基于IMS的IPv6用戶接入及業務適配方案研究

朱曉潔+楊征

介紹了IPv6用戶接入IMS網絡的場景和業務要求，對支持IPv6用戶接入的邊界翻譯和地址雙棧這2種技術方案進行分析和比較，并結合技術實現及運營管理等要求提出方案建議。此外，針對邊界翻譯方案部署提出IPv6用戶認證鑒權以及與IPv4用戶間的話音業務適配流程。

IMS IPv6 業務適配 邊界翻譯 地址雙棧

1 引言

光纖接入網和下一代互聯網的商用部署推動了IPv6地址的廣泛應用，運營商基于寬帶接入網絡和IMS系統為用戶提供寬帶多媒體話音業務。由于現役IMS網絡大多基于IPv4承載，因此用戶采用IPv6地址接入對IMS網絡提出了IPv6與IPv4用戶間的話音、短信及其他多媒體業務的適配要求。

此外，隨著4G網絡的商用部署，當前移動網絡2G、3G、4G等多制式并存的網絡環境為話音業務提供了多種解決方案。運營商根據自身業務和網絡的發展要求，可以選擇純電路域（如CS Fallback、SVLTE等）、純分組域（如VoLTE）、電路域與分組域結合（如SRVCC、DRVCC等）等方式提供話音業務。電路域退網后，業界推薦使用VoLTE作為移動4G LTE網絡話音業務的終極解決方案，即基于LTE分組域和IMS系統為LTE接入用戶提供話音業務。由于LTE網絡用戶接入啟用IPv6地址，因此與固定寬帶接入話音用戶類似，VoLTE對IMS提出了IPv6用戶接入和業務適配的要求。

本文對IPv6用戶接入IMS網絡的場景和需求、IMS網絡支持IPv6用戶接入的技術方案、IPv6用戶接入的業務適配方案進行研究，提出IPv6用戶接入對IMS相關網元的技術要求。

2 IPv6用戶接入IMS網絡的場景和需求

IMS用戶從固定寬帶或移動LTE接入網獲取IPv6地址，并用IPv6地址向IMS網絡發起注冊和業務請求，IMS網絡能正確處理注冊和業務適配，為用戶提供服務。IPv6用戶的業務能力及體驗要求與IPv4用戶相同。

IPv6用戶接入類型主要包括：

（1）移動手機用戶通過3G/4G網絡接入IMS核心網；

（2）PC用戶通過互聯網接入IMS核心網；

（3）SIP硬終端、PON/IAD等用戶通過專線或VPN接入IMS核心網。

IPv6用戶接入IMS網絡示意圖如圖1所示：

圖1 IPv6用戶接入IMS網絡示意圖

邊緣會話控制網元（SBC）完成IMS系統內部網絡與用戶接入網的安全隔離。用戶數據庫HSS、會話控制S/I/P-CSCF、互通網元MGCF/IM-MGW等IMS核心網元需要同時支持IPv4和IPv6用戶的接入認證、路由以及業務提供，支持IPv4與IPv6用戶之間的業務互通。Ut接口支持IPv4與IPv6用戶對業務屬性的自配置和自管理。

3 IMS網絡支持IPv6用戶接入的技術方案

3.1 地址雙棧方式和邊界翻譯方式

針對固定和移動IPv6用戶的接入需求，當前基于IPv4版本的IMS網絡承接IPv6用戶接入的技術方案主要有地址雙棧方式和邊界翻譯方式。

地址雙棧方式是指IMS網絡的所有網元均運行在IPv4/IPv6雙棧，同時支持IPv4和IPv6通信。對于會話的發送方和接收方均采用同種地址類型如同為IPv4或同為IPv6時，IMS網絡無需對會話的信令和媒體IP地址進行轉換。當會話用戶雙方采用不同IP版本時，需要通過媒體協商響應方的SBC完成SIP信令和IP媒體包的IPv4/IPv6版本轉換。

邊界翻譯方式是指IMS核心網絡運行在單棧方式，域內統一采用IPv4或IPv6地址，當需進行互聯或互通的終端、應用服務器、網管和計費系統、其它網絡等與IMS網絡域內采用的IP版本不同時，則在接入或互通邊界設置相應功能完成信令和媒體的翻譯與轉換。

3.2 方案比較和建議

對地址雙棧和邊界翻譯方式比較如表1所示：

表1 地址雙棧和邊界翻譯方式比較表

比較內容 地址雙棧方式 邊界翻譯方式

業務能力 IPv6用戶業務能力與IPv4用戶相同。 IPv6用戶業務能力與IPv4用戶相同。

IMS網絡設備

支持情況 部分設備支持。 所有設備均支持。

地址需求 核心和邊界網元均需配置IPv4和IPv6這2套地址。 核心網元需1套地址，邊界網元需2套地址。

轉換效率 較高，信令和媒體IP協議轉換僅針對發送接收方地址版本不一致的會話，且僅需轉換一次。 較低，對所有IPv6用戶發起的注冊和會話均需進行協議轉換，對IPv6用戶與IPv6用戶間會話的信令和媒體需做2次協議轉換.

部署實施 復雜，所有核心網元均需升級啟用雙棧。 簡單，僅需邊界網元啟用雙棧和翻譯功能。

維護管理 較復雜，所有網元均需維護2套IP地址。 簡單，IMS核心僅維護1套地址。

在IPv6部署初期，IMS網絡基于IPv4承載，由于IPv6用戶數不大，信令和媒體IP版本轉換對SBC設備性能需求較小，綜合考慮地址配置、部署實施和維護管理等因素，建議采用邊界翻譯方式承接IPv6用戶。

4 IPv4/IPv6地址的邊界翻譯方案

IPv6用戶接入IMS網絡，主要在SBC支持IPv4/IPv6雙棧及IPv4/IPv6協議的轉換功能，解決協議兼容問題。組網示意圖如圖2所示：

圖2 IPv6引入初期邊界翻譯方式組網示意圖

用戶數據庫HSS、會話業務控制P/I/S-CSCF、互通網元MGCF/MGW等IMS核心網元仍承載在IPv4網絡上。SBC支持IPv4/IPv6地址雙棧及翻譯功能以解決多協議接入問題。Ut接口通過應用網關支持地址雙棧及翻譯功能實現IPv6用戶的業務配置。PC客戶端和移動終端根據固定寬帶和移動接入網的地址分配情況采用IPv6或IPv4接入，SIP硬終端、PON/IAD可根據運營商實際情況采用IPv6或保留IPv4接入方式。endprint

5 邊界翻譯方式下的IPv6用戶業務流程

及適配要求

以話音業務為例，IMS核心網使用IPv4承載并啟用邊界翻譯方式支持IPv6用戶接入時，對IPv6用戶的注冊和業務適配流程分析如下：

5.1 IPv6用戶注冊

IPv6用戶注冊流程如圖3所示：

（1）UE查詢承載網本地DNS服務器（L-DNS）獲取設備SBC的IP地址；L-DNS根據UE的源IP地址，返回SBC的IPv6地址以及UE的歸屬域名；

（2）UE將注冊消息發送給SBC；

（3）SBC創建終端IPv6與IPv4地址間的綁定關系，將UE的注冊消息進行IPv6到IPv4的轉換工作，將終端發出的SIP消息中Contact和Via頭字段攜帶的終端IPv6地址映射并替換為SBC的IPv4地址；添加P-Access-Network-Info頭域（其中IP地址為UE的真實IPv6地址），再發往P-CSCF；

（4）P-CSCF對UE域名地址進行DNS查詢，獲取I-CSCF的IPv4地址，P-CSCF將消息發送給主用I-CSCF；

（5～6）I-CSCF查詢HSS獲取UE用戶對應S-CSCF的IPv4地址；HSS返回S-CSCF地址或能力；

（7）I-CSCF根據策略選用S-CSCF，并將消息發送給它；

（8～9）S-CSCF向HSS獲取用戶鑒權信息；

（10）S-CSCF向用戶鑒權發起挑戰，即發送401消息；

（11～13）將401響應轉發給UE；

（14～16）UE發送承載有認證挑戰響應的第2個注冊請求Register；

（17～18）I-CSCF查詢HSS獲取UE用戶對應S-CSCF的IPv4地址；HSS返回S-CSCF地址或能力；

（19）I-CSCF轉發第2個注冊請求Register給S-CSCF；

（20）S-CSCF根據從HSS收到的鑒權向量對用戶進行鑒權；

（21～22）S-CSCF立即通知HSS，用戶已成功注冊；HSS返回響應，如S-CSCF中無用戶數據則下載用戶數據；

（23）S-CSCF向I-CSCF發送200 OK響應，表示用戶注冊成功；

（24～26）200 OK轉發到SBC，SBC根據IPv4/IPv6的地址轉換功能，將P-CSCF發往終端的SIP消息中Contact頭字段攜帶的對端IPv4地址映射并替換為IPv6地址，并將Via頭字段攜帶的SBC IPv4地址映射并替換為終端IPv6地址，再發送給終端。

5.2 基本會話業務

主叫為IPv6用戶，被叫為IPv4用戶時呼叫流程如圖4所示。

（1）主叫終端UE A摘機撥號，向IMS系統發送INVITE消息，攜帶主叫側媒體信息，初始INVITE請求到達SBC；

（2）SBC A接收到呼叫請求后，回送100 Trying消息；

（3）SBC A將終端發出的初始INVITE消息中的SDP消息“c=”字段中的終端IPv6地址替換為SBC IPv4地址，并將“m=”字段中的端口號進行相應映射和替換后，再發往P-CSCF；

（4～11）與IPv4-IPv4用戶呼叫相同；

（12）將P-CSCF發往終端的18*消息中的SDP消息“c=”字段中的對端IPv4地址替換為SBC IPv6地址，并將“m=”字段中的端口號進行相應映射和替換后，再發送給終端；

（13～23）與IPv4-IPv4用戶呼叫相同；

（24）將P-CSCF發往終端的200 OK消息中的SDP消息“c=”字段中的對端IPv4地址替換為SBC IPv6地址，并將“m=”字段中的端口號進行相應映射和替換后，再發送給終端。

UE A和UE B會話通道建立完畢，SBC A完成媒體信息包從IPv6到IPv4協議的轉換。

6 結束語

隨著互聯網的迅猛發展，IPv4地址枯竭的速度加快，IPv6地址的應用將越來越廣泛，IMS網絡作為基于IP網絡的多媒體業務控制核心，需要順應業務和網絡技術發展的要求，支持用戶采用IPv6地址接入并使用業務。本文從業務需求角度，提出了IMS網絡支持IPv6的技術方案，但相關方案在網絡設備的支持情況仍有待進一步驗證，將來需要終端廠商、設備廠商、運營商、IMS應用提供商等共同推動，才能順利完成IMS網絡從IPv4到IPv6的過渡。

參考文獻：

[1] 李文苡. LTE語音，運營商的難題[J]. 廣東通信技術， 2013（9）： 2-6.

[2] 中華人民共和國工業和信息化部. YD/T 1930-2009統一IMS組網總體技術要求（第一階段）[S]. 2009.

[3] 中華人民共和國工業和信息化部. YD/T 2007-2009統一IMS的功能體系架構（第一階段）[S]. 2009.

[4] 中華人民共和國工業和信息化部. YD/T 1522.1-2006 會話初始協議（SIP）技術要求 第1部分：基本的會話初始協議[S]. 2006.

[5] M Bagnulo. RFC 6146 Stateful NAT64： Network Address and Protocol Translation from IPv6 Clients to IPv4 Servers[S]. IETF， 2011.

[6] A Durand. RFC 6333 Dual-Stack Lite Broadband Deployments Following IPv4 Exhaustion[S]. IETF， 2011.endprint

5 邊界翻譯方式下的IPv6用戶業務流程

及適配要求

以話音業務為例，IMS核心網使用IPv4承載并啟用邊界翻譯方式支持IPv6用戶接入時，對IPv6用戶的注冊和業務適配流程分析如下：

5.1 IPv6用戶注冊

IPv6用戶注冊流程如圖3所示：

（1）UE查詢承載網本地DNS服務器（L-DNS）獲取設備SBC的IP地址；L-DNS根據UE的源IP地址，返回SBC的IPv6地址以及UE的歸屬域名；

（2）UE將注冊消息發送給SBC；

（3）SBC創建終端IPv6與IPv4地址間的綁定關系，將UE的注冊消息進行IPv6到IPv4的轉換工作，將終端發出的SIP消息中Contact和Via頭字段攜帶的終端IPv6地址映射并替換為SBC的IPv4地址；添加P-Access-Network-Info頭域（其中IP地址為UE的真實IPv6地址），再發往P-CSCF；

（4）P-CSCF對UE域名地址進行DNS查詢，獲取I-CSCF的IPv4地址，P-CSCF將消息發送給主用I-CSCF；

（5～6）I-CSCF查詢HSS獲取UE用戶對應S-CSCF的IPv4地址；HSS返回S-CSCF地址或能力；

（7）I-CSCF根據策略選用S-CSCF，并將消息發送給它；

（8～9）S-CSCF向HSS獲取用戶鑒權信息；

（10）S-CSCF向用戶鑒權發起挑戰，即發送401消息；

（11～13）將401響應轉發給UE；

（14～16）UE發送承載有認證挑戰響應的第2個注冊請求Register；

（17～18）I-CSCF查詢HSS獲取UE用戶對應S-CSCF的IPv4地址；HSS返回S-CSCF地址或能力；

（19）I-CSCF轉發第2個注冊請求Register給S-CSCF；

（20）S-CSCF根據從HSS收到的鑒權向量對用戶進行鑒權；

（21～22）S-CSCF立即通知HSS，用戶已成功注冊；HSS返回響應，如S-CSCF中無用戶數據則下載用戶數據；

（23）S-CSCF向I-CSCF發送200 OK響應，表示用戶注冊成功；

（24～26）200 OK轉發到SBC，SBC根據IPv4/IPv6的地址轉換功能，將P-CSCF發往終端的SIP消息中Contact頭字段攜帶的對端IPv4地址映射并替換為IPv6地址，并將Via頭字段攜帶的SBC IPv4地址映射并替換為終端IPv6地址，再發送給終端。

5.2 基本會話業務

主叫為IPv6用戶，被叫為IPv4用戶時呼叫流程如圖4所示。

（1）主叫終端UE A摘機撥號，向IMS系統發送INVITE消息，攜帶主叫側媒體信息，初始INVITE請求到達SBC；

（2）SBC A接收到呼叫請求后，回送100 Trying消息；

（3）SBC A將終端發出的初始INVITE消息中的SDP消息“c=”字段中的終端IPv6地址替換為SBC IPv4地址，并將“m=”字段中的端口號進行相應映射和替換后，再發往P-CSCF；

（4～11）與IPv4-IPv4用戶呼叫相同；

（12）將P-CSCF發往終端的18*消息中的SDP消息“c=”字段中的對端IPv4地址替換為SBC IPv6地址，并將“m=”字段中的端口號進行相應映射和替換后，再發送給終端；

（13～23）與IPv4-IPv4用戶呼叫相同；

（24）將P-CSCF發往終端的200 OK消息中的SDP消息“c=”字段中的對端IPv4地址替換為SBC IPv6地址，并將“m=”字段中的端口號進行相應映射和替換后，再發送給終端。

UE A和UE B會話通道建立完畢，SBC A完成媒體信息包從IPv6到IPv4協議的轉換。

6 結束語

隨著互聯網的迅猛發展，IPv4地址枯竭的速度加快，IPv6地址的應用將越來越廣泛，IMS網絡作為基于IP網絡的多媒體業務控制核心，需要順應業務和網絡技術發展的要求，支持用戶采用IPv6地址接入并使用業務。本文從業務需求角度，提出了IMS網絡支持IPv6的技術方案，但相關方案在網絡設備的支持情況仍有待進一步驗證，將來需要終端廠商、設備廠商、運營商、IMS應用提供商等共同推動，才能順利完成IMS網絡從IPv4到IPv6的過渡。

參考文獻：

[1] 李文苡. LTE語音，運營商的難題[J]. 廣東通信技術， 2013（9）： 2-6.

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[3] 中華人民共和國工業和信息化部. YD/T 2007-2009統一IMS的功能體系架構（第一階段）[S]. 2009.

[4] 中華人民共和國工業和信息化部. YD/T 1522.1-2006 會話初始協議（SIP）技術要求 第1部分：基本的會話初始協議[S]. 2006.

[5] M Bagnulo. RFC 6146 Stateful NAT64： Network Address and Protocol Translation from IPv6 Clients to IPv4 Servers[S]. IETF， 2011.

[6] A Durand. RFC 6333 Dual-Stack Lite Broadband Deployments Following IPv4 Exhaustion[S]. IETF， 2011.endprint

5 邊界翻譯方式下的IPv6用戶業務流程

及適配要求

以話音業務為例，IMS核心網使用IPv4承載并啟用邊界翻譯方式支持IPv6用戶接入時，對IPv6用戶的注冊和業務適配流程分析如下：

5.1 IPv6用戶注冊

IPv6用戶注冊流程如圖3所示：

（1）UE查詢承載網本地DNS服務器（L-DNS）獲取設備SBC的IP地址；L-DNS根據UE的源IP地址，返回SBC的IPv6地址以及UE的歸屬域名；

（2）UE將注冊消息發送給SBC；

（3）SBC創建終端IPv6與IPv4地址間的綁定關系，將UE的注冊消息進行IPv6到IPv4的轉換工作，將終端發出的SIP消息中Contact和Via頭字段攜帶的終端IPv6地址映射并替換為SBC的IPv4地址；添加P-Access-Network-Info頭域（其中IP地址為UE的真實IPv6地址），再發往P-CSCF；

（4）P-CSCF對UE域名地址進行DNS查詢，獲取I-CSCF的IPv4地址，P-CSCF將消息發送給主用I-CSCF；

（5～6）I-CSCF查詢HSS獲取UE用戶對應S-CSCF的IPv4地址；HSS返回S-CSCF地址或能力；

（7）I-CSCF根據策略選用S-CSCF，并將消息發送給它；

（8～9）S-CSCF向HSS獲取用戶鑒權信息；

（10）S-CSCF向用戶鑒權發起挑戰，即發送401消息；

（11～13）將401響應轉發給UE；

（14～16）UE發送承載有認證挑戰響應的第2個注冊請求Register；

（17～18）I-CSCF查詢HSS獲取UE用戶對應S-CSCF的IPv4地址；HSS返回S-CSCF地址或能力；

（19）I-CSCF轉發第2個注冊請求Register給S-CSCF；

（20）S-CSCF根據從HSS收到的鑒權向量對用戶進行鑒權；

（21～22）S-CSCF立即通知HSS，用戶已成功注冊；HSS返回響應，如S-CSCF中無用戶數據則下載用戶數據；

（23）S-CSCF向I-CSCF發送200 OK響應，表示用戶注冊成功；

（24～26）200 OK轉發到SBC，SBC根據IPv4/IPv6的地址轉換功能，將P-CSCF發往終端的SIP消息中Contact頭字段攜帶的對端IPv4地址映射并替換為IPv6地址，并將Via頭字段攜帶的SBC IPv4地址映射并替換為終端IPv6地址，再發送給終端。

5.2 基本會話業務

主叫為IPv6用戶，被叫為IPv4用戶時呼叫流程如圖4所示。

（1）主叫終端UE A摘機撥號，向IMS系統發送INVITE消息，攜帶主叫側媒體信息，初始INVITE請求到達SBC；

（2）SBC A接收到呼叫請求后，回送100 Trying消息；

（3）SBC A將終端發出的初始INVITE消息中的SDP消息“c=”字段中的終端IPv6地址替換為SBC IPv4地址，并將“m=”字段中的端口號進行相應映射和替換后，再發往P-CSCF；

（4～11）與IPv4-IPv4用戶呼叫相同；

（12）將P-CSCF發往終端的18*消息中的SDP消息“c=”字段中的對端IPv4地址替換為SBC IPv6地址，并將“m=”字段中的端口號進行相應映射和替換后，再發送給終端；

（13～23）與IPv4-IPv4用戶呼叫相同；

（24）將P-CSCF發往終端的200 OK消息中的SDP消息“c=”字段中的對端IPv4地址替換為SBC IPv6地址，并將“m=”字段中的端口號進行相應映射和替換后，再發送給終端。

UE A和UE B會話通道建立完畢，SBC A完成媒體信息包從IPv6到IPv4協議的轉換。

6 結束語

隨著互聯網的迅猛發展，IPv4地址枯竭的速度加快，IPv6地址的應用將越來越廣泛，IMS網絡作為基于IP網絡的多媒體業務控制核心，需要順應業務和網絡技術發展的要求，支持用戶采用IPv6地址接入并使用業務。本文從業務需求角度，提出了IMS網絡支持IPv6的技術方案，但相關方案在網絡設備的支持情況仍有待進一步驗證，將來需要終端廠商、設備廠商、運營商、IMS應用提供商等共同推動，才能順利完成IMS網絡從IPv4到IPv6的過渡。

參考文獻：

[1] 李文苡. LTE語音，運營商的難題[J]. 廣東通信技術， 2013（9）： 2-6.

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[3] 中華人民共和國工業和信息化部. YD/T 2007-2009統一IMS的功能體系架構（第一階段）[S]. 2009.

[4] 中華人民共和國工業和信息化部. YD/T 1522.1-2006 會話初始協議（SIP）技術要求 第1部分：基本的會話初始協議[S]. 2006.

[5] M Bagnulo. RFC 6146 Stateful NAT64： Network Address and Protocol Translation from IPv6 Clients to IPv4 Servers[S]. IETF， 2011.

[6] A Durand. RFC 6333 Dual-Stack Lite Broadband Deployments Following IPv4 Exhaustion[S]. IETF， 2011.endprint