IPv4 地址嵌入 IPv6 的前綴轉換方式詳解

1. 概述

在 IPv4 和 IPv6 網絡共存的過渡期，NAT64（Network Address Translation 64）是一種關鍵技術，用于實現 IPv6-only 網絡與 IPv4-only 網絡的互操作。NAT64 前綴轉換通過將 IPv4 地址嵌入到 IPv6 地址中，允許 IPv6 單棧主機訪問 IPv4 網絡資源。這種機制在 IPv6 過渡的后期階段尤為重要，適用于 IPv6 占主導地位的網絡環境。

NAT64 前綴轉換的核心是將 IPv4 地址（32 位）嵌入到一個 IPv6 地址（128 位）中，使用特定的前綴和規則生成對應的 IPv6 地址。這種嵌入方式由 RFC 6052（“IPv6 Addressing of IPv4/IPv6 Translators”）定義，支持多種前綴長度（/32、/40、/48、/56、/64、/96），并允許靈活的地址表示形式。

2. NAT64 前綴概述

NAT64 前綴是用于構造 IPv4 節點在 IPv6 網絡中的地址的前綴，長度可以是 32、40、48、56、64 或 96 位。這些前綴分為兩種類型：

  • 網絡特定前綴（NSP, Network-Specific Prefix）：由組織分配，通常是組織 IPv6 前綴的一個子網，長度可以是上述任意值。
  • 公認前綴（WKP, Well-Known Prefix）：固定為 64:ff9b::/96，只能使用 96 位前綴格式。

NAT64 前綴生成的 IPv6 地址用于 IPv6 主機與 IPv4 主機通信，但網絡中的主機不會直接使用帶有 NAT64 前綴的 IPv6 地址。這些地址主要由 NAT64 設備（如網關）用于地址轉換和路由。

3. NAT64 前綴的地址格式

根據 RFC 6052，IPv4 嵌入的 IPv6 地址由以下部分組成：

  • 前綴部分：長度為 32、40、48、56、64 或 96 位，表示網絡標識。
  • IPv4 地址部分：32 位，直接嵌入到 IPv6 地址的特定位置。
  • 保留位：在某些前綴長度下（例如 /32、/40、/48、/56），地址的第 64 位到 71 位（即第 5 段的第 0 位到第 7 位）必須設置為 0，作為保留位。
  • 填充位：在某些前綴長度下，可能需要額外的填充位（通常為 0）來補齊 128 位。

RFC 6052 定義了不同前綴長度下 IPv4 地址的嵌入位置，具體格式如下（參考 RFC 6052 Figure 1）：

注意事項
  1. 保留位要求：對于 /32、/40、/48、/56 前綴，第 64 位到 71 位必須設置為 0，以確保地址格式的標準化。
  2. /96 前綴的特殊性：只有 /96 前綴允許直接使用點分十進制的 IPv4 地址表示，其他前綴必須使用十六進制。
  3. 地址簡化規則：IPv6 地址可以省略前導零和連續的全零段（用 :: 表示，但只能使用一次）。例如，2001:db8:122:344:0:0:192.0.2.33 可簡化為 2001:db8:122:344::192.0.2.33。
  4. 應用場景：NAT64 前綴轉換常用于 IPv6 單棧網絡訪問 IPv4 資源，配合 DNS64 解析 IPv4 地址到 IPv6 地址。
4. IPv4 地址嵌入規則

根據前綴長度，IPv4 地址的 32 位被嵌入到 IPv6 地址的不同位置。以下是具體規則和示例（以 IPv4 地址 192.0.2.33 為例）：

2、示例

IPv6 前綴

IPv4 地址

嵌入 IPv4 地址的 IPv6 地址

2001:db8::/32

192.0.2.33

2001:db8:c000:221::

2001:db8:100::/40

192.0.2.33

2001:db8:1c0:2:21::

2001:db8:122::/48

192.0.2.33

2001:db8:122:c000:2:2100::

2001:db8:122:300::/56

192.0.2.33

2001:db8:122:3c0:0:221::

2001:db8:122:344::/64

192.0.2.33

2001:db8:122:344:c0:2:2100::

2001:db8:122:344::/96

192.0.2.33

2001:db8:122:344::192.0.2.33

1. 前綴：2001:db8::/32

  • 嵌入結果：2001:db8:c000:221::

  • 完整形式：2001:0db8:c000:0221:0000:0000:0000:0000

  • 簡寫規則：

    • 每段前導零省略，例如 0db8 簡化為 db8，0221 簡化為 221。

    • 最后四段連續全零段（0000:0000:0000:0000）用 :: 替換，且 :: 只能使用一次。

  • 位分配：

    • 0-31 位（前綴）：2001:db8（32 位）。

    • 32-63 位（IPv4 地址）：c000:0221，對應 IPv4 地址 192.0.2.33（192.0 → c000，2.33 → 02:21）。

    • 64-71 位（保留位）：設置為 00（第 5 段高 8 位）。

    • 72-127 位（填充位）：全為 0（第 5 段低 8 位到第 8 段）。

  • IPv4 映射：192.0.2.33 的十六進制表示為 c0.00.02.21（192 → c0，0 → 00，2 → 02，33 → 21），嵌入到第 3 和第 4 段，形成 c000:0221。

2. 前綴：2001:db8:100::/40

  • 嵌入結果：2001:db8:1c0:2:21::

  • 完整形式：2001:0db8:01c0:0002:0021:0000:0000:0000

  • 簡寫規則：

    • 每段前導零省略，例如 0db8 簡化為 db8，01c0 簡化為 1c0，0002 簡化為 2，0021 簡化為 21。

    • 最后三段連續全零段（0000:0000:0000）用 :: 替換。

  • 位分配：

    • 0-39 位（前綴）：2001:db8:1（40 位，第 3 段高 8 位）。

    • 40-71 位（IPv4 地址）：c0:0002:0021，對應 IPv4 地址 192.0.2.33（192 → c0，0.2 → 0002，33 → 0021）。

    • 72-79 位（保留位）：設置為 00（第 5 段高 8 位）。

    • 80-127 位（填充位）：全為 0（第 5 段低 8 位到第 8 段）。

  • IPv4 映射：192.0.2.33 的 32 位被拆分為三部分（8 位 + 16 位 + 8 位），嵌入到第 3 段低 8 位（c0）、第 4 段（0002）、第 5 段高 8 位（0021），形成 1c0:2:21。

3. 前綴：2001:db8:122::/48

  • 嵌入結果：2001:db8:122:c000:2:2100::

  • 完整形式：2001:0db8:0122:c000:0002:2100:0000:0000

  • 簡寫規則：

    • 每段前導零省略，例如 0db8 簡化為 db8，0122 簡化為 122，0002 簡化為 2。

    • 最后兩段連續全零段（0000:0000）用 :: 替換。

  • 位分配：

    • 0-47 位（前綴）：2001:db8:122（48 位）。

    • 48-79 位（IPv4 地址）：c000:0002:2100，對應 IPv4 地址 192.0.2.33（192.0 → c000，2 → 0002，33 → 2100）。

    • 80-87 位（保留位）：設置為 00（第 6 段高 8 位）。

    • 88-127 位（填充位）：全為 0（第 6 段低 8 位到第 8 段）。

  • IPv4 映射：192.0.2.33 的 32 位被拆分為三部分（16 位 + 8 位 + 8 位），嵌入到第 4 段（c000）、第 5 段（0002）、第 6 段高 8 位（2100），形成 c000:2:2100。

4. 前綴：2001:db8:122:300::/56

  • 嵌入結果：2001:db8:122:3c0:0:221::

  • 完整形式：2001:0db8:0122:03c0:0000:0221:0000:0000

  • 簡寫規則：

    • 每段前導零省略，例如 0db8 簡化為 db8，0122 簡化為 122，03c0 簡化為 3c0，0221 簡化為 221。

    • 最后兩段連續全零段（0000:0000）用 :: 替換。

  • 位分配：

    • 0-55 位（前綴）：2001:db8:122:3（56 位，第 4 段高 8 位）。

    • 56-87 位（IPv4 地址）：c0:0000:0221，對應 IPv4 地址 192.0.2.33（192 → c0，0 → 0000，2.33 → 0221）。

    • 88-95 位（保留位）：設置為 00（第 6 段高 8 位）。

    • 96-127 位（填充位）：全為 0（第 6 段低 8 位到第 8 段）。

  • IPv4 映射：192.0.2.33 的 32 位被拆分為三部分（8 位 + 16 位 + 8 位），嵌入到第 4 段低 8 位（c0）、第 5 段（0000）、第 6 段高 8 位（0221），形成 3c0:0:221。

5. 前綴：2001:db8:122:344::/64

  • 嵌入結果：2001:db8:122:344:c0:2:2100::

  • 完整形式：2001:0db8:0122:0344:00c0:0002:2100:0000

  • 簡寫規則：

    • 每段前導零省略，例如 0db8 簡化為 db8，0122 簡化為 122，0344 簡化為 344，00c0 簡化為 c0，0002 簡化為 2。

    • 最后一段全零（0000）用 :: 替換。

  • 位分配：

    • 0-63 位（前綴）：2001:db8:122:344（64 位）。

    • 64-95 位（IPv4 地址）：00c0:0002:2100，對應 IPv4 地址 192.0.2.33（192 → 00c0，0.2 → 0002，33 → 2100）。

    • 96-127 位（填充位）：全為 0（第 7 段低 8 位到第 8 段）。

  • IPv4 映射：192.0.2.33 的 32 位被拆分為三部分（8 位 + 8 位 + 16 位），嵌入到第 5 段（00c0）、第 6 段高 8 位（0002）、第 6 段低 8 位和第 7 段高 8 位（2100），形成 c0:2:2100。

6. 前綴：2001:db8:122:344::/96

  • 嵌入結果：2001:db8:122:344::192.0.2.33

  • 完整形式：2001:0db8:0122:0344:0000:0000:c000:0221

  • 簡寫規則：

    • 每段前導零省略，例如 0db8 簡化為 db8，0122 簡化為 122，0344 簡化為 344。

    • 第 5 和第 6 段連續全零（0000:0000）用 :: 替換。

    • 根據 RFC 6052 第 2.4 節，最后 32 位（第 7 和第 8 段）直接使用 IPv4 地址的點分十進制形式 192.0.2.33，而非十六進制 c000:0221。

  • 位分配：

    • 0-95 位（前綴）：2001:db8:122:344:0:0（96 位）。

    • 96-127 位（IPv4 地址）：c000:0221，對應 IPv4 地址 192.0.2.33（192.0 → c000，2.33 → 0221），但表示為 192.0.2.33。

  • IPv4 映射：192.0.2.33 的 32 位直接占用第 7 和第 8 段（c000:0221），但 RFC 6052 允許使用點分十進制形式 192.0.2.33，形成 x:x:x:x:x:x:d.d.d.d 格式，提高可讀性。

特殊說明：/96 前綴的點分十進制表示

對于 /96 前綴，IPv4 地址的 32 位直接占用 IPv6 地址的最后 32 位（第 7 和第 8 段）。RFC 6052 第 2.4 節明確規定，IPv4 地址可以以點分十進制形式表示（d.d.d.d），形成 x:x:x:x:x:x:d.d.d.d 的格式。這種表示方式：

  • 提高可讀性：直接使用 IPv4 的點分十進制形式（如 192.0.2.33）比十六進制（如 c000:0221）更直觀。
  • 簡化轉換：在 NAT64 場景中，設備可以直接解析點分十進制部分，減少地址轉換的復雜性。
  • 適用場景：常用于 NAT64 和 DNS64 環境，方便 IPv6 主機訪問 IPv4 資源。

公認前綴（WKP）：

  • WKP 為 64:ff9b::/96，固定使用 /96 前綴。
  • 示例：IPv4 地址 192.0.2.33 嵌入 WKP 后為 64:ff9b::192.0.2.33。

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