IPv6协议在3G网络中的应用

王洪信 陈新 刘威 白亮

摘 要：本文简要简明阐述了IPv6协议包头格式及3G的网络结构框架，并探讨了IPv6协议在3G系统中的工作原理。

关键词：IPv6；4G；3GPP

一、引言

随着科技时代的进步，IPv4缺点显现，如：地址空间明显不足、路由负荷过大、无法满足移动性的要求等问题。IPv4地址耗尽的问题，科学家已在子网掩码，VLSM，CIDR，NAT等技术上做过尝试，虽一定程度延缓了地址空间耗尽，但从根本上无法解决，IPv6却能解决。因此IPv6是未来数据通信领域内的趋势，经过多次修改，1995年确定了协议规范，并命名为IPv6。

二、IPv6报头结构

IPv6报头删掉了IPv4中不常用的域，因此，比IPv4简单的多，放入了可选项，这些可选项有更严格的定义。IPv6中所有的扩展功能都采用扩展报头实现，这使得IPv6变得极其灵活，能提供对多种应用的强力支持，同时又为以后支持新的应用提供了可能。这些报头被放置在IPv6报头和上层报头之间，每一个可以通过独特的“下一个报头”的值来确认。

IPv6报头说明：

（1）版本：4位，IP协议版本号为6。

（2）业务级别：8位，指示IPv6数据流通信类别或优先级。功能类似于IPv4的服务类型（TOS）字段。

（3）流标记：20位，IPv6新增字段，标记需要IPv6路由器特殊处理的数据流。该字段用于某些對连接的服务质量有特殊要求的通信，诸如音频或视频等实时从数据传输。

（4）载荷长度：16位。负载长度包括扩展头和上层PDU，16位最多可表示65，535字节负载长度。超过这一字节数的负载，该字段置“0”，可使用特大包扩展头，其最大容量可达4GB。

（5）下一个报头：8位。识别紧跟IPv6报头后的扩展类型或上层协议类型，相当于IPv4中的协议域。

（6）跳限：8位。类似于IPv4的TTL字段。与IPv4用时间来限定包的生命期不同，IPv6用包在路由器之间的转发次数来限定包的生命期。包每经过一次转发，该字段减1，减到0时把着个包丢弃。

（7）源地址和目的地址：都是128位，前者是发送方主机地址。后者在大多数情况下，目的地址即信宿地址。

三、3G网络结构简述

3G（3rd Generation）指第三代移动通信技术。3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务

UMTS即通用移动通信系统，3GPP/UMTS网络的体系结构分为电路交换域和分组交换域，IPv6的使用只涉及3GPP的分组交换域。

3GPP网络由移动节点（MS/UE）、接入网（UTRAN）和核心网（CN）组成，移动节点在R99和R4中称为移动站（MS），R5中称为用户设备（UE）。MS由终端设备（TE）和移动终端（MT）组成， 并通过空中接口接入UMTS系统。接入网（UTRAN）负责软切换、接入和拥塞控制及无线资源分配等功能。核心网（CN）内主要有服务GPRS节点（SGSN）和网关GPRS节点（GGSN）两种节点。SGSN承担认证、授权以及移动性管理等功能；GGSN则提供IP连接、连接内部多媒体业务子系统及其外部网络，并承担着收集计费信息的功能。多媒体业务子系统（IMS）连接在运营商网络内部，向UE提供一些基础服务，如DNS、WAP、SIP等业务。边界路由器（ER）则负责连接运营商网络与Internet在接入的UE与GGSN之间建立了基于IPv6的分组数据协议上下文；从UE发出的IP数据包，由GGSN路由，经由用户制定的GGSN上的接入点（AP），访问目标网络。

四、IPv6在3G网络中的应用

在3G的系统中，已经确立了IPv6为网络的承载、业务应用的发展方向，其中涉及到使用IPv6协议的部分为：（1） UE和UTRAN之间。（2）UTRAN和核心网分组交换域之问。（3）核心网分组交换域内部。

3G网络中的移动终端要想获得IPv6数据服务，首先需要获得一个合法的IPv6地址。由于3G网络中的终端节点没有惟一标识，所以其地址的自动分配与拨号网络类似，是基于PPPV6的。与一般IPv6节点的地址配置一样，在3G网络中，移动节点的地址配置也有两种方式：有状态地址自动配置和无状态地址自动配置。有状态地址自动配置使用外部协议连接到分配地址的服务器上，而无状态地址配置则与在以太网中的配置方式有所不同。在3G网络中，GGSN的每一个AP都可以单独指定地址配置方式，其中无状态的地址自动配置方式与一般的IPv6节点不同。

地址配置的协议过程：

（1）UE向SGSN发起“激活PDP上下文请求”的消息， “PDP类型”指定为IPv6；

（2）SGSN接收到请求后，向GGSN发送 “创建PDP上下文请求”消息；

（3）GGSN收到请求后，为UE分配接口标识及地址前缀并生成IPv6的链路本地地址，然后将信息封装在“创建PDP上下文请求”响应中，返回给SGSN；

（4）SGSN收到应答消息后，将应答信息封装在“激活PDP上下文请求”接收消息中，发回给UE；

（5）UE得到地址信息的配置，然后按照配置发送一个“路由请求”消息给GGSN；

（6）GGSN执行完操作后，向UE发送一个“路由通告”。

经以上步骤，UE利用路由器广播信息，与先前收到的接口标识组成IPv6地址。由UE发出的IPv6数据包则被3G网络中的节点直接转发到GGSN，再由GGSN路由到目标网络。每一个连在网上的UE都会创建一个主要PDP上下文请求用来与因特网通信。UE在与GGSN连接的整个生命周期内，可以创建许多主要和次要PDP Context请求。在3GPP中，GGSN为每个主要PDP Context请求分配一个单独的64bit标识。GGSN也把一个单独的64bit前缀公布给UE，这两个部分组合成一个IPv6地址。随后，GGSN对SGSN中的PDP Context请求入口进行修改，使之包含整个IPv6地址。这样，SGSN就能知道每个3GPP节点的单个IPv6地址了。该地址也用在GGSN中标识与每个包相关联的PDP Context请求，它假设3GPP节点不产生任何地址。

五、结束语

IPv6解决了IPv4地址短缺、端到端IP连接、QoS、安全性、多播、移动性、即插即用等问题。由于IPv4普遍的应用，IPv6取代IPv4需要一个过程。

参考文献：

[1]Xiao-Hu Yu等 Toward Beyond 3G：The FuTURE Project in China IEEE Communications MagazineJanuary 2005.

[2]姚树宇 IPv6技术分析及其前景展望 现代计算机 2005.10.