1  引言

目前，云計算、物聯(lián)網、移動互聯(lián)網、三網合一以及智能電網迅猛發(fā)展，網絡在為我們的生活提供便利的同時，也帶來了IPv4地址耗盡的問題。據(jù)APNIC數(shù)據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)有的IPv4地址僅剩不足一成，將于2011年全部耗盡，屆時，新的互聯(lián)網用戶將無法獲得IPv4地址。所以向IPv6的過渡已經被全球政府、運營商、設備商、高校等等互聯(lián)網參與者提上首要日程。

在通過CNGI等工程幾年的探索后，2009年初，中國吹響了IPv6試商用的號角，下一代互聯(lián)網的大規(guī)模應用時代拉開帷幕。2010年則被稱為IPv6中國商用元年，下一代互聯(lián)網的建設得到從國家到產業(yè)的高度重視，國家已經從戰(zhàn)略高度重視以IPv6為特質的下一代互聯(lián)網建設，在解決地址資源共享和網絡安全的基礎上，積極推進IPv6的商用進程，逐步實現(xiàn)向IPv6的全面過渡。以中國電信為代表的中國運營商已經明確了IPv6商用部署時間表，即2012年進入規(guī)模商用，2015年以后IPv4網絡和業(yè)務平臺逐步退出。

市場經濟告訴我們，用戶需求是技術演進的根本動力。在網絡業(yè)界的共同努力下，IPv6技術逐漸趨于成熟，但IPv6在大規(guī)模商用上還存在諸多問題，比如過渡問題、安全問題、網絡管理的問題和應用的問題等，而其中最大問題就是過渡的問題，跟IPv4的互聯(lián)互通被稱為是“IPv6的殺手級應用”。

2  傳統(tǒng)IPv6過渡技術介紹

在進行IPv4到IPv6過渡策略的設計中，要求過渡技術應該對普通用戶做到無縫，對信息傳遞做到高效，對實現(xiàn)配置做到簡便易行。近年來Internet工程任務組IETF針對性的提出了一系列的解決方案，公認且具有代表性的IPv4向IPv6的過渡技術實現(xiàn)手段主要有雙棧方式、隧道方式和網絡地址轉換-協(xié)議轉換方式。

2.1 雙棧

雙棧節(jié)點同時運行IPv4和IPv6兩套協(xié)議棧，針對對象是通信端節(jié)點，包括主機、路由器。這種方式對IPv4和IPv6提供了完全的兼容，但對于IP地址的耗盡的問題卻沒有任何幫助，由于需要雙路由基礎設施，反而增加了網絡的復雜度。

2.2 隧道

用來將不直接相連的IPv6或者IPv4孤島互相連接起來，這種連接包括兩種情況：一種是隧道的兩端是IPv6孤島，另一種是隧道的兩端是IPv4孤島。兩種情況都需要在隧道的入口對報文進行重新封裝，然后把封裝過的報文通過中間網絡轉發(fā)到隧道出口，在隧道的出口對報文進行解封裝后，再將恢復后的報文轉發(fā)到目的地。隧道技術只要求在隧道的入口和出口處進行修改，對其他部分沒有要求，因而非常容易實現(xiàn)，但是隧道技術不能實現(xiàn) IPv4 主機與 IPv6 主機的直接通信，并且隧道端點需要封裝和解封數(shù)據(jù)包，因此會占用系統(tǒng)資源。

2.3 網絡地址轉換-協(xié)議轉換

NAT-PT是IETF最先提出的解決IPv4/IPv6互通問題的解決方案，協(xié)議轉化分為兩個部分，一個是IPv4和IPv6地址的轉化，另一個是IPv4和IPv6報頭的轉化。通過與SIIT 協(xié)議轉換和傳統(tǒng)的IPv4 下的動態(tài)地址翻譯NAT以及適當?shù)膽脤泳W關ALG相結合，實現(xiàn)了純IPv6 的主機和純IPv4 主機間的相互通信。但NAT-PT技術中對于網關的性能要求很高，不適合在大規(guī)模IPv6網絡中部署，且因其協(xié)議自身存在不少缺陷，帶來很多的部署問題和安全漏洞，所以目前IETF已經不推薦使用NAT-PT。

以上為解決過渡問題的三種傳統(tǒng)主要技術，然而每種機制都不是普遍適用的，都只適用于某一種或幾種特定的網絡情況，而且常常需要和其他技術組合使用。對于某一類過渡需求，人們可以找到新的方法，并隨著網絡技術的發(fā)展不斷地改進和更新已有的過渡機制。近年來，國內外積極推動 IPv6 過渡，為實現(xiàn)網絡互通互訪，各方又在 IETF 中提出了 IVI、 NAT64/DNS64等技術的標準草案。各大運營商也提出了自己的過渡技術，如NTT 提出了LSN（Large Scale NAT）/CGN （Carrier-Grade NAT）方案 。Comcast 在LSN/CGN方案的基礎上提出了 Dual Stack Lite 草案，法國電信和 Nokia 在今年提出了 A+P（Address + PortRange）的地址分配方案等。本文著重研究IVI技術方案。

3  IVI

IVI方案是由CNGI-CERNET2的研究人員清華大學李星教授提出的IPv4和IPv6的翻譯技術。IVI的說法靈感來源于羅馬字碼，IV是四，VI是六，所以IVI可代表IPv4和IPv6過渡和互訪。目前IVI正在IETF的標準化進程之中，即將形成RFC文件，同時也在世界最大規(guī)模的純IPv6網絡CERNET2開展實驗部署，并得到了華為等設備廠商的支持，具有良好的應用前景。2010年3月，中國電信與清華大學建立了“下一代互聯(lián)網技術與應用聯(lián)合實驗室”，這無疑將進一步促進包括IVI技術在內的我國下一代互聯(lián)網技術的發(fā)展和應用。

3.1  IVI模型

IP地址是人們在互聯(lián)網上的“身份證”，從IPv4到IPv6，IP地址規(guī)模一下子從32位增加到128位，也就是說IPv6擁有128bit的地址空間，能提供約10億的平方個IP地址。具體地講，IPv4能為地球每平方米土地提供大約4個地址，而IPv6則可以分配到每平方米 6.65億個IP地址，所以，兩者之間的差別是顯而易見的，一一對應是不可能的。NAT轉換需要基于狀態(tài)，IVI方案的思路是能否把IPv6集中在某個特定的地址，使其能與IPv4進行無狀態(tài)的映射，實現(xiàn)IPv6和IPv4的互訪并保持端到端的地址透明。根據(jù)這個設想研發(fā)了支持IVI的原型系統(tǒng)，如圖1所示為IVI的模型，其基本概念就是IPv4的一些地址不在IPv4中用，而是通過IVI“盒子”映射到IPv6的網絡里使用。在過渡初期，IPv6的用戶還不多，從IPv6的地址空間中選一個子集與IPv4做基本的映射，通過這種映射規(guī)則，每個運營商都可以取出自己的一部分 IPv4 地址在 IPv6 網絡中使用，用戶獲得 IVI6 地址直接訪問 IPv6 資源，同時可以經過一個稱為 IVI Box 的設備轉換成映射的 IPv4 地址，訪問 IPv4 資源，實現(xiàn) IPv4 和 IPv6 的互訪。IVI過渡期間，被取出的這部分地址稱為IVI4（i）地址，這部分地址將不能分配給實際的真實主機使用。隨著過渡的進行，IVI4（i）的范圍逐漸被擴大，最后將整個IPv4地址空間轉變?yōu)镮VI4（i），則過渡完成。

圖1  IVI模型

IVI是一個特定前綴和無狀態(tài)地址映射的方案，這種地址映射和轉換機制是通過一個連接IPv4和IPv6網絡的IVI網關來實現(xiàn)的。它使用了NAT-PT中的SIIT（Stateless IP/ICMP Translation，無狀態(tài)IP/ICMP翻譯技術）技術，這種無狀態(tài)轉換是在IVI網關中實現(xiàn)的。它在IPv4到IPv6的映射和IPv6到IPv4的映射是無狀態(tài)的，通過這種翻譯技術，IPv6用戶可以透明地訪問IPv4網，IPv4用戶可以有條件地訪問IPv6網。#p#

3.2  IVI地址格式

IVI的地址映射規(guī)則是在IPv6地址中插入IPv4地址，如圖2所示。地址的0-31位為ISP的/32位的IPv6前綴，例如，ISP6=2001：da8：100d：：/32。32-39位是IVI的標識符，設置為FF，表示這是一個IVI映射地址。40-71位表示插入的全局IPv4空間（IVIG4）的地址格式，如IPv4/24映射為IPv6/64而IPv4/32映射為IPv6/72。

圖2 IVI地址映射

ISP（i）用的是定義為IVI4（i）的ISP4（i）的一個子集，將它映射到IPv6里的IVI6（i）。IVI6（i）實際上是由ISP（i）的IPv6網絡中的IPv6主機使用的，但是IVI4（i）不能被IPv4主機使用。因此，IVI6（i）是一個特定的IPv6地址塊，它可以和兩邊的地址群進行通信。

圖3  IVI地址映射關系

基于以上的映射規(guī)則，ISP（i）使用定義為IVI46（i）的ISP6（i）的一個子集，將它映射到IPv4里的IPG4。IVI46（i）實際上是由全局IPv4主機使用的，除了IVI6（i）的部分，它并不能被IPv6的主機使用。

不同地址集合的映射和相互關系如圖3所示，IVI4（i）和IVI6（i）分別代表IPv4和IPv6地址群里的相同實體。類似的，IPG4和IVIG46（i）分別代表IPv4和IPv6地址群里的相同實體。除此之外，IVI4（i）是IPG4的子集，IVI6（i）是IVIG46（i）的子集。

4  IVI技術在中國礦業(yè)大學校園網中的應用

4.1  建設背景

中國礦業(yè)大學于2007年參加了“中國下一代互聯(lián)網示范工程CNGI 示范網絡高校駐地網建設項目”—— “中國礦業(yè)大學駐地網建設”子項目的建設，實現(xiàn)了100 Mbps 速率線路和IPv4 協(xié)議接入CERNET 華東北地網中心核心節(jié)點，同時用獨立的155Mbps 速率線路和純IPv6 協(xié)議接入CNGI-CERNET2 華東北地網中心核心節(jié)點，提供了IPv6 的DNS、WWW、FTP和教學視頻點播服務，IPv4接入用戶數(shù)為17000個，IPv6用戶接入規(guī)模達到了1100個，于2008年11月通過專家組的驗收。目前，學校出口路由器與核心路由器/交換機，均支持IPV6協(xié)議，但是大部分樓宇的匯聚交換機，還不支持IPV6/IPV4協(xié)議。為了使校內用戶均可以接入IPV6網絡，主要采用靈活QINQ技術，實現(xiàn)IPv6/IPv4雙棧的接入服務。當前的校園網絡拓撲如圖4所示。#p#

圖4  中國礦業(yè)大學校園網絡拓撲圖

4.2  IPv6技術升級建設目標和內容

在中國礦業(yè)大學校園網IPv6技術升級子項目中，建設目標是到2010年底前，在接入CERNET和CNGI-CERNET2的基礎上，將校園網全面升級到IPv6下一代互聯(lián)網接入，并建立安全、可控、可管和可運營的下一代校園網試商用環(huán)境。

主要建設內容包括：在現(xiàn)有的校園網基礎上，從網絡主干（核心、匯聚）到接入層實現(xiàn)IPv4/IPv6技術升級，為用戶提供IPv4/IPv6雙棧網絡服務，實現(xiàn)校園網用戶的IPv6普遍訪問和校園網信息資源的IPv6普遍服務。在計算機學院網絡實驗機房，建設一個具有300個以上用戶規(guī)模的純IPv6子網，為本單位以及本項目的其他單位開展下一代互聯(lián)網關鍵技術試驗和應用示范提供試驗環(huán)境。積極推進校園網IPv6應用和IPv6用戶發(fā)展，接入IPv6用戶規(guī)模達到1萬人以上，校園網重要信息資源和應用系統(tǒng)IPv6升級10個以上，安裝和部署IPv6網絡支撐技術試商用系統(tǒng)。對于IPV6和IPV4網絡資源互訪問題，我們計劃通過IVI 方式解決。

升級后的校園網絡拓撲圖如圖5所示。

圖5  升級后中國礦業(yè)大學校園網絡拓撲圖

核心路由器為Juniper E-120，配置雙引擎支持ASIC 硬件IPv4/IPv6 引擎，擴展萬兆和千兆接口模塊，以滿足與匯聚層互聯(lián)的需求；匯聚交換機采用千兆三層交換機，支持ASIC硬件IPv6數(shù)據(jù)轉發(fā)，支持IPv4/IPv6雙棧技術；接入交換機采用百兆到桌面，IPv6 ACL、IPv6 Qos、IPv6 Mib，支持IPv4/IPv6雙棧技術；核心路由器啟用DHCPv6 Server功能、接入交換機開啟DHCP Snooping v6，防止DHCP攻擊行為，并杜絕私設地址；其中IVI 過渡路由與校園網核心路由器和純IPv6匯聚交換機連接，實現(xiàn)互通。

5  總結與展望

2010年被稱為IPv6中國商用元年，國家從戰(zhàn)略高度重視并推進IPv6的全面過渡。本文在對傳統(tǒng)IPv6過渡技術介紹的基礎上，著重探討了基于無狀態(tài)地址映射的IVI過渡技術，研究了IVI的模型、地址格式、地址映射，并對中國礦業(yè)大學校園網IPv6項目升級所采用和部署的技術做了介紹，希望能為正在進行這方面工作的同仁提供一些參考。

雖然IPv6技術已經比較成熟，但是由于人們習慣于IPv4的網絡環(huán)境，并且在IPv4網絡上已經擁有豐富的資源，而服務于IPv6的公網重要信息資源和應用系統(tǒng)還嚴重不足，導致用戶優(yōu)先使用IPv6接入訪問缺乏動力。

李星說：建一個IPv6必須跟IPv4能互聯(lián)互通。換句話說就是IPv6的服務器要能跟IPv4訪問，IPv4的服務器能被IPv6訪問，這才是過渡。通過這一技術逐步將IPv4的地址往IPv6轉移，既可以實現(xiàn)服務，也可以與IPv4完全互通。逐漸將現(xiàn)有的IPv4用戶轉移到IPv6，用戶在不知不覺中就可以實現(xiàn)過渡。

由于目標是讓用戶方便快速地使用IPv6的網絡，因此，易用性和易操作性在具體部署中，需要被考慮到。IVI轉換模式分為無狀態(tài)的一對一轉換和有狀態(tài)的一對N轉換兩種。一對一的無狀態(tài)地址轉換通過一段特殊的IPv6地址與IPv4地址進行唯一映射，可以同時支持IPv4和IPv6發(fā)起的通信。IVI還支持一對N的有狀態(tài)地址轉換，也可以實現(xiàn)IPv4地址的利用和IPv6對IPv4地址的單向互通。

鑒于IPv6在下一代網絡發(fā)展中的重要性，越來越多的國際標準化組織加入了IPv6標準的制訂工作。IPv6技術為下一代網絡的發(fā)展帶來了機遇，積極參與國際IPv6技術標準的制訂、啟動國家科技計劃支持IPv6相關產品的自主開發(fā)、建立下一代網絡大規(guī)模試商用以支持科學研究、注重業(yè)務創(chuàng)新以促進IPv6的商業(yè)應用等，將是我國發(fā)展IPv6技術的重要趨勢。

IPv6的發(fā)展不僅要重視基礎設施產品的開發(fā)，而且要向基于多樣化業(yè)務的應用軟件，以及具有聯(lián)網能力的集成數(shù)據(jù)、語音和視頻的個人智能終端產品的研發(fā)。提供服務質量和安全保證、支持移動性等，開發(fā)出用戶能夠接受的多樣化業(yè)務，才能真正把IPv6帶入網絡中并滿足人們的需要。