華為：IPv6過渡技術中的探索
阿新 • • 發佈：2019-01-30
1 前言
隨著IPv4地址的逐漸耗盡，而現在很多業務有巨大的IP地址需求，包括固定寬頻、移動網際網路、物聯網等等，中國電信等運營商持續發展的業務對IP地址有上千萬甚至數億的需求。2012年左右，中國運營商將無法獲得IPv4的地址，業務發展的需要和IPv4地址耗盡成為必須面臨的現實問題。從長遠來看，IPV6是針對IPv4地址短缺問題的根本解決辦法，現在的關鍵是如何在IPv4地址枯竭前完成向IPV6的平滑演進。如果不能在IPv4地址耗盡前實現向IPV6的平滑遷移，那麼整個網際網路將面臨嚴重的NAT問題，運營商將迫不得已採用IPv4私有地址發展業務，這樣將導致網路中需要部署大量的NAT裝置，以滿足IPv4私有地址到IPv4公有地址的轉換，整個網際網路將由此進入NAT時代。
2 運營商將面臨艱難選擇
對國內運營商來說，IPv4公有地址儲備量較少，2012年左右將無法再從IP地址分配機構獲得新的IPv4公有地址，而IPV6端到端整體的產業環境還無法滿足採用純IPV6運營時，將面臨三個艱難的選擇：
(1)給新使用者分配IPv4私有地址，在運營商網路部署傳統的NAT裝置解決IPv4私有地址和IPv4公有地址的轉換，暫時不引入IPV6；
(2)給新使用者分配IPV6單棧地址發展業務，為了解決這些使用者訪問IPv4業務及與現存的IPv4使用者之間進行通訊時，必須部署
(3)給新使用者同時分配雙棧地址(IPv4私有地址+ IPV6地址)，訪問IPV6業務用IPV6地址，訪問IPv4業務用IPv4私有地址，運營商網路部署傳統的NAT裝置解決IPv4私有地址和IPv4公有地址的轉換，IPv4與IPV6之間不進行互通。
哪種方式更適合運營商？哪些過渡技術可以在其中發揮重要作用？就這些問題，華為和國內運營商一直在緊密合作，不斷進行探索，逐漸找到適合國內運營商的IPV6過渡技術方案。
3 過渡技術分析
通常所說的IPV6過渡技術，一般分為三大類：雙棧、隧道、地址轉換或翻譯技術(NAT)。
(1)雙棧：是指從使用者側到網路側同時支援IPv4協議棧和
(2)隧道技術：將一種協議的資料報文封裝在另一種協議的資料報文中傳輸，是連線孤島的有效方法。隧道型別有很多種，包括6PE、6VPE、手工隧道、GRE、L2TP、6over4、4over6、6to4、ISATAP、Teredo等，不同型別的隧道技術可以用於不同的應用場景。隧道技術有一個較大的問題，需要兩端裝置之間能夠良好互通，而實際上各廠家的產品在隧道方面的互通情況並不理想。
(3)地址轉換或翻譯技術：統稱為NAT技術，可以分為兩類，一類是IPv4私有地址到IPv4公有地址的地址轉換NAT技術(或稱為NAT44)，另一類是IPv4與IPV6地址之間轉換的技術，例如NAT-PT、NAT64、IVI等。
4 IPV6過渡部署方案
面對各種層出不窮的IPV6過渡新技術，什麼樣的技術方案更適合運營商IPV6演進？通過華為和中國運營商相關專家共同研究，可以把各種各樣的過渡技術分為兩大類：一類是IPV6匯入技術，另一類是狹義的解決IPv4地址短缺的技術。
IPV6匯入技術指在現有IPv4網路中，可以匯入IPV6使用者接入的技術，包括雙棧、6PE、L2TP、6RD、6to4等，這些技術的一個共同特點是通過這些技術的應用，能夠在現有網路中逐步引入IPV6使用者和業務，但都無法真正解決IPv4地址短缺的問題。
解決IPv4地址短缺的技術包括NAT44、NAT64、NAT-PT、PNAT等，採用這些技術，可以不再大量依賴IPv4公有地址發展業務，可以給使用者提供IPv4私有地址或直接用IPV6給使用者提供接入和訪問業務，這類技術的一個共同特點是需要做NAT地址轉換。
對於運營商來說，IPV6是未來針對IPv4地址短缺問題的根本解決方案，也是一個逐步演進的過程，選擇過渡技術要綜合考慮以下因素：保護現網投資，成本合理，網路改造難度適中；現有業務不受損，使用者體驗好；能夠推動、鼓勵IPV6的發展。
運營商一方面要儘快引入IPV6，另一方面也要考慮IPV6真正大規模應用之前如何解決IPv4公有地址不足的問題，綜合現有的各種技術，有以下三種主流的過渡方案組合：
方案一：雙棧+NAT44，全網以雙棧為基礎，當IPv4公有地址不足時採用IPv4私有地址發展使用者，使用者終端是雙棧，同時從運營商獲得IPv4私有地址和IPV6地址，在運營商網路側做一次NAT44轉換，使用者的家庭閘道器如果是路由型的，需要做一次NAT44地址轉換。當網路演進到後期，業務大部分都是IPV6時，可以逐步關閉IPv4，只給使用者分配IPV6地址，此時需部署NAT64裝置，滿足IPV6-only的使用者終端訪問IPv4業務的需要。
方案二：IPV6快速部署方案6RD(IPV6 Rapid Deployment)，6RD是基於IPv4網路快速引入IPV6的方案，現有都會網路絡的BRAS等裝置不用升級改造支援IPV6，在都會網路絡中集中部署6RD閘道器，6RD閘道器到骨幹網之間建立IPV6連線，使用者的CPE需要支援6RD。當用戶有IPV6接入需求時，CPE與6RD閘道器之間建立IPV6 over IPv4的隧道，IPV6通過隧道轉發到6RD閘道器，而使用者的IPv4訪問繼續通過原有的路徑。
方案三：Dual Stack Lite(DS-Lite)方案，在都會網路絡中部署DS-Lite CGN裝置，BRAS到核心路由器通過IPV6連線，使用者的CPE支援DS-Lite，CPE到DS-Lite CGN之間建立IPv4 over IPV6隧道。BRAS裝置給使用者CPE分配IPV6地址字首，使用者主機的IPv4地址由CPE分配IPv4私有地址。使用者的IPV6流量通過BRAS直接上行到核心路由器，使用者的IPv4流量到CPE後，經過IPv4 over IPV6隧道上行到DS-Lite CGN上，CGN同時具有NAT44的功能，使用者的IPv4資料經隧道解封裝後，再做一次NAT44地址轉換，最終傳送到IPv4骨幹網。採用DS-Lite方案的一個好處是減輕BRAS裝置的壓力，可以只執行一套IPV6協議棧，適合在IPV6佔主導的應用場景下使用。
以上三種方案，有一個共同點：當IPv4公有地址不足，IPV6的遷移還沒有完成時，採用IPv4私有地址給使用者提供接入服務成為一個無法避免的選擇，NAT44的使用成為必然。
此外，三種方案還各有優劣勢：
◆"雙棧+NAT44"方案中網路結構基本不用調整，NAT44的技術已經非常成熟，對CPE的要求最低，對橋接型家庭閘道器不用進行任何升級改造，只要使用者主機能夠支援IPV6即可，這一點對中國運營商有很大的吸引力，因為中國的家庭寬頻使用者，大部分是採用橋接型家庭閘道器接入；不過要求BRAS全面升級支援雙棧，這一點對運營商來說存在一定的風險，BRAS長期執行IPv4/IPV6雙協議棧對運維是一個較大的挑戰。
◆6RD方案不需要對現網的BRAS裝置進行升級改造支援IPV6，但需要部署6RD閘道器，當IPv4公有地址不足時仍然需要部署NAT44裝置，而且使用者CPE必須是雙棧路由型，支援6RD能夠發起建立隧道，適合還有較多IPv4公有地址儲備的運營商，在過渡初期引入IPV6服務。有些運營商或迫於競爭、或因為客戶要求，需要為使用者提供IPV6服務，又不希望對現有網路進行較大改造，採用6RD是一個較為經濟、風險較小的選擇。6RD對部分擁有較多IPv4公有地址儲備的歐美運營商可能更具有吸引力，他們暫時還不希望對現有網路進行較大改動。
◆DS-Lite方案是一個面向未來IPV6演進的方案，BRAS裝置執行IPV6單協議棧，運營商不用為使用者提供IPv4地址，適合在新建BRAS區域採用此方案。
5 華為在IPV6過渡技術上的創新和實踐
華為一直在積極探索IPV6演進方案並進行相關技術儲備。2009年，華為和中國電信深入合作，共同實現了低成本、可複製的IPV6平滑網路演進"長沙模式"，首次提供端到端網路IPV6商用網路的試點建設方案，該實現方案可基於現網平滑升級，是國內運營網路向IPV6演進的一個重要創新和實踐。
華為基於國內網路的迫切需要，以及全球的最新進展，釋出了CGN解決方案，可全面支援各種過渡技術，為不同運營商提供最佳適配的IPV6過渡方案。此外，華為還全球首發了DS-LITE產品解決方案，為IPV6網路建設提供基礎產品和方案的支援。
現網能否順利實施IPV6過渡技術，標準層面的工作也非常重要。基於此項考慮，華為在IETF、BBF、ITU等國際標準組織的IPV6標準制定進行了大量的投入，並取得了豐碩的成果。截至目前，華為在IETF釋出了24篇RFC，覆蓋IPV6、路由、MPLS/GMPLS、P2P、安全等工作組。其中，2009年釋出12篇RFC，RFC數量年度增長超過150%。在IETF IPV6標準方面的參與，華為覆蓋了網路演進和部署、網路翻譯技術、IPV6接入與安全，以及IPV6 Miscellaneous技術等領域。ITU-T的IPV6標準制定，偏重於IPV6場景和需求的研究。在本研究期(2009~2012年)，ITU-T正在制定的5篇標準中，華為主導了3篇，其中，華為攜手中國移動，共同完成了2個標準的起草，分別是Y.IPV6na和Y.IPV6migration。
IPV6技術將進一步釋放網際網路支撐資訊社會的潛能，基於此，華為提出了 "互聯世界、網路萬物"的IPV6發展願景，華為將與產業同仁緊密合作，在IPV6過渡技術的探索和應用方面，共同推動解決方案的進步，早日實現網際網路向IPV6的遷移，支撐我國建立資訊化的產業優勢。
隨著IPv4地址的逐漸耗盡，而現在很多業務有巨大的IP地址需求，包括固定寬頻、移動網際網路、物聯網等等，中國電信等運營商持續發展的業務對IP地址有上千萬甚至數億的需求。2012年左右，中國運營商將無法獲得IPv4的地址，業務發展的需要和IPv4地址耗盡成為必須面臨的現實問題。從長遠來看，IPV6是針對IPv4地址短缺問題的根本解決辦法，現在的關鍵是如何在IPv4地址枯竭前完成向IPV6的平滑演進。如果不能在IPv4地址耗盡前實現向IPV6的平滑遷移，那麼整個網際網路將面臨嚴重的NAT問題，運營商將迫不得已採用IPv4私有地址發展業務，這樣將導致網路中需要部署大量的NAT裝置，以滿足IPv4私有地址到IPv4公有地址的轉換，整個網際網路將由此進入NAT時代。
2 運營商將面臨艱難選擇
對國內運營商來說，IPv4公有地址儲備量較少，2012年左右將無法再從IP地址分配機構獲得新的IPv4公有地址，而IPV6端到端整體的產業環境還無法滿足採用純IPV6運營時，將面臨三個艱難的選擇：
(1)給新使用者分配IPv4私有地址，在運營商網路部署傳統的NAT裝置解決IPv4私有地址和IPv4公有地址的轉換，暫時不引入IPV6；
(2)給新使用者分配IPV6單棧地址發展業務，為了解決這些使用者訪問IPv4業務及與現存的IPv4使用者之間進行通訊時，必須部署
(3)給新使用者同時分配雙棧地址(IPv4私有地址+ IPV6地址)，訪問IPV6業務用IPV6地址，訪問IPv4業務用IPv4私有地址，運營商網路部署傳統的NAT裝置解決IPv4私有地址和IPv4公有地址的轉換，IPv4與IPV6之間不進行互通。
哪種方式更適合運營商？哪些過渡技術可以在其中發揮重要作用？就這些問題，華為和國內運營商一直在緊密合作，不斷進行探索，逐漸找到適合國內運營商的IPV6過渡技術方案。
3 過渡技術分析
通常所說的IPV6過渡技術，一般分為三大類：雙棧、隧道、地址轉換或翻譯技術(NAT)。
(1)雙棧：是指從使用者側到網路側同時支援IPv4協議棧和
(2)隧道技術：將一種協議的資料報文封裝在另一種協議的資料報文中傳輸，是連線孤島的有效方法。隧道型別有很多種，包括6PE、6VPE、手工隧道、GRE、L2TP、6over4、4over6、6to4、ISATAP、Teredo等，不同型別的隧道技術可以用於不同的應用場景。隧道技術有一個較大的問題，需要兩端裝置之間能夠良好互通，而實際上各廠家的產品在隧道方面的互通情況並不理想。
(3)地址轉換或翻譯技術：統稱為NAT技術，可以分為兩類，一類是IPv4私有地址到IPv4公有地址的地址轉換NAT技術(或稱為NAT44)，另一類是IPv4與IPV6地址之間轉換的技術，例如NAT-PT、NAT64、IVI等。
4 IPV6過渡部署方案
面對各種層出不窮的IPV6過渡新技術，什麼樣的技術方案更適合運營商IPV6演進？通過華為和中國運營商相關專家共同研究，可以把各種各樣的過渡技術分為兩大類：一類是IPV6匯入技術，另一類是狹義的解決IPv4地址短缺的技術。
IPV6匯入技術指在現有IPv4網路中，可以匯入IPV6使用者接入的技術，包括雙棧、6PE、L2TP、6RD、6to4等，這些技術的一個共同特點是通過這些技術的應用，能夠在現有網路中逐步引入IPV6使用者和業務，但都無法真正解決IPv4地址短缺的問題。
解決IPv4地址短缺的技術包括NAT44、NAT64、NAT-PT、PNAT等，採用這些技術，可以不再大量依賴IPv4公有地址發展業務，可以給使用者提供IPv4私有地址或直接用IPV6給使用者提供接入和訪問業務，這類技術的一個共同特點是需要做NAT地址轉換。
對於運營商來說，IPV6是未來針對IPv4地址短缺問題的根本解決方案，也是一個逐步演進的過程，選擇過渡技術要綜合考慮以下因素：保護現網投資，成本合理，網路改造難度適中；現有業務不受損，使用者體驗好；能夠推動、鼓勵IPV6的發展。
運營商一方面要儘快引入IPV6，另一方面也要考慮IPV6真正大規模應用之前如何解決IPv4公有地址不足的問題，綜合現有的各種技術，有以下三種主流的過渡方案組合：
方案一：雙棧+NAT44，全網以雙棧為基礎，當IPv4公有地址不足時採用IPv4私有地址發展使用者，使用者終端是雙棧，同時從運營商獲得IPv4私有地址和IPV6地址，在運營商網路側做一次NAT44轉換，使用者的家庭閘道器如果是路由型的，需要做一次NAT44地址轉換。當網路演進到後期，業務大部分都是IPV6時，可以逐步關閉IPv4，只給使用者分配IPV6地址，此時需部署NAT64裝置，滿足IPV6-only的使用者終端訪問IPv4業務的需要。
方案二：IPV6快速部署方案6RD(IPV6 Rapid Deployment)，6RD是基於IPv4網路快速引入IPV6的方案，現有都會網路絡的BRAS等裝置不用升級改造支援IPV6，在都會網路絡中集中部署6RD閘道器，6RD閘道器到骨幹網之間建立IPV6連線，使用者的CPE需要支援6RD。當用戶有IPV6接入需求時，CPE與6RD閘道器之間建立IPV6 over IPv4的隧道，IPV6通過隧道轉發到6RD閘道器，而使用者的IPv4訪問繼續通過原有的路徑。
方案三：Dual Stack Lite(DS-Lite)方案，在都會網路絡中部署DS-Lite CGN裝置，BRAS到核心路由器通過IPV6連線，使用者的CPE支援DS-Lite，CPE到DS-Lite CGN之間建立IPv4 over IPV6隧道。BRAS裝置給使用者CPE分配IPV6地址字首，使用者主機的IPv4地址由CPE分配IPv4私有地址。使用者的IPV6流量通過BRAS直接上行到核心路由器，使用者的IPv4流量到CPE後，經過IPv4 over IPV6隧道上行到DS-Lite CGN上，CGN同時具有NAT44的功能，使用者的IPv4資料經隧道解封裝後，再做一次NAT44地址轉換，最終傳送到IPv4骨幹網。採用DS-Lite方案的一個好處是減輕BRAS裝置的壓力，可以只執行一套IPV6協議棧，適合在IPV6佔主導的應用場景下使用。
以上三種方案，有一個共同點：當IPv4公有地址不足，IPV6的遷移還沒有完成時，採用IPv4私有地址給使用者提供接入服務成為一個無法避免的選擇，NAT44的使用成為必然。
此外，三種方案還各有優劣勢：
◆"雙棧+NAT44"方案中網路結構基本不用調整，NAT44的技術已經非常成熟，對CPE的要求最低，對橋接型家庭閘道器不用進行任何升級改造，只要使用者主機能夠支援IPV6即可，這一點對中國運營商有很大的吸引力，因為中國的家庭寬頻使用者，大部分是採用橋接型家庭閘道器接入；不過要求BRAS全面升級支援雙棧，這一點對運營商來說存在一定的風險，BRAS長期執行IPv4/IPV6雙協議棧對運維是一個較大的挑戰。
◆6RD方案不需要對現網的BRAS裝置進行升級改造支援IPV6，但需要部署6RD閘道器，當IPv4公有地址不足時仍然需要部署NAT44裝置，而且使用者CPE必須是雙棧路由型，支援6RD能夠發起建立隧道，適合還有較多IPv4公有地址儲備的運營商，在過渡初期引入IPV6服務。有些運營商或迫於競爭、或因為客戶要求，需要為使用者提供IPV6服務，又不希望對現有網路進行較大改造，採用6RD是一個較為經濟、風險較小的選擇。6RD對部分擁有較多IPv4公有地址儲備的歐美運營商可能更具有吸引力，他們暫時還不希望對現有網路進行較大改動。
◆DS-Lite方案是一個面向未來IPV6演進的方案，BRAS裝置執行IPV6單協議棧，運營商不用為使用者提供IPv4地址，適合在新建BRAS區域採用此方案。
5 華為在IPV6過渡技術上的創新和實踐
華為一直在積極探索IPV6演進方案並進行相關技術儲備。2009年，華為和中國電信深入合作，共同實現了低成本、可複製的IPV6平滑網路演進"長沙模式"，首次提供端到端網路IPV6商用網路的試點建設方案，該實現方案可基於現網平滑升級，是國內運營網路向IPV6演進的一個重要創新和實踐。
華為基於國內網路的迫切需要，以及全球的最新進展，釋出了CGN解決方案，可全面支援各種過渡技術，為不同運營商提供最佳適配的IPV6過渡方案。此外，華為還全球首發了DS-LITE產品解決方案，為IPV6網路建設提供基礎產品和方案的支援。
現網能否順利實施IPV6過渡技術，標準層面的工作也非常重要。基於此項考慮，華為在IETF、BBF、ITU等國際標準組織的IPV6標準制定進行了大量的投入，並取得了豐碩的成果。截至目前，華為在IETF釋出了24篇RFC，覆蓋IPV6、路由、MPLS/GMPLS、P2P、安全等工作組。其中，2009年釋出12篇RFC，RFC數量年度增長超過150%。在IETF IPV6標準方面的參與，華為覆蓋了網路演進和部署、網路翻譯技術、IPV6接入與安全，以及IPV6 Miscellaneous技術等領域。ITU-T的IPV6標準制定，偏重於IPV6場景和需求的研究。在本研究期(2009~2012年)，ITU-T正在制定的5篇標準中，華為主導了3篇，其中，華為攜手中國移動，共同完成了2個標準的起草，分別是Y.IPV6na和Y.IPV6migration。
IPV6技術將進一步釋放網際網路支撐資訊社會的潛能，基於此，華為提出了 "互聯世界、網路萬物"的IPV6發展願景，華為將與產業同仁緊密合作，在IPV6過渡技術的探索和應用方面，共同推動解決方案的進步，早日實現網際網路向IPV6的遷移，支撐我國建立資訊化的產業優勢。