面向下一代互联网的接入网演进策略

蒋 铭 ，沈成彬 ，王作强 ，王 波

（1.中国电信股份有限公司上海研究院 上海200122；2.中国电信集团公司 北京 100032）

1 概述

随着互联网的高速发展，IPv4地址枯竭问题已经变得越来越严峻，预计在2011年年底，中国的电信运营商将难以再获得新的IPv4地址。除此之外，移动互联网、物联网、传感网、智慧地球等的快速发展也将极大地推动对IP地址的需求。因此，IPv4地址枯竭已经成为制约中国互联网发展的重要问题。

为了解决这一问题，互联网地址版本由IPv4向IPv6过渡就显得愈加重要。国际上的一些运营商（比如NTT、Comcast、FT等），纷纷进行了IPv6商用试点。同IPv4相比较，IPv6在地址容量、安全性、网络管理、移动性以及服务质量等方面有着明显的改进，IPv6替代IPv4成为下一代互联网协议已经是大势所趋，迫在眉睫，电信运营商需要在网络、业务平台、IT系统及终端全面向IPv6迁移。

电信网络全面向IPv6迁移是个系统性的巨大工程，考虑到网络建设和业务推广需要较长的准备和成熟时间，需要深入研究整个网络向IPv6演进的实施方案，其中，接入网也急需确定向IPv6演进的策略，并分析和解决网络演进过程中涉及的重点问题，以便更好地支撑业务推广和网络升级，为大规模引入IPv6做好准备。

2 IPv6的部署对接入网的影响

理论上，IPv6属于IP层协议，所以单纯的二层设备无需改动就应该能够支持IPv6。但现有电信运营商的接入网设备已经不再是单纯的二层设备，而是集成了很多2.5层甚至三层的功能，如组播、安全、QoS、网管等，引入IPv6后，这些二层以上功能的实现会发生重大改变，如果接入网设备不支持，则会导致如下后果。

·某些业务无法开展。例如，IPv6组播采用MLD协议,这要求 ONU支持 MLD Snooping，OLT/DSLAM 支持MLD Proxy，但目前的接入网设备普遍仅支持IGMP功能，而不支持MLD功能，使得IPv6 IPTV业务无法开展。

· 部分IPv6特性/功能失效。例如，在IPv6中采用分配地址前缀的方式，而IPv4中采用分配地址的方式，目前的接入网设备普遍不支持基于IPv6地址前缀的包过滤，会导致ACL功能失效；另外，IPv6的DHCP Relay、IP/MAC绑定等功能均会失效，进而带来安全隐患。

·部分IPv6引入的新特性会带来网络故障。例如，IPv6的邻居发现协议包括RS/RA、NS/RA和redirect等5类报文，是IPv6基础协议的重要部分，其中有一些ND报文（比如DAD机制、Unsolicited RA消息）需要通过组播（IPv6没有广播）来实现。但现有二层接入网只支持通过IGMP消息触发加入/离开组播组，不允许用户发送必要的组播ND消息，这会造成基于IPv6组播的ND报文不能正常地被用户或IP边缘设备接收（若将接入网设备配置成对组播报文进行透传，则存在安全性问题），从而导致IPv6功能故障。

IPv6的引入不仅对接入网的设备提出了更高的要求，对网络资源的规划也造成了影响。需要根据不同的业务类型和设备形态规划IPv6的地址，制订IPv6地址的分配方式。另外，IPv6巨大的地址空间，使得不同的业务网络可能承载在同一个IPv6地址空间中，仍然要利用VLAN实现用户隔离、用户定位，因此还需要针对IPv6的业务进行VLAN规划，以适应不同的网络架构和应用模式。

综上所述，面向下一代互联网的接入网在向IPv6演进的过程中，应结合网络条件、业务发展情况及投资成本选择合适的IPv6实现方式，以便更好地支持IPv6的业务推广和网络升级。

3 接入网支持IPv6业务的实现方式

考虑到现有接入网设备（如 OLT、DSLAM）的现状和功能定位，接入网支持IPv6业务的实现方式有如下2种模式。

·IPv6透传模式：接入网透传IPv6报文，且不启用任何2.5层或三层功能。

·IPv6感知（IPv6 aware）模式：接入网设备全面支持IPv6的一系列新的协议、特性和功能，使接入网能够平滑支持IPv6业务。

3.1 IPv6透传模式

IPv6透传模式下，接入网不对IPv6协议和报文做任何相关处理，只需要进行数据的透明转发，相关功能由城域网的BRAS/SR来处理。由于接入网对IPv6的数据透明转发，不解析IPv6的协议和报文，使得IPv6业务的承载效率较低，在很多功能上会有限制。最突出的缺陷是在承载IPv6的IPTV业务时，接入网设备无法实现分布式组播，需要统一由BRAS/SR进行组播复制，造成大量带宽的浪费，影响IPTV业务发展。还有在安全性策略（如ACL、线路标识）和QoS机制（如基于IPv6进行业务流标识等）上的部分功能都无法实现，需要将其功能转移到BRAS/SR或者家庭网关上提供，降低了组网的灵活性。

该模式下，现有接入网基本上无需进行升级和改造，没有技术障碍，成本低，难度小，可以满足IPv6业务发展初期的需求，普遍支持IPv6透传模式的接入网设备不会成为整个网络向IPv6演进的障碍。

3.2 IPv6感知模式

IPv6感知模式下，接入网设备具备IPv4和IPv6的双栈能力，在保持对IPv4相关IGMP组播、ACL等功能的基础上增强对必要的2.5层和三层IPv6报文和MLD等协议的处理功能，实现IPv4/IPv6业务的高效可靠承载。接入网设备需要增加的主要功能包括IGMP（IPv4）和MLD（IPv6）双栈组播协议、面向IPv6的安全与过滤功能、针对IPv6的DHCPv6/SLACC relay（用户接入线路/端口标识）功能、对IPv6的组播ND消息的支持以及基于IPv6的网络管理。

3.3 现有接入网对IPv6的支持程度

现网部署的接入网设备在对IPv6透传的支持上没有问题，但普遍不支持IPv6感知功能，主要原因在于设备软、硬件功能和设备性能上的限制。从软、硬件上来看，ATM DSLAM和ATM内核的IP DSLAM无法感知IPv6报文，而IP内核的IP DSLAM的线卡无法感知IPv6报文（主交换板一般具备感知IPv6报文的能力，但会存在处理能力上的限制），大部分楼道交换机不支持IPv4的组播、QoS、ACL、线路标识，更不用说对IPv6的支持。尽管EPON、园区交换机、汇聚交换机普遍在硬件上具备IPv6感知能力，但也需要软件升级。从设备性能上来看，一些交换芯片的ACL表容量、组播组容量等资源是固定的，IPv4和IPv6业务共享这些硬件资源，会对IPv4/IPv6业务的应用带来一定的限制。按照目前各厂商的开发进度，2010年年底部署的接入网设备才能普遍支持IPv6感知功能。

总之，IPv6感知模式对IPv6业务的支持能力强、承载效率高，可以部署MLD组播，具备基于IPv6的ACL和QoS功能等，适合IPv6业务大规模发展的阶段，是接入网长期演进方向。但是设备能力的增强，要求接入网中部分设备进行硬件更换，特别是在网时间较长的设备，如早期的ATM DSLAM设备等，需要进行硬件升级。由于改造数量多，因此全面升级改造的投资成本巨大，且实施难度也很高。

4 面向下一代互联网的接入网的部署原则和演进策略

接入网设备对IPv6支持和改造的实施是一个较长期的过程，为降低网络演进的成本，电信运营商需要因地制宜，结合“光进铜退”的部署、接入网设备的支持能力、改造的难度，选择恰当的接入网演进方案。

4.1 接入网部署IPv6的原则

面向下一代互联网的接入网部署IPv6的总体原则应为“业务驱动、分段实施、因地制宜、协同发展”。

（1）接入网改造的最直接驱动力是业务

由于产业链发展的不确定性，用户数和业务量发展难以预测，内容和应用发展难以把握，技术内容也需要进一步明确（地址分配、业务承载及管理等），这使得IPv6业务发展存在一定的风险。接入网引入IPv6应结合IPv6的业务发展，逐步进行升级改造，避免改造的盲目性，降低投资风险。在IPv6业务量和用户数较少的部署初期，接入网应主要以IPv6透传的方式支持IPv6业务的发展，随着IPv6业务的发展逐步从IPv6透传方式向IPv6感知方式过渡。

（2）接入网改造应面向不同的区域分段实施

在IPv6业务发展初期，接入网采用IPv6透传方式就能满足业务发展的需求。为了保护已有投资、节约改造成本，原则上近期不宜针对IPv6进行大规模的已建接入网设备升级改造，应结合“光进铜退”和接入网设备的自然退网，逐步更换为满足IPv6要求的设备，提高投资效益。比如，部分宽带设备（ATM DSLAM和ATM内核IP DSLAM）已经在网运行接近10年，在功能、性能、可靠性、备品备件及厂商维护等方面都存在一定的问题，而“光进铜退”也会进行部分设备的替换，利用这种必须的改造进行已建区域的IPv6改造，成本较低且可控。新建区域则可以直接部署支持IPv6感知模式的设备，并且可优先开启IPv6功能。

（3）接入网改造应因地制宜，老区采用老办法，新区采用新办法

在已建区域，现有接入设备和BRAS普遍不支持IPv6感知模式，需要通过硬件或软件升级才能支持IPv6感知模式。这种改造应结合用户和业务的发展，逐步升级，时机成熟后启动全网改造；在新建区域，普遍采用新设备，支持IPv6感知方式，即使不支持，也可以通过软件升级进行改造（成本较低）。可以在新建区域建设支持IPv4/IPv6双栈的BRAS/SR，从而推进新建区的IPv4/IPv6双栈运行。

（4）接入网的IPv6部署必须从全网考虑，与其他相关联设备和系统的部署和改造协同发展

如果BRAS/SR不支持IPv6，则还是只能以L2TP隧道方式实现IPv6业务的承载，这样就无法发挥接入网的IPv6感知能力。由于BRAS/SR升级相对比较容易，接入网升级的成本高、难度大，因此接入网的升级改造应在BRAS/SR升级改造之后进行；如果BRAS/SR支持IPv6，接入网不支持IPv6感知模式，也可以通过家庭网关与BRAS/SR配合提供QoS保证机制，确保在接入网的透传模式下IPv6业务的应用。因此尽可能在升级接入网前升级家庭网关，避免接入网改造形成的大量资产闲置。从上述分析看，接入网改造不是全网向IPv6演进的障碍，应在BRAS/SR、家庭网关之后进行，是全网改造的最后一步。

4.2 接入网部署IPv6的演进策略

考虑到设备改造成本、IPv6用户数量以及业务内容和应用，接入网的改造可以分成3个阶段：商用部署初期、规模商用阶段和全面商用阶段。

（1）接入网IPv6商用部署初期

在接入网IPv6商用部署初期，IPv6用户量较少，终端以IPv4为主，仅有少量双栈终端。网络结构如图1所示。

在新建区引入IPv6 MSE（BRAS或者业务路由器SR），负责本局点IPv4/IPv6业务接入，并且作为LNS（L2TP网络服务器），解决少量其他局点的IPv6接入问题；在已建区MSE，接入设备不做硬件改造，接入网二层透传IPv6报文，MSE（IPv4）建立到 MSE（IPv6）的 L2TP。这种网络架构投资小，已建区无需进行大规模改造，只需进行配置调整，可以迅速开展业务。缺点是在接入网无法部署组播、安全、线路标识及QoS等功能，无法适应将来IPv6用户数的增长。

从业务实现方式来看，已建区接入网工作于透传模式，IPv4的上网业务与现有方式相同，IPv6上网业务也采用PPP方式。新建区接入网工作于IPv6感知模式，IPv4上网和IPv6上网共存。由于IPTV节目源的IPv6化还需要时间，即使是新建区，也需要IPv4的节目。另外由于全网开展IPv6组播的能力不一致（新建区支持MLD，已建区不支持MLD），无法实现统一的IPv6 IPTV业务承载，因此应逐步推动IPTV平台和机顶盒采用IPv4/IPv6双栈方式。

在这个阶段，接入网无需启用MLD、Line ID标识及ACL等功能，但对IPv6的组播报文不做限制（防止ND报文被丢弃），由MSE（IPv4）负责安全与绑定、组播复制及层次化QoS等功能在IP地址规划方面，IPv6地址规划应采用重叠模式，初期节约IPv4地址的效果并不明显。考虑到用户逐步从IPv4过渡到IPv6的必然性，为了将来IPv6路由转发表的简化，对于新建区应按照目标区域的用户数和业务量规划IPv6地址或者地址前缀（便于以后路由组织和地址溯源）；同时，规划一定的IPv4地址空间（部分终端不支持IPv6,另外所有用户都需要IPv4地址以访问IPv4的内容资源），但地址空间可以适当收敛；对于已建区，保持原有的IPv4地址规划和分配机制，同时为IPv6业务规划一定的IPv6地址空间，并确保IPv6地址分配的可扩展性。IPv4/IPv6互通网关的部署投资很大，所以初期给某个用户单一的IPv6地址会产生较大的成本，所以还是要IPv4/IPv6地址同时覆盖。

在VLAN规划方面，新建区的IPv6用户数和业务量将逐渐增加，应按照目标模式规划VLAN。为每个用户的每个IPv6业务提供独立的通道，接入网（OLT/汇聚交换机）为IPv6/IPv4业务标记SVLAN并实现分流，接入不同的业务网络（IPv4或者IPv6）。由于采用VLAN作为用户定位的信息，不需要采用线路标识等额外定位手段；在已建区，将整个IPv6看成是一种新业务，采用单独的VLAN进行承载。该VLAN终结于汇聚层SR或者BRAS端口上，SR/BRAS 只是将该 VBES（VLAN for business ethernet services）VLAN转换为城域网封装形式（如MPLS等），并不感知IPv6内容，也就是纯管道式的VBES VLAN模型。

（2）接入网IPv6规模商用部署阶段

在接入网IPv6规模商用部署阶段，IPv6用户量增长到较大规模，终端以双栈为主，逐步出现IPv6单栈终端。网络结构如图2所示。

在新建区引入MSE（IPv4/IPv6），负责本局点 IPv4/IPv6业务接入，并且作为LNS，解决少量其他局点IPv6接入，现网MSE（IPv4）逐步升级支持IPv4/IPv6双栈，用户就近接入到边缘双栈MSE上，部分难以升级改造的MSE（IPv4）保持通过L2TP方式接入到双栈MSE上的模式。完成升级的双栈MSE下的接入网同步改造为IPv6感知方式；难以改造的MSE（IPv4）下的接入网保持透传模式。部署IPv6/IPv4互通网关设备，解决IPv6用户访问IPv4业务和IPv4用户访问IPv6业务的问题。在这种方式下，网络升级循序渐进，投资压力小，但是在已建区网络状况复杂，维护难度很大。

在IPv6规模商用阶段，IP地址规划方式与商用部署初期阶段的方式基本相同。VLAN规划方式也基本与商用部署初期相同，只是将升级后的MSE及其所带的接入网的VLAN规划方式改为与新建区相同即可。

（3）接入网IPv6全面商用部署阶段

在接入网IPv6全面商用部署阶段，IPv6用户量接近或超过IPv4规模，主流业务逐步迁移到IPv6网络，终端以双栈为主，逐步出现IPv6单栈终端。网络架构如图3所示。

新建区的MSE（IPv4/IPv6）负责本局点IPv4/IPv6业务接入，现网已建的MSE（IPv4）升级支持为双栈模式。双栈MSE为用户终端优先分配IPv6地址，业务访问以IPv6为主，减少直至取消隧道技术在城域网络中的应用。在城域核心部署大规模的IPv6/IPv4互通网关，提供IPv6终端访问IPv4业务，已建区接入网全部升级为IPv6感知模式，未来双栈城域网逐步演进为纯IPv6网络。因此IP地址规划和VLAN规划都应以IPv6业务为主。

该阶段，接入网基本达到目标，但是必须指出的是已建区网络改造需要较多投资，工作量大，应结合ATM DSLAM等旧设备退网和“光进铜退”逐步分批进行。

5 结束语

接入网向IPv6演进是必然的发展趋势。IPv6透传方式是近期接入网承载IPv6的主要方式，IPv6感知方式适合IPv6业务大规模发展的阶段，是接入网长期演进的方向。由于全网升级改造的成本高、难度大，接入网在升级改造中应充分考虑网络中的设备状况，IPv6业务和用户数量的发展，避免盲目改造。原则上，近期不宜针对IPv6进行大规模的已建接入网设备升级改造，而应结合“光进铜退”和接入网设备的自然退网逐步更换。接入网部署IPv6应因地制宜，老区老办法、新区新办法，应与BRAS/SR的IPv6部署和家庭网关的IPv6化协同进行。

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11 唐雄燕.全业务运营环境下的光接入发展.电信技术，2009（2）