cdma2000移動網(wǎng)IPv6演進策略探討

張琳峰，張 嵐，黎明雪

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 IPv6發(fā)展概述

IPv6是IETF早在1992年制定的下一代網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議，與IPv4相比，具有地址充足、報頭簡單、易于擴展、組播和QoS機制完善、支持鏈路層移動性等優(yōu)點。隨著Internet規(guī)模的發(fā)展，一方面IPv4地址資源的耗盡日益迫近，另一方面移動互聯(lián)網(wǎng)和寬帶接入用戶數(shù)持續(xù)增長，還有三網(wǎng)融合的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、云計算等新技術(shù)應(yīng)用的出現(xiàn)，對地址的需求量顯著增加，兩者形成較大的反差，為IPv6的發(fā)展迎來了契機。

據(jù)CNNIC統(tǒng)計，中國的互聯(lián)網(wǎng)用戶是3.4億，規(guī)模已經(jīng)排在全球前列了，但是，中國的互聯(lián)網(wǎng)普及率只有25.5%，增長空間還很大，所以中國的信息化發(fā)展光依賴IPv4地址是肯定不夠的。截至2010年3月，IANA剩余的IPv4地址只有地址總量的8%，預計全球IPv4地址存量于2011年耗盡，地區(qū)代理存量于2012年耗盡。作為發(fā)展中國家，我國面臨的地址短缺形勢尤為突出，中國政府已經(jīng)把下一代互聯(lián)網(wǎng)納入了國家電子信息產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃，在即將舉行的“上海世博會”和“深圳大運會”兩項重大活動中，運營商都積極參與了IPv6的技術(shù)試驗。對于我國運營商而言，向IPv6演進已是迫在眉睫。

2 IPv6演進關(guān)鍵技術(shù)

IPv6和IPv4的報文格式不兼容，如何實現(xiàn)IPv4和IPv6的無縫結(jié)合以及無損害地平滑過渡已經(jīng)成為IPv6大規(guī)模部署的難題。IPv4向IPv6過渡階段所采用的技術(shù)主要有IPv4/IPv6雙棧技術(shù)、隧道技術(shù)以及協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)。

2.1 IPv4/IPv6雙棧技術(shù)

雙協(xié)議棧機制是在鏈路層之上引入了兩個網(wǎng)絡(luò)層，雙棧節(jié)點與IPv4節(jié)點通信時使用IPv4協(xié)議棧，與IPv6節(jié)點通信時使用IPv6協(xié)議棧。IETF設(shè)計雙棧技術(shù)（RFC 4213）的初衷是在同一網(wǎng)絡(luò)的大部分或全部節(jié)點和主機上同時運行IPv4和IPv6協(xié)議棧，由于需要同時支持兩種協(xié)議，整個協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)比較復雜，特別是雙棧路由器，需要同時運行IPv4和IPv6兩種路由協(xié)議，同時保存兩份IPv4和IPv6路由表，需要更高的CPU處理能力和更多的內(nèi)存資源。同時，雙棧技術(shù)不能解決IPv4地址資源不足問題，也不能解決純IPv6和純IPv4節(jié)點之間的通信問題。如果整網(wǎng)部署雙棧，網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性將會出現(xiàn)一定程度降低。因此，在向IPv6演進過程中，比較可行的方案是在某些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實行雙棧的基礎(chǔ)上，結(jié)合使用其他的IPv6過渡技術(shù)。雙棧節(jié)點一般部署在IPv4或IPv6網(wǎng)絡(luò)邊緣，作為隧道端點。

在cdma2000移動網(wǎng)內(nèi)，PDSN負責終結(jié)用戶PPP連接，HA負責將用戶流量引回歸屬地，PDSN和HA都是跟外部分組網(wǎng)相連的節(jié)點，適合采用雙棧技術(shù)。

2.2 隧道技術(shù)

典型的隧道技術(shù)有6in4隧道（需要手工配置）、6to4自動隧道、MPLS隧道等。在移動網(wǎng)中使用最多的是GRE隧道和L2TP隧道，GRE在R-P接口中得到廣泛應(yīng)用，并可在MIP（移動IP）應(yīng)用中使用，L2TP隧道則應(yīng)用在VPDN中。

（1）MIPv6

最初的MIPv6也稱為CMIPv6，是基于主機的移動性管理協(xié)議，要求終端支持MIP協(xié)議棧，這對終端的要求很高，設(shè)計復雜，成本高昂。后來IETF又定義了PMIPv6標準。PMIPv6協(xié)議是MIPv6協(xié)議的擴展，該協(xié)議為基于網(wǎng)絡(luò)的移動性管理協(xié)議，移動節(jié)點終端（MN）只需支持簡單IP，由網(wǎng)絡(luò)代替MN完成移動性注冊、跟蹤MN移動、管理MN的移動性以及建立對應(yīng)的路由狀態(tài)。

目前，CMIP和PMIP兩種技術(shù)在cdma2000商用網(wǎng)絡(luò)中都有應(yīng)用，為了減少對終端的依賴，在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)PMIP是一個很好的選擇，該技術(shù)使用戶漫游時依然可回歸屬地訪問業(yè)務(wù)，對終端沒有額外要求。

PMIP技術(shù)有PMIPv4和PMIPv6兩種協(xié)議標準，僅支持IPv4用戶接入時需選用PMIPv4技術(shù)，為支持IPv6用戶接入則需采用PMIPv6。PMIPv6可支持IPv4單棧、IPv6單棧和IPv4/IPv6雙棧接入，因此PMIPv6可以替代PMIPv4。PMIPv6的基礎(chǔ)協(xié)議是RFC 5213，3GPP2的相應(yīng)標準是X.S0061，協(xié)議棧如圖1所示。

（2）VPDN 技術(shù)

VPDN是cdma2000移動網(wǎng)中的虛擬專網(wǎng)應(yīng)用，為企業(yè)的移動數(shù)據(jù)用戶提供接入到企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，此外，還可用于實現(xiàn)企業(yè)的M2M應(yīng)用。其網(wǎng)絡(luò)組織如圖2所示，由PDSN實現(xiàn)LAC（link access control）功能，與企業(yè)端LNS（L2TP network server）建立 L2TP隧道，用戶的 PPP連接終結(jié)在LNS而不是PDSN上。

對于本單元學習評價，借助云班課、“導游天下”APP教學平臺，通過學生自評互評、行業(yè)專家以第二教師的身份在線評價、主講教師點評等方式，從教學目標、教學過程、重難點的突破等方面，對學生進行知識、技能和素養(yǎng)能力三個方面進行定性與定量評價相結(jié)合，線上與線下互補充，結(jié)果與過程相結(jié)合進行評價。多導師的有效評價機制，保證行業(yè)專家能針對不同問題，在不同時間、空間下參與線上教學，能充分地調(diào)動學生的積極性，激發(fā)學生的求知欲，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神。

當企業(yè)網(wǎng)從IPv4向IPv6演進時，需要升級LNS支持雙棧、升級企業(yè)AAA支持IPv6地址分配即可支持IPv6用戶接入。

2.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)

IPv4/IPv6協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)即完成IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)之間分組地址轉(zhuǎn)換和協(xié)議翻譯，實現(xiàn)IPv4網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)之間的互訪。例如NAT64，允許IPv6主動訪問IPv4，轉(zhuǎn)發(fā)原理類似于NAT-PT。由于屬于同一會話的請求和響應(yīng)都要通過同一轉(zhuǎn)換設(shè)備，因此對轉(zhuǎn)換設(shè)備的性能要求很高。另外，NAT64不能轉(zhuǎn)換IPv4報文頭的可選項部分，將導致有些應(yīng)用無法使用；地址在傳輸過程中發(fā)生了變化，端到端的安全性很難實現(xiàn)。

除了NAT64外，還有一些無狀態(tài)協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)，如IVI和DIVI等技術(shù)，其成熟度和適用范圍尚需驗證?？傮w來看，IPv6和IPv4協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)目前并不成熟，可擴展性不強，對端到端的業(yè)務(wù)應(yīng)用帶來很多限制，通常要結(jié)合應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)（ALG）來使用，即使這樣，也無法保證所有業(yè)務(wù)都能穿越，因此不適合大規(guī)模應(yīng)用。但是，考慮到網(wǎng)絡(luò)從IPv4向IPv6演進不可能一步到位，對于特定的場景，選擇適當?shù)霓D(zhuǎn)換技術(shù)，在過渡期還是能夠發(fā)揮一定作用的。

3 移動網(wǎng)IPv6演進策略分析

cdma2000移動網(wǎng)包括圖3所示的無線網(wǎng)、核心網(wǎng)（包括電路域和分組域）和業(yè)務(wù)網(wǎng)三大部分，這些都涉及如何向IPv6演進問題，下面分別闡述各部分向IPv6演進的策略。

3.1 無線網(wǎng)

cdma2000 1x和EV-DO無線網(wǎng)主要由BTS和BSC/PCF構(gòu)成，兩者之間采用Abis接口，主要以TDM傳輸為主。Abis接口也可以實現(xiàn)IP傳輸，只是基于傳輸層面，不影響上層業(yè)務(wù)。BSC跟MSC之間采用A1/A2接口，目前該接口的傳輸業(yè)務(wù)都是基于TDM，但長遠來看，將逐步實現(xiàn)IP化。PCF是內(nèi)嵌BSC的模塊，與PDSN的接口為R-P接口，目前基于IPv4傳輸?？梢姡瑹o線網(wǎng)內(nèi)對IP地址的需求主要是設(shè)備之間的互聯(lián)，這種互聯(lián)是點到點的，因此理論上基于IPv4傳輸和IPv6傳輸都是可行的。

由于A1/A2接口承載電路域業(yè)務(wù)，沒有傳送用戶面IP數(shù)據(jù)包的需求，因此當A接口逐漸IP化之后，也只是設(shè)備互聯(lián)的需求，沒有傳送用戶IP包的需求。R-P接口承載分組域業(yè)務(wù)，不管是1x數(shù)據(jù)用戶還是EV-DO數(shù)據(jù)用戶，在R-P接口都是基于GRE隧道技術(shù)實現(xiàn)透明傳輸?shù)?，所以，用戶流量不管是IPv4還是IPv6的數(shù)據(jù)包，都可以經(jīng)過該接口實現(xiàn)傳送，對用戶流量的處理在PDSN中進行。因此，只要PDSN支持IPv6，即可支持IPv6客戶端接入，無線網(wǎng)內(nèi)的R-P接口、A接口、Abis接口在過渡期內(nèi)仍然可以繼續(xù)使用IPv4。

當LTE無線網(wǎng)進入商用時，需要建設(shè)EPC核心網(wǎng)，如圖4所示，eNB基站之間的X2接口以及eNB與EPC核心網(wǎng)的S1接口，既可以使用IPv4傳輸，也可以使用IPv6傳輸?？紤]到在LTE商用前，承載網(wǎng)已經(jīng)部署并支持IPv6，建議積極推動LTE設(shè)備支持IPv6承載，這樣在新建LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)時可以考慮直接部署在IPv6之上，LTE客戶端就可以直接使用IPv6接入了。

3.2 核心網(wǎng)

（1）電路域

從核心網(wǎng)電路域來看，匯接層面仍然是基于TDM的TMSC匯接網(wǎng)，設(shè)備的老化使得維護成本增高，IP化的需求比較迫切。由于固網(wǎng)已經(jīng)有IP化的DC1平面，TMSC匯接網(wǎng)將逐步退網(wǎng)，因此DC1將同時承載移動網(wǎng)和固定網(wǎng)的省際信令轉(zhuǎn)接。在端局層面，大部分傳統(tǒng)MSC已演變?yōu)镸SCe和MGW分離的移動軟交換架構(gòu)，而MGW與(G)MGW之間的用戶面已實現(xiàn)IP化，通過內(nèi)部IP承載網(wǎng) （CN2）互聯(lián)，而MSCe之間的互聯(lián)消息，目前不同廠商之間采用的還是基于TDM的ISUP消息，后續(xù)將逐漸被基于IP的SIP-I替代。

由此可見，核心網(wǎng)電路域IP化的需求主要是實現(xiàn)網(wǎng)元之間的互聯(lián)，在移動網(wǎng)內(nèi)電路域并不用為用戶分配IP地址。單從技術(shù)上看，電路域既可以在IPv4上承載，也可以在IPv6上承載，只是網(wǎng)元設(shè)備之間的互聯(lián)需求，屬于封閉網(wǎng)絡(luò)，不需要跟Internet互聯(lián)，從安全性角度考慮，基于內(nèi)部IPv4網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)更好，在CN2支持雙棧的情況下可以繼續(xù)使用IPv4來承載。

（2）分組域

現(xiàn)有的cdma2000分組域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示，不管用戶是通過cdma2000 1x還是cdma2000 EV-DO接入移動網(wǎng)分組域，從核心網(wǎng)角度來看可將用戶分為以下三大類。

·CTNET賬號用戶：給用戶分配公有IPv4地址，通過163網(wǎng)絡(luò)訪問公眾互聯(lián)網(wǎng)。

·CTWAP賬號用戶：給用戶分配私有IPv4地址，通過CN2網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)星空 （電信自營業(yè)務(wù)網(wǎng)，包括WAP、BREW、LBS、VT、QChat等業(yè)務(wù)平臺都是基于私有IPv4地址部署，屬于電信自營的業(yè)務(wù)網(wǎng)）。

·VPDN賬號用戶：用戶終端屬于VPDN企業(yè)用戶，使用企業(yè)自有賬號+企業(yè)VPDN域名登錄，只能訪問企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，一般使用企業(yè)的私有IP地址。

由于VPDN賬號用戶一般使用企業(yè)內(nèi)部地址，因此這里重點討論前兩類用戶。對于CTNET賬號用戶，目前采用的是簡單IP路由方式；對于CTWAP賬號用戶，目前采用的是移動IP路由方式。隨著業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，將來的趨勢是實現(xiàn)統(tǒng)一賬號，并支持更靈活的路由策略，例如可結(jié)合NAI和IMSI來實施路由策略，因此核心網(wǎng)在向IPv6演進時可以采用以下策略。

·分組域設(shè)備在用戶面具備支持IPv6/IPv4雙棧能力，這樣既支持新型IPv6終端接入，又可以兼容原有IPv4用戶接入。

·分組域設(shè)備支持雙棧在信令面涉及SIPv4、SIPv6、MIPv4和MIPv6共4種技術(shù)。對于SIPv4和SIPv6，網(wǎng)絡(luò)肯定要同時支持；對于MIPv4和MIPv6，本質(zhì)上是隧道技術(shù)，主要目的是要實現(xiàn)用戶流量回歸屬地，MIPv4支持給用戶分配IPv4地址的標準尚不明確，而MIPv6現(xiàn)有的標準已可支持IPv4單棧、IPv6單棧和IPv4/IPv6雙棧用戶接入，因此PMIPv6是在移動IP方式下支持IPv6用戶接入的最優(yōu)選擇。

·對于終端而言，與核心網(wǎng)需要建立PPP連接才能上網(wǎng)，當網(wǎng)絡(luò)支持雙棧時，技術(shù)上可以在一個PPP連接上同時分配一個IPv6地址和一個IPv4地址，如果IPv4地址資源充足，可以采取雙?？蛻舳瞬呗?，這樣高層應(yīng)用程序非常靈活，可以根據(jù)需要來選擇IP協(xié)議棧，并且可以并發(fā)使用。如果IPv4地址受限，建議給用戶分配一個IPv6地址，而這時移動網(wǎng)若未實現(xiàn)端到端支持IPv6，則在網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備。

3.3 業(yè)務(wù)網(wǎng)

業(yè)務(wù)網(wǎng)的構(gòu)成比較復雜，需要從業(yè)務(wù)控制層、自有業(yè)務(wù)平臺以及第三方業(yè)務(wù)平臺3個維度進行總體分析。

IMS Core就屬于典型業(yè)務(wù)控制層，是業(yè)務(wù)平臺和核心網(wǎng)之間的中間層，類似于軟件開發(fā)體系的中間件。從技術(shù)上來看，IMS使用SIP作為會話建立信令，使用SDP進行能力協(xié)商，而且是在兩個SIP終端之間直接進行端到端協(xié)商，包括雙方所使用的動態(tài)端口，這樣如果在中間路徑上存在NAT/PAT轉(zhuǎn)換、防火墻或者IPv4/IPv6轉(zhuǎn)換設(shè)備，將會帶來很多問題，一方面限制了SIP業(yè)務(wù)靈活性，另一方面會導致地址空間沖突，影響跨運營商或者跨網(wǎng)之間的互通，不必要的轉(zhuǎn)換技術(shù)還有可能造成性能瓶頸，影響用戶體驗，因此IMS Core從技術(shù)上看在IPv6承載網(wǎng)上部署更加適合。

自有業(yè)務(wù)平臺指的是運營商自建或者能夠控制的業(yè)務(wù)平臺，這些業(yè)務(wù)平臺包括集團業(yè)務(wù)平臺和各省業(yè)務(wù)平臺，數(shù)量非常多，因此遷移策略需要仔細考慮，對于復雜的業(yè)務(wù)平臺要進行個案分析?？傮w來看，自有業(yè)務(wù)平臺在過渡期內(nèi)應(yīng)該支持雙棧，這樣不管是IPv4用戶還是IPv6用戶，都可以接入業(yè)務(wù)平臺，另外，各業(yè)務(wù)平臺自身的業(yè)務(wù)邏輯模塊最好跟通信協(xié)議模塊相對獨立，便于實現(xiàn)IPv4和IPv6用戶在業(yè)務(wù)上的互通。

第三方業(yè)務(wù)平臺是運營商難以控制的平臺，包括互聯(lián)網(wǎng)上的大量站點資源，是互聯(lián)網(wǎng)的主體。對于資源類應(yīng)用，運營商首先應(yīng)該同時提供IPv4和IPv6管道接入，一方面積極鼓勵第三方IPv6業(yè)務(wù)的發(fā)展，另一方面可通過資費優(yōu)惠，鼓勵用戶多使用IPv6管道而不是IPv4管道。

總而言之，業(yè)務(wù)網(wǎng)建議采用以下策略。

·對于IMS Core，建議首先基于純IPv6部署，IMS業(yè)務(wù)平臺如果要接入IPv4用戶，則需要支持雙棧。如果IMS Core已經(jīng)基于IPv4部署，則其邊緣設(shè)備（包括BAC、MGCF/MGW）需要演進支持雙棧。對于IMS客戶端，建議優(yōu)先發(fā)展純IPv6客戶端，這樣有利于業(yè)務(wù)創(chuàng)新發(fā)展，特別是視頻類業(yè)務(wù)。

·對自營業(yè)務(wù)平臺，推行雙棧平臺策略，使得純IPv6客戶端可以訪問大部分自營業(yè)務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)中采用適當?shù)倪^渡技術(shù)，同時支持IPv6和IPv4客戶對平臺資源的訪問。

·對于第三方業(yè)務(wù)平臺，鼓勵支持雙棧，并通過6to4路由器與IPv4互聯(lián)網(wǎng)連接，IPv6用戶則可以使用6to4地址訪問這些孤島式的IPv6業(yè)務(wù)平臺。同時歡迎第三方開發(fā)僅面向IPv6用戶的特色業(yè)務(wù)或只對IPv6用戶開放的特色資源，引導和吸引用戶使用IPv6。

4 結(jié)束語

移動互聯(lián)網(wǎng)和固定寬帶接入一樣，向IPv6演進已是大勢所趨，在實施部署中一定要注意平穩(wěn)過渡，綜合應(yīng)用各種演進過渡技術(shù)，從系統(tǒng)工程的角度來推進，包括網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)平臺和客戶端，三者配合才能完整地為用戶提供IPv6業(yè)務(wù)體驗。

筆者認為，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)上存在的大量IPv4私有地址，形成了在互聯(lián)網(wǎng)上 “有圍墻的花園”，而基于IPv6的下一代互聯(lián)網(wǎng)全部都是公有地址，體現(xiàn)的是一種“更加開放、更加對等、更加可信”的精神，運營商需要積極去面對這種轉(zhuǎn)變，IPv6不僅解決了地址匱乏問題，還對新業(yè)務(wù)的開發(fā)具有促進作用，對運營管理和商務(wù)模式都將帶來影響。另外，IPv6的發(fā)展并不一定會導致IPv4消失，如何在發(fā)展IPv6網(wǎng)絡(luò)的同時充分經(jīng)營好現(xiàn)有的IPv4網(wǎng)絡(luò)，是值得運營商深入思考的問題。