IPv6 技術演進部署方案設計

蔡俊杰

（肇慶廣播電視大學，廣東肇慶,526060）

0 概述

自1995 年被IETF (國際互聯網工程特別工作組)首次提出后，IPv6 在全球范圍內一直廣受關注。現有的IPv4 已是成熟的技術，有專家預測，隨著IPv6 的部署，很長一段時間是IPv4 與IPv6 共存階段。但因IPV4 地址分配造成的IP 枯竭問題難于解決，基于IPv6 的下一代網絡終將是重要的戰略發展方向。電信運營商都積極探索和推進IPv6 的運作及商業化。

2012 年3 月，發改委《關于印發下一代互聯網“十二五”發展建設意見的通知》，電信集團根據相關部委的精神，下發了《中國電信集團下一代互聯網“十二五”發展總體思路》，針對國家“十二五”IPv6 商用部署的要求，明確表示以推進向下一代互聯網的演進為目標，解決IPv4 地址枯竭問題為核心，根據各地的地址短缺時間點和網絡設備能力，有計劃地實施網絡升級改造，因地制宜部署過渡技術解決地址短缺問題，滿足用戶和業務的可持續性發展，逐步實現網絡的平滑演進。

1 關鍵技術

針對寬帶用戶的接入方式，目前業界公認的過渡技術是公網雙棧、私網雙棧（NAT444）、輕型雙棧（DS-Lite）。

1.1 公網雙棧

1.1.1 技術原理

公網雙棧即在目前的IPv4 公網單?；A上疊加IPv6 協議棧，只需在相應網絡設備、應用、軟硬終端上開啟IPv6 協議棧，形成與現有IPv4 流量轉發獨立的IPv6 流量通道，無需在網絡側引入其他特殊的網關等設備。

公網雙棧技術是向IPv6 平滑過渡和遷移的最簡單實現方式，適合IPv4 地址不緊缺的場景，技術實現的重點主要在相關網元對IPv6 的支持程度上。

1.1.2 地址分配

在部署公網雙棧時，BRAS 在現有的IPv4 地址池基礎上，還須配置兩個IPv6 地址池，一個用于為路由型CPE 的WAN 口分配或橋接型CPE 下的終端分配IPv6 地址，一個用于為路由型CPE的LAN 口分配IPv6 用戶前綴。針對路由型公網雙棧用戶，BRAS給CPE 同時分配1 個公有IPv4 地址、2 段IPv6 地址前綴（1 段用于CPE 的WAN 口，1 段用于CPE 下終端的上網地址分配）；CPE再為LAN 口連接的終端分配私有IPv4 地址和IPv6 地址，CPE承擔IPv4 的公、私地址轉換功能和IPv6 前綴的DHCP 分配功能。

1.2 私網雙棧

1.2.1 技術原理

NAT444 技術實現的重點于CGN 設備對運營商現網架構、業務實現、網絡質量等需求的滿足。目前主流設備廠家華為、中興、思科等均推出了獨立式或插卡式兩種設備形態的商用CGN 設備，根據中國電信集團前期測試，主流CGN 設備（板卡）的功能和性能基本能滿足現網部署要求。

在現網中部署NAT444 的應用環境涉及到CPE、CGN、BRAS、AAA、LogServer 等，其中：

BRAS：負責接入終端，并配合AAA 完成用戶認證、授權和用戶計費。

AAA：負責用戶認證、授權和計費，記錄和維護用戶計費和賬號等信息。

CGN：負責轉換用戶IPv4 報文的源地址、源端口，并維護轉換前后的私有地址、端口與公有地址、端口之間的映射關系。CGN可以集中式部署在城域網CR 層面，或分布式部署在BRAS/SR 層面。

LogServer：接受和記錄用戶訪問信息，響應用戶訪問信息查詢。

網管系統：負責管理CGN 設備，并支持下發CGN 的配置信息。

用戶的PC、家庭網關等終端設備撥號，通過BRAS 完成用戶認證后，獲得IPv6 地址和私有IPv4 用戶地址。用戶訪問IPv4 應用時，CGN 為每個用戶私有地址、端口分配一個公有地址、端口，并維護兩者的映射關系。同時，CGN 向logserver 發送log 信息，記錄用戶的地址映射關系。

1.2.2 地址分配

在路由型家庭網關模式下，運營商通過BRAS 給CPE 的WAN口分配私網IPv4 地址(例如10/8 的地址)和IPv6 地址，同時CPE 的LAN 口為終端分配私網IPv4 地址(例如192.168.0/24的地址)和IPv6 地址；在橋接型家庭網關模式下，運營商通過BRAS 給用戶直接分配私網IPv4 地址和IPv6 地址。IPv6 地址分配方式與公網雙棧相同。私網雙棧技術通過分配私網地址避免公網地址消耗，但需要做好IPv4 私有地址規劃，避免與ITMS、IPTV、NMS 等系統已經部署的私網地址沖突。

1.3 輕型雙棧

1.3.1 技術原理

輕型雙棧是一種針對有線寬帶用戶向IPv6 平滑演進的過渡技術，相對于常規雙棧，它在BRAS 和家庭網關（B4）之間只需啟用IPv6 協議分配IPv6 地址，終端的IPv4 地址由家庭網關自行分配。輕型雙棧部署模型由兩個組件組成：

a）實現輕型雙?？蛻舳斯δ艿募彝ゾW關，簡稱B4，E8-C 家庭網關技術規范修訂版即將支持輕型雙?？蛻舳斯δ埽?/p>

b）實現輕型雙棧局端功能的網絡設備，簡稱AFTR，分布式采用BRAS 插卡實現，獨立式由SR 插卡并旁掛CR 實現。

在現網中部署DS-Lite 的應用環境涉及到AFTR、DHCPv6 服務器、DNS 服務器、BRAS、AAA、日志服務器等，其中：

輕型雙棧局端設備（AFTR）：負責執行隧道封裝、解封裝和IPv4-IPv4 地址翻譯，提供多個用戶對全局IPv4 地址池的復用。由于采用IPv6 源地址作為隧道起始端的標識，不同終端用戶主機的私有地址可以重疊而不會產生混亂。基本模塊單元的形態為一塊功能板卡，可置于路由器機箱或BRAS 機箱的空余槽位中，可以部署在城域網核心CR 路由器位置（集中式），具體實現以CR 旁掛獨立的AFTR設備為主；還可以部署在BRAS節點位置（分布式），具體實現以BRAS 插卡為主。

BRAS：城域網接入層設備，通常內置DHCPServer 模塊，作為Radiusclient 配合AAA 完成用戶認證和地址分配；

DHCPv6 服務器：為部署雙棧接入（含公網雙棧、私網雙棧、輕型雙棧）業務新設的網元或功能模塊，為終端分配V6 地址、DelegatedPrefix、V6DNS 地址和AFTRFQDN 域名等參數，可以是獨立服務器上運行的DHCPv6Server 軟件也可以是BRAS 操作系統內置的進程，目前建議采用BRAS 操作系統內置進程的方式實現；

DNS 服務器：DNS 必須升級支持雙棧解析請求，具備A 和AAAA 記錄，在DS-Lite 場景中，接受B4 發送的V6DNS 解析請求；

AAA 服務器：負責用戶認證、授權和計費，記錄和維護用戶計費和賬號等信息，目前AAA 服務器采用V4Radius 報文承載，支持V6 屬性，且采用全省集中設置；

日志服務器：為實現溯源新設的物理上獨立的設備。通過Syslog 協議采集AFTR 的NAT 日志信息，目前Syslog 采用基于V4 的UDP 報文承載，端口號514，建議省集中設置。

1.3.2 地址分配

輕型雙棧（DS-Lite）用戶以路由型家庭網關為主，運營商通過BRAS 只給CPE 分配IPv6 地址；同時CPE 的LAN 口為終端分配私有IPv4 地址(例如192.168.0/24 的地址)，和IPv6 地址；IPv6 地址分配方式與公網雙棧相同。

2 部署方案

2.1 公網雙棧

公網雙棧改造主要針對地址不緊缺的城域網，對核心層CR、匯聚層DR 和業務接入控制層的BRAS、SR 進行雙棧升級，開啟IPv6 路由協議；對支持V6 寬帶接入功能的BRAS/MSE 實現軟件升級，配置雙棧地址池，配置IPv6 寬帶接入所需要的協議，例如PPPv6，SLAAC，DHCPv6 和RadiusV6 擴展等。

2.2 私網雙棧(NAT444)

CGN 設備目前有獨立設備和插卡兩種形態，設備的部署點可以在城域網出口或者業務接入點（如BRAS）。結合設備形態和部署點，CGN 在網絡中的部署有集中式和分布式兩種方式。

2.2.1 集中式部署

集中式部署時，城域網出口路由器可以采用旁掛或插卡方式部署CGN 設備，如圖1 所示：

圖1 集中式部署的兩種方式

a）設備配置

在旁掛方式中，城域網出口CR 通過物理端口與CGN 相連，每臺CR 配置兩臺CGN 設備，作為負載和冗余。在插卡方式中，城域網出出CR 提供空槽位，插入CGN 板卡。根據流量大小，每臺CR 可以插入兩塊或多塊CGN 板卡。

b）路由配置

在實際部署中，插卡式CGN 設備不要求支持路由協議，但旁掛CGN 設備可以選擇支持路由協議，支持的路由協議包括BGP、ISIS 或者OSPF 等。CGN 與CR 之間支持運行BGP 路由協議，通告CGN 配置的公有地址池信息，并由CR 通告到互聯網。同時，CGN與CR 之間支持運行IGP 路由協議，接收用戶路由。

c）地址配置

對于城域網不同CR 旁掛的CGN 設備，配置不同的公有地址池。對于同一臺CR 旁掛的兩臺CGN 設備可采取主從工作方式，配置相同的公有地址池；在互為主備工作方式下，配置不同的公有地址池。

2.2.2 分布式部署

分布式部署時，BRAS 可以采用旁掛或插卡方式部署CGN 設備，如圖2 所示：

圖2 分布式部署的兩種方式

a）設備配置

在旁掛方式中，BRAS 通過物理端口與CGN 相連。一臺BRAS配置兩臺CGN 設備。在插卡方式中，BRAS 提供空槽位，插入2 塊或多塊CGN 板卡。

b）路由配置

在實際部署中，插卡式CGN 設備不要求支持路由協議，但旁掛CGN 可以選擇支持路由協議，支持的路由協議包括BGP、ISIS或者OSPF 等。當BRAS 與CR 之間運行BGP 路由協議，CGN 配置的公有地址池信息通告到互聯網，互聯網路由信息或者缺省路由通告到BRAS 或者CGN。

c）地址配置

對于不同BRAS 配置的CGN 設備或板卡，部署不同的公有地址池。對于同一臺BRAS 配置的兩臺獨立式CGN 設備，在主從工作方式下配置相同的公有地址池，在互為主備工作方式下配置不同的公有地址池；對于同一臺BRAS 配置的多塊CGN 板卡共享同一個地址池，并由BRAS 統一協調。由于用戶私有源地址的路由信息不進入城域網，用戶私有地址不要求全網統一規劃。

2.3 輕型雙棧（DS-Lite）

根據城域網規模，輕型雙棧（DS-Lite）部署可以分為集中式、分布式以及集中/分布同時部署等三種方式。小型城域網（例如30 萬用戶以下）建議優先采用集中式；大中型城域網建議同時部署集中式和分布式。

2.3.1 集中式部署

a）設備配置

集中式部署實現方式中，在城域網設置兩套獨立式AFTR 設備同時雙掛CR1 和CR2，通過多個10GE 接口互聯，接口之間可進行端口綁定；獨立式AFTR 設備由SR 機框配置AFTR 板卡實現，每臺至少配置2 塊AFTR 板卡。

b）路由配置

AFTR 與CR 之 間 運 行IGPv4，BGPv4 和IGPv6；AFTR 通 過IGPv4 獲得V4 缺省路由；AFTR 通過BGPv4 通告NATPool；AFTR通過IGPv6 獲得V6 缺省路由。

c）地址配置

單臺獨立式AFTR 的多塊AFTR 板卡共享一個用于地址轉換的地址池；AFTR1 配置NATPOOL1；AFTR2 配置NATPOOL2。

d）負載分擔

單臺設備配置兩塊或多塊板卡，支持N:1 方式冗余，正常狀態下多塊板卡之間負載分擔，若一塊板卡故障，其余板卡為故障板卡提供冗余。兩套獨立式AFTR 配置同樣的IPv6 地址，由CR 通過IGPv6 以任播（Any-cast）方式通告到城域網，具備網絡正常狀態下負載分擔、一臺AFTR 故障狀態下冗余。

2.3.2 分布式部署

a）設備配置

分布式部署采用BRAS 插卡方式。BRAS 設置2 塊內置式AFTR 板卡，AFTR 板卡經背板與BRAS 交叉矩陣和線卡相連。

b）路由配置

AFTR 板卡本身無需支持路由協議，由BRAS 負責運行IGPv4，BGPv4 和IGPv6；IGPv4 包括OSPF 和ISIS；IGPv6 包括OSPFv3和ISISv6。

c）地址配置

單臺BRAS 的兩塊AFTR 板卡共享一個用于V4 地址轉換的NATPOOL，通告到V4BGP。

d）負載分擔

單臺BRAS 設備配置兩塊AFTR 板卡，支持1:1 方式冗余，正常狀態下兩塊板卡之間負載分擔，若一塊板卡故障，正常板卡承擔全部業務，為故障板卡提供冗余。

2.3.3 分布式、集中式同時部署

針對大中型城域網，可以采用分布式、集中式同時部署的策略，同時部署具備如下優勢：

部署靈活：集中式提供全覆蓋，靈活實現任意BRAS 下新增用戶的DS-Lite 接入；分布式部署于市中心密集區域、新增BRAS區域、或者既有BRAS 下用戶進行光進銅退改造需整體平移區域。

網絡可用性提高：集中式兩套CR 之間相互冗余和負載分擔；集中式可為分布式提供冗余。

降低成本：采用混合部署，BRAS 理論上只需要配置1 塊AFTR 板卡。

3 結論

從IPv4 向IPv6 演進是個復雜的系統工程，演進難度大，但是因IPV6 具有128 位地址長度，無疑IPv6 是解決IP 地址枯竭的最根本辦法。以上討論的IPV6 部署方案，可以從某地小范圍開始試行，逐步進行推廣，最終可以實現IPV6 完全取代IPv4，從而徹底解決IP 地址瓶頸問題，做到地球上每一粒沙子都有自己的IP 地址。

[1] 周振勇.基于DS—lite 的IP 城域網向IPv6 演進過渡方案研究[J].郵電設計技術,2013(2).

[2] 《關于印發下一代互聯網“十二五”發展建設意見的通知》（發改辦高技【2012】705 號）.

[3] 2013 年中國電信IP 城域網優化建設指導意見.

[4] 楊國良，李陽春，伍佑明.IPv6 技術、部署與業務應用[M] .人民郵電出版社,2011(6).

[5] IPv6 升級改造迫在眉睫 http://labs.chinamobile.com/mblog/11017_202773