IPv6終端技術(shù)研究?中國(guó)移動(dòng)通信研究院 于 川 鄭 巍 陳健捷 陳 剛?摘??要：隨著可供分配的IPv4地址越來(lái)越少，IPv6距離我們的腳步越來(lái)越近了；終端作為IPv6商用化進(jìn)程中重要

IPv6終端技術(shù)研究?

中國(guó)移動(dòng)通信研究院 于 川 鄭 巍 陳健捷 陳 剛

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摘??要：隨著可供分配的IPv4地址越來(lái)越少，IPv6距離我們的腳步越來(lái)越近了；終端作為IPv6商用化進(jìn)程中重要的環(huán)節(jié)之一，需要我們重點(diǎn)關(guān)注。本文在介紹I Pv6終端現(xiàn)狀的同時(shí)，分析了終端從IPv4到IPv6過(guò)渡所面臨的主要場(chǎng)景，并提出了應(yīng)對(duì)各種場(chǎng)景可能的解決方案；最后，本文對(duì)IPv6終端領(lǐng)域的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

關(guān)鍵字：終端??IPv6??按需PDP 激活??PDCP ?頭壓縮

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一、 IPv6終端技術(shù)現(xiàn)狀

1998年8月10日，IETF IESG 宣布了一組互聯(lián)網(wǎng)草案成為標(biāo)準(zhǔn)，即從RFC2460到2463，這一天也就被認(rèn)為是IPv6的誕生日。十幾年已經(jīng)過(guò)去，IPv6服務(wù)仍沒(méi)有在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行廣泛部署，全世界除了幾個(gè)教育研究機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)能夠提供IPv6終端的接入外，IPv6服務(wù)寥寥無(wú)幾。然而隨著互聯(lián)網(wǎng)（包括移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)）在中國(guó)的迅猛發(fā)展，IPv4地址即將耗盡，IPv6技術(shù)已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，尤其是中國(guó)IP 地址緊缺問(wèn)題十分嚴(yán)峻，一方面寬帶業(yè)務(wù)急劇擴(kuò)展，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等業(yè)務(wù)都對(duì)IP 地址存在著海量需求；另一方面，中國(guó)目前IPv4公網(wǎng)地址極度緊缺，推廣IPv6技術(shù)已經(jīng)勢(shì)在必行。

但目前IPv6還非常不成熟，設(shè)備支持程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尤其是手機(jī)終端，到目前為止還沒(méi)有一款TD 手機(jī)能夠支持IPv6，能夠支持IPv6的GSM 手機(jī)數(shù)量也十分有限；手機(jī)終端對(duì)IPv6的支持情況，已經(jīng)成為了制約中國(guó)IPv6發(fā)展及運(yùn)營(yíng)商IPv6推廣建設(shè)的主要瓶頸。

二、 IPv6終端過(guò)渡方案

IPv4向IPv6過(guò)渡是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中如何做到終端側(cè)的平滑切換直接影響到用戶體驗(yàn)，而用戶體驗(yàn)直接關(guān)系到IPv6產(chǎn)品的商業(yè)化進(jìn)程，然而終端在其產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)中面臨著很多的挑戰(zhàn)。終端不像其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以在產(chǎn)品發(fā)布之后方便地進(jìn)行升級(jí)，終端到了用戶手中之后就失去了對(duì)其的控制，所以終端的IPv6設(shè)計(jì)一定要考慮得十分周全，有設(shè)計(jì)瑕疵的終端流入市場(chǎng)之后，網(wǎng)絡(luò)要一直保持對(duì)這類終端的適配，這樣會(huì)為IPv4向IPv6過(guò)渡留下不可預(yù)測(cè)的隱患。

實(shí)現(xiàn)終端IPv4/IPv6的平滑切換顯得十分重要，終端在未來(lái)的IPv6世界，也就IPv4/IPv6長(zhǎng)期并存的世界里面臨著以下幾種不確定性： z 終端獲取的IP 地址是IPv4還是IPv6？

z 業(yè)務(wù)服務(wù)器的地址是IPv4還是IPv6?

z 用戶選擇的業(yè)務(wù)是IPv4還是IPv6?

目前終端訪問(wèn)業(yè)務(wù)是通過(guò)APN 撥號(hào)的方式進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)在為終端分配IP 地址的時(shí)候很難知道業(yè)務(wù)服務(wù)器的信息，因而存在以下使用場(chǎng)景：

z 用戶分配到的地址是IPv4地址，但要訪問(wèn)的業(yè)務(wù)是IPv6；

z 用戶分配到的地址是IPv6地址，但要訪問(wèn)的業(yè)務(wù)是IPv4；

z 用戶只分配到了一種地址，但要同時(shí)訪問(wèn)IPv4、IPv6兩類業(yè)務(wù)。 要適用于以上使用場(chǎng)景，有以下幾種解決方案：

z 終端同時(shí)申請(qǐng)IPv4、IPv6兩類地址，終端根據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)器地址的不同

進(jìn)行地址的選擇和路由；

z 設(shè)置IPv6業(yè)務(wù)專用APN，通過(guò)APN 設(shè)置來(lái)消除業(yè)務(wù)服務(wù)器地址的不確定； z 終端根據(jù)業(yè)務(wù)的需要，動(dòng)態(tài)地申請(qǐng)IP 地址；

z 終端只申請(qǐng)一類地址，通過(guò)翻譯/隧道方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換如PNAT。

IPv6終端過(guò)渡方案一定要考慮到以上使用場(chǎng)景并根據(jù)運(yùn)營(yíng)商不同的網(wǎng)絡(luò)部署策略采取不同的方案。

三、 IPv6終端關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)終端從IPv4到IPv6的平滑過(guò)渡，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)部署策略，終端側(cè)有很多關(guān)鍵技術(shù)可以選擇。

3.1 IPv6終端的AP 和CP 接口設(shè)計(jì)

雙核終端架構(gòu)將成為IPv6終端的一種主流架構(gòu)，在該架構(gòu)之下的AP 和CP 接口設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)IPv6的關(guān)鍵，圖1為激活I(lǐng)Pv6類型的PDP 并動(dòng)態(tài)獲取IPv6地址而涉及的流程和主要的AP 與CP 之間的命令交互的一個(gè)工程實(shí)現(xiàn)樣例。 ?

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圖1 AP和CP 接口

注：AT Adapter為一個(gè)CP 側(cè)標(biāo)準(zhǔn)Modem 接口與AP 側(cè)操作系統(tǒng)接口之間的適配層。AT Adapter運(yùn)行在AP 上，但為流程敘述方便，下文中如無(wú)特殊說(shuō)明，都將AT Adapter在邏輯上視為CP 功能的一部分，而AP 則指AP 側(cè)的操作系統(tǒng)。

各步驟描述如下：

1.AP 給CP 發(fā)送AT 消息1設(shè)置要激活的PDP 類型（IPv6、IPv4）；

2.CP 給AP 返回一個(gè)響應(yīng)，確認(rèn)是否設(shè)置成功，CP是否準(zhǔn)備好；

3.AP 給CP 發(fā)送AT 消息2，要求CP 開始執(zhí)行PDP 激活；

4.CP 向SGSN 發(fā)出“Activate PDP Context Request”；

5.在接受創(chuàng)建PDP 上下文請(qǐng)求時(shí)，GGSN 創(chuàng)建由PDP 上下文分配的前綴和GGSN 生成的接口標(biāo)識(shí)組成的IPv6地址。此地址隨后在“Create PDP Context Response”的PDP 地址信息元素被返回；

6.SGSN 將“Activate PDP Context Accept”消息返回給CP；

7.AP 側(cè)的AT Adapter調(diào)用位于AP 側(cè)的pppd 與CP 側(cè)Modem 完成PPP 協(xié)商流程，隨后向AP 側(cè)操作系統(tǒng)返回一個(gè)響應(yīng)，確認(rèn)PDP 激活是否成功；

8.AP 在空閑命令通道上向CP 發(fā)送AT 消息3，來(lái)讀取CP 從網(wǎng)絡(luò)獲得的IPv6

地址；

9.CP 給AP 返回一個(gè)響應(yīng)，包含從GGSN 申請(qǐng)到的IPv6地址。AP收到GGSN 產(chǎn)生的IPv6地址，從中提取出接口標(biāo)識(shí)并存儲(chǔ)。AP要用此接口標(biāo)識(shí)來(lái)建立其鏈路。AP忽略在激活PDP 上下文接受中收到的IPv6地址中包含的前綴；

10.AP 給GGSN 發(fā)送“Router Solicitation message”來(lái)激活路由器廣播消息的發(fā)送；

11.GGSN 向AP 發(fā)送“Router Advertisement message”，其中包含步驟5相同的前綴。在AP 收到路由器廣播消息后，AP通過(guò)步驟9收到的接口標(biāo)識(shí)或本地生成的接口標(biāo)識(shí)與路由器廣播收到的前綴，構(gòu)造出完整IPv6地址。

3.2 按需PDP 激活

按需PDP 激活是針對(duì)3GPP R8以前的終端，雙棧終端通過(guò)設(shè)置雙棧APN，終端通過(guò)該APN 激活PS 域業(yè)務(wù)時(shí)，終端根據(jù)業(yè)務(wù)所訪問(wèn)的目的服務(wù)器決定做哪種類型的PDP 激活。

如果業(yè)務(wù)已指明訪問(wèn)的是IPv4、IPv6地址，則終端應(yīng)對(duì)應(yīng)的進(jìn)行IPv4類型的PDP 激活、IPv6類型的PDP 激活。如果業(yè)務(wù)訪問(wèn)的是域名，則先進(jìn)行IPv6類型的PDP 激活。

IPv6 PDP 成功激活獲得IPv6地址后，對(duì)要訪問(wèn)的域名做DNS 解析。如果解析結(jié)果業(yè)務(wù)具有IPv6地址，那么就可以正常訪問(wèn)；如果解析結(jié)果沒(méi)有IPv6地址，則終端發(fā)起IPv4類型的PDP 激活消息，并獲得IPv4地址，然后重新進(jìn)行服務(wù)器端地址解析，或者從之前的地址解析結(jié)果中尋找IPv4地址，如果解析成功或者從之前的地址解析結(jié)果中找到IPv4地址，那么就可以進(jìn)行業(yè)務(wù)訪問(wèn)，否則業(yè)務(wù)訪問(wèn)失敗，見圖2。

圖2 按需PDP 激活流程圖

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3.3 PNAT

PNAT（Prefix based NAT）是基于主機(jī)的IPv6過(guò)渡技術(shù)，目的是達(dá)到部署IPv6的同時(shí)，保證傳統(tǒng)IPv4應(yīng)用程序在IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)能夠正常通信，做到對(duì)應(yīng)用程序透明無(wú)感知。這不僅大大降低了網(wǎng)絡(luò)IPv6升級(jí)而帶來(lái)的對(duì)業(yè)務(wù)的影響和沖擊，而且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段促進(jìn)了IPv6端到端業(yè)務(wù)提供產(chǎn)業(yè)鏈的形成，可以大大加速IPv6過(guò)渡進(jìn)程。

PNAT 技術(shù)是在充分考慮IPv6過(guò)渡階段大量IPv4業(yè)務(wù)升級(jí)改造難、IPv6產(chǎn)業(yè)推動(dòng)阻力大等問(wèn)題，結(jié)合了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)大力發(fā)展的趨勢(shì)和移動(dòng)用戶永遠(yuǎn)在線的需求，實(shí)現(xiàn)不影響應(yīng)用的前提下，通過(guò)創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)側(cè)機(jī)制來(lái)滿足IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)之間自由通信的能力。其核心設(shè)計(jì)理念主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，PNAT目標(biāo)是要部署真正的IPv6網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)為每一個(gè)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端配置一個(gè)獨(dú)有的IPv6地址標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中端對(duì)端地址可達(dá)，從而促進(jìn)了新業(yè)務(wù)的發(fā)明和推廣；其次，通過(guò)PNAT 部署來(lái)加速業(yè)務(wù)流量從IPv4向IPv6遷移，增強(qiáng)業(yè)務(wù)對(duì)IPv6網(wǎng)絡(luò)的附著性和依賴性，從技術(shù)上加快網(wǎng)絡(luò)向IPv6的邁進(jìn)步伐；最后，PNAT的設(shè)計(jì)也充分借鑒了2G 網(wǎng)絡(luò)到3G 網(wǎng)絡(luò)的成功經(jīng)驗(yàn)，考慮IPv4/IPv6共存的多種可能性，實(shí)現(xiàn)對(duì)IPv4業(yè)務(wù)的兼容。

PNAT 可適用于多種IPv6應(yīng)用場(chǎng)景，主要支持的IPv6過(guò)渡場(chǎng)景如圖3所示。其中，包括PNAT 主機(jī)和PNAT64網(wǎng)關(guān)。PNAT主機(jī)將支持主機(jī)翻譯功能，從而能使位于雙棧主機(jī)上的IPv4程序能夠通過(guò)IPv6或IPv4網(wǎng)絡(luò)來(lái)與IPv4或IPv6通信對(duì)端進(jìn)行通信。其主機(jī)翻譯功能可包括兩種模式：Socket API翻譯和包頭翻譯。PNAT64網(wǎng)關(guān)連接IPv6和IPv4網(wǎng)絡(luò)，在PNAT464場(chǎng)景下，用于IPv6和IPv4報(bào)文的翻譯。對(duì)于目的地址，PNAT網(wǎng)關(guān)直接去掉其WKP 前綴而獲得對(duì)應(yīng)的IPv4地址；對(duì)于源地址，PNAT網(wǎng)關(guān)去掉LIR 前綴而得到對(duì)應(yīng)的IPv4地址。

PNAT場(chǎng)景一：4-6-4PNAT場(chǎng)景二：4-6

圖3 PNAT應(yīng)用場(chǎng)景

PNAT 作為一個(gè)開放的新型IPv6過(guò)渡技術(shù)，已經(jīng)在IETF、3GPP 等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織中做了積極推進(jìn)。在IETF，PNAT 主要在Behave 工作組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化推動(dòng)，目前基于主機(jī)翻譯的需求及方案取得了廣泛共識(shí)。在3GPP SA2，成立了研究移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)IPv6 演進(jìn)的Study Item，PNAT作為一種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)解決方案也受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

與PNAT 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程并行，PNAT 還進(jìn)行了原型系統(tǒng)開發(fā)，來(lái)推動(dòng)PNAT 的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前，PNAT已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在CNGI（China Next Generation Internet）超高清流媒體業(yè)務(wù)演示中進(jìn)行部署和試驗(yàn)。并在該演示中，用于接收超高清流媒體業(yè)務(wù)的機(jī)頂盒軟件只支持IPv4，增加了PNAT 模塊后，機(jī)頂盒可以通過(guò)CNGI 的IPv6骨干網(wǎng)絡(luò)和位于CNGI 網(wǎng)絡(luò)邊緣的PNAT64網(wǎng)關(guān)與位于IPv4網(wǎng)絡(luò)中的超高流媒體服務(wù)器進(jìn)行通信。超高清流媒體的碼流速率高達(dá)每用戶50Mbps，在PNAT 模塊加載后，機(jī)頂盒的性能沒(méi)有受到任何影響，各項(xiàng)業(yè)務(wù)功能正常，取得了良好的演示和試驗(yàn)效果。

3.4 PDCP 頭壓縮技術(shù)

由于IPv6數(shù)據(jù)包的包頭相對(duì)于IPv4來(lái)講要大得多，因此對(duì)于IPv6來(lái)講減少包頭開銷就顯得十分重要了。PDCP頭壓縮技術(shù)對(duì)于IPv6網(wǎng)絡(luò)，尤其是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中小數(shù)據(jù)量包很多的時(shí)候是非常重要的。

PDCP 頭壓縮技術(shù)，能夠有效減少包頭開銷，特定環(huán)境下可以提高帶寬、時(shí)延及信道收益。但是，它也有著它的不足。他需要對(duì)每個(gè)IP 包頭進(jìn)行處理，延長(zhǎng)了數(shù)據(jù)交付時(shí)間、增加了相關(guān)單元的負(fù)荷；高度依賴于底層鏈路的傳輸質(zhì)量；并且一定程度上限制了包發(fā)送和接收的順序；對(duì)于大數(shù)據(jù)量的包，頭壓縮所帶來(lái)的收益不明顯；對(duì)于傳輸速率高的鏈路，頭壓縮的必要性不明顯；對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用，頭壓縮的必要性不明顯。

那么，為什么PDCP 頭壓縮技術(shù)能有如此優(yōu)秀的頭壓縮能力呢？因?yàn)椋瑢?duì)于同一數(shù)據(jù)包流(packet stream)來(lái)講，其中的各IP 包具有相同/相近的域，另外部分信息域呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，只有同一數(shù)據(jù)包流IP 包的少數(shù)信息域隨機(jī)變化。所以，PDCP頭壓縮協(xié)議，通過(guò)發(fā)送完整的包頭信息或某些關(guān)鍵信息域可以建立壓縮端/解壓端間的上下文(context）；上下文建立成功后，省略掉IP 包中恒定不變及可以重新推算的信息域；并在確定其變化規(guī)律后，省略IP 包中有規(guī)律變化的信息；只原樣照傳隨機(jī)變化的信息。

PDCP 針對(duì)不同類型的包文將采用不同的協(xié)議和流程。對(duì)于TCP/IP、non TCP/IP報(bào)文采用RFC2507協(xié)議（包壓縮流程參見圖4、圖5）；對(duì)于RTP/UDP、non RTP/UDP報(bào)文采用RFC3095協(xié)議（包壓縮流程參見圖6）。

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圖4??RFC2507?TCP/IP包壓縮流程

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圖5??RFC2507?non ‐TCP/IP包壓縮流程

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圖6??RFC3095壓縮流程?

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四、 總結(jié)

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在IPv4和IPv6 長(zhǎng)期共存的漫長(zhǎng)歲月里，終端對(duì)IPv6 的支持以及良好的用戶體驗(yàn)是推廣IPv6的關(guān)鍵點(diǎn)之一。不同的網(wǎng)絡(luò)部署方案會(huì)直接影響終端的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性要求終端具有更大的兼容性，良好的用戶體驗(yàn)又要做到用戶對(duì)IP 地址類型的無(wú)感知，所有這些都給終端的IPv6設(shè)計(jì)帶來(lái)了很多的難點(diǎn)和更大的挑戰(zhàn)。我們只有不斷地用創(chuàng)新的思路解決這些實(shí)際的問(wèn)題，并時(shí)刻從用戶（注：此處的用戶是指對(duì)技術(shù)一無(wú)所知的用戶）的角度思考問(wèn)題，才能推動(dòng)IPv6終端技術(shù)不斷走向成熟。

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作者簡(jiǎn)介?

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于川，高級(jí)工程師，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，獲工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)任中國(guó)

移動(dòng)通信研究院終端技術(shù)研究所副所長(zhǎng)。先后從事國(guó)際漫游、業(yè)務(wù)支撐

系統(tǒng)、IT 支撐系統(tǒng)規(guī)劃及整合以及移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、移動(dòng)終端的技術(shù)研究

和業(yè)務(wù)開發(fā)。曾負(fù)責(zé)參與多項(xiàng)中國(guó)移動(dòng)增值業(yè)務(wù)產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目，并多次

獲得中國(guó)移動(dòng)科技進(jìn)步獎(jiǎng)項(xiàng)。在各類期刊發(fā)表論文10余篇。?

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鄭巍，2002年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，獲信號(hào)與信息系統(tǒng)碩士學(xué)位?，F(xiàn)任中

國(guó)移動(dòng)研究院終端技術(shù)研究所項(xiàng)目經(jīng)理。先后在華為從事過(guò)移動(dòng)終端研

發(fā)，在高通從事過(guò)蜂窩系統(tǒng)空口信令分析及測(cè)試工作。于2007年加入中

國(guó)移動(dòng)研究院，目前主要研究領(lǐng)域?yàn)門D 、WLAN 、IPv6等。?

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陳健捷，碩士學(xué)歷，2009年加入中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院終端所。

目前專注于手機(jī)終端、IPv6等領(lǐng)域科研工作，對(duì)于手機(jī)通信芯片、硬件

結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)等方面都有深入的研究。?

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陳剛，2008年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，獲電路與系統(tǒng)博士學(xué)位，后加入中

國(guó)移動(dòng)研究院?，F(xiàn)任中國(guó)移動(dòng)研究院網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所項(xiàng)目經(jīng)理。主要從

事IP 路由、IPv6過(guò)渡技術(shù)、IP 移動(dòng)性管理、IP 網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)設(shè)計(jì)等方向

的研究工作，在國(guó)家一級(jí)期刊和國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表12篇學(xué)術(shù)論文。

同時(shí)，也積極參加IETF 、3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化工作，目前擔(dān)任3GPP ?SA5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)

范報(bào)告人。?

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