淺析IPv4向IPv6過渡技術(shù)

田甜　徐冉

摘 要:隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展,IP地址的需求量不斷增加,IPv4地址資源明顯不足。因此,IPv6成為了新一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,它的可用地址至少相當(dāng)于全球IPv4地址空間的42.9億倍。本文主要介紹了IPv4向IPv6過渡的技術(shù)以及LTE網(wǎng)絡(luò)引入IPv6的過渡方案。

關(guān)鍵詞:IPv6過渡技術(shù)網(wǎng)絡(luò)升級

中圖分類號:T9393.04 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0062-02

在移動互聯(lián)時代下,智能化電表、智能化家電、汽車、電腦、智能移動設(shè)備以及移動醫(yī)療設(shè)備都將擁有自己的IP地址。原有的IPv4已經(jīng)不能滿足這種需求,因此IPv6作為新一代的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議出現(xiàn)在人們的視野。IPv6采用了128位地址格式,可以支持的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于IPv4。在解決IPv4向IPv6過渡的問題上,需要考慮以下兩種情況:(1)IPv4海洋中IPv6孤島間的通信問題,既現(xiàn)有的IPv4路由體系相隔的局部IPv6網(wǎng)絡(luò)之間如何通信的問題;(2)如何使新配置的局部IPv6網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有的IPv4資源之間完成相互地?zé)o縫訪問[1]。我們可以利用隧道技術(shù)和雙棧技術(shù)以及地址頭翻譯來解決這些問題。

IPv6地址格式的巨大優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在地址空間的巨大上,而且基于IPv6報頭中新增的字段“業(yè)務(wù)級別”和“流標(biāo)記”的基礎(chǔ)上,服務(wù)質(zhì)量也得到了明顯的提高。同時,IPv6還支持“時時在線”連接,從而防止服務(wù)中斷并且提供了更高的網(wǎng)絡(luò)性能。[2]

1 過渡技術(shù)

上文提到IPv4向IPv6過渡技術(shù)有三種:(1)雙棧;(2)翻譯;(3)隧道三種。下面就對這三種技術(shù)進(jìn)行介紹。

雙棧技術(shù)使得路由器和交換機(jī)內(nèi)部同時存在IPv4和IPv6協(xié)議。這種技術(shù)的本質(zhì)就是讓兩種地址在機(jī)器內(nèi)部實現(xiàn)轉(zhuǎn)化,只要設(shè)備具有雙棧性能就可以和僅僅具有單一IP協(xié)議的設(shè)備完成通信。其工作方式是建立在應(yīng)用程序使用的目的地址基礎(chǔ)上的,具體工作方式如表1。

地址翻譯顧名思義就是解決單一運(yùn)行IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)與單一運(yùn)行IPv4協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間互相通信的技術(shù)。地址轉(zhuǎn)換技術(shù)NAT就是將IPv4地址或是IPv6地址做為NAT技術(shù)中的內(nèi)部地址和全局地址,然后在網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。NAT/PT技術(shù)的原理如圖1所示。在IPv6子網(wǎng)中有IPv6分組發(fā)給網(wǎng)關(guān)的情況下,網(wǎng)關(guān)將自動轉(zhuǎn)化成IPv4分組發(fā)向IPv4子網(wǎng),反之亦然[3]。

隧道技術(shù)是在IPv4網(wǎng)絡(luò)中連接孤立的IPv6節(jié)點(diǎn)時,應(yīng)用的基本通信方式。其原理就是將IPv6分組封裝到IPv4分組中,封裝后的IPv4分組將通過IPv4的路由體系傳輸,分組報頭的“協(xié)議域”設(shè)置為41,表示這個分組的負(fù)載是一個IPv6的分組,以便在適當(dāng)?shù)牡胤交謴?fù)出被封裝的IPv6分組并傳送給目的站點(diǎn)。[4]

2新興技術(shù)PNAT

不久的將來通信網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)行融合,核心網(wǎng)絡(luò)將是全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)。這就要求大量的移動設(shè)備支持IPv6數(shù)據(jù)包透傳、IPv6 PDCP頭壓縮等功能。

從移動網(wǎng)絡(luò)的角度來講,終端和網(wǎng)絡(luò)使用統(tǒng)一的IPv6協(xié)議,這樣易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接和互操作性,僅使用IPv6作為傳輸層協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)更易于管理,并提供端到端的服務(wù)質(zhì)量其巨大的地址空間打破了NAT的局限性并提高網(wǎng)絡(luò)性能。

在IPv6引入移動網(wǎng)絡(luò)的同時,一些新的技術(shù)也相應(yīng)的提出,以適應(yīng)這種改變。PNAT(Prefix based NAT)是中國移動提出的基于主機(jī)的IPv6過渡技術(shù),它的提出可以滿足用戶對全面互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)支持的要求。PNAT采用了Bump in Host(BIH)的實現(xiàn)方式,并保持和NAT64的兼容,這種BIH結(jié)合NAT64的實現(xiàn)方式在保證IPv4應(yīng)用程序正常通信,進(jìn)一步促進(jìn)IPv6網(wǎng)絡(luò)部署,也就是IPv4后向兼容的IPv6過渡技術(shù)方案,達(dá)到部署IPv6的同時,保證傳統(tǒng)IPv4應(yīng)用程序在IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)能夠正常通信,做到對應(yīng)用程序透明無感知[5]。在PNAT方案中是以引入BIH模塊實現(xiàn)的,這樣的方式使位于雙棧主機(jī)上的IPv4程序能夠通過IPv6和IPv4網(wǎng)絡(luò)之間完成相互通信。BIH模塊的安裝可以采用軟件升級的方式。

Socket API翻譯和包頭翻譯分別是BIH主機(jī)翻譯模塊的兩種模式。對于Socket翻譯主要是在Socket API層面對IPv4和IPv6的Socket進(jìn)行翻譯。而包頭翻譯是在IPv4 TCP/IP協(xié)議棧生成IPv4報文后進(jìn)行的。這兩種工作模式的不同在于進(jìn)行主機(jī)翻譯的位置不同。前者是在協(xié)議棧和應(yīng)用程序接口層面進(jìn)行翻譯;后者是在協(xié)議棧和網(wǎng)卡驅(qū)動之間進(jìn)行翻譯。選擇使用何種翻譯方式是由在特定主機(jī)操作系統(tǒng)上的實現(xiàn)難易程度以及性能要求等因素來決定的。通過主機(jī)翻譯模塊的處理,將實現(xiàn)主機(jī)IPv4應(yīng)用發(fā)出的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)向IPv6數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換。其功能模塊如圖2所示。

PANT技術(shù)加速了IPv4網(wǎng)絡(luò)向IPv6網(wǎng)絡(luò)過渡的進(jìn)程,其對原有IPv4應(yīng)用的支持使得很多應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)和時間上得到了更好的更新條件,并且它兼容NAT64設(shè)備的功能。它不僅可以支持純IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,也能夠使IPv4應(yīng)用程序在IPv6網(wǎng)絡(luò)內(nèi)訪問IPv6業(yè)務(wù)。

3引入IPv6的LTE

IPv6的引入涉及到終端、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)和應(yīng)用各個環(huán)節(jié),這樣在對原有網(wǎng)絡(luò)的升級時會面臨很多問題。但是在新興網(wǎng)絡(luò)LTE中,若在早期就部署具備IPv6能力的終端以及設(shè)備等,就能避免IPv4對業(yè)務(wù)帶來的不利因素,并且在以后的網(wǎng)絡(luò)升級中也更加便捷。進(jìn)一步來講,由于LTE終端具有長連接的特性,用戶只要是在開機(jī)的狀態(tài)下就需要分配一個IP地址,該IP地址的釋放條件是用戶關(guān)機(jī),可見LTE網(wǎng)絡(luò)用戶同時在線數(shù)量很大,對IP地址的需求量也相當(dāng)巨大。

在LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中,針對IPv6過渡提出了以下方案:Gn/Gp SGSN采用GTPv1版本與SAE核心網(wǎng)互聯(lián),SAE核心網(wǎng)向下兼容;S4-SGSN采用GTPv2版本與SAE核心網(wǎng)互聯(lián),SAE核心網(wǎng)僅需要支持GTPv2。在第一種過渡方式中,為了提高引入IPv6后的承載效率,在LTE中引入了IPv6v4 PDN type,也就是在一個EPS承載中同時承載IPv6以及IPv4連接。

在當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)引入IPv6對數(shù)據(jù)處理能力以及傳輸功能的影響不容小視。在無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議只支持IPv4協(xié)議棧的情況下,無線接入網(wǎng)起到的是接入承載作用,用戶終端的IP包(IPv4或IPv6數(shù)據(jù)包)均作為凈荷傳輸。而IP包中包含了很多固定不變的或者是變化緩慢的信息單元,因此要對空中接口傳輸這些信息之前進(jìn)行IP包頭壓縮,這樣就能節(jié)省IP包占用的空中接口資源,從而提高空中接口資源的利用率。綜上所述,IPv6的引入必定會對IP包頭的處理產(chǎn)生影響。對語音業(yè)務(wù)而言,每個IP包承載的語音包長為32字節(jié),采用頭壓縮技術(shù)可以將其壓縮到4至6字節(jié)左右,相對于IPv6包頭的40字節(jié)來說,這種頭壓縮技術(shù)增益非常高,因此對語音數(shù)據(jù)包的壓縮可以通過無線設(shè)備支持IPv6的頭壓縮實現(xiàn)。雖然語音業(yè)務(wù)中頭壓縮的增益很高,但是對一些較長的IP包(如上網(wǎng)、下載業(yè)務(wù))頭壓縮節(jié)省的字節(jié)有限,數(shù)據(jù)壓縮效率不高,所以在這些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包不進(jìn)行頭壓縮。

4 總結(jié)

IPv6的引入目前還面臨著網(wǎng)絡(luò)改造量大、用戶終端需要進(jìn)行更新以及需要技術(shù)創(chuàng)新等一系列的問題。IPv6技術(shù)的發(fā)展和成熟還需要大量的實踐工作。在推動產(chǎn)業(yè)對IPv6的支持的同時,進(jìn)行IPv6的實驗的過程中還會出現(xiàn)新的問題,因此對過渡方案和新的技術(shù)手段是保證網(wǎng)絡(luò)順利過渡的前提。對IPv4向IPv6的過渡技術(shù)上仍需要更加深入地研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓平維.告別IPV4迎接IPV6的到來[J].科技信息,2009(25):77.

[2] 王曉娟，等.IPv4向IPv6過渡方法的研究[J].青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報.2006(2):64.

[3] 張惠卿,等.下一代IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——IPv6的研究及其演進(jìn)方案[J].中國數(shù)據(jù)通信,2002(11):67.

[4] 張召賢.Mobile IPv6與NAT-PT結(jié)合技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué),2004.

[5] 陳勇.IPv6演進(jìn)技術(shù)熱點(diǎn)分析[J].電腦知識與技術(shù):學(xué)術(shù)交流,2010,6(16) :4388.

[6] 何泳.IPv4向IPv6演進(jìn)的方式[J].電信技術(shù),2006(12):69.