IPv6協議在3G網絡中的應用

王洪信 陳新 劉威 白亮

摘 要：本文簡要簡明闡述了IPv6協議包頭格式及3G的網絡結構框架，并探討了IPv6協議在3G系統中的工作原理。

關鍵詞：IPv6；4G；3GPP

一、引言

隨著科技時代的進步，IPv4缺點顯現，如：地址空間明顯不足、路由負荷過大、無法滿足移動性的要求等問題。IPv4地址耗盡的問題，科學家已在子網掩碼，VLSM，CIDR，NAT等技術上做過嘗試，雖一定程度延緩了地址空間耗盡，但從根本上無法解決，IPv6卻能解決。因此IPv6是未來數據通信領域內的趨勢，經過多次修改，1995年確定了協議規范，并命名為IPv6。

二、IPv6報頭結構

IPv6報頭刪掉了IPv4中不常用的域，因此，比IPv4簡單的多，放入了可選項，這些可選項有更嚴格的定義。IPv6中所有的擴展功能都采用擴展報頭實現，這使得IPv6變得極其靈活，能提供對多種應用的強力支持，同時又為以后支持新的應用提供了可能。這些報頭被放置在IPv6報頭和上層報頭之間，每一個可以通過獨特的“下一個報頭”的值來確認。

IPv6報頭說明：

（1）版本：4位，IP協議版本號為6。

（2）業務級別：8位，指示IPv6數據流通信類別或優先級。功能類似于IPv4的服務類型（TOS）字段。

（3）流標記：20位，IPv6新增字段，標記需要IPv6路由器特殊處理的數據流。該字段用于某些對連接的服務質量有特殊要求的通信，諸如音頻或視頻等實時從數據傳輸。

（4）載荷長度：16位。負載長度包括擴展頭和上層PDU，16位最多可表示65，535字節負載長度。超過這一字節數的負載，該字段置“0”，可使用特大包擴展頭，其最大容量可達4GB。

（5）下一個報頭：8位。識別緊跟IPv6報頭后的擴展類型或上層協議類型，相當于IPv4中的協議域。

（6）跳限：8位。類似于IPv4的TTL字段。與IPv4用時間來限定包的生命期不同，IPv6用包在路由器之間的轉發次數來限定包的生命期。包每經過一次轉發，該字段減1，減到0時把著個包丟棄。

（7）源地址和目的地址：都是128位，前者是發送方主機地址。后者在大多數情況下，目的地址即信宿地址。

三、3G網絡結構簡述

3G（3rd Generation）指第三代移動通信技術。3G是指將無線通信與國際互聯網等多媒體通信結合的新一代移動通信系統，它能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網頁瀏覽、電話會議、電子商務等多種信息服務

UMTS即通用移動通信系統，3GPP/UMTS網絡的體系結構分為電路交換域和分組交換域，IPv6的使用只涉及3GPP的分組交換域。

3GPP網絡由移動節點（MS/UE）、接入網（UTRAN）和核心網（CN）組成，移動節點在R99和R4中稱為移動站（MS），R5中稱為用戶設備（UE）。MS由終端設備（TE）和移動終端（MT）組成， 并通過空中接口接入UMTS系統。接入網（UTRAN）負責軟切換、接入和擁塞控制及無線資源分配等功能。核心網（CN）內主要有服務GPRS節點（SGSN）和網關GPRS節點（GGSN）兩種節點。SGSN承擔認證、授權以及移動性管理等功能；GGSN則提供IP連接、連接內部多媒體業務子系統及其外部網絡，并承擔著收集計費信息的功能。多媒體業務子系統（IMS）連接在運營商網絡內部，向UE提供一些基礎服務，如DNS、WAP、SIP等業務。邊界路由器（ER）則負責連接運營商網絡與Internet在接入的UE與GGSN之間建立了基于IPv6的分組數據協議上下文；從UE發出的IP數據包，由GGSN路由，經由用戶制定的GGSN上的接入點（AP），訪問目標網絡。

四、IPv6在3G網絡中的應用

在3G的系統中，已經確立了IPv6為網絡的承載、業務應用的發展方向，其中涉及到使用IPv6協議的部分為：（1） UE和UTRAN之間。（2）UTRAN和核心網分組交換域之問。（3）核心網分組交換域內部。

3G網絡中的移動終端要想獲得IPv6數據服務，首先需要獲得一個合法的IPv6地址。由于3G網絡中的終端節點沒有惟一標識，所以其地址的自動分配與撥號網絡類似，是基于PPPV6的。與一般IPv6節點的地址配置一樣，在3G網絡中，移動節點的地址配置也有兩種方式：有狀態地址自動配置和無狀態地址自動配置。有狀態地址自動配置使用外部協議連接到分配地址的服務器上，而無狀態地址配置則與在以太網中的配置方式有所不同。在3G網絡中，GGSN的每一個AP都可以單獨指定地址配置方式，其中無狀態的地址自動配置方式與一般的IPv6節點不同。

地址配置的協議過程：

（1）UE向SGSN發起“激活PDP上下文請求”的消息， “PDP類型”指定為IPv6；

（2）SGSN接收到請求后，向GGSN發送 “創建PDP上下文請求”消息；

（3）GGSN收到請求后，為UE分配接口標識及地址前綴并生成IPv6的鏈路本地地址，然后將信息封裝在“創建PDP上下文請求”響應中，返回給SGSN；

（4）SGSN收到應答消息后，將應答信息封裝在“激活PDP上下文請求”接收消息中，發回給UE；

（5）UE得到地址信息的配置，然后按照配置發送一個“路由請求”消息給GGSN；

（6）GGSN執行完操作后，向UE發送一個“路由通告”。

經以上步驟，UE利用路由器廣播信息，與先前收到的接口標識組成IPv6地址。由UE發出的IPv6數據包則被3G網絡中的節點直接轉發到GGSN，再由GGSN路由到目標網絡。每一個連在網上的UE都會創建一個主要PDP上下文請求用來與因特網通信。UE在與GGSN連接的整個生命周期內，可以創建許多主要和次要PDP Context請求。在3GPP中，GGSN為每個主要PDP Context請求分配一個單獨的64bit標識。GGSN也把一個單獨的64bit前綴公布給UE，這兩個部分組合成一個IPv6地址。隨后，GGSN對SGSN中的PDP Context請求入口進行修改，使之包含整個IPv6地址。這樣，SGSN就能知道每個3GPP節點的單個IPv6地址了。該地址也用在GGSN中標識與每個包相關聯的PDP Context請求，它假設3GPP節點不產生任何地址。

五、結束語

IPv6解決了IPv4地址短缺、端到端IP連接、QoS、安全性、多播、移動性、即插即用等問題。由于IPv4普遍的應用，IPv6取代IPv4需要一個過程。

參考文獻：

[1]Xiao-Hu Yu等 Toward Beyond 3G：The FuTURE Project in China IEEE Communications MagazineJanuary 2005.

[2]姚樹宇 IPv6技術分析及其前景展望 現代計算機 2005.10.