浅析IPv4向IPv6过渡技术

田甜　徐冉

摘 要:随着互联网和物联网的迅猛发展,IP地址的需求量不断增加,IPv4地址资源明显不足。因此,IPv6成为了新一代网络协议,它的可用地址至少相当于全球IPv4地址空间的42.9亿倍。本文主要介绍了IPv4向IPv6过渡的技术以及LTE网络引入IPv6的过渡方案。

关键词:IPv6过渡技术网络升级

中图分类号:T9393.04 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0062-02

在移动互联时代下,智能化电表、智能化家电、汽车、电脑、智能移动设备以及移动医疗设备都将拥有自己的IP地址。原有的IPv4已经不能满足这种需求,因此IPv6作为新一代的网络协议出现在人们的视野。IPv6采用了128位地址格式,可以支持的网络节点数远大于IPv4。在解决IPv4向IPv6过渡的问题上,需要考虑以下两种情况:(1)IPv4海洋中IPv6孤岛间的通信问题,既现有的IPv4路由体系相隔的局部IPv6网络之间如何通信的问题;(2)如何使新配置的局部IPv6网络和现有的IPv4资源之间完成相互地无缝访问[1]。我们可以利用隧道技术和双栈技术以及地址头翻译来解决这些问题。

IPv6地址格式的巨大优势不仅体现在地址空间的巨大上,而且基于IPv6报头中新增的字段“业务级别”和“流标记”的基础上,服务质量也得到了明显的提高。同时,IPv6还支持“时时在线”连接,从而防止服务中断并且提供了更高的网络性能。[2]

1 过渡技术

上文提到IPv4向IPv6过渡技术有三种:(1)双栈;(2)翻译;(3)隧道三种。下面就对这三种技术进行介绍。

双栈技术使得路由器和交换机内部同时存在IPv4和IPv6协议。这种技术的本质就是让两种地址在机器内部实现转化,只要设备具有双栈性能就可以和仅仅具有单一IP协议的设备完成通信。其工作方式是建立在应用程序使用的目的地址基础上的,具体工作方式如表1。

地址翻译顾名思义就是解决单一运行IPv6协议的网络与单一运行IPv4协议的网络之间互相通信的技术。地址转换技术NAT就是将IPv4地址或是IPv6地址做为NAT技术中的内部地址和全局地址,然后在网关进行协议转换。NAT/PT技术的原理如图1所示。在IPv6子网中有IPv6分组发给网关的情况下,网关将自动转化成IPv4分组发向IPv4子网,反之亦然[3]。

隧道技术是在IPv4网络中连接孤立的IPv6节点时,应用的基本通信方式。其原理就是将IPv6分组封装到IPv4分组中,封装后的IPv4分组将通过IPv4的路由体系传输,分组报头的“协议域”设置为41,表示这个分组的负载是一个IPv6的分组,以便在适当的地方恢复出被封装的IPv6分组并传送给目的站点。[4]

2新兴技术PNAT

不久的将来通信网络与计算机网络将进行融合,核心网络将是全IP的网络。这就要求大量的移动设备支持IPv6数据包透传、IPv6 PDCP头压缩等功能。

从移动网络的角度来讲,终端和网络使用统一的IPv6协议,这样易于实现网络的无缝连接和互操作性,仅使用IPv6作为传输层协议使网络更易于管理,并提供端到端的服务质量其巨大的地址空间打破了NAT的局限性并提高网络性能。

在IPv6引入移动网络的同时,一些新的技术也相应的提出,以适应这种改变。PNAT(Prefix based NAT)是中国移动提出的基于主机的IPv6过渡技术,它的提出可以满足用户对全面互联网业务支持的要求。PNAT采用了Bump in Host(BIH)的实现方式,并保持和NAT64的兼容,这种BIH结合NAT64的实现方式在保证IPv4应用程序正常通信,进一步促进IPv6网络部署,也就是IPv4后向兼容的IPv6过渡技术方案,达到部署IPv6的同时,保证传统IPv4应用程序在IPv4和IPv6网络能够正常通信,做到对应用程序透明无感知[5]。在PNAT方案中是以引入BIH模块实现的,这样的方式使位于双栈主机上的IPv4程序能够通过IPv6和IPv4网络之间完成相互通信。BIH模块的安装可以采用软件升级的方式。

Socket API翻译和包头翻译分别是BIH主机翻译模块的两种模式。对于Socket翻译主要是在Socket API层面对IPv4和IPv6的Socket进行翻译。而包头翻译是在IPv4 TCP/IP协议栈生成IPv4报文后进行的。这两种工作模式的不同在于进行主机翻译的位置不同。前者是在协议栈和应用程序接口层面进行翻译;后者是在协议栈和网卡驱动之间进行翻译。选择使用何种翻译方式是由在特定主机操作系统上的实现难易程度以及性能要求等因素来决定的。通过主机翻译模块的处理,将实现主机IPv4应用发出的业务数据向IPv6数据包转换。其功能模块如图2所示。

PANT技术加速了IPv4网络向IPv6网络过渡的进程,其对原有IPv4应用的支持使得很多应用在经济和时间上得到了更好的更新条件,并且它兼容NAT64设备的功能。它不仅可以支持纯IPv6网络环境,也能够使IPv4应用程序在IPv6网络内访问IPv6业务。

3引入IPv6的LTE

IPv6的引入涉及到终端、网络、业务和应用各个环节,这样在对原有网络的升级时会面临很多问题。但是在新兴网络LTE中,若在早期就部署具备IPv6能力的终端以及设备等,就能避免IPv4对业务带来的不利因素,并且在以后的网络升级中也更加便捷。进一步来讲,由于LTE终端具有长连接的特性,用户只要是在开机的状态下就需要分配一个IP地址,该IP地址的释放条件是用户关机,可见LTE网络用户同时在线数量很大,对IP地址的需求量也相当巨大。

在LTE网络的建设中,针对IPv6过渡提出了以下方案:Gn/Gp SGSN采用GTPv1版本与SAE核心网互联,SAE核心网向下兼容;S4-SGSN采用GTPv2版本与SAE核心网互联,SAE核心网仅需要支持GTPv2。在第一种过渡方式中,为了提高引入IPv6后的承载效率,在LTE中引入了IPv6v4 PDN type,也就是在一个EPS承载中同时承载IPv6以及IPv4连接。

在当前的无线网络引入IPv6对数据处理能力以及传输功能的影响不容小视。在无线网络协议只支持IPv4协议栈的情况下,无线接入网起到的是接入承载作用,用户终端的IP包(IPv4或IPv6数据包)均作为净荷传输。而IP包中包含了很多固定不变的或者是变化缓慢的信息单元,因此要对空中接口传输这些信息之前进行IP包头压缩,这样就能节省IP包占用的空中接口资源,从而提高空中接口资源的利用率。综上所述,IPv6的引入必定会对IP包头的处理产生影响。对语音业务而言,每个IP包承载的语音包长为32字节,采用头压缩技术可以将其压缩到4至6字节左右,相对于IPv6包头的40字节来说,这种头压缩技术增益非常高,因此对语音数据包的压缩可以通过无线设备支持IPv6的头压缩实现。虽然语音业务中头压缩的增益很高,但是对一些较长的IP包(如上网、下载业务)头压缩节省的字节有限,数据压缩效率不高,所以在这些业务数据包不进行头压缩。

4 总结

IPv6的引入目前还面临着网络改造量大、用户终端需要进行更新以及需要技术创新等一系列的问题。IPv6技术的发展和成熟还需要大量的实践工作。在推动产业对IPv6的支持的同时,进行IPv6的实验的过程中还会出现新的问题,因此对过渡方案和新的技术手段是保证网络顺利过渡的前提。对IPv4向IPv6的过渡技术上仍需要更加深入地研究。

参考文献

[1] 韩平维.告别IPV4迎接IPV6的到来[J].科技信息,2009(25):77.

[2] 王晓娟，等.IPv4向IPv6过渡方法的研究[J].青岛远洋船员学院学报.2006(2):64.

[3] 张惠卿,等.下一代IP网络技术——IPv6的研究及其演进方案[J].中国数据通信,2002(11):67.

[4] 张召贤.Mobile IPv6与NAT-PT结合技术的研究与实现[D].北京邮电大学,2004.

[5] 陈勇.IPv6演进技术热点分析[J].电脑知识与技术:学术交流,2010,6(16) :4388.

[6] 何泳.IPv4向IPv6演进的方式[J].电信技术,2006(12):69.