IPv6过渡技术在移动核心网的部署研究

安　超　北京电信规划设计院有限公司工程师

李宗霖　北京电信规划设计院有限公司工程师

周宝瑞　北京电信规划设计院有限公司工程师

IPv6过渡技术在移动核心网的部署研究

安超北京电信规划设计院有限公司工程师

李宗霖北京电信规划设计院有限公司工程师

周宝瑞北京电信规划设计院有限公司工程师

在对IPv6发展现状及其主要过渡技术进行介绍及分析的基础上，重点对移动软交换、移动分组域及IMS网络向IPv6网络的过渡演进方式和策略进行相关的研究和探讨。

IMS 3GPP IPv6

1　引言

全球固定及移动宽带业务的快速发展以及三网融合及物联网等新兴业务的快速崛起，导致对IP地址的需求量成倍增加。2011年2月3日，国际互联网名称和编号分配机构（ICANN）宣布全球IPv4地址已经分配完毕，IPv4地址总库已经枯竭，亚太区（APNIC）正常可分配的IPv4地址也于2011年4月宣告耗尽。为解决IPv4互联网发展中的地址空间不足等问题，IPv6应运而生，业界公认IPv6是解决IPv4地址不足的根本方案。

在IPv4全球地址耗尽之时，国际组织明确提出目前应开始部署IPv6，全球主要运营商已经加强了IPv6网络的建设，尤其在IMS、IPTV和物联网建设上大力推进基于IPv6的试验和商业部署。

我国政府一直对IPv6非常重视，在下一代互联网发展规划总体目标中提出：2013年，电信运营商新上自营业务应支持IPv6；2015年，移动互联网业务全面向IPv6演进，发达地区的业务网络基本完成向IPv6过渡、中西部地区网络IPv6支持率超过50%。总之，网络和业务层面支持IPv6已经成为未来网络发展的重要趋势。

2　IPv6的产生背景及发展现状

随着互联网在经济生活各个领域的广泛应用，大大加快了IP地址的耗尽，IPv4地址空间的紧缺直接限制了IP技术应用的进一步发展。为了更好地适应未来网络和业务的发展，尤其是IPv4地址耗尽的过程使人们认识到需要设计一种新的协议来替代目前的IPv4，并且这个协议不仅仅以扩大地址空间为最终目标，新的协议称为IPv6。

IPv6是在1994年，由IETF批准的RFC1752中第一次被提出；1995年，第一个IPv6国际标准（IETF RFC1883）正式发布。目前，IPv6标准体系已基本完善，IPv6的IP报文包头格式和地址长度都重新定义，IPv6地址是一个128位的二进制数，相对于32位的IPv4而言，IPv6地址空间是IPv4的42.9亿倍，可彻底解决IPv4地址空间不足的问题。

在IPv4全球地址耗尽之时，国际组织明确提出现在应开始部署IPv6。国外政府高度重视IPv6，虽然互联网发达国家的IPv4地址量相对充足，但政府要在以IPv6为基础的下一代互联网中抢先占据优势，因此很早就启动了IPv6工作，并主要通过制定发展规划、利用政府采购方式来推动IPv6的发展。

●2008年5月，欧盟发表《欧洲IPv6行动计划》，力争在2010年底前实现欧盟1/4的用户使用IPv6技术。

●2009年3月，日本通过数字日本创新计划，支持基于IPv6技术的传感器网络发展。

●2010年9月，韩国宣布从2011年6月启动国内的互联网、IPTV、3G等移动通信服务IPv6。

●2010年12月，美国通过IPv6部署策略，所有政府公共网站和服务到2012年底支持IPv6。

●中国政府一直对IPv6非常重视，并取得了一些成果，目前在基础电信运营商的宽带数据网络和移动网络中，都逐步进行了部署应用。

3　核心网络IPv6演进的需求分析

随着IPv4地址的日趋紧张，全球运营企业已经加强了IPv6网络的建设，尤其是在骨干网络层面支持IPv6已经成为趋势，业务控制的核心网络应明确其IPv6的支持要求。虽然分组承载网呈现向IPv6过渡的趋势，但目前包括电路域软交换、PS域分组网以及统一IMS核心网支持IPv6的要求还不明确，尤其是软交换、移动PS域核心网络及相关设备在我国通信网中已经广泛地应用和部署，但所支持和使用的IP协议都以IPv4为基础。

对于IMS网络，目前我国运营商正在进行IMS网络的试商用以及相关业务的部署。尽管IMS系统架构要求支持IPv6和IPv4，但从现阶段产品的研发现状来看，构建全IPv6的IMS网络还存在一定的困难，并且各大电信运营商和设备商早期部署的IMS网络和IMS终端很多也都只支持IPv4。因此，在向全IPv6IMS网络演进的过程中，IPv4和IPv6的网络和终端将长期共存。

根据我国下一代互联网发展战略规划的发展目标要求：2013年，我国IPv6用户规模将达到1000万，移动智能终端50%、固定终端80%都将支持IPv6，所有新建IP承载网100%支持IPv6；2015年，IPv6用户数占互联网用户数的10%，IPv6终端的普及率达到90%，移动互联网业务全面向IPv6演进。

综上所述，在向IPv6演进的过程中，存在不同IP制式用户及终端的接入需求，作为实现业务接入控制的核心网络必须具备IPv4和IPv6的接入能力。支持不同IP制式UE的接入和业务开展，需要根据软交换、PS域分组网以及IMS网络自身业务承载的目标定位。考虑向IPv6的演进问题，包括核心网网元设备对IPv6技术支持的演进策略，以及在IPv4和IPv6混合组网等各种情况下，不同核心网络之间以及与承载网设备之间的互通问题。

4　IPv6过渡技术分析

目前，网络中IPv4设备和用户数量庞大，并且IPv6 和IPv4网络所采用的网络协议地址和协议格式均有所差异，使得现行的IPv4网络不可能在短时间内全部升级为IPv6网络。因此，IETF标准组对IPv4与IPv6网络共存和平滑过渡技术进行了深入的研究，已形成3类基本的过渡技术方案，分别是双栈技术、隧道技术和翻译技术。

（1）双栈技术

双栈技术是IPv4向IPv6过渡的一种有效技术。网络中的节点同时支持IPv4和IPv6协议栈，源节点根据目的节点的不同选用不同的协议栈，而网络设备根据报文的协议类型选择不同的协议栈进行处理和转发。双栈可以在一个单一的设备实现，也可以是一个双栈骨干网。双栈技术是实现隧道、翻译等其它过渡技术的基础。双协议栈容易实现，不存在多点部署的耦合性，可以规模化部署，但是在终端应用时不节省IPv4地址，适用于地址消耗不大的核心网，由于网络中有两个协议栈同时运行，操作维护复杂，占用设备资源更多。该过渡技术无法解决IPv4和IPv6互访问题。

（2）隧道技术

隧道技术是将一种IP协议嵌套在另一种IP协议中进行传递，从而使得原协议流量在另一种IP协议的网络上传送。对于采用隧道技术的设备来说，在起始端（隧道入口处），将IPv6的数据报文封装到IPv4，IPv4报文的源地址和目的地址分别是隧道入口和出口的IPv4地址；在隧道的出口处，再将IPv6的报文取出转发给目的站点。隧道技术只是提供一个点到点的透明传送通道，无法实现IPv4和IPv6节点之间的通信。隧道技术在部署上要求两端采用相同的隧道机制和相同的IP协议版本，即网络多点部署具有耦合性，因此此种机制的网络部署扩展性较差，不适合全网互联。

（3）翻译技术

翻译技术是指从一种IP协议族向另一种IP协议族的翻译，包括网络和应用的翻译；翻译技术提供了IPv4和IPv6网络之间的互通技术，IPv6/v4互通技术是为了实现不同协议之间的互通，通过对数据包的转换实现了在网络过渡期IPv4和IPv6节点之间的互相访问。目前，有多种层次的翻译技术，其中网络层翻译技术包括：无状态IP协议/ICMP协议转换（SIIT）、CGN（CarrierGradeNAT）技术、栈内凸块（BIS）、无状态的地址翻译IVI技术等；传送层翻译技术包括：API内凸块（BIA）、传输层中继转换（TRT）、Socket64技术等；应用层翻译技术包括：应用层网关（ALG），对于要处理数据报中携带网络地址的应用，需要和ALG技术联合处理。

（4）IPv6过渡技术的比较

IPv6过渡技术的比较参见表1。

（5）核心网向IPv6过渡技术的选择

目前，IPv6的产业链尚不够成熟，移动网络IPv6相关的标准也还需要结合应用的实际需要进一步完善，从现有IPv4网络向NGI网络演进将是一个长期的、复杂的过程。在过渡技术的选择上必须遵循相应的原则，不能对现有IPv4网络结构、性能和运行产生较大的影响和冲击，过渡方案必须是易于理解和实现的，易于管理不能太复杂。

从目前3种过渡技术的技术发展来看，双栈技术相对比较成熟，网络规划及实施相对简单，业务互通性也比较好，符合规模化部署的要求，且移动核心网设备对IPv4/v6双栈能力的支持已经在3GPP标准中有明确的定义，对主流设备厂家都要求支持IPv4/v6双栈接入能力；隧道技术虽然成本较低，但技术成熟度和产品的支持程度上均不太理想，存在服务质量较差、传输开销大的固有缺点，因此在核心网中不推荐采用；对于翻译技术，由于移动业务是面向端到端的应用，而协议转换设备的引入必然破坏了IPv6协议的端到端特性，且增加一种新的业务应用，就需要配备相应的ALG来配合，网络实施复杂度较高，不建议在网络中大范围地部署应用。从当前技术发展和设备支持程度来看，采用双栈技术是移动核心网向IPv6过渡的一种优选方案。

表1　IPv6过渡技术的比较

5　IPv6过渡技术在移动核心网中的部署策略

5.1移动软交换网络

移动电路域软交换网络的网元设备主要为MSC Server和MGW，主要承载移动语音及可视电话业务，业务相对单一。电路域没有IPv6业务承载需求，3GPP也没有要求3G移动软交换核心网络支持IPv6，目前电路域软交换主要采用私有IPv4地址进行互通，且软交换电路域处于比较封闭的VPN，对于引入公有IPv6地址并不急迫。

软交换网络向IPv6的过渡主要是考虑到随着IP承载网络IPv6的部署，软交换网络能够直接部署在IPv6的IP承载网之上或者和支持与IPv6承载网络设备的互通，包括软交换网络核心控制设备对IPv6的支持，以及在IPv4和IPv6混合组网等各种情况下，软交换网络核心设备之间、软交换网络核心设备和承载网设备之间的互通。

现阶段软交换对IPv4地址消耗有限，向IPv6演进不是特别迫切，因而其核心网元可以继续保持IPv4地址不变，可结合后续自身演进逐步向IPv6过渡。后期要求移动软交换网络向IPv6进行演进，建议采用软交换设备支持IPv4/v6的双栈技术进行，实现方式如图1所示。

5.2移动分组域网络

随着3G网络的快速发展和广泛部署，丰富多彩的移动宽带数据应用已成为电信业务发展的重点所在。近年来，移动互联网用户比例快速增加，未来分组域LTE网络的永远在线属性将会导致IP地址的需求量成倍增加。针对移动分组网络的特点，在移动分组域引入IPv6能够避免巨大数量的用户享受移动数据业务时地址限制问题，提供丰富的基于IPv6的终端和内容服务，充分发挥移动分组网络IPv6带来的终端和内容服务优势。

图1　移动软交换网络向IPv6的演进方式示意图

国际标准化组织3GPP对GGSN/SGSN双栈能力的支持已经进行了标准化，图2给出了3GPP对于3G分组域各节点支持IPv6的协议栈结构。

由图2可见，UE访问3G网络外部服务器上的IPv6应用，3G接入侧除用户终端与GGSN节点外，其他设备都与IPv6协议栈无关。用户端的IPv6数据经过PDCP封装到达RNC，在RNC上转为GTP（GPRS TunnelingProtocol）封装，通过RNCGGSN之间的GTP隧道传送到GGSN设备上。这部分数据传送功能即3G系统为IPv6数据应用提供数据链路层通道接入骨干网络，可见IPv6的引入可以不改变现有分组域网元之间通过底层IPv4建立的互联。但对于GGSN节点，作为3G接入系统与外部网络系统的边缘节点，收到从GTP隧道转来的IPv6数据包，需要具备终端IPv6地址分配、路由与转发的功能。

从目前来看，IPv6应用尚未普及，无论从移动终端还是移动互联网的应用，要真正地实现IPv6还有相当长的一段路要走。在IPv6目前发展的状态下，在对现有分组网络改造和影响最小的基础上，IPv6的引入不改变现有网元之间通过底层IPv4建立的互联，仅对作为3G分组域的对外网关的GGSN进行升级改造要求具备IPv4/v6的双栈能力；通过GGSN实现终端IPv6访问的路由与转发功能，后续等到IPv6成为网络应用主导协议栈时，再进一步把3G分组系统中从UTRA到GGSN的传送平面网络层协议栈也支持IPv6功能。图3为分组域网络向IPv6的演进方式。

图2　3GPP网络支持IPv6的协议栈结构示意图

图3　移动分组域网络向IPv6演进方式示意图

5.3IMS网络

IMS作为未来NGN的核心架构，在标准制定的开始就要求IMS系统架构对于IPv6的支持，尽管国际标准要求IMS系统架构支持IPv6和IPv4，但从现阶段产品的研发现状看，构建全IPv6的IMS网络还存在一定的困难，因此在向全IPv6IMS网络演进过程中，IPv4和IPv6的网络和终端将长期共存，IMS必须具备IPv4和IPv6双栈能力，支持不同IP制式UE的接入。从IMS双栈系统的组网来看，IMS系统内部的核心控制网元设备I/P/S-CSCF应具备双栈能力，组网时内部使用IPv4或者IPv6中的一种协议以降低IMS内部组网的复杂性，IMS对外接口的边界设备（SBC、MGCF/MGW、AGCF、IM-SSF）等需要支持IPv4/v6双栈，并对信令和媒体进行IPv4和IPv6的转换。

在IMS向IPv6的演进初期，大部分终端为IPv4终端，少数终端为IPv4/v6终端。IMS核心网内部和业务平台建议均使用IPv4组网，为保证IPv4和IPv4/v6终端的互通，IMS的边界设备SBC要求支持IPv4/v6双栈。当IPv4/v6终端要求使用IPv6地址进行注册和会话时，SBC应为该终端提供信令和媒体的IPv4/v6转换；在IMS向IPv6演进的中后期，IPv4/v6终端数量增多，仍有一定数量的存量IPv4终端，建议IMS核心网内部和业务平台采用IPv6进行组网，IMS核心网网元应能支持IPv6终端的注册和呼叫。为保证IPv4和IPv6终端的互通，SBC需要支持IPv4/v6双栈，基于尽量使用IPv6承载的原则，SBC应为IPv4终端提供媒体的IPv4/v6转换。图4 为IMS域网络向IPv6演进的方式。

图4　IMS域网络向IPv6演进方式示意图

6　结束语

目前，IPv6的产业链尚不够成熟，移动网络IPv6相关的标准也还需要结合应用的实际进一步完善。国内外各移动设备厂家对IPv6的支持也参差不齐，移动核心网向IPv6的演进还需要一个较长的过程，移动核心网自身CS、PS和IMS域网络的目标定位不同，各自向IPv6的演进方式也有所区别。但从总的演进思路来看，采用双栈技术是移动核心网向IPv6过渡的优选方案。

1 赵慧玲，陈运清，孙琼，王茜.双栈基础上的下一代互联网过渡技术及策略.电信科学.2010，4

2 朱爱华，杨艳松.移动分组网向IPv6演进策略研究.邮电设计技术.2013，7

Deployment of IPv6TransitionTechnology in3GCoreNetwork

On the basis of introduction and analysis of the present situation of IPv6 development and its main transition technology，this paper focuses on the research and Discussion on the transition evolution mode and strategy of mobile soft switchingnetwork，mobilepacketdomainnetworkandIMSnetworktoIPv6network.

IMS，3GPP，IPv6

2015-10-12）