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1  前言

    隨著互聯網用戶的不斷增多以及他們對網絡服務要求的不斷提高，IPv4固有的一些缺陷使得它已經不能滿足這種日漸增長的需要。IPv6正是為解決這個問題而出現的，同時它的新特性為下一代互聯網的應用提供了更好的支持。
    互聯網的普及使IPv4向IPv6的過渡不可能一蹴而就，它需要很長一段時間才能完成。IPv6也不僅僅是對IPv4的簡單升級，因為頭部特征和配址機制的不同，這兩種協議是互不兼容的。因此，IPv4如何漸近、平滑的過渡到IPv6是必須解決的一個問題。
    IETF的Ngtrans工作組提出了從IPv4過渡到IPv6的3種主要遷移機制：雙協議、協議翻譯A、隧道。

2  雙協議

圖1  雙協議（棧）節點的網絡分層模型

    如圖1(a)所示，雙協議節點（包括主機和路由器）同時實現了IPv4和IPv6協議，可以和IPv4或IPv6主機建立通信。主機根據目的IP地址來決定采用IPv4還是IPv6協議發送或接收數據包。在理想的網絡分層模型中，傳輸層和網絡層是獨立的，IP層的改變并不會影響傳輸層協議的運行，但實際上TCP和UDP協議在校驗碼計算中都采用包含了源和目的IP地址的偽頭部，所以在LINUX、WINDOWS等操作系統的IPv6協議實現中，作為IPv6上層協議的TCP/UDP代碼是獨立于IPv4上的TCP/UDP而實現的，如圖1(b)所示，因此稱之為雙棧節點更合適。
    目前雙棧是運行最廣泛的遷移機制。不過雙棧只允許相同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協議翻譯來完成。
    在IPv4到IPv6的過渡初期，絕大多數終端或路由器都是純IPv4節點（只實現了IPv4協議棧的節點）或雙棧節點，在過渡中期，雙棧節點或純IPv6節點將是主要的通信實體，到過渡后期，所有接入互聯網的設備基本上都是純IPv6節點（只實現了IPv6協議棧的節點）。

3  協議翻譯

    協議翻譯用來將IPv4（IPv6）數據包轉換成IPv6（IPv4）數據包，這種轉換對上層協議是透明的。利用協議翻譯可以在純IPv6節點和純IPv4節點之間建立通信，而不需要修改應用軟件。但在IPv4數據包轉換成IPv6數據包的過程中，由于IPv6頭部含有擴展頭部以及諸如流標簽等新字段而引起的不適當的翻譯，可能會導致傳輸性能的下降。另外，協議翻譯如NAT一樣會潛在的破壞端到端的服務（比如IPSec）。
    Bump-In-the-Stack（BIS）和Bump-In-the-API（BIA）機制可以使IPv4主機上的應用軟件和純IPv6主機進行通信，當應用軟件向純IPv6主機發送數據包時，IPv6地址被映射成一個臨時的IPv4地址，然后根據SIIT（Stateless IP/ICMP）將IPv4數據包轉換成IPv6數據包。協議轉換是一個十分消耗資源的過程，考慮到擴展性的問題，協議翻譯器應該處于網絡邊緣的位置。目前最有名的協議翻譯機制是NAT-PT（Network Address Translator－Protocol Translator）。

    如圖5所示，雙棧主機首先向ISATAP服務器發送路由請求，得到一個64位的IPv6地址前綴，再加上64位的接口標識符::0:5EFE:a.b.c.d，構成一個ISATAP地址，這里的a.b.c.d是雙棧主機的IPv4單播地址，該地址可以是公有的，也可以是私有的。雙棧主機配置了ISATAP地址后，就成為一個ISATAP客戶機，可以和IPv4域內的其他ISATAP客戶機進行通信了。通信過程如下：雙棧主機1獲得雙棧主機2的ISATAP地址后向其發送數據包，根據目的地址該數據包被交給ISATAP接口進行發送，ISATAP從數據包的IPv6源地址和目的地址從提出相應的IPv4源和目的地址，并對該數據包用IPv4頭部進行封裝，封裝后數據包的目的地址為雙棧主機2的IPv4地址，這樣就建立了一條從主機1到主機2的隧道。數據包最后到達主機2，主機2對其解封裝，得到一個IPv6數據包。
    ISATAP隧道的優點是它不要求隧道端節點必須具有全球唯一的IPv4地址，因此可用于內部私有網中各雙棧主機之間進行IPv6通信。和6to4隧道技術相結合，還可以使內部網的雙棧主機接入IPv6主干網。

(3)  Teredo
    位于NAT后的IPv6節點采用一般的隧道技術（IPv6-over-IPv4）是不能和NAT域外的IPv6節點進行通信的，因為目前的NAT一般不支持協議類型為41（也就是IPv6-over-IPv4）的數據包。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。數據包通過被封裝在UDP載荷中的方式穿過NAT，這是Teredo隧道的基本思想。
Teredo協議定義了4中通信實體： Client、Server、Relay、Host-specific Relay。其中Client指位于NAT域內的雙棧主機，Server負責為Client分配Teredo地址，Relay負責轉發Client和一般IPv6節點通信時的數據包，Host-specific Relay指不通過Relay可直接和Client進行通信的IPv6主機。這些通信實體都同時支持IPv6/IPv4協議。Teredo還為Client之間的通信進行了優化，可大幅度提高傳輸性能。
    Teredo可使NAT域內的IPv6節點獲得全球性的IPv6連接，在因IPv4地址匱乏而廣泛運行NAT的地區尤其是在我國，Teredo隧道無疑具有較好的應用前景。但Teredo的運行需要Relay的支持，并且它不支持隧道中間存在Symmetric NAT，Teredo地址采用規定格式的前綴也不符合IPv6路由分等級的思想，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組播隧道機制，通過將IPv6數據包封裝在IPv4中的方式連接互相分離的IPv6主機。6over4主機的IPv6地址由64位的單播地址前綴和規定格式的64位接口標識符::AABB:CCDD組成，其中AABB:CCDD是其IPv4地址a.b.c.d的十六進制表示。6over4將IPv4網絡當做具有組播功能的一條鏈路，通過IPv6組播地址和IPv4組播地址的映射關系實現IPv6協議的鄰居發現功能，以此，它要求IPv4網絡支持組播功能。實際網絡很少支持組播功能，所以6over4極少使用。

(5)  DSTM
    如果一個雙棧主機沒有配置IPv4地址，但想和另一個IPv4主機通信的話，可以采用DSTM也就是雙棧轉換機制來實現。雙棧主機首先向DSTM服務器申請得到一個臨時的IPv4地址和DSTM邊緣路由器的地址，然后IPv4數據包被封裝在IPv6載荷中進行傳輸，所以它是一種IPv4-over-IPv6隧道。在過渡后期，IPv6網絡占據主導地位，IPv4網絡反過來成為IPv6網路汪洋中孤立的小島，當IPv6主機想訪問IPv4資源的時候，DSTM將發揮作用。

(6)  Tunnel Broker
    Tennel Broker也就是隧道代理相當于一個虛擬的IPv6服務提供商，它通過IPv6-over-IPv4隧道的方式為IPv4網絡中的雙棧主機提供全球性的IPv6連接。隧道代理通過web方式為用戶分配IPv6地址、建立隧道以提供和其他IPv6站點之間的通信。目前已有不少提供隧道代理的網站。隧道代理的特點是靈活、可操作性強，針對不同用戶可提供不同的隧道配置。