梳理了IETF的相关RFC文档，汇总IPv4与IPv6地址转换映射的方法。笔者资历较浅，难免有错误之处，还望指正。如真正深入研究，可以查看标准RFC文档。IETF官网文档下载链接 本文总体上根据RFC文档出版的时间先后顺序，大概叙述每个文档实现IP地址转换的思路；为了便于理解某些内容，对某些文档描述调整了顺序，可能不符合时间先后顺序。


IPv6与IPv4地址转换

  • RFC4291
  • RFC6052
  • RFC2766（NAT-PT）
  • RFC6146（NAT64）
  • RFC8512
  • RFC 8215（ Local-Use IPv4/IPv6 Translation Prefix ）
  • RFC3306（ Unicast-Prefix-based IPv6 Multicast Addresses ）
  • RFC 6219（IVI）
  • RFC 8114
  • 相关资料
  • 参考文献


RFC4291

《RFC4291》1提出两种兼容方式实现IPv4和IPv6的地址转换，81-96位全为0的兼容方式或全为1的兼容方式。IPv6兼容的IPv4地址必须为全球单播地址，81-96位全为0的兼容方式见图1。

ipv6 计算器 python ipv6换算ipv4_NAT


图1 81-96位全为0的兼容方式


IPv6地址81-96位全为1的兼容方式见图2。


ipv6 计算器 python ipv6换算ipv4_组播_02


图2 81-96位全为1的兼容方式

RFC6052

《RFC6052》2规定了IPv4地址转换成对不同前缀长度的IPv6地址格式，IPv6地址前缀位数有32, 40, 48, 56, 64, 72, 80, 88和96。32位的IPv4地址直接内嵌至IPv6前缀后格式如图3所示。

ipv6 计算器 python ipv6换算ipv4_NAT_03


图3 IPv6地址内嵌IPv4地址


《RFC6052》规定IPv4地址和IPv6地址实现映射的知名网络前缀

64:ff9b::/96，同时，知名网络前缀只能使用最后一种前缀长度为96的IPv6地址格式。知名网络前缀

64:ff9b::/96不能映射《RFC1918》分配的私有IPv4地址。《RFC6052》中利用 2001:db8:: 特定网络前缀实现映射如图4所示。

ipv6 计算器 python ipv6换算ipv4_NAT_04


图4 特定网络前缀映射

RFC2766（NAT-PT）

介绍NAT-PT前，可能需要了解一下NAT技术，本文不再介绍NAT技术，直接了解NAT-PT原理。（由于论文行文习惯，先叙述文字再放图。为了便于描述，这里先放图，因此该图不视为文内的图4，当做不存在就行。本图摘自《RFC2766》3。）

ipv6 计算器 python ipv6换算ipv4_组播_05


如图，IPv6侧的A和B主机通过NAT-PT与IPv4侧的IPv4主机C连接。主机A和B位于同一个网络内，具有相同的网络前缀，主机C具有IPv4地址132.146.243.30，且为全为唯一的。

NAT-PT配置有IPv4地址池，可以满足与IPv6地址的一一对应关系。

主机A向主机C发起通信时，源地址fedc:BA98::7654:3210，目的地址prefix::132.146.243.30（prefix为IPv6网络前缀，与NAT-PT IPv6地址网络前缀一致）。如果A发送的是建立会话的初始化数据包，假设NAT-PT为其分配一个120.130.26.10IPv4地址，然后转发至主机C，此时数据包的源地址120.130.26.10，目的地址132.146.243.30。NAT-PT收到主机C的IPv4数据包时，根据源地址132.146.243.30，目的地址120.130.26.10，将其转发至主机A，此时源地址prefix::132.146.243.30，目的地址fedc:BA98::7654:3210。主要原理就是建立一个映射表，存储建立的映射关系，数据包到来时，直接查表。

在此基础上，引入“地址+端口”映射，过程区别不大，主要区别在于数据包（ src代表源地址，dest代表目的地址,tcp=3017代表tcp端口号为3017），如下过程所述。

A -> NAT-PT：

src = fedc:BA98::7654:3210, tcp = 3017, dest = prefix::132.146.243.30，tcp=23

NAT-PT -> C:
src = 120.130.26.10, tcp = 1025, dest = 132.146.243.30, tcp = 23

C -> NAT-PT:
src = 120.130.26.10, tcp = 23, dest = 132.146.243.30, tcp = 1025

NAT-PT -> A:
src = prefix::132.146.243.30, tcp = 23, dest = fedc:BA98::7654:3210，tcp=3017

RFC6146（NAT64）

NAT64设备根据《RFC6052》定义的算法，利用自身IPv6前缀和待转换的IPv4地址生成IPv6地址。有状态NAT64转换包含绑定的TCP和UDP端口号。NAT64的IPv6地址池前缀为Pref64::/n。
在《RFC6146》4示例中，根据《RFC6052》知名网络前缀，
在NAT64 IPv6接口端建立的映射关系为： ( 2001:db8::1, 1500 ) <–> ( 203.0.113.1, 2000 )；
在IPv4接口端建立的映射关系为：( 64:ff9b::192.0.2.1, 80) <–> ( 192.0.2.1, 80 )。
《RFC6146》中NAT64会话映射表为( X’, x), (Y’, y) <–> ( T, t), ( Z, z)，其中X’和Y’为IPv6地址，T和Z为IPv4地址。x, y, z和t为端口号，同时y必须等于z。

RFC8512

《RFC8512》5根据《RFC6052》地址转换算法，在NPT和NAT中实现IPv6和IPv4地址转换。IPv6地址2001:db8:1234 ::198.51.100.1采用特定网络前缀，映射至IPv4地址198.51.100.1。

RFC 8215（ Local-Use IPv4/IPv6 Translation Prefix ）

《RFC6052》预留了知名网络前缀64:ff9b::/96，因此《RFC8215》6将
64:ff9b::1:0:0 - 64:ff9b:0:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff 地址分配给本地内网IPv4和IPv6地址转换使用。另一方面《RFC6052》对于分配的私有IPv4地址的限制，对IPv6前缀64:ff9b:1::/48不适用，因此64:ff9b:1::/48网络前缀可以实现私有IPv4地址转换。

RFC3306（ Unicast-Prefix-based IPv6 Multicast Addresses ）

在IPv6组播地址格式中，flags：P=0,IPv6组播地址非基于网络前缀;P = 1，表示IPv6组播地址基于IPv6网络前缀，当P=1时，必须满足T = 1。
scope：限制组播范围，不同值对应范围如下表所示。

value

domain

0

reserved

1

Interface-Local scope

2

Link-Local scope

3

reserved

4

Admin-Local scope

5

Site-Local scope

6

(unassigned)

7

(unassigned)

8

Organization-Local scope

9

(unassigned)

A

(unassigned)

B

(unassigned)

C

(unassigned)

D

(unassigned)

E

Global scope

F

reserved

reserved：0x00，根据《RFC 3306》7，需要清0该域。

plen：network prefix长度。

network prefix：利用IPv6网络前缀中填充该域，填充位数由plen决定。

group ID：组播ID。

当P=1.且T=1时，基于IPv6网络前缀的组播地址如图5所示。

ipv6 计算器 python ipv6换算ipv4_NAT_06

图5 基于IPv6网络前缀组播地址



IPv4组播地址范围为

224.0.0.0 - 239.255.255.255。当IPv6组播地址为

239.1.1.5时，假设转换设备的IPv6地址由特定网络前缀

2001:db8:122:344::/96（见图1）组成，基于IPv6网络前缀的一种IPv4组播地址转换结果为

ff32:40:2001:db8:122:344:fe01:105。其中，

fe01:105为

239.1.1.5的十六进制，即

fe.01.01.05。ff为固定格式，3代表flags=0011，2代表组播限制在

Link-Local scope。0x40代表基于IPv6网络前缀的长度为64位，即

2001:db8:122:344。

RFC 6219（IVI）

《RFC6219》8采用IPv6特定网络前缀解决IPv4和IPv6地址之间的无状态映射，同时利用32-39位标识IVI前缀，40-71位内嵌全球唯一的IPv4地址。IVI实现单播地址映射如图5所示。

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图6 IVI单播地址映射



IVI实现IPv4组播地址和IPv6组播地址的映射，IPv4组播地址范围为

232.0.0.0/8 - 232.255.255.255/8，采用的IPv6组播地址为 PIM-SSM( Protocol Independent Multicast - Source-Specific Multicast, 协议无关组播-特定于源的组播)。转换后的IPv6组播地址范围为

ff3e:0:0:0:0:0:f000:0000/96 - ff3e:0:0:0:0:0:f0ff:ffff/96，32位的组播ID中，f0固定，而后24位由IPv4组播地址后24位转换而来。IVI实现IPv4组播地址和IPv6组播地址映射如图7所示。


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图7 IVI实现IPv4组播和IPv6组播地址映射

RFC 8114

《RFC8114》8对组播地址转换算法进行描述，分为IPv6组播地址的组成和IPv4组播地址的获取。

IPv6组播地址：结合IPv6组播地址前缀的96位和IPv4地址的32位以获得一个128位的地址。

IPv4组播地址：如果IPv6组播地址前缀为预先配置，即可直接从组播地址后32位获取IPv4组播地址。

如图8为IPv4组播地址与IPv6组播地址转换。

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图8 IPv4组播地址与IPv6组播地址转换


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相关资料

《RFC7269》NAT64 Deployment Options and Experience《RFC7857》Updates to Network Address Translation (NAT) Behavioral Requirements《RFC6889》Analysis of Stateful 64 Translationgithub IPv6组播实验源码

参考文献

  1. 《RFC4291》IP Version 6 Addressing Architecture ↩︎
  2. 《RFC6052》IPv6 Addressing of IPv4/IPv6 Translators ↩︎
  3. 《RFC2766》Network Address Translation - Protocol Translation (NAT-PT) ↩︎
  4. 《RFC6146》Stateful NAT64: Network Address and Protocol Translation from IPv6 Clients to IPv4 Servers ↩︎
  5. 《RFC8512》A YANG Module for Network Address Translation (NAT) and Network Prefix Translation (NPT) ↩︎
  6. 《RFC8215》Local-Use IPv4/IPv6 Translation Prefix ↩︎
  7. 《RFC3306》Unicast-Prefix-based IPv6 Multicast Addresses ↩︎
  8. 《RFC8114》Delivery of IPv4 Multicast Services to IPv4 Clients over an IPv6 Multicast Network ↩︎ ↩︎