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隨著Internet的日益膨脹，現有的IPv4地址已經十分緊缺，雖然使用分配臨時IPv4地址或NAT（Network Address Translator，網絡地址轉換）等技術，在一定程度上緩解了IPv4地址不足的狀況，但也增加了地址解析和處理方麵的開銷，同時導致某些高層應用失效，而且仍然無法回避IPv4地址即將被分配殆盡這個問題。采用128位地址長度的IPv6協議，徹底解決了IPv4地址不足的難題，並且在地址容量、安全性、網絡管理、移動性以及服務質量等方麵有明顯的改進，是下一代互聯網絡協議采用的核心標準之一。IPv6與IPv4不兼容，但它同所有的TCP／IP協議族中的其他協議兼容，即IPv6完全可以取代IPv4。
在IPv6成為主流協議之前，首先使用IPv6協議棧的網絡希望能與當前仍被IPv4支撐著的Internet進行正常通信，因此必須開發出IPv4和IPv6互通技術以保證IPv4能夠平穩過渡到IPv6。此外，互通技術應該對信息傳遞做到高效無縫。國際上IETF組建了專門的NGTRANS工作組，開展對IPv4和IPv6過渡問題和高效無縫互通問題的研究。目前已經出現了多種過渡技術和互通方案，這些技術各有特點，用於解決不同過渡時期、不同環境的通信問題。
目前解決過渡問題的基本技術主要有3種：雙協議棧（RFC2893），隧道技術（RFC2893）和NAT-PT(RFC2766)。
隧道是一種封裝技術，它利用一種網絡協議來傳輸另一種網絡協議，即利用一種網絡傳輸協議，將其他協議產生的數據報文封裝在它自己的報文中，然後在網絡中傳輸。隧道（Tunnel）是一個虛擬的點對點的連接。在實際應用中僅支持點對點連接的虛擬接口為Tunnel接口。一個Tunnel提供了一條使封裝的數據報文能夠傳輸的通路，並且在一個Tunnel的兩端可以分別對數據報文進行封裝及解封裝。隧道技術就是指包括數據封裝、傳輸和解封裝在內的全過程。
IPv6 over IPv4隧道機製是將IPv6數據報文前封裝上IPv4的報文頭，通過隧道（Tunnel）使IPv6報文穿越IPv4網絡，實現隔離的IPv6網絡的互通，如圖1所示。
注意：
IPv6 over IPv4隧道兩端的設備必須支持IPv4/IPv6雙協議棧。
圖1 IPv6 over IPv4隧道原理圖
IPv6 over IPv4隧道對報文的處理過程如下：
l IPv6網絡中的設備發送IPv6報文，到達隧道的源端設備。
l 隧道的源端設備根據路由表判定該報文要通過隧道進行轉發，將會在IPv6報文前封裝上IPv4的報文頭，通過隧道的實際物理接口將報文轉發出去。
l 封裝報文通過隧道到達隧道目的端設備，目的端設備判斷該封裝報文的目的地是本設備後，將對報文進行解封裝。
l 目的端設備根據解封裝後的IPv6報文的目的地址將報文進行轉發；如果目的地就是本設備，則將IPv6報文轉給上層協議處理。
IPv6 over IPv4隧道可以建立在主機-主機、主機-設備、設備-主機、設備-設備之間。隧道的終點可能是IPv6報文的最終目的地，也可能需要進一步轉發。
根據隧道終點的IPv4地址的獲取方式不同，隧道分為“配置隧道”及“自動隧道”。
l 如果IPv6 over IPv4隧道的終點地址不能從IPv6報文的目的地址中自動獲取，需要進行手工配置，這樣的隧道即為“配置隧道”。
l 如果IPv6 over IPv4隧道的接口地址采用內嵌IPv4地址的特殊IPv6地址形式，即可以從IPv6報文的目的地址中自動獲取隧道終點的IPv4地址，這樣的隧道即為“自動隧道”。
根據對IPv6報文的封裝方式的不同，IPv6 over IPv4隧道分為以下幾種模式：
表1 IPv6 over IPv4隧道模式
隧道類型 | 隧道模式 |
配置隧道 | IPv6手動隧道 |
IPv6-over-IPv4 GRE （Generic Routing Encapsulation，通用路由封裝）隧道 | |
自動隧道 | IPv4兼容IPv6自動隧道 |
6to4隧道 | |
ISATAP（Intra-Site Automatic Tunnel Addressing Protocol，站點內自動隧道尋址協議）隧道 |
下麵將對各隧道模式分別做詳細介紹。首先，在表11中對各隧道模式的關鍵配置參數進行了簡要列舉。
表2 IPv6 over IPv4隧道模式參數對比表
隧道模式 | 隧道源/目的地址 | 隧道接口地址 |
IPv6手動隧道 | 源/目的地址為手動配置的IPv4地址 | IPv6地址 |
IPv6-over-IPv4GRE隧道 | 源/目的地址為手動配置的IPv4地址 | IPv6地址 |
IPv4兼容IPv6自動隧道 | 源地址為手動配置的IPv4地址，目的地址不需配置 | IPv4兼容IPv6地址，其格式為 ::IPv4-source-address/96 |
6to4隧道 | 源地址為手動配置的IPv4地址，目的地址不需配置 | 6to4地址，其格式為 2002:IPv4-source-address::/48 |
ISATAP隧道 | 源地址為手動配置的IPv4地址，目的地址不需配置 | ISATAP地址，其格式為Prefix:0:5EFE:IPv4-source-address/64 |
(1) IPv6手動隧道
手動隧道是點到點之間的鏈路，一條鏈路就是一個單獨的隧道。主要用於邊緣路由器-邊緣路由器或主機-邊緣路由器之間定期安全通信的穩定連接，可實現與遠端IPv6網絡的連接。
(2) GRE隧道
使用標準的GRE協議可對IPv6報文進行封裝，使IPv6報文能通過隧道穿越IPv4網絡。與IPv6手動隧道相同，GRE隧道也是點到點之間的鏈路，每條鏈路都是一條單獨的隧道。GRE隧道主要用於邊緣路由器-邊緣路由器、主機-邊緣路由器定期安全通信的穩定連接。
(3) IPv4兼容IPv6自動隧道
IPv4兼容IPv6自動隧道是點到多點的鏈路。隧道兩端采用特殊的IPv6地址：IPv4兼容IPv6地址，其格式為：0:0:0:0:0:0:a.b.c.d/96，其中a.b.c.d是IPv4地址。通過這個嵌入的IPv4地址可以自動確定隧道的終點，使IPv6隧道的建立非常方便。但由於它必須使用IPv4兼容IPv6地址，仍依賴於IPv4地址，在使用時有一定的局限性。
(4) 6to4隧道
l 普通6to4隧道
6to4隧道是點到多點的自動隧道，主要用於將多個IPv6孤島通過IPv4網絡連接到IPv6網絡。6to4隧道通過在IPv6報文的目的地址中嵌入IPv4地址，來實現自動獲取隧道終點的IPv4地址。
6to4隧道采用特殊的6to4地址，其格式為：2002:abcd:efgh:子網號::接口ID/64，其中2002表示固定的IPv6地址前綴，abcd:efgh表示該6to4隧道對應的32位全球較少的IPv4源地址，用16進製表示（如1.1.1.1可以表示為0101:0101）。2002:abcd:efgh之後的部分較少標識了一個主機在6to4網絡內的位置。通過這個嵌入的IPv4地址可以自動確定隧道的終點，使隧道的建立非常方便。
由於6to4地址的64位地址前綴中的16位子網號可以由用戶自定義，前綴中的前48位已由固定數值、隧道起點或終點設備的IPv4地址確定，使IPv6報文通過隧道進行轉發成為可能。6to4隧道可以實現利用IPv4網絡完成IPv6網絡的互連，克服了IPv4兼容IPv6自動隧道使用的局限性。
l 6to4中繼
6to4隧道隻能用於前綴為2002::/16的6to4網絡之間的通信，但在IPv6網絡中也會使用像2001::/16這樣的IPv6網絡地址。為了實現6to4網絡和其它IPv6網絡的通信，必須有一台6to4路由器作為網關轉發到IPv6網絡的報文，這台路由器就叫做6to4中繼（6to4 relay）路由器。
如下圖所示，6to4網絡的邊緣路由器Router A需配置一條靜態路由，下一跳地址指向6to4中繼路由器Router C的6to4地址，這樣，所有去往IPv6網絡的報文都會被轉發到6to4中繼路由器，之後再由6to4中繼路由器轉發到IPv6網絡中，從而實現6to4網絡（地址前綴以2002開始）與IPv6網絡的互通。
圖2 6to4隧道和6to4中繼原理圖
(5) ISATAP隧道
隨著IPv6技術的推廣，現有的IPv4網絡中將會出現越來越多的IPv6主機，ISATAP隧道技術為這種應用提供了一個較好的解決方案。ISATAP隧道是點到點的自動隧道技術，通過在IPv6報文的目的地址中嵌入的IPv4地址，可以自動獲取隧道的終點。
使用ISATAP隧道時，IPv6報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地址格式為：Prefix(64bit):0:5EFE:ip-address。其中，64位的Prefix為任何合法的IPv6單播地址前綴，ip-address為32位IPv4源地址，形式為a.b.c.d或者abcd:efgh，且該IPv4地址不要求全球較少。通過這個嵌入的IPv4地址就可以自動建立隧道，完成IPv6報文的傳送。
ISATAP隧道主要用於在IPv4網絡中IPv6路由器-IPv6路由器、IPv6主機-IPv6路由器的連接。
圖3 ISATAP隧道原理圖
對於到達本機的隧道報文，如果報文的源IP地址與快速終結子網地址匹配，則將此隧道報文送到IPv6引擎進行轉發或者上送CPU的處理。
如果是需要轉發的報文，則由IPv6引擎去掉隧道報文的IP封裝，取得原始入隧道IPv6報文後直接進行轉發。
快速終結功能支持的隧道類型為IPv6 over IPv4隧道，分為以下兩種情況：
l 對於配置隧道（如GRE over IPv4隧道、IPv6手動隧道），當使能快速終結後，係統自動將隧道目的地址作為快速終結子網地址，掩碼為255.255.255.255。
l 對於自動隧道（如IPv4兼容IPv6自動隧道、6to4隧道、ISATAP隧道），需要指定快速終結子網和掩碼。
IPv4 over IPv4隧道（RFC1853）協議是對IP數據報進行封裝，使得一個IPv4網絡的數據能夠在另一個IPv4網絡中傳輸。
報文在Tunnel中傳輸經過封裝與解封裝兩個過程，以下圖為例說明這兩個過程：
圖4 IPv4隧道原理圖
l 封裝流程
Router A連接IPv4主機所在子網的接口收到IP數據報後，首先交由IP協議棧處理。IP協議棧根據IP報頭中的目的地址來確定如何路由此包。如果報文要路由到與Router B相連的IPv4主機的地址，則將此報文發給Route A上連接Router B的Tunnel接口。
Tunnel接口收到此包後，進行IPv4 over IPv4的封裝，封裝完成後重新交給IP協議棧處理，IP協議棧根據添加的IP報頭確定出接口。
l 解封裝流程
解封裝過程和封裝的過程相反。從網絡接口收到的IP報文被送到IP協議棧，IP協議棧檢查IP報頭的協議號；若發現此協議號為4即IPv4，則將此IP數據包發送到隧道模塊進行解封裝處理；解封裝之後的IP報文將重新被送到IP協議棧進行處理。
IPv4或IPv6 over IPv6隧道（RFC2473）協議是對IPv4或者IPv6的數據報進行封裝，使這些被封裝的數據報能夠在另一個IPv6網絡中傳輸，封裝後的數據報文即IPv6隧道報文。
圖5 IPv6隧道原理圖
如圖5所示，Original data指IPv4或IPv6報文。
l 封裝流程
Router A連接網絡A的接口收到原始數據報後，首先交由對應的數據轉發模塊進行處理，並確定如何路由此數據包；若確定此數據包要路由到與Router B相連的Host B的地址，則將此報文發給Router A上連接IPv6網絡的Router B的Tunnel接口。
Tunnel口收到此包後添加IPv6報文頭，封裝完成後交給IPv6模塊處理；IPv6協議模塊根據IPv6隧道頭的目的地址重新決定路由。
l 解封裝流程
解封裝過程和封裝的過程相反。從IPv6網絡接口接收的數據包被送到IPv6協議模塊進行處理；若乘客協議為IPv4或IPv6，則數據包進入隧道處理模塊進行解封裝處理；解封裝之後的數據包被送往相應的協議模塊進行二次路由處理。
6PE是一種過渡技術，ISP可以利用已有的IPv4骨幹網為分散用戶的IPv6網絡提供接入能力。
6PE的主要思想是：6PE（IPv6 Provider Edge，IPv6供應商邊緣）路由器將用戶的IPv6路由信息轉換為帶有標簽的IPv6路由信息，並且通過IBGP（Internal Border Gateway Protocol，內部邊界網關協議）會話擴散到ISP的IPv4骨幹網中。6PE路由器轉發IPv6報文時，首先會將進入骨幹網隧道的數據流打上標簽。隧道可以是GRE隧道或者MPLS LSP等。
圖6 6PE組網圖
當ISP想利用自己原有的IPv4/MPLS網絡，使其通過MPLS具有IPv6流量交換能力時，隻需要升級PE路由器就可以了。所以對於運營商來說，使用6PE技術作為IPv6過渡機製無疑是一個高效的解決方案，其操作風險也會小得多。
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