IPv6通信能力指標化分析方法及在端到端運營級網絡的應用

李陽春，馮薇薇

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

IPv6通信能力指標化分析方法及在端到端運營級網絡的應用

李陽春，馮薇薇

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

針對新、老舊設備混合組建的端到端運營級網絡，產業界通常采用傳統的定性方法描述其IPv6通信能力。通過定義IPv6通信事件、IPv6通信能力指標，提出了單節點、節點集、單路徑、多路徑以及端到端運營級網絡的IPv6通信能力指標及其計算方法，從而實現IPv6通信能力的指標化分析，并評估了端到端運營級網絡的IPv6通信能力。

IPv6；IPv6通信事件；IPv6通信能力指標；量化分析方法

1 引言

國際地址分配機構的IPv4地址資源［1］已經分配完。從2012年起，國內運營商、網絡內容服務商（internet content provider，ICP）開始大規模部署私網雙棧 NAT44［2-4］、輕型雙棧 DS-Lite［5，6］等 IPv6［7］過渡技術 。同時，現有網絡部署了大量不支持IPv6的老舊 BRAS（broadband remote access server）、路由型 CPE （custom premise equipment） 和 ICP（internet content provider）應用服務器等節點設備。一些主機、服務器也運行了不支持IPv6的應用軟件和操作系統，將在較長時間內存在并阻礙IPv6技術的大規模應用。

在推廣IPv6應用的過程中，ISP （internet service provider）和ICP通常根據定性描述來評估網絡設備／系統的IPv6支持能力，并升級或替換現網設備／系統。這種方法只能反映設備能力，無法準確反映端到端運營級網絡的通信能力。同時，IPv6報文從終端到服務器端，是一個不斷選擇下一跳的過程。本文把每次選擇當作獨立事件，選中支持IPv6的下一跳的概率與終端集、網絡節點集或服務器集在現網中的IPv6占比一致，客觀上為量化分析IPv6通信能力提供了數據基礎。此外，國內外現有研究通常聚焦在IPv6及其過渡技術本身，但缺少針對運營商網絡環境中的IPv6通信能力指標及量化分析方法。

類似于 ITU-T 標準 Y.1541［8］，時延、分組丟失、抖動等指標被用于描述網絡質量等，本文定義了IPv6通信能力指標，并用于描述節點和網絡的IPv6通信能力。

2 節點的IPv6通信能力量化分析方法

在本文中，支持IPv6指設備可以開啟IPv6協議，運行IPv6功能。本文關注設備支持IPv6的能力，不關心是否已運行IPv6功能，也不考慮設備的故障對IPv6通信的影響。

2.1 概述

現網部署的大量設備，可以劃分成終端集、網絡設備集和服務器集，如圖1所示。

圖1中各設備集包括支持IPv6和不支持IPv6的設備。不支持IPv6的設備通常指現網運行的老舊設備，既不能運行IPv6功能，也無法轉發IPv6報文。新上線的設備通常被認為支持IPv6。

為便于分析，本節首先定義IPv6通信事件和IPv6通信能力指標等概念。

IPv6通信事件指支持IPv6的終端發起IPv6通信，由支持IPv6的網絡節點承載，與支持IPv6的服務器完成通信的過程。1個IPv6通信事件代表終端與服務器之間完成了1次IPv6通信過程。在IPv6通信事件中，終端、網絡節點、服務器必須同時支持IPv6。

IPv6通信能力指標指由終端、網絡節點和服務器共同完成 IPv6 通信的成功概率 P，分別用 Pterm、Pnode、Pserv、Pnet表示終端、網絡節點、服務器和網絡的IPv6通信能力指標，取值范圍均為［0，1］。IPv6通信能力指標取值越大，IPv6通信能力越強。

對于單節點、節點集和網絡，IPv6通信能力指標的意義并不一致。對于單節點，IPv6通信能力指標指該設備是否支持IPv6；對于節點集，IPv6通信能力指標指支持IPv6的設備占比；對于承載網絡或端到端通信，IPv6通信能力指標則描述了IPv6通信事件發生的概率。

2.2 節點的IPv6通信能力分析方法

這里的節點指終端、網絡設備和服務器，節點集指如圖1所示的終端集、網絡設備集和服務器集。

（1）單節點的IPv6通信能力

單節點指單臺終端、網絡節點、服務器等設備，其IPv6通信能力是獨立事件。終端的IPv6通信能力指終端支持IPv6、發起IPv6訪問并完成通信的能力，服務器的IPv6通信能力指服務器支持IPv6、接收IPv6訪問請求并提供IPv6服務的能力；網絡節點的IPv6通信能力指網絡節點接收、存儲和轉發IPv6報文的能力。單節點的終端、網絡節點和服務器的IPv6通信能力指標可按照式（1）計算：

當終端、網絡節點或服務器支持IPv6時，p=1；否則，p=0。p分別表示終端的IPv6通信能力指標Pter、網絡節點的IPv6通信能力指標Pnode或服務器的IPv6通信能力指標Pserv。

（2）節點集的IPv6通信能力

節點集，或稱節點集合，指圖1的終端集、網絡節點集和服務器集。現網中的各節點集包含支持IPv6的節點子集和不支持IPv6的節點子集。終端集、網絡節點集和服務器集的IPv6通信能力指標定義如下：

圖1 終端、網絡節點和服務器的節點集合

式（2）表示，從設備集任意選擇一個元素，屬于支持IPv6子集的概率是Pratio，屬于不支持IPv6子集的概率是1-Pratio。式（2）用于描述終端集、網絡節點集和服務器集的IPv6通信能力，適用于單跳節點組成的網絡節點集，但不適用于經過多跳節點組成的網絡節點集。

3 網絡的IPv6通信能力分析方法

基于圖1和式（2），本節探討多個節點組成的單路徑網絡和多路徑網絡的IPv6通信能力指標。

3.1 單路徑IPv6通信能力

單路徑指在節點之間的IPv6報文只有1條可供選擇的轉發路徑，如圖2所示。圖2的節點N1、N2、N3可以是終端集、服務器集或者網絡節點集中的節點，并可以用于端到端通信模型。現網大量寬帶用戶終端采用單路徑方式接入互聯網。

圖2 單路徑網絡

圖 2中的節點 N1、N2、N3形成 1條 IPv6通信的單路徑，分別用PN1、PN2、PN3表示這些節點的IPv6通信能力指標。當節點N1、N2、N3同時支持IPv6時，IPv6報文可以由圖2的單路徑承載，IPv6通信能力指標按式（3）計算：

結合式（1）、式（2），當節點 N1、N2、N3 之一不 支持IPv6或者節點N1、N2、N3之一所屬集合中沒有支持IPv6的節點，則 PN1、PN2或 PN3之一取值為 0，則由式（3）計算的節點N1到N2的單路徑的IPv6通信能力指標為0，即節點N1到N2的單路徑不能承載IPv6報文。

3.2 多路徑IPv6通信能力

多路徑指節點之間可以通過多條路徑傳送IPv6報文。圖3描述了一種典型的多個節點組成的通信網絡。

圖3 多路徑網絡

如圖3所示的多路徑網絡，節點N1、N2、N3、N4支持IPv6，組成IPv6邏輯網絡；節點N5不支持IPv6。節點N3、N4、N5并聯，是N1到N2的等價路徑。節點N1或N2選

即節點 N1到 N2的 IPv6通信成功率為 2／3。其中，PN3N4N5表示支持IPv6的節點在該節點集中的占比。

城域網、IDC、骨干網等實際網絡通常運行了路由協議，如OSPFv3、ISISv6等。以圖3為例，節點N1、N2在選路時會避開不支持IPv6的節點N5，只從N3、N4中選擇支持IPv6的下一跳，各自被選中的概率是 1／2，但中間節點集｛N3，N4｝支持IPv6的設備占比是100%，不會出現選中不支持IPv6的節點。因此，從N1到N2的IPv6通信能力指標為：

即從節點N1到N2的IPv6通信成功率為100%。其中，PN3N4表示支持IPv6的節點在該節點集中的占比。

根據現網部署特點，城域網、IDC、骨干網等實際網絡都運行了IPv6路由協議，由IPv6路由協議保證節點間的IPv6連通性，并考慮了路徑冗余的需求。同時，邊緣節點通常都支持IPv6。因此，可以總結如下結論。

結論1 對于運行路由協議的多路徑網絡環境，IPv6通信報文由支持IPv6的節點承載，不會選中不支持IPv6的節點。當該類網絡的邊緣設備（如城域網BRAS／MSE、CR等）都支持IPv6，則該類型IPv6邏輯網絡的IPv6承載成功率為100%；當該類網絡的邊緣設備只有部分支持IPv6，則等于邊緣設備集的IPv6通信能力指標。

根據結論1，現網的城域網、骨干網、IDC等承載網絡的邊緣設備通常都支持IPv6，其IPv6通信能力指標為100%。后續討論可以把該類網絡抽象為支持IPv6的節點，并且其IPv6通信能力指標為100%。中N3、N4或N5是獨立事件，各自被選中的概率是1／3，因此，從N1到N2的網絡的IPv6通信能力指標為：

4 端到端運營級網絡的IPv6通信能力量化分析

4.1 端到端運營級網絡模型

實際部署的端到端運營級網絡模型通常由主機、家庭網關、BRAS／MSE、承載網絡和ICP應用服務器等設備共同組成，相關設備分成主機集、家庭網關集、BRAS／MSE集、ISP網絡、ICP應用服務器集，如圖4所示。

在圖4中，主機負責發起IPv6通信。根據是否運行3層功能，家庭網關被分成路由型CPE和橋接型CPE。其中，橋接型CPE透傳IPv6報文，由主機發起PPPoE／IPoE接入；路由型CPE發起PPPoE／IPoE接入，運行 IPv6報文轉發等功能。寬帶接入服務器（BRAS／MSE）終結PPP連接，提供認證、地址分配和用戶管理、報文承載等服務。ISP網絡承載業務流量，包括城域網、骨干網 （如ChinaNet、China169、CN2等）。應用服務器應答用戶主機的應用訪問請求，提供應用服務。

圖4 端到端運營級網絡模型

主機、CPE、BRAS／MSE、ICP 應用服務器等設備集既包含支持IPv6的設備，又包含不支持IPv6的設備，其IPv6通信能力指標符合式（2）。單次IPv6通信事件由主機集的任意節點發起，并選擇網絡節點和服務器節點完成通信。當選擇不支持IPv6的設備，本次IPv6通信事件不能發生。

4.2 端到端IPv6通信能力量化分析方法

根據第3.2節的結論1，圖4的ISP網絡運行了ISISv6或OSPFv3等IPv6路由協議，除BRAS／MSE之外的邊緣設備通常都支持IPv6，因此，ISP網絡的IPv6通信能力指標為1或100%。在圖4的端到端模型中，ISP網絡可以抽象成一個支持 IPv6 的節點，與主機、CPE、BRAS／MSE、ICP 應用服務器組成類似第3.1節的單路徑網絡。因此，圖4的通信模型可以采用類似式（3）的方法計算端到端IPv6通信能力指標：

其中，pu、pb、pi分別表示主機、BRAS／MSE、ICP 應用服務器的IPv6通信能力指標，pcr、pc分別表示路由型CPE的占比及其中支持IPv6的路由型CPE的占比。各參數的取值范圍為［0，1］。式（5）按照 100%計算圖 4 中的 ISP 網絡的IPv6通信能力指標。

式（6）中的（1-pcr）代表橋接型 CPE的占比或其 IPv6通信能力指標；pcr×pc代表支持IPv6的路由型CPE在全部家庭網關中的占比；（1-pcr）+pcr×pc則代表包括橋接型 CPE 和路由型CPE在內的全部CPE的IPv6通信能力指標。其中，橋接型CPE透傳IPv6報文，按照支持IPv6計算。

對于同時部署橋接型CPE和路由型CPE的運營級網絡，根據式（6）和pcr的不同取值，端到端模型的IPv6通信能力指標按照式（7）計算：

其中，當pcr=0時，現網只部署橋接型CPE；pcr=1時，現網只部署路由型CPE。

對于同時部署橋接型CPE和路由型CPE的運營級網絡，根據式 （6）和pc的不同取值，端到端運營級網絡的IPv6通信能力指標的計算方法可以簡化如下：

其中，pc=0時表示路由型CPE都不支持IPv6，只有橋接型CPE接入的用戶主機可以實現IPv6接入；pc=1時表示路由型CPE全部支持IPv6，所有CPE（包括橋接型CPE和路由型CPE）都支持IPv6，IPv6通信能力指標與CPE的IPv6通信能力指標值無關，只取決于用戶主機、BRAS／MSE和ICP應用服務器的IPv6通信能力指標。

根據式（6）～式（8），端到端運營級網絡的 IPv6通信能力指標計算方法具有如下特征：

· IPv6通信能力指標pipv6_suc與主機、BRAS／MSE及ICP

應用服務器的IPv6通信能力指標成正比，通過提升pu、pb或 pi的值，可以提升指標 pipv6_suc。但當 pu、pb或 pi之一取 0 時，pipv6_suc=0，即主機集、BRAS／MSE 集或ICP應用服務器集之一不支持IPv6，則無法實現IPv6通信；

· 當 pu、pb或 pi取 1 時，現網主機集、BRAS／MSE 集或者ICP服務器集支持IPv6，IPv6的通信能力指標分 別取 ［1-pcr×（1-pc）］×pb×pi、pu×［1-pcr×（1-pc）］×pi和pu×［1-pcr×（1-pc）］×pb。

家庭網關CPE對IPv6通信能力指標pipv6_suc的影響與pu、pb或 pi不一致：pipv6_suc隨 pc單調增；pipv6_suc隨 pcr單調減。當0＜pcr＜1時，即網絡中同時存在支持IPv6和不支持IPv6的路由型CPE，pipv6_suc隨pcr的增大逐步減小。因此，逐步提高路由型CPE的占比，并不能提升端到端網絡模型的IPv6的通信能力，需要同步增大支持IPv6的路由型CPE，才可能提升IPv6通信能力指標pipv6_suc。

4.3 現網端到端運營級網絡的IPv6通信能力的量化分析

根據現有的一些調查數據［9］，國內IPv6的使用率僅有0.07%。隨著IPv6的逐步推廣，主機、家庭網關、BRAS／MSE、ICP應用服務器的IPv6支持率逐步提高，會逐步提升IPv6使用率。

根據式（6），pipv6_suc與 pu、pb和 pi成正比，這里用 pubi代表 pu×pb×pi，則式（6）變成：

針對圖4的網絡模型，本節分析端到端IPv6通信能力的3種情況：pcr取固定值（如50%），即網絡中的路由型CPE占比不變，分析 pipv6_suc隨 pubi、pc的變化趨勢；pc取固定值（如50%），即網絡中支持IPv6的路由型CPE占比不變，分析 pipv6_suc隨 pubi、pcr的變化趨勢；pubi取固定值（如 50%），分析pipv6_suc隨pcr、pc的變化趨勢，即路由型CPE的變化對端到端IPv6通信能力的影響。

當 pcr=50%時，根據式（9），pipv6_suc=pubi×（0.5+0.5pc），端到端IPv6通信能力指標的計算結果見表1，pipv6_suc的變化趨勢如圖5所示。

圖5 pcr=50%時的pipv6_suc變化趨勢

其中，pubi按照步長10%從0增加到100%，pc按照步長 20%從0增加到100%。根據表 1和圖 5，pipv6_suc隨 pubi、pc單調增加。

當 pc=50%時，根據式（9），pipv6_suc=pubi×（0.5+0.5pcr），端到端IPv6通信能力指標的計算結果見表2，變化趨勢如圖6所示。

其中，pubi按照步長10%從0增加到100%，pcr按照步長20%從 0增加到 100%。根據表 2和圖6，pipv6_suc隨 pubi單調增加，但隨pcr單調減少。因此，僅僅提升路由型家庭網關的占比，而支持IPv6的路由型家庭網關的占比不變，端到端IPv6通信能力指標pipv6_suc會下降。

當 pubi=50%時，根據式（9），pipv6_suc=0.5×［1-pcr×（1-pc）］，端到端IPv6通信能力指標的計算結果見表3，變化趨勢如圖7所示。

表1 pcr=50%時的pipv6suc計算結果

表2 pc=50%時的pipv6suc計算結果

圖6 pc=50%時的pipv6_suc變化趨勢

圖7 pubi=50%時的pipv6_suc變化趨勢

其中，pc按照步長10%從0增加到100%，pcr按照步長20%從0增加到100%。根據表 3和圖7，pipv6_suc隨 pc單調增加，但隨pcr單調減少。在提升路由型家庭網關占比的同時，應同時提升支持IPv6的路由型家庭網關的占比，才能提升端到端IPv6通信能力。

表3 pubi=50%時的pipv6suc計算結果

5 結束語

類似于時延、分組丟失、抖動等網絡質量指標，本文引入IPv6通信能力指標和IPv6通信事件等概念，分別定義了節點／節點集、單路徑／多路徑的IPv6通信能力指標，并提出了相關指標的計算方法。本文提出的IPv6通信能力指標，可以定量描述節點／節點集、單路徑／多路徑以及端到端運營級網絡的IPv6通信能力，為產業界定量分析IPv6通信能力提供技術依據。通常來講，IPv6通信能力指標越大，網絡的IPv6通信能力越強。與此同時，本文進一步定義了端到端運營級網絡的IPv6通信能力指標，并推導出其計算方法，簡要分析了端到端運營級網絡的IPv6通信能力與各設備集的IPv6通信能力指標之間的關系及其變化趨勢。

基于前面的分析，多路徑網絡，如城域網、ChinaNet／CN2／China169等骨干網、IDC等，通常運行了 ISISv6、OSPFv3等IPv6路由協議，從邏輯上排除不支持IPv6的網絡節點。因此，本文的IPv6通信能力指標可忽略多路徑網絡的細節，并把多路徑網絡抽象成一個支持IPv6的節點，如ISP網絡，其IPv6通信能力指標取值為1。因此，現網的主機、家庭網關、BRAS／MSE、ISP網絡、ICP服務器從邏輯上構成了1條單路徑網絡，并按照單路徑的分析方法完成了端到端運營級網絡的IPv6通信能力的分析。從分析結果看，提升主機、BRAS／MSE、ICP服務器的IPv6通信能力指標和支持IPv6的路由型CPE的占比可以提升端到端IPv6通信能力指標，但單純提升路由型CPE的占比，反而可能降低端到端IPv6通信能力指標。

需要注意的是，本文的定義和分析方法忽略了大量細節，如節點的部署點、網絡拓撲結構、運行的功能、終端／服務器操作系統和應用軟件的差異性，也未考慮NAT444、DS-Lite、A+P等過渡技術特征、隧道等因素的影響，是一種宏觀的、整體的、簡化的描述和分析方法，可以用于分析城域網、骨干網、寬帶接入等各種網絡場景中的IPv6通信能力。后續將通過引入網絡拓撲結構、部署點、過渡技術特征等信息，逐步優化本文的分析方法，并爭取得到更精細、準確的分析結果，支持產業界推廣IPv6。

［1］HUSTON G.IPv4 address report ［R／OL］. ［2011-02-03］.http：／／www.potaroo.net／tools／ipv4／index.html.

［2］ 運 營 級 NAT44 設 備 技 術 要 求 ：CCSA YD／T 2544-2013［S］.2013.The technical specifications for carrier grade NAT（NAT44）：CCSA YD／T 2544-2013［S］.2013.

［3］ 運營級 NAT444 技術要求：CCSA YD／T 2811-2015［S］.2015.Technical requirements for NAT444：CCSA YD／T 2811-2015［S］.2015.

［4］Assessing the impactofcarrier-grade NAT on network applications：RFC 7021［S］.2013.

［5］DS-Lite 技術要求：CCSA YD／T2371-2011［S］.2011.Technical requirements for DS-Lite：CCSA YD／T2371-2011［S］.2011.

［6］RFC6333.Dual-stack litebroadband deploymentsfollowing IPv4 exhaustion［S］.2011.

［7］Internet protocol version 6 （IPv6）specification：RFC2640［S］.1998.

［8］Network performance objectives for IP-based services：ITU-T Y.1541［S］.2011.

［9］智博睿.“十三五”中國IPv6行業應用現狀及投資可行性研究報 告 ［R／OL］. ［2015-09-01］.http：／wenku.baidu.com／link？url=rHnsMru2J4IXSkguiL1_Qc8laPKcemZimeLMHZB8N6XYlY ceu3 QFLxX8OvJ8zfP7sw5IJIhIjcBg4lCGSnNjHp-UOS4ennk_ZO-AlkY bZlK.ZHI R B.The feasibility study report of 13th five-yearIPv6 industry application and investment in China ［R／OL］.［2015-09-01］. http：／wenku.baidu.com／link？url=rHnsMru2J4 IXSkguiL1_Qc8laPKcemZimeLMHZB8N6XYlYceu3 QFLxX8O vJ8zfP7sw5IJIhIjcBg4lCGSnNjHp-UOS4ennk_ZO-Alk YbZlK.

IPv6 communication capability index and its application in end-to-end carrier network

LI Yangchun，FENG Weiwei
Guangzhou Research Institute of China Telecom Co.，Ltd.，Guangzhou 510630，China

The traditional way was used to qualitatively describe the IPv6 communication capabilities for end-to-end carrier grade network with many old devices.By introducing concepts of IPv6 communication events，IPv6 communication capability index，the algorithms were presented to calculate the IPv6 communication capability index for single node，node set，single path，multi-path and end-to-end network.These algorithms were also used to analyze and evaluate the IPv6 communication capability for end-to-end carrier grade network.

IPv6，IPv6 communication event，IPv6 communication capability index，quantitative analysis method

TN919

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016138

2016-03-08；

2016-05-03

李陽春（1970-），男，博士，中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師，主要從事互聯網領域的技術研究工作，重點研究下一代互聯網相關技術。

馮薇薇（1974-），女，中國電信股份有限公司廣州研究院工程師，主要從事互聯網領域的技術研究工作，重點研究移動互聯網相關技術。