5G网络IPv6协议技术分析

刘俭?夏金栋?王嘉昊?余和平

摘要：在5G时代，IPv6协议开始在5G网络中得到了广泛应用。为充分发挥IPv6协议的技术优势，本文将对该协议技术在5G网络中的应用进行分析，包括IPv6协议技术体系、IPv6协议过渡技术、IPv6协议部署技术以及IPv6协议安全技术等。希望通过本次的分析，可以为IPv6协议技术的应用和5G网络的发展提供一定支持。

关键词：IPv6协议；主要技术；5G网络

在5G网络的应用和发展中，IPv6协议发揮着至关重要的应用优势。因此，相关单位与技术人员一定要对5G网络以及IPv6协议有清晰的理解，并在此基础上将IPv6协议技术合理应用到5G网络中。只有通过这种方式，IPv6协议才能发挥出其应有的技术优势，有效推进5G网络技术在当今时代的良好应用，并满足其后续的发展需求。

一、5G网络与IPv6协议概述

（一）5G网络

5G网络又叫做第五代移动通信网络，其理论传输速度峰值可达50Gbps，相当于2.5GB/s。与之前的4G网络相比，5G网络不仅具有更快的传输速度，同时也具有更高的稳定性与安全性，可充分满足现代社会对于移动通信网络的实际应用需求。凭借着这些优势，5G网络在当今社会中已经得到了越来越广泛的应用。而随着5G网络技术的应用和发展，其中的协议技术也受到了研究者们的重点关注。

（二）IPv6协议

IPv6协议是由互联网工程任务组以传统IPv4协议为基础设计的新一代IP协议。与传统的IPv4协议相比，IPv6协议具有以下主要技术优势：①地址空间更加庞大，其地址长度为128位，可提供的地址数量非常庞大，几乎可以在世界范围内的每一粒沙子上进行IP地址编程[1]。②传输速度更快，IPv6协议技术不再携带冗长数据，而是以简短报头的形式进行数据转发，这样可以实现网络传输速度的显著提升。③传输方式更加安全，IPv6协议技术中实现了IPsec的直接集成，传输的数据可在网络层进行认证和加密，这样便可为用户的网络数据安全提供良好保障。④具有更高的友好性，该协议的应用可使移动终端具有更强的移动性能，并进一步提升其路由特性与安全特性，让网络部署更加简单，同时也可以进一步降低网络部署方面的投资。⑤具有更高的便捷性，相比较IPv4协议而言，IPv6协议中增加了重配置以及自动配置两种技术，可自动进行IP地址的更新与增删处理，从而使网络管理更加便捷。

二、5G网络中的主要IPv协议技术分析

（一）IPv6协议技术体系

在传统的4G网络中，双栈终端通常需要在连接时建立，且在此过程中需要不断进行IPv4-IPv6双栈连接请求的发起。基于此，在当前的5G网络优化中，考虑到IPv6协议在未来会普遍应用，所以可将其中的IPv4-IPv6双栈设计去除，使IPv6转变为单栈形式，以此来实现整体设计的进一步简化。具体设计中，通过将IPv4-IPv6双栈设计转变为IPv6单栈设计，可以有效防止5G网络同时分配IPv4地址和IPv6地址导致部分终端只能应用IPv4地址的情况，从而实现5G网络协议栈的进一步简化，避免双栈分配中的IPv4协议对IPv6协议优化机制产生限制，并使用户终端和网络业务连续性连接过程得到进一步简化。而在将这种IPv6优化机制引入到5G网络中后，便可为其中的RFC 7157（Multi-Homing）提供支持，让用户能够对本地网络以及远程网络实施同时访问[2]。这种应用模式对于边缘计算的实现具有非常大的应用优势，可以让5G网络中的业务具有更好的连续性，从而使网络切换过程中的中断时延得到明显的降低。

（二）IPv6协议过渡技术

5G网络从IPv4协议到IPv6协议的过渡需要考虑技术和经济等综合因素，移动网络和传统网络中的IPv4到IPv6过渡方法具有一定程度的相似性，就目前来看，其主要的过渡技术有双栈过渡技术和隧道过渡技术。具体应用中，其技术方案如下：

1.双栈技术（IPv4/IPv6）方案。

该方案主要应用的是IPv4/IPv6双栈技术以及NAT44技术。网络节点可同时为IPv4协议栈以及IPv6协议栈提供支持，源节点可可根据不同的目的节点，合理选择不同的协议栈；网络设备会根据不同的报文协议类型来选择合适的协议栈处理和转发报文。将IPv4程序设置在网络系统终端，不仅可以为公网中的IPv4应用服务器访问提供支持，同时还可以避免网络部署过程中IPv4协议和IPv6协议相互影响的情况。通过按需部署的方式，可以更进一步地简化整体网络规划。另外，借助IPv6自身的优选策略，网络终端双栈也可以逐步增长IPv6流量，以此来满足用户的实际应用需求。在此过程中，如果网络终端的IPv6地址只有一个，可采用NAT64+DNS64来进行IPv4协议和IPv6协议之间的转换，满足用户对于5G网络IPv4协议和IPv6协议的实际应用需求，并使其中的IPv4协议地址短缺或IPv6协议地址短缺问题得以有效解决[3]。

2.隧道技术（GI DS LITE）方案

该技术方案的核心思想是在两个通信孤岛之间建立一个点到点的虚拟通道，使得通信数据可以在两者之间传输，从而满足两者的相互通信需求。具体应用中，需要将一个IPv6网络同时连接到通信的两端。虽然这种技术模式不能对IPv4协议条件下的通信数据作出有效识别，但可以通过隧道通信形式在IPv6承载条件下传输IPv4报文。在当前运营商所运行的PDN策略中，此种技术方案是非常适用的。在以往的隧道技术方案中，大多数应用场景只能支持IPv4协议，但是随着5G网络技术的发展，越来越多的应用场景也支持IPv6协议的应用。将IPv6网络设置在PDN侧，便可充分满足两个通信孤岛之间的实际网络通信需求。

（三）IPv6协议部署技术

就技术角度而言，IPv6具有较为复杂的演进过程，且演进过程中涉及的制约因素也有很多，比如IPv4/IPv6双栈终端能力、IPv4在公网中的分配情况、IPv4在私网中的地址空间以及5G网络中存在的应用程序等。基于此，在对5G网络里的IPv6协议进行业务部署时，运营商与技术人员还需要对具体的过渡策略、现有的网关设备支持条件、计费营账系统开发情况、数据设备能否支持双栈设计情况以及业务平台对IPv6协议的支持程度等各项因素加以综合考虑。根据以上标准，在当今的5G网络环境中，IPv6协议的主要部署技术包括以下几个方面：

1.将IPv6协议部署到EPC中

由于IPv6协议所应用的地址结构均为新型结构，因此在具体应用中，许多应用程序只有在对API调用做出合理修改的情况下才能启用IPv6协议栈。这种情况导致很多应用程序无法实现平滑迁移，使用户无法获得一致性的业务体验。再加上多数据终端的兼容性不佳，不能为IPv6协议的应用提供支持，从而也使IPv6协议在规模方面受到了较大制约。基于此，在部署5G网络中的IPv6协议时，相关单位与技术人员需根据5G网络的实际应用及其终端的实际发展情况，采用不同的部署策略。在初期部署阶段，许多终端以及程序无法支持IPv6协议，尤其是移动设备终端，更是无法满足IPv6协议的实际运行。因此，在这一阶段中，需要对IPv6协议和IPv4协议进行同时部署，而不是仅仅将新的IPv6协议地址分配给用户。如果仅仅将新的IPv6协议地址分配给用户，势必会对其网络通信业务产生不良影响，并进一步降低其应用体验。考虑到用户和运营商在这一过渡时期的整体情况，具体部署中，可通过上述的IPv4/IPv6双栈模式进行部署，以此来为单一IPv6协议部署问题解决提供最佳方案[4]。

这种部署模式既可以让运营商实现IPv4与IPv6协议地址的合理提供，同时满足用户对5G网络实际应用需求，进一步提升其应用体验；也可以让IPv6协议技术在现代5G网络中获得更好的发展。在IPv6规模的发展时期，5G网络中应实现纯IPv4协议和纯IPv6协议的并存。在此阶段中，以IPv6协议为基础的传统业务将会在5G网络环境中实现大量部署，且大多数的终端以及应用都可以为IPv6协议提供支持。因此，将IPv6协议地址提供给5G网络用户不会对其业务需求产生不利影响，也不会降低网络业务体验。然而，考虑到一些用户依然习惯于应用IPv4协议，依然需要按照IPv4/IPv6双栈技术进行部署。在具体的协议部署中，可以将一个IPv6协议地址分配给5G网络终端，并利用NAT64+DBT64技术来支持IPv4协议模式下的相关业务访问。在IPv6协议目标阶段，IPv6协议技术已经成为5G网络中的一种成熟技术，且5G网络中几乎所有的应用以及终端都能够为IPv6协议提供支持。随着云计算和物联网技术的全面发展，可以考虑将传统的IPv4协议栈全部关闭，只对IPv6协议栈进行部署。为满足IPv6协议的实际应用需求，对于5G网络中不能够为此项协议技术提供支持的应用以及终端，应及时进行更新或替换处理，使整个网络系统都支持IPv6协议的运行。通过这样的方式，才可以让IPv6协议技术在现代5G网络中得到科学部署。

2.以SDN为基础的IPv6协议移动性管理技术

就目前的5G网络来看，PMIPv6是一种常用的移动性管理技术，该技术的主要应用方法是通过IP隧道对5G網络本地移动性进行处理。但经实践应用发现，此项技术存在很多问题，比如IP隧道开销问题、控制面和数据路径共用问题等。为解决上述问题，提升5G网络中的IPv6协议应用效果，在具体部署中可对SDN加以合理应用。SDN又被称之为软件定义网络，它的组网协议是OpenFlow，而且其组网的形式相对来说比较灵活，通过PMIPv6组件和移动性管理功能的分开设置可以使得OpenFlow架构优势得到充分发挥。图1为OpenFlow中的OPMIPv6结构体系示意图。

在该结构体系中，OPMIPv6专用节点与移动功能处于分离状态。LAM（本地移动性锚点）功能位于控制器中，而MAG（移动接入网关）功能则位于交换机或控制器中。借助于PMIPv6协议，可以为LMA以及MAG功能条件下的MN移动性管理提供支持，从而使控制平面和数据库之间达到良好的分离效果。控制器和交换机之间的通信主要借助于OpenFlow来实现，通过数据转发路径的科学设置以及交换机的合理控制，可以有效防止数据报文在IP隧道中转发的情况发生。在集中式移动管理控制器中，可对LMA以及MAG功能进行耦合处理，这种耦合处理模式被又称为OPMIPv6-C[5]。在该模式下，LMA以及MAG功能都可以实现托管，两者之间的PMIPv6指令也可以得到最大化的省略。图2为OPMIPv6-C主要部署结构示意图。

3.以MEC为基础的接入网IPv6协议技术部署

MEC又叫做边缘计算技术，该技术是5G网络和IPv6协议技术研究中的一种关键技术，在5G网络的IPv6协议技术部署中，通过MEC技术的合理应用，可让IPv4与IPv6协议之间实现融合通信，并实现位置和标识之间的有效分离，以此来全面提升5G网络的移动性、安全性及其可拓展性。在此过程中，将全球唯一地址表示加以合理应用，可以为5G网络中的各种服务部署及其迁移创造一个灵活的管理环境，同时也可以为其提供良好的NFV（网络功能虚拟化）应用功能。随着IPv6协议在更多5G网络环境中的应用，此项功能的优势也将更加突出。

（四）IPv6协议安全技术

因为当前5G网络中的UDN（超密集组网）网络用户接入需求为海量形式，而其服务器端也需要满足海量用户对于安全认证方面的实际应用需求。在这样的情况下，海量用户的加密服务器性能、加密方法和Dos/DDoS新感知网络攻击等各个方面都具有非常高的安全需求。为满足上述安全需求，5G网络架构设计中着重强调了对于SDN以及NFV方面的支持。通过SDN的应用，不仅可对传统网络中的拓扑结构做出合理改善，同时也可以使其中继节点和网络资源得到合理优化。而在METIUS 5G网络场景里，可将移动接入设备临时升级成小基站，让5G网络具有更大的覆盖面积[6]。但是由于此种小基站的安全等级要求非常高，所以在具体部署中，相关单位和技术人员需要对其安全管理问题做出进一步的研究，让IPv6协议为整体5G网络安全体系的构建提供有力支持。

三、结束语

综上所述，IPv6是目前网络信息系统中最先进的一种网络通信协议模式。尤其是在5G网络环境中，IPv6技术的应用优势非常突出。基于此，在对5G网络技术进行应用和优化的过程中，相关单位、研究者和技术人员一定要明确IPv6协议在其中的应用优势，结合5G网络的实际应用及其发展需求，对IPv6协议技术加以合理应用。通过这样的方式，才可以让现代用户对于5G网络的应用需求得以充分满足，进一步提升5G网络的传输效率、传输质量及其安全性，从而促进5G网络在当今时代中的良好发展。