互联网应用创新层出不穷，用户规模快速增长；终端的智能化、移动化带来了移动互联网的大发展。据工信部的数据显示，截至2012年11月，我国互联网宽带用户数达到1.74亿户，移动互联网用户达到7.5亿。另外，随着三网融合的发展，有线电视网的双向改造带来的IP地址需求将不少于现有的互联网；未来随着物联网的发展，更广泛、更自由的互联需要数量更为庞大的IP地址。据预测，未来的互联终端将超过500亿。
面对如此庞大的IP地址需求，IPv4早已不堪重负。早在2011年2月，IANA就已经将最后的IPv4地址段分配给各大区域的地址管理机构；而APNIC在2011年4月，分配完了除预留给新成立的运营商的地址段以外的所有IPv4地址。近两年以来，电信运营商基本都在消耗存量的IP地址资源，部分地区已经开始采用NAT技术缓解IPv4地址不足的问题。推动网络向IPv6迁移迫在眉睫。
过渡技术是IPv6演进的关键
网络从IPv4向IPv6的演进涉及到终端、网络、业务系统、应用程序等方面的迁移改造，且IPv6存在着与IPv4大量不兼容的特征。因此，IPv4向IPv6迁移是一个复杂、庞大的系统工程。如何过渡，选择怎样的过渡路径和技术，关系到整个网络过渡的改造和部署成本，并会对上层应用造成影响。
过渡技术百家争鸣
由于过渡技术是IPv6演进的关键，多年以来，IPv6过渡技术得到了业界的广泛关注，出现了众多的过渡技术，如：NAT-PT、6in4、6to4、6over4、6PE、6vPE、Teredo、ISATAP、DS-Lite、NAT444、NAT64/DNS64、6RD、PNAT、IVI/MAP、Smart6、LAFT等。不同的过渡技术实现方式差异大，针对性强，分别针对不同的过渡场景，适用于不同的过渡阶段。6RD技术的特点是能够在现有的IPv4网络上快速部署IPv6业务，但由于依赖IPv4网络，主要适用于演进初期，无法适应演进后期的网络环境；NAT64技术主要用于解决IPv6网路访问IPv4资源的场景，比较适合过渡中期和后期，在初期的应用范围受限；NAT444技术可以有效缓解IPv4地址不足的问题，适用于演进的初期，但终究是IPv4的技术，无法适用于演进后期的IPv6网络。
主要问题分析
迄今为止，尚无一种技术方案能全面解决网络从IPv4向IPv6演进的问题，且IPv6的过渡部署的建设和改造成本也非常高。如何实现网络IPv4向IPv6过渡已经成为电信运营商面临的一大难题。
由于不同的过渡技术网络演进路线大不相同，将直接影响后续的网络规划、设备改造、工程实施等一系列环节。但目前过渡技术非常多，且每种技术都存在优缺点，均难以全面解决IPv4向IPv6演进的问题，使得过渡技术的选择变成一种风险的权衡。
电信运营商的网络规模大，各地的网络也有各自的特征，有不同的技术和网络的演进需求，难以一概而论。如：新建的网络、新发展的用户和老的网络、现有的用户可能需要不同的演进方式和过渡技术；传统电信运营商和新兴电信运营商的网络存在很大的差异，会选择不同的过渡技术和演进路线。
在演进的过程中，为了实现网络对IPv6相关特性的支持，需要对大量的现网设备进行升级、改造及更换，需要部署大量的CGN（Carrier-grade NAT）设备。现有的网络覆盖范围大、型号多、数量大；CGN设备功能复杂、性能要求高，导致设备建设投资成本高昂。
在从IPv4向IPv6演进的过程中，存在着不同的过渡阶段。初期IPv4占大多数，后期IPv6占大多数，导致了在不同的过渡时期有不同的业务处理要求，适应不同的过渡技术，存在着过渡技术切换的问题，容易出现投资浪费。如：初期采用了NAT444技术，后期需要采用DS-lite、NAT64的情况下，如果NAT444的CGN无法改造支持DS-lite或NAT64则会导致NAT444 CGN的投资浪费。
因此，CGN作为IPv6过渡演进中的重要设备，需要具备很好的适应性，适应不同技术选择、不同的演进阶段、不同的部署需求，并最大程度降低成本，实现IPv6平滑过渡。
虚拟化和可重构的CGN技术方案
虚拟化和可重构的CGN技术方案采用可重构的设计思路，提高设备的灵活性，适应不同技术选择、不同的演进阶段、不同网络环境的部署需求。
可重构设计
可重构的CGN设计，基于通用处理器实现，硬件更加灵活，可以通过加载不同的软件实现不同的功能。加载NAT444业务处理软件，则设备可部署成为NAT444 CGN设备；加载DS-lite业务处理软件，则设备可部署成为DS-lite CGN设备；用户可以根据需要，灵活设置加载的软件模块，满足IPv6过渡过程中不同阶段的技术选择和部署要求，避免投资浪费。
虚拟化设计
虚拟化的CGN设计借鉴了云计算、资源池的设计理念，在设备硬件层面，对设备的硬件资源、业务处理资源进行统一的虚拟资源池化：设备的CGN业务处理板内、业务处理板间的CPU资源虚拟化，形成业务处理资源池；在CGN业务层面基于虚拟CGN实例进行业务管理和部署，可针对不同的用户创建多个CGN实例，根据不同的CGN实例的业务处理需求，分配适当的CPU和内存等资源，充分提高设备的资源利用率，降低成本。同时也提高了CGN部署的灵活性。
方案优势
虚拟化和可重构的CGN技术方案具有灵活性高、扩展性强、资源利用率高等特点。
设备硬件资源虚拟化与多实例的结合能有效提高资源利用率。假设如下应用场景：网络采用纯IPv6承载业务，部署CGN设备为不同的虚拟运营商提供IPv6过渡服务。虚拟运营商A选用DS-lite技术实施过渡，虚拟运营商B选用NAT64技术实施过渡。在这种场景下，如CGN设备不支持虚拟化和多实例，则需要为不同的虚拟运营商部署不同的CGN设备或者板卡；而在CGN设备支持虚拟化和多实例的情况下，则只需要部署一块CGN板卡，开启不同的CGN实例，根据不同虚拟运营商的业务处理需求分配相应的CPU资源，提高了设备资源利用率，降低投资成本。
为了保障业务的可靠性，一般情况下需要部署CGN的备份。无论是采用独立的CGN板卡还是独立的CGN设备作为备份，均需要投入大量的资金。而采用了虚拟化和多实例的CGN技术，不仅可以节省设备投资，还使得CGN备份更加灵活。
假设应用场景如下：部署CGN设备为不同的虚拟运营商提供IPv6过渡服务，虚拟运营商A选用DS-lite技术实施过渡，虚拟运营商B选用DS-lite技术实施过渡，虚拟运营商C选用NAT444技术实施过渡；虚拟运营商A、B、C均需要部署CGN的备份。在不采用虚拟化和多实例CGN技术方案的情况下，需要为虚拟运营商A、B、C分别部署主用CGN板卡和备用CGN板卡，共计6块CGN板卡。在采用虚拟化和多实例CGN技术之后，仅需部署2块CGN板卡进行相互、灵活备份，如图1所示。
采用可重构的设计，使得CGN设备可以根据用户的实际需求进行灵活设置，满足不同过渡场景和过渡阶段的部署需求。假设应用场景如下：电信运营商初期采用DS-lite方式向IPv6过渡；到过渡后期，将出现大量纯IPv6用户需要访问IPv4的需求，需要部署大量的NAT64网关；演进初期，以DS-lite流量及业务处理为主，在演进后期，以NAT64流量及业务处理为主。针对这一需求，可以通过可重构技术，对CGN设备进行灵活设置，将原先的DS-lite CGN设备转换为NAT64网关，充分实现的设备资源的重构、重用。
CGN技术展望
由于IPv6过渡技术的复杂性、多样性，网络部署环境的差异性，导致了对CGN设备灵活性和高可适应性的需求。设备的设计和实现上需要采用可重构和虚拟化技术来实现，采用通用的硬件和模块化的软件。这样的设计路线使得CGN技术后续可以向网络功能虚拟化（NFV）方向发展。
网络功能虚拟化（NFV）是由BT、AT&T、DT、Verizon、中国移动等13家运营商在2012年10月联合发起的一个组织。这个组织成立的宗旨是实现网络功能虚拟化，希望将网络业务边缘设备的各种功能，如BRAS、DPI、防火墙、CDN等业务功能剥离出来，采用通用的服务器实现，从而达到简化网络、提高设备资源利用率，降低成本的目的。
通过对各种IPv6过渡技术及CGN设备的实现进行分析，我们认为，CGN实现的很多IPv6的过渡技术和功能与网络的基本功能存在差异，可以进行剥离。剥离出来的CGN业务处理功能可以基于NFV架构，采用通用服务器进行实现。如图2所示，在网络中部署通用服务器群形成业务处理资源池，将网络的CGN业务功能虚拟化，形成模块化的软件系统，根据用户的需要灵活加载，满足不同应用场景的部署要求。
通过网络功能虚拟化（NFV）实现的CGN，具有性能更强、可扩展性更好、功能模块灵活加载，资源利用率更高，成本更低等优点。因此，基于网络功能虚拟化的CGN将是未来CGN发展的重要趋势。
小结
IPv6过渡的复杂性需要虚拟化、可重构的CGN设备，以满足不同过渡技术选择、不同网络环境、不同过渡阶段的部署需求，降低建设和改造的成本。采用网络功能虚拟化的方式能更好实现CGN的虚拟化和可重构，将是未来发展的重要趋势。
