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李星：IPv6单栈互联网交换中心和IPv4即服务
发布时间：2021-12-08 13:50:48
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从历史上来看，最早互联网是没有交换中心的，因为只有一张骨干网就是美国的NSF网络，随着1995年互联网商业化，带来了多个主干网，开始时是互联网之间有某种形式的互联，但是会绕圈，所以大家逐步开始建立了互联网的交换中心，能够让流量尽快的交换。但是随着发展，交换流量越来越大，所以实际上很多大网之间开始相互互联，而不是通过交换中心。
近年来，随着互联网的发展、本地化和可靠性的需求，越来越多的新型互联网交换中心又出现了。这是一件非常好的事情。回顾互联网的历史，其实最可靠的网络是一个去中心化、分布式的网络，但由于各种因素互联网逐步趋于某种形式的中心化，新型互联网交换中心的出现，就是一个去中心化的过程，非常符合互联网的发展趋势。
IPv6与IPv4技术比较
由于IPv6的出现，互联网交换中心不仅要交换IPv4的流量也要交换IPv6的流量。但是IPv6和IPv4有很多不同，这里举例讲两个不同。
第一个不同是IPv4通常有NAT地址转换，而IPv6没有NAT，所以最终用户用的地址就是在交换中心交换的地址。第二个是IPv4地址是比较稀缺的资源，所以IPv4地址的主要拥有者是大的运营商，下级运营商或企业用的是PA（Provider Aggregatable）地址，是聚类的运营商地址，大量的聚类地址在进行本地交换时会有些限制。
但是IPv6地址资源非常丰富，是PI（Provider Independent）地址。有了IPv6之后，大的企业和大的组织都会有自己的PI地址，所以IP地址从路由的角度来讲它和三大运营商都是平等的，这时候会带来新的情况。
好处是为交换中心带来了更大的使用空间和更多人的参与。缺点是，多了以后必然会鱼龙混杂，公布的路由的可信性是一个非常大的问题。所以对于IPv4、IPv6互联网交换中心的两个区别，一个是IPv4有大量的NAT应用，IPv6没有NAT，第二个是IPv4大量的是PA地址，IPv6大量的是PI地址。
互联网交换中心部署IPv6的挑战
因为IPv6有很多的PI地址，参与互联网交换中心的网络可能最终会有成百上千，这个情况下它公布的地址是否是合法的将很难判断。因此，路由公布的认证（例如，使用rPKI技术）在IPv4交换中心的时候可能不那么必要，但是在IPv6的时候是必须的。IPv6如果全面支持的话，必须要建立配套的路由安全基础设施（例如rPKI系统）。
另外还有一个挑战，从交换中心可以看到IPv4端到端的地址，而IPv6因为有路由扩展头，现在最热门的是SRv6，其实通过交换中心看到的IPv6数据报文的目标地址不是最终用户的地址，而是SRv6中间的跳的转发地址，所以互联网交换中心已经不知道最终用户的地址，而是运营商的地址，除非它再更深度地处理SRv6扩展头中的每一跳的路由。
互联网交换中心演进到IPv6单栈的必要性
今年网信办发了《关于加快推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署和应用工作的通知》，这是一个非常重要的文件，里面提到了三部曲，非常重要。一是到2023年末，IPv6单栈试点取得积极进展，新增网络地址不再使用私有IPv4地址。二是2025年末，新增网站及应用、网络应用基础设施规模部署IPv6单栈，形成创新引领、高效协同的自驱性发展态势。之后再过五年左右时间，完成向IPv6单栈的演进过渡。
换句话说，按照通知的要求，只有九年的时间，到那时候如果中国完成了向IPv6单栈的过渡，显然所有交换中心都要处理IPv6，而且要保证安全、保证交互，成千上万的点会接到交换中心来做安全可靠的路由处理，同时可能有大量的SRv6流量。
另外还有一个，人均GDP高的发达国家IPv6普及程度很高，发展中国家、特别是不发达国家IPv6发展很慢，即便中国过渡到IPv6单栈，从全世界的命运共同体和一带一路、从全世界互联互通的角度来讲，还必须保持IPv4的运行，所以有这样的一个挑战。但不管怎么说，交换中心应该率先过渡到IPv6，同时要符合国家的要求——IPv6单栈。
互联网交换中心演进到IPv6单栈的可行性
清华大学首先提出的、并形成了IETF标准的“无状态IPv4/IPv6翻译过渡技术”，可以解决IPv4协议和IPv6协议的可扩展、分布式、可信安全的互联互通问题。也就是说，可以不建双栈，而是建纯IPv6的网络，通过翻译技术可以让IPv4和IPv6互联互通，因此已有的纯IPv4可以和新建的IPv6互联互通。稍微展开就是三句话：
第一句话，IPv4和IPv6不兼容，所以实际上你不能指望源地址是IPv4，目标地址是IPv6。
第二句话，通过翻译器，一个真的IPv6的机器和IPv4机器通的时候，它认为对端还是一个IPv6的机器，不过这其实是通过翻译器产生的一个真实世界的IPv4机器的镜像，反过来也一样，一个真实的IPv4的机器和IPv6机器通的时候，它认为对端还是个IPv4，但其实它是IPv6机器的一个镜像。
第三句话是，在IPv6里面表示IPv4是非常容易的，因为IPv6一个子网就是/64，而整个IPv4互联网的公有地址空间是/32，难就难在如何用IPv4去表示IPv6。
当然我们的标准和成果已经解决了这三大问题，相关标准被后续发布RFC的引用已经超过176次。
IPv6单栈互联网交换中心的机遇
由于有了翻译技术，我们完全可以建设互联网IPv6单栈交换中心，通过翻译实现IPv4和IPv6的互联互通。IPv6单栈互联网交换中心有什么意义呢？第一个是可以实施更强的安全技术，也就是吴建平院士提出的SAVA源地址认证的技术。
第二是新型互联网交换中心IPv6单栈通过翻译技术可以提供新型的服务。我总结了四种服务：
第一种是基本的互通服务，即便是IPv6单栈交换中心，通过翻译器也可以和IPv4打通。
第二，可以实行动态的互联互通，因为翻译技术很容易配置，可以想象在某种应用的时候、跟国际互通的时候还需要大量的IPv4地址，这时可以通过翻译技术动态地把这些临时需要的大量的IPv4公有地址提供给某个特殊时段的应用。
第三，是可以扩展互联互通，现在实际上IPv4地址的分配数量是一个整数，不能分成分数，通过翻译技术可以进行扩展，一个用户可以拿到1/N个IPv4地址（N可以是1-65536），当然和端口绑定，这样就不需要占用整个IPv4地址，在全世界都在很快过渡到IPv6单栈的情况下，可以高效地使用这些稀缺的IPv4地址资源以便和已有、尚未过渡到IPv6的IPv4网络互联互通。
最后一个（切片互通服务），刚才提到的SRv6可以做切片，新型的交换中心可以对IPv6不同的地址前缀来做切片，从而保证更强更高性能的安全。那大家会说，未来IPv4和IPv6是什么关系呢？对于IPv6单栈的交换中心，IPv4可能会永远存在，只不过成为了IPv6地址的一个子集。切片技术一个是可以用双重翻译技术来切片，主要是做IPv4地址切片，还一个是可以用SRv6的切片技术来做。
小结
历史上来讲，互联网发展已经52周年了。二十世纪70年代是NCP协议， 80年代是TCP/IP协议（IPv4），90年代有两个很重要的协议一个是DNS一个是BGP协议，其实交换中心的最核心就是BGP协议，2000年WWW大普及是HTTP协议，2010年由于斯诺登事件，是加密的HTTPS协议。那么到了2020年，究竟什么是最重要的协议？目前不知道，因为咱们刚刚开始第一年。我自己的直觉是IPv6和互联互通可能是未来的新型的应用和最核心的技术。希望大家共同努力，把新型互联网交换中心建设好！
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