IPv6在無線網(wǎng)絡(luò)中的影響

常征

(中國礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)系 221008)

　　摘要 本文討論IP協(xié)議，特別是IPv6在下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的影響。3G網(wǎng)絡(luò)能處理傳統(tǒng)的電路交換網(wǎng)絡(luò)與包交換網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換，其中有些數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并以全I(xiàn)P的方式實(shí)現(xiàn)固定網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，這樣就對(duì)IP提出新的挑戰(zhàn)。IPv6因?yàn)榫哂械刂俘嫶�，加�?qiáng)的安全性和移動(dòng)性支持，是3G的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，雖然還存在一些問題，但必然在3G網(wǎng)絡(luò)中扮演重要的角色。

　　關(guān)鍵詞 IPv6 無線網(wǎng)絡(luò) 3G 移動(dòng)性支持 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

1、 介紹

　　3G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商希望能為潛在的客戶提供大量的應(yīng)用服務(wù)，這些服務(wù)將包括傳統(tǒng)的語音服務(wù)和一些難以想像的服務(wù)。3G網(wǎng)絡(luò)能處理大量的流量需求，可能將促使移動(dòng)Internet的實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)前在Internet中使用的協(xié)議是TCP/IP，它在處理突發(fā)的、不對(duì)稱的和難以預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)是非常有效的和成功的。所以，IP將在未來的3G網(wǎng)絡(luò)中扮演重要的角色，即所謂的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，這是不爭的事實(shí)。但在3G網(wǎng)絡(luò)中使用IP還有些問題，例如IP不支持實(shí)時(shí)的服務(wù)質(zhì)量（QoS），3G網(wǎng)絡(luò)中的多媒體數(shù)據(jù)是要有實(shí)時(shí)性支持的，這些需要由別的協(xié)議來完成。另外，在數(shù)據(jù)傳輸期間IP也不支持移動(dòng)終端在蜂窩單元間移動(dòng)。

　　盡管IPv4仍是許多固定網(wǎng)絡(luò)中主要的IP版本，一些網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商卻已經(jīng)開始考慮在其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中使用IPv6，3GPP已經(jīng)將IPv6作為3G網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

2、 IP在3G網(wǎng)絡(luò)中

　　出于經(jīng)濟(jì)的原因，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商一般都會(huì)選擇IP協(xié)議，因?yàn)镮P無處不在。從工程技術(shù)的角度來說，IP結(jié)構(gòu)簡單，既可用于固定網(wǎng)絡(luò)，也可以用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，便于實(shí)施和管理。從端用戶的角度來說，他們需要的是在訪問數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)的完整性和一致性得到保證，這些IP也能完成。但在3G網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于IP有著特殊的要求：

*數(shù)據(jù)的傳輸

*電路交換和包交換網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換

3、 全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)

　　3GPP標(biāo)準(zhǔn)引入了全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，但這個(gè)全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)究竟是什么樣的。對(duì)此，人們有著不同的觀點(diǎn)。有人認(rèn)為是端到端的本地IP方案，有人認(rèn)為只涉及核心網(wǎng)絡(luò)。拋開這些細(xì)節(jié)，筆者認(rèn)為可以把網(wǎng)絡(luò)分成三部分來討論，這三部分包括：

*核心網(wǎng)絡(luò)

*無線網(wǎng)絡(luò)

*無線接口

3.1 全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的高級(jí)需求

　　3G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商由于要處理兩個(gè)基本的通信域：電路交換網(wǎng)絡(luò)和包交換網(wǎng)絡(luò)。而將兩者合二為一，會(huì)促成一個(gè)更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于一個(gè)全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，一些基本的高級(jí)需求有：

*對(duì)于語音和其他實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的端到端的QoS，至少要達(dá)到電路交換網(wǎng)絡(luò)的級(jí)別。

*呼叫控制和電話類型服務(wù)，比如呼叫轉(zhuǎn)移，呼叫人身份等。

*移動(dòng)性支持

*有效使用無線頻譜

3.2 語音和實(shí)時(shí)服務(wù)

　　語音服務(wù)是3G提供的基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。但語音服務(wù)有著特殊的質(zhì)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(yán)格的要求。在VoIP中，還會(huì)有別的因素對(duì)語音產(chǎn)生影響，比如由抖動(dòng)造成的延遲和由丟包產(chǎn)生的清晰度衰減，以及帶寬限制和數(shù)據(jù)壓縮等。在語音和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，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(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)實(shí)體都必須分配有充足的資源，目前，由于使用了像RSVP（資源預(yù)留協(xié)議）這樣的協(xié)議或像MPLS（多協(xié)議流標(biāo)記交換）這樣的流分類方案，因此需要對(duì)流進(jìn)行管理。如果運(yùn)營商可以管理所有的網(wǎng)絡(luò)，這些機(jī)制可以運(yùn)行的很好，但事實(shí)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(biāo)記域，該域可以被RSVP利用。在RSVP信息中有一個(gè)過濾器，用它可以定義傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型。例如，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序要傳輸一個(gè)文件和語音流時(shí)，用過濾器可以定義一個(gè)TCP端口用于文件傳輸，一個(gè)UDP端口用于語音傳輸。而在IPv6中，報(bào)頭可以深藏在眾多控制報(bào)頭之后，那么接收方就無須定義端口，而可以使用流標(biāo)記。

　　有一個(gè)值得注意的問題是，TCP最初是用于固定網(wǎng)絡(luò)的，用于可靠性傳輸。但對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)來說，可能不太適宜。因?yàn)樵跓o線網(wǎng)絡(luò)中，有著更高的誤碼率，這包括很多因素：信號(hào)衰減、基站的信號(hào)移交和負(fù)載。在TCP中，包丟失被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)沖突的結(jié)果，而非數(shù)據(jù)位傳輸?shù)膯栴}，那么如果不作任何修正，只使用TCP，那么在無線網(wǎng)絡(luò)中大量的報(bào)文將被認(rèn)為是丟失。所以，TCP的效率在無線網(wǎng)絡(luò)中不高。

　　除了流標(biāo)記域，IPv6還定義了一個(gè)優(yōu)先級(jí)域，這個(gè)4位的域可以控制報(bào)文的發(fā)順序。優(yōu)先權(quán)在8以上的是對(duì)時(shí)間要求很嚴(yán)格的數(shù)據(jù)，優(yōu)先權(quán)在0~7是可以經(jīng)受延遲的數(shù)據(jù)，該域有助于3G網(wǎng)絡(luò)的QoS管理。

3.3 移動(dòng)性支持

　　3G中最重要的是對(duì)移動(dòng)性的支持。移動(dòng)性既存在于核心網(wǎng)絡(luò)，也存在于無線網(wǎng)絡(luò)中。在核心網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)性是在宏觀網(wǎng)絡(luò)上處理。在這個(gè)域中，移動(dòng)主機(jī)被認(rèn)為是做緩慢的移動(dòng)，移動(dòng)IP通過在合適的節(jié)點(diǎn)上建路由表，可以是IP報(bào)文發(fā)送到不在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的IP地址是唯一的標(biāo)識(shí)其在Internet上的物理地址。因此一個(gè)通信伙伴節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，報(bào)文將被路由到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)上，而不管移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它與通信伙伴節(jié)點(diǎn)的通信是按照一般方式進(jìn)行的。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)離開家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要一個(gè)代理來為其工作，這個(gè)代理被稱為是家鄉(xiāng)代理，它與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)保持實(shí)時(shí)在線聯(lián)系。家鄉(xiāng)代理必須知道移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的物理位置。為此，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在離開家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)并獲得一個(gè)外地網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)交地址后，必須立即通知家鄉(xiāng)代理，在IPv4中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是通過外地代理來獲取轉(zhuǎn)交地址。而在IPv6中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)使用路由器發(fā)現(xiàn)協(xié)議（RDP），來判斷當(dāng)前位置。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在外地網(wǎng)絡(luò)時(shí)，利用RDP和地址自動(dòng)配置機(jī)制，來獲取轉(zhuǎn)交地址，然后移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將此轉(zhuǎn)交地址通知家鄉(xiāng)代理。如果安全性能得到保證，還可通知通信伙伴節(jié)點(diǎn)。如果通信伙伴節(jié)點(diǎn)知道了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址，可直接將數(shù)據(jù)發(fā)往移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。

　　通信伙伴節(jié)點(diǎn)如果并不知道移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址，則將報(bào)文發(fā)送到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)代理，家鄉(xiāng)代理將報(bào)文封裝后，用通道方式發(fā)送到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到新的位置時(shí)，它將發(fā)送一個(gè)綁定更新信息到家鄉(xiāng)代理。該信息中包含新的轉(zhuǎn)交地址。

　　移動(dòng)IPv6對(duì)于固定網(wǎng)絡(luò)上有效的，但在無線網(wǎng)絡(luò)中，還有一些問題。因?yàn)橐苿?dòng)節(jié)點(diǎn)在無線網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)太快。盡管移動(dòng)IPv6支持平滑數(shù)據(jù)移交，但移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在連接建立初期，會(huì)丟失報(bào)文，這種情況在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)行進(jìn)在兩個(gè)有重疊的蜂窩單元時(shí)，發(fā)生的可能性最大。另外，按照早期的移動(dòng)IPv6的要求，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在外地網(wǎng)絡(luò)中每移動(dòng)一個(gè)新的位置就要發(fā)一個(gè)綁定更新信息到家鄉(xiāng)代理或通信伙伴節(jié)點(diǎn)，而這個(gè)位置的變化可能相對(duì)來說很小，這個(gè)綁定更新的信息其實(shí)可以忽略，但按照要求卻必須發(fā)送出去，這樣很多冗余的綁定更新信息占據(jù)了帶寬、浪費(fèi)了寶貴的網(wǎng)絡(luò)資源，還會(huì)引發(fā)網(wǎng)絡(luò)沖突，減少了有效數(shù)據(jù)的傳輸。對(duì)此，IETF又提出了分級(jí)移動(dòng)IPv6（Hierarchical Mobile IPv6）和蜂窩IPv6，從微觀移動(dòng)性來解決這些問題，其核心是移動(dòng)性管理，減少冗余信息，并將家鄉(xiāng)代理的移動(dòng)性管理的能力下放一部分到代理。下面介紹一下分級(jí)移動(dòng)IPv6的機(jī)制。

　　一個(gè)新的移動(dòng)IPv6節(jié)點(diǎn)-移動(dòng)錨接點(diǎn)（MAP），它提供了一個(gè)可選的移動(dòng)管理功能。該功能可以位于該分組的任一層。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到一個(gè)MAP域并連接到一個(gè)訪問路由器（AR）時(shí)，MAP就可獲取該MAP域的本地轉(zhuǎn)交地址（RCoA），和AR上的在線轉(zhuǎn)交地址（LCoA）。然后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將一個(gè)綁定更新發(fā)送到該MAP。MAP將該綁定記錄與自己的綁定暫存中。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)也可發(fā)送綁定更新到家鄉(xiāng)代理和通信伙伴節(jié)點(diǎn)，但這些綁定更新是把移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)地址和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的本地轉(zhuǎn)交地址（RCoA）綁定在一起。

　　MAP的作用就象家鄉(xiāng)代理。從家鄉(xiāng)代理和移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送到本地轉(zhuǎn)交地址的報(bào)文由MAP接收后，經(jīng)過封裝然后發(fā)往移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的在線轉(zhuǎn)交地址。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收到報(bào)文后解包，并按照正常的方式處理報(bào)文。所以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)只需要在改變MAP域時(shí)再發(fā)送綁定更新到家鄉(xiāng)代理和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。而在同一個(gè)MAP域中的訪問路由器間變換在線轉(zhuǎn)交地址，則無須再向家鄉(xiāng)代理和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送綁定更新。這樣，主干網(wǎng)絡(luò)中冗余的綁定更新報(bào)文就可以大大減少，從而減少網(wǎng)絡(luò)沖突，提高有效信息的發(fā)送。

　　這個(gè)方案是利用了IPv6的地址量大和鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制的特點(diǎn)，并將整個(gè)結(jié)構(gòu)分為本地域和全球域，使得本地的數(shù)據(jù)信息移交對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是透明的。

另外，在蜂窩IPv6中要求：

*控制信息使用IPv6控制報(bào)頭

*認(rèn)證頭用于所有的標(biāo)記

*用IPv6的無狀態(tài)自動(dòng)配置來獲取轉(zhuǎn)交地址

*加入一個(gè)間接的半軟的信息移交機(jī)制

半軟的信息移交機(jī)制允許移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與新的或老的基站間始終保持聯(lián)系，并能接收來自基站的報(bào)文。

3.4 無線頻譜效率

　　對(duì)于完全的端到端IP方案，需要在無線接口上實(shí)現(xiàn)IP通信。WCDMA已經(jīng)能為多媒體服務(wù)提供充分的支持，即可以在一個(gè)連接上實(shí)現(xiàn)多個(gè)服務(wù)。但在IP網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用層和傳輸層是分開的，這對(duì)于在3G無線負(fù)載上傳輸IP是個(gè)問題，因?yàn)樵跓o線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用層和傳輸層是合在一起的。這就要為無線載體定義和設(shè)置一個(gè)屬性：流量分類。有兩種方法可以完成這個(gè)任務(wù)：

*顯式的，在應(yīng)用層和無線連接層間使用一個(gè)應(yīng)用程序接口

*隱式的，開發(fā)一個(gè)流分類算法，去檢查報(bào)頭，抽取流上的信息用于辨別和分類。IPv6中的流標(biāo)記可以用于此目的。

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

3.5 IPv6的其他方面

　　IPv6地址空間巨大，毫無疑問，這點(diǎn)對(duì)于3G運(yùn)營商來說是一個(gè)很大的誘惑，IPv6可以為每個(gè)用戶和終端分配一個(gè)IP地址，這點(diǎn)對(duì)于始終在線的設(shè)備來說至關(guān)重要。而且IPv6引入了增強(qiáng)了的安全性，簡化了的報(bào)頭，更好的擴(kuò)展性和泛播技術(shù)，這些對(duì)于3G網(wǎng)絡(luò)中的全I(xiàn)P的實(shí)施是很有用的。

4、 小結(jié)

　　3G網(wǎng)絡(luò)作為下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于現(xiàn)有的無線通信和IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了新的要求。IPv6作為新一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，具有比現(xiàn)有的IPv4協(xié)議更優(yōu)越的特性，比如龐大的地址空間、加強(qiáng)的安全性、移動(dòng)性支持，從而能夠在許多方面滿足3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)在IPv6的基礎(chǔ)上創(chuàng)建一片新的天地。

作者簡介：夏世雄，副教授，計(jì)算機(jī)系主任，從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)控制的研究；常征，計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)碩士研究生，從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫的研究。 email: changzheng_cz@263.net

摘自《中國移動(dòng)通信》