隨著IPv6在全球的規(guī)模部署，一直被認為是IPv6發(fā)展的最終方向的IPv6單棧（即IPv6-only，也稱為純IPv6），也逐漸成為當前國內(nèi)外互聯(lián)網(wǎng)業(yè)界關注的熱點。與當前的IPv4/IPv6雙協(xié)議棧方案相比，IPv6單棧具有多項優(yōu)點：首先，網(wǎng)絡配置和維護工作量較小，對設備的要求相對較低，運行成本低；其次，風險暴露面少，安全風險低；最后，單棧促進了網(wǎng)絡的簡化，潛在故障點減少，因此可靠性較好。

2016年，國際IETF最高領導層IAB發(fā)表聲明稱“希望IETF能夠在新RFC標準中，停止要求新設備和新的擴展協(xié)議兼容IPv4，未來的新協(xié)議要全部在IPv6基礎上進行設計和優(yōu)化。”中央網(wǎng)信辦最近發(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IPv6單棧網(wǎng)絡部署，是我國未來推進IPv6工作的重點任務之一?！?020年美國白宮管理和預算辦公室發(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)絡上超過80%的IP資源是IPv6單棧?！?/p>

中國電信研究院積極開展IPv6單棧研究

中國電信研究院一直在進行面向大規(guī)模網(wǎng)絡的純IPv6組網(wǎng)方案及技術的研究，并且在中國通信標準化協(xié)會組織下，牽頭包括“多域純IPv6的網(wǎng)絡總體技術要求”在內(nèi)的IPv6單棧系列標準，并向國際IETF提交了相關文稿。2021年，中國電信研究院聯(lián)合清華大學網(wǎng)研院成功實現(xiàn)了從無錫電信城域網(wǎng)到內(nèi)蒙云天翼云基地之間的IPv6單棧多業(yè)務通信，這也是國際上首個長距、跨域、多場景的IPv6單棧案例，為我國未來基于IPv6單棧構(gòu)建新型云網(wǎng)基礎設施打下了重要的技術基礎。

在大規(guī)模IP網(wǎng)絡中，如果沒有專門設計的IPv6單棧技術，直接關閉雙棧網(wǎng)絡中的IPv4協(xié)議將使得現(xiàn)存的IPv4業(yè)務無法正常運行，用戶體驗將受影響，因此向IPv6單棧演進可在關閉IPv4協(xié)議的情況下，確保現(xiàn)存IPv4業(yè)務依舊能正常運行。在接入側(cè)，國際IETF采用了多種IPv6單棧技術，如DS-Lite、MAP-T、MAT-E等，它們可以在不給用戶分配IPv4地址的情況下，在IPv6單棧網(wǎng)絡上支持IPv4業(yè)務的傳送。在主干側(cè)，為了使得IPv4業(yè)務數(shù)據(jù)穿越純IPv6主干網(wǎng)絡，需要在網(wǎng)絡的入口和出口邊緣PE設備之間手工配置隧道。由于任意兩個PE節(jié)點之間都有數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡?，因此需要在所有的PE節(jié)點之間構(gòu)建隧道。這種方式配置工作量大，而且需要維護每條隧道的狀態(tài)。邊緣設備數(shù)量N都很大，每臺PE需要維護的隧道狀態(tài)數(shù)量快速增加，網(wǎng)絡中隧道的總數(shù)也呈現(xiàn)N2的增長，這就是典型的“N平方”問題。其次，網(wǎng)絡中不同場景采用不同過渡技術，從而需要在網(wǎng)絡上部署大量的IPv4-IPv6轉(zhuǎn)換網(wǎng)關，數(shù)據(jù)處理效率低，難以發(fā)揮IPv6自身的優(yōu)勢。

多域純IPv6方案簡析

為了在多域純IPv6網(wǎng)絡中支持IPv4業(yè)務的承載和傳送，本方案采取了地址空間整合思路，將本來基于IPv4運行的編址、路由和轉(zhuǎn)發(fā)等功能映射到IPv6空間處理，并將IPv4業(yè)務特性僅保留在純IPv6網(wǎng)絡的邊緣PE設備或終端中，網(wǎng)絡核心PE設備就可以關閉IPv4協(xié)議棧。具體來說，新方案包括如下幾個部分。

通過IPv4-IPv6地址映射實現(xiàn)空間整合，通過全局統(tǒng)一的映射規(guī)則將IPv4地址空間映射到IPv6地址空間中。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：{IPv4address block: Pref64}，該IPv6合成前綴“Pref64”也標識了該IPv4地址塊“IPv4addressblock”在網(wǎng)絡中的位置。在實現(xiàn)中，地址映射就是通過添加IPv6合成前綴“Pref64”將IPv4地址映射到IPv6地址。

通過“BGP4+擴展”在IPv6單棧網(wǎng)絡中傳遞IPv4NLRI信息，為了將IPv4業(yè)務數(shù)據(jù)從IPv6網(wǎng)絡入口PE轉(zhuǎn)發(fā)到正確的出口PE，需要傳遞IPv4的可達性信息，為此需要將IPv4路由映射到IPv6路由中，并通過“BGP4+協(xié)議”進行交換并發(fā)布IPv4地址塊與IPv6前綴的映射信息，接收到映射消息的PE可以據(jù)此獲得IPv4地址塊與其關聯(lián)的出口PE，因此本方案在邊緣PE設備中維護地址塊級的狀態(tài)信息，與用戶級的狀態(tài)信息相比，其信息規(guī)模小很多，減少了存儲和維護成本。

基于本地規(guī)則信息實現(xiàn)IPv4-IPv6數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)化，針對到達純IPv6網(wǎng)絡邊緣的IPv4數(shù)據(jù)包，在IPv6網(wǎng)絡的入口處根據(jù)本地維護的IPv4地址與IPv6前綴的映射關系轉(zhuǎn)換為IPv6數(shù)據(jù)包，然后利用轉(zhuǎn)換后的目的IPv6地址轉(zhuǎn)發(fā)到對應的IPv6網(wǎng)絡出口。在轉(zhuǎn)發(fā)面可支持封裝方式，也可以支持翻譯方式，但地址遵循同樣的轉(zhuǎn)換方式。

在本網(wǎng)絡框架下，當新的PE設備加入或者舊的設備退出時，可利用BGP4+的能力進行靈活調(diào)整適應，與傳統(tǒng)的隧道方式相比，本方式減少了大量不必要的設備配置，避免了在任意兩個PE之間建立連接帶來的“N平方”問題。

本次試驗是驗證在多域、多場景的網(wǎng)絡環(huán)境下IPv6單棧數(shù)據(jù)通信能力以及與外部其他網(wǎng)絡互通的能力。試驗是在現(xiàn)網(wǎng)仿真進行。項目組選取了地理距離較遠的江蘇無錫和內(nèi)蒙古呼和浩特進行IPv6單棧試驗，試驗涵蓋的網(wǎng)絡場景包括城域網(wǎng)、IP骨干網(wǎng)及天翼云資源池等。由于本方案只對邊緣PE設備提出了功能要求，對IP骨干網(wǎng)沒有提出任何新的功能要求，因此試驗只在IP骨干網(wǎng)發(fā)布試驗中合成的路由即可。項目組在現(xiàn)網(wǎng)部署了試驗用支持IPv4-IPv6轉(zhuǎn)換的PE設備，其中，部署在呼和浩特的PE設備將云資源池的業(yè)務數(shù)據(jù)整合到IPv6單棧平面上，部署在無錫城域網(wǎng)的PE設備將用戶的IPv4和IPv6業(yè)務數(shù)據(jù)整合到IPv6單棧平面上（如圖1所示）。

圖1 長距、跨域純IPv6驗證網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

基于以上IPv6單棧驗證環(huán)境，項目組測試了IPv4-IPv4、IPv6-IPv6及IPv6-IPv4訪問等多種基礎通信能力，并測試了純IPv6驗證環(huán)境與外部IPv4、IPv6網(wǎng)絡互通的能力，試驗達到了預期的效果。本方案在多域、多場景下采用純IPv6方式承載多種形態(tài)的業(yè)務，拉通整合了不同域間的IPv6能力，消除了冗余的功能，減少了多域時的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換次數(shù)，從而形成了端到端的IPv6能力，方便了業(yè)務的部署和運營。

本方案遵循“IPv4as aService”的理念，支持剩余IPv4業(yè)務的承載和傳送，具有良好的可擴展性。由于采取了基于全局統(tǒng)一規(guī)則的IPv4到IPv6的映射機制，網(wǎng)絡的狀態(tài)數(shù)目僅與路由數(shù)相關，與服務的用戶數(shù)無關。新的網(wǎng)絡或者路由要加入時，只需要遵循全局統(tǒng)一規(guī)則就可在本地加入純IPv6網(wǎng)絡，不需要對網(wǎng)絡其余部分進行修改，體現(xiàn)了良好的可擴展性和可實施性。

由于本方案采用統(tǒng)一的IPv6編址、路由和轉(zhuǎn)發(fā)機制，網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)包只有IPv6數(shù)據(jù)包，與雙棧網(wǎng)絡相比，更有利于SRv6網(wǎng)絡可編程等創(chuàng)新技術的實施，由于網(wǎng)絡控制面在為數(shù)據(jù)包指定路徑的中間節(jié)點，因此不用關心在網(wǎng)絡中的出口。

2017年11月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳聯(lián)合印發(fā)的《推進互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（IPv6）規(guī)模部署行動計劃》指出：“IPv6能夠提供充足的網(wǎng)絡地址和廣闊的創(chuàng)新空間，是全球公認的下一代互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)應用解決方案?！贝罅Πl(fā)展基于IPv6的下一代互聯(lián)網(wǎng)，并將所有的業(yè)務遷移到IPv6網(wǎng)絡上是未來必然的選擇，云計算、邊緣計算和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務應該構(gòu)建在以IPv6為核心協(xié)議的新一代基礎網(wǎng)絡上，因此構(gòu)建大型純IPv6網(wǎng)絡也與數(shù)字化轉(zhuǎn)型密切相關，具有戰(zhàn)略重要性。在聯(lián)合研究的基礎上，中國電信研究院與清華大學網(wǎng)研院成功進行了多域純IPv6現(xiàn)網(wǎng)試驗，實現(xiàn)了全球首個包括城域網(wǎng)、云和IP骨干網(wǎng)在內(nèi)的一體化純IPv6現(xiàn)網(wǎng)案例，為將來網(wǎng)絡全面向IPv6單棧演進提供了重要技術基礎。

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審核編輯 ：李倩