基于IMS的IPv6用户接入及业务适配方案研究
2014-11-15朱晓洁杨征
朱晓洁+杨征
介绍了IPv6用户接入IMS网络的场景和业务要求，对支持IPv6用户接入的边界翻译和地址双栈这2种技术方案进行分析和比较，并结合技术实现及运营管理等要求提出方案建议。此外，针对边界翻译方案部署提出IPv6用户认证鉴权以及与IPv4用户间的话音业务适配流程。
IMS IPv6 业务适配 边界翻译 地址双栈
1 引言
光纤接入网和下一代互联网的商用部署推动了IPv6地址的广泛应用，运营商基于宽带接入网络和IMS系统为用户提供宽带多媒体话音业务。由于现役IMS网络大多基于IPv4承载，因此用户采用IPv6地址接入对IMS网络提出了IPv6与IPv4用户间的话音、短信及其他多媒体业务的适配要求。
此外，随着4G网络的商用部署，当前移动网络2G、3G、4G等多制式并存的网络环境为话音业务提供了多种解决方案。运营商根据自身业务和网络的发展要求，可以选择纯电路域（如CS Fallback、SVLTE等）、纯分组域（如VoLTE）、电路域与分组域结合（如SRVCC、DRVCC等）等方式提供话音业务。电路域退网后，业界推荐使用VoLTE作为移动4G LTE网络话音业务的终极解决方案，即基于LTE分组域和IMS系统为LTE接入用户提供话音业务。由于LTE网络用户接入启用IPv6地址，因此与固定宽带接入话音用户类似，VoLTE对IMS提出了IPv6用户接入和业务适配的要求。
本文对IPv6用户接入IMS网络的场景和需求、IMS网络支持IPv6用户接入的技术方案、IPv6用户接入的业务适配方案进行研究，提出IPv6用户接入对IMS相关网元的技术要求。
2 IPv6用户接入IMS网络的场景和需求
IMS用户从固定宽带或移动LTE接入网获取IPv6地址，并用IPv6地址向IMS网络发起注册和业务请求，IMS网络能正确处理注册和业务适配，为用户提供服务。IPv6用户的业务能力及体验要求与IPv4用户相同。
IPv6用户接入类型主要包括：
（1）移动手机用户通过3G/4G网络接入IMS核心网；
（2）PC用户通过互联网接入IMS核心网；
（3）SIP硬终端、PON/IAD等用户通过专线或VPN接入IMS核心网。
IPv6用户接入IMS网络示意图如图1所示：
图1 IPv6用户接入IMS网络示意图
边缘会话控制网元（SBC）完成IMS系统内部网络与用户接入网的安全隔离。用户数据库HSS、会话控制S/I/P-CSCF、互通网元MGCF/IM-MGW等IMS核心网元需要同时支持IPv4和IPv6用户的接入认证、路由以及业务提供，支持IPv4与IPv6用户之间的业务互通。Ut接口支持IPv4与IPv6用户对业务属性的自配置和自管理。
3 IMS网络支持IPv6用户接入的技术方案
3.1 地址双栈方式和边界翻译方式
针对固定和移动IPv6用户的接入需求，当前基于IPv4版本的IMS网络承接IPv6用户接入的技术方案主要有地址双栈方式和边界翻译方式。
地址双栈方式是指IMS网络的所有网元均运行在IPv4/IPv6双栈，同时支持IPv4和IPv6通信。对于会话的发送方和接收方均采用同种地址类型如同为IPv4或同为IPv6时，IMS网络无需对会话的信令和媒体IP地址进行转换。当会话用户双方采用不同IP版本时，需要通过媒体协商响应方的SBC完成SIP信令和IP媒体包的IPv4/IPv6版本转换。
边界翻译方式是指IMS核心网络运行在单栈方式，域内统一采用IPv4或IPv6地址，当需进行互联或互通的终端、应用服务器、网管和计费系统、其它网络等与IMS网络域内采用的IP版本不同时，则在接入或互通边界设置相应功能完成信令和媒体的翻译与转换。
3.2 方案比较和建议
对地址双栈和边界翻译方式比较如表1所示：
表1 地址双栈和边界翻译方式比较表
比较内容 地址双栈方式 边界翻译方式
业务能力 IPv6用户业务能力与IPv4用户相同。 IPv6用户业务能力与IPv4用户相同。
IMS网络设备
支持情况 部分设备支持。 所有设备均支持。
地址需求 核心和边界网元均需配置IPv4和IPv6这2套地址。 核心网元需1套地址，边界网元需2套地址。
转换效率 较高，信令和媒体IP协议转换仅针对发送接收方地址版本不一致的会话，且仅需转换一次。 较低，对所有IPv6用户发起的注册和会话均需进行协议转换，对IPv6用户与IPv6用户间会话的信令和媒体需做2次协议转换.
部署实施 复杂，所有核心网元均需升级启用双栈。 简单，仅需边界网元启用双栈和翻译功能。
维护管理 较复杂，所有网元均需维护2套IP地址。 简单，IMS核心仅维护1套地址。
在IPv6部署初期，IMS网络基于IPv4承载，由于IPv6用户数不大，信令和媒体IP版本转换对SBC设备性能需求较小，综合考虑地址配置、部署实施和维护管理等因素，建议采用边界翻译方式承接IPv6用户。
4 IPv4/IPv6地址的边界翻译方案
IPv6用户接入IMS网络，主要在SBC支持IPv4/IPv6双栈及IPv4/IPv6协议的转换功能，解决协议兼容问题。组网示意图如图2所示：
图2 IPv6引入初期边界翻译方式组网示意图
用户数据库HSS、会话业务控制P/I/S-CSCF、互通网元MGCF/MGW等IMS核心网元仍承载在IPv4网络上。SBC支持IPv4/IPv6地址双栈及翻译功能以解决多协议接入问题。Ut接口通过应用网关支持地址双栈及翻译功能实现IPv6用户的业务配置。PC客户端和移动终端根据固定宽带和移动接入网的地址分配情况采用IPv6或IPv4接入，SIP硬终端、PON/IAD可根据运营商实际情况采用IPv6或保留IPv4接入方式。endprint
5 边界翻译方式下的IPv6用户业务流程
及适配要求
以话音业务为例，IMS核心网使用IPv4承载并启用边界翻译方式支持IPv6用户接入时，对IPv6用户的注册和业务适配流程分析如下：
5.1 IPv6用户注册
IPv6用户注册流程如图3所示：
（1）UE查询承载网本地DNS服务器（L-DNS）获取设备SBC的IP地址；L-DNS根据UE的源IP地址，返回SBC的IPv6地址以及UE的归属域名；
（2）UE将注册消息发送给SBC；
（3）SBC创建终端IPv6与IPv4地址间的绑定关系，将UE的注册消息进行IPv6到IPv4的转换工作，将终端发出的SIP消息中Contact和Via头字段携带的终端IPv6地址映射并替换为SBC的IPv4地址；添加P-Access-Network-Info头域（其中IP地址为UE的真实IPv6地址），再发往P-CSCF；
（4）P-CSCF对UE域名地址进行DNS查询，获取I-CSCF的IPv4地址，P-CSCF将消息发送给主用I-CSCF；
（5～6）I-CSCF查询HSS获取UE用户对应S-CSCF的IPv4地址；HSS返回S-CSCF地址或能力；
（7）I-CSCF根据策略选用S-CSCF，并将消息发送给它；
（8～9）S-CSCF向HSS获取用户鉴权信息；
（10）S-CSCF向用户鉴权发起挑战，即发送401消息；
（11～13）将401响应转发给UE；
（14～16）UE发送承载有认证挑战响应的第2个注册请求Register；
（17～18）I-CSCF查询HSS获取UE用户对应S-CSCF的IPv4地址；HSS返回S-CSCF地址或能力；
（19）I-CSCF转发第2个注册请求Register给S-CSCF；
（20）S-CSCF根据从HSS收到的鉴权向量对用户进行鉴权；
（21～22）S-CSCF立即通知HSS，用户已成功注册；HSS返回响应，如S-CSCF中无用户数据则下载用户数据；
（23）S-CSCF向I-CSCF发送200 OK响应，表示用户注册成功；
（24～26）200 OK转发到SBC，SBC根据IPv4/IPv6的地址转换功能，将P-CSCF发往终端的SIP消息中Contact头字段携带的对端IPv4地址映射并替换为IPv6地址，并将Via头字段携带的SBC IPv4地址映射并替换为终端IPv6地址，再发送给终端。
5.2 基本会话业务
主叫为IPv6用户，被叫为IPv4用户时呼叫流程如图4所示。
（1）主叫终端UE A摘机拨号，向IMS系统发送INVITE消息，携带主叫侧媒体信息，初始INVITE请求到达SBC；
（2）SBC A接收到呼叫请求后，回送100 Trying消息；
（3）SBC A将终端发出的初始INVITE消息中的SDP消息“c=”字段中的终端IPv6地址替换为SBC IPv4地址，并将“m=”字段中的端口号进行相应映射和替换后，再发往P-CSCF；
（4～11）与IPv4-IPv4用户呼叫相同；
（12）将P-CSCF发往终端的18*消息中的SDP消息“c=”字段中的对端IPv4地址替换为SBC IPv6地址，并将“m=”字段中的端口号进行相应映射和替换后，再发送给终端；
（13～23）与IPv4-IPv4用户呼叫相同；
（24）将P-CSCF发往终端的200 OK消息中的SDP消息“c=”字段中的对端IPv4地址替换为SBC IPv6地址，并将“m=”字段中的端口号进行相应映射和替换后，再发送给终端。
UE A和UE B会话通道建立完毕，SBC A完成媒体信息包从IPv6到IPv4协议的转换。
6 结束语
随着互联网的迅猛发展，IPv4地址枯竭的速度加快，IPv6地址的应用将越来越广泛，IMS网络作为基于IP网络的多媒体业务控制核心，需要顺应业务和网络技术发展的要求，支持用户采用IPv6地址接入并使用业务。本文从业务需求角度，提出了IMS网络支持IPv6的技术方案，但相关方案在网络设备的支持情况仍有待进一步验证，将来需要终端厂商、设备厂商、运营商、IMS应用提供商等共同推动，才能顺利完成IMS网络从IPv4到IPv6的过渡。
参考文献：
[1] 李文苡. LTE语音，运营商的难题[J]. 广东通信技术， 2013（9）： 2-6.
[2] 中华人民共和国工业和信息化部. YD/T 1930-2009统一IMS组网总体技术要求（第一阶段）[S]. 2009.
[3] 中华人民共和国工业和信息化部. YD/T 2007-2009统一IMS的功能体系架构（第一阶段）[S]. 2009.
[4] 中华人民共和国工业和信息化部. YD/T 1522.1-2006 会话初始协议（SIP）技术要求 第1部分：基本的会话初始协议[S]. 2006.
[5] M Bagnulo. RFC 6146 Stateful NAT64： Network Address and Protocol Translation from IPv6 Clients to IPv4 Servers[S]. IETF， 2011.
[6] A Durand. RFC 6333 Dual-Stack Lite Broadband Deployments Following IPv4 Exhaustion[S]. IETF， 2011.endprint
5 边界翻译方式下的IPv6用户业务流程
及适配要求
以话音业务为例，IMS核心网使用IPv4承载并启用边界翻译方式支持IPv6用户接入时，对IPv6用户的注册和业务适配流程分析如下：
5.1 IPv6用户注册
IPv6用户注册流程如图3所示：
（1）UE查询承载网本地DNS服务器（L-DNS）获取设备SBC的IP地址；L-DNS根据UE的源IP地址，返回SBC的IPv6地址以及UE的归属域名；
（2）UE将注册消息发送给SBC；
（3）SBC创建终端IPv6与IPv4地址间的绑定关系，将UE的注册消息进行IPv6到IPv4的转换工作，将终端发出的SIP消息中Contact和Via头字段携带的终端IPv6地址映射并替换为SBC的IPv4地址；添加P-Access-Network-Info头域（其中IP地址为UE的真实IPv6地址），再发往P-CSCF；
（4）P-CSCF对UE域名地址进行DNS查询，获取I-CSCF的IPv4地址，P-CSCF将消息发送给主用I-CSCF；
（5～6）I-CSCF查询HSS获取UE用户对应S-CSCF的IPv4地址；HSS返回S-CSCF地址或能力；
（7）I-CSCF根据策略选用S-CSCF，并将消息发送给它；
（8～9）S-CSCF向HSS获取用户鉴权信息；
（10）S-CSCF向用户鉴权发起挑战，即发送401消息；
（11～13）将401响应转发给UE；
（14～16）UE发送承载有认证挑战响应的第2个注册请求Register；
（17～18）I-CSCF查询HSS获取UE用户对应S-CSCF的IPv4地址；HSS返回S-CSCF地址或能力；
（19）I-CSCF转发第2个注册请求Register给S-CSCF；
（20）S-CSCF根据从HSS收到的鉴权向量对用户进行鉴权；
（21～22）S-CSCF立即通知HSS，用户已成功注册；HSS返回响应，如S-CSCF中无用户数据则下载用户数据；
（23）S-CSCF向I-CSCF发送200 OK响应，表示用户注册成功；
（24～26）200 OK转发到SBC，SBC根据IPv4/IPv6的地址转换功能，将P-CSCF发往终端的SIP消息中Contact头字段携带的对端IPv4地址映射并替换为IPv6地址，并将Via头字段携带的SBC IPv4地址映射并替换为终端IPv6地址，再发送给终端。
5.2 基本会话业务
主叫为IPv6用户，被叫为IPv4用户时呼叫流程如图4所示。
（1）主叫终端UE A摘机拨号，向IMS系统发送INVITE消息，携带主叫侧媒体信息，初始INVITE请求到达SBC；
（2）SBC A接收到呼叫请求后，回送100 Trying消息；
（3）SBC A将终端发出的初始INVITE消息中的SDP消息“c=”字段中的终端IPv6地址替换为SBC IPv4地址，并将“m=”字段中的端口号进行相应映射和替换后，再发往P-CSCF；
（4～11）与IPv4-IPv4用户呼叫相同；
（12）将P-CSCF发往终端的18*消息中的SDP消息“c=”字段中的对端IPv4地址替换为SBC IPv6地址，并将“m=”字段中的端口号进行相应映射和替换后，再发送给终端；
（13～23）与IPv4-IPv4用户呼叫相同；
（24）将P-CSCF发往终端的200 OK消息中的SDP消息“c=”字段中的对端IPv4地址替换为SBC IPv6地址，并将“m=”字段中的端口号进行相应映射和替换后，再发送给终端。
UE A和UE B会话通道建立完毕，SBC A完成媒体信息包从IPv6到IPv4协议的转换。
6 结束语
随着互联网的迅猛发展，IPv4地址枯竭的速度加快，IPv6地址的应用将越来越广泛，IMS网络作为基于IP网络的多媒体业务控制核心，需要顺应业务和网络技术发展的要求，支持用户采用IPv6地址接入并使用业务。本文从业务需求角度，提出了IMS网络支持IPv6的技术方案，但相关方案在网络设备的支持情况仍有待进一步验证，将来需要终端厂商、设备厂商、运营商、IMS应用提供商等共同推动，才能顺利完成IMS网络从IPv4到IPv6的过渡。
参考文献：
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[3] 中华人民共和国工业和信息化部. YD/T 2007-2009统一IMS的功能体系架构（第一阶段）[S]. 2009.
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[5] M Bagnulo. RFC 6146 Stateful NAT64： Network Address and Protocol Translation from IPv6 Clients to IPv4 Servers[S]. IETF， 2011.
[6] A Durand. RFC 6333 Dual-Stack Lite Broadband Deployments Following IPv4 Exhaustion[S]. IETF， 2011.endprint
5 边界翻译方式下的IPv6用户业务流程
及适配要求
以话音业务为例，IMS核心网使用IPv4承载并启用边界翻译方式支持IPv6用户接入时，对IPv6用户的注册和业务适配流程分析如下：
5.1 IPv6用户注册
IPv6用户注册流程如图3所示：
（1）UE查询承载网本地DNS服务器（L-DNS）获取设备SBC的IP地址；L-DNS根据UE的源IP地址，返回SBC的IPv6地址以及UE的归属域名；
（2）UE将注册消息发送给SBC；
（3）SBC创建终端IPv6与IPv4地址间的绑定关系，将UE的注册消息进行IPv6到IPv4的转换工作，将终端发出的SIP消息中Contact和Via头字段携带的终端IPv6地址映射并替换为SBC的IPv4地址；添加P-Access-Network-Info头域（其中IP地址为UE的真实IPv6地址），再发往P-CSCF；
（4）P-CSCF对UE域名地址进行DNS查询，获取I-CSCF的IPv4地址，P-CSCF将消息发送给主用I-CSCF；
（5～6）I-CSCF查询HSS获取UE用户对应S-CSCF的IPv4地址；HSS返回S-CSCF地址或能力；
（7）I-CSCF根据策略选用S-CSCF，并将消息发送给它；
（8～9）S-CSCF向HSS获取用户鉴权信息；
（10）S-CSCF向用户鉴权发起挑战，即发送401消息；
（11～13）将401响应转发给UE；
（14～16）UE发送承载有认证挑战响应的第2个注册请求Register；
（17～18）I-CSCF查询HSS获取UE用户对应S-CSCF的IPv4地址；HSS返回S-CSCF地址或能力；
（19）I-CSCF转发第2个注册请求Register给S-CSCF；
（20）S-CSCF根据从HSS收到的鉴权向量对用户进行鉴权；
（21～22）S-CSCF立即通知HSS，用户已成功注册；HSS返回响应，如S-CSCF中无用户数据则下载用户数据；
（23）S-CSCF向I-CSCF发送200 OK响应，表示用户注册成功；
（24～26）200 OK转发到SBC，SBC根据IPv4/IPv6的地址转换功能，将P-CSCF发往终端的SIP消息中Contact头字段携带的对端IPv4地址映射并替换为IPv6地址，并将Via头字段携带的SBC IPv4地址映射并替换为终端IPv6地址，再发送给终端。
5.2 基本会话业务
主叫为IPv6用户，被叫为IPv4用户时呼叫流程如图4所示。
（1）主叫终端UE A摘机拨号，向IMS系统发送INVITE消息，携带主叫侧媒体信息，初始INVITE请求到达SBC；
（2）SBC A接收到呼叫请求后，回送100 Trying消息；
（3）SBC A将终端发出的初始INVITE消息中的SDP消息“c=”字段中的终端IPv6地址替换为SBC IPv4地址，并将“m=”字段中的端口号进行相应映射和替换后，再发往P-CSCF；
（4～11）与IPv4-IPv4用户呼叫相同；
（12）将P-CSCF发往终端的18*消息中的SDP消息“c=”字段中的对端IPv4地址替换为SBC IPv6地址，并将“m=”字段中的端口号进行相应映射和替换后，再发送给终端；
（13～23）与IPv4-IPv4用户呼叫相同；
（24）将P-CSCF发往终端的200 OK消息中的SDP消息“c=”字段中的对端IPv4地址替换为SBC IPv6地址，并将“m=”字段中的端口号进行相应映射和替换后，再发送给终端。
UE A和UE B会话通道建立完毕，SBC A完成媒体信息包从IPv6到IPv4协议的转换。
6 结束语
随着互联网的迅猛发展，IPv4地址枯竭的速度加快，IPv6地址的应用将越来越广泛，IMS网络作为基于IP网络的多媒体业务控制核心，需要顺应业务和网络技术发展的要求，支持用户采用IPv6地址接入并使用业务。本文从业务需求角度，提出了IMS网络支持IPv6的技术方案，但相关方案在网络设备的支持情况仍有待进一步验证，将来需要终端厂商、设备厂商、运营商、IMS应用提供商等共同推动，才能顺利完成IMS网络从IPv4到IPv6的过渡。
参考文献：
[1] 李文苡. LTE语音，运营商的难题[J]. 广东通信技术， 2013（9）： 2-6.
[2] 中华人民共和国工业和信息化部. YD/T 1930-2009统一IMS组网总体技术要求（第一阶段）[S]. 2009.
[3] 中华人民共和国工业和信息化部. YD/T 2007-2009统一IMS的功能体系架构（第一阶段）[S]. 2009.
[4] 中华人民共和国工业和信息化部. YD/T 1522.1-2006 会话初始协议（SIP）技术要求 第1部分：基本的会话初始协议[S]. 2006.
[5] M Bagnulo. RFC 6146 Stateful NAT64： Network Address and Protocol Translation from IPv6 Clients to IPv4 Servers[S]. IETF， 2011.
[6] A Durand. RFC 6333 Dual-Stack Lite Broadband Deployments Following IPv4 Exhaustion[S]. IETF， 2011.endprint
