摘要：中國互聯(lián)網(wǎng)全面進入了互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第版互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第版(IPv4/IPv6)雙棧運行階段，未來如何向IPv6單棧網(wǎng)絡演進是新的技術和產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)。結合中國的最新政策要求，在分析已有IPv6單棧過渡技術的基礎上，提出了面向大規(guī)模網(wǎng)絡的多域純IPv6網(wǎng)絡的總體框架、演進路線和相關方案，并給出發(fā)展IPv6單棧網(wǎng)絡的策略建議。

　　關鍵詞：IPv6單棧;全局映射規(guī)則;多域;SRv6;BGP4+

　　作為新一代互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第版(IPv6)是全球互聯(lián)網(wǎng)升級演進的必然趨勢和網(wǎng)絡技術創(chuàng)新的重要方向，其地位和趨勢在全球已基本無爭議。IPv6的發(fā)展在中國一直受到高度重視，特別是自從2017年中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《推進互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版(IPv6)規(guī)模部署行動計劃》以后，中國的IPv6部署大大加速，并已實現(xiàn)全面部署，網(wǎng)絡基礎設施也已進入互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第版(IPv4)/IPv6雙棧運行階段。隨著IPv6的規(guī)模應用，IPv6單棧網(wǎng)絡的部署已經(jīng)成為新的階段性重要目標。從雙棧向IPv6單棧演進的趨勢日益明顯，并成為IPv6與經(jīng)濟社會深度融合的先決條件。

　　在國際上，發(fā)達國家也在積極推進網(wǎng)絡和業(yè)務的IPv6單棧化。例如，2020年11月美國白宮管理和預算辦公室發(fā)布指南，要求“美國各機構盡快完成向IPv6的過渡，確保到2025財年末，聯(lián)邦網(wǎng)絡上超過80%的IP資源是IPv6單棧”。2021年月，中國中央網(wǎng)絡安全和信息化委員會辦公室、國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布的《關于加快推進互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版(IPv6)規(guī)模部署和應用工作的通知》指出，“增強IPv6網(wǎng)絡互聯(lián)互通能力，積極推進Pv6單棧網(wǎng)絡部署，是我國未來推進IPv6工作的重點任務之一”[1]。

　　網(wǎng)絡協(xié)議棧是互聯(lián)網(wǎng)運行的基石。單一網(wǎng)絡協(xié)議棧是互聯(lián)網(wǎng)的最基本要求，是互聯(lián)互通的前提。IPv4/IPv6雙棧網(wǎng)絡維護成本高，安全風險大，這不僅給設備提出很高的要求，還給業(yè)務發(fā)展帶來困惑甚至阻礙。從雙棧向IPv6單棧演進有利于網(wǎng)絡的運營維護，并且具有多個優(yōu)點：單協(xié)議棧的運營工作量和成本比雙棧顯著降低;單棧網(wǎng)絡的風險暴露面減少，使得網(wǎng)絡更加安全;網(wǎng)絡架構更簡單，路由表數(shù)量減少，對設備的要求降低，轉發(fā)能力得到提升。

　　對于互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務來說，IPv6單棧運營更為容易，減少了在支持IPv4能力方面的不必要成本投入。本文圍繞中國關于IPv6發(fā)展的總體規(guī)劃，分析了大規(guī)模網(wǎng)絡向IPv6單棧演進的內(nèi)涵和思路，然后面向大規(guī)模、多域、多場景網(wǎng)絡提出了向IPv6單棧演進的網(wǎng)絡總體架構和實施策略建議。

　　單棧的概念分析通俗地說，IPv6單棧網(wǎng)絡就是在網(wǎng)絡中關閉IPv4協(xié)議棧并以IPv6協(xié)議為核心進行編址、路由和轉發(fā)的網(wǎng)絡，它支持基于SRv6[2]的能力創(chuàng)新。IPv6單棧是網(wǎng)絡架構和能力的全新變化。IPv6單棧化最終是構建極簡、智能、安全、綠色的新型網(wǎng)絡，是IPv6發(fā)展的最終方向。作為新型的網(wǎng)絡基礎設施，IPv6單棧網(wǎng)絡主要是承載各種互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。

　　按照互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務對于協(xié)議支持的程度不同，IPv6單棧網(wǎng)絡呈現(xiàn)兩種不同的形態(tài)：綜合態(tài)和終極態(tài)。綜合態(tài)。網(wǎng)絡不僅要承載原生IPv6業(yè)務流量，還要承載現(xiàn)存的IPv4業(yè)務流量，并在邊緣支持IPv4業(yè)務流量的接入和穿越。在T2～T3階段，SRv6等IPv6創(chuàng)新技術逐漸得到廣泛應用。終極態(tài)。在互聯(lián)網(wǎng)中的業(yè)務全部IPv6化的情況下，網(wǎng)絡本身不再接入IPv4業(yè)務流。在以后的狀態(tài)中，網(wǎng)絡將關閉邊緣的IPv4屬性。

　　T3以后的狀態(tài)是向IPv6網(wǎng)絡過渡的終極態(tài)。從雙棧進入到IPv6單棧的階段，需要經(jīng)過T1～T2之間的IPv6單棧部署階段。這一階段所需的時間一般為～年(時間長短受到實際IPv6流量占比大小的影響)。網(wǎng)絡向IPv6單棧的推進也會促進互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務向IPv6遷移，進而對網(wǎng)絡中IPv6流量的占比產(chǎn)生影響，因此單棧部署期是網(wǎng)絡和業(yè)務互動的過程。

　　目前來看，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務要全部實現(xiàn)IPv6化還需要較長時間，因此短期內(nèi)實施終極態(tài)IPv6單棧是不現(xiàn)實的;但如果不推進IPv6單棧化而讓雙棧長久持續(xù)下去，那么業(yè)務的IPv6改造動力就會更加不足，這會影響IPv6流量的提升和生態(tài)的形成。綜合以上因素，當前推動綜合態(tài)的IPv6單棧方案更具有現(xiàn)實意義和緊迫性。綜合態(tài)IPv6單棧的關鍵問題是，在逐漸關閉IPv4協(xié)議棧以后，網(wǎng)絡中設備如何有效地支持剩余IPv4業(yè)務的承載，以確保用戶體驗不降低。

　　截至目前，互聯(lián)網(wǎng)工程任務組(IETF)針對不同的場景設計了多種純IPv6過渡方案，如雙棧(DS)Lite[3]、輕量級4over6[4]、翻譯型地址端口映射轉換機制(MAP)[5]、封裝型地址端口映射轉換機制(MAT)[6]、NAT64/464XLAT[7]等。這些方案均將IPv4作為IPv6網(wǎng)絡的一種業(yè)務，因此屬于綜合態(tài)的IPv6單棧方案，并已獲得商用。464XLAT是移動網(wǎng)中最成熟的IPv6單棧方案，該方案已獲得蘋果IOS和安卓等操作系統(tǒng)的支持，并得到了廣泛應用。在實踐方面，中國分別在不同場景進行了IPv6單棧的試點研究。

　　例如，CERNET是國際上首次采用IPv6單棧的網(wǎng)絡，也是迄今為止全球規(guī)模最大的IPv6單棧主干網(wǎng)。此外，中國有些運營商也開始在4G和5G移動網(wǎng)絡上進行IPv6單棧試點。大型網(wǎng)絡的IPv6單棧化必須具有如下幾個特性。

　　•開放性：支持與外部各種網(wǎng)絡(IPv4單棧、IPv4/IPv6雙棧和IPv6單棧)的互通，確保對網(wǎng)絡內(nèi)外業(yè)務的正常訪問，使用戶體驗不降低;•協(xié)議單純性：以IPv6協(xié)議為唯一基礎協(xié)議進行編址、路由和轉發(fā)等;•支持IPv6基礎上的技術創(chuàng)新：與智能化網(wǎng)絡架構協(xié)同，可根據(jù)業(yè)務需求和網(wǎng)絡維護需求實現(xiàn)基于SRv6的流量調(diào)度和網(wǎng)絡服務化;•地址真實可信：支持互聯(lián)網(wǎng)真實源地址的精確定位和地址溯源，并可在地址中嵌入用戶或者終端身份信息，增強對網(wǎng)絡和用戶的安全管控能力。

　　目前，中國數(shù)字化轉型方興未艾，云計算、邊緣計算和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務都需要一個先進的網(wǎng)絡基礎設施來支撐。這個基礎設施應該是以IPv6為核心協(xié)議的新一代基礎網(wǎng)絡，應避免進入IPv4誤區(qū)。因此，網(wǎng)絡的IPv6單棧化也和數(shù)字化轉型密切相關，其在中國的部署具有必要性和緊迫性。另外，中國推動互聯(lián)網(wǎng)的單棧化有利于引領國際IPv6發(fā)展潮流，可為全球互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展貢獻力量。

　　2多域網(wǎng)絡引入IPv6單棧時的主要問題

　　如前所述，目前業(yè)界已有多種IPv6單棧過渡技術方案。這些方案在支持IPv4業(yè)務的承載時，需要不同類型的IPv4和IPv6轉換技術。例如，464XLAT采用有狀態(tài)NAT64的翻譯技術，IVI采用無狀態(tài)翻譯NAT64技術，DSLite采用基于AFTR的4over6隧道技術，而主干網(wǎng)則采用GRE隧道或無狀態(tài)翻譯技術等。對于運營商來說，在引入IPv6單棧時首要面臨采用何種技術的問題。通常情況下，大規(guī)模IP網(wǎng)絡是由多個自治系統(tǒng)組成的。各自治系統(tǒng)服務不同的場景，而且經(jīng)常由不同的組織來管理，并采用不同的路由和安全策略。即便是在同一個運營商內(nèi)，每個自治系統(tǒng)都由不同的機構或部門來管理和運營。

　　在引入IPv6單棧方案時，如果自治系統(tǒng)之間缺乏協(xié)同，就需要在數(shù)據(jù)路徑上將IPv6數(shù)據(jù)包轉回到IPv4，然后在下一個域又轉回IPv6。這樣網(wǎng)絡中就會出現(xiàn)較多功能不同的IPv4IPv6數(shù)據(jù)包轉換網(wǎng)關，而且轉換次數(shù)會隨著自制系統(tǒng)數(shù)量的增加而增加。在含個域的網(wǎng)絡上，各自治系統(tǒng)采用不同的IPv6單棧過渡技術。IPv4業(yè)務數(shù)據(jù)在跨域時需要恢復出IPv4數(shù)據(jù)包，這導致網(wǎng)絡中出現(xiàn)了次基于網(wǎng)關的IPv4和IPv6轉換。過多的IPv4和IPv6轉換使網(wǎng)絡變得復雜，也使設備投資相應增大。因此，我們迫切需要協(xié)同域間的單棧方案，以消除不必要的轉換功能，提高數(shù)據(jù)轉發(fā)效率。

　　3多域純IPv6技術總體方案

　　針對以上問題，本文提出了面向大規(guī)模、多域和多場景的純IPv6組網(wǎng)架構及相關技術方案，為不同自治系統(tǒng)間的IPv6單棧方案協(xié)同組網(wǎng)提供框架支持。

　　多域純IPv6網(wǎng)絡的目標是以IPv6為基礎協(xié)議構建多域互連的網(wǎng)絡基礎設施，在進行IPv4業(yè)務的承載時遵循“IPv4AsAService”的思路，即把IPv4作為一種業(yè)務。對于客戶側發(fā)出的IPv4數(shù)據(jù)包，為了不讓IPv4數(shù)據(jù)包進入網(wǎng)絡，網(wǎng)絡邊緣設備會將IPv4數(shù)據(jù)包適配成IPv6數(shù)據(jù)包。為支持在多域純IPv6網(wǎng)絡中傳送IPv4業(yè)務數(shù)據(jù)包，在入口PE(即PE1)上運行的XLAT需要將IPv4業(yè)務數(shù)據(jù)包轉換成IPv6數(shù)據(jù)包，并通過IPv6路由系統(tǒng)將該數(shù)據(jù)包送到正確的出口PE(即PE2)，然后IPv6數(shù)據(jù)包被恢復成IPv4數(shù)據(jù)包;而在域間IPv6數(shù)據(jù)包不需要被恢復成IPv4數(shù)據(jù)包，這樣系統(tǒng)最多需要兩次IPv4和IPv6的轉換。為此，各域間需要“達成轉換共識”，即采用全局映射規(guī)則。具體來說，多域純IPv6技術方案包括如下幾個部分：

　　基于全局映射規(guī)則的IPv4IPv6地址映射為了提升轉化效率，本方案將整個IPv4地址空間“映射”到IPv6地址空間中，即把IPv4看作IPv6的一個“子集”。具體實現(xiàn)方式是通過添加IPv6合成前綴將IPv4地址映射到IPv6地址。全局映射規(guī)則就是所有IPv4地址塊與IPv6合成前綴的映射關系：{IPv4addressblock:Pref64}。對于需要通過純IPv6網(wǎng)絡傳送的IPv4數(shù)據(jù)包，入口PE設備可基于統(tǒng)一定義的全局映射規(guī)則對其IPv4源和目的地址映射生成對應的IPv6源和目的地址。同時該IPv4數(shù)據(jù)包被轉換成IPv6數(shù)據(jù)包，然后在純IPv6的網(wǎng)絡中進行域內(nèi)和跨域傳送。為了支持地址轉換，全網(wǎng)PE都配置IPv4地址塊對應的IPv6合成前綴。

　　基于BGP4+協(xié)議擴展跨域交換映射規(guī)則為了將IPv4業(yè)務數(shù)據(jù)包正確地傳送到網(wǎng)絡出口，需要在網(wǎng)絡邊緣PE設備中將IPv4地址塊對應的路由映射合成IPv6路由。對于特定的IPv4地址塊來說，在純IPv6網(wǎng)絡中，可發(fā)布IPv6合成路由的PE設備就是該IPv4地址塊的關聯(lián)PE。關聯(lián)PE設備也同樣都有相應的Pref64。本方案采用PE設備的前綴Pref64來生成IPv4地址塊所對應的IPv6合成路由，然后在全網(wǎng)交換IPv4地址塊在純IPv6網(wǎng)絡中關聯(lián)的邊緣PE設備(出口PE)的位置，即IPv4地址塊的IPv4IPv6映射規(guī)則。為此，可通過BGP4+協(xié)議擴展[8]在域內(nèi)和域間的設備間交換IPv6合成路由和IPv4IPv6映射規(guī)則。

　　兼容隧道和翻譯的靈活轉發(fā)方式當用戶發(fā)出的IPv4數(shù)據(jù)包達到IPv6網(wǎng)絡邊緣時，入口PE的XLAT模塊根據(jù)本地的IPv4IPv6映射規(guī)則將其轉換為IPv6數(shù)據(jù)包，然后該數(shù)據(jù)包被轉發(fā)到對應的網(wǎng)絡出口PE。要說明的是，XLAT在轉發(fā)面既可以支持翻譯方式，也可以支持4over6的封裝方式。本方案支持域間IPv6單棧能力協(xié)同，包括接入域和主干域的協(xié)同、主干域間的協(xié)同、運營商間的協(xié)同，通過協(xié)同降低IPv4業(yè)務承載中的轉換次數(shù)，來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省＝尤胗驗槟硞€移動核心網(wǎng)，可通過464XLAT為移動終端提供IPv6單棧接入服務。在464XLAT方案中，為了在IPv6網(wǎng)絡中支持對IPv4業(yè)務的訪問，客戶端翻譯器(CLAT)[9]需要將IPv4客戶端(APPv4)發(fā)出的IPv數(shù)據(jù)包轉換成Pv6數(shù)據(jù)包。

　　主干域和分別為提供IPv6轉發(fā)服務的主干網(wǎng)。本方案可以融合接入域、主干域、主干域的IPv6單棧能力，形成從終端到網(wǎng)絡主干域出口的端到端IPv6單棧能力，并且只需要在出口PE路由器進行一次IPv4IPv6轉換，不需要在域間互通的位置(和處)將IPv6數(shù)據(jù)包恢復成IPv4數(shù)據(jù)包。

　　向IPv6單棧過渡的策略建議為了在中國盡早推動IPv6單棧網(wǎng)絡的產(chǎn)業(yè)成熟和網(wǎng)絡部署，需要做好如下幾方面工作：

　　•從政策方面對IPv6單棧給予引導支持，并在必要時給出關閉網(wǎng)絡中IPv4協(xié)議棧的實施路線、推進策略和時間點。

　　•網(wǎng)絡邊緣的設備須滿足多域純IPv6標準的能力要求。新入網(wǎng)操作系統(tǒng)和終端(4G/5G移動終端、固網(wǎng)CPE終端、物聯(lián)網(wǎng)終端和其他新型終端等)都應當具有標準要求的IPv6單棧能力，并優(yōu)先以純IPv6方式接入網(wǎng)絡。

　　•推動互聯(lián)網(wǎng)應用向IPv6遷移，提升IPv6網(wǎng)絡的流量占比，為IPv6單棧化創(chuàng)造良好的流量條件。新上線的云計算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等應按照純IPv6要求來建設和運營，能在IPv6單棧網(wǎng)絡環(huán)境下運行。•網(wǎng)絡運營商和大型互聯(lián)網(wǎng)公司應按照標準盡早進行IPv6單棧商用試點，并加快在IPv6單棧網(wǎng)絡方面的相互協(xié)作;鼓勵并支持在中國開展IPv6單棧示范區(qū)的建設和實踐。•強化IPv6對網(wǎng)絡安全的提升，確保網(wǎng)絡安全領域內(nèi)新的系統(tǒng)、軟硬件、安全策略能夠在純IPv6的基礎上進行規(guī)劃設計，加速中國網(wǎng)絡信息安全體系向IPv6單棧的同步過渡。

　　5結束語

　　隨著IPv6在中國的規(guī)模應用，IPv6單棧網(wǎng)絡已經(jīng)成為新的重要目標，也是中國IPv6部署邁上新臺階的必由之路。IPv6單棧的本質(zhì)是做“減法”，即消除網(wǎng)絡中不必要的功能和協(xié)議冗余，優(yōu)化網(wǎng)絡架構。網(wǎng)絡的IPv6單棧化和中國的數(shù)字化轉型密切相關，其部署具有必要性和緊迫性。在實施層面，IPv6單棧化網(wǎng)絡在較長時期內(nèi)仍需要支持剩余IPv4業(yè)務的綜合承載，因此網(wǎng)絡的邊緣還須維持IPv4特性。只有等IPv6流量增長大大超過IPv4后，IPv4協(xié)議才可徹底退網(wǎng)。本文提出了大規(guī)模、多域、多場景下的純IPv6組網(wǎng)架構，在支持域間和運營商間協(xié)同的基礎上，打通整合不同域間的IPv6單棧能力，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，并在最后提出了IPv6單棧部署的策略建議。

　　參考文獻：

　　[1]中央網(wǎng)絡安全和信息化委員會辦公室,國家發(fā)展和改革委員會,工業(yè)和信息化部.關于加快推進互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版(IPv6)規(guī)模部署和應用工作的通知[EB/OL].(20210712)[20211225].

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　　[5]IETF.Mappingofaddressandportusingtranslation(MAPT):IETFRFC7599[S].2015

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　　[8]IETF.MultiprotocolextensionsforBGP4:RFC4760[S].2007

　　作者：解沖鋒,李星,李震余勇志

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