IPv6在3G中的应用

admin

    0、引言
    随着移动通信的迅速发展，人们对通信中丰富多彩的业务需求促使了第三代移动通信(3G)的诞生。3G是移动通信发展的必然方向，其主要特点就是全球发展最快的两个行业——移动通信和互联网行业在IP基础上的全面融合。先进的3G标准手机使用户可以在移动中享受音乐、视频、上网等服务，然而欲实现随时随地的移动上网，必须为每一个移动终端配备一个全球唯一的IP地址。传统的IPv4暴露出越来越多的问题，如地址空间不足、服务质量(QoS)、安全问题等。特别是现有的IP地址容量远远满足不了应用的需求，IPv6则通过采用128位的地址空间替代IPv4的32位地址空间来扩充Internet的地址容量，使得IP地址在可以预见的时期内不再成为限制网络规模的一个因素，自动配置方式让移动终端更易于配置，同时在安全性、QoS及移动性等方面有了较大的改进，使Internet能承担更多的任务。
    1、3G数据传输网络结构
    UMTS(UniversalMobileTelecommunicationSystem)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)、接入网和核心网(参见图1)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。UMTS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(PDP)上下文(context)；从UE发出的IP数据包，通过GGSN路由，经由用户制定的GGSN上的接入点(AP)，访问目标网络。如果用户使用其他终端设备，经由UE访问目标网络。

    图1 3G数据传输网络结构示意图

    2、MT接入3G网络
    在UMTS的网络中使用IPv6，首先要求MT需要具有对IPv6的支持能力。由于UMTS允许GPRS和UTRAN两种类型的接入网，并且3GPP的UMTSR99、R4、R5以及后续的版本中定义了不同的IPv6支持程度，所以3GPP网络中允许使用3种类型的MT，即纯IPv4终端、双栈终端和纯IPv6终端。GPRS/3GPP的终端连接到网络需要两个阶段，即连接到GPRS网络(GPRS附着)和连接到IP网络(PDP移动场景激活)。GPRS附着的过程是3GPP终端上电后，向网络发送附着消息。SGSN从归属位置寄存器(HLR)收集用户数据，对用户进行鉴权，然后与终端附着。GPRS附着后，进行PDP激活，MT从激活的PDP上下文中获得其IP地址，IP地址用来向终端路由数据，这个过程将在后面作具体介绍。在实际系统中GPRS核心网络位于移动终端和GGSN之间，MT和GGSN的AP之间建立的连接称为PDPcontext。在GGSN中，GGSN配有3个AP，支持与不同的网络(IPv4/IPv6)的连接，任何数据业务的数据流需要通过AP传送到外部网络。假定移动网络(GPRS/3GPP)运营商主要提供IPv6的业务，所以最上面的一个支持IPv6的连接只能与IPv6的网络相连。中间的一个AP也提供对IPv6的连接，但它以隧道的方式通过IPv4网络与外部的IPv6网络相连。这里可以根据不同的网络连接情况来选择各种不同类型的隧道方式；如果是连接外部的一个IPv6子网，可以使用6to 4的隧道方式，如果是连接IPv4之中的一个IPv4主机，则可以使用6 in 4的隧道方式。最下面的一个AP只提供IPv4的连接，只能连接到IPv4的主机和服务。
    概括来讲，在一个IPv4网络中的一台IPv4主机可以经由IPv4互联网到达；在IPv6网中的一台IPv6主机则可以借道经IPv4互联网或直接经IPv6互联网到达。当经过IPv4网络连接一台IPv6主机时，需要使用隧道。该隧道起点可以是GGSN、ER或UE；隧道终点可以是该主机本身或一台在这片IPv6网边缘的路由器。如果隧道在到主机之前结束的话，就在路由器中解封封装的包。
    3、3GPP网络中对MTIPv6地址的分配
    用户终端的IPv6地址可以是用户注册时获取的静态地址或PDPcontext激活时获取的动态IPv6地址。其中无状态地址自动配置方式在获取接口标识符时，与一般IPv6节点稍有不同。无状态自动配置仅仅在有多点传送能力的链路上执行，并且只有在一个有多点传送能力的接口处于激活状态时开始。
    当使用IPv6自动地址分配(无状态或有状态)，接入Intranet/ISP的过程需要两个信令阶段。第一个阶段MS从GGSN获得其接口标识，这一阶段通过PDPcontext激活的过程来完成。第二个信令阶段，用户则从GGSN获取全球IPv6地址所需的网络地址前缀，这一阶段需要使用路由请求(RS)和路由广播(RA)的消息。这两个阶段实际上是PDP激活之后跟随自动地址配置的过程。
    其中第一个阶段PDP激活的具体过程如下：
    1)UE/MS发起激活PDPcontext请求，指定PDP类型为IPv6；
    2)SGSN接收到请求，向GGSN发起PDPcontext请求；
    3)GGSN收到请求，为UE分配接口标识以及地址前缀，生成IPv6的链路本地地址，然后将信息封装在建立PDPcontext响应里，发送给SGSN；
    4)SGSN将响应信息封装在激活PDPcontext认可信令里，发回给UE；
    5)UE得到地址配置信息，然后可以按照该配置发起路由器请求；
    6)GGSN发送路由器广播给UE。
    经过以上过程，MT利用路由器广播信息与先前收到的接口标识组成自己的IPv6地址。由MT发出的IPv6数据包被3G网络的节点直接转发到GGSN，再由GGSN路由到目标网络。如此，在第一个阶段中，MS建立了与Intranet/ISP的接入，并使用GGSN提供的端口标识生成了本地链路地址。但在MS可以和Intranet/ISP中的其他主机通信之前，MS必须获得一个全球IPv6地址或地区链路地址。这个IPv6的获取可以通过第二阶段有状态或无状态地址配置来获得。
    4、3G网络中IPv4向IPv6的过渡
    现在IPv4的运营是相当成功的，广泛的网络基础设施决定了IPv4不可能一下子全部都转移到IPv6。目前，主要有3种方式可以将IPv4平台转换到IPv6平台。
    4.1隧道方式
    用于连接IPv4路由结构中的孤立的IPv6节点。此方法要求隧道两端的IPv6节点都是双栈节点，既能发送IPv6包，又能发送IPv4包，通过将IPv6分组装入IPv4头部，产生包含IPv6数据报的IPv4数据报，使得IPv6在IPv4的路由基础结构上构成传输IPv6的隧道。
    4.2双协议栈方式
    主机和路由器在同一网络接口上运行双IP(同时支持IPv4和IPv6)，GGSN必须同时提供IPv4与IPv6的AP，并在IPv4中提供IPv6的隧道机制，MT也要同时运行IPv4与IPv6两种协议，同时支持IPv4和IPv6两种服务模式。
    4.3翻译方式
    采用类似协议转换器(NAT-PT)的方式来进行IPv4与IPv6的互译，允许IPv4主机和IPv6主机直接互通而不需要改变原来的设定或程序。
    这样，IPv6网络就可以利用实用性较高的IPv4网络资源，加速实现全面过渡到IPv6的进程。从IPv4向IPv6过渡是一个长期过程，单一解决方案不能满足整个过渡过程的需要，具体在3G网络中的实施可以分为以下几个阶段：
    起始阶段是一个纯IPv4的网络，网络上所有终端和主机都是IPv4的，由于没有IPv6，所以也没有必要采用什么过渡机制，只需网络结点主机之间采取纯IPv4通信协议即可。
    在过渡的第一阶段，网络中只有少数纯IPv6平台，这些IPv6设备通过隧道技术和其它IPv4网络沟通，同时一些NAT-PT的部分可用做IPv4和IPv6间的转换工作。
    过渡的第二阶段，IPv6已经较为广泛采用，然而为了与一些只支持IPv4的设备互通，有时仍然必须使用隧道技术和NAT-PT。此时所有新引入的移动设备都已完全支持纯IPv6平台，因此也加速了对IPv6的全面推广和采用。
    过渡的第三阶段，IPv6已成为主流，所有的节点和网络设备都已完全支持IPv6平台，此时已不再需要支持IPv4与IPv6双协议，整个网络都运行IPv6平台。
    5、结束语
    IPv4地址资源的耗尽决定了IPv6技术革命必将到来；IPv6的技术优势为我们描绘了下一代互联网的光明前景。
    虽然IPv6的发展面临着许多严峻的考验，但是从长远来看，IPv6带来的好处将使网络上到一个新台阶，有利于网络的持续长久发展。在中国首个IPv6商用网络将在不久后投入试运行。在政府、科研机构、网络运营商、设备制造商、软件厂商以及产业联盟从各自的角度协作努力下，IPv6将得到飞速的发展。