IPv6通信能力指标化分析方法及在端到端运营级网络的应用

李阳春，冯薇薇

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630）

IPv6通信能力指标化分析方法及在端到端运营级网络的应用

李阳春，冯薇薇

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630）

针对新、老旧设备混合组建的端到端运营级网络，产业界通常采用传统的定性方法描述其IPv6通信能力。通过定义IPv6通信事件、IPv6通信能力指标，提出了单节点、节点集、单路径、多路径以及端到端运营级网络的IPv6通信能力指标及其计算方法，从而实现IPv6通信能力的指标化分析，并评估了端到端运营级网络的IPv6通信能力。

IPv6；IPv6通信事件；IPv6通信能力指标；量化分析方法

1 引言

国际地址分配机构的IPv4地址资源［1］已经分配完。从2012年起，国内运营商、网络内容服务商（internet content provider，ICP）开始大规模部署私网双栈 NAT44［2-4］、轻型双栈 DS-Lite［5，6］等 IPv6［7］过渡技术 。同时，现有网络部署了大量不支持IPv6的老旧 BRAS（broadband remote access server）、路由型 CPE （custom premise equipment） 和 ICP（internet content provider）应用服务器等节点设备。一些主机、服务器也运行了不支持IPv6的应用软件和操作系统，将在较长时间内存在并阻碍IPv6技术的大规模应用。

在推广IPv6应用的过程中，ISP （internet service provider）和ICP通常根据定性描述来评估网络设备／系统的IPv6支持能力，并升级或替换现网设备／系统。这种方法只能反映设备能力，无法准确反映端到端运营级网络的通信能力。同时，IPv6报文从终端到服务器端，是一个不断选择下一跳的过程。本文把每次选择当作独立事件，选中支持IPv6的下一跳的概率与终端集、网络节点集或服务器集在现网中的IPv6占比一致，客观上为量化分析IPv6通信能力提供了数据基础。此外，国内外现有研究通常聚焦在IPv6及其过渡技术本身，但缺少针对运营商网络环境中的IPv6通信能力指标及量化分析方法。

类似于 ITU-T 标准 Y.1541［8］，时延、分组丢失、抖动等指标被用于描述网络质量等，本文定义了IPv6通信能力指标，并用于描述节点和网络的IPv6通信能力。

2 节点的IPv6通信能力量化分析方法

在本文中，支持IPv6指设备可以开启IPv6协议，运行IPv6功能。本文关注设备支持IPv6的能力，不关心是否已运行IPv6功能，也不考虑设备的故障对IPv6通信的影响。

2.1 概述

现网部署的大量设备，可以划分成终端集、网络设备集和服务器集，如图1所示。

图1中各设备集包括支持IPv6和不支持IPv6的设备。不支持IPv6的设备通常指现网运行的老旧设备，既不能运行IPv6功能，也无法转发IPv6报文。新上线的设备通常被认为支持IPv6。

为便于分析，本节首先定义IPv6通信事件和IPv6通信能力指标等概念。

IPv6通信事件指支持IPv6的终端发起IPv6通信，由支持IPv6的网络节点承载，与支持IPv6的服务器完成通信的过程。1个IPv6通信事件代表终端与服务器之间完成了1次IPv6通信过程。在IPv6通信事件中，终端、网络节点、服务器必须同时支持IPv6。

IPv6通信能力指标指由终端、网络节点和服务器共同完成 IPv6 通信的成功概率 P，分别用 Pterm、Pnode、Pserv、Pnet表示终端、网络节点、服务器和网络的IPv6通信能力指标，取值范围均为［0，1］。IPv6通信能力指标取值越大，IPv6通信能力越强。

对于单节点、节点集和网络，IPv6通信能力指标的意义并不一致。对于单节点，IPv6通信能力指标指该设备是否支持IPv6；对于节点集，IPv6通信能力指标指支持IPv6的设备占比；对于承载网络或端到端通信，IPv6通信能力指标则描述了IPv6通信事件发生的概率。

2.2 节点的IPv6通信能力分析方法

这里的节点指终端、网络设备和服务器，节点集指如图1所示的终端集、网络设备集和服务器集。

（1）单节点的IPv6通信能力

单节点指单台终端、网络节点、服务器等设备，其IPv6通信能力是独立事件。终端的IPv6通信能力指终端支持IPv6、发起IPv6访问并完成通信的能力，服务器的IPv6通信能力指服务器支持IPv6、接收IPv6访问请求并提供IPv6服务的能力；网络节点的IPv6通信能力指网络节点接收、存储和转发IPv6报文的能力。单节点的终端、网络节点和服务器的IPv6通信能力指标可按照式（1）计算：

当终端、网络节点或服务器支持IPv6时，p=1；否则，p=0。p分别表示终端的IPv6通信能力指标Pter、网络节点的IPv6通信能力指标Pnode或服务器的IPv6通信能力指标Pserv。

（2）节点集的IPv6通信能力

节点集，或称节点集合，指图1的终端集、网络节点集和服务器集。现网中的各节点集包含支持IPv6的节点子集和不支持IPv6的节点子集。终端集、网络节点集和服务器集的IPv6通信能力指标定义如下：

图1 终端、网络节点和服务器的节点集合

式（2）表示，从设备集任意选择一个元素，属于支持IPv6子集的概率是Pratio，属于不支持IPv6子集的概率是1-Pratio。式（2）用于描述终端集、网络节点集和服务器集的IPv6通信能力，适用于单跳节点组成的网络节点集，但不适用于经过多跳节点组成的网络节点集。

3 网络的IPv6通信能力分析方法

基于图1和式（2），本节探讨多个节点组成的单路径网络和多路径网络的IPv6通信能力指标。

3.1 单路径IPv6通信能力

单路径指在节点之间的IPv6报文只有1条可供选择的转发路径，如图2所示。图2的节点N1、N2、N3可以是终端集、服务器集或者网络节点集中的节点，并可以用于端到端通信模型。现网大量宽带用户终端采用单路径方式接入互联网。

图2 单路径网络

图 2中的节点 N1、N2、N3形成 1条 IPv6通信的单路径，分别用PN1、PN2、PN3表示这些节点的IPv6通信能力指标。当节点N1、N2、N3同时支持IPv6时，IPv6报文可以由图2的单路径承载，IPv6通信能力指标按式（3）计算：

结合式（1）、式（2），当节点 N1、N2、N3 之一不 支持IPv6或者节点N1、N2、N3之一所属集合中没有支持IPv6的节点，则 PN1、PN2或 PN3之一取值为 0，则由式（3）计算的节点N1到N2的单路径的IPv6通信能力指标为0，即节点N1到N2的单路径不能承载IPv6报文。

3.2 多路径IPv6通信能力

多路径指节点之间可以通过多条路径传送IPv6报文。图3描述了一种典型的多个节点组成的通信网络。

图3 多路径网络

如图3所示的多路径网络，节点N1、N2、N3、N4支持IPv6，组成IPv6逻辑网络；节点N5不支持IPv6。节点N3、N4、N5并联，是N1到N2的等价路径。节点N1或N2选

即节点 N1到 N2的 IPv6通信成功率为 2／3。其中，PN3N4N5表示支持IPv6的节点在该节点集中的占比。

城域网、IDC、骨干网等实际网络通常运行了路由协议，如OSPFv3、ISISv6等。以图3为例，节点N1、N2在选路时会避开不支持IPv6的节点N5，只从N3、N4中选择支持IPv6的下一跳，各自被选中的概率是 1／2，但中间节点集｛N3，N4｝支持IPv6的设备占比是100%，不会出现选中不支持IPv6的节点。因此，从N1到N2的IPv6通信能力指标为：

即从节点N1到N2的IPv6通信成功率为100%。其中，PN3N4表示支持IPv6的节点在该节点集中的占比。

根据现网部署特点，城域网、IDC、骨干网等实际网络都运行了IPv6路由协议，由IPv6路由协议保证节点间的IPv6连通性，并考虑了路径冗余的需求。同时，边缘节点通常都支持IPv6。因此，可以总结如下结论。

结论1 对于运行路由协议的多路径网络环境，IPv6通信报文由支持IPv6的节点承载，不会选中不支持IPv6的节点。当该类网络的边缘设备（如城域网BRAS／MSE、CR等）都支持IPv6，则该类型IPv6逻辑网络的IPv6承载成功率为100%；当该类网络的边缘设备只有部分支持IPv6，则等于边缘设备集的IPv6通信能力指标。

根据结论1，现网的城域网、骨干网、IDC等承载网络的边缘设备通常都支持IPv6，其IPv6通信能力指标为100%。后续讨论可以把该类网络抽象为支持IPv6的节点，并且其IPv6通信能力指标为100%。中N3、N4或N5是独立事件，各自被选中的概率是1／3，因此，从N1到N2的网络的IPv6通信能力指标为：

4 端到端运营级网络的IPv6通信能力量化分析

4.1 端到端运营级网络模型

实际部署的端到端运营级网络模型通常由主机、家庭网关、BRAS／MSE、承载网络和ICP应用服务器等设备共同组成，相关设备分成主机集、家庭网关集、BRAS／MSE集、ISP网络、ICP应用服务器集，如图4所示。

在图4中，主机负责发起IPv6通信。根据是否运行3层功能，家庭网关被分成路由型CPE和桥接型CPE。其中，桥接型CPE透传IPv6报文，由主机发起PPPoE／IPoE接入；路由型CPE发起PPPoE／IPoE接入，运行 IPv6报文转发等功能。宽带接入服务器（BRAS／MSE）终结PPP连接，提供认证、地址分配和用户管理、报文承载等服务。ISP网络承载业务流量，包括城域网、骨干网 （如ChinaNet、China169、CN2等）。应用服务器应答用户主机的应用访问请求，提供应用服务。

图4 端到端运营级网络模型

主机、CPE、BRAS／MSE、ICP 应用服务器等设备集既包含支持IPv6的设备，又包含不支持IPv6的设备，其IPv6通信能力指标符合式（2）。单次IPv6通信事件由主机集的任意节点发起，并选择网络节点和服务器节点完成通信。当选择不支持IPv6的设备，本次IPv6通信事件不能发生。

4.2 端到端IPv6通信能力量化分析方法

根据第3.2节的结论1，图4的ISP网络运行了ISISv6或OSPFv3等IPv6路由协议，除BRAS／MSE之外的边缘设备通常都支持IPv6，因此，ISP网络的IPv6通信能力指标为1或100%。在图4的端到端模型中，ISP网络可以抽象成一个支持 IPv6 的节点，与主机、CPE、BRAS／MSE、ICP 应用服务器组成类似第3.1节的单路径网络。因此，图4的通信模型可以采用类似式（3）的方法计算端到端IPv6通信能力指标：

其中，pu、pb、pi分别表示主机、BRAS／MSE、ICP 应用服务器的IPv6通信能力指标，pcr、pc分别表示路由型CPE的占比及其中支持IPv6的路由型CPE的占比。各参数的取值范围为［0，1］。式（5）按照 100%计算图 4 中的 ISP 网络的IPv6通信能力指标。

式（6）中的（1-pcr）代表桥接型 CPE的占比或其 IPv6通信能力指标；pcr×pc代表支持IPv6的路由型CPE在全部家庭网关中的占比；（1-pcr）+pcr×pc则代表包括桥接型 CPE 和路由型CPE在内的全部CPE的IPv6通信能力指标。其中，桥接型CPE透传IPv6报文，按照支持IPv6计算。

对于同时部署桥接型CPE和路由型CPE的运营级网络，根据式（6）和pcr的不同取值，端到端模型的IPv6通信能力指标按照式（7）计算：

其中，当pcr=0时，现网只部署桥接型CPE；pcr=1时，现网只部署路由型CPE。

对于同时部署桥接型CPE和路由型CPE的运营级网络，根据式 （6）和pc的不同取值，端到端运营级网络的IPv6通信能力指标的计算方法可以简化如下：

其中，pc=0时表示路由型CPE都不支持IPv6，只有桥接型CPE接入的用户主机可以实现IPv6接入；pc=1时表示路由型CPE全部支持IPv6，所有CPE（包括桥接型CPE和路由型CPE）都支持IPv6，IPv6通信能力指标与CPE的IPv6通信能力指标值无关，只取决于用户主机、BRAS／MSE和ICP应用服务器的IPv6通信能力指标。

根据式（6）～式（8），端到端运营级网络的 IPv6通信能力指标计算方法具有如下特征：

· IPv6通信能力指标pipv6_suc与主机、BRAS／MSE及ICP

应用服务器的IPv6通信能力指标成正比，通过提升pu、pb或 pi的值，可以提升指标 pipv6_suc。但当 pu、pb或 pi之一取 0 时，pipv6_suc=0，即主机集、BRAS／MSE 集或ICP应用服务器集之一不支持IPv6，则无法实现IPv6通信；

· 当 pu、pb或 pi取 1 时，现网主机集、BRAS／MSE 集或者ICP服务器集支持IPv6，IPv6的通信能力指标分 别取 ［1-pcr×（1-pc）］×pb×pi、pu×［1-pcr×（1-pc）］×pi和pu×［1-pcr×（1-pc）］×pb。

家庭网关CPE对IPv6通信能力指标pipv6_suc的影响与pu、pb或 pi不一致：pipv6_suc随 pc单调增；pipv6_suc随 pcr单调减。当0＜pcr＜1时，即网络中同时存在支持IPv6和不支持IPv6的路由型CPE，pipv6_suc随pcr的增大逐步减小。因此，逐步提高路由型CPE的占比，并不能提升端到端网络模型的IPv6的通信能力，需要同步增大支持IPv6的路由型CPE，才可能提升IPv6通信能力指标pipv6_suc。

4.3 现网端到端运营级网络的IPv6通信能力的量化分析

根据现有的一些调查数据［9］，国内IPv6的使用率仅有0.07%。随着IPv6的逐步推广，主机、家庭网关、BRAS／MSE、ICP应用服务器的IPv6支持率逐步提高，会逐步提升IPv6使用率。

根据式（6），pipv6_suc与 pu、pb和 pi成正比，这里用 pubi代表 pu×pb×pi，则式（6）变成：

针对图4的网络模型，本节分析端到端IPv6通信能力的3种情况：pcr取固定值（如50%），即网络中的路由型CPE占比不变，分析 pipv6_suc随 pubi、pc的变化趋势；pc取固定值（如50%），即网络中支持IPv6的路由型CPE占比不变，分析 pipv6_suc随 pubi、pcr的变化趋势；pubi取固定值（如 50%），分析pipv6_suc随pcr、pc的变化趋势，即路由型CPE的变化对端到端IPv6通信能力的影响。

当 pcr=50%时，根据式（9），pipv6_suc=pubi×（0.5+0.5pc），端到端IPv6通信能力指标的计算结果见表1，pipv6_suc的变化趋势如图5所示。

图5 pcr=50%时的pipv6_suc变化趋势

其中，pubi按照步长10%从0增加到100%，pc按照步长 20%从0增加到100%。根据表 1和图 5，pipv6_suc随 pubi、pc单调增加。

当 pc=50%时，根据式（9），pipv6_suc=pubi×（0.5+0.5pcr），端到端IPv6通信能力指标的计算结果见表2，变化趋势如图6所示。

其中，pubi按照步长10%从0增加到100%，pcr按照步长20%从 0增加到 100%。根据表 2和图6，pipv6_suc随 pubi单调增加，但随pcr单调减少。因此，仅仅提升路由型家庭网关的占比，而支持IPv6的路由型家庭网关的占比不变，端到端IPv6通信能力指标pipv6_suc会下降。

当 pubi=50%时，根据式（9），pipv6_suc=0.5×［1-pcr×（1-pc）］，端到端IPv6通信能力指标的计算结果见表3，变化趋势如图7所示。

表1 pcr=50%时的pipv6suc计算结果

表2 pc=50%时的pipv6suc计算结果

图6 pc=50%时的pipv6_suc变化趋势

图7 pubi=50%时的pipv6_suc变化趋势

其中，pc按照步长10%从0增加到100%，pcr按照步长20%从0增加到100%。根据表 3和图7，pipv6_suc随 pc单调增加，但随pcr单调减少。在提升路由型家庭网关占比的同时，应同时提升支持IPv6的路由型家庭网关的占比，才能提升端到端IPv6通信能力。

表3 pubi=50%时的pipv6suc计算结果

5 结束语

类似于时延、分组丢失、抖动等网络质量指标，本文引入IPv6通信能力指标和IPv6通信事件等概念，分别定义了节点／节点集、单路径／多路径的IPv6通信能力指标，并提出了相关指标的计算方法。本文提出的IPv6通信能力指标，可以定量描述节点／节点集、单路径／多路径以及端到端运营级网络的IPv6通信能力，为产业界定量分析IPv6通信能力提供技术依据。通常来讲，IPv6通信能力指标越大，网络的IPv6通信能力越强。与此同时，本文进一步定义了端到端运营级网络的IPv6通信能力指标，并推导出其计算方法，简要分析了端到端运营级网络的IPv6通信能力与各设备集的IPv6通信能力指标之间的关系及其变化趋势。

基于前面的分析，多路径网络，如城域网、ChinaNet／CN2／China169等骨干网、IDC等，通常运行了 ISISv6、OSPFv3等IPv6路由协议，从逻辑上排除不支持IPv6的网络节点。因此，本文的IPv6通信能力指标可忽略多路径网络的细节，并把多路径网络抽象成一个支持IPv6的节点，如ISP网络，其IPv6通信能力指标取值为1。因此，现网的主机、家庭网关、BRAS／MSE、ISP网络、ICP服务器从逻辑上构成了1条单路径网络，并按照单路径的分析方法完成了端到端运营级网络的IPv6通信能力的分析。从分析结果看，提升主机、BRAS／MSE、ICP服务器的IPv6通信能力指标和支持IPv6的路由型CPE的占比可以提升端到端IPv6通信能力指标，但单纯提升路由型CPE的占比，反而可能降低端到端IPv6通信能力指标。

需要注意的是，本文的定义和分析方法忽略了大量细节，如节点的部署点、网络拓扑结构、运行的功能、终端／服务器操作系统和应用软件的差异性，也未考虑NAT444、DS-Lite、A+P等过渡技术特征、隧道等因素的影响，是一种宏观的、整体的、简化的描述和分析方法，可以用于分析城域网、骨干网、宽带接入等各种网络场景中的IPv6通信能力。后续将通过引入网络拓扑结构、部署点、过渡技术特征等信息，逐步优化本文的分析方法，并争取得到更精细、准确的分析结果，支持产业界推广IPv6。

［1］HUSTON G.IPv4 address report ［R／OL］. ［2011-02-03］.http：／／www.potaroo.net／tools／ipv4／index.html.

［2］ 运 营 级 NAT44 设 备 技 术 要 求 ：CCSA YD／T 2544-2013［S］.2013.The technical specifications for carrier grade NAT（NAT44）：CCSA YD／T 2544-2013［S］.2013.

［3］ 运营级 NAT444 技术要求：CCSA YD／T 2811-2015［S］.2015.Technical requirements for NAT444：CCSA YD／T 2811-2015［S］.2015.

［4］Assessing the impactofcarrier-grade NAT on network applications：RFC 7021［S］.2013.

［5］DS-Lite 技术要求：CCSA YD／T2371-2011［S］.2011.Technical requirements for DS-Lite：CCSA YD／T2371-2011［S］.2011.

［6］RFC6333.Dual-stack litebroadband deploymentsfollowing IPv4 exhaustion［S］.2011.

［7］Internet protocol version 6 （IPv6）specification：RFC2640［S］.1998.

［8］Network performance objectives for IP-based services：ITU-T Y.1541［S］.2011.

［9］智博睿.“十三五”中国IPv6行业应用现状及投资可行性研究报 告 ［R／OL］. ［2015-09-01］.http：／wenku.baidu.com／link？url=rHnsMru2J4IXSkguiL1_Qc8laPKcemZimeLMHZB8N6XYlY ceu3 QFLxX8OvJ8zfP7sw5IJIhIjcBg4lCGSnNjHp-UOS4ennk_ZO-AlkY bZlK.ZHI R B.The feasibility study report of 13th five-yearIPv6 industry application and investment in China ［R／OL］.［2015-09-01］. http：／wenku.baidu.com／link？url=rHnsMru2J4 IXSkguiL1_Qc8laPKcemZimeLMHZB8N6XYlYceu3 QFLxX8O vJ8zfP7sw5IJIhIjcBg4lCGSnNjHp-UOS4ennk_ZO-Alk YbZlK.

IPv6 communication capability index and its application in end-to-end carrier network

LI Yangchun，FENG Weiwei
Guangzhou Research Institute of China Telecom Co.，Ltd.，Guangzhou 510630，China

The traditional way was used to qualitatively describe the IPv6 communication capabilities for end-to-end carrier grade network with many old devices.By introducing concepts of IPv6 communication events，IPv6 communication capability index，the algorithms were presented to calculate the IPv6 communication capability index for single node，node set，single path，multi-path and end-to-end network.These algorithms were also used to analyze and evaluate the IPv6 communication capability for end-to-end carrier grade network.

IPv6，IPv6 communication event，IPv6 communication capability index，quantitative analysis method

TN919

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016138

2016-03-08；

2016-05-03

李阳春（1970-），男，博士，中国电信股份有限公司广州研究院高级工程师，主要从事互联网领域的技术研究工作，重点研究下一代互联网相关技术。

冯薇薇（1974-），女，中国电信股份有限公司广州研究院工程师，主要从事互联网领域的技术研究工作，重点研究移动互联网相关技术。