IPv4和IPv6双栈计费流程分析

吴敏清，伍佑明

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州510630）

1 IPv4和IPv6双栈技术

随着IANA宣布IPv4地址耗尽，向以IPv6为基础的下一代互联网过渡已成为必然趋势。目前大部分设备和应用都是基于IPv4的，而IPv6的发展还缺少商业需求，所以IPv4和IPv6的长期共存不可避免。目前来看，IPv4向IPv6过渡的技术主要有双栈技术、隧道技术以及翻译技术，双栈技术是实现IPv4与IPv6共存的关键技术之一。双栈技术是指在网络节点或主机上同时运行IPv4协议栈和IPv6协议栈，双栈节点同时支持与IPv4和IPv6节点的通信，当和IPv4节点通信时采用IPv4协议栈，当和IPv6节点通信时采用IPv6协议栈。从技术实现角度看，双栈技术是最成熟的过渡技术，也是其他过渡技术的基础。其他过渡技术，如隧道端点设备、协议转换设备等，都需要双栈技术支持。对于现网设备和软件来说，对IPv4的支持能力较好，如果同时支持IPv6，用户终端双栈化后，就可以既能访问IPv4应用，又能访问IPv6应用，实现双栈环境下IPv4和IPv6的长期共存。

在现有固定网络和移动网络向下一代互联网的过渡期间，公网双栈和私网双栈等过渡技术在网络中普遍部署，新增用户和部分老用户将以双栈方式接入网络，运营商将面临双栈用户IPv4和IPv6计费的新问题，用户计费的流程发生了变化，相应的计费系统需要适应计费流程的变化进行升级改造。根据用户和网络环境的变化，分析IPv4和IPv6双栈计费流程，探讨有利于业务发展的计费模式和计费策略十分必要。

2 固定网络IPv4和IPv6双栈计费流程

2.1 双栈固定网络

在双栈固定网络中，国内主要宽带运营商部署了公网双栈、私网双栈等过渡技术，同时在城域骨干网和骨干网开启了双栈。BRAS作为终结用户PPPoE连接的业务接入控制设备，将用户IP分组转发到双栈的城域骨干网中，然后分别连接IPv4和IPv6互联网。在现有网络向下一代互联网过渡的过程中，BRAS接入的用户既有仅支持IPv4的老用户，也有同时支持IPv4和IPv6的新用户，因此BRAS需要开启双栈，并配置IPv4地址池和IPv6地址池，同时给双栈用户分配IPv4地址和IPv6地址。用户路由型CPE和终端PC在具备条件的情况下也要开启双栈，在固定网络向IPv6演进的过程中，终端、网络设备需长期开启双栈，双栈技术是固定网络向IPv6过渡的主要技术，是其他过渡技术的基础。

双栈固定网络具备支持IPv4和IPv6双栈用户接入的能力，既支持老旧IPv4终端的接入，也支持新型双栈终端的接入。双栈用户可以通过桥接型CPE接入，也可以通过双栈路由型CPE接入，组网示例如图1所示。

用户以PPPoE方式接入时，在PPPoE的IPCP阶段获取IPv4地址，IPv6 CP阶段后通过ND或DHCP方式获取IPv6地址或前缀。BRAS需要支持通过PPPoE+ND/DHCP方式给双栈接入用户分配IPv4和IPv6地址，并发送用户访问IPv4和IPv6业务的计费信息，AAA服务器需要支持对相应双栈用户的认证、授权和计费等功能。

用户以IPoE方式接入时，通过DHCPv4获取IPv4地址，通过DHCPv6获取IPv6地址或前缀，BRAS需要支持通过DHCP方式给双栈用户分配IPv4和IPv6地址，同时发送用户访问IPv4和IPv6业务的计费信息，AAA服务器支持DHCP相关属性的扩展，支持对相应双栈用户的认证、授权和计费等功能。

图1 固定网络双栈组网示例

2.2 固定网络双栈计费流程

在双栈场景下，双栈用户的IPv4和IPv6计费消息是采用一次发送还是两次发送，目前还没有统一的标准进行规范。固网双栈用户可以通过PPPoE方式接入，也可以通过IPoE方式接入。通过PPPoE方式接入时，双栈BRAS对于一个PPP连接的IPv4和IPv6，可以分别送出两个不同的计费记录，AAA服务器相应产生IPv4和IPv6的CDR；通过IPoE方式接入时，DHCPv4和DHCPv6是两个相对独立的过程，相应的计费流程也是独立的。PPPoE接入方式中，IPv4和IPv6地址的获取在一个PPPoE连接过程中，相应的IPv4和IPv6计费存在一定的关联。下面以路由型终端PPPoE接入方式为例，分析固网IPv4和IPv6双栈计费消息流程，如图2所示。

用户终端发起PPPoEv6拨号时，步骤（1）～（5）与PPPoEv4的流程完全相同，用户获取IPv4地址后向AAA服务器发送IPv4计费起始分组，就可以开始IPv4数据分组的传送。在IPv6 CP阶段，终端协商获取Interface ID，通过ND或DHCPv6获取64 bit的IPv6地址前缀。对于PC终端，由IPv6地址前缀和Interface ID生成IPv6地址；对于路由型CPE，通过DHCPv6 PD获取CPE的LAN口地址前缀，再由CPE通过ND或DHCPv6协议给用户的PC分配IPv6地址，用户终端获取IPv6地址后，向AAA服务器发送IPv6计费起始分组，IPv6计费的起始分组通常选用accounting-interim分组，用户获得IPv6地址后就可以开始IPv6数据分组的传送。

图2 固定网络IPv4/IPv6双栈计费流程

双栈用户计费消息采取两次发送的模式，BRAS可以对双栈中的IPv4和IPv6独立计费，在计费开始、中间和停止阶段均分别向AAA服务器发送两条计费消息，IPv4和IPv6的CDR中的流量字段分别对应用户使用IPv4和IPv6地址所产生的流量，实现分别统计IPv4和IPv6流量。在PPP建立和释放的同时，申请和释放IPv4和IPv6地址，IPv4和IPv6 CDR中的时长字段略微有差别，两条计费消息中的时长基本相同。

如果双栈用户计费消息采取一次发送的模式，则终端在获取IPv4地址后不向AAA服务器发送IPv4计费起始分组，获取IPv6地址后，向AAA服务器发送携带IPv4和IPv6地址信息的计费起始分组，而在中间和结束阶段也只向AAA服务器发送一条计费消息。这种方式难以分别记录IPv4和IPv6的时长和流量信息，不能适应将来IPv4和IPv6的业务差异化服务要求，但这种模式对AAA系统的改造量相对较小，作为现阶段IPv6快速部署的一种方案，具有一定的适用场景。

3 cdma2000移动网IPv4和IPv6双栈计费流程

3.1 双栈cdma2000移动网

对于cdma2000移动核心网分组域而言，PDSN和HA作为终结点终结用户PPP连接，并将用户IP分组转发到外部分组网，适合采用双栈技术。移动网的用户处于移动和漫游状态，具有空口带宽有限、空口传输质量差等特点，cdma2000移动网络向IPv6演进过程中的过渡技术部署需要充分考虑这些特点。在cdma2000网络分组域中，单个PDSN GW要同时处理新老用户、本地和漫游用户的接入，在向IPv6过渡的过程中，老用户只支持IPv4、新用户可支持IPv6，即意味着PDSN GW要将IPv4和IPv6两种类型的数据分组转发到外部分组网络，因此PDSN需要支持双栈技术。同时，在隧道和转换技术成熟商用前，要实现用户同时访问IPv4和IPv6业务，需要在一个PPP连接上同时分配IPv4和IPv6地址，即用户双栈接入。

综上考虑，cdma2000网络在向IPv6演进的过程中，分组域网关设备需长期开启双栈，双栈技术是cdma2000网络分组域向IPv6过渡的主要技术，是其他过渡技术的基础。cdma2000移动网络双栈组网示例如图3所示。

分组域设备在用户面具备支持IPv6/IPv4双栈的能力，既支持新型IPv6终端接入，也可以兼容原有IPv4用户接入。分组域设备支持双栈在信令面涉及SIPv4、SIPv6、MIPv4、MIPv6 4种 技 术。网 络 必 须 同 时 支 持SIPv4和SIPv6，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，是移动IP方式下支持IPv6用户接入的最优选择。

用户以简单IP方式接入时，在一个PPP连接上同时获取IPv4和IPv6双栈地址访问业务，PDSN需要支持以简单IP方式接入的用户分配双栈地址，同时访问IPv4和IPv6业务的相关功能，AAA服务器需要支持对双栈用户的认证、授权和计费等功能。

用户以代理移动IP方式接入时，在一个PPP连接上同时获取IPv4和IPv6双栈地址访问业务，使用PMIPv6，PDSN和AAA服务器除需要支持双栈用户以简单IP方式接入时的功能外，PDSN、HA和AAA服务器设备还需支持PMIPv6。

图3 cdma2000移动网络双栈组网示例

3.2 移动网双栈计费标准流程

根 据3GPP2 X.S0011-005-D（cdma2000 Wireless IP Network Standard Accounting Service and 3GPP2 RADIUS VSA）规范，在分组域中，IPv4和IPv6地址的计费对于后付费用户是独立的，双栈PDSN对于一个PPP的IPv4和IPv6接入分别产生不同的UDR，AAA服务器分别产生IPv4和IPv6的CDR并存放于不同的目录中，计费系统基于话单目录区分是哪种类型的话单。简单IPv4和IPv6双栈计费消息流程如图4所示。

AAA服务器发送的access accept消息中携带IP-services-authorized属 性 授 权SIPv4、SIPv6双 栈，通 过framed-IPv6-pool和framed-pool授权IPv6前缀池和IPv4地址池，授权IPv4或IPv6 DNS地址。

PDSN给 用 户 分 配IPv4和IPv4 DNS地 址，PDSN向AAA服务器发送IPv4计费开始消息。

PDSN在RA消息中从AAA服务器授权的IPv6前缀池中给终端分配一个IPv6前缀，终端根据RA中的分配，IPv6前缀使用无状态地址自动配置机制生成全局IPv6地址，无状态DHCP机制为终端分配IPv4 DNS地址。同时，PDSN向AAA服务器发送IPv6计费开始消息。

PDSN对IPv4和IPv6会话进行独立计费，在计费开始、中间和停止阶段分别向AAA服务器发送两条计费消息，分别统计IPv4和IPv6流量。在PPP建立和释放的同时，申请和释放IPv4和IPv6地址的情况下，两条计费消息的时长相同。

图4 cdma2000移动网分组域简单IPv4/IPv6双栈计费消息流程

IPv4和IPv6的UDR中的流量字段，分别对应用户使用IPv4和IPv6地址所产生的流量，即可实现分别统计IPv4和IPv6流量。但IPv4和IPv6 UDR中的时长字段均针对整个PPP连接，因此无法区分用户使用IPv4和IPv6地址的时长。

CDR中带有source IP address字段的为IPv4话单，IPv4话单中的data octet count为用户用IPv4地址访问业务的流量，IPv4最后一个结束报文中，携带sessioncontinue=false。

CDR中带有source IPv6 prefix字段的为IPv6话单，话单中的data octet count为用户用IPv6地址访问业务的流量，IPv6最后一个话单结束报文中，携带session-continue=false。

PDSN单独对IPv4和IPv6进行计费统计，由于这两个进程使用的是同一个认证/授权消息，一个PPP会话中的IPv4和IPv6 CDR的correlation ID相 同，account session ID不相同。PPP建立和释放时，申请和释放IPv4和IPv6地址，IPv4地址使用时长=IPv6地址使用时长=PPP会话时长，则IPv6 CDR中的acct-session-time=IPv4 CDR中 的acct-session-time=PPP会话时长。将来，可能出现IPv4和IPv6地址不同时申请、释放的情况，由应用程序决定。

4 IPv4和IPv6双栈计费应用展望

从目前市场计费需求来看，IPv4和IPv6暂时无需区别计费，需要统一向用户呈现一张话单。从市场发展和客户服务的角度，有可能存在用户需要查询流量详单的需求，因此话单中需要保留可以区分标识IPv4和IPv6的流量，能够满足未来市场对IPv6区分计费的要求。

从网络运维需求来看，在IPv4和IPv6计费消息中，可分别统计IPv4和IPv6会话的上下线数据分组数量和吞吐量，为运营商清晰呈现IPv4和IPv6业务的使用量，便于网络资源的占用分析和统计，进行网络维护。

根据前面的流程分析，固定网络和移动网络均可以采用双栈用户IPv4和IPv6地址独立计费的方式，BRAS和PDSN可以对双栈中的IPv4和IPv6独立计费，在计费开始、中间和停止阶段分别向AAA服务器发送两条计费消息，IPv4和IPv6的CDR中的流量字段分别对应用户使用IPv4和IPv6地址所产生的流量，分别统计IPv4和IPv6流量。AAA服务器对双栈用户分别产生IPv4和IPv6的CDR。由于AAA服务器双栈用户对双栈用户产生CDR的数量增加一倍，则要求AAA服务器设备有更高的处理能力，提供更多的存储空间，同时也要求IT计费账务系统提升处理能力。

5 结束语

现有网络向IPv6演进涉及终端、网络设备、IT系统、业务系统以及应用系统等各个环节，如何促进业务和应用的迁移，引导用户使用IPv6业务和应用是当前的重要考虑。在双栈环境下，虽然目前暂无区别计费需求，但中期不排除有差异化价格策略，因此通过分析双栈计费流程，提供差异化的IPv4和IPv6计费策略，可以有效引导双栈用户使用IPv6应用，从而促进CP/SP的应用向IPv6迁移，促进产业链各个环节的良性循环，加速现有网络向下一代互联网过渡。

1 Droms R,Bound J,Volz B,et al.Dynamic Host Configure Protocol for IPv6.RFC3315,2003

2 Varada S,Haskins D,Allen E.IP Version 6 over PPP.RFC5072,2007

3 Rigney C,Willens S,Rubens A,et al.Remote Authentication Dial in User Service(RADIUS).RFC2865,2010

4 Rigney C.RADIUS Accounting.RFC2866,2010

5 3GPP2 X.S0011-005-D.cdma2000 Wireless IP Network Standard Accounting Services and 3GPP2 RADIUS VSAs,2009