IPv4 地址嵌入 IPv6 的前缀转换方式详解

1. 概述

在 IPv4 和 IPv6 网络共存的过渡期，NAT64（Network Address Translation 64）是一种关键技术，用于实现 IPv6-only 网络与 IPv4-only 网络的互操作。NAT64 前缀转换通过将 IPv4 地址嵌入到 IPv6 地址中，允许 IPv6 单栈主机访问 IPv4 网络资源。这种机制在 IPv6 过渡的后期阶段尤为重要，适用于 IPv6 占主导地位的网络环境。

NAT64 前缀转换的核心是将 IPv4 地址（32 位）嵌入到一个 IPv6 地址（128 位）中，使用特定的前缀和规则生成对应的 IPv6 地址。这种嵌入方式由 RFC 6052（“IPv6 Addressing of IPv4/IPv6 Translators”）定义，支持多种前缀长度（/32、/40、/48、/56、/64、/96），并允许灵活的地址表示形式。

2. NAT64 前缀概述

NAT64 前缀是用于构造 IPv4 节点在 IPv6 网络中的地址的前缀，长度可以是 32、40、48、56、64 或 96 位。这些前缀分为两种类型：

  • 网络特定前缀（NSP, Network-Specific Prefix）：由组织分配，通常是组织 IPv6 前缀的一个子网，长度可以是上述任意值。
  • 公认前缀（WKP, Well-Known Prefix）：固定为 64:ff9b::/96，只能使用 96 位前缀格式。

NAT64 前缀生成的 IPv6 地址用于 IPv6 主机与 IPv4 主机通信，但网络中的主机不会直接使用带有 NAT64 前缀的 IPv6 地址。这些地址主要由 NAT64 设备（如网关）用于地址转换和路由。

3. NAT64 前缀的地址格式

根据 RFC 6052，IPv4 嵌入的 IPv6 地址由以下部分组成：

  • 前缀部分：长度为 32、40、48、56、64 或 96 位，表示网络标识。
  • IPv4 地址部分：32 位，直接嵌入到 IPv6 地址的特定位置。
  • 保留位：在某些前缀长度下（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）必须设置为 0，作为保留位。
  • 填充位：在某些前缀长度下，可能需要额外的填充位（通常为 0）来补齐 128 位。

RFC 6052 定义了不同前缀长度下 IPv4 地址的嵌入位置，具体格式如下（参考 RFC 6052 Figure 1）：

注意事项
  1. 保留位要求：对于 /32、/40、/48、/56 前缀，第 64 位到 71 位必须设置为 0，以确保地址格式的标准化。
  2. /96 前缀的特殊性：只有 /96 前缀允许直接使用点分十进制的 IPv4 地址表示，其他前缀必须使用十六进制。
  3. 地址简化规则：IPv6 地址可以省略前导零和连续的全零段（用 :: 表示，但只能使用一次）。例如，2001:db8:122:344:0:0:192.0.2.33 可简化为 2001:db8:122:344::192.0.2.33。
  4. 应用场景：NAT64 前缀转换常用于 IPv6 单栈网络访问 IPv4 资源，配合 DNS64 解析 IPv4 地址到 IPv6 地址。
4. IPv4 地址嵌入规则

根据前缀长度，IPv4 地址的 32 位被嵌入到 IPv6 地址的不同位置。以下是具体规则和示例（以 IPv4 地址 192.0.2.33 为例）：

2、示例

IPv6 前缀

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. 前缀：2001:db8::/32

  • 嵌入结果：2001:db8:c000:221::

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

  • 简写规则：

    • 每段前导零省略，例如 0db8 简化为 db8，0221 简化为 221。

    • 最后四段连续全零段（0000:0000:0000:0000）用 :: 替换，且 :: 只能使用一次。

  • 位分配：

    • 0-31 位（前缀）：2001:db8（32 位）。

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

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

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

  • IPv4 映射：192.0.2.33 的十六进制表示为 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. 前缀：2001:db8:100::/40

  • 嵌入结果：2001:db8:1c0:2:21::

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

  • 简写规则：

    • 每段前导零省略，例如 0db8 简化为 db8，01c0 简化为 1c0，0002 简化为 2，0021 简化为 21。

    • 最后三段连续全零段（0000:0000:0000）用 :: 替换。

  • 位分配：

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

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

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

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

  • IPv4 映射：192.0.2.33 的 32 位被拆分为三部分（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. 前缀：2001:db8:122::/48

  • 嵌入结果：2001:db8:122:c000:2:2100::

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

  • 简写规则：

    • 每段前导零省略，例如 0db8 简化为 db8，0122 简化为 122，0002 简化为 2。

    • 最后两段连续全零段（0000:0000）用 :: 替换。

  • 位分配：

    • 0-47 位（前缀）：2001:db8:122（48 位）。

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

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

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

  • IPv4 映射：192.0.2.33 的 32 位被拆分为三部分（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. 前缀：2001:db8:122:300::/56

  • 嵌入结果：2001:db8:122:3c0:0:221::

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

  • 简写规则：

    • 每段前导零省略，例如 0db8 简化为 db8，0122 简化为 122，03c0 简化为 3c0，0221 简化为 221。

    • 最后两段连续全零段（0000:0000）用 :: 替换。

  • 位分配：

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

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

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

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

  • IPv4 映射：192.0.2.33 的 32 位被拆分为三部分（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. 前缀：2001:db8:122:344::/64

  • 嵌入结果：2001:db8:122:344:c0:2:2100::

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

  • 简写规则：

    • 每段前导零省略，例如 0db8 简化为 db8，0122 简化为 122，0344 简化为 344，00c0 简化为 c0，0002 简化为 2。

    • 最后一段全零（0000）用 :: 替换。

  • 位分配：

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

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

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

  • IPv4 映射：192.0.2.33 的 32 位被拆分为三部分（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. 前缀：2001:db8:122:344::/96

  • 嵌入结果：2001:db8:122:344::192.0.2.33

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

  • 简写规则：

    • 每段前导零省略，例如 0db8 简化为 db8，0122 简化为 122，0344 简化为 344。

    • 第 5 和第 6 段连续全零（0000:0000）用 :: 替换。

    • 根据 RFC 6052 第 2.4 节，最后 32 位（第 7 和第 8 段）直接使用 IPv4 地址的点分十进制形式 192.0.2.33，而非十六进制 c000:0221。

  • 位分配：

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

    • 96-127 位（IPv4 地址）：c000:0221，对应 IPv4 地址 192.0.2.33（192.0 → c000，2.33 → 0221），但表示为 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 允许使用点分十进制形式 192.0.2.33，形成 x:x:x:x:x:x:d.d.d.d 格式，提高可读性。

特殊说明：/96 前缀的点分十进制表示

对于 /96 前缀，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 节明确规定，IPv4 地址可以以点分十进制形式表示（d.d.d.d），形成 x:x:x:x:x:x:d.d.d.d 的格式。这种表示方式：

  • 提高可读性：直接使用 IPv4 的点分十进制形式（如 192.0.2.33）比十六进制（如 c000:0221）更直观。
  • 简化转换：在 NAT64 场景中，设备可以直接解析点分十进制部分，减少地址转换的复杂性。
  • 适用场景：常用于 NAT64 和 DNS64 环境，方便 IPv6 主机访问 IPv4 资源。

公认前缀（WKP）：

  • WKP 为 64:ff9b::/96，固定使用 /96 前缀。
  • 示例：IPv4 地址 192.0.2.33 嵌入 WKP 后为 64:ff9b::192.0.2.33。

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