IPv6協(xié)議在3G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

王洪信 陳新 劉威 白亮

摘 要：本文簡(jiǎn)要簡(jiǎn)明闡述了IPv6協(xié)議包頭格式及3G的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架，并探討了IPv6協(xié)議在3G系統(tǒng)中的工作原理。

關(guān)鍵詞：IPv6；4G；3GPP

一、引言

隨著科技時(shí)代的進(jìn)步，IPv4缺點(diǎn)顯現(xiàn)，如：地址空間明顯不足、路由負(fù)荷過(guò)大、無(wú)法滿足移動(dòng)性的要求等問(wèn)題。IPv4地址耗盡的問(wèn)題，科學(xué)家已在子網(wǎng)掩碼，VLSM，CIDR，NAT等技術(shù)上做過(guò)嘗試，雖一定程度延緩了地址空間耗盡，但從根本上無(wú)法解決，IPv6卻能解決。因此IPv6是未來(lái)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域內(nèi)的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)多次修改，1995年確定了協(xié)議規(guī)范，并命名為IPv6。

二、IPv6報(bào)頭結(jié)構(gòu)

IPv6報(bào)頭刪掉了IPv4中不常用的域，因此，比IPv4簡(jiǎn)單的多，放入了可選項(xiàng)，這些可選項(xiàng)有更嚴(yán)格的定義。IPv6中所有的擴(kuò)展功能都采用擴(kuò)展報(bào)頭實(shí)現(xiàn)，這使得IPv6變得極其靈活，能提供對(duì)多種應(yīng)用的強(qiáng)力支持，同時(shí)又為以后支持新的應(yīng)用提供了可能。這些報(bào)頭被放置在IPv6報(bào)頭和上層報(bào)頭之間，每一個(gè)可以通過(guò)獨(dú)特的“下一個(gè)報(bào)頭”的值來(lái)確認(rèn)。

IPv6報(bào)頭說(shuō)明：

（1）版本：4位，IP協(xié)議版本號(hào)為6。

（2）業(yè)務(wù)級(jí)別：8位，指示IPv6數(shù)據(jù)流通信類(lèi)別或優(yōu)先級(jí)。功能類(lèi)似于IPv4的服務(wù)類(lèi)型（TOS）字段。

（3）流標(biāo)記：20位，IPv6新增字段，標(biāo)記需要IPv6路由器特殊處理的數(shù)據(jù)流。該字段用于某些對(duì)連接的服務(wù)質(zhì)量有特殊要求的通信，諸如音頻或視頻等實(shí)時(shí)從數(shù)據(jù)傳輸。

（4）載荷長(zhǎng)度：16位。負(fù)載長(zhǎng)度包括擴(kuò)展頭和上層PDU，16位最多可表示65，535字節(jié)負(fù)載長(zhǎng)度。超過(guò)這一字節(jié)數(shù)的負(fù)載，該字段置“0”，可使用特大包擴(kuò)展頭，其最大容量可達(dá)4GB。

（5）下一個(gè)報(bào)頭：8位。識(shí)別緊跟IPv6報(bào)頭后的擴(kuò)展類(lèi)型或上層協(xié)議類(lèi)型，相當(dāng)于IPv4中的協(xié)議域。

（6）跳限：8位。類(lèi)似于IPv4的TTL字段。與IPv4用時(shí)間來(lái)限定包的生命期不同，IPv6用包在路由器之間的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)來(lái)限定包的生命期。包每經(jīng)過(guò)一次轉(zhuǎn)發(fā)，該字段減1，減到0時(shí)把著個(gè)包丟棄。

（7）源地址和目的地址：都是128位，前者是發(fā)送方主機(jī)地址。后者在大多數(shù)情況下，目的地址即信宿地址。

三、3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

3G（3rd Generation）指第三代移動(dòng)通信技術(shù)。3G是指將無(wú)線通信與國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，它能夠處理圖像、音樂(lè)、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁(yè)瀏覽、電話會(huì)議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)

UMTS即通用移動(dòng)通信系統(tǒng)，3GPP/UMTS網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)分為電路交換域和分組交換域，IPv6的使用只涉及3GPP的分組交換域。

3GPP網(wǎng)絡(luò)由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（MS/UE）、接入網(wǎng)（UTRAN）和核心網(wǎng)（CN）組成，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在R99和R4中稱(chēng)為移動(dòng)站（MS），R5中稱(chēng)為用戶設(shè)備（UE）。MS由終端設(shè)備（TE）和移動(dòng)終端（MT）組成， 并通過(guò)空中接口接入U(xiǎn)MTS系統(tǒng)。接入網(wǎng)（UTRAN）負(fù)責(zé)軟切換、接入和擁塞控制及無(wú)線資源分配等功能。核心網(wǎng)（CN）內(nèi)主要有服務(wù)GPRS節(jié)點(diǎn)（SGSN）和網(wǎng)關(guān)GPRS節(jié)點(diǎn)（GGSN）兩種節(jié)點(diǎn)。SGSN承擔(dān)認(rèn)證、授權(quán)以及移動(dòng)性管理等功能；GGSN則提供IP連接、連接內(nèi)部多媒體業(yè)務(wù)子系統(tǒng)及其外部網(wǎng)絡(luò)，并承擔(dān)著收集計(jì)費(fèi)信息的功能。多媒體業(yè)務(wù)子系統(tǒng)（IMS）連接在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，向UE提供一些基礎(chǔ)服務(wù)，如DNS、WAP、SIP等業(yè)務(wù)。邊界路由器（ER）則負(fù)責(zé)連接運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)與Internet在接入的UE與GGSN之間建立了基于IPv6的分組數(shù)據(jù)協(xié)議上下文；從UE發(fā)出的IP數(shù)據(jù)包，由GGSN路由，經(jīng)由用戶制定的GGSN上的接入點(diǎn)（AP），訪問(wèn)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

四、IPv6在3G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

在3G的系統(tǒng)中，已經(jīng)確立了IPv6為網(wǎng)絡(luò)的承載、業(yè)務(wù)應(yīng)用的發(fā)展方向，其中涉及到使用IPv6協(xié)議的部分為：（1） UE和UTRAN之間。（2）UTRAN和核心網(wǎng)分組交換域之問(wèn)。（3）核心網(wǎng)分組交換域內(nèi)部。

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(lèi)似，是基于PPPV6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)AP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：

（1）UE向SGSN發(fā)起“激活PDP上下文請(qǐng)求”的消息， “PDP類(lèi)型”指定為IPv6；

（2）SGSN接收到請(qǐng)求后，向GGSN發(fā)送 “創(chuàng)建PDP上下文請(qǐng)求”消息；

（3）GGSN收到請(qǐng)求后，為UE分配接口標(biāo)識(shí)及地址前綴并生成IPv6的鏈路本地地址，然后將信息封裝在“創(chuàng)建PDP上下文請(qǐng)求”響應(yīng)中，返回給SGSN；

（4）SGSN收到應(yīng)答消息后，將應(yīng)答信息封裝在“激活PDP上下文請(qǐng)求”接收消息中，發(fā)回給UE；

（5）UE得到地址信息的配置，然后按照配置發(fā)送一個(gè)“路由請(qǐng)求”消息給GGSN；

（6）GGSN執(zhí)行完操作后，向UE發(fā)送一個(gè)“路由通告”。

經(jīng)以上步驟，UE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UE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UE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。UE在與GGSN連接的整個(gè)生命周期內(nèi)，可以創(chuàng)建許多主要和次要PDP Context請(qǐng)求。在3GPP中，GGSN為每個(gè)主要PDP Context請(qǐng)求分配一個(gè)單獨(dú)的64bit標(biāo)識(shí)。GGSN也把一個(gè)單獨(dú)的64bit前綴公布給UE，這兩個(gè)部分組合成一個(gè)IPv6地址。隨后，GGSN對(duì)SGSN中的PDP Context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。該地址也用在GGSN中標(biāo)識(shí)與每個(gè)包相關(guān)聯(lián)的PDP Context請(qǐng)求，它假設(shè)3GPP節(jié)點(diǎn)不產(chǎn)生任何地址。

五、結(jié)束語(yǔ)

IPv6解決了IPv4地址短缺、端到端IP連接、QoS、安全性、多播、移動(dòng)性、即插即用等問(wèn)題。由于IPv4普遍的應(yīng)用，IPv6取代IPv4需要一個(gè)過(guò)程。

參考文獻(xiàn)：

[1]Xiao-Hu Yu等 Toward Beyond 3G：The FuTURE Project in China IEEE Communications MagazineJanuary 2005.

[2]姚樹(shù)宇 IPv6技術(shù)分析及其前景展望 現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 2005.10.