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(luò)演進是新的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)。結(jié)合中國的最新政策要求，在分析已有IPv6單棧過渡技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了面向大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的多域純IPv6網(wǎng)絡(luò)的總體框架、演進路線和相關(guān)方案，并給出發(fā)展IPv6單棧網(wǎng)絡(luò)的策略建議。

　　關(guān)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(luò)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(luò)技術(shù)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(wù)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(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用，IPv6單棧網(wǎng)絡(luò)的部署已經(jīng)成為新的階段性重要目標(biāo)。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(dá)國家也在積極推進網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的IPv6單棧化。例如，2020年11月美國白宮管理和預(yù)算辦公室發(fā)布指南，要求“美國各機構(gòu)盡快完成向IPv6的過渡，確保到2025財年末，聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)上超過80%的IP資源是IPv6單棧”。2021年月，中國中央網(wǎng)絡(luò)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(guān)于加快推進互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版(IPv6)規(guī)模部署和應(yīng)用工作的通知》指出，“增強IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通能力，積極推進Pv6單棧網(wǎng)絡(luò)部署，是我國未來推進IPv6工作的重點任務(wù)之一”[1]。

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是互聯(lián)網(wǎng)運行的基石。單一網(wǎng)絡(luò)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(luò)維護成本高，安全風(fēng)險大，這不僅給設(shè)備提出很高的要求，還給業(yè)務(wù)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(luò)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(luò)的風(fēng)險暴露面減少，使得網(wǎng)絡(luò)更加安全;網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更簡單，路由表數(shù)量減少，對設(shè)備的要求降低，轉(zhuǎn)發(fā)能力得到提升。

　　對于互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)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(guān)于IPv6發(fā)展的總體規(guī)劃，分析了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)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(luò)提出了向IPv6單棧演進的網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)和實施策略建議。

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

　　按照互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對于協(xié)議支持的程度不同，IPv6單棧網(wǎng)絡(luò)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(luò)不僅要承載原生IPv6業(yè)務(wù)流量，還要承載現(xiàn)存的IPv4業(yè)務(wù)流量，并在邊緣支持IPv4業(yè)務(wù)流量的接入和穿越。在T2～T3階段，SRv6等IPv6創(chuàng)新技術(shù)逐漸得到廣泛應(yīng)用。終極態(tài)。在互聯(lián)網(wǎng)中的業(yè)務(wù)全部IPv6化的情況下，網(wǎng)絡(luò)本身不再接入IPv4業(yè)務(wù)流。在以后的狀態(tài)中，網(wǎng)絡(luò)將關(guān)閉邊緣的IPv4屬性。

　　T3以后的狀態(tài)是向IPv6網(wǎng)絡(luò)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(luò)向IPv6單棧的推進也會促進互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)向IPv6遷移，進而對網(wǎng)絡(luò)中IPv6流量的占比產(chǎn)生影響，因此單棧部署期是網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)互動的過程。

　　目前來看，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)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(wù)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(dāng)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(guān)鍵問題是，在逐漸關(guān)閉IPv4協(xié)議棧以后，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備如何有效地支持剩余IPv4業(yè)務(wù)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(wù)組(IETF)針對不同的場景設(shè)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(zhuǎn)換機制(MAP)[5]、封裝型地址端口映射轉(zhuǎn)換機制(MAT)[6]、NAT64/464XLAT[7]等。這些方案均將IPv4作為IPv6網(wǎng)絡(luò)的一種業(yè)務(wù)，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(yīng)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(luò)，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(luò)上進行IPv6單棧試點。大型網(wǎng)絡(luò)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(luò)(IPv4單棧、IPv4/IPv6雙棧和IPv6單棧)的互通，確保對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外業(yè)務(wù)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(chǔ)協(xié)議進行編址、路由和轉(zhuǎn)發(fā)等;•支持IPv6基礎(chǔ)上的技術(shù)創(chuàng)新：與智能化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)協(xié)同，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)維護需求實現(xiàn)基于SRv6的流量調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(luò)和用戶的安全管控能力。

　　目前，中國數(shù)字化轉(zhuǎn)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(wù)都需要一個先進的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來支撐。這個基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該是以IPv6為核心協(xié)議的新一代基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)避免進入IPv4誤區(qū)。因此，網(wǎng)絡(luò)的IPv6單棧化也和數(shù)字化轉(zhuǎn)型密切相關(guān)，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(lǐng)國際IPv6發(fā)展潮流，可為全球互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

　　2多域網(wǎng)絡(luò)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(shù)方案。這些方案在支持IPv4業(yè)務(wù)的承載時，需要不同類型的IPv4和IPv6轉(zhuǎn)換技術(shù)。例如，464XLAT采用有狀態(tài)NAT64的翻譯技術(shù)，IVI采用無狀態(tài)翻譯NAT64技術(shù)，DSLite采用基于AFTR的4over6隧道技術(shù)，而主干網(wǎng)則采用GRE隧道或無狀態(tài)翻譯技術(shù)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(shù)的問題。通常情況下，大規(guī)模IP網(wǎng)絡(luò)是由多個自治系統(tǒng)組成的。各自治系統(tǒng)服務(wù)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(gòu)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(zhuǎn)回到IPv4，然后在下一個域又轉(zhuǎn)回IPv6。這樣網(wǎng)絡(luò)中就會出現(xiàn)較多功能不同的IPv4IPv6數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，而且轉(zhuǎn)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(luò)上，各自治系統(tǒng)采用不同的IPv6單棧過渡技術(shù)。IPv4業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在跨域時需要恢復(fù)出IPv4數(shù)據(jù)包，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了次基于網(wǎng)關(guān)的IPv4和IPv6轉(zhuǎn)換。過多的IPv4和IPv6轉(zhuǎn)換使網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜，也使設(shè)備投資相應(yīng)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(zhuǎn)換功能，提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率。

　　3多域純IPv6技術(shù)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(gòu)及相關(guān)技術(shù)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(luò)的目標(biāo)是以IPv6為基礎(chǔ)協(xié)議構(gòu)建多域互連的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，在進行IPv4業(yè)務(wù)的承載時遵循“IPv4AsAService”的思路，即把IPv4作為一種業(yè)務(wù)。對于客戶側(cè)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(luò)，網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)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(luò)中傳送IPv4業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，在入口PE(即PE1)上運行的XLAT需要將IPv4業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)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(fù)成IPv4數(shù)據(jù)包;而在域間IPv6數(shù)據(jù)包不需要被恢復(fù)成IPv4數(shù)據(jù)包，這樣系統(tǒng)最多需要兩次IPv4和IPv6的轉(zhuǎn)換。為此，各域間需要“達(dá)成轉(zhuǎn)換共識”，即采用全局映射規(guī)則。具體來說，多域純IPv6技術(shù)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(zhuǎn)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(guān)系：{IPv4addressblock:Pref64}。對于需要通過純IPv6網(wǎng)絡(luò)傳送的IPv4數(shù)據(jù)包，入口PE設(shè)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(yīng)的IPv6源和目的地址。同時該IPv4數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)換成IPv6數(shù)據(jù)包，然后在純IPv6的網(wǎng)絡(luò)中進行域內(nèi)和跨域傳送。為了支持地址轉(zhuǎn)換，全網(wǎng)PE都配置IPv4地址塊對應(yīng)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(wù)數(shù)據(jù)包正確地傳送到網(wǎng)絡(luò)出口，需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣PE設(shè)備中將IPv4地址塊對應(yīng)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(luò)中，可發(fā)布IPv6合成路由的PE設(shè)備就是該IPv4地址塊的關(guān)聯(lián)PE。關(guān)聯(lián)PE設(shè)備也同樣都有相應(yīng)的Pref64。本方案采用PE設(shè)備的前綴Pref64來生成IPv4地址塊所對應(yīng)的IPv6合成路由，然后在全網(wǎng)交換IPv4地址塊在純IPv6網(wǎng)絡(luò)中關(guān)聯(lián)的邊緣PE設(shè)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(shè)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(zhuǎn)發(fā)方式當(dāng)用戶發(fā)出的IPv4數(shù)據(jù)包達(dá)到IPv6網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換為IPv6數(shù)據(jù)包，然后該數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)出口PE。要說明的是，XLAT在轉(zhuǎn)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(wù)承載中的轉(zhuǎn)換次數(shù)，來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)男�率。接入域為某個移動核心網(wǎng)，可通過464XLAT為移動終端提供IPv6單棧接入服務(wù)。在464XLAT方案中，為了在IPv6網(wǎng)絡(luò)中支持對IPv4業(yè)務(wù)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(zhuǎn)換成Pv6數(shù)據(jù)包。

　　主干域和分別為提供IPv6轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)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(luò)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(zhuǎn)換，不需要在域間互通的位置(和處)將IPv6數(shù)據(jù)包恢復(fù)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(luò)的產(chǎn)業(yè)成熟和網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)支持，并在必要時給出關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)中IPv4協(xié)議棧的實施路線、推進策略和時間點。

　　•網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備須滿足多域純IPv6標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)當(dāng)具有標(biāo)準(zhǔn)要求的IPv6單棧能力，并優(yōu)先以純IPv6方式接入網(wǎng)絡(luò)。

　　•推動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用向IPv6遷移，提升IPv6網(wǎng)絡(luò)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(yīng)按照純IPv6要求來建設(shè)和運營，能在IPv6單棧網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運行。•網(wǎng)絡(luò)運營商和大型互聯(lián)網(wǎng)公司應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)盡早進行IPv6單棧商用試點，并加快在IPv6單棧網(wǎng)絡(luò)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(shè)和實踐。•強化IPv6對網(wǎng)絡(luò)安全的提升，確保網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域內(nèi)新的系統(tǒng)、軟硬件、安全策略能夠在純IPv6的基礎(chǔ)上進行規(guī)劃設(shè)計，加速中國網(wǎng)絡(luò)信息安全體系向IPv6單棧的同步過渡。

　　5結(jié)束語

　　隨著IPv6在中國的規(guī)模應(yīng)用，IPv6單棧網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為新的重要目標(biāo)，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(luò)中不必要的功能和協(xié)議冗余，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)的IPv6單棧化和中國的數(shù)字化轉(zhuǎn)型密切相關(guān)，其部署具有必要性和緊迫性。在實施層面，IPv6單棧化網(wǎng)絡(luò)在較長時期內(nèi)仍需要支持剩余IPv4業(yè)務(wù)的綜合承載，因此網(wǎng)絡(luò)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(gòu)，在支持域間和運營商間協(xié)同的基礎(chǔ)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。

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　　作者：解沖鋒,李星,李震余勇志