cdma2000移動網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發展概述

IPv6是IETF早在1992年制定的下一代網絡互聯協議，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點。隨著Internet規模的發展，一方面IPv4地址資源的耗盡日益迫近，另一方面移動互聯網和寬帶接入用戶數持續增長，還有三網融合的發展以及物聯網、智能電網、云計算等新技術應用的出現，對地址的需求量顯著增加，兩者形成較大的反差，為IPv6的發展迎來了契機。

據CNNIC統計，中國的互聯網用戶是3.4億，規模已經排在全球前列了，但是，中國的互聯網普及率只有25.5%，增長空間還很大，所以中國的信息化發展光依賴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，地區代理存量于2012年耗盡。作為發展中國家，我國面臨的地址短缺形勢尤為突出，中國政府已經把下一代互聯網納入了國家電子信息產業振興規劃，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演進關鍵技術

IPv6和IPv4的報文格式不兼容，如何實現IPv4和IPv6的無縫結合以及無損害地平滑過渡已經成為IPv6大規模部署的難題。IPv4向IPv6過渡階段所采用的技術主要有IPv4/IPv6雙棧技術、隧道技術以及協議轉換技術。

2.1 IPv4/IPv6雙棧技術

雙協議棧機制是在鏈路層之上引入了兩個網絡層，雙棧節點與IPv4節點通信時使用IPv4協議棧，與IPv6節點通信時使用IPv6協議棧。IETF設計雙棧技術（RFC 4213）的初衷是在同一網絡的大部分或全部節點和主機上同時運行IPv4和IPv6協議棧，由于需要同時支持兩種協議，整個協議棧的結構比較復雜，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存資源。同時，雙棧技術不能解決IPv4地址資源不足問題，也不能解決純IPv6和純IPv4節點之間的通信問題。如果整網部署雙棧，網絡的性能和可靠性將會出現一定程度降低。因此，在向IPv6演進過程中，比較可行的方案是在某些網絡節點實行雙棧的基礎上，結合使用其他的IPv6過渡技術。雙棧節點一般部署在IPv4或IPv6網絡邊緣，作為隧道端點。

在cdma2000移動網內，PDSN負責終結用戶PPP連接，HA負責將用戶流量引回歸屬地，PDSN和HA都是跟外部分組網相連的節點，適合采用雙棧技術。

2.2 隧道技術

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

（1）MIPv6

最初的MIPv6也稱為CMIPv6，是基于主機的移動性管理協議，要求終端支持MIP協議棧，這對終端的要求很高，設計復雜，成本高昂。后來IETF又定義了PMIPv6標準。PMIPv6協議是MIPv6協議的擴展，該協議為基于網絡的移動性管理協議，移動節點終端（MN）只需支持簡單IP，由網絡代替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的路由狀態。

目前，CMIP和PMIP兩種技術在cdma2000商用網絡中都有應用，為了減少對終端的依賴，在網絡中實現PMIP是一個很好的選擇，該技術使用戶漫游時依然可回歸屬地訪問業務，對終端沒有額外要求。

PMIP技術有PMIPv4和PMIPv6兩種協議標準，僅支持IPv4用戶接入時需選用PMIPv4技術，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的基礎協議是RFC 5213，3GPP2的相應標準是X.S0061，協議棧如圖1所示。

（2）VPDN 技術

VPDN是cdma2000移動網中的虛擬專網應用，為企業的移動數據用戶提供接入到企業內部網絡的服務，此外，還可用于實現企業的M2M應用。其網絡組織如圖2所示，由PDSN實現LAC（link access control）功能，與企業端LNS（L2TP network server）建立 L2TP隧道，用戶的 PPP連接終結在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、技能和素養能力三個方面進行定性與定量評價相結合，線上與線下互補充，結果與過程相結合進行評價。多導師的有效評價機制，保證行業專家能針對不同問題，在不同時間、空間下參與線上教學，能充分地調動學生的積極性，激發學生的求知欲，培養其創新精神。

當企業網從IPv4向IPv6演進時，需要升級LNS支持雙棧、升級企業AAA支持IPv6地址分配即可支持IPv6用戶接入。

2.3 協議轉換技術

IPv4/IPv6協議轉換技術即完成IPv4和IPv6網絡之間分組地址轉換和協議翻譯，實現IPv4網絡與IPv6網絡之間的互訪。例如NAT64，允許IPv6主動訪問IPv4，轉發原理類似于NAT-PT。由于屬于同一會話的請求和響應都要通過同一轉換設備，因此對轉換設備的性能要求很高。另外，NAT64不能轉換IPv4報文頭的可選項部分，將導致有些應用無法使用；地址在傳輸過程中發生了變化，端到端的安全性很難實現。

除了NAT64外，還有一些無狀態協議轉換技術，如IVI和DIVI等技術，其成熟度和適用范圍尚需驗證。總體來看，IPv6和IPv4協議轉換技術目前并不成熟，可擴展性不強，對端到端的業務應用帶來很多限制，通常要結合應用層網關（ALG）來使用，即使這樣，也無法保證所有業務都能穿越，因此不適合大規模應用。但是，考慮到網絡從IPv4向IPv6演進不可能一步到位，對于特定的場景，選擇適當的轉換技術，在過渡期還是能夠發揮一定作用的。

3 移動網IPv6演進策略分析

cdma2000移動網包括圖3所示的無線網、核心網（包括電路域和分組域）和業務網三大部分，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

cdma2000 1x和EV-DO無線網主要由BTS和BSC/PCF構成，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IP傳輸，只是基于傳輸層面，不影響上層業務。BSC跟MSC之間采用A1/A2接口，目前該接口的傳輸業務都是基于TDM，但長遠來看，將逐步實現IP化。PCF是內嵌BSC的模塊，與PDSN的接口為R-P接口，目前基于IPv4傳輸。可見，無線網內對IP地址的需求主要是設備之間的互聯，這種互聯是點到點的，因此理論上基于IPv4傳輸和IPv6傳輸都是可行的。

由于A1/A2接口承載電路域業務，沒有傳送用戶面IP數據包的需求，因此當A接口逐漸IP化之后，也只是設備互聯的需求，沒有傳送用戶IP包的需求。R-P接口承載分組域業務，不管是1x數據用戶還是EV-DO數據用戶，在R-P接口都是基于GRE隧道技術實現透明傳輸的，所以，用戶流量不管是IPv4還是IPv6的數據包，都可以經過該接口實現傳送，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，無線網內的R-P接口、A接口、Abis接口在過渡期內仍然可以繼續使用IPv4。

當LTE無線網進入商用時，需要建設EPC核心網，如圖4所示，eNB基站之間的X2接口以及eNB與EPC核心網的S1接口，既可以使用IPv4傳輸，也可以使用IPv6傳輸。考慮到在LTE商用前，承載網已經部署并支持IPv6，建議積極推動LTE設備支持IPv6承載，這樣在新建LTE/EPC網絡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

（1）電路域

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

由此可見，核心網電路域IP化的需求主要是實現網元之間的互聯，在移動網內電路域并不用為用戶分配IP地址。單從技術上看，電路域既可以在IPv4上承載，也可以在IPv6上承載，只是網元設備之間的互聯需求，屬于封閉網絡，不需要跟Internet互聯，從安全性角度考慮，基于內部IPv4網絡互聯更好，在CN2支持雙棧的情況下可以繼續使用IPv4來承載。

（2）分組域

現有的cdma2000分組域網絡架構如圖5所示，不管用戶是通過cdma2000 1x還是cdma2000 EV-DO接入移動網分組域，從核心網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網絡訪問公眾互聯網。

·CTWAP賬號用戶：給用戶分配私有IPv4地址，通過CN2網絡訪問互聯星空 （電信自營業務網，包括WAP、BREW、LBS、VT、QChat等業務平臺都是基于私有IPv4地址部署，屬于電信自營的業務網）。

·VPDN賬號用戶：用戶終端屬于VPDN企業用戶，使用企業自有賬號+企業VPDN域名登錄，只能訪問企業內部網，一般使用企業的私有IP地址。

由于VPDN賬號用戶一般使用企業內部地址，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。隨著業務需求的發展，將來的趨勢是實現統一賬號，并支持更靈活的路由策略，例如可結合NAI和IMSI來實施路由策略，因此核心網在向IPv6演進時可以采用以下策略。

·分組域設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。

·分組域設備支持雙棧在信令面涉及SIPv4、SIPv6、MIPv4和MIPv6共4種技術。對于SIPv4和SIPv6，網絡肯定要同時支持；對于MIPv4和MIPv6，本質上是隧道技術，主要目的是要實現用戶流量回歸屬地，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用戶接入的最優選擇。

·對于終端而言，與核心網需要建立PPP連接才能上網，當網絡支持雙棧時，技術上可以在一個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，可以采取雙棧客戶端策略，這樣高層應用程序非常靈活，可以根據需要來選擇IP協議棧，并且可以并發使用。如果IPv4地址受限，建議給用戶分配一個IPv6地址，而這時移動網若未實現端到端支持IPv6，則在網絡側增加協議轉換設備。

3.3 業務網

業務網的構成比較復雜，需要從業務控制層、自有業務平臺以及第三方業務平臺3個維度進行總體分析。

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

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

第三方業務平臺是運營商難以控制的平臺，包括互聯網上的大量站點資源，是互聯網的主體。對于資源類應用，運營商首先應該同時提供IPv4和IPv6管道接入，一方面積極鼓勵第三方IPv6業務的發展，另一方面可通過資費優惠，鼓勵用戶多使用IPv6管道而不是IPv4管道。

總而言之，業務網建議采用以下策略。

·對于IMS Core，建議首先基于純IPv6部署，IMS業務平臺如果要接入IPv4用戶，則需要支持雙棧。如果IMS Core已經基于IPv4部署，則其邊緣設備（包括BAC、MGCF/MGW）需要演進支持雙棧。對于IMS客戶端，建議優先發展純IPv6客戶端，這樣有利于業務創新發展，特別是視頻類業務。

·對自營業務平臺，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務。在網絡中采用適當的過渡技術，同時支持IPv6和IPv4客戶對平臺資源的訪問。

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

4 結束語

移動互聯網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過渡，綜合應用各種演進過渡技術，從系統工程的角度來推進，包括網絡、業務平臺和客戶端，三者配合才能完整地為用戶提供IPv6業務體驗。

筆者認為，現有互聯網上存在的大量IPv4私有地址，形成了在互聯網上 “有圍墻的花園”，而基于IPv6的下一代互聯網全部都是公有地址，體現的是一種“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變，IPv6不僅解決了地址匱乏問題，還對新業務的開發具有促進作用，對運營管理和商務模式都將帶來影響。另外，IPv6的發展并不一定會導致IPv4消失，如何在發展IPv6網絡的同時充分經營好現有的IPv4網絡，是值得運營商深入思考的問題。