淺析IPv4向IPv6過渡技術

田甜　徐冉

摘 要:隨著互聯網和物聯網的迅猛發展,IP地址的需求量不斷增加,IPv4地址資源明顯不足。因此,IPv6成為了新一代網絡協議,它的可用地址至少相當于全球IPv4地址空間的42.9億倍。本文主要介紹了IPv4向IPv6過渡的技術以及LTE網絡引入IPv6的過渡方案。

關鍵詞:IPv6過渡技術網絡升級

中圖分類號:T9393.04 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0062-02

在移動互聯時代下,智能化電表、智能化家電、汽車、電腦、智能移動設備以及移動醫療設備都將擁有自己的IP地址。原有的IPv4已經不能滿足這種需求,因此IPv6作為新一代的網絡協議出現在人們的視野。IPv6采用了128位地址格式,可以支持的網絡節點數遠大于IPv4。在解決IPv4向IPv6過渡的問題上,需要考慮以下兩種情況:(1)IPv4海洋中IPv6孤島間的通信問題,既現有的IPv4路由體系相隔的局部IPv6網絡之間如何通信的問題;(2)如何使新配置的局部IPv6網絡和現有的IPv4資源之間完成相互地無縫訪問[1]。我們可以利用隧道技術和雙棧技術以及地址頭翻譯來解決這些問題。

IPv6地址格式的巨大優勢不僅體現在地址空間的巨大上,而且基于IPv6報頭中新增的字段“業務級別”和“流標記”的基礎上,服務質量也得到了明顯的提高。同時,IPv6還支持“時時在線”連接,從而防止服務中斷并且提供了更高的網絡性能。[2]

1 過渡技術

上文提到IPv4向IPv6過渡技術有三種:(1)雙棧;(2)翻譯;(3)隧道三種。下面就對這三種技術進行介紹。

雙棧技術使得路由器和交換機內部同時存在IPv4和IPv6協議。這種技術的本質就是讓兩種地址在機器內部實現轉化,只要設備具有雙棧性能就可以和僅僅具有單一IP協議的設備完成通信。其工作方式是建立在應用程序使用的目的地址基礎上的,具體工作方式如表1。

地址翻譯顧名思義就是解決單一運行IPv6協議的網絡與單一運行IPv4協議的網絡之間互相通信的技術。地址轉換技術NAT就是將IPv4地址或是IPv6地址做為NAT技術中的內部地址和全局地址,然后在網關進行協議轉換。NAT/PT技術的原理如圖1所示。在IPv6子網中有IPv6分組發給網關的情況下,網關將自動轉化成IPv4分組發向IPv4子網,反之亦然[3]。

隧道技術是在IPv4網絡中連接孤立的IPv6節點時,應用的基本通信方式。其原理就是將IPv6分組封裝到IPv4分組中,封裝后的IPv4分組將通過IPv4的路由體系傳輸,分組報頭的“協議域”設置為41,表示這個分組的負載是一個IPv6的分組,以便在適當的地方恢復出被封裝的IPv6分組并傳送給目的站點。[4]

2新興技術PNAT

不久的將來通信網絡與計算機網絡將進行融合,核心網絡將是全IP的網絡。這就要求大量的移動設備支持IPv6數據包透傳、IPv6 PDCP頭壓縮等功能。

從移動網絡的角度來講,終端和網絡使用統一的IPv6協議,這樣易于實現網絡的無縫連接和互操作性,僅使用IPv6作為傳輸層協議使網絡更易于管理,并提供端到端的服務質量其巨大的地址空間打破了NAT的局限性并提高網絡性能。

在IPv6引入移動網絡的同時,一些新的技術也相應的提出,以適應這種改變。PNAT(Prefix based NAT)是中國移動提出的基于主機的IPv6過渡技術,它的提出可以滿足用戶對全面互聯網業務支持的要求。PNAT采用了Bump in Host(BIH)的實現方式,并保持和NAT64的兼容,這種BIH結合NAT64的實現方式在保證IPv4應用程序正常通信,進一步促進IPv6網絡部署,也就是IPv4后向兼容的IPv6過渡技術方案,達到部署IPv6的同時,保證傳統IPv4應用程序在IPv4和IPv6網絡能夠正常通信,做到對應用程序透明無感知[5]。在PNAT方案中是以引入BIH模塊實現的,這樣的方式使位于雙棧主機上的IPv4程序能夠通過IPv6和IPv4網絡之間完成相互通信。BIH模塊的安裝可以采用軟件升級的方式。

Socket API翻譯和包頭翻譯分別是BIH主機翻譯模塊的兩種模式。對于Socket翻譯主要是在Socket API層面對IPv4和IPv6的Socket進行翻譯。而包頭翻譯是在IPv4 TCP/IP協議棧生成IPv4報文后進行的。這兩種工作模式的不同在于進行主機翻譯的位置不同。前者是在協議棧和應用程序接口層面進行翻譯;后者是在協議棧和網卡驅動之間進行翻譯。選擇使用何種翻譯方式是由在特定主機操作系統上的實現難易程度以及性能要求等因素來決定的。通過主機翻譯模塊的處理,將實現主機IPv4應用發出的業務數據向IPv6數據包轉換。其功能模塊如圖2所示。

PANT技術加速了IPv4網絡向IPv6網絡過渡的進程,其對原有IPv4應用的支持使得很多應用在經濟和時間上得到了更好的更新條件,并且它兼容NAT64設備的功能。它不僅可以支持純IPv6網絡環境,也能夠使IPv4應用程序在IPv6網絡內訪問IPv6業務。

3引入IPv6的LTE

IPv6的引入涉及到終端、網絡、業務和應用各個環節,這樣在對原有網絡的升級時會面臨很多問題。但是在新興網絡LTE中,若在早期就部署具備IPv6能力的終端以及設備等,就能避免IPv4對業務帶來的不利因素,并且在以后的網絡升級中也更加便捷。進一步來講,由于LTE終端具有長連接的特性,用戶只要是在開機的狀態下就需要分配一個IP地址,該IP地址的釋放條件是用戶關機,可見LTE網絡用戶同時在線數量很大,對IP地址的需求量也相當巨大。

在LTE網絡的建設中,針對IPv6過渡提出了以下方案:Gn/Gp SGSN采用GTPv1版本與SAE核心網互聯,SAE核心網向下兼容;S4-SGSN采用GTPv2版本與SAE核心網互聯,SAE核心網僅需要支持GTPv2。在第一種過渡方式中,為了提高引入IPv6后的承載效率,在LTE中引入了IPv6v4 PDN type,也就是在一個EPS承載中同時承載IPv6以及IPv4連接。

在當前的無線網絡引入IPv6對數據處理能力以及傳輸功能的影響不容小視。在無線網絡協議只支持IPv4協議棧的情況下,無線接入網起到的是接入承載作用,用戶終端的IP包(IPv4或IPv6數據包)均作為凈荷傳輸。而IP包中包含了很多固定不變的或者是變化緩慢的信息單元,因此要對空中接口傳輸這些信息之前進行IP包頭壓縮,這樣就能節省IP包占用的空中接口資源,從而提高空中接口資源的利用率。綜上所述,IPv6的引入必定會對IP包頭的處理產生影響。對語音業務而言,每個IP包承載的語音包長為32字節,采用頭壓縮技術可以將其壓縮到4至6字節左右,相對于IPv6包頭的40字節來說,這種頭壓縮技術增益非常高,因此對語音數據包的壓縮可以通過無線設備支持IPv6的頭壓縮實現。雖然語音業務中頭壓縮的增益很高,但是對一些較長的IP包(如上網、下載業務)頭壓縮節省的字節有限,數據壓縮效率不高,所以在這些業務數據包不進行頭壓縮。

4 總結

IPv6的引入目前還面臨著網絡改造量大、用戶終端需要進行更新以及需要技術創新等一系列的問題。IPv6技術的發展和成熟還需要大量的實踐工作。在推動產業對IPv6的支持的同時,進行IPv6的實驗的過程中還會出現新的問題,因此對過渡方案和新的技術手段是保證網絡順利過渡的前提。對IPv4向IPv6的過渡技術上仍需要更加深入地研究。

參考文獻

[1] 韓平維.告別IPV4迎接IPV6的到來[J].科技信息,2009(25):77.

[2] 王曉娟，等.IPv4向IPv6過渡方法的研究[J].青島遠洋船員學院學報.2006(2):64.

[3] 張惠卿,等.下一代IP網絡技術——IPv6的研究及其演進方案[J].中國數據通信,2002(11):67.

[4] 張召賢.Mobile IPv6與NAT-PT結合技術的研究與實現[D].北京郵電大學,2004.

[5] 陳勇.IPv6演進技術熱點分析[J].電腦知識與技術:學術交流,2010,6(16) :4388.

[6] 何泳.IPv4向IPv6演進的方式[J].電信技術,2006(12):69.