5G網絡IPv6協議技術分析

劉儉?夏金棟?王嘉昊?余和平

摘要：在5G時代，IPv6協議開始在5G網絡中得到了廣泛應用。為充分發揮IPv6協議的技術優勢，本文將對該協議技術在5G網絡中的應用進行分析，包括IPv6協議技術體系、IPv6協議過渡技術、IPv6協議部署技術以及IPv6協議安全技術等。希望通過本次的分析，可以為IPv6協議技術的應用和5G網絡的發展提供一定支持。

關鍵詞：IPv6協議；主要技術；5G網絡

在5G網絡的應用和發展中，IPv6協議發揮著至關重要的應用優勢。因此，相關單位與技術人員一定要對5G網絡以及IPv6協議有清晰的理解，并在此基礎上將IPv6協議技術合理應用到5G網絡中。只有通過這種方式，IPv6協議才能發揮出其應有的技術優勢，有效推進5G網絡技術在當今時代的良好應用，并滿足其后續的發展需求。

一、5G網絡與IPv6協議概述

（一）5G網絡

5G網絡又叫做第五代移動通信網絡，其理論傳輸速度峰值可達50Gbps，相當于2.5GB/s。與之前的4G網絡相比，5G網絡不僅具有更快的傳輸速度，同時也具有更高的穩定性與安全性，可充分滿足現代社會對于移動通信網絡的實際應用需求。憑借著這些優勢，5G網絡在當今社會中已經得到了越來越廣泛的應用。而隨著5G網絡技術的應用和發展，其中的協議技術也受到了研究者們的重點關注。

（二）IPv6協議

IPv6協議是由互聯網工程任務組以傳統IPv4協議為基礎設計的新一代IP協議。與傳統的IPv4協議相比，IPv6協議具有以下主要技術優勢：①地址空間更加龐大，其地址長度為128位，可提供的地址數量非常龐大，幾乎可以在世界范圍內的每一粒沙子上進行IP地址編程[1]。②傳輸速度更快，IPv6協議技術不再攜帶冗長數據，而是以簡短報頭的形式進行數據轉發，這樣可以實現網絡傳輸速度的顯著提升。③傳輸方式更加安全，IPv6協議技術中實現了IPsec的直接集成，傳輸的數據可在網絡層進行認證和加密，這樣便可為用戶的網絡數據安全提供良好保障。④具有更高的友好性，該協議的應用可使移動終端具有更強的移動性能，并進一步提升其路由特性與安全特性，讓網絡部署更加簡單，同時也可以進一步降低網絡部署方面的投資。⑤具有更高的便捷性，相比較IPv4協議而言，IPv6協議中增加了重配置以及自動配置兩種技術，可自動進行IP地址的更新與增刪處理，從而使網絡管理更加便捷。

二、5G網絡中的主要IPv協議技術分析

（一）IPv6協議技術體系

在傳統的4G網絡中，雙棧終端通常需要在連接時建立，且在此過程中需要不斷進行IPv4-IPv6雙棧連接請求的發起。基于此，在當前的5G網絡優化中，考慮到IPv6協議在未來會普遍應用，所以可將其中的IPv4-IPv6雙棧設計去除，使IPv6轉變為單棧形式，以此來實現整體設計的進一步簡化。具體設計中，通過將IPv4-IPv6雙棧設計轉變為IPv6單棧設計，可以有效防止5G網絡同時分配IPv4地址和IPv6地址導致部分終端只能應用IPv4地址的情況，從而實現5G網絡協議棧的進一步簡化，避免雙棧分配中的IPv4協議對IPv6協議優化機制產生限制，并使用戶終端和網絡業務連續性連接過程得到進一步簡化。而在將這種IPv6優化機制引入到5G網絡中后，便可為其中的RFC 7157（Multi-Homing）提供支持，讓用戶能夠對本地網絡以及遠程網絡實施同時訪問[2]。這種應用模式對于邊緣計算的實現具有非常大的應用優勢，可以讓5G網絡中的業務具有更好的連續性，從而使網絡切換過程中的中斷時延得到明顯的降低。

（二）IPv6協議過渡技術

5G網絡從IPv4協議到IPv6協議的過渡需要考慮技術和經濟等綜合因素，移動網絡和傳統網絡中的IPv4到IPv6過渡方法具有一定程度的相似性，就目前來看，其主要的過渡技術有雙棧過渡技術和隧道過渡技術。具體應用中，其技術方案如下：

1.雙棧技術（IPv4/IPv6）方案。

該方案主要應用的是IPv4/IPv6雙棧技術以及NAT44技術。網絡節點可同時為IPv4協議棧以及IPv6協議棧提供支持，源節點可可根據不同的目的節點，合理選擇不同的協議棧；網絡設備會根據不同的報文協議類型來選擇合適的協議棧處理和轉發報文。將IPv4程序設置在網絡系統終端，不僅可以為公網中的IPv4應用服務器訪問提供支持，同時還可以避免網絡部署過程中IPv4協議和IPv6協議相互影響的情況。通過按需部署的方式，可以更進一步地簡化整體網絡規劃。另外，借助IPv6自身的優選策略，網絡終端雙棧也可以逐步增長IPv6流量，以此來滿足用戶的實際應用需求。在此過程中，如果網絡終端的IPv6地址只有一個，可采用NAT64+DNS64來進行IPv4協議和IPv6協議之間的轉換，滿足用戶對于5G網絡IPv4協議和IPv6協議的實際應用需求，并使其中的IPv4協議地址短缺或IPv6協議地址短缺問題得以有效解決[3]。

2.隧道技術（GI DS LITE）方案

該技術方案的核心思想是在兩個通信孤島之間建立一個點到點的虛擬通道，使得通信數據可以在兩者之間傳輸，從而滿足兩者的相互通信需求。具體應用中，需要將一個IPv6網絡同時連接到通信的兩端。雖然這種技術模式不能對IPv4協議條件下的通信數據作出有效識別，但可以通過隧道通信形式在IPv6承載條件下傳輸IPv4報文。在當前運營商所運行的PDN策略中，此種技術方案是非常適用的。在以往的隧道技術方案中，大多數應用場景只能支持IPv4協議，但是隨著5G網絡技術的發展，越來越多的應用場景也支持IPv6協議的應用。將IPv6網絡設置在PDN側，便可充分滿足兩個通信孤島之間的實際網絡通信需求。

（三）IPv6協議部署技術

就技術角度而言，IPv6具有較為復雜的演進過程，且演進過程中涉及的制約因素也有很多，比如IPv4/IPv6雙棧終端能力、IPv4在公網中的分配情況、IPv4在私網中的地址空間以及5G網絡中存在的應用程序等。基于此，在對5G網絡里的IPv6協議進行業務部署時，運營商與技術人員還需要對具體的過渡策略、現有的網關設備支持條件、計費營賬系統開發情況、數據設備能否支持雙棧設計情況以及業務平臺對IPv6協議的支持程度等各項因素加以綜合考慮。根據以上標準，在當今的5G網絡環境中，IPv6協議的主要部署技術包括以下幾個方面：

1.將IPv6協議部署到EPC中

由于IPv6協議所應用的地址結構均為新型結構，因此在具體應用中，許多應用程序只有在對API調用做出合理修改的情況下才能啟用IPv6協議棧。這種情況導致很多應用程序無法實現平滑遷移，使用戶無法獲得一致性的業務體驗。再加上多數據終端的兼容性不佳，不能為IPv6協議的應用提供支持，從而也使IPv6協議在規模方面受到了較大制約。基于此，在部署5G網絡中的IPv6協議時，相關單位與技術人員需根據5G網絡的實際應用及其終端的實際發展情況，采用不同的部署策略。在初期部署階段，許多終端以及程序無法支持IPv6協議，尤其是移動設備終端，更是無法滿足IPv6協議的實際運行。因此，在這一階段中，需要對IPv6協議和IPv4協議進行同時部署，而不是僅僅將新的IPv6協議地址分配給用戶。如果僅僅將新的IPv6協議地址分配給用戶，勢必會對其網絡通信業務產生不良影響，并進一步降低其應用體驗。考慮到用戶和運營商在這一過渡時期的整體情況，具體部署中，可通過上述的IPv4/IPv6雙棧模式進行部署，以此來為單一IPv6協議部署問題解決提供最佳方案[4]。

這種部署模式既可以讓運營商實現IPv4與IPv6協議地址的合理提供，同時滿足用戶對5G網絡實際應用需求，進一步提升其應用體驗；也可以讓IPv6協議技術在現代5G網絡中獲得更好的發展。在IPv6規模的發展時期，5G網絡中應實現純IPv4協議和純IPv6協議的并存。在此階段中，以IPv6協議為基礎的傳統業務將會在5G網絡環境中實現大量部署，且大多數的終端以及應用都可以為IPv6協議提供支持。因此，將IPv6協議地址提供給5G網絡用戶不會對其業務需求產生不利影響，也不會降低網絡業務體驗。然而，考慮到一些用戶依然習慣于應用IPv4協議，依然需要按照IPv4/IPv6雙棧技術進行部署。在具體的協議部署中，可以將一個IPv6協議地址分配給5G網絡終端，并利用NAT64+DBT64技術來支持IPv4協議模式下的相關業務訪問。在IPv6協議目標階段，IPv6協議技術已經成為5G網絡中的一種成熟技術，且5G網絡中幾乎所有的應用以及終端都能夠為IPv6協議提供支持。隨著云計算和物聯網技術的全面發展，可以考慮將傳統的IPv4協議棧全部關閉，只對IPv6協議棧進行部署。為滿足IPv6協議的實際應用需求，對于5G網絡中不能夠為此項協議技術提供支持的應用以及終端，應及時進行更新或替換處理，使整個網絡系統都支持IPv6協議的運行。通過這樣的方式，才可以讓IPv6協議技術在現代5G網絡中得到科學部署。

2.以SDN為基礎的IPv6協議移動性管理技術

就目前的5G網絡來看，PMIPv6是一種常用的移動性管理技術，該技術的主要應用方法是通過IP隧道對5G網絡本地移動性進行處理。但經實踐應用發現，此項技術存在很多問題，比如IP隧道開銷問題、控制面和數據路徑共用問題等。為解決上述問題，提升5G網絡中的IPv6協議應用效果，在具體部署中可對SDN加以合理應用。SDN又被稱之為軟件定義網絡，它的組網協議是OpenFlow，而且其組網的形式相對來說比較靈活，通過PMIPv6組件和移動性管理功能的分開設置可以使得OpenFlow架構優勢得到充分發揮。圖1為OpenFlow中的OPMIPv6結構體系示意圖。

在該結構體系中，OPMIPv6專用節點與移動功能處于分離狀態。LAM（本地移動性錨點）功能位于控制器中，而MAG（移動接入網關）功能則位于交換機或控制器中。借助于PMIPv6協議，可以為LMA以及MAG功能條件下的MN移動性管理提供支持，從而使控制平面和數據庫之間達到良好的分離效果。控制器和交換機之間的通信主要借助于OpenFlow來實現，通過數據轉發路徑的科學設置以及交換機的合理控制，可以有效防止數據報文在IP隧道中轉發的情況發生。在集中式移動管理控制器中，可對LMA以及MAG功能進行耦合處理，這種耦合處理模式被又稱為OPMIPv6-C[5]。在該模式下，LMA以及MAG功能都可以實現托管，兩者之間的PMIPv6指令也可以得到最大化的省略。圖2為OPMIPv6-C主要部署結構示意圖。

3.以MEC為基礎的接入網IPv6協議技術部署

MEC又叫做邊緣計算技術，該技術是5G網絡和IPv6協議技術研究中的一種關鍵技術，在5G網絡的IPv6協議技術部署中，通過MEC技術的合理應用，可讓IPv4與IPv6協議之間實現融合通信，并實現位置和標識之間的有效分離，以此來全面提升5G網絡的移動性、安全性及其可拓展性。在此過程中，將全球唯一地址表示加以合理應用，可以為5G網絡中的各種服務部署及其遷移創造一個靈活的管理環境，同時也可以為其提供良好的NFV（網絡功能虛擬化）應用功能。隨著IPv6協議在更多5G網絡環境中的應用，此項功能的優勢也將更加突出。

（四）IPv6協議安全技術

因為當前5G網絡中的UDN（超密集組網）網絡用戶接入需求為海量形式，而其服務器端也需要滿足海量用戶對于安全認證方面的實際應用需求。在這樣的情況下，海量用戶的加密服務器性能、加密方法和Dos/DDoS新感知網絡攻擊等各個方面都具有非常高的安全需求。為滿足上述安全需求，5G網絡架構設計中著重強調了對于SDN以及NFV方面的支持。通過SDN的應用，不僅可對傳統網絡中的拓撲結構做出合理改善，同時也可以使其中繼節點和網絡資源得到合理優化。而在METIUS 5G網絡場景里，可將移動接入設備臨時升級成小基站，讓5G網絡具有更大的覆蓋面積[6]。但是由于此種小基站的安全等級要求非常高，所以在具體部署中，相關單位和技術人員需要對其安全管理問題做出進一步的研究，讓IPv6協議為整體5G網絡安全體系的構建提供有力支持。

三、結束語

綜上所述，IPv6是目前網絡信息系統中最先進的一種網絡通信協議模式。尤其是在5G網絡環境中，IPv6技術的應用優勢非常突出。基于此，在對5G網絡技術進行應用和優化的過程中，相關單位、研究者和技術人員一定要明確IPv6協議在其中的應用優勢，結合5G網絡的實際應用及其發展需求，對IPv6協議技術加以合理應用。通過這樣的方式，才可以讓現代用戶對于5G網絡的應用需求得以充分滿足，進一步提升5G網絡的傳輸效率、傳輸質量及其安全性，從而促進5G網絡在當今時代中的良好發展。