等；而網(wǎng)狀型隧道則不需要核心集中控制器來建立隧道，此時隧道的斷點具有自動發(fā)現(xiàn)、自動建立的功能，這類隧道通?？蓱?yīng)用于骨干網(wǎng)中。兩種隧道的拓?fù)鋮⒁妶D7。

                  圖7  隧道轉(zhuǎn)換實現(xiàn)原理
         由于在本文中主要考慮接入網(wǎng)的IPv6過渡方案，因此主要考慮星型網(wǎng)絡(luò)下的隧道技術(shù)。
         （3）典型的隧道技術(shù)
          ●DS-Lite
         DS-Lite是一個網(wǎng)絡(luò)層的IPv4 over  IPv6的隧道，通過將IPv4流量封裝在IPv6隧道中進(jìn)行傳輸，接入網(wǎng)絡(luò)為IPv6單棧，可以使用IPv6地址對數(shù)據(jù)報文進(jìn)行惟一標(biāo)識，并且避免了CPE側(cè)的NAT轉(zhuǎn)換。DS-Lite僅在AFTR側(cè)做一次NAT轉(zhuǎn)換，對IPv6地址無格式限制。
         DS-Lite隧道方式取消了用戶CPE側(cè)的NAT轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中僅保留一次NAT轉(zhuǎn)換，簡化了IPv4地址的分配與管理，終端用戶可使用任意IPv4私網(wǎng)地址。該隧道建立的過程無需進(jìn)行協(xié)商，且接入網(wǎng)絡(luò)可以僅為純IPv6單棧。但DS-Lite也存在一定的局限性，例如DS-Lite必須對用戶側(cè)的CPE做一定的更改，在AFTR網(wǎng)關(guān)上需維護(hù)大量的NAT表項，具有一定的可擴展性問題和狀態(tài)的同步問題，并且無法支持由通信對端發(fā)起的連接。

        ●A+P
        A+P也是一個網(wǎng)絡(luò)層IPv4 over IPv6的隧道，采用端口靜態(tài)劃分的方式復(fù)用IPv4地址，將網(wǎng)絡(luò)核心側(cè)的NAT轉(zhuǎn)移到CPE側(cè)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)核心側(cè)無狀態(tài)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在A+P中，將IPv4地址和端口范圍內(nèi)嵌到IPv6地址中，IPv6地址格式受限，且有特定前綴。
         A+P的方案可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)核心無狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并且可以復(fù)用IPv4地址。隧道可自動建立，無協(xié)商過程。但是其缺點在于一方面CPE需進(jìn)行一定的升級，并且IPv6地址格式有一定的限制。
         ●TSP
        TSP是基于隧道代理（Tunnel Broker）的一種信令協(xié)議，通過在兩個端點間進(jìn)行參數(shù)協(xié)商建立隧道，包括IPv4 over IPv6和IPv6 over IPv4兩種類型，隧道的層次也可以通過協(xié)商確定，包括網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層UDP隧道。此時的IPv6地址為任意格式的地址，IPv4地址為公網(wǎng)地址。因此，若需要使用IPv4私有地址，則還需要額外增加NAT設(shè)備。
        3.3  地址復(fù)用技術(shù)
        地址共享機制可以分為兩種類型，一種是采用IPv4私網(wǎng)地址進(jìn)行地址共享（如CGN，DS-Lite等解決方案），此時需要引入運營級NAT，在不同網(wǎng)絡(luò)邊界處實現(xiàn)私網(wǎng)地址與公網(wǎng)地址的轉(zhuǎn)換與映射；另一類則是采用公網(wǎng)IPv4地址進(jìn)行地址共享，這類方案避免了運營級NAT轉(zhuǎn)換，通過劃分端口空間使得用戶能夠通過不同的端口空間來區(qū)分共享同一個公網(wǎng)IPv4地址，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)核心側(cè)無狀態(tài)地址復(fù)用。
        4  結(jié)束語
        協(xié)議翻譯技術(shù)和隧道技術(shù)為兩種可應(yīng)用于不同場景的過渡技術(shù)，兩個技術(shù)比較參見表1。

        表1  協(xié)議翻譯和隧道技術(shù)總結(jié)

        由表1可見，目前協(xié)議翻譯技術(shù)比較適用于IPv6?àIPv4和IPv4?àIPv6的場景，而隧道技術(shù)則比較適用于IPv4?àIPv4和IPv6?àIPv6的場景。協(xié)議翻譯技術(shù)的優(yōu)點在于部署簡單和應(yīng)用場景多樣，缺點在于實現(xiàn)的復(fù)雜度較高。與此相對應(yīng)，隧道技術(shù)實現(xiàn)較為簡單，但是其缺點在于應(yīng)用場景較為單一，且需要在用戶側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)均部署相應(yīng)的設(shè)備。因此，可以考慮將協(xié)議翻譯和隧道技術(shù)相結(jié)合，從而可以發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，實現(xiàn)多場景的自適應(yīng)選擇和適配。