IPv6在國家電網下一代行政交換網的應用*

曲振華　中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師

李　成　中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師

羅　松　中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師

網絡技術

IPv6在國家電網下一代行政交換網的應用*

曲振華中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師

李成中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師

羅松中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師

基于IPv6在IMS網絡的應用方案及我國運營商下一代交換網IPv6應用現狀的分析，針對國家電網下一代行政交換網演進需求，提出IPv6在國家電網下一代行政交換網中的應用方案。

IPv6 IMS IPv4

1　引言

下一代交換網是相對于原有基于時分復用TDM承載的交換網絡，承載在TDM上的交換網絡的網絡交換節點是交換機，而下一代交換網是基于IP承載的交換網絡，網絡交換節點是軟交換和IMS的節點。目前，公眾電信網和多行業領域的交換網絡已經向下一代交換網演進，并將向IP多媒體子系統（IMS）演進。

IMS作為基于IP網絡的多媒體業務的控制核心，基于IP分組技術的系統，能提供語音、視頻、圖片、文本等多媒體業務，具有承載和控制的分離、與終端接入無關、會話控制和業務控制的分離三大特征，已是下一代交換網的演進方向。IMS是IP網絡的應用之一，架構于IP網絡之上，每個網元和終端都有各自的IP地址，用戶終端使用業務需獲得IP接入IMS網絡，IMS主要面向多媒體用戶提供業務，業務有端到端的IP連接需求；由于IMS網絡主要面向多媒體用戶，其終端主要包括PC、SIP等，各種類型的IP終端對IP地址有大量需求，終端對IP地址的大量需求將推動下一代交換網向IPv6演進。

IPv6相比于IPv4具有明顯優勢，IPv6協議采用長度為128位IP地址，地址充足，可提供大量IP地址，支持大量終端應用，徹底解決IPv4地址不足的難題；協議進行優化，增加擴展包頭，提高協議擴展性；且在地址容量、安全性、網絡管理、移動性及服務質量等方面有明顯改進；IPv6使得終端長期擁有一個IP地址，并實時在線，有助于促進新業務模式的發展，更利于實現實時的端到端的業務（VoLTE、RCS）等多媒體業務的發展，IPv6技術可滿足下一代交換網發展演進需求，將是下一代交換網IP技術的發展方向。

2　IPv6在IMS網絡的應用方案

由于下一代交換網演進是漸進的過程，且目前網絡中IPv4設備和用戶數量龐大，因此下一代交換網需漸進向IPv6過渡，IPv6在IMS網絡中的應用方案主要有雙棧方案和邊界翻譯方案。

2.1雙棧方案

雙棧方案要求IMS網絡所有網元應同時支持IPv4 和IPv6，當IMS網絡采用雙棧方式引入IPv6時，要求IMS網絡內所有網元均支持IPv4和IPv6雙棧，在IMS所有網元節點上同時運行IPv4和IPv6兩種協議。

2.2邊界翻譯方案

邊界翻譯方案是指IMS網絡域內統一采用IPv4或IPv6地址，當需進行互聯或互通的終端、接入網、應用服務器、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的IPv4和IPv6翻譯功能完成信令和媒體級的翻譯與轉換，以實現IPv4終端之間、IPv6終端之間、IPv4與IPv6終端之間、IPv4/v6終端與應用之間、IMS網絡與其它網絡之間的業務互通，以及相應正確的計費。依據場景的不同，IMS網絡對邊界功能的要求也有所不同。承載網向IPv6演進一般優先于核心網IPv6演進，當承載網已經演進到IPv6，IMS仍處于IPv4核心網，可能存在多種演進場景，對IMS核心網有相應技術要求。

（1）IPv4/v6終端接入IMS

當IMS核心網設備采用IPv4、承載網采用IPv6時，IMS網絡應支持IPv4/v6終端的接入（見圖1）。IMS應通過在終端與P-CSCF之間設置SBC，保證IMSIPv4核心網和IPv6承載網具備對IPv4和IPv6終端的接入能力，實現IPv4終端之間、IPv6終端之間、IPv4與IPv6終端之間以及它們與應用之間的業務互通，要求SBC應支持IPv4/v6雙棧；當IPv6終端接入時，應能完成用戶終端與核心網之間SIP信令層面IPv6與IPv4之間的翻譯轉換功能，包括當IPv6終端注冊時，SBC創建終端IPv6與IPv4地址間的綁定關系；當有其他終端或應用請求建立與IPv6終端的會話時，SBC創建對端IPv4與IPv6地址間的綁定關系。當IPv4終端接入時，SBC應能完成用戶終端與核心網之間SDP信令層面IPv6與IPv4之間的翻譯轉換功能。

圖1　IMS IPv4核心網，IPv6承載網，IPv4/v6終端接入

（2）與其它IPv4/v6網絡互通

圖2　IMS IPv4核心網，IPv4承載網，與其它IPv6網絡互通

如圖2所示，當IMS核心網設備采用IPv4，承載網采用IPv6，但支持與其它IPv4和IPv6網絡的互通，要求IMS網絡的MGCF在信令層面使IMSIPv4網絡具備與其它IPv6網絡進行互通，實現IPv4與IPv6網絡之間的業務互通；通過IMS-MGW在媒體層面使IMSIPv6網絡具備與其它IPv4網絡進行互通的能力，實現IPv6 與IPv4網絡之間的業務互通；MGCF應支持IPv4/v6雙棧，當與IPv6網絡互通時，應能完成網絡間SIP信令層面IPv4與IPv6的翻譯轉換功能。當與IPv4網絡互通時，IMS-MGW應能完成網絡間SDP信令層面IPv6與IPv4的翻譯轉換功能。

（3）與IPv4/IPv6應用服務器互通

IMS核心網設備采用IPv4，承載網為IPv6，支持與IPv4和IPv6應用服務器的互通（見圖3）。當IMS需與第三方應用服務器互通，且采用IP版本不同時，可由運營商部署的應用網關完成信令層和媒體層IPv4與IPv6的協議轉換功能，當與IPv4應用服務器互通時，由應用網關完成媒體相關IPv6與IPv4的協議轉換功能；當與IPv6應用服務器互通時，可由應用網關完成信令層面IPv4與IPv6的協議轉換功能。

圖3　IMS IPv4核心網，IPv6承載網，與IPv4/v6應用服務器互通

（4）小結

綜上所述，IPv6在IMS中的應用存在如下問題：

●IMSIPv6雙棧方案網絡規劃相對簡單，但網絡維護復雜，占用設備資源更多

雙棧方案是在IMS網元設備上同時實現IPv4和IPv6雙協議棧，各自獨立實現IPv4和IPv6的處理和轉發，IMSIPv6網絡規劃相對簡單，但網絡中有IPv4和 IPv6兩個協議棧同時運行，操作維護復雜，占用設備資源更多，也無法解決IPv4地址短缺問題，無法解決IPv4 和IPv6互訪問題。

●IMSIPv6邊界翻譯方案中接入或互通網元可能帶來業務質量降低，部分信息丟失，邊界網元處理開銷較大

翻譯技術用來將IPv4（IPv6）數據包轉換成IPv6 （IPv4）數據包，將IPv6數據包中的每個字段與IPv4數據包中的每個字段建立起一一映射的關系，從而在兩個網絡的邊緣實現數據報文的轉換，應用于IPv4-only和IPv6-only的網絡互通。可以實現IPv4和IPv6的互通，不需要進行IPv4、IPv6節點的升級改造，但存在“地址轉換”帶來的業務質量降低，加密報文無法翻譯等風險，可能導致部分信息丟失，實現較復雜，處理開銷較大。

3　我國運營商下一代交換網IPv6應用現狀

（1）中國移動

中國移動IPv6發展整體推進計劃分為3個階段：

●2012—2013年是啟動期，啟動期開展規模試驗。

●2014—2015年是推廣期，實現全網升級。

●到2016年達到全面應用，用戶大規模使用IPv6。

中國移動已經制定了接入網、承載網、支撐系統、終端、業務等環節端到端IPv6完整過渡計劃，并于2012年底啟動約10個省份的網絡改造，已在9個省啟動IPv6試點，已完成涉及8個廠商的TD-LTE設備IPv6測試，并借助LTE發展契機，推動同步引入IPv6，未來的目標是LTE用戶開機后自動獲得IPv6地址，直到用戶關機。

（2）中國電信

中國電信已明確IPv6商用的時間表：2009年，開始啟動IPv6試點部署，即2009—2010年為IPv6的試商用階段，試點業務包括寬帶接入、IDC、VPN等；2011年，啟動IPv6及過渡技術研究和現網試點驗證；2012—2015年，規模商用IPv6；2015年后，大規模使用IPv6。2012年，中國電信在湖南、江蘇等試點基礎上，增加新的省市啟動互聯網基礎設施改造，并明確IPv6六大業務切入點，自營業務首先過渡，企業和家庭網關實現對部分政企和家庭客戶IPv6接入支持；部分重點業務采用IPv4/v6雙棧模式，大眾業務建議采用純IPv6模式發展。對于固定和移動用戶接入，采用雙棧實現IPv4/v6業務訪問。

（3）中國聯通

中國聯通從集團層面制定IPv6演進總體原則，網絡側盡量選擇直接向雙棧過渡，骨干網初期可局部開啟雙棧+6PE；城域及接入網根據用戶及業務部署的明確需求，局部小規模范圍內可選擇合適的隧道、翻譯等技術快速解決IPv6和IPv4互訪，并已開展各地廣泛試點，重點解決寬帶用戶的IPv6的業務使用。中國聯通制定IPv6發展時間表分為3個階段：2011—2013年的商用試點階段；2013—2015年初的規模部署階段，聯通2013年底發展寬帶接入用戶300萬，并開展移動互聯網IPv6試點，完成自營業務改造和支撐系統升級，到2015年實現IPv4和IPv6無縫互聯互通；2015—2020年是普及發展階段，未來將在全國推動云計算、物聯網、三網融合、移動互聯網等業務應用，全面支持IPv6特色應用。

4　國家電網下一代行政交換網IPv6演進方案

4.1IPv6在國家電網下一代行政交換網中應用原則

國家電網目前已確定下一代行政交換網的IMS技術體制以及IMS網絡建設思路，并開展現網建設工作。為了保證IPv6在國家電網下一代行政交換網IMS的平穩過渡，IMS網絡向IPv6過渡過程中建議遵循以下原則：

（1）嚴格遵循國家電網交換網演進規律，并充分考慮國家電網承載網演進策略，按照承載網優先于交換網向IPv6演進策略；省間骨干網優先于省內/地市數據通信網向IPv6演進；交換網邊界優先于交換網核心設備向IPv6演進；寬帶用戶優先于窄帶用戶向IPv6演進，或窄帶用戶維持IPv4。

（2）不能降低用戶業務體驗，IMS核心網進行IPv4 或IPv6協議倒換時，所有核心網元都要求同時倒換，否則影響現有業務。

（3）盡可能降低運營負擔，為保證IMS相關業務的正常接續，對同一個IMS核心網的所有網元，組網時只遵循一種IP協議，只支持IPv4或IPv6。

（4）確保過渡期的用戶可控可管，IMS接入網元，如SBC等需要支持雙棧，即具備對信令和媒體進行IPv4和IPv6協議轉換功能，保證IPv6終端的業務正常使用。

（5）IMS互通網元（如MGCF/MGW，IBCF/TrGW）等需要支持雙棧，即具備對信令和媒體進行IPv4和IPv6協議轉換功能，保證IMS與他網在協議倒換前后能正常互通。

（6）不影響現有業務使用和體驗，為保證IMS核心網在IPv4和IPv6協議轉換前后，所有業務能正常接續，現有業務平臺AS要求支持雙棧，且第三方業務平臺AS與IMS網絡之間的網關必須支持雙棧，解決AS 與IMS核心網協議轉換問題。

（7）為保證IMS核心網在IPv4和IPv6協議轉換前后，所有業務管理、操作維護能正常進行，IMS計費、網管、同步等支撐系統需支持雙棧。

4.2IPv6在國家電網下一代行政交換網中應用方案

（1）國家電網下一代行政交換網及承載網演進方案

國家電網公司原行政交換網保持不變，新建的IMS交換網采用IP化、扁平化組網方式，采用分省建設方案，共在28個單位（總部及27個省公司）建設IMS網絡，各區域分部及直屬單位接入所在省份的IMS核心網；每省建設兩套IMS核心網元，采用1+1省內異地互備的容災方式；兩套IMS核心設備分別建設在國家電網公司數據通信網第一和第二匯聚點所在的兩個機房內。

IMS業務統一由公司數據通信網承載。公司數據通信網新增IMSVPN，承載本地及跨省IMS信令和媒體，IMSVPN應覆蓋到地市公司，具備條件的省公司可將IMSVPN覆蓋到縣公司。省公司、地市公司應各部署兩臺CE設備，作為IMS業務匯接交換機，口字型上聯至數據通信網PE設備。核心網通過獨立物理通道雙上聯CE設備接入到數據通信網。IMS主匯接節點、第二匯接節點的CE設備間應通過兩條獨立的專用傳輸鏈路互聯，完成主、備節點間的心跳和數據同步，實現主匯接節點、第二匯接節點網絡容災保護。

國家電網公司數據通信網作為行業性的專用通信網，主要是為滿足電力經營管理需要，保障電力生產正常高效進行而建設。隨著公司業務發展的需要，逐步形成多級網絡并存的格局，包括覆蓋公司總部、各分部、各省電力公司、各直屬單位、三地災備中心及部分直調廠站的數據通信骨干網以及省級數據通信網。國家電網公司數據通信骨干網已經形成以西單總部、三地災備中心、白廣路和區域匯聚節點為核心，以分部公司、省公司和直屬單位作為骨干的3層MPLSVPN網絡。

當前公司數據通信骨干網已經具備IPv6全局路由、IPv6VPN業務能力，各省公司目前與骨干網對接采取中斷MPLS轉發路徑，并部署防火墻等安全設備隔離措施，總體上不具備在全網范圍內實現IPv6業務開通必須的統一地址規劃和配置要求；另外，由于各省在縣級和以下的基層網絡普遍采用二層交換機級聯組網，此類設備均不具備支持IPv6MAC地址表的能力，因此當前在地市級層面直接實現純IPv6組網，或在縣級和以下網絡部署IPv6業務均有障礙。省級數據通信網在網絡架構、VPN部署、QoS部署以及IPv6支持等方面方式多樣、能力不一。

（2）IPv6在國家電網下一代行政交換網中的應用方案

IPv6在交換網中的過渡是端到端的，涉及終端、網絡、業務、業務支撐系統等，且與承載網的演進過程緊密相關，彼此演進不可能是同步的，因此行政交換網IPv6的演進具有漸進性，具有一定的演進過程。

根據以上思路分析，并遵循IMS向IPv6過渡的原則，綜合考慮國家電網行政交換網和終端現狀、IMS及承載網演進方案等多種因素，結合國內運營商IMS IPv6發展思路，可綜合采用雙棧、翻譯技術等實現IMS IPv4網絡向IPv6過渡，建議可采用如下演進方案：

●演進初期階段：IMS承載網、骨干網升級為支持IPv6，承載網接入網及交換網部分設備仍保留IPv4，終端全部為IPv4終端

考慮承載網的骨干網會優先升級支持IPv6，因此涉及總部及各省公司IMS互通。由于總部及各省公司IMS網絡設置I-CSCF為本省核心網的入口，接受來自其他IMS網絡的呼叫請求；總部及各省公司IMS網絡設置S-CSCF為IMS網絡省間互通的出口，將呼叫送往被叫IMS網絡的I-CSCF，完成后續呼叫的接續；要求連接在IMS承載網骨干網的交換設備應優先考慮升級為雙棧，包括I-CSCF、S-CSCF、一級ENUM/DNS、總部AS等設備。

●演進中前期階段：承載網、骨干網和省級數據通信網都升級為支持IPv6，地市數據通信網和終端仍為IPv4

考慮省級數據通信網會優先地市接入數據通信網，并考慮升級支持IPv6，因此主要涉及省內IMS通信。本階段要求主備IMS核心網設備升級支持IPv6。

●演進中期階段：承載網、骨干網、接入網都升級為支持IPv6，少量IPv6終端

本階段主要是省會/地市公司的地市數據通信網升級為IPv6，需要接入IPv6接入網的終端交換機需升級為雙棧，解決IPv4終端用戶接入IPv6接入網的IMS業務使用，實現IPv6終端與IPv4終端的業務互通，雙棧SBC保障IPv6或IPv4終端都能接入IMS，完成IPv4 和IPv6用戶的信令和媒體代理，以及IPv4和IPv6的地址轉換功能。與用戶相關的業務支撐系統可升級支持IPv6，如DHCP、DNS等。

●演進中后期階段：承載網、骨干網、接入網和交換網都升級為支持IPv6，大量IPv6終端

在此階段，SBC雙棧得到驗證后，實現IPv4和IPv6終端并行接入IPv4 IMS后，要求IMS網絡除SBC、I/S-CSCF外其他IPv4網元及新增網元設備要求支持雙棧，互通網元（如MGCF/MGW、IBCF/TrGW等）升級為IPv4和IPv6雙棧，解決IMS與現網軟交換互通；為支持與IMS核心網IP版本不同的AS，應用網關需支持IPv4 和IPv6雙棧，解決IMS與第三方AS的協議轉換。為全面向IPv6網絡演進做準備。

●演進目標階段：實現端到端的全網IPv6，全部為IPv6終端

最終階段考慮只有IPv6終端，IMS核心網、業務平臺等所有網元都過渡到IPv6。實現端到端的IPv6，隨著IPv4終端的萎縮，將逐步停用SBC的IPv4協議棧，再根據全網IPv4向IPv6過渡的進程，逐步停用互通網元的IPv4協議棧，逐步實現IMS全部向IPv6演進。與用戶相關的業務支撐系統全面升級支持IPv6。

5　結束語

綜上所述，IPv6是下一代互聯網的重要組成部分，是被全球互聯網權威標準組織IETF選定的下一代IP的核心技術方案，IMS網絡作為基于IP網絡的多媒體業務的控制核心，是下一代交換網的發展演進方向，IPv6技術可滿足下一代交換網發展演進需求，將是下一代交換網IP技術的發展方向。我國運營商根據各自業務發展需求及網絡組網現狀等因素，制定了各自下一代交換網向IPv6的演進策略和方案，運營商根據自身面臨的問題，采用不同的演進方案。目前，國外運營商已經在新建的LTE網絡上全面部署IPv6，主要源于IPv4地址枯竭和IPv6支持全球地址。

國家電網目前已確定下一代行政交換網的IMS技術體制以及IMS網絡建設思路，并開展現網建設工作。為了保證IPv6在國家電網下一代行政交換網IMS的平穩過渡，IMS網絡向IPv6過渡過程中應遵循一定原則，且IPv6在交換網中的過渡是端到端的，與承載網的演進過程緊密相關，交換網IPv6演進是具有漸進性，具有一定的演進過程。綜合考慮國家電網行政交換網和終端現狀、IMS及承載網演進方案等多種因素，結合國內運營商IMSIPv6發展思路，建議可綜合采用雙棧、翻譯技術等實現IMSIPv4網絡向IPv6過渡。其中，分為演進初期階段、演進中前期階段、演進中期階段、演進中后期階段、演進目標階段共五大演進階段。

Applications of IPv6 in the Next Generation State Grid Administration Switching Networks

Based on the analysis of IPv6 solutions in IMS network and IPv6 application status of Chinese operator's next generation switching networks ， this article provides the IPv6 application scheme of next generation State Grid administration switching networks for evolution requirements.

IPv6，IMS，IPv4

2015-11-20）

國家電網公司科學技術項目（下一代行政/調度交換網技術體制及演進技術研究）資助