移動(dòng)IPv6及其在3G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

徐貴寶　肖延敏　王 燕

　　摘要：快速增長(zhǎng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求推動(dòng)著IPv6（尤其是移動(dòng)IPv6）和３Ｇ不斷向前發(fā)展。對(duì)移動(dòng)IPv6的通信原理以及３Ｇ數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)與協(xié)議棧進(jìn)行了描述，并在此基礎(chǔ)上對(duì)移動(dòng)IPv6在３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探討。

　　關(guān)鍵詞：IPv6，３Ｇ，移動(dòng)數(shù)據(jù)

一、移動(dòng)數(shù)據(jù)需求強(qiáng)烈

　　據(jù)ＣＮＮＩＣ統(tǒng)計(jì)，截至２００４年６月３０日，我國(guó)的上網(wǎng)用戶總數(shù)為８ ７００萬(wàn)，與２００３年底的調(diào)查結(jié)果相比增加了７５０萬(wàn)戶，增長(zhǎng)率為９．４％，與２００３年同期相比增長(zhǎng)了２７．９％，與１９９７年１０月的第一次調(diào)查結(jié)果（６２萬(wàn)戶）相比，現(xiàn)在的上網(wǎng)用戶數(shù)已是當(dāng)初的１４０．３倍�？梢钥闯�，在今天這樣一個(gè)信息社會(huì)，人們的數(shù)據(jù)需求越來(lái)越強(qiáng)烈。人們不但對(duì)數(shù)據(jù)通信的需求量越來(lái)越大，同時(shí)也對(duì)數(shù)據(jù)通信的便利性提出了新的需求，要求可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)獲得任何所需的數(shù)據(jù)，這樣就自然而然地提出了數(shù)據(jù)終端的移動(dòng)性要求。為了使數(shù)據(jù)終端能夠在移動(dòng)的過(guò)程中進(jìn)行通信，移動(dòng)ＩＰ技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。從ＣＮＮＩＣ近十次的調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)看，在使用計(jì)算機(jī)上網(wǎng)的同時(shí)使用移動(dòng)終端、信息家電等設(shè)備上網(wǎng)的用戶在逐漸增多，已從２０００年１月調(diào)查的２０萬(wàn)戶增加到現(xiàn)在的２６０萬(wàn)戶；與半年前相比增加了４６萬(wàn)戶，增長(zhǎng)率為２１．５％；與２００３年同期相比增加了８０萬(wàn)人，增長(zhǎng)率為４４．４％。由此可以看出，移動(dòng)數(shù)據(jù)用戶的增長(zhǎng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通數(shù)據(jù)用戶的增長(zhǎng)速度。

　　隨著數(shù)據(jù)應(yīng)用的發(fā)展速度越來(lái)越快，ＩＰｖ４協(xié)議逐漸暴露出了諸多弊端，具體表現(xiàn)為地址數(shù)量太少、路由表迅速膨脹、配置過(guò)于復(fù)雜、缺乏安全性保障、ＱｏＳ和性能保障不足、對(duì)移動(dòng)性支持不夠等。因此，ＩＰｖ４基本已經(jīng)不能再滿足人們對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求。IPv6的出現(xiàn)給數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來(lái)了福音，同時(shí)也為ＩＰｖ４所暴露出來(lái)的各種弊端提供了良好的解決方案，尤其是其地址數(shù)量幾乎無(wú)限，使得移動(dòng)終端海量的地址需求得以滿足，并且其移動(dòng)性也比ＩＰｖ４增強(qiáng)了許多。

　　人們對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)的需求如此強(qiáng)烈，目前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是否能夠承受如此之大的數(shù)據(jù)通信任務(wù)？沒(méi)問(wèn)題，第三代移動(dòng)通信（３Ｇ）技術(shù)已經(jīng)誕生。與現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，３Ｇ網(wǎng)絡(luò)在核心網(wǎng)上全面采用ＩＰ包交換及控制技術(shù)，具有頻譜利用率更高、通信容量更大、通信質(zhì)量更好、數(shù)據(jù)傳輸速率更高和全球漫游等特點(diǎn)，能夠提供許多全新的服務(wù)，包括網(wǎng)上購(gòu)物、位置查詢、銀行業(yè)務(wù)、電子新聞等互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，視像消息、電視新聞、電視會(huì)議、可視電話等無(wú)線視像服務(wù)，以及同時(shí)傳輸多媒體服務(wù)等。國(guó)際上現(xiàn)有三種３Ｇ標(biāo)準(zhǔn)：ＷＣＤＭＡ、ｃｄｍａ２０００和ＴＤ－ＳＣＤＭＡ，其中采用ＴＤＤ技術(shù)的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ由于具有頻譜利用率高、頻譜靈活性高、接收靈敏度高、特別適合非對(duì)稱移動(dòng)應(yīng)用等特點(diǎn)，尤其適合在我國(guó)這種城市用戶數(shù)量、用戶密度和用戶數(shù)據(jù)通信量超大的環(huán)境中使用。

二、移動(dòng)IPv6的通信原理

　　移動(dòng)IPv6節(jié)點(diǎn)通過(guò)因特網(wǎng)控制消息協(xié)議（ＩＣＭＰ）路由器搜索消息（該消息在ＩＣＭＰｖ６中進(jìn)行了規(guī)定）來(lái)確定自己的位置。IPv6的路由器搜索包括兩條報(bào)文：路由器請(qǐng)求和路由器廣播。路由器廣播由家鄉(xiāng)代理和路由器在他們所連接的鏈路上周期性地進(jìn)行廣播，路由器請(qǐng)求則是由那些沒(méi)有足夠耐心等待下一個(gè)送到的路由器廣播報(bào)文的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的。路由器搜索報(bào)文不需要認(rèn)證。

　　在ＩＣＭＰｖ６路由器廣播報(bào)文中，如果路由器的生存時(shí)間域非零，那么發(fā)送這個(gè)廣播的路由器就可被移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)作缺省路由。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)檢查接收到的廣播中的網(wǎng)絡(luò)前綴，如果其中的一個(gè)前綴與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)地址相匹配，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就連接到它的家鄉(xiāng)鏈路，此時(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)直接向家鄉(xiāng)代理進(jìn)行注冊(cè)。如果沒(méi)有與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)地址相匹配的前綴，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就連接到一個(gè)外地鏈路，此時(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向該路由器所在鏈路上的一個(gè)服務(wù)器申請(qǐng)一個(gè)地址作為自己的轉(zhuǎn)交地址，將這個(gè)地址通知給自己的家鄉(xiāng)代理并進(jìn)行注冊(cè)。

　　當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)采用移動(dòng)IPv6進(jìn)行通信時(shí)，如果它連接在家鄉(xiāng)鏈路上，便與固定主機(jī)和路由器一樣工作。如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接在外地鏈路上，其通信過(guò)程如下：

　　·移動(dòng)節(jié)點(diǎn)采用路由器搜索的方法，通過(guò)無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置、有狀態(tài)自動(dòng)配置或手工方式得到外地鏈路上的轉(zhuǎn)交地址。

　　· 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將其轉(zhuǎn)交地址通知給家鄉(xiāng)代理和幾個(gè)通信伙伴（如果可以保證操作安全的話）。

　　·不知道移動(dòng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)交地址的通信伙伴送出的數(shù)據(jù)包先被路由到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的本地網(wǎng)絡(luò)，從家鄉(xiāng)代理那里再將這些數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)隧道送到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址；知道移動(dòng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)交地址的通信伙伴送出的數(shù)據(jù)包可以利用IPv6選路報(bào)頭直接送到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，選路報(bào)頭將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址作為一個(gè)中間目的地址。

　　·移動(dòng)節(jié)點(diǎn)送出的數(shù)據(jù)包采用特殊的機(jī)制被直接路由到目的地。然而，當(dāng)存在入口方向的過(guò)濾時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以將數(shù)據(jù)包通過(guò)隧道送給家鄉(xiāng)代理，隧道的源地址為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址。

　　經(jīng)過(guò)以上過(guò)程，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就在轉(zhuǎn)交地址和家鄉(xiāng)代理的幫助下，將數(shù)據(jù)發(fā)送到了目的地，完成數(shù)據(jù)發(fā)送的全部過(guò)程。

　　與移動(dòng)ＩＰｖ４相比，移動(dòng)IPv6做了許多改變。其中，最大的改變是消除了“三角路由”問(wèn)題，集成了路由優(yōu)化，允許任何通信節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間直接路由數(shù)據(jù)包。另外，原來(lái)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)地址被全球可路由的家鄉(xiāng)地址和鏈路本地地址所代替；外地代理也被外地鏈路上的一個(gè)純IPv6路由器所取代，并且所有地址都通過(guò)自動(dòng)或手工方式配置了轉(zhuǎn)交地址；向家鄉(xiāng)代理的經(jīng)過(guò)認(rèn)證的注冊(cè)被向家鄉(xiāng)代理和其他通信伙伴的帶認(rèn)證的通知所取代；數(shù)據(jù)傳送方式也在原來(lái)的隧道方式基礎(chǔ)上增加了源路由的方式。這些變化都極大地提高了移動(dòng)IPv6的性能和效率。

三、3G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)與協(xié)議棧

　　圖１是一個(gè)簡(jiǎn)化的ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它描述了３ＧＰＰ給出的典型的包交換３Ｇ網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　�。牵校遥泳W(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)元包括用戶設(shè)備（ＵＥ）、ＵＭＴＳ陸地?zé)o線接入網(wǎng)（ＵＴＲＡＮ）、ＧＰＲＳ服務(wù)支撐節(jié)點(diǎn)（ＳＧＳＮ）、ＧＰＲＳ網(wǎng)關(guān)支撐節(jié)點(diǎn)（ＧＧＳＮ）。ＵＴＲＡＮ由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（ＲＮＣ）和ＵＴＲＡＮ基站組成。

　　ＧＧＳＮ是一個(gè)專門的路由器，在ＧＰＲＳ 網(wǎng)絡(luò)與外界網(wǎng)絡(luò)（也就是因特網(wǎng)）之間扮演網(wǎng)關(guān)的角色。在許多情況下，ＧＧＳＮ 都與網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器（ＮＡＳ）類似。ＳＧＳＮ的主要功能包括認(rèn)證、鑒權(quán)、移動(dòng)性管理以及計(jì)費(fèi)信息的收集等。ＳＧＳＮ與七號(hào)信令系統(tǒng)相連，并通過(guò)它與家鄉(xiāng)位置注冊(cè)器（ＨＬＲ）相連，因此可以執(zhí)行用戶信息的處理、認(rèn)證和鑒權(quán)等工作。移動(dòng)終端與ＧＧＳＮ之間建立了基于ＩＰｖ４或IPv6的分組數(shù)據(jù)協(xié)議（ＰＤＰ）上下文請(qǐng)求（ｃｏｎｔｅｘｔ），而從移動(dòng)終端發(fā)出的ＩＰ數(shù)據(jù)包由ＧＧＳＮ路由，經(jīng)由ＧＧＳＮ上的一個(gè)接入點(diǎn)（該接入點(diǎn)的名稱（ＡＰＮ）是由用戶在ＧＧＳＮ上的接入點(diǎn)列表中指定的）訪問(wèn)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。圖２為ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)各個(gè)環(huán)節(jié)之間通信所需的協(xié)議棧。

圖2 GPRS協(xié)議棧

　�。牵裕校撸帐沁\(yùn)行在用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議／因特網(wǎng)協(xié)議（ＵＤＰ／ＩＰ）之上的一個(gè)簡(jiǎn)單隧道協(xié)議，用來(lái)在同一個(gè)ＵＭＴＳ骨干網(wǎng)之內(nèi)或不同的ＵＭＴＳ骨干網(wǎng)之間為ＲＮＣ、ＳＧＳＮ 和ＧＧＳＮ之間的包提供路由。ＧＴＰ＿Ｕ隧道在隧道兩端以隧道端點(diǎn)標(biāo)識(shí)符（ＴＥＩＤ）來(lái)標(biāo)識(shí)。

　　用戶設(shè)備和ＧＧＳＮ之間連接的建立和數(shù)據(jù)包的傳送都是通過(guò)ＰＤＰ上下文請(qǐng)求來(lái)進(jìn)行的。在一個(gè)ＰＤＰ上下文請(qǐng)求上可以執(zhí)行以下三種基本操作：

　　·激活ＰＤＰ上下文請(qǐng)求：打開一個(gè)到ＧＧＳＮ的新的ＰＤＰ上下文請(qǐng)求；

　　·修改ＰＤＰ上下文請(qǐng)求：改變一個(gè)ＰＤＰ上下文請(qǐng)求的特征，如ＱｏＳ屬性等；

　　·關(guān)閉ＰＤＰ上下文請(qǐng)求：關(guān)閉一個(gè)ＰＤＰ上下文請(qǐng)求。

　　ＰＤＰ上下文請(qǐng)求分為主要ＰＤＰ上下文請(qǐng)求和次要ＰＤＰ上下文請(qǐng)求兩種。如果激活一個(gè)新的主要ＰＤＰ上下文請(qǐng)求，就會(huì)在用戶設(shè)備和ＧＧＳＮ之間創(chuàng)建一條新的鏈路。用戶設(shè)備可以打開到一個(gè)或多個(gè)ＧＧＳＮ的主要ＰＤＰ上下文請(qǐng)求。如果與一條鏈路有關(guān)聯(lián)的主要ＰＤＰ上下文請(qǐng)求和所有次要ＰＤＰ上下文請(qǐng)求都已關(guān)閉，則該鏈路被刪除。

　�。粒校慰梢詷�(biāo)識(shí)出一種業(yè)務(wù)或一個(gè)外部網(wǎng)絡(luò)，其表示方法與一個(gè)不受限域名相當(dāng)。在“激活ＰＤＰ上下文請(qǐng)求”的操作中，ＳＧＳＮ通過(guò)執(zhí)行一個(gè)域名服務(wù)器（ＤＮＳ）查詢來(lái)找到終端所請(qǐng)求的一個(gè)或多個(gè)為該ＡＰＮ服務(wù)的ＧＧＳＮ。ＤＮＳ的應(yīng)答包含一個(gè)ＧＧＳＮ地址列表，ＳＧＳＮ通過(guò)循環(huán)的方式從中選擇一個(gè)地址使用。

四、移動(dòng)IPv6在3G網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)

　　３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)終端要想獲得IPv6數(shù)據(jù)服務(wù)，首先需要獲得一個(gè)合法的IPv6地址。由于３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)沒(méi)有惟一標(biāo)識(shí)，所以其地址的自動(dòng)分配與撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)類似，是基于ＰＰＰｖ６（參見ＲＦＣ ２４７２）的。與一般IPv6節(jié)點(diǎn)的地址配置一樣，在３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的地址配置也有兩種方式：有狀態(tài)地址自動(dòng)配置和無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置。有狀態(tài)地址自動(dòng)配置使用外部協(xié)議（如ＤＨＣＰｖ６）連接到分配地址的服務(wù)器上，而無(wú)狀態(tài)地址配置則與在以太網(wǎng)中的配置方式有所不同。在３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中，ＧＧＳＮ的每一個(gè)ＡＰＮ都可以單獨(dú)指定地址配置方式，其中無(wú)狀態(tài)的地址自動(dòng)配置方式與一般的IPv6節(jié)點(diǎn)不同。地址配置的協(xié)議過(guò)程如下：

　　·移動(dòng)終端向ＳＧＳＮ 發(fā)起“激活ＰＤＰ上下文請(qǐng)求”的消息，并在消息中將相關(guān)參數(shù)傳給ＳＧＳＮ（其中參數(shù)“ＰＤＰ類型”指定為IPv6）；

　　·ＳＧＳＮ接收到請(qǐng)求后，向ＧＧＳＮ發(fā)送帶有上述參數(shù)的“創(chuàng)建ＰＤＰ上下文請(qǐng)求”消息；

　　·ＧＧＳＮ收到請(qǐng)求后，為移動(dòng)終端分配接口標(biāo)識(shí)并創(chuàng)建一個(gè)鏈路本地地址，然后將相關(guān)信息封裝在“創(chuàng)建ＰＤＰ上下文請(qǐng)求”的應(yīng)答消息中，發(fā)回給ＳＧＳＮ；

　　·ＳＧＳＮ收到應(yīng)答消息后，將相關(guān)信息封裝在“激活ＰＤＰ上下文請(qǐng)求”接收消息中，發(fā)回給移動(dòng)終端；

　　·移動(dòng)終端得到地址信息后進(jìn)行相應(yīng)的配置，并將接口標(biāo)識(shí)解析出來(lái)，然后按照配置發(fā)送一個(gè)“路由請(qǐng)求”消息給ＧＧＳＮ （第一跳路由器）；

　　·ＧＧＳＮ執(zhí)行完“激活 ＰＤＰ上下文請(qǐng)求”操作后，向移動(dòng)終端發(fā)送一個(gè)“路由通告”。

　　經(jīng)過(guò)以上過(guò)程，移動(dòng)終端利用路由器廣播信息，與先前收到的接口標(biāo)識(shí)組成IPv6地址。由移動(dòng)終端發(fā)出的IPv6數(shù)據(jù)包則被３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)直接轉(zhuǎn)發(fā)到ＧＧＳＮ，再由ＧＧＳＮ路由到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

　　每一個(gè)連在網(wǎng)上的手持機(jī)或移動(dòng)電腦都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)主要ＰＤＰ上下文請(qǐng)求用來(lái)與因特網(wǎng)通信。手持機(jī)在與ＧＧＳＮ連接的整個(gè)生命周期內(nèi)，可以創(chuàng)建許多主要和／或次要ＰＤＰ上下文請(qǐng)求。

　　在３ＧＰＰ中，ＧＧＳＮ為每個(gè)主要ＰＤＰ上下文請(qǐng)求分配一個(gè)單獨(dú)的６４ ｂｉｔ標(biāo)識(shí)。ＧＧＳＮ也把一個(gè)單獨(dú)的６４ ｂｉｔ前綴公布給手持機(jī)，這兩個(gè)部分組合成一個(gè)IPv6地址。隨后，ＧＧＳＮ 對(duì)ＳＧＳＮ中的ＰＤＰ上下文請(qǐng)求入口進(jìn)行修改，使之包含整個(gè)IPv6地址。這樣，ＳＧＳＮ就能知道每個(gè)３ＧＰＰ節(jié)點(diǎn)的單個(gè)IPv6地址了（比如說(shuō)是為了計(jì)費(fèi)的需要）。該地址也用在ＧＧＳＮ中標(biāo)識(shí)與每個(gè)包相關(guān)聯(lián)的ＰＤＰ上下文請(qǐng)求，它假設(shè)３ＧＰＰ節(jié)點(diǎn)不產(chǎn)生任何地址（除了由ＧＧＳＮ分配的單個(gè)標(biāo)識(shí)／前綴組合之外）。

五、結(jié) 語(yǔ)

　　移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向是“全ＩＰ移動(dòng)網(wǎng)”。IPv6已經(jīng)被３ＧＰＰ組織確定為構(gòu)筑下一代移動(dòng)網(wǎng)的基礎(chǔ)和３Ｇ必須遵循的標(biāo)準(zhǔn)，成為支持３ＧＰＰ Ｒ５標(biāo)準(zhǔn)的ＩＰ多媒體業(yè)務(wù)中不可或缺的技術(shù)。人們普遍認(rèn)為，IPv6（尤其是移動(dòng)IPv6）技術(shù)必將為３Ｇ的發(fā)展乃至整個(gè)電信業(yè)的發(fā)展帶來(lái)明媚的春光。

摘自　泰爾網(wǎng)