IPv6在国家电网下一代行政交换网的应用*

曲振华　中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

李　成　中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师

罗　松　中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师

网络技术

IPv6在国家电网下一代行政交换网的应用*

曲振华中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

李成中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师

罗松中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师

基于IPv6在IMS网络的应用方案及我国运营商下一代交换网IPv6应用现状的分析，针对国家电网下一代行政交换网演进需求，提出IPv6在国家电网下一代行政交换网中的应用方案。

IPv6 IMS IPv4

1　引言

下一代交换网是相对于原有基于时分复用TDM承载的交换网络，承载在TDM上的交换网络的网络交换节点是交换机，而下一代交换网是基于IP承载的交换网络，网络交换节点是软交换和IMS的节点。目前，公众电信网和多行业领域的交换网络已经向下一代交换网演进，并将向IP多媒体子系统（IMS）演进。

IMS作为基于IP网络的多媒体业务的控制核心，基于IP分组技术的系统，能提供语音、视频、图片、文本等多媒体业务，具有承载和控制的分离、与终端接入无关、会话控制和业务控制的分离三大特征，已是下一代交换网的演进方向。IMS是IP网络的应用之一，架构于IP网络之上，每个网元和终端都有各自的IP地址，用户终端使用业务需获得IP接入IMS网络，IMS主要面向多媒体用户提供业务，业务有端到端的IP连接需求；由于IMS网络主要面向多媒体用户，其终端主要包括PC、SIP等，各种类型的IP终端对IP地址有大量需求，终端对IP地址的大量需求将推动下一代交换网向IPv6演进。

IPv6相比于IPv4具有明显优势，IPv6协议采用长度为128位IP地址，地址充足，可提供大量IP地址，支持大量终端应用，彻底解决IPv4地址不足的难题；协议进行优化，增加扩展包头，提高协议扩展性；且在地址容量、安全性、网络管理、移动性及服务质量等方面有明显改进；IPv6使得终端长期拥有一个IP地址，并实时在线，有助于促进新业务模式的发展，更利于实现实时的端到端的业务（VoLTE、RCS）等多媒体业务的发展，IPv6技术可满足下一代交换网发展演进需求，将是下一代交换网IP技术的发展方向。

2　IPv6在IMS网络的应用方案

由于下一代交换网演进是渐进的过程，且目前网络中IPv4设备和用户数量庞大，因此下一代交换网需渐进向IPv6过渡，IPv6在IMS网络中的应用方案主要有双栈方案和边界翻译方案。

2.1双栈方案

双栈方案要求IMS网络所有网元应同时支持IPv4 和IPv6，当IMS网络采用双栈方式引入IPv6时，要求IMS网络内所有网元均支持IPv4和IPv6双栈，在IMS所有网元节点上同时运行IPv4和IPv6两种协议。

2.2边界翻译方案

边界翻译方案是指IMS网络域内统一采用IPv4或IPv6地址，当需进行互联或互通的终端、接入网、应用服务器、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的IPv4和IPv6翻译功能完成信令和媒体级的翻译与转换，以实现IPv4终端之间、IPv6终端之间、IPv4与IPv6终端之间、IPv4/v6终端与应用之间、IMS网络与其它网络之间的业务互通，以及相应正确的计费。依据场景的不同，IMS网络对边界功能的要求也有所不同。承载网向IPv6演进一般优先于核心网IPv6演进，当承载网已经演进到IPv6，IMS仍处于IPv4核心网，可能存在多种演进场景，对IMS核心网有相应技术要求。

（1）IPv4/v6终端接入IMS

当IMS核心网设备采用IPv4、承载网采用IPv6时，IMS网络应支持IPv4/v6终端的接入（见图1）。IMS应通过在终端与P-CSCF之间设置SBC，保证IMSIPv4核心网和IPv6承载网具备对IPv4和IPv6终端的接入能力，实现IPv4终端之间、IPv6终端之间、IPv4与IPv6终端之间以及它们与应用之间的业务互通，要求SBC应支持IPv4/v6双栈；当IPv6终端接入时，应能完成用户终端与核心网之间SIP信令层面IPv6与IPv4之间的翻译转换功能，包括当IPv6终端注册时，SBC创建终端IPv6与IPv4地址间的绑定关系；当有其他终端或应用请求建立与IPv6终端的会话时，SBC创建对端IPv4与IPv6地址间的绑定关系。当IPv4终端接入时，SBC应能完成用户终端与核心网之间SDP信令层面IPv6与IPv4之间的翻译转换功能。

图1　IMS IPv4核心网，IPv6承载网，IPv4/v6终端接入

（2）与其它IPv4/v6网络互通

图2　IMS IPv4核心网，IPv4承载网，与其它IPv6网络互通

如图2所示，当IMS核心网设备采用IPv4，承载网采用IPv6，但支持与其它IPv4和IPv6网络的互通，要求IMS网络的MGCF在信令层面使IMSIPv4网络具备与其它IPv6网络进行互通，实现IPv4与IPv6网络之间的业务互通；通过IMS-MGW在媒体层面使IMSIPv6网络具备与其它IPv4网络进行互通的能力，实现IPv6 与IPv4网络之间的业务互通；MGCF应支持IPv4/v6双栈，当与IPv6网络互通时，应能完成网络间SIP信令层面IPv4与IPv6的翻译转换功能。当与IPv4网络互通时，IMS-MGW应能完成网络间SDP信令层面IPv6与IPv4的翻译转换功能。

（3）与IPv4/IPv6应用服务器互通

IMS核心网设备采用IPv4，承载网为IPv6，支持与IPv4和IPv6应用服务器的互通（见图3）。当IMS需与第三方应用服务器互通，且采用IP版本不同时，可由运营商部署的应用网关完成信令层和媒体层IPv4与IPv6的协议转换功能，当与IPv4应用服务器互通时，由应用网关完成媒体相关IPv6与IPv4的协议转换功能；当与IPv6应用服务器互通时，可由应用网关完成信令层面IPv4与IPv6的协议转换功能。

图3　IMS IPv4核心网，IPv6承载网，与IPv4/v6应用服务器互通

（4）小结

综上所述，IPv6在IMS中的应用存在如下问题：

●IMSIPv6双栈方案网络规划相对简单，但网络维护复杂，占用设备资源更多

双栈方案是在IMS网元设备上同时实现IPv4和IPv6双协议栈，各自独立实现IPv4和IPv6的处理和转发，IMSIPv6网络规划相对简单，但网络中有IPv4和 IPv6两个协议栈同时运行，操作维护复杂，占用设备资源更多，也无法解决IPv4地址短缺问题，无法解决IPv4 和IPv6互访问题。

●IMSIPv6边界翻译方案中接入或互通网元可能带来业务质量降低，部分信息丢失，边界网元处理开销较大

翻译技术用来将IPv4（IPv6）数据包转换成IPv6 （IPv4）数据包，将IPv6数据包中的每个字段与IPv4数据包中的每个字段建立起一一映射的关系，从而在两个网络的边缘实现数据报文的转换，应用于IPv4-only和IPv6-only的网络互通。可以实现IPv4和IPv6的互通，不需要进行IPv4、IPv6节点的升级改造，但存在“地址转换”带来的业务质量降低，加密报文无法翻译等风险，可能导致部分信息丢失，实现较复杂，处理开销较大。

3　我国运营商下一代交换网IPv6应用现状

（1）中国移动

中国移动IPv6发展整体推进计划分为3个阶段：

●2012—2013年是启动期，启动期开展规模试验。

●2014—2015年是推广期，实现全网升级。

●到2016年达到全面应用，用户大规模使用IPv6。

中国移动已经制定了接入网、承载网、支撑系统、终端、业务等环节端到端IPv6完整过渡计划，并于2012年底启动约10个省份的网络改造，已在9个省启动IPv6试点，已完成涉及8个厂商的TD-LTE设备IPv6测试，并借助LTE发展契机，推动同步引入IPv6，未来的目标是LTE用户开机后自动获得IPv6地址，直到用户关机。

（2）中国电信

中国电信已明确IPv6商用的时间表：2009年，开始启动IPv6试点部署，即2009—2010年为IPv6的试商用阶段，试点业务包括宽带接入、IDC、VPN等；2011年，启动IPv6及过渡技术研究和现网试点验证；2012—2015年，规模商用IPv6；2015年后，大规模使用IPv6。2012年，中国电信在湖南、江苏等试点基础上，增加新的省市启动互联网基础设施改造，并明确IPv6六大业务切入点，自营业务首先过渡，企业和家庭网关实现对部分政企和家庭客户IPv6接入支持；部分重点业务采用IPv4/v6双栈模式，大众业务建议采用纯IPv6模式发展。对于固定和移动用户接入，采用双栈实现IPv4/v6业务访问。

（3）中国联通

中国联通从集团层面制定IPv6演进总体原则，网络侧尽量选择直接向双栈过渡，骨干网初期可局部开启双栈+6PE；城域及接入网根据用户及业务部署的明确需求，局部小规模范围内可选择合适的隧道、翻译等技术快速解决IPv6和IPv4互访，并已开展各地广泛试点，重点解决宽带用户的IPv6的业务使用。中国联通制定IPv6发展时间表分为3个阶段：2011—2013年的商用试点阶段；2013—2015年初的规模部署阶段，联通2013年底发展宽带接入用户300万，并开展移动互联网IPv6试点，完成自营业务改造和支撑系统升级，到2015年实现IPv4和IPv6无缝互联互通；2015—2020年是普及发展阶段，未来将在全国推动云计算、物联网、三网融合、移动互联网等业务应用，全面支持IPv6特色应用。

4　国家电网下一代行政交换网IPv6演进方案

4.1IPv6在国家电网下一代行政交换网中应用原则

国家电网目前已确定下一代行政交换网的IMS技术体制以及IMS网络建设思路，并开展现网建设工作。为了保证IPv6在国家电网下一代行政交换网IMS的平稳过渡，IMS网络向IPv6过渡过程中建议遵循以下原则：

（1）严格遵循国家电网交换网演进规律，并充分考虑国家电网承载网演进策略，按照承载网优先于交换网向IPv6演进策略；省间骨干网优先于省内/地市数据通信网向IPv6演进；交换网边界优先于交换网核心设备向IPv6演进；宽带用户优先于窄带用户向IPv6演进，或窄带用户维持IPv4。

（2）不能降低用户业务体验，IMS核心网进行IPv4 或IPv6协议倒换时，所有核心网元都要求同时倒换，否则影响现有业务。

（3）尽可能降低运营负担，为保证IMS相关业务的正常接续，对同一个IMS核心网的所有网元，组网时只遵循一种IP协议，只支持IPv4或IPv6。

（4）确保过渡期的用户可控可管，IMS接入网元，如SBC等需要支持双栈，即具备对信令和媒体进行IPv4和IPv6协议转换功能，保证IPv6终端的业务正常使用。

（5）IMS互通网元（如MGCF/MGW，IBCF/TrGW）等需要支持双栈，即具备对信令和媒体进行IPv4和IPv6协议转换功能，保证IMS与他网在协议倒换前后能正常互通。

（6）不影响现有业务使用和体验，为保证IMS核心网在IPv4和IPv6协议转换前后，所有业务能正常接续，现有业务平台AS要求支持双栈，且第三方业务平台AS与IMS网络之间的网关必须支持双栈，解决AS 与IMS核心网协议转换问题。

（7）为保证IMS核心网在IPv4和IPv6协议转换前后，所有业务管理、操作维护能正常进行，IMS计费、网管、同步等支撑系统需支持双栈。

4.2IPv6在国家电网下一代行政交换网中应用方案

（1）国家电网下一代行政交换网及承载网演进方案

国家电网公司原行政交换网保持不变，新建的IMS交换网采用IP化、扁平化组网方式，采用分省建设方案，共在28个单位（总部及27个省公司）建设IMS网络，各区域分部及直属单位接入所在省份的IMS核心网；每省建设两套IMS核心网元，采用1+1省内异地互备的容灾方式；两套IMS核心设备分别建设在国家电网公司数据通信网第一和第二汇聚点所在的两个机房内。

IMS业务统一由公司数据通信网承载。公司数据通信网新增IMSVPN，承载本地及跨省IMS信令和媒体，IMSVPN应覆盖到地市公司，具备条件的省公司可将IMSVPN覆盖到县公司。省公司、地市公司应各部署两台CE设备，作为IMS业务汇接交换机，口字型上联至数据通信网PE设备。核心网通过独立物理通道双上联CE设备接入到数据通信网。IMS主汇接节点、第二汇接节点的CE设备间应通过两条独立的专用传输链路互联，完成主、备节点间的心跳和数据同步，实现主汇接节点、第二汇接节点网络容灾保护。

国家电网公司数据通信网作为行业性的专用通信网，主要是为满足电力经营管理需要，保障电力生产正常高效进行而建设。随着公司业务发展的需要，逐步形成多级网络并存的格局，包括覆盖公司总部、各分部、各省电力公司、各直属单位、三地灾备中心及部分直调厂站的数据通信骨干网以及省级数据通信网。国家电网公司数据通信骨干网已经形成以西单总部、三地灾备中心、白广路和区域汇聚节点为核心，以分部公司、省公司和直属单位作为骨干的3层MPLSVPN网络。

当前公司数据通信骨干网已经具备IPv6全局路由、IPv6VPN业务能力，各省公司目前与骨干网对接采取中断MPLS转发路径，并部署防火墙等安全设备隔离措施，总体上不具备在全网范围内实现IPv6业务开通必须的统一地址规划和配置要求；另外，由于各省在县级和以下的基层网络普遍采用二层交换机级联组网，此类设备均不具备支持IPv6MAC地址表的能力，因此当前在地市级层面直接实现纯IPv6组网，或在县级和以下网络部署IPv6业务均有障碍。省级数据通信网在网络架构、VPN部署、QoS部署以及IPv6支持等方面方式多样、能力不一。

（2）IPv6在国家电网下一代行政交换网中的应用方案

IPv6在交换网中的过渡是端到端的，涉及终端、网络、业务、业务支撑系统等，且与承载网的演进过程紧密相关，彼此演进不可能是同步的，因此行政交换网IPv6的演进具有渐进性，具有一定的演进过程。

根据以上思路分析，并遵循IMS向IPv6过渡的原则，综合考虑国家电网行政交换网和终端现状、IMS及承载网演进方案等多种因素，结合国内运营商IMS IPv6发展思路，可综合采用双栈、翻译技术等实现IMS IPv4网络向IPv6过渡，建议可采用如下演进方案：

●演进初期阶段：IMS承载网、骨干网升级为支持IPv6，承载网接入网及交换网部分设备仍保留IPv4，终端全部为IPv4终端

考虑承载网的骨干网会优先升级支持IPv6，因此涉及总部及各省公司IMS互通。由于总部及各省公司IMS网络设置I-CSCF为本省核心网的入口，接受来自其他IMS网络的呼叫请求；总部及各省公司IMS网络设置S-CSCF为IMS网络省间互通的出口，将呼叫送往被叫IMS网络的I-CSCF，完成后续呼叫的接续；要求连接在IMS承载网骨干网的交换设备应优先考虑升级为双栈，包括I-CSCF、S-CSCF、一级ENUM/DNS、总部AS等设备。

●演进中前期阶段：承载网、骨干网和省级数据通信网都升级为支持IPv6，地市数据通信网和终端仍为IPv4

考虑省级数据通信网会优先地市接入数据通信网，并考虑升级支持IPv6，因此主要涉及省内IMS通信。本阶段要求主备IMS核心网设备升级支持IPv6。

●演进中期阶段：承载网、骨干网、接入网都升级为支持IPv6，少量IPv6终端

本阶段主要是省会/地市公司的地市数据通信网升级为IPv6，需要接入IPv6接入网的终端交换机需升级为双栈，解决IPv4终端用户接入IPv6接入网的IMS业务使用，实现IPv6终端与IPv4终端的业务互通，双栈SBC保障IPv6或IPv4终端都能接入IMS，完成IPv4 和IPv6用户的信令和媒体代理，以及IPv4和IPv6的地址转换功能。与用户相关的业务支撑系统可升级支持IPv6，如DHCP、DNS等。

●演进中后期阶段：承载网、骨干网、接入网和交换网都升级为支持IPv6，大量IPv6终端

在此阶段，SBC双栈得到验证后，实现IPv4和IPv6终端并行接入IPv4 IMS后，要求IMS网络除SBC、I/S-CSCF外其他IPv4网元及新增网元设备要求支持双栈，互通网元（如MGCF/MGW、IBCF/TrGW等）升级为IPv4和IPv6双栈，解决IMS与现网软交换互通；为支持与IMS核心网IP版本不同的AS，应用网关需支持IPv4 和IPv6双栈，解决IMS与第三方AS的协议转换。为全面向IPv6网络演进做准备。

●演进目标阶段：实现端到端的全网IPv6，全部为IPv6终端

最终阶段考虑只有IPv6终端，IMS核心网、业务平台等所有网元都过渡到IPv6。实现端到端的IPv6，随着IPv4终端的萎缩，将逐步停用SBC的IPv4协议栈，再根据全网IPv4向IPv6过渡的进程，逐步停用互通网元的IPv4协议栈，逐步实现IMS全部向IPv6演进。与用户相关的业务支撑系统全面升级支持IPv6。

5　结束语

综上所述，IPv6是下一代互联网的重要组成部分，是被全球互联网权威标准组织IETF选定的下一代IP的核心技术方案，IMS网络作为基于IP网络的多媒体业务的控制核心，是下一代交换网的发展演进方向，IPv6技术可满足下一代交换网发展演进需求，将是下一代交换网IP技术的发展方向。我国运营商根据各自业务发展需求及网络组网现状等因素，制定了各自下一代交换网向IPv6的演进策略和方案，运营商根据自身面临的问题，采用不同的演进方案。目前，国外运营商已经在新建的LTE网络上全面部署IPv6，主要源于IPv4地址枯竭和IPv6支持全球地址。

国家电网目前已确定下一代行政交换网的IMS技术体制以及IMS网络建设思路，并开展现网建设工作。为了保证IPv6在国家电网下一代行政交换网IMS的平稳过渡，IMS网络向IPv6过渡过程中应遵循一定原则，且IPv6在交换网中的过渡是端到端的，与承载网的演进过程紧密相关，交换网IPv6演进是具有渐进性，具有一定的演进过程。综合考虑国家电网行政交换网和终端现状、IMS及承载网演进方案等多种因素，结合国内运营商IMSIPv6发展思路，建议可综合采用双栈、翻译技术等实现IMSIPv4网络向IPv6过渡。其中，分为演进初期阶段、演进中前期阶段、演进中期阶段、演进中后期阶段、演进目标阶段共五大演进阶段。

Applications of IPv6 in the Next Generation State Grid Administration Switching Networks

Based on the analysis of IPv6 solutions in IMS network and IPv6 application status of Chinese operator's next generation switching networks ， this article provides the IPv6 application scheme of next generation State Grid administration switching networks for evolution requirements.

IPv6，IMS，IPv4

2015-11-20）

国家电网公司科学技术项目（下一代行政/调度交换网技术体制及演进技术研究）资助