IPv4向IPv6演进的技术及应用场景探讨

【摘要】文章从IPv6的技术优势出发,对IPv6的关键技术进行了简要描述;在此基础上对IPv4向IPv6演进的三类技术进行了重点分析,并将其作了对比;最后对IPv4向IPv6演进的业务场景进行了探讨,并给出相应业务场景下的演进技术选择以及这些选择所造成的影响。

【关键词】IPv4 IPv6 演进技术 应用场景

1 概述

目前全球互联网主要基于IPv4构建,产业链上下游如设备厂商、运营商、CP/SP、终端厂商等均围绕着IPv4提供相应的互联网产品或服务。但随着全球IP网络的不断扩展、IP用户数和业务的飞速增长以及IP网络上应用的不断增加,基于IPv4的互联网逐渐显现出不足,其在地址容量、安全性、网络管理、移动性以及服务质量等方面越来越显得力不从心;尤其是在移动互联网、物联网等IP应用类业务快速增长的趋势下,IPv4地址短缺的问题进一步凸显。此时,考虑由IPv4演进到以IPv6为代表的下一代互联网成为了各大运营商关注的热点。

2 IPv6技术发展现状

2.1 IPv6的技术优势

IPv4采用32位地址长度,只有大约43亿个地址,在2011年～2012年间将被分配完毕;而IPv6采用128位地址长度,几乎可以不受限制地提供地址,有着充裕的地址资源。地址的丰富将彻底解除目前在IPv4互联网应用上的很多局限,如每一部手机都可以有一个IP地址,家里每一个带电的东西都可以有一个IP地址,真正组成一个数字家庭。

IPv6所具备的技术优势(如图1所示)能够在一定程度上解决目前IPv4互联网所存在的问题,从而使其成为IPv4向IPv6演进的重要推动力之一。

2.2 IPv6关键技术

(1)IPv6 DNS技术

IPv6网络中的DNS与IPv4的DNS在体系结构上是一致的,共同拥有统一的树型结构的域名空间。在IPv4到IPv6的演进阶段,域名可以同时对应于多个IPv4和IPv6的地址;未来随着IPv6网络的普及,IPv6地址将逐渐取代IPv4地址。

(2)IPv6路由技术

IPv6路由查找原理与IPv4相同,采用最长地址匹配,选择最优路由,同样也允许地址过滤、聚合、注入等操作。原有基于IPv4的IGP和BGP路由技术如ISIS、OSPF v2及BGP-4等动态路由协议经过扩展即可在IPv6网络上使用,它们基于IPv6的新协议版本分别为ISIS v6、OSPF v3及BGP4+。

(3)IPv6安全技术

较之IPv4,IPv6并没有产生新的安全技术,而是更多地在协议层面通过IPv6的128位字节、IPsec报文头封装、ICMP地址解析等安全机制增强IPv6网络的安全。

从IPv6的关键技术上看,IPv6并没有对IPv4的互联网体系进行彻底的变革,其重在修正IPv4存在的不足。由于现有的互联网体系基于IPv4,所以重要的是IPv4如何向IPv6演进,下文将重点分析IPv4向IPv6演进时可采用的技术。

3 IPv4向IPv6演进技术分析

IPv4向IPv6演进技术的全景视图如图2。以下对各类演进技术的特点和存在的问题进行分析。

3.1 双栈技术

在IPv4向IPv6演进过程中,双栈技术作为基础,可以独立或配合隧道/翻译技术使网络快速具备IPv6承载能力。

(1)特点

终端、应用平台主机根据业务进行v4或v6数据封装;

网络节点同时支持v4和v6协议栈,逻辑上分离;

应用涉及到的各个网络层面都需要支持双栈。

(2)问题

同时占用v4和v6地址,不能很好解决地址问题;

不能实现v4和v6应用互通。

双栈技术实现如图3所示:

3.2 隧道技术

在IPv6相关网络部署中应用较多的隧道技术包括GRE隧道、手工配置隧道、6to4隧道技术、隧道技术、MPLS隧道以及支持园区网环境中的广域网和站点内部自动隧道寻址协议(ISATAP)技术等,但需注意所有隧道机制都要求隧道的端点同时运行IPv4和IPv6协议栈。

(1)特点

将v4数据嵌套在v6数据包中传送,或反之;

实现同协议两端应用穿越不同协议网络;

解决网络孤岛或应用孤岛的问题。

(2)问题

规模部署隧道其配置和管理的复杂度较高;

不能实现v4和v6应用互通;

可选技术较多,除6PE和L2TP外都不太成熟。

隧道技术实现如图4所示:

3.3 翻译技术

在IPv4向IPv6演进过程中,存在纯IPv4主机和纯IPv6主机之间的通信需求,为此就需要引入不同协议之间的翻译技术,实现IPv4与IPv6协议层的翻译以及IPv4应用与IPv6应用之间的翻译。

(1)特点

网络部署协议翻译网关,将v4数据包转换成v6数据包,或反之;

用于v4与v6地址及协议的翻译;

解决v4/v6网络或应用互访的问题。

(2)问题

大量应用间翻译,容易形成性能瓶颈;

目前协议翻译技术尚不成熟,尤其是4to6;

IETF 2009年度会议上已将NAT-PT技术列为搁置状态,目前业界对NAT64、IVI之类的翻译技术较为关注。

翻译技术实现如图5所示:

3.4 技术对比

IPv4向IPv6演进的诸多技术中,各技术都有其特点及应用场景,几种主要技术简单比较见表1:

4 IPv4向IPv6演进场景及影响分析

IPv4向IPv6演进是一个长期的过程,就目前而言最为紧迫的是解决IPv4公网地址即将枯竭的问题,其中关键就是网络的v6化改造,将用户地址及网络地址由分配v4地址逐步转向为v6地址。

从网络业务提供维度出发,IPv4向IPv6演进的网络场景要素主要是终端(用户Client侧)、网络(流量管道)和业务平台(Server侧)。基于演进目标(即网络、终端与业务平台逐步IPv6化)以及各要素之间的组合,可以定义适配网络演进目标的三类场景,如表2所示。

从表2可以看出,IPv4向IPv6演进的网络场景主要为4-4-4、4-6-4、6-6-4三类,结合上文对IPv4向IPv6演进技术的分析,可得到各个场景下可采用的演进技术;同时结合现阶段各演进技术发展状况,对不同技术的采用可能对网络演进所带来的影响进行分析,结果如表3所示。

尽管现阶段最为便捷的减缓IPv4公网地址消耗的方案是在4-4-4场景中采用私网技术,即在网络侧网关(如BRAS)等部署LSN、在家庭网关部署NAT;但由于私网地址段范围也是相对有限的(10.0.0.0/8私网地址段最多支持约1700万),并且私网地址和NAT/LSN(CGN)的部署对业务、网络性能、IPv6网络演进等方面将带来一定的不利影响,因此在实际网络部署时应谨慎采用。

由于在单一的场景下也存在多种演进技术可以选择,所以对运营商而言,除了需要考虑各个演进场景下所采用演进技术的影响外,关键还在于依据自身的业务应用需求,选择合适的演进场景和演进技术,进而做好对相应演进方案的评估,尤其是成熟度的评估,以便后期更好地向IPv6商用推进。

5 结束语

随着网络业务的不断发展,尤其是物联网的发展,IP地址的消耗正在进一步加剧,各运营商的网络向IPv6演进是一种必然趋势。本文对IPv4向IPv6演进的技术以及相应的业务场景进行了初步的分析,但IPv4向IPv6演进不仅仅局限在技术层面,还更多地受到终端和业务平台能力等方面的限制。运营商应在做好相应技术试验的基础上,进一步加强和产业链各方的密切合作,以期实现现有IPv4互联网向基于IPv6的下一代互联网的顺利演进。

参考文献

[1]IPv6――构建下一代多业务承载网[EB/OL]. [2010-02-01]/cn/products/datacomm/.

[2]IPv6过渡技术简介[EB/OL]. [2007-01-01].cn/.

【作者简介】

程烨:工程师,本科毕业于长沙理工大学计算机科学与技术专业,现就职于华信邮电咨询设计研究院有限公司,主要从事数据通信网络相关的规划、设计及研究工作。已两篇。

潘崇道:本科毕业于重庆邮电学院通信工程专业,现任职于华信邮电咨询设计研究院有限公司,主要从事数据通信网络和新业务的咨询、规划和设计工作。已多篇。