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IPv4向IPv6的過渡策略

2019-11-04 10:57:37
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供稿:網友

  移動網絡向移動ipv6的過渡過程中,IPv4的網絡和業務將會在一段相當長的時間里與IPv6共存,許多業務仍然要在IPv4網絡上運行很長時間,非凡是IPv6不可能馬上提供全球的連接,很多IPv6的通信不得不在IPv4網路上傳輸,因此過渡機制非常重要,需要業界的非凡關注和重視。 IPv4向IPv6過渡的過程是漸進的,可控制的,過渡時期會相當長,而且網絡/終端設備需要同時支持IPv4和IPv6,最終的目標是使所有的業務功能都運行在IPv6的平臺上。

1、IPv4到IPv6的過渡方法

從IPv4到IPv6的過渡方法有三種:網絡元素/終端的雙協議棧、網絡中的隧道技術以及翻譯機制。其中雙協議棧和隧道技術是主要的方法,而翻譯機制由于效率比較低,只在不同IP版本的元素之間進行通信時才采用。

(1)網絡元素和移動終端上的IPv4/IPv6雙協議棧雙協議棧是非常重要的過渡機制,從網絡方面來看,網絡設備(如GGSN)實現雙協議棧對于實現IPv4和IPv6的接入點并完成IPv6-in-IPv4的隧道都是至關重要的,另外運營商IP網絡和公眾因特網邊緣的邊際路由器也應該是雙棧路由器。從移動終端來看,需要通過雙協議棧來訪問IPv4和IPv6的業務而不需要網絡上的翻譯機制。

(2)隧道技術

如將IPv6的數據包封裝在IPv4的數據包中并在隧道的另一端解除封裝,這也是一種非常重要的過渡方法,隧道技術要求在封裝和解除封裝的節點上都有IPv4/IPv6雙協議棧的功能。隧道技術又分為自動和人工配置兩種,人工配置的隧道技術是在隧道的終點人工配置到某個特定的IPv4地址;對于自動隧道技術來說,封裝是自動在進行封裝的路由器/主機上完成的,隧道終點的IPv4地址被包含在目的地址為IPv6地址的數據包中,如“6to4”隧道技術。

(3)網絡上的IPv4-IPv6協議翻譯器:翻譯器是純IPv4主機和純IPv6主機之間的中間件,使兩種主機不需要修改任何配置就可以實現彼此之間的直接通信,翻譯器的使用對于移動終端來說是透明的,頭標轉換是一種重要的翻譯機制,通過這種方法IPv6數據包的頭標被轉換為IPv4數據包的頭標,或者反過來,IPv4轉換為IPv6,有必要的時候對校驗進行調整或重新計算,NAT/PT(Network Address Translator/PRotocol Translator)就是采用這種機制的一種方法。

采用地址/協議翻譯器需要轉換IP數據包的頭標,帶來的問題是破壞了端到端的服務(如端到端的IPSec),而且NAT/PT可能成為網絡性能的瓶頸,有可能限制業務提供平臺的容量和擴展性。

使用網絡中的地址/協議翻譯器還是采用其它過渡方法主要由網絡運營商決定,一般來說,只有當兩個通信節點的IP版本不同時才建議采用翻譯器。

2、IPv4到IPv6的過渡階段

圖1中給出了GPRS/WCDMA網絡過渡到IPv6的一個簡單描述,同樣的原則也適用于其它網絡類型。

從圖1中可以看出,開始的時候是只支持IPv4的GPRS/WCDMA網絡,所有連接到因特網上的終端都是純IPv4的設備,NAT被用來節約公共的IP地址。這些網絡向IPv6過渡的過程可以分為三個階段:

IPv4向IPv6的過渡策略(圖一)


圖1 IPv4過渡到IPv6的各個階段
 
(1)第一階段:網絡中有著一個個單獨的IPv6孤島,它們之間的連接是通過在IPv4網絡上自動或人工配置“IPv6 in IPv4”的隧道來實現的。在這個階段,向移動用戶提供的IPv6業務絕大多數是由運營商的內網絡(Intranet)提供的,其它的一些IPv6業務通過在IPv4網絡上的配置/自動隧道來實現,傳統的IPv4業務可以提供有IPv4或者雙協議棧的終端。在運營商的網絡上仍然有NAT,通過分配臨時地址來處理公共IPv4地址匱乏的問題。運營商的網絡上還可以安裝翻譯器(如NAT-PT)來完成IPv4與IPv6協議之間的翻譯轉換。

(2)第二階段:這一階段IPv6已經廣泛部署并且有了大量在IPv6平臺上實現的業務,但是由于IPv6網絡還不能達到完全連接,有時仍然需要IPv4網上的隧道技術來與IPv6節點連接通信。

這個階段由于所有新業務都在IPv6平臺上實現,從而加速了IPv6的部署。從IPv6的發展趨勢來看,移動網絡將率先進入這一發展階段。這時大量傳統的IPv4業務仍然存在,很多移動節點上都安裝了IPv4/IPv6雙協議棧。

(3)第三階段:IPv6已經獲得主導地位,IPv6網絡已經實現了全球連接而且所有的業務都在IPv6平臺上運行,這時候將不再需要雙協議棧功能或者地址/協議的翻譯機制,這使得網絡結構更加簡單,網絡維護也更加輕易。

IPv6使得網絡中的每個節點都有一個獨一無二的、全球可路由到的地址。

3、IPv4向IPv6過渡的網絡模型

3.1 網絡模型

圖2簡單地顯示出移動終端與GPRS核心網絡的連接,移動終端與GGSN接入點(AP)之間所建立的連接稱為分組數據協議(PDP)上下文,移動終端通過激活PDP上下文來獲取其IP地址,圖2中顯示了兩種不同的移動終端連接到GGSN的兩個不同的接入點上的情況。GGSN中的AP1是原生的IPv6,始終連接到IPv6環境中。AP2提供通過IPv4網絡隧道的IPv6連接,這一連接可以是“6to4”的、也可以是“4to6”的。AP3是原生的IPv4,提供到純IPv4服務/主機的連接。
 
IPv4向IPv6的過渡策略(圖二)


圖2 到GGSN的IPv4和IPv6接入點的連接 
 
圖3是過渡期網絡模型分析的簡單圖解,只顯示了移動終端和GPRS核心網。使用運營商本地的IPv4和IPv6業務(網內業務)沒有必要采用公用IPv4地址或全球IPv6地址(站點本地IPv6地址就足夠了)。

當用戶離開運營商網絡時,通信流要通過邊緣路由器和防火墻,在這種情況下,需要公用IPv4地址和全球IPv6地址。獲取全球IPv6地址不是問題,但是運營商的公用IPv4地址非常有限,因此需要提供臨時的IPv4地址的機制,如NAT。

當通過IPv4網絡來連接某個IPv6主機時需要采用隧道技術,隧道的起點可以是GGSN、邊緣路由器、或者移動終端,隧道的終點可以是主機或者IPv6網絡邊緣的路由器(如圖3中的路由器1),假如隧道在主機之前終結則由該路由器解開封裝。 

IPv4向IPv6的過渡策略(圖三)
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圖3 過渡期的網絡模型

 
圖4顯示了雙棧移動終端在某個僅支持IPv4的外訪網絡上漫游,而用戶希望連接某個IPv6主機的情況。鏈路層的移動性是指移動終端可以連接到其家鄉GGSN并獲得到IPv6網絡的接入,外訪網絡上的SGSN通過Inter—PLMN骨干網絡的GTP隧道,將移動終端連接到家鄉的GGSN上,Inter-PLMN網絡連接運營商的GPRS核心網和相關得有漫游協議的運營商網絡。
 
IPv4向IPv6的過渡策略(圖四)
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圖4 鏈路層的移動性——MT從外訪網絡通過PLMN骨干網之間的網絡連接到家鄉網絡GGSN和某個IPv6主機
 
3.2 連接的不同組合方式

移動網絡、移動終端、連接到的不同主機的IP版本都存在兩種可能性,它們之間的連接會出現不同的組合方式。一條基本規則是:假如兩個通信的IP節點的IP版本不同,網絡中的某些節點就需要協議翻譯。網絡元素和移動終端采用IPv4/IPv6雙協議棧是一個確保通信節點能用同一種IP版本通信的很好的解決方案。

在過渡期將會有三種不同的網絡業務類型:

(1)傳統的IPv4業務通過全球連接的IPv4網絡來傳輸:由于缺乏公用IPv4地址,必須采用私有IPv4地址和NAT。

(2)IPv6網絡上的IPv6業務:這種情況下原生的IPv6路由即可完成,不需要IPv4網絡上的隧道或者協議翻譯。

(3)IPv4網絡上的IPv6業務:通信的IPv6節點/網絡通過IPv4網絡采用隧道技術實現連接,有可能使用協議翻譯。

使用以上三種網絡業務的移動終端類型可以是純IPv4的終端(常見的第一代GPRS/WCDMA終端)、雙IPv4/IPv6協議棧的終端、或純IPv6的終端(正在研發階段),同樣與之通信的對等主機也可以是雙協議棧、純IPv4或者純IPv6的。

3.3 過渡方式

(1)純IPv4終端

純IPv4終端主要是第一代的GPRS終端,提供給純IPv4終端的是純IPv4業務,在很多情況下沒有足夠的公用IPv4地址來分配給這些移動終端,因此通常情況下移動終端分配到的是私有IPv4地址。假如一個擁有私有IPv4地址的移動終端要通過公用的IPv4網絡連接到某個主機上,網絡中必須有NAT。

圖5描述了三種情況:

◆移動終端連接到同一網內的某個主機上,這時僅用私有IPv4地址就足夠了;

◆移動終端連接到公共因特網上的某個主機,移動終端將從運營商的地址空間中分配到一個公用IPv4地址并通過全球的IPv4路由來實現連接,由于公用IPv4地址池中的地址有限,圖5中的b)情形很少發生。

◆移動終端有一個私有的IPv4地址,NAT分配一個臨時的公用IPv4地址給它,移動終端通過這個臨時的地址實現連接。
 
IPv4向IPv6的過渡策略(圖五)
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圖5 IPv4終端連接到不同的IPv4主機
 
(2)雙協議棧的終端

如圖6所示,雙協議棧的移動終端在IPv6模式下操作——移動終端打開IPv6類型的PDP上下文并且從GGSN接收到一個全球的IPv6地址,該終端通過IPv6網絡連接到純IPv6主機上,這時所有的選路都是在IPv6的域上,不需要任何翻譯機制,在這種情況下純IPv6終端與雙協議棧終端的工作方式是一樣的。


IPv4向IPv6的過渡策略(圖六)
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圖6 移動終端連接到一個純IPv6主機
 
如圖7所示,PDP上下文在移動終端和GGSN(AP類型是IPv6)之間打開,在這種情況下,邊際路由器被配置為對IPv6分組封裝/解除封裝,因此邊際路由器是運營商網絡上唯一需要公用IPv4地址的設備。
 
IPv4向IPv6的過渡策略(圖七)
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圖7 通過IPv4網絡或IPv6網絡連接到IPv6主機
 
來自移動節點發送到主機的IPv6數據包可以通過IPv4網絡上的隧道技術來傳輸,或者可以直接通過IPv6網絡傳輸。但在很多情況下不能通過IPv6網絡來發送,因為還沒有直接的連接。

發送到主機的數據包采用“6to4”類型的主機地址,假如數據包的所有選路都是通過IPv6網絡就不需要“6to4”隧道技術,否則在邊際路由器和路由器1之間將采用自動“6to4”隧道技術。

如圖8所示,雙協議棧的移動終端連接到純IPv4的主機(例如IPv4的公司接入網絡上的郵件服務器)上,雙協議棧的移動終端在IPv4模式下工作,由于公用IPv4地址的缺乏而被分配到一個私有的IPv4地址,需要用NAT來為移動終端提供臨時的公用IPv4地址。

 
IPv4向IPv6的過渡策略(圖八)
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圖8 雙協議棧移動終端連接到純IPv6主機上
 
(3)純IPv6終端

純IPv6移動終端的通信與雙協議棧終端的主要區別在于:移動終端與純IPv4主機之間的通信需要在網絡上有翻譯器(如NAT-PT)。

如圖9所示,純IPv6移動節點從GGSN(GGSN的AP類型是IPv6)獲得了全球的IPv6地址,由于純IPv6移動終端連接到的純IPv4主機有公用IPv4地址,因此需要NAT-PT和其它的翻譯機制來實現IPv6-IPv4協議和地址之間的翻譯,邊際路由器是雙協議棧的路由器,既有全球的IPv4地址也有IPv6地址。
 
IPv4向IPv6的過渡策略(圖九)
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圖9 純IPv6移動終端使用翻譯器連接到純IPv4主機
 
在這種情況下,雙協議棧終端能工作得更好,因為雙協議棧的終端不需要NAT-PT。

4、應用和服務

IPv6對有些應用來說至關重要,如VoIP、WAP、推送和其它需要“永遠在線”支持(如實時連接)的業務。

由于過渡策略是不依靠于應用的,也就是說兩者是分離的,因此建議所有的新業務都在IPv6平臺上實現,實際上所有的業務在可能的條件下都可以移植到IPv6平臺上。



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