IPv6在無線網絡中的影響

2019-11-03 09:11:36

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供稿：網友

常征
(中國礦業大學計算機系 221008)　　摘要本文討論ip協議，特別是IPv6在下一代移動網絡中的影響。3G網絡能處理傳統的電路交換網絡與包交換網絡之間的數據交換，其中有些數據是實時數據，并以全IP的方式實現固定網絡和無線網絡的互聯，這樣就對IP提出新的挑戰。IPv6因為具有地址龐大，加強的安全性和移動性支持，是3G的一個標準，雖然還存在一些問題，但必然在3G網絡中扮演重要的角色。

　　關鍵詞 IPv6 無線網絡 3G 移動性支持實時數據

1、介紹

　　3G網絡運營商希望能為潛在的客戶提供大量的應用服務，這些服務將包括傳統的語音服務和一些難以想像的服務。3G網絡能處理大量的流量需求，可能將促使移動Internet的實現。

　　當前在Internet中使用的協議是TCP/IP，它在處理突發的、不對稱的和難以預測的數據是非常有效的和成功的。所以，IP將在未來的3G網絡中扮演重要的角色，即所謂的全IP網絡，這是不爭的事實。但在3G網絡中使用IP還有些問題，例如IP不支持實時的服務質量（QoS），3G網絡中的多媒體數據是要有實時性支持的，這些需要由別的協議來完成。另外，在數據傳輸期間IP也不支持移動終端在蜂窩單元間移動。

　　盡管IPv4仍是許多固定網絡中主要的IP版本，一些網絡運營商卻已經開始考慮在其網絡構架中使用IPv6，3GPP已經將IPv6作為3G網絡中的標準協議。

2、 IP在3G網絡中

　　出于經濟的原因，網絡運營商一般都會選擇IP協議，因為IP無處不在。從工程技術的角度來說，IP結構簡單，既可用于固定網絡，也可以用于移動網絡，便于實施和管理。從端用戶的角度來說，他們需要的是在訪問數據時，數據的完整性和一致性得到保證，這些IP也能完成。但在3G網絡中，對于IP有著特殊的要求：

*數據的傳輸

*電路交換和包交換網絡中的數據交換

3、全IP網絡

　　3GPP標準引入了全IP網絡，但這個全IP的網絡究竟是什么樣的。對此，人們有著不同的觀點。有人認為是端到端的本地IP方案，有人認為只涉及核心網絡。拋開這些細節，筆者認為可以把網絡分成三部分來討論，這三部分包括：

*核心網絡

*無線網絡

*無線接口

3.1 全IP網絡的高級需求

　　3G網絡運營商由于要處理兩個基本的通信域：電路交換網絡和包交換網絡。而將兩者合二為一，會促成一個更復雜的網絡。對于一個全IP網絡，一些基本的高級需求有：

*對于語音和其他實時數據的端到端的QoS，至少要達到電路交換網絡的級別。

*呼叫控制和電話類型服務，比如呼叫轉移，呼叫人身份等。

*移動性支持

*有效使用無線頻譜

3.2 語音和實時服務

　　語音服務是3G提供的基本的網絡服務。但語音服務有著特殊的質量要求，例如在PSTN中，語音在延遲、回響、清晰度等方面有著很嚴格的要求。在VoIP中，還會有別的因素對語音產生影響，比如由抖動造成的延遲和由丟包產生的清晰度衰減，以及帶寬限制和數據壓縮等。在語音和實時數據傳輸時，遲到的包即是丟失的包。語音的QoS依靠端到端的性能，這意味著網絡中的每個實體都必須分配有充足的資源，目前，由于使用了像RSVP（資源預留協議）這樣的協議或像MPLS（多協議流標記交換）這樣的流分類方案，因此需要對流進行管理。如果運營商可以管理所有的網絡，這些機制可以運行的很好，但事實上卻不能。

　　不過如果使用IPv6，情況可能有所改觀。在IPv6中定義了流標記域，該域可以被RSVP利用。在RSVP信息中有一個過濾器，用它可以定義傳輸的數據類型。例如，當一個應用程序要傳輸一個文件和語音流時，用過濾器可以定義一個TCP端口用于文件傳輸，一個UDP端口用于語音傳輸。而在IPv6中，報頭可以深藏在眾多控制報頭之后，那么接收方就無須定義端口，而可以使用流標記。

　　有一個值得注意的問題是，TCP最初是用于固定網絡的，用于可靠性傳輸。但對于無線網絡來說，可能不太適宜。因為在無線網絡中，有著更高的誤碼率，這包括很多因素：信號衰減、基站的信號移交和負載。在TCP中，包丟失被認為是網絡沖突的結果，而非數據位傳輸的問題，那么如果不作任何修正，只使用TCP，那么在無線網絡中大量的報文將被認為是丟失。所以，TCP的效率在無線網絡中不高。

　　除了流標記域，IPv6還定義了一個優先級域，這個4位的域可以控制報文的發順序。優先權在8以上的是對時間要求很嚴格的數據，優先權在0~7是可以經受延遲的數據，該域有助于3G網絡的QoS管理。

3.3 移動性支持

　　3G中最重要的是對移動性的支持。移動性既存在于核心網絡，也存在于無線網絡中。在核心網絡中，移動性是在宏觀網絡上處理。在這個域中，移動主機被認為是做緩慢的移動，移動IP通過在合適的節點上建路由表，可以是IP報文發送到不在家鄉網絡的移動節點上，一個節點的IP地址是唯一的標識其在Internet上的物理地址。因此一個通信伙伴節點發送報文到移動節點時，報文將被路由到移動節點的家鄉網絡上，而不管移動節點的當前位置。當移動節點在家鄉網絡時，它與通信伙伴節點的通信是按照一般方式進行的。當移動節點離開家鄉網絡時，需要一個代理來為其工作，這個代理被稱為是家鄉代理，它與移動節點保持實時在線聯系。家鄉代理必須知道移動節點的物理位置。為此，移動節點在離開家鄉網絡并獲得一個外地網絡的轉交地址后，必須立即通知家鄉代理，在IPv4中，移動節點是通過外地代理來獲取轉交地址。而在IPv6中，移動節點使用路由器發現協議（RDP），來判斷當前位置。當移動節點在外地網絡時，利用RDP和地址自動配置機制，來獲取轉交地址，然后移動節點將此轉交地址通知家鄉代理。如果安全性能得到保證，還可通知通信伙伴節點。如果通信伙伴節點知道了移動節點的轉交地址，可直接將數據發往移動節點。

　　通信伙伴節點如果并不知道移動節點的轉交地址，則將報文發送到移動節點的家鄉代理，家鄉代理將報文封裝后，用通道方式發送到移動節點的轉交地址。當移動節點轉移到新的位置時，它將發送一個綁定更新信息到家鄉代理。該信息中包含新的轉交地址。

　　移動IPv6對于固定網絡上有效的，但在無線網絡中，還有一些問題。因為移動節點在無線網絡中移動太快。盡管移動IPv6支持平滑數據移交，但移動節點在連接建立初期，會丟失報文，這種情況在移動節點行進在兩個有重疊的蜂窩單元時，發生的可能性最大。另外，按照早期的移動IPv6的要求，移動節點在外地網絡中每移動一個新的位置就要發一個綁定更新信息到家鄉代理或通信伙伴節點，而這個位置的變化可能相對來說很小，這個綁定更新的信息其實可以忽略，但按照要求卻必須發送出去，這樣很多冗余的綁定更新信息占據了帶寬、浪費了寶貴的網絡資源，還會引發網絡沖突，減少了有效數據的傳輸。對此，IETF又提出了分級移動IPv6（Hierarchical Mobile IPv6）和蜂窩IPv6，從微觀移動性來解決這些問題，其核心是移動性管理，減少冗余信息，并將家鄉代理的移動性管理的能力下放一部分到代理。下面介紹一下分級移動IPv6的機制。

　　一個新的移動IPv6節點-移動錨接點（MAP），它提供了一個可選的移動管理功能。該功能可以位于該分組的任一層。當移動節點移動到一個MAP域并連接到一個訪問路由器（AR）時，MAP就可獲取該MAP域的本地轉交地址（RCoA），和AR上的在線轉交地址（LCoA）。然后，移動節點將一個綁定更新發送到該MAP。MAP將該綁定記錄與自己的綁定暫存中。移動節點也可發送綁定更新到家鄉代理和通信伙伴節點，但這些綁定更新是把移動節點的家鄉地址和移動節點的本地轉交地址（RCoA）綁定在一起。

　　MAP的作用就象家鄉代理。從家鄉代理和移動通信節點發送到本地轉交地址的報文由MAP接收后，經過封裝然后發往移動節點的在線轉交地址。當移動節點收到報文后解包，并按照正常的方式處理報文。所以移動節點只需要在改變MAP域時再發送綁定更新到家鄉代理和移動節點。而在同一個MAP域中的訪問路由器間變換在線轉交地址，則無須再向家鄉代理和移動節點發送綁定更新。這樣，主干網絡中冗余的綁定更新報文就可以大大減少，從而減少網絡沖突，提高有效信息的發送。

　　這個方案是利用了IPv6的地址量大和鄰居發現機制的特點，并將整個結構分為本地域和全球域，使得本地的數據信息移交對于移動節點是透明的。

另外，在蜂窩IPv6中要求：

*控制信息使用IPv6控制報頭

*認證頭用于所有的標記

*用IPv6的無狀態自動配置來獲取轉交地址

*加入一個間接的半軟的信息移交機制

半軟的信息移交機制允許移動節點與新的或老的基站間始終保持聯系，并能接收來自基站的報文。

3.4 無線頻譜效率

　　對于完全的端到端IP方案，需要在無線接口上實現IP通信。WCDMA已經能為多媒體服務提供充分的支持，即可以在一個連接上實現多個服務。但在IP網絡中，應用層和傳輸層是分開的，這對于在3G無線負載上傳輸IP是個問題，因為在無線蜂窩網絡中，應用層和傳輸層是合在一起的。這就要為無線載體定義和設置一個屬性：流量分類。有兩種方法可以完成這個任務：

*顯式的，在應用層和無線連接層間使用一個應用程序接口

*隱式的，開發一個流分類算法，去檢查報頭，抽取流上的信息用于辨別和分類。IPv6中的流標記可以用于此目的。

　　在無線接口上傳輸IP的一個最大的困難是報頭長度。IPv6的報頭有40個8位組，在VoIP中，對于IPv6/UDP/RTP的報文序列，報頭甚至達到60個8位組，而真正的語音數據卻不過15~30個8位組。解決這個問題的辦法之一是壓縮報頭，由于在同一個流中，各報文的報頭有很多冗余信息，是可以壓縮的。比如基于報頭的健壯性校驗和法（ROHC）。

3.5 IPv6的其他方面

　　IPv6地址空間巨大，毫無疑問，這點對于3G運營商來說是一個很大的誘惑，IPv6可以為每個用戶和終端分配一個IP地址，這點對于始終在線的設備來說至關重要。而且IPv6引入了增強了的安全性，簡化了的報頭，更好的擴展性和泛播技術，這些對于3G網絡中的全IP的實施是很有用的。

4、小結

　　3G網絡作為下一代移動通信網絡，對于現有的無線通信和IP網絡協議提出了新的要求。IPv6作為新一代互聯網協議，具有比現有的IPv4協議更優越的特性，比如龐大的地址空間、加強的安全性、移動性支持，從而能夠在許多方面滿足3G網絡實現全IP網絡的要求。盡管還有許多工作要做，但我們還是有信心，期待著3G網絡在IPv6的基礎上創建一片新的天地。

作者簡介：夏世雄，副教授，計算機系主任，從事計算機網絡與計算機控制的研究；常征，計算機應用專業碩士研究生，從事計算機網絡與數據庫的研究。 email: changzheng_cz@263.net

摘自《中國移動通信》

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