王明明

（上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司，上海 200009）

運營商IPv4至IPv6過渡技術(shù)方案探討

王明明

（上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司，上海 200009）

本文闡明了IPv4/v6過渡的必要性，對現(xiàn)有的基本過渡技術(shù)進行綜述和比較。根據(jù)運營商實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分析已有的雙棧技術(shù)和NAT444技術(shù)相結(jié)合的過渡技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同的場景分析不同的過渡技術(shù)，最終根據(jù)運營商的案例分析了部署CGN的過渡技術(shù)方案。

IPV4/IPV6；雙棧技術(shù)；NAT444；CGN；地址空間

1 概述

全球地址分配機構(gòu)（IANA）于2011年2月3日正式宣布，將其最后的468萬個IPv4地址平均分配到全球5個地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心，亞太互聯(lián)網(wǎng)信息中心（APNIC）于2011年4月15日宣布，正常可分配的IPv4地址告罄[1～2]。在當前IPv4地址逐漸枯竭的關(guān)鍵時期，IPv4向IPv6的全面過渡更加緊迫。但由于IPv4協(xié)議和IPv6協(xié)議本質(zhì)上不兼容，在當前IPv4占主導的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，IPv4向IPv6的平滑過渡是不可避免的。

2 解決過渡問題的基本技術(shù)

目前，已有多種策略和技術(shù)方案及其實現(xiàn)可以完成從IPv4向IPv6的轉(zhuǎn)換，但都仍有局限性。按工作原理劃分為以下3種[3～4]：

(1) 雙協(xié)議棧(Dual IP Stack)：主機同時運行IPv4和IPv6兩套協(xié)議棧，同時支持兩套協(xié)議。目前，主流操作系統(tǒng)正處于這一轉(zhuǎn)變中。

(2) 隧道技術(shù)(Tunnel)：這種機制通過IPv4網(wǎng)絡(luò)建立隧道實現(xiàn)IPv6站點之間的連接[5]。

(3) NAT-PT(Network Address Translation-Protocol Translation)：除單點故障和性能問題需要解決外，利用轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)在IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)IPv4對IPv6的通信是可行的。

運營商在實踐中總結(jié)出的過渡技術(shù)一類是解決IPv4公網(wǎng)地址短缺問題[6]，包括NAT444、NAT64、NAT44、PNAT、IVI和NAT-PT等；一類是解決IPv6導入問題，包括雙棧、6RD、DS-LITE、MAP/4RD、6PE、L2TP、6to4等。IPv6演進過程中，運營商通過兩種演進技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)IPv6演進，同時解決IPv4公網(wǎng)地址緊缺。主流的IPv6過渡技術(shù)主要包括：雙棧+NAT444和DSLite。從目前業(yè)界的選擇情況來看，雙棧+NAT444被大多數(shù)運營商所認可。

圖1 IPv6具體的演進策略與目標

3 運營商IPv6改造方案

3.1 演進思路和原則

3．1．1 演進思路

網(wǎng)絡(luò)IPv6演進的目的是要在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上構(gòu)建IPv6能力，同時解決當前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展的問題。電信不同地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)發(fā)展情況不完全一樣，需要區(qū)分場景并采取不同的演進策略。演進過程中運營商最關(guān)注的是如何有效控制投資及降低新技術(shù)部署的風險。但不論哪一種場景，IPv6演進都需要一個過程。在這個過程中需要以用戶場景為中心開展改造，還需要充分考慮對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)和用戶的影響，降低改造過程的成本及風險，依次制定具體的演進策略與目標。如圖1所示。

通過上述內(nèi)容思路的建立，可以幫助運營商根據(jù)自身特點開展演進工作，制定出符合自身特色的演進策略及目標，通過漸進式改造積累經(jīng)驗并規(guī)避技術(shù)風險及有效控制投資。

3．1．2 演進原則

通過前文對思路的介紹，IPv6演進過程需要充分考慮對網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、用戶的影響，并減少改造成本。為了實現(xiàn)前述的思路，在演進過程中，需要遵循如下原則：整網(wǎng)考慮，由易到難原則；按需部署，漸進改造原則；減少影響，平滑演進原則。

3.2 改造方案

3．2．1 城域網(wǎng)改造方案

運營商城域網(wǎng)設(shè)備類型眾多，涉及到的廠家眾多。在面對IPv6演進這個大目標的過程中，必然面對諸多的挑戰(zhàn)及風險。因此，需要對城域網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)的情況做一次地毯式的調(diào)研及能力摸底，才可能在演進過程中有效規(guī)避技術(shù)風險。

3.2.1.1 雙棧改造是基礎(chǔ)

城域網(wǎng)改造以公網(wǎng)雙棧為基礎(chǔ)，提升城域網(wǎng)雙棧支持能力。這需要城域網(wǎng)端到端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備升級具備雙棧能力，周邊系統(tǒng)具備雙棧適配能力。城域網(wǎng)雙棧化，首先要明確現(xiàn)網(wǎng)哪些業(yè)務(wù)需要改造，然后基于這種業(yè)務(wù)，城域內(nèi)相關(guān)設(shè)備如何做相應(yīng)改造。城域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分為城域核心、城域PoP、接入網(wǎng)和家庭終端。在城域網(wǎng)IPv6演進過程中，遵循先易后難的原則，自頂向下開展逐步改造。如圖2所示。

城域網(wǎng)雙棧改造大致分為如下幾個步驟：

圖2 城域網(wǎng)雙棧改造方案圖

(1) 城域CR設(shè)備升級雙棧。城域核心出口CR需要升級雙棧，支持IPv6轉(zhuǎn)發(fā)。鑒于城域網(wǎng)出口擔負著重要的轉(zhuǎn)發(fā)責任，在部署前需要根據(jù)待部署的業(yè)務(wù)進行周密的評估和模擬驗證，確認不會引入技術(shù)問題后再升級開通。

(2) BRAS/SR設(shè)備開啟雙棧。BRAS和SR分別負責公眾用戶和政企專項用戶的業(yè)務(wù)管控和用戶管理。BRAS雙棧改造需要啟動PPPoEv6、DHCPv6、DNSv6及IPv6路由等功能。SR雙棧改造需要啟動IPv6專線、DHCPv6、IPv6路由及6PE/6vPE等功能。

(3) 接入設(shè)備，二層透傳，暫時無需做任何改造。目前，中國電信基本都采用PPPoE方式撥號上線，接入設(shè)備都是二層透傳，并不感知IP報文，對于HSI業(yè)務(wù)暫時無需做任何改造。對后續(xù)的IPTV業(yè)務(wù)的IPv6演進，采用IPoE方式上線，接入網(wǎng)設(shè)備需改造支持IPv6多播，現(xiàn)階段可暫時不考慮。

(4) 終端設(shè)備，升級雙棧。對于橋接型CPE，家庭PC通過PPPoE撥號上線，需要PC具備雙棧能力，橋接型CPE支持IPv6透傳即可。對于路由型CPE，由CPE發(fā)起PPPoE撥號過程，因此，需要CPE和PC同時具備雙棧能力，可考慮開通雙棧后部署DS-Lite。

3.2.1.2 IPv6 CGN部署是關(guān)鍵

不同場景下選擇不同過渡技術(shù)的分析，短期內(nèi)運營商要保持可持續(xù)發(fā)展，在推進IPv6產(chǎn)業(yè)前行的同時還需要通過技術(shù)手段提高IPv4地址的使用效率。按照國家規(guī)劃，IPv6產(chǎn)業(yè)將在未來幾年得到長足發(fā)展從而帶動信息產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。為緩解資源緊張與持續(xù)發(fā)展之間的矛盾，多種過渡技術(shù)陸續(xù)誕生，以此來緩解地址緊缺的問題并協(xié)助運營商網(wǎng)絡(luò)和支撐系統(tǒng)向IPv6平滑演進，因此，CGN部署是向IPv6演進過程中的關(guān)鍵技術(shù)[7]。截止目前，業(yè)界主流的IPv6過渡技術(shù)很多，包括私網(wǎng)雙棧（雙棧+NAT）、DS-Lite和Smart6/NAT64等，均是為緩解IPv4地址緊缺實現(xiàn)的，按照分類如圖3所示。

圖3 IPv6過渡技術(shù)

IPv6過渡技術(shù)種類不同，對網(wǎng)絡(luò)、支撐系統(tǒng)和終端的要求也不同，如表1所示。由此可以看出，IPv6過渡技術(shù)選擇需綜合考慮多維度因素，并可能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和終端變化而變化。

除IPv6過渡技術(shù)選擇外，IPv6 CGN部署位置也存在不同的場景，不同的部署位置需要根據(jù)運營商網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和用戶業(yè)務(wù)發(fā)展情況靈活選擇合適的IPv6 CGN部署解決方案，并充分考慮未來IPv6過渡技術(shù)平滑演進的要求[8]。

IPv6 CGN部署方式選擇，根據(jù)IPv6 CGN的設(shè)備形態(tài)（獨立式和插卡式）、部署位置（集中式和分布式）的不同，目前主要存在分布式插卡和集中式旁掛兩種部署方式，如圖4所示。

分布式CGN插卡將內(nèi)置于現(xiàn)網(wǎng)BRAS/MSE設(shè)備中，CGN與BRAS集成，基于BRAS用戶管控能力擴展地址管理能力，實現(xiàn)基于用戶做精細化地址管理，適合用戶業(yè)務(wù)量多、規(guī)模較大的城域網(wǎng)部署[9]。而集中獨立式CGN需新建并旁掛在城域網(wǎng)出口CR路由器旁邊，適合用戶分散、規(guī)模不大的城域網(wǎng)部署場景。IPv6CGN的部署打破了IP網(wǎng)絡(luò)端到端的連通性，在運營商實際部署過程中需要考慮CGN部署位置對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)和演進發(fā)展的影響。除此之外，IPv6CGN部署位置不同也會對網(wǎng)絡(luò)的運營成本和運維效率產(chǎn)生不同的影響，因此，關(guān)于IPv6 CGN部署位置需要統(tǒng)籌多個維度的因素綜合考慮，如下：

表1 影響過渡技術(shù)的因素

圖4 CGN部署方式

(1) 集中式CGN部署易造成城域流量迂回；

(2) IPv6 CGN結(jié)合用戶管理逐步成為趨勢；

(3) 集中式CGN部署對運維和故障定位提出更高要求；

(4) 分布式CGN交付過程風險可控，總體成本更低；(5) 分布式CGN更適合未來過渡技術(shù)平滑演進。

綜上所述，IPv6 CGN的部署位置對城域網(wǎng)諸多方面會產(chǎn)生影響，通過對CGN部署方式不同的分析可以得出，分布式CGN作為單板內(nèi)置于BRAS，方便基于BRAS用戶管控能力擴展地址管理能力，實現(xiàn)基于用戶做精細化地址管理。同時，流量在設(shè)備內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)，原有城域網(wǎng)流量流向不發(fā)生變化，并且對網(wǎng)絡(luò)運維幾乎無影響，是現(xiàn)階段IPv6過渡技術(shù)部署的主要場景和方式，但可能存在現(xiàn)網(wǎng)部分老舊設(shè)備無法支持的情況。

3．2．2 家庭接入改造方案

家庭接入網(wǎng)絡(luò)主要針對固定寬帶接入用戶，現(xiàn)有固網(wǎng)用戶將首先面臨向IPv6演進問題。家庭接入網(wǎng)絡(luò)主要指連接最終用戶的網(wǎng)絡(luò)，包括城域接入網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)，考慮到城域接入網(wǎng)絡(luò)為二層網(wǎng)絡(luò)，主要透傳IPv6報文，在無需對IPv6接入用戶進行復雜管理和運營的情況下，城域接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備現(xiàn)階段無需IPv6升級或者改造。根據(jù)接入方式、終端類型和過渡技術(shù)等不同的使用場景，對CPE終端的IPv6升級也存在不同的要求，應(yīng)結(jié)合場景綜合考慮。

(1) 家庭網(wǎng)關(guān)升級路由模式，支持IPv6雙棧[10]。家庭網(wǎng)絡(luò)是整個接入網(wǎng)絡(luò)IPv6演進的關(guān)鍵，家庭網(wǎng)絡(luò)存在著分布范圍廣、終端數(shù)量龐大的特點，針對于不同場景，重點是對CPE終端的改造和升級。終端CPE根據(jù)其工作方式可以分為兩種類型：路由型和橋接型。前期電信運營商發(fā)放的CPE多為橋接型CPE，隨著電信光進銅退戰(zhàn)略的實施，后續(xù)新建的PON終端逐步采用路由型CPE，并要求支持IPv6雙棧升級。由于現(xiàn)網(wǎng)部署了較多的終端CPE為橋接型，通過透傳方式無需升級可支持公網(wǎng)雙棧和私網(wǎng)雙棧用戶接入，但受限于PC操作系統(tǒng)，IPv6演進難度還是比較大。對于新建區(qū)域用戶的終端建議優(yōu)選路由型CPE，一方面可以屏蔽PC操作系統(tǒng)的限制，同時可以升級支持私網(wǎng)雙?；駾S-Lite等IPv6過渡技術(shù)[11]。目前，國內(nèi)主流的PC操作系統(tǒng)是Windows XP和Windows 7。Window 7對IPv6支持程度較好，而Window XP對IPv6支持程度較差（主要是不支持DHCPv6）。考慮PC操作系統(tǒng)使用情況，為加快IPv6用戶改造和地址分配，建議家庭網(wǎng)絡(luò)IPv6演進優(yōu)先采用路由型CPE終端，可有效屏蔽PC操作系統(tǒng)問題對IPv6用戶發(fā)展的影響。對于無法升級成路由型CPE的用戶，目前可以建議用戶安裝客戶端（支持DS-Lite功能），實現(xiàn)軟件撥號。

(2) 使用ITMS系統(tǒng)完成對海量CPE終端升級及管理。家庭網(wǎng)絡(luò)的IPv6演進涉及海量終端改造，一般需要借助于ITMS即終端管理系統(tǒng)來完成CPE終端的版本升級和配置的更新。為滿足IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中家庭網(wǎng)關(guān)和企業(yè)網(wǎng)關(guān)的業(yè)務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)管理需求，要求ITMS在遵循IPv4網(wǎng)絡(luò)管理總體框架的基礎(chǔ)上，通過擴展管理對象的屬性以包含IPv6相關(guān)的管理信息，使用IPv6作為數(shù)據(jù)采集的承載協(xié)議，以具備能夠工作于純IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的能力。

3．2．3 數(shù)據(jù)中心改造方案

IDC改造是IPv6改造中重要的一環(huán)，沒有IPv6內(nèi)容，用戶訪問網(wǎng)絡(luò)IPv6將無法得到相應(yīng)的使用體驗。目前，互聯(lián)網(wǎng)上可提供IPv6訪問服務(wù)的網(wǎng)站和內(nèi)容仍舊很少，美國運營商COMCAST統(tǒng)計，全球TOP一百萬網(wǎng)站中，能提供IPv6服務(wù)的網(wǎng)站比例一直在3%左右徘徊?；ヂ?lián)網(wǎng)的IPv6流量占比也很低，Google統(tǒng)計，自2010年以來，互聯(lián)網(wǎng)IPv6流量開始明顯增長，但總體占比仍不到1%，中國互聯(lián)網(wǎng)IPv6流量占0.43%。究其原因是IPv6內(nèi)容匱乏導致的。在IPv6演進過程中，為了更好的讓用戶體驗IPv6網(wǎng)絡(luò)，如果沒有足夠IPv6內(nèi)容吸引，用戶很難切換到IPv6上。這也是電信面臨的主要問題，也是阻礙IPv6發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此，IDC的IPv6改造是IPv6演進發(fā)展中重要的環(huán)節(jié)。IDC改造可以在IDC內(nèi)部進行端到端雙棧升級，也可以在IDC出口路由器上部署Smart6網(wǎng)關(guān)，解決雙棧用戶IDC訪問的問題。 這是目前IDC向IPv6演進改造主要的兩種方案。鑒于Smart6部署相對簡單，周期較短，建議Smart6優(yōu)先在運營商自建IDC進行部署。

3．2．4 業(yè)務(wù)流程改造方案

網(wǎng)絡(luò)端到端改造完成后，需要進行業(yè)務(wù)打通，業(yè)務(wù)流程是指從用戶撥號上網(wǎng)、獲取地址并根據(jù)URL解析Internet網(wǎng)站地址，實現(xiàn)上網(wǎng)的整個流程。個人寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)流程主要包含業(yè)務(wù)認證、用戶管理、地址分配、域名解析和業(yè)務(wù)計費等過程。網(wǎng)絡(luò)部署CGN和IPv6之后，個人寬帶用戶上網(wǎng)業(yè)務(wù)流程主要會在地址分配、用戶管理、域名解析和業(yè)務(wù)計費上發(fā)生較大的變化[13]，運營商除了需要進行網(wǎng)絡(luò)改造，還需要對周邊配套系統(tǒng)進行改造。

(1) 業(yè)務(wù)認證。電信目前主要采用PPP認證方式[14]，對于PPP認證， IPv6部署無需對接入網(wǎng)進行改造，因此，推薦使用PPP方式進行雙棧寬帶用戶接入改造。網(wǎng)絡(luò)部署雙棧之后，用戶會同時分配IPv4和IPv6地址，但是IPv4和IPv6會使用同一個PPPoESession，用戶名和密碼也是使用同一套，也就是說，PPPoE方式下，業(yè)務(wù)認證流程無需改造。

(2) 用戶管理。用戶域是用戶管理的基礎(chǔ)，不同的用戶劃分為不同的管理域或AAA服務(wù)器通過配置用戶的業(yè)務(wù)屬性來管理用戶，域管理的內(nèi)容分為接入管理和業(yè)務(wù)管理兩類。IPv6/IPv4私網(wǎng)地址引入后，用戶地址類型將出現(xiàn)公網(wǎng)雙棧、IPv4公網(wǎng)單棧、IPv6單棧、私網(wǎng)雙棧用戶、IPv4私網(wǎng)單棧、DS-Lite 6種類型。

(3) 地址分配。雙棧用戶按接入場景不同，有多種地址分配方式，通過在全球IPv6的測試/部署實踐來看，ND獨享前綴（每個用戶的IPv6前綴不一樣）+PD方式是兼容性最好的地址分配方式。

(4) 域名解析。DNS解析是指DNS服務(wù)器將域名解析為IP地址的行為，此行為由終端發(fā)起。當DNS請求的是AAAA資源記錄，將網(wǎng)址解析為IPv6地址；當DNS請求的是A資源記錄，將域名解析為IPv4地址。DNS服務(wù)器有兩種改造方式：方案1，DNSServer IPv4單棧，支持AAAA記錄，PC獲得DNSServer的IPv4地址，和DNSServer之間仍然采用IPv4通信；方案2，DNSServer支持雙棧和AAAA記錄，PC同時獲得DNSServer的IPv4和IPv6地址。在IPv6演進初期，推薦使用方案1，改造成本小，改造復雜度低。

(5) 業(yè)務(wù)計費。雙棧用戶有兩種計費方式，即統(tǒng)一計費和獨立計費。統(tǒng)一計費，也就是IPv4和IPv6的流量之和通過Radius的公有計費屬性上送，計費信息里不區(qū)分IPv4和IPv6流量。獨立計費，IPv4的流量使用公有計費屬性上送，IPv6的流量使用私有屬性上送，計費信息區(qū)分IPv4流量和IPv6流量。在IPv6演進過程中，需要觀察用戶IPv6的使用情況，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)IPv6流量增長情況，為IPv6演進提供規(guī)劃依據(jù)，因此，在IPv6演進過程中，建議使用獨立計費。

3．2．5 支撐系統(tǒng)改造方案

在IPv6演進的過程中，由于在城域網(wǎng)絡(luò)中分區(qū)域部署了多種過渡技術(shù)[15]，現(xiàn)網(wǎng)會同時存在多種BRAS設(shè)備類型及其接入用戶。城域網(wǎng)必須同時兼顧向下一代互聯(lián)網(wǎng)的演進，而這個演進的前提是支撐系統(tǒng)對城域架構(gòu)的多樣性能夠進行管理?？傮w說來，支撐系統(tǒng)要能夠在IPv6過渡期間，基于整個網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)業(yè)務(wù)開通、使用、計費和裝維。

4 小結(jié)

運營商通過多年的IPv6現(xiàn)網(wǎng)試點在網(wǎng)絡(luò)的IPv6過渡技術(shù)驗證方面積累了豐富經(jīng)驗，并明確了NAT444和DS-Lite兩項關(guān)鍵的IPv6過渡技術(shù)及其部署策略，明確CGN部署以解決業(yè)務(wù)發(fā)展期面臨的地址問題為主要出發(fā)點，明確了IPv6首先從HSI演進部署的策略路線，現(xiàn)網(wǎng)試點有效推動了過渡技術(shù)成熟。但作為產(chǎn)業(yè)鏈的兩端的用戶和業(yè)務(wù)仍是IPv6規(guī)模發(fā)展的最大障礙，支持IPv6的網(wǎng)站仍然很少、互聯(lián)網(wǎng)的IPv6流量占比仍然很低，如何使用戶使用IPv6，IPv6業(yè)務(wù)如何發(fā)展仍是下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個重要挑戰(zhàn)。

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Discuss on operator transition technical scheme from IPv4 to IPv6

WANG Ming-ming
(ShanghaiPosts&Telecommunications Designing Consulting Institute Co., Ltd., Shanghai 200009, China)

This paper summarizes the existing basic transition techniques, and clarifi es the need of the transition from IPv4 to IPv6. Then analyses the transition technology of the Dual IP Stack and NAT444 based on the operator's actual network environment. According to the operators case and compare with other different transition technologies, the CGN deployment transition technology is discussed.

IPv4/IPv6; Dual IP stack; NAT444; CGN; Address space

TN914

A

1008-5599（2016）11-0065-06

2016-09-29