路由型家庭網(wǎng)關(guān)在IPv6規(guī)模商用工程中的方案設(shè)計

孫培良，周 翔，陳仲華

（1.中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中國電信股份有限公司上海分公司 上海 200120）

1 引言

2012年，國家發(fā)展和改革委員會（以下簡稱發(fā)改委）下發(fā)了“關(guān)于組織實施2012年下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模商用專項的通知（發(fā)改辦高技[2012]291號）”，要求電信運營商在下一代互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模為：骨干網(wǎng)和約10%城域網(wǎng)支持IPv6；制定大規(guī)模公眾網(wǎng)絡(luò)由IPv4向IPv6平滑演進過渡方案，實現(xiàn)IPv4和IPv6網(wǎng)頁瀏覽業(yè)務(wù)互通；IPv6寬帶接入用戶數(shù)超過800萬。

2013年8 月國務(wù)院發(fā)布了“寬帶中國”戰(zhàn)略實施方案，“寬帶戰(zhàn)略”首次成為國家戰(zhàn)略性公共基礎(chǔ)設(shè)施方針，其中一個重要目標(biāo)為：積極穩(wěn)妥推進下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展演進，開展IPv6小規(guī)模商用試點，探索形成成熟的商業(yè)模式和技術(shù)演進路線。

電信運營商作為承接國家下一代互聯(lián)網(wǎng)專項工作主體，為配合發(fā)改委下發(fā)的下一代互聯(lián)網(wǎng)專項工程和工業(yè)和信息化部制定的“寬帶中國”戰(zhàn)略，電信運營商擴大了現(xiàn)場試驗的規(guī)模，主要的過渡技術(shù)有雙棧技術(shù)、隧道技術(shù)等過渡技術(shù)，為網(wǎng)絡(luò)用戶和CP/SP提供IPv6網(wǎng)絡(luò)接入環(huán)境。目前，電信運營商的骨干網(wǎng)基本上都完成了雙棧部署和改造，北（京）、上（海）、廣（州）等主要城市的城域網(wǎng)開啟了雙棧并引入DS-lite（dual-stack lite，輕型雙棧）等過渡技術(shù)。城域網(wǎng)已經(jīng)具備了一定規(guī)模的IPv6覆蓋能力，但是接入網(wǎng)還沒有完成全面的雙棧覆蓋，這涉及多個環(huán)節(jié)，其中一個主要環(huán)節(jié)就是終端設(shè)備的雙棧接入能力，即采取何種有效的措施實現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)覆蓋。

家庭網(wǎng)關(guān)作為連接用戶LAN和運營商寬帶網(wǎng)絡(luò)的紐帶，在IPv6網(wǎng)絡(luò)全覆蓋中扮演著極其重要的角色，具備控制和調(diào)節(jié)用戶終端接入IPv6網(wǎng)絡(luò)的功能，具有規(guī)模部署IPv6網(wǎng)絡(luò)的天然優(yōu)勢。但在實際現(xiàn)網(wǎng)部署中，業(yè)界主要聚焦于城域網(wǎng)的IPv6改造和建設(shè)，與IPv6在城域網(wǎng)建設(shè)中有條不紊的推進相比，用戶側(cè)實現(xiàn)IPv6規(guī)模覆蓋甚至全覆蓋還存在一定的難度，在目前市場上大部分終端還不支持IPv6的情況下，用戶基本上沒有興趣去接入IPv6網(wǎng)絡(luò)，對產(chǎn)業(yè)鏈的下游廠商而言，也沒有驅(qū)動力去大規(guī)模研發(fā)和生產(chǎn)支持IPv6的終端設(shè)備。這樣對提升IPv6網(wǎng)絡(luò)的使用率和IPv6流量貢獻不大，也影響了IPv6產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。如何破解發(fā)展的瓶頸是本文討論的議題，也是當(dāng)前下一代互聯(lián)網(wǎng)重點需要關(guān)注的方向。

2 IPv6在實現(xiàn)規(guī)模部署的關(guān)鍵點

由于目前互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模以及網(wǎng)絡(luò)中IPv4的用戶和設(shè)備數(shù)量相當(dāng)龐大，IPv4向IPv6的過渡不可能一次實現(xiàn)，必然是一個循序漸進的過程，要實現(xiàn)IPv4到IPv6的平穩(wěn)過渡是一個復(fù)雜的過程。在“2012 IPv6過渡技術(shù)國際測試大會總結(jié)會議”上，中國下一代互聯(lián)網(wǎng)專家委員會主任委員、中國工程院院士鄔賀銓表示，既要確保已有的IPv4的用戶體驗，又要解決部署中面臨的一系列問題，同時如何為IPv6的用戶增加新的應(yīng)用，這是部署下一代互聯(lián)網(wǎng)取得成功的關(guān)鍵，也是網(wǎng)絡(luò)演進面臨的最大挑戰(zhàn)。

IP產(chǎn)業(yè)鏈組成相當(dāng)復(fù)雜，演進過程牽涉產(chǎn)業(yè)鏈的方方面面，整個產(chǎn)業(yè)鏈實現(xiàn)從IPv4遷移到IPv6是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，各個環(huán)節(jié)都有遷移的要求，且各個環(huán)節(jié)必須保證遷移過程的基本同步，才能實現(xiàn)從IPv4到IPv6的平穩(wěn)遷移，遷移過程中主要涉及四大環(huán)節(jié)：CP/SP、電信運營商、終端以及產(chǎn)業(yè)鏈。

·CP/SP環(huán)節(jié)：國內(nèi)支持IPv6的CP/SP還比較少。

·運營商：IPv6演進有較長過渡時期，且投資巨大。

·終端：商用IPv6終端還比較少。

·產(chǎn)業(yè)鏈：產(chǎn)業(yè)鏈處于起步階段，IPv6相關(guān)產(chǎn)品和應(yīng)用還比較匱乏。

對于業(yè)界而言，目前市場的熱點主要聚焦于城域網(wǎng)過渡技術(shù)，主流是公網(wǎng)雙棧、私網(wǎng)雙棧和輕型雙棧這3種業(yè)界所公認(rèn)技術(shù)。

2.1 公網(wǎng)雙棧

公網(wǎng)雙棧即在目前的IPv4公網(wǎng)單?；A(chǔ)上疊加IPv6協(xié)議棧，因為運營商城域網(wǎng)中沒有引入私網(wǎng)地址，沒有隧道封裝解封裝，無需在網(wǎng)絡(luò)側(cè)引入特殊的設(shè)備或板卡來輔助實現(xiàn)，公網(wǎng)雙棧的技術(shù)現(xiàn)狀主要體現(xiàn)在對IPv6的支持程度上。

2.2 私網(wǎng)雙棧

私網(wǎng)雙棧（NAT444）是一種向下一代互聯(lián)網(wǎng)過渡的技術(shù)模型，由IPv6和具有CGN（carrier grade NAT）功能的IPv4組成，用于運營商在公有IPv4地址枯竭時規(guī)模使用NAT技術(shù)，同時引入IPv6技術(shù)。

2.3 輕型雙棧

輕型雙棧方案采用IPv4-in-IPv6隧道和NAT兩個基本技術(shù)，使寬帶網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供商可以在大量用戶中共享IPv4地 址，同 時 支 持IPv4和IPv6應(yīng) 用，針 對IPv4業(yè)務(wù)，終端用戶通過IPv6網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的隧道與IPv4業(yè)務(wù)平臺實現(xiàn)端到端通信。IPv6業(yè)務(wù)直接通過IPv6網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)可達。

主流的過渡技術(shù)是運營商能夠把控的，按照國家和行業(yè)規(guī)劃可以穩(wěn)步推進，也是滿足IPv6網(wǎng)絡(luò)規(guī)模覆蓋和全覆蓋的基礎(chǔ)。但是用戶的使用行為、終端（PC、Pad等）和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是電信運營商無法控制的，這樣對于下一代互聯(lián)網(wǎng)的遷移存在很大的障礙，從電信運營商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護的實際出發(fā)，怎樣從IPv4網(wǎng)絡(luò)平滑過渡到IPv6網(wǎng)絡(luò)，是個艱難的推進過程，如果網(wǎng)絡(luò)流量一直停留在IPv4網(wǎng)絡(luò)，將無法緩解IPv4地址緊缺問題，同時影響產(chǎn)業(yè)的升級改造過程。由此可以提出一個設(shè)想，是否可以從網(wǎng)絡(luò)終端的接入技術(shù)方面尋求突圍，家庭網(wǎng)關(guān)作為寬帶用戶局域網(wǎng)與運營商城域網(wǎng)之間連接的橋梁，在此環(huán)節(jié)尋求突破，這是電信運營商可控的環(huán)節(jié)，寬帶用戶的接入網(wǎng)終端——家庭網(wǎng)關(guān)也是運營商接入網(wǎng)組成部分，可以發(fā)揮積極的作用，引導(dǎo)用戶首選使用IPv6網(wǎng)絡(luò)，以此形成龐大的用戶基數(shù)，養(yǎng)成用戶的使用習(xí)慣，從而城域網(wǎng)和接入網(wǎng)可以平滑地向IPv6網(wǎng)絡(luò)遷移。

3 運營商網(wǎng)絡(luò)接入終端的技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)接入終端是制約IPv4向IPv6網(wǎng)絡(luò)遷移的一個關(guān)鍵因素，家庭網(wǎng)關(guān)這個網(wǎng)元在網(wǎng)絡(luò)遷移過程中起的作用將很大程度上決定了IPv6網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的進度和推進過程中覆蓋的廣度。以下對家庭網(wǎng)關(guān)的工作原理做簡要的分析。

家庭網(wǎng)關(guān)是位于現(xiàn)代家庭內(nèi)部的一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它的作用是使家庭寬帶用戶連接到Internet，使位于家庭中的多種智能設(shè)備都能得到Internet服務(wù)或者使這些智能設(shè)備相互之間實現(xiàn)通信。簡單地說，家庭網(wǎng)關(guān)是使家庭內(nèi)部多種智能設(shè)備之間實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)以及從家庭內(nèi)部到外部網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)的一座橋梁。從技術(shù)角度說，家庭網(wǎng)關(guān)在家庭內(nèi)部以及從內(nèi)部到外部實現(xiàn)橋接/路由、協(xié)議轉(zhuǎn)換、地址管理和轉(zhuǎn)換等網(wǎng)絡(luò)功能。

家庭網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)中的位置如圖1所示。

圖1 家庭網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)中的位置

在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備與運營商寬帶接入網(wǎng)對接，完成用戶接入、網(wǎng)絡(luò)地址分配、用戶信息認(rèn)證等功能，轉(zhuǎn)發(fā)用戶上網(wǎng)數(shù)據(jù)分組。

在用戶側(cè)，家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備支持家庭LAN的對內(nèi)、對外網(wǎng)絡(luò)連接，提供如智能終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址分配、地址解析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

3.1 家庭網(wǎng)關(guān)主要工作原理

家庭網(wǎng)關(guān)主要為用戶提供雙棧接入服務(wù)，需要支持IP協(xié)議棧、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和DNS解析功能。

（1）IP協(xié)議棧

·根據(jù)獲取IP地址的類型，自動啟用相應(yīng)的協(xié)議棧。

·訪問外網(wǎng)時，能夠根據(jù)外網(wǎng)目的IP地址的類型，自動選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接或啟用相應(yīng)的協(xié)議棧進行外網(wǎng)訪問。注：若外網(wǎng)目的地址IPv4/IPv6同時存在，家庭網(wǎng)關(guān)工作在路由型模式下，可通過配置優(yōu)選使用IPv6網(wǎng)絡(luò)。

·在啟用IPv4/IPv6雙棧協(xié)議時，根據(jù)用戶數(shù)據(jù)的協(xié)議（IPv4或IPv6）進行同協(xié)議類型的路由轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能

·上聯(lián)城域網(wǎng)接入設(shè)備，實現(xiàn)基于用戶側(cè)數(shù)據(jù)的目的IP地址進行轉(zhuǎn)發(fā)。

·下聯(lián)用戶終端，進行用戶局域網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或者上傳/下載Internet流量。

（3）DNS功能要求

·家庭網(wǎng)關(guān)支持DNS relay（中繼），將家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的DNS請求轉(zhuǎn)發(fā)至DNS服務(wù)器，并將服務(wù)器的DNS響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)至家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

·支持每個WAN連接使用對應(yīng)的DNS服務(wù)器，家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)支持自動獲取或在靜態(tài)IP地址時手工配置DNS服務(wù)器信息。

3.2 路由型和橋接型技術(shù)方案對比

家庭網(wǎng)關(guān)主要分路由型家庭網(wǎng)關(guān)和橋接型家庭網(wǎng)關(guān)。

路由型家庭網(wǎng)關(guān)由WAN口發(fā)起PPPoE撥號，獲得接口地址、DNS和網(wǎng)關(guān)地址，然后再向LAN側(cè)的終端分配RFC1918定義的私有地址、DNS和缺省網(wǎng)關(guān)。

橋接型家庭網(wǎng)關(guān)由用戶PC終端通過PPPoE撥號軟件發(fā)起撥號，家庭網(wǎng)關(guān)本身只做PPP報文的透傳。

表1是兩種部署方案的對比分析。

從技術(shù)、用戶體驗和業(yè)務(wù)發(fā)展3個維度可以看到，家庭網(wǎng)關(guān)選取路由模式進行部署，具有諸多優(yōu)點：

·技術(shù)上簡單可行，可代替用戶終端進行撥號；

·用戶無感知，不會影響用戶現(xiàn)有業(yè)務(wù)和使用體驗；

·業(yè)務(wù)發(fā)展方面有利于產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，有利于政府以及電信運營商調(diào)整IPv6發(fā)展節(jié)奏，對產(chǎn)業(yè)鏈的上游和下游也有驅(qū)動力。

由此筆者認(rèn)為，電信運營商在下一代互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過程中部署路由型家庭網(wǎng)關(guān)，具有天然的技術(shù)優(yōu)越性，同時保證了用戶上網(wǎng)的良好感知，是比較理想的實現(xiàn)IPv6規(guī)模部署解決方案。

4 通過家庭網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)IPv6規(guī)模部署解決方案

IPv4/IPv6雙棧路由型家庭網(wǎng)關(guān)的方案部署，需要進行業(yè)務(wù)和流程設(shè)計，以達到首次上線時進行遠(yuǎn)程配置下發(fā)，用戶終端即插即用。方案設(shè)計力求一次部署完成，后續(xù)不影響用戶的上網(wǎng)體驗。著重在以下幾個方面做詳細(xì)設(shè)計。

表1 路由型和橋接型家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)對比

4.1 業(yè)務(wù)流程設(shè)計

·網(wǎng)關(guān)采用路由模式，負(fù)責(zé)發(fā)起建立PPPoE隧道，IPv4和IPv6報文都接入同一個PPPoE隧道。

·用戶終端業(yè)務(wù)報文在經(jīng)過網(wǎng)卡進行以太網(wǎng)封裝后轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)。

·網(wǎng)關(guān)將報文接入PPPoE隧道，封裝PPPoE和PPP頭，不封裝業(yè)務(wù)VLAN。

·網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備（PON、交換機等）為用戶報文打上VLAN標(biāo)簽，發(fā)送至BRAS（broadband remote access server，寬帶接入服務(wù)器）。

·BRAS剝離VLAN，終結(jié)處理PPPoE報文，剝離PPPoE和PPP報文頭，對用戶的業(yè)務(wù)報文三層IP轉(zhuǎn)發(fā)。

·城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對用戶終端業(yè)務(wù)報文進行三層IP轉(zhuǎn)發(fā)。

4.2 用戶接入設(shè)計

用戶網(wǎng)絡(luò)接入流程如圖2所示。

·為不改變用戶體驗，保持3層網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)方式。

·考慮BRAS設(shè)備PPP會話數(shù)資源限制，建議單PPPoE會話進行限制。

·網(wǎng)關(guān)IPv6接入采用ND+PD方式。

·BRAS新增公網(wǎng)雙棧用戶域，新增ND+PD地址池。

·網(wǎng)關(guān)WAN口采用獨享模式。

考慮到小部分操作系統(tǒng)不支持DHCPv6，建議網(wǎng)關(guān)LAN口采用SLAAC方式分配最終用戶IPv6地址。

4.3 DNS方案設(shè)計

DNS獲取方案：BRAS下發(fā)給家庭網(wǎng)關(guān)，家庭網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)DNS代理。DNS報文交互流程如圖3所示。

（1）IPv6 DNS：網(wǎng) 關(guān) 通 過DHCPv6獲取DNSv6地址，CPE下發(fā)DNSv6給PC。

（2）IPv4 DNS：網(wǎng)關(guān)將LAN的IPv4地址作為DNSv4服務(wù)器地址下發(fā)給PC。

圖2 用戶網(wǎng)絡(luò)接入流程

圖3 DNS報文交互流程

（3）DNS代理：

·PC發(fā)送IPv4的A/AAAA（32 bit IPv4 DNS記錄/128 bit IPv6 DNS記錄）請求給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的DNS模塊實現(xiàn)LAN口DNSv4和WAN口DNSv6間的代理功能；

·PC發(fā)送IPv6的A/AAAA請求給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的DNS模塊實現(xiàn)LAN口DNSv6和WAN口DNSv6間的代理功能。

當(dāng)家庭網(wǎng)關(guān)滿足以上3點技術(shù)要求后，用戶的終端接入家庭網(wǎng)關(guān)，將優(yōu)先訪問IPv6網(wǎng)絡(luò)資源，當(dāng)用戶需要的資源還未實現(xiàn)時，其終端將繼續(xù)使用IPv4網(wǎng)絡(luò)資源，絲毫不影響用戶的業(yè)務(wù)使用。

5 結(jié)束語

選用家庭網(wǎng)關(guān)的雙棧路由模式，具有很大的優(yōu)勢，電信運營商在IPv6公客寬帶接入用戶具有一定的主導(dǎo)權(quán)和主動權(quán)，相對于橋接型家庭網(wǎng)關(guān)純粹二層透傳用戶數(shù)據(jù)而言，運營商在三層路由型家庭網(wǎng)關(guān)的用戶發(fā)展速度、規(guī)模、商用范圍、增值業(yè)務(wù)方面可控，且已經(jīng)搶占了IPv6寬帶接入的先機，可朝著全網(wǎng)商用邁進。

IPv4向IPv6網(wǎng)絡(luò)過渡是一件復(fù)雜的事情，除了需要進行網(wǎng)絡(luò)改造以外，還需要對家庭網(wǎng)關(guān)等接入終端進行改造或升級，以實現(xiàn)IPv6用戶的有效接入，提升IPv6網(wǎng)絡(luò)流量。在不同的過渡階段，不同的應(yīng)用場景，選擇和調(diào)整相應(yīng)的部署方案，可實現(xiàn)IPv4/IPv6平滑過渡，加快下一代互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模集聚效應(yīng)和快速發(fā)展。

1 Durand A,Droms R,Woodyatt J,et al.Dual-Stack Lite Broadband Deployments Following IPv4 Exhaustion.RFC6333,2011

2 Deering S,Hinden R.Internet Protocol,Version 6(IPv6)Specification.RFC2460,1998

3 Crawford M.Transmission of IPv6 Packets over Ethernet Networks.RFC2464,1998

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6 Byrne C.IPv4 Service Continuity Prefix.RFC7335,2014

7 戴源,楊建，袁源等.下一代互聯(lián)網(wǎng)IPv6過渡技術(shù)與部署實例.北京：人民郵電出版社，2014 Dai Y，Yang J，Yuan Y,et al.Next Generation Internet IPv6 Transition Technology and Deployment with Instances.Beijing:Posts and Telecom Press,2014

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