cdma2000移动网IPv6演进策略探讨

张琳峰，张 岚，黎明雪

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）

1 IPv6发展概述

IPv6是IETF早在1992年制定的下一代网络互联协议，与IPv4相比，具有地址充足、报头简单、易于扩展、组播和QoS机制完善、支持链路层移动性等优点。随着Internet规模的发展，一方面IPv4地址资源的耗尽日益迫近，另一方面移动互联网和宽带接入用户数持续增长，还有三网融合的发展以及物联网、智能电网、云计算等新技术应用的出现，对地址的需求量显著增加，两者形成较大的反差，为IPv6的发展迎来了契机。

据CNNIC统计，中国的互联网用户是3.4亿，规模已经排在全球前列了，但是，中国的互联网普及率只有25.5%，增长空间还很大，所以中国的信息化发展光依赖IPv4地址是肯定不够的。截至2010年3月，IANA剩余的IPv4地址只有地址总量的8%，预计全球IPv4地址存量于2011年耗尽，地区代理存量于2012年耗尽。作为发展中国家，我国面临的地址短缺形势尤为突出，中国政府已经把下一代互联网纳入了国家电子信息产业振兴规划，在即将举行的“上海世博会”和“深圳大运会”两项重大活动中，运营商都积极参与了IPv6的技术试验。对于我国运营商而言，向IPv6演进已是迫在眉睫。

2 IPv6演进关键技术

IPv6和IPv4的报文格式不兼容，如何实现IPv4和IPv6的无缝结合以及无损害地平滑过渡已经成为IPv6大规模部署的难题。IPv4向IPv6过渡阶段所采用的技术主要有IPv4/IPv6双栈技术、隧道技术以及协议转换技术。

2.1 IPv4/IPv6双栈技术

双协议栈机制是在链路层之上引入了两个网络层，双栈节点与IPv4节点通信时使用IPv4协议栈，与IPv6节点通信时使用IPv6协议栈。IETF设计双栈技术（RFC 4213）的初衷是在同一网络的大部分或全部节点和主机上同时运行IPv4和IPv6协议栈，由于需要同时支持两种协议，整个协议栈的结构比较复杂，特别是双栈路由器，需要同时运行IPv4和IPv6两种路由协议，同时保存两份IPv4和IPv6路由表，需要更高的CPU处理能力和更多的内存资源。同时，双栈技术不能解决IPv4地址资源不足问题，也不能解决纯IPv6和纯IPv4节点之间的通信问题。如果整网部署双栈，网络的性能和可靠性将会出现一定程度降低。因此，在向IPv6演进过程中，比较可行的方案是在某些网络节点实行双栈的基础上，结合使用其他的IPv6过渡技术。双栈节点一般部署在IPv4或IPv6网络边缘，作为隧道端点。

在cdma2000移动网内，PDSN负责终结用户PPP连接，HA负责将用户流量引回归属地，PDSN和HA都是跟外部分组网相连的节点，适合采用双栈技术。

2.2 隧道技术

典型的隧道技术有6in4隧道（需要手工配置）、6to4自动隧道、MPLS隧道等。在移动网中使用最多的是GRE隧道和L2TP隧道，GRE在R-P接口中得到广泛应用，并可在MIP（移动IP）应用中使用，L2TP隧道则应用在VPDN中。

（1）MIPv6

最初的MIPv6也称为CMIPv6，是基于主机的移动性管理协议，要求终端支持MIP协议栈，这对终端的要求很高，设计复杂，成本高昂。后来IETF又定义了PMIPv6标准。PMIPv6协议是MIPv6协议的扩展，该协议为基于网络的移动性管理协议，移动节点终端（MN）只需支持简单IP，由网络代替MN完成移动性注册、跟踪MN移动、管理MN的移动性以及建立对应的路由状态。

目前，CMIP和PMIP两种技术在cdma2000商用网络中都有应用，为了减少对终端的依赖，在网络中实现PMIP是一个很好的选择，该技术使用户漫游时依然可回归属地访问业务，对终端没有额外要求。

PMIP技术有PMIPv4和PMIPv6两种协议标准，仅支持IPv4用户接入时需选用PMIPv4技术，为支持IPv6用户接入则需采用PMIPv6。PMIPv6可支持IPv4单栈、IPv6单栈和IPv4/IPv6双栈接入，因此PMIPv6可以替代PMIPv4。PMIPv6的基础协议是RFC 5213，3GPP2的相应标准是X.S0061，协议栈如图1所示。

（2）VPDN 技术

VPDN是cdma2000移动网中的虚拟专网应用，为企业的移动数据用户提供接入到企业内部网络的服务，此外，还可用于实现企业的M2M应用。其网络组织如图2所示，由PDSN实现LAC（link access control）功能，与企业端LNS（L2TP network server）建立 L2TP隧道，用户的 PPP连接终结在LNS而不是PDSN上。

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当企业网从IPv4向IPv6演进时，需要升级LNS支持双栈、升级企业AAA支持IPv6地址分配即可支持IPv6用户接入。

2.3 协议转换技术

IPv4/IPv6协议转换技术即完成IPv4和IPv6网络之间分组地址转换和协议翻译，实现IPv4网络与IPv6网络之间的互访。例如NAT64，允许IPv6主动访问IPv4，转发原理类似于NAT-PT。由于属于同一会话的请求和响应都要通过同一转换设备，因此对转换设备的性能要求很高。另外，NAT64不能转换IPv4报文头的可选项部分，将导致有些应用无法使用；地址在传输过程中发生了变化，端到端的安全性很难实现。

除了NAT64外，还有一些无状态协议转换技术，如IVI和DIVI等技术，其成熟度和适用范围尚需验证。总体来看，IPv6和IPv4协议转换技术目前并不成熟，可扩展性不强，对端到端的业务应用带来很多限制，通常要结合应用层网关（ALG）来使用，即使这样，也无法保证所有业务都能穿越，因此不适合大规模应用。但是，考虑到网络从IPv4向IPv6演进不可能一步到位，对于特定的场景，选择适当的转换技术，在过渡期还是能够发挥一定作用的。

3 移动网IPv6演进策略分析

cdma2000移动网包括图3所示的无线网、核心网（包括电路域和分组域）和业务网三大部分，这些都涉及如何向IPv6演进问题，下面分别阐述各部分向IPv6演进的策略。

3.1 无线网

cdma2000 1x和EV-DO无线网主要由BTS和BSC/PCF构成，两者之间采用Abis接口，主要以TDM传输为主。Abis接口也可以实现IP传输，只是基于传输层面，不影响上层业务。BSC跟MSC之间采用A1/A2接口，目前该接口的传输业务都是基于TDM，但长远来看，将逐步实现IP化。PCF是内嵌BSC的模块，与PDSN的接口为R-P接口，目前基于IPv4传输。可见，无线网内对IP地址的需求主要是设备之间的互联，这种互联是点到点的，因此理论上基于IPv4传输和IPv6传输都是可行的。

由于A1/A2接口承载电路域业务，没有传送用户面IP数据包的需求，因此当A接口逐渐IP化之后，也只是设备互联的需求，没有传送用户IP包的需求。R-P接口承载分组域业务，不管是1x数据用户还是EV-DO数据用户，在R-P接口都是基于GRE隧道技术实现透明传输的，所以，用户流量不管是IPv4还是IPv6的数据包，都可以经过该接口实现传送，对用户流量的处理在PDSN中进行。因此，只要PDSN支持IPv6，即可支持IPv6客户端接入，无线网内的R-P接口、A接口、Abis接口在过渡期内仍然可以继续使用IPv4。

当LTE无线网进入商用时，需要建设EPC核心网，如图4所示，eNB基站之间的X2接口以及eNB与EPC核心网的S1接口，既可以使用IPv4传输，也可以使用IPv6传输。考虑到在LTE商用前，承载网已经部署并支持IPv6，建议积极推动LTE设备支持IPv6承载，这样在新建LTE/EPC网络时可以考虑直接部署在IPv6之上，LTE客户端就可以直接使用IPv6接入了。

3.2 核心网

（1）电路域

从核心网电路域来看，汇接层面仍然是基于TDM的TMSC汇接网，设备的老化使得维护成本增高，IP化的需求比较迫切。由于固网已经有IP化的DC1平面，TMSC汇接网将逐步退网，因此DC1将同时承载移动网和固定网的省际信令转接。在端局层面，大部分传统MSC已演变为MSCe和MGW分离的移动软交换架构，而MGW与(G)MGW之间的用户面已实现IP化，通过内部IP承载网 （CN2）互联，而MSCe之间的互联消息，目前不同厂商之间采用的还是基于TDM的ISUP消息，后续将逐渐被基于IP的SIP-I替代。

由此可见，核心网电路域IP化的需求主要是实现网元之间的互联，在移动网内电路域并不用为用户分配IP地址。单从技术上看，电路域既可以在IPv4上承载，也可以在IPv6上承载，只是网元设备之间的互联需求，属于封闭网络，不需要跟Internet互联，从安全性角度考虑，基于内部IPv4网络互联更好，在CN2支持双栈的情况下可以继续使用IPv4来承载。

（2）分组域

现有的cdma2000分组域网络架构如图5所示，不管用户是通过cdma2000 1x还是cdma2000 EV-DO接入移动网分组域，从核心网角度来看可将用户分为以下三大类。

·CTNET账号用户：给用户分配公有IPv4地址，通过163网络访问公众互联网。

·CTWAP账号用户：给用户分配私有IPv4地址，通过CN2网络访问互联星空 （电信自营业务网，包括WAP、BREW、LBS、VT、QChat等业务平台都是基于私有IPv4地址部署，属于电信自营的业务网）。

·VPDN账号用户：用户终端属于VPDN企业用户，使用企业自有账号+企业VPDN域名登录，只能访问企业内部网，一般使用企业的私有IP地址。

由于VPDN账号用户一般使用企业内部地址，因此这里重点讨论前两类用户。对于CTNET账号用户，目前采用的是简单IP路由方式；对于CTWAP账号用户，目前采用的是移动IP路由方式。随着业务需求的发展，将来的趋势是实现统一账号，并支持更灵活的路由策略，例如可结合NAI和IMSI来实施路由策略，因此核心网在向IPv6演进时可以采用以下策略。

·分组域设备在用户面具备支持IPv6/IPv4双栈能力，这样既支持新型IPv6终端接入，又可以兼容原有IPv4用户接入。

·分组域设备支持双栈在信令面涉及SIPv4、SIPv6、MIPv4和MIPv6共4种技术。对于SIPv4和SIPv6，网络肯定要同时支持；对于MIPv4和MIPv6，本质上是隧道技术，主要目的是要实现用户流量回归属地，MIPv4支持给用户分配IPv4地址的标准尚不明确，而MIPv6现有的标准已可支持IPv4单栈、IPv6单栈和IPv4/IPv6双栈用户接入，因此PMIPv6是在移动IP方式下支持IPv6用户接入的最优选择。

·对于终端而言，与核心网需要建立PPP连接才能上网，当网络支持双栈时，技术上可以在一个PPP连接上同时分配一个IPv6地址和一个IPv4地址，如果IPv4地址资源充足，可以采取双栈客户端策略，这样高层应用程序非常灵活，可以根据需要来选择IP协议栈，并且可以并发使用。如果IPv4地址受限，建议给用户分配一个IPv6地址，而这时移动网若未实现端到端支持IPv6，则在网络侧增加协议转换设备。

3.3 业务网

业务网的构成比较复杂，需要从业务控制层、自有业务平台以及第三方业务平台3个维度进行总体分析。

IMS Core就属于典型业务控制层，是业务平台和核心网之间的中间层，类似于软件开发体系的中间件。从技术上来看，IMS使用SIP作为会话建立信令，使用SDP进行能力协商，而且是在两个SIP终端之间直接进行端到端协商，包括双方所使用的动态端口，这样如果在中间路径上存在NAT/PAT转换、防火墙或者IPv4/IPv6转换设备，将会带来很多问题，一方面限制了SIP业务灵活性，另一方面会导致地址空间冲突，影响跨运营商或者跨网之间的互通，不必要的转换技术还有可能造成性能瓶颈，影响用户体验，因此IMS Core从技术上看在IPv6承载网上部署更加适合。

自有业务平台指的是运营商自建或者能够控制的业务平台，这些业务平台包括集团业务平台和各省业务平台，数量非常多，因此迁移策略需要仔细考虑，对于复杂的业务平台要进行个案分析。总体来看，自有业务平台在过渡期内应该支持双栈，这样不管是IPv4用户还是IPv6用户，都可以接入业务平台，另外，各业务平台自身的业务逻辑模块最好跟通信协议模块相对独立，便于实现IPv4和IPv6用户在业务上的互通。

第三方业务平台是运营商难以控制的平台，包括互联网上的大量站点资源，是互联网的主体。对于资源类应用，运营商首先应该同时提供IPv4和IPv6管道接入，一方面积极鼓励第三方IPv6业务的发展，另一方面可通过资费优惠，鼓励用户多使用IPv6管道而不是IPv4管道。

总而言之，业务网建议采用以下策略。

·对于IMS Core，建议首先基于纯IPv6部署，IMS业务平台如果要接入IPv4用户，则需要支持双栈。如果IMS Core已经基于IPv4部署，则其边缘设备（包括BAC、MGCF/MGW）需要演进支持双栈。对于IMS客户端，建议优先发展纯IPv6客户端，这样有利于业务创新发展，特别是视频类业务。

·对自营业务平台，推行双栈平台策略，使得纯IPv6客户端可以访问大部分自营业务。在网络中采用适当的过渡技术，同时支持IPv6和IPv4客户对平台资源的访问。

·对于第三方业务平台，鼓励支持双栈，并通过6to4路由器与IPv4互联网连接，IPv6用户则可以使用6to4地址访问这些孤岛式的IPv6业务平台。同时欢迎第三方开发仅面向IPv6用户的特色业务或只对IPv6用户开放的特色资源，引导和吸引用户使用IPv6。

4 结束语

移动互联网和固定宽带接入一样，向IPv6演进已是大势所趋，在实施部署中一定要注意平稳过渡，综合应用各种演进过渡技术，从系统工程的角度来推进，包括网络、业务平台和客户端，三者配合才能完整地为用户提供IPv6业务体验。

笔者认为，现有互联网上存在的大量IPv4私有地址，形成了在互联网上 “有围墙的花园”，而基于IPv6的下一代互联网全部都是公有地址，体现的是一种“更加开放、更加对等、更加可信”的精神，运营商需要积极去面对这种转变，IPv6不仅解决了地址匮乏问题，还对新业务的开发具有促进作用，对运营管理和商务模式都将带来影响。另外，IPv6的发展并不一定会导致IPv4消失，如何在发展IPv6网络的同时充分经营好现有的IPv4网络，是值得运营商深入思考的问题。