GPRS網(wǎng)絡(luò)從IPv4向IPv6的過(guò)渡

GPRS網(wǎng)絡(luò)從IPv4向IPv6的過(guò)渡2002-12-11冉曉旻關(guān)鍵詞：通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)（GPRS）是疊加在GSM網(wǎng)絡(luò)上的無(wú)線(xiàn)分組網(wǎng)，采用Internet上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議。IPv4只有有限的Internet地址空間和結(jié)構(gòu)，已經(jīng)不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的用戶(hù)需求，因此IPv6應(yīng)運(yùn)而生。但是，基于IPv4的網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)還將持續(xù)相當(dāng)一段時(shí)間，在過(guò)渡期間，需要同時(shí)支持這兩種IP協(xié)議版本的網(wǎng)絡(luò)/終端，并且IPv4和IPv6之間的相互配合也非常重要。本文描述了GPRS網(wǎng)絡(luò)從IPv4過(guò)渡到IPv6的方法和階段，并推薦了各種過(guò)渡方法的使用場(chǎng)合。關(guān)鍵詞：GPRS，IPv4，IPv6，過(guò)渡在當(dāng)今信息社會(huì)中，隨著移動(dòng)用戶(hù)的大量增加，空中資源日趨緊張。為了使GSM適應(yīng)發(fā)展需要，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）提出了通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)（GPRS）。GPRS技術(shù)啟動(dòng)了GSM的分組交換IP服務(wù)，是疊加在GSM網(wǎng)上的一個(gè)有分組能力的無(wú)線(xiàn)接口。使用GPRS可以讓小區(qū)內(nèi)的上百個(gè)用戶(hù)分享帶寬，通過(guò)分組交換核心網(wǎng)絡(luò)就可以讓用戶(hù)享受“永遠(yuǎn)在線(xiàn)”的服務(wù)。但是，隨著人們對(duì)高速無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的不斷增長(zhǎng)，會(huì)有大量的移動(dòng)終端和無(wú)線(xiàn)設(shè)備連接到Internet，而當(dāng)前的Internet協(xié)議版本4（IPv4）已不能為所有連接到Internet的設(shè)備提供唯一的IP地址。無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)地址租賃還是地址轉(zhuǎn)換都不是新一代應(yīng)用的理想解決方案。因此，Internet工程任務(wù)組（IETF）制定了IPv6，可以解決大量用戶(hù)的廣泛需求，而且IPv6協(xié)議還增強(qiáng)了對(duì)IP安全體系（IPsec）和IP移動(dòng)性（移動(dòng)IPv6）的支持。但是，從IPv4過(guò)渡到IPv6尚需時(shí)日，IPv4網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)還將繼續(xù)存在一段時(shí)間，所以需要同時(shí)支持這兩種IP協(xié)議版本的網(wǎng)絡(luò)和終端，并且IPv4和IPv6之間的相互配合也非常重要。本文重點(diǎn)分析了GPRS網(wǎng)絡(luò)從IPv4到IPv6的過(guò)渡方法、過(guò)渡階段和過(guò)渡終端，并推薦了各種過(guò)渡方法的使用場(chǎng)合。1.GPRS網(wǎng)絡(luò)模型GPRS是疊加在GSM網(wǎng)絡(luò)上的無(wú)線(xiàn)分組網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)部分增加了兩個(gè)GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)：服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN），用于支持分組傳送及路由功能。如圖1所示，在GPRS核心網(wǎng)絡(luò)中，SGSN跟蹤移動(dòng)臺(tái)的位置，執(zhí)行移動(dòng)性管理、加密和接入控制。GGSN提供數(shù)據(jù)包在GPRS網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的路由和封裝；路由選擇與轉(zhuǎn)發(fā)，將移動(dòng)用戶(hù)的分組數(shù)據(jù)發(fā)往正確的SGSN；動(dòng)態(tài)分配IP地址等。SGSN側(cè)重于無(wú)線(xiàn)接入，而GGSN側(cè)重于對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)的連接。移動(dòng)終端和GGSN接入點(diǎn)以？）之間建立的連接是一個(gè)PDP（分組數(shù)據(jù)協(xié)議）上下文，通過(guò)此過(guò)程使移動(dòng)臺(tái)到GGSN之間建立一條邏輯通路。GPRS移動(dòng)用戶(hù)要訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，必須發(fā)起PDP上下文激活過(guò)程，移動(dòng)臺(tái)在激活的PDP上下文中接收它的IP地址（IPv4或者IPv6）。GGSN中可以存在三種AP，如圖1所示:最上面的AP1提供IPv6連接，所有連接都在IPv6環(huán)境中實(shí)現(xiàn)；AP2提供通過(guò)IPv4網(wǎng)絡(luò)隧道連接到外部IPv6主機(jī)的IPv6連接；AP3則提供到IPv4服務(wù)/主機(jī)的連接。2.IPv6的優(yōu)勢(shì)IP地址空間IPv6最明顯的優(yōu)勢(shì)在于大量的地址空間，128位地址域可以表示3.4，1038個(gè)地址。IPv6可以分層尋址，執(zhí)行地址聚合使路由器中的路由表變得更小。該協(xié)議還具有地址自動(dòng)配置功能，可以進(jìn)行即插即用的網(wǎng)絡(luò)配置。地址自動(dòng)配置可以是有狀態(tài)或者無(wú)狀態(tài)的：在有狀態(tài)的地址自動(dòng)配置中，地址分配要使用諸如動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）等外部服務(wù)。無(wú)狀態(tài)的自動(dòng)配置要簡(jiǎn)單一些，地址分配時(shí)不需要外部服務(wù)，由GGSN動(dòng)態(tài)分配地址。IPv6協(xié)議還為使用IPv4/IPv6過(guò)渡機(jī)制專(zhuān)門(mén)分配了一些有特殊前綴的地址，以便于移動(dòng)臺(tái)越過(guò)IPv4網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)IPv6服務(wù)。IP安全體系IPsec是一組開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議的總稱(chēng)，在IP層提供數(shù)據(jù)來(lái)源驗(yàn)證、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)保密性和防重放保護(hù)。IPsec確保了通過(guò)LAN、私人/公共WAN和Internet的安全通信，它能夠加密/認(rèn)證IP級(jí)的所有業(yè)務(wù)，保護(hù)在IP上運(yùn)行的所有應(yīng)用。IPsec包括兩種報(bào)頭：身份驗(yàn)證報(bào)頭（AH）和封裝安全載荷報(bào)頭（ESP）。AH協(xié)議主要提供無(wú)連接的完整性、數(shù)據(jù)來(lái)源驗(yàn)證和可選的防重放服務(wù)。ESP協(xié)議除具有AH的功能之外，還提供對(duì)IP報(bào)文的加密功能，包括消息內(nèi)容的保密性和有限的通信流量的保密性。當(dāng)不需要或者不允許保密性時(shí)，可以使用AH協(xié)議。ESP所提供的身份驗(yàn)證沒(méi)有AH提供的驗(yàn)證那么廣泛，并且只保護(hù)ESP報(bào)頭之后的域。AH和ESP都支持兩種模式：傳輸模式和隧道模式。傳輸模式IPsec主要對(duì)上層協(xié)議提供保護(hù)，通常用于兩個(gè)主機(jī)之間端到端的通信。隧道模式IPsec提供對(duì)所有IP分組的保護(hù)，主要用于安全網(wǎng)關(guān)之間，可以在公共Internet上構(gòu)成虛擬專(zhuān)用網(wǎng)（VPN）。IP移動(dòng)性IP移動(dòng)性是IPv6的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化部分。在移動(dòng)IPv6中，每個(gè)移動(dòng)終端都由它的主代理（HA）永久分配一個(gè)主IP地址，當(dāng)終端移動(dòng)到另一個(gè)子網(wǎng)時(shí)，它也可以通過(guò)一個(gè)或者多個(gè)轉(zhuǎn)交地址尋址。IPv4也規(guī)定了IP移動(dòng)性（移動(dòng)IPv4），但是IPv6提供了更多的對(duì)移動(dòng)性的支持。與移動(dòng)IPv4相比，移動(dòng)IPv6的優(yōu)點(diǎn)是：IPv6大量的地址空間使移動(dòng)IPv6部署更直接；IPv6地址自動(dòng)配置簡(jiǎn)化了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的地址分配，并且還減輕了大網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的地址管理。在移動(dòng)IPv6中，不需要外部代理（FA，在移動(dòng)IPv4中，當(dāng)移動(dòng)終端移動(dòng)到另一個(gè)子網(wǎng)時(shí)，該子網(wǎng)的FA給終端分配一個(gè)轉(zhuǎn)交地址）。優(yōu)化的路由選擇:移動(dòng)IPv6避免了三角路由選擇一一在歸屬地收到的指向移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)由HA通過(guò)隧道方式傳到FA，F(xiàn)A再將數(shù)據(jù)包發(fā)往該移動(dòng)終端。這減少了傳輸延時(shí)，并節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)能力。在GPRS網(wǎng)絡(luò)中，通常使用GTP（GPRS隧道協(xié)議）協(xié)議實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性。移動(dòng)IPv6是一個(gè)補(bǔ)充的移動(dòng)機(jī)制：當(dāng)擁有其他非蜂窩接口（例如WLAN）的移動(dòng)終端，并且在不同接入技術(shù)之間移動(dòng)的同時(shí)還需要保持通話(huà)的時(shí)候，就可以使用移動(dòng)IPv6進(jìn)行系統(tǒng)間的IP切換。3.IPv4到IPv6的過(guò)渡方法從IPv4過(guò)渡到IPv6主要有三種方法：網(wǎng)絡(luò)單元和移動(dòng)終端的雙IPv4/IPv6棧?自動(dòng)隧道和配置隧道網(wǎng)絡(luò)中的IPv4到IPv6的協(xié)議轉(zhuǎn)換器3.1網(wǎng)絡(luò)單元和移動(dòng)終端的雙IPv4/IPv6棧雙IPv4/IPv6棧是一個(gè)非常重要的過(guò)渡機(jī)制。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，雙協(xié)議棧對(duì)于GGSN很重要，可以有IPv4和IPv6訪(fǎng)問(wèn)節(jié)點(diǎn)，并且可以在IPv4隧道中執(zhí)行IPv6協(xié)議。另外，在運(yùn)營(yíng)商的IP網(wǎng)絡(luò)邊界和公共Internet上的邊緣路由器也應(yīng)該是雙協(xié)議棧路由器。移動(dòng)終端也需要雙協(xié)議棧：不需要轉(zhuǎn)換器就可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)IPv4和IPv6服務(wù)。3.2隧道要通過(guò)IPv4Internet訪(fǎng)問(wèn)IPv6Intranet上的IPv6主機(jī)，就必須建立隧道。隧道的起點(diǎn)可以是GGSN，邊緣路由器或者終端；終點(diǎn)可以是IPv6主機(jī)或者IPv6網(wǎng)絡(luò)邊緣上的路由器。隧道是將IPv6分組封裝在IPv4分組中，然后在隧道的另一端解封裝。隧道要求在封裝解封裝節(jié)點(diǎn)中支持雙IPv4/IPv6棧功能。在配置隧道中，將隧道端點(diǎn)手工配置為一個(gè)特定的IPv4地址；而在自動(dòng)隧道中，在封裝路由器/主機(jī)中自動(dòng)完成封裝。3.3協(xié)議轉(zhuǎn)換器協(xié)議轉(zhuǎn)換器是IPv4和IPv6主機(jī)之間的中間件，利用它可以在不改變?nèi)魏我粋€(gè)主機(jī)的情況下，使這兩臺(tái)主機(jī)直接通信。報(bào)頭轉(zhuǎn)換是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)換機(jī)制。在該方式中，IPv6分組報(bào)頭被轉(zhuǎn)換為IPv4的分組報(bào)頭，或者逆過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換器/協(xié)議轉(zhuǎn)換器（NAT-PT）是該機(jī)制的典型例子。但是，用地址/協(xié)議轉(zhuǎn)換器也帶來(lái)一些問(wèn)題，IP分組報(bào)頭轉(zhuǎn)換破壞了端到端的服務(wù)（例如端到端的IPsec），使網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了新的故障點(diǎn)。并且，在網(wǎng)絡(luò)中是否使用地址協(xié)議轉(zhuǎn)換器，主要取決于運(yùn)營(yíng)商的決定和其他過(guò)渡方法的可用性。只有當(dāng)兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)沒(méi)有共享相同的IP版本

時(shí)，才推薦使用轉(zhuǎn)換器。4.IPv4到IPv6的過(guò)渡階段從IPv4過(guò)渡到IPv6要經(jīng)過(guò)三個(gè)階段。一開(kāi)始是是只支持IPv4的GPRS網(wǎng)絡(luò)，所有連接到Internet的終端都是IPv4設(shè)備。由于可用的公共IP地址十分有限，所以要使用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換器。第一個(gè)階段：在由IPv4Internet連接的網(wǎng)絡(luò)中，有獨(dú)立的IPv6區(qū)域，使用IPv4Internet上的自動(dòng)隧道或者配置隧道與IPv6網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。在這個(gè)階段，提供給移動(dòng)用戶(hù)的大部分IPv6服務(wù)都僅限于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)（內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)）中的服務(wù)。其他的IPv6服務(wù)（例如到IPv6公共接入網(wǎng)絡(luò)的連接），是通過(guò)配置/自動(dòng)隧道實(shí)現(xiàn)的?？梢詾閾碛蠭Pv4或者雙協(xié)議棧終端的移動(dòng)用戶(hù)提供傳統(tǒng)的IPv4服務(wù)。第二個(gè)階段：存在IPv6Internet，并且在IPv6平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)很多服務(wù)。但是，由于IPv6Internet仍然沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)連通性，所以有時(shí)還需要提供IPv4Internet上的隧道。在IPv6平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)所有的新服務(wù)、以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)加速了IPv6的發(fā)展。第三個(gè)階段：IPv6Internet達(dá)到了全球連通性，并且所有服務(wù)都在IPv6平臺(tái)上運(yùn)行。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上不需要雙協(xié)議棧功能、或者NAT-PT。這簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且維護(hù)也更加簡(jiǎn)單。5.IPv4到IPv6的過(guò)渡終端在過(guò)渡階段，存在三種類(lèi)型的終端（MT）類(lèi)型：IPv4終端、雙IPv4/IPv6棧終端和IPv6終端。雙IPv4/IPv6雙IPv4/IPv6協(xié)議棧終端IPv4終端：通過(guò)具有全球連通性的IPv4網(wǎng)絡(luò)得到傳統(tǒng)的IPv4服務(wù)。由于缺乏公共IPv4地址，所以可能需要分配專(zhuān)用IPv4地址和NAT。圖2描述了三種情況：在情況a中，MT連接到內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)主機(jī)，這里有足夠的專(zhuān)用IPv4地址。在情況b中，MT連接到公共Internet中的主機(jī)，從運(yùn)營(yíng)商地址空間中為MT分配一個(gè)公共IPv4地址，由于公共IPv4地址很有限，所以情況b很少發(fā)生。在情況c中，MT有專(zhuān)用IPv4地址，所以需要NAT。

圖4IPv6終端雙協(xié)議棧終端：圖3說(shuō)明了連接到IPv6主機(jī)的雙協(xié)議棧終端連接，由邊緣路由器執(zhí)行IPv6分組封裝/解封裝操作。因此，在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中只有邊緣路由器需要公共IPv4地址。當(dāng)雙協(xié)議棧終端連接到IPv6主機(jī)時(shí)，可以通過(guò)IPv4網(wǎng)絡(luò)的隧道發(fā)送IPv6分組；當(dāng)雙協(xié)議棧MT與IPv4Internet上的IPv4主機(jī)通信時(shí)，它工作在IPv4模式。由于沒(méi)有足夠的公共IPv4地址，所以要為這個(gè)MT分配一個(gè)專(zhuān)用IPv4地址，并且還需要NAT。IPv6終端：它與雙協(xié)議棧終端是不同的：在終端和IPv4主機(jī)之間需要協(xié)議轉(zhuǎn)換器。如圖4所示，終端從GGSN（GGSNAP1）獲得公共IPv6地址。由于終端連接到有公共IPv4地址的IPv4主機(jī)，所以需要NAT-PT或者其他轉(zhuǎn)換器完成IPv6Ipv4的協(xié)議和地址轉(zhuǎn)換。其中，邊緣路由器是有公共IPv4和IPv6地址的雙協(xié)議棧路由器。6.小結(jié)由于從IPv4過(guò)渡到IPv6并不是瞬間完成的，并且許多服務(wù)仍然要在IPv4上運(yùn)行，所以過(guò)渡機(jī)制非常重要。并且，許多IPv6連接起初必須通過(guò)IPv4Internet傳輸，因此就更需要特別關(guān)注IPv4到IPv6的過(guò)渡問(wèn)題。當(dāng)GPRS網(wǎng)絡(luò)由IPv4向IPv6過(guò)渡時(shí)，最大的