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随着Internet的日益膨胀，现有的IPv4地址已经十分紧缺，虽然使用分配临时IPv4地址或NAT（Network Address Translator，网络地址转换）等技术，在一定程度上缓解了IPv4地址不足的状况，但也增加了地址解析和处理方面的开销，同时导致某些高层应用失效，而且仍然无法回避IPv4地址即将被分配殆尽这个问题。采用128位地址长度的IPv6协议，彻底解决了IPv4地址不足的难题，并且在地址容量、安全性、网络管理、移动性以及服务质量等方面有明显的改进，是下一代互联网络协议采用的核心标准之一。IPv6与IPv4不兼容，但它同所有的TCP／IP协议族中的其他协议兼容，即IPv6完全可以取代IPv4。
在IPv6成为主流协议之前，首先使用IPv6协议栈的网络希望能与当前仍被IPv4支撑着的Internet进行正常通信，因此必须开发出IPv4和IPv6互通技术以保证IPv4能够平稳过渡到IPv6。此外，互通技术应该对信息传递做到高效无缝。国际上IETF组建了专门的NGTRANS工作组，开展对IPv4和IPv6过渡问题和高效无缝互通问题的研究。目前已经出现了多种过渡技术和互通方案，这些技术各有特点，用于解决不同过渡时期、不同环境的通信问题。
目前解决过渡问题的基本技术主要有3种：双协议栈（RFC2893），隧道技术（RFC2893）和NAT-PT(RFC2766)。
隧道是一种封装技术，它利用一种网络协议来传输另一种网络协议，即利用一种网络传输协议，将其他协议产生的数据报文封装在它自己的报文中，然后在网络中传输。隧道（Tunnel）是一个虚拟的点对点的连接。在实际应用中仅支持点对点连接的虚拟接口为Tunnel接口。一个Tunnel提供了一条使封装的数据报文能够传输的通路，并且在一个Tunnel的两端可以分别对数据报文进行封装及解封装。隧道技术就是指包括数据封装、传输和解封装在内的全过程。
IPv6 over IPv4隧道机制是将IPv6数据报文前封装上IPv4的报文头，通过隧道（Tunnel）使IPv6报文穿越IPv4网络，实现隔离的IPv6网络的互通，如图1所示。
注意：
IPv6 over IPv4隧道两端的设备必须支持IPv4/IPv6双协议栈。
图1 IPv6 over IPv4隧道原理图
IPv6 over IPv4隧道对报文的处理过程如下：
l IPv6网络中的设备发送IPv6报文，到达隧道的源端设备。
l 隧道的源端设备根据路由表判定该报文要通过隧道进行转发，将会在IPv6报文前封装上IPv4的报文头，通过隧道的实际物理接口将报文转发出去。
l 封装报文通过隧道到达隧道目的端设备，目的端设备判断该封装报文的目的地是本设备后，将对报文进行解封装。
l 目的端设备根据解封装后的IPv6报文的目的地址将报文进行转发；如果目的地就是本设备，则将IPv6报文转给上层协议处理。
IPv6 over IPv4隧道可以建立在主机-主机、主机-设备、设备-主机、设备-设备之间。隧道的终点可能是IPv6报文的最终目的地，也可能需要进一步转发。
根据隧道终点的IPv4地址的获取方式不同，隧道分为“配置隧道”及“自动隧道”。
l 如果IPv6 over IPv4隧道的终点地址不能从IPv6报文的目的地址中自动获取，需要进行手工配置，这样的隧道即为“配置隧道”。
l 如果IPv6 over IPv4隧道的接口地址采用内嵌IPv4地址的特殊IPv6地址形式，即可以从IPv6报文的目的地址中自动获取隧道终点的IPv4地址，这样的隧道即为“自动隧道”。
根据对IPv6报文的封装方式的不同，IPv6 over IPv4隧道分为以下几种模式：
表1 IPv6 over IPv4隧道模式
隧道类型 | 隧道模式 |
配置隧道 | IPv6手动隧道 |
IPv6-over-IPv4 GRE （Generic Routing Encapsulation，通用路由封装）隧道 | |
自动隧道 | IPv4兼容IPv6自动隧道 |
6to4隧道 | |
ISATAP（Intra-Site Automatic Tunnel Addressing Protocol，站点内自动隧道寻址协议）隧道 |
下面将对各隧道模式分别做详细介绍。首先，在表11中对各隧道模式的关键配置参数进行了简要列举。
表2 IPv6 over IPv4隧道模式参数对比表
隧道模式 | 隧道源/目的地址 | 隧道接口地址 |
IPv6手动隧道 | 源/目的地址为手动配置的IPv4地址 | IPv6地址 |
IPv6-over-IPv4GRE隧道 | 源/目的地址为手动配置的IPv4地址 | IPv6地址 |
IPv4兼容IPv6自动隧道 | 源地址为手动配置的IPv4地址，目的地址不需配置 | IPv4兼容IPv6地址，其格式为 ::IPv4-source-address/96 |
6to4隧道 | 源地址为手动配置的IPv4地址，目的地址不需配置 | 6to4地址，其格式为 2002:IPv4-source-address::/48 |
ISATAP隧道 | 源地址为手动配置的IPv4地址，目的地址不需配置 | ISATAP地址，其格式为Prefix:0:5EFE:IPv4-source-address/64 |
(1) IPv6手动隧道
手动隧道是点到点之间的链路，一条链路就是一个单独的隧道。主要用于边缘路由器-边缘路由器或主机-边缘路由器之间定期安全通信的稳定连接，可实现与远端IPv6网络的连接。
(2) GRE隧道
使用标准的GRE协议可对IPv6报文进行封装，使IPv6报文能通过隧道穿越IPv4网络。与IPv6手动隧道相同，GRE隧道也是点到点之间的链路，每条链路都是一条单独的隧道。GRE隧道主要用于边缘路由器-边缘路由器、主机-边缘路由器定期安全通信的稳定连接。
(3) IPv4兼容IPv6自动隧道
IPv4兼容IPv6自动隧道是点到多点的链路。隧道两端采用特殊的IPv6地址：IPv4兼容IPv6地址，其格式为：0:0:0:0:0:0:a.b.c.d/96，其中a.b.c.d是IPv4地址。通过这个嵌入的IPv4地址可以自动确定隧道的终点，使IPv6隧道的建立非常方便。但由于它必须使用IPv4兼容IPv6地址，仍依赖于IPv4地址，在使用时有一定的局限性。
(4) 6to4隧道
l 普通6to4隧道
6to4隧道是点到多点的自动隧道，主要用于将多个IPv6孤岛通过IPv4网络连接到IPv6网络。6to4隧道通过在IPv6报文的目的地址中嵌入IPv4地址，来实现自动获取隧道终点的IPv4地址。
6to4隧道采用特殊的6to4地址，其格式为：2002:abcd:efgh:子网号::接口ID/64，其中2002表示固定的IPv6地址前缀，abcd:efgh表示该6to4隧道对应的32位全球较少的IPv4源地址，用16进制表示（如1.1.1.1可以表示为0101:0101）。2002:abcd:efgh之后的部分较少标识了一个主机在6to4网络内的位置。通过这个嵌入的IPv4地址可以自动确定隧道的终点，使隧道的建立非常方便。
由于6to4地址的64位地址前缀中的16位子网号可以由用户自定义，前缀中的前48位已由固定数值、隧道起点或终点设备的IPv4地址确定，使IPv6报文通过隧道进行转发成为可能。6to4隧道可以实现利用IPv4网络完成IPv6网络的互连，克服了IPv4兼容IPv6自动隧道使用的局限性。
l 6to4中继
6to4隧道只能用于前缀为2002::/16的6to4网络之间的通信，但在IPv6网络中也会使用像2001::/16这样的IPv6网络地址。为了实现6to4网络和其它IPv6网络的通信，必须有一台6to4路由器作为网关转发到IPv6网络的报文，这台路由器就叫做6to4中继（6to4 relay）路由器。
如下图所示，6to4网络的边缘路由器Router A需配置一条静态路由，下一跳地址指向6to4中继路由器Router C的6to4地址，这样，所有去往IPv6网络的报文都会被转发到6to4中继路由器，之后再由6to4中继路由器转发到IPv6网络中，从而实现6to4网络（地址前缀以2002开始）与IPv6网络的互通。
图2 6to4隧道和6to4中继原理图
(5) ISATAP隧道
随着IPv6技术的推广，现有的IPv4网络中将会出现越来越多的IPv6主机，ISATAP隧道技术为这种应用提供了一个较好的解决方案。ISATAP隧道是点到点的自动隧道技术，通过在IPv6报文的目的地址中嵌入的IPv4地址，可以自动获取隧道的终点。
使用ISATAP隧道时，IPv6报文的目的地址和隧道接口的IPv6地址都要采用特殊的ISATAP地址。ISATAP地址格式为：Prefix(64bit):0:5EFE:ip-address。其中，64位的Prefix为任何合法的IPv6单播地址前缀，ip-address为32位IPv4源地址，形式为a.b.c.d或者abcd:efgh，且该IPv4地址不要求全球较少。通过这个嵌入的IPv4地址就可以自动建立隧道，完成IPv6报文的传送。
ISATAP隧道主要用于在IPv4网络中IPv6路由器-IPv6路由器、IPv6主机-IPv6路由器的连接。
图3 ISATAP隧道原理图
对于到达本机的隧道报文，如果报文的源IP地址与快速终结子网地址匹配，则将此隧道报文送到IPv6引擎进行转发或者上送CPU的处理。
如果是需要转发的报文，则由IPv6引擎去掉隧道报文的IP封装，取得原始入隧道IPv6报文后直接进行转发。
快速终结功能支持的隧道类型为IPv6 over IPv4隧道，分为以下两种情况：
l 对于配置隧道（如GRE over IPv4隧道、IPv6手动隧道），当使能快速终结后，系统自动将隧道目的地址作为快速终结子网地址，掩码为255.255.255.255。
l 对于自动隧道（如IPv4兼容IPv6自动隧道、6to4隧道、ISATAP隧道），需要指定快速终结子网和掩码。
IPv4 over IPv4隧道（RFC1853）协议是对IP数据报进行封装，使得一个IPv4网络的数据能够在另一个IPv4网络中传输。
报文在Tunnel中传输经过封装与解封装两个过程，以下图为例说明这两个过程：
图4 IPv4隧道原理图
l 封装流程
Router A连接IPv4主机所在子网的接口收到IP数据报后，首先交由IP协议栈处理。IP协议栈根据IP报头中的目的地址来确定如何路由此包。如果报文要路由到与Router B相连的IPv4主机的地址，则将此报文发给Route A上连接Router B的Tunnel接口。
Tunnel接口收到此包后，进行IPv4 over IPv4的封装，封装完成后重新交给IP协议栈处理，IP协议栈根据添加的IP报头确定出接口。
l 解封装流程
解封装过程和封装的过程相反。从网络接口收到的IP报文被送到IP协议栈，IP协议栈检查IP报头的协议号；若发现此协议号为4即IPv4，则将此IP数据包发送到隧道模块进行解封装处理；解封装之后的IP报文将重新被送到IP协议栈进行处理。
IPv4或IPv6 over IPv6隧道（RFC2473）协议是对IPv4或者IPv6的数据报进行封装，使这些被封装的数据报能够在另一个IPv6网络中传输，封装后的数据报文即IPv6隧道报文。
图5 IPv6隧道原理图
如图5所示，Original data指IPv4或IPv6报文。
l 封装流程
Router A连接网络A的接口收到原始数据报后，首先交由对应的数据转发模块进行处理，并确定如何路由此数据包；若确定此数据包要路由到与Router B相连的Host B的地址，则将此报文发给Router A上连接IPv6网络的Router B的Tunnel接口。
Tunnel口收到此包后添加IPv6报文头，封装完成后交给IPv6模块处理；IPv6协议模块根据IPv6隧道头的目的地址重新决定路由。
l 解封装流程
解封装过程和封装的过程相反。从IPv6网络接口接收的数据包被送到IPv6协议模块进行处理；若乘客协议为IPv4或IPv6，则数据包进入隧道处理模块进行解封装处理；解封装之后的数据包被送往相应的协议模块进行二次路由处理。
6PE是一种过渡技术，ISP可以利用已有的IPv4骨干网为分散用户的IPv6网络提供接入能力。
6PE的主要思想是：6PE（IPv6 Provider Edge，IPv6供应商边缘）路由器将用户的IPv6路由信息转换为带有标签的IPv6路由信息，并且通过IBGP（Internal Border Gateway Protocol，内部边界网关协议）会话扩散到ISP的IPv4骨干网中。6PE路由器转发IPv6报文时，首先会将进入骨干网隧道的数据流打上标签。隧道可以是GRE隧道或者MPLS LSP等。
图6 6PE组网图
当ISP想利用自己原有的IPv4/MPLS网络，使其通过MPLS具有IPv6流量交换能力时，只需要升级PE路由器就可以了。所以对于运营商来说，使用6PE技术作为IPv6过渡机制无疑是一个高效的解决方案，其操作风险也会小得多。
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