5G網(wǎng)絡(luò)IPv6協(xié)議技術(shù)分析

劉儉?夏金棟?王嘉昊?余和平

摘要：在5G時(shí)代，IPv6協(xié)議開始在5G網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用。為充分發(fā)揮IPv6協(xié)議的技術(shù)優(yōu)勢，本文將對該協(xié)議技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，包括IPv6協(xié)議技術(shù)體系、IPv6協(xié)議過渡技術(shù)、IPv6協(xié)議部署技術(shù)以及IPv6協(xié)議安全技術(shù)等。希望通過本次的分析，可以為IPv6協(xié)議技術(shù)的應(yīng)用和5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供一定支持。

關(guān)鍵詞：IPv6協(xié)議；主要技術(shù)；5G網(wǎng)絡(luò)

在5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展中，IPv6協(xié)議發(fā)揮著至關(guān)重要的應(yīng)用優(yōu)勢。因此，相關(guān)單位與技術(shù)人員一定要對5G網(wǎng)絡(luò)以及IPv6協(xié)議有清晰的理解，并在此基礎(chǔ)上將IPv6協(xié)議技術(shù)合理應(yīng)用到5G網(wǎng)絡(luò)中。只有通過這種方式，IPv6協(xié)議才能發(fā)揮出其應(yīng)有的技術(shù)優(yōu)勢，有效推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在當(dāng)今時(shí)代的良好應(yīng)用，并滿足其后續(xù)的發(fā)展需求。

一、5G網(wǎng)絡(luò)與IPv6協(xié)議概述

（一）5G網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)又叫做第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其理論傳輸速度峰值可達(dá)50Gbps，相當(dāng)于2.5GB/s。與之前的4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)不僅具有更快的傳輸速度，同時(shí)也具有更高的穩(wěn)定性與安全性，可充分滿足現(xiàn)代社會對于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用需求。憑借著這些優(yōu)勢，5G網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)今社會中已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。而隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，其中的協(xié)議技術(shù)也受到了研究者們的重點(diǎn)關(guān)注。

（二）IPv6協(xié)議

IPv6協(xié)議是由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組以傳統(tǒng)IPv4協(xié)議為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的新一代IP協(xié)議。與傳統(tǒng)的IPv4協(xié)議相比，IPv6協(xié)議具有以下主要技術(shù)優(yōu)勢：①地址空間更加龐大，其地址長度為128位，可提供的地址數(shù)量非常龐大，幾乎可以在世界范圍內(nèi)的每一粒沙子上進(jìn)行IP地址編程[1]。②傳輸速度更快，IPv6協(xié)議技術(shù)不再攜帶冗長數(shù)據(jù)，而是以簡短報(bào)頭的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這樣可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的顯著提升。③傳輸方式更加安全，IPv6協(xié)議技術(shù)中實(shí)現(xiàn)了IPsec的直接集成，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行認(rèn)證和加密，這樣便可為用戶的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全提供良好保障。④具有更高的友好性，該協(xié)議的應(yīng)用可使移動(dòng)終端具有更強(qiáng)的移動(dòng)性能，并進(jìn)一步提升其路由特性與安全特性，讓網(wǎng)絡(luò)部署更加簡單，同時(shí)也可以進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)部署方面的投資。⑤具有更高的便捷性，相比較IPv4協(xié)議而言，IPv6協(xié)議中增加了重配置以及自動(dòng)配置兩種技術(shù)，可自動(dòng)進(jìn)行IP地址的更新與增刪處理，從而使網(wǎng)絡(luò)管理更加便捷。

二、5G網(wǎng)絡(luò)中的主要IPv協(xié)議技術(shù)分析

（一）IPv6協(xié)議技術(shù)體系

在傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)中，雙棧終端通常需要在連接時(shí)建立，且在此過程中需要不斷進(jìn)行IPv4-IPv6雙棧連接請求的發(fā)起?；诖?，在當(dāng)前的5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，考慮到IPv6協(xié)議在未來會普遍應(yīng)用，所以可將其中的IPv4-IPv6雙棧設(shè)計(jì)去除，使IPv6轉(zhuǎn)變?yōu)閱螚Ｐ问?，以此來?shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)的進(jìn)一步簡化。具體設(shè)計(jì)中，通過將IPv4-IPv6雙棧設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)镮Pv6單棧設(shè)計(jì)，可以有效防止5G網(wǎng)絡(luò)同時(shí)分配IPv4地址和IPv6地址導(dǎo)致部分終端只能應(yīng)用IPv4地址的情況，從而實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的進(jìn)一步簡化，避免雙棧分配中的IPv4協(xié)議對IPv6協(xié)議優(yōu)化機(jī)制產(chǎn)生限制，并使用戶終端和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)連續(xù)性連接過程得到進(jìn)一步簡化。而在將這種IPv6優(yōu)化機(jī)制引入到5G網(wǎng)絡(luò)中后，便可為其中的RFC 7157（Multi-Homing）提供支持，讓用戶能夠?qū)Ρ镜鼐W(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)施同時(shí)訪問[2]。這種應(yīng)用模式對于邊緣計(jì)算的實(shí)現(xiàn)具有非常大的應(yīng)用優(yōu)勢，可以讓5G網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)具有更好的連續(xù)性，從而使網(wǎng)絡(luò)切換過程中的中斷時(shí)延得到明顯的降低。

（二）IPv6協(xié)議過渡技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)從IPv4協(xié)議到IPv6協(xié)議的過渡需要考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等綜合因素，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的IPv4到IPv6過渡方法具有一定程度的相似性，就目前來看，其主要的過渡技術(shù)有雙棧過渡技術(shù)和隧道過渡技術(shù)。具體應(yīng)用中，其技術(shù)方案如下：

1.雙棧技術(shù)（IPv4/IPv6）方案。

該方案主要應(yīng)用的是IPv4/IPv6雙棧技術(shù)以及NAT44技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可同時(shí)為IPv4協(xié)議棧以及IPv6協(xié)議棧提供支持，源節(jié)點(diǎn)可可根據(jù)不同的目的節(jié)點(diǎn)，合理選擇不同的協(xié)議棧；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備會根據(jù)不同的報(bào)文協(xié)議類型來選擇合適的協(xié)議棧處理和轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。將IPv4程序設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)終端，不僅可以為公網(wǎng)中的IPv4應(yīng)用服務(wù)器訪問提供支持，同時(shí)還可以避免網(wǎng)絡(luò)部署過程中IPv4協(xié)議和IPv6協(xié)議相互影響的情況。通過按需部署的方式，可以更進(jìn)一步地簡化整體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。另外，借助IPv6自身的優(yōu)選策略，網(wǎng)絡(luò)終端雙棧也可以逐步增長IPv6流量，以此來滿足用戶的實(shí)際應(yīng)用需求。在此過程中，如果網(wǎng)絡(luò)終端的IPv6地址只有一個(gè)，可采用NAT64+DNS64來進(jìn)行IPv4協(xié)議和IPv6協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，滿足用戶對于5G網(wǎng)絡(luò)IPv4協(xié)議和IPv6協(xié)議的實(shí)際應(yīng)用需求，并使其中的IPv4協(xié)議地址短缺或IPv6協(xié)議地址短缺問題得以有效解決[3]。

2.隧道技術(shù)（GI DS LITE）方案

該技術(shù)方案的核心思想是在兩個(gè)通信孤島之間建立一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的虛擬通道，使得通信數(shù)據(jù)可以在兩者之間傳輸，從而滿足兩者的相互通信需求。具體應(yīng)用中，需要將一個(gè)IPv6網(wǎng)絡(luò)同時(shí)連接到通信的兩端。雖然這種技術(shù)模式不能對IPv4協(xié)議條件下的通信數(shù)據(jù)作出有效識別，但可以通過隧道通信形式在IPv6承載條件下傳輸IPv4報(bào)文。在當(dāng)前運(yùn)營商所運(yùn)行的PDN策略中，此種技術(shù)方案是非常適用的。在以往的隧道技術(shù)方案中，大多數(shù)應(yīng)用場景只能支持IPv4協(xié)議，但是隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的應(yīng)用場景也支持IPv6協(xié)議的應(yīng)用。將IPv6網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在PDN側(cè)，便可充分滿足兩個(gè)通信孤島之間的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)通信需求。

（三）IPv6協(xié)議部署技術(shù)

就技術(shù)角度而言，IPv6具有較為復(fù)雜的演進(jìn)過程，且演進(jìn)過程中涉及的制約因素也有很多，比如IPv4/IPv6雙棧終端能力、IPv4在公網(wǎng)中的分配情況、IPv4在私網(wǎng)中的地址空間以及5G網(wǎng)絡(luò)中存在的應(yīng)用程序等?；诖耍趯?G網(wǎng)絡(luò)里的IPv6協(xié)議進(jìn)行業(yè)務(wù)部署時(shí)，運(yùn)營商與技術(shù)人員還需要對具體的過渡策略、現(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)設(shè)備支持條件、計(jì)費(fèi)營賬系統(tǒng)開發(fā)情況、數(shù)據(jù)設(shè)備能否支持雙棧設(shè)計(jì)情況以及業(yè)務(wù)平臺對IPv6協(xié)議的支持程度等各項(xiàng)因素加以綜合考慮。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，在當(dāng)今的5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，IPv6協(xié)議的主要部署技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：

1.將IPv6協(xié)議部署到EPC中

由于IPv6協(xié)議所應(yīng)用的地址結(jié)構(gòu)均為新型結(jié)構(gòu)，因此在具體應(yīng)用中，許多應(yīng)用程序只有在對API調(diào)用做出合理修改的情況下才能啟用IPv6協(xié)議棧。這種情況導(dǎo)致很多應(yīng)用程序無法實(shí)現(xiàn)平滑遷移，使用戶無法獲得一致性的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。再加上多數(shù)據(jù)終端的兼容性不佳，不能為IPv6協(xié)議的應(yīng)用提供支持，從而也使IPv6協(xié)議在規(guī)模方面受到了較大制約。基于此，在部署5G網(wǎng)絡(luò)中的IPv6協(xié)議時(shí)，相關(guān)單位與技術(shù)人員需根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用及其終端的實(shí)際發(fā)展情況，采用不同的部署策略。在初期部署階段，許多終端以及程序無法支持IPv6協(xié)議，尤其是移動(dòng)設(shè)備終端，更是無法滿足IPv6協(xié)議的實(shí)際運(yùn)行。因此，在這一階段中，需要對IPv6協(xié)議和IPv4協(xié)議進(jìn)行同時(shí)部署，而不是僅僅將新的IPv6協(xié)議地址分配給用戶。如果僅僅將新的IPv6協(xié)議地址分配給用戶，勢必會對其網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)產(chǎn)生不良影響，并進(jìn)一步降低其應(yīng)用體驗(yàn)?？紤]到用戶和運(yùn)營商在這一過渡時(shí)期的整體情況，具體部署中，可通過上述的IPv4/IPv6雙棧模式進(jìn)行部署，以此來為單一IPv6協(xié)議部署問題解決提供最佳方案[4]。

這種部署模式既可以讓運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)IPv4與IPv6協(xié)議地址的合理提供，同時(shí)滿足用戶對5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用需求，進(jìn)一步提升其應(yīng)用體驗(yàn)；也可以讓IPv6協(xié)議技術(shù)在現(xiàn)代5G網(wǎng)絡(luò)中獲得更好的發(fā)展。在IPv6規(guī)模的發(fā)展時(shí)期，5G網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)實(shí)現(xiàn)純IPv4協(xié)議和純IPv6協(xié)議的并存。在此階段中，以IPv6協(xié)議為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)將會在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)大量部署，且大多數(shù)的終端以及應(yīng)用都可以為IPv6協(xié)議提供支持。因此，將IPv6協(xié)議地址提供給5G網(wǎng)絡(luò)用戶不會對其業(yè)務(wù)需求產(chǎn)生不利影響，也不會降低網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)體驗(yàn)。然而，考慮到一些用戶依然習(xí)慣于應(yīng)用IPv4協(xié)議，依然需要按照IPv4/IPv6雙棧技術(shù)進(jìn)行部署。在具體的協(xié)議部署中，可以將一個(gè)IPv6協(xié)議地址分配給5G網(wǎng)絡(luò)終端，并利用NAT64+DBT64技術(shù)來支持IPv4協(xié)議模式下的相關(guān)業(yè)務(wù)訪問。在IPv6協(xié)議目標(biāo)階段，IPv6協(xié)議技術(shù)已經(jīng)成為5G網(wǎng)絡(luò)中的一種成熟技術(shù)，且5G網(wǎng)絡(luò)中幾乎所有的應(yīng)用以及終端都能夠?yàn)镮Pv6協(xié)議提供支持。隨著云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的全面發(fā)展，可以考慮將傳統(tǒng)的IPv4協(xié)議棧全部關(guān)閉，只對IPv6協(xié)議棧進(jìn)行部署。為滿足IPv6協(xié)議的實(shí)際應(yīng)用需求，對于5G網(wǎng)絡(luò)中不能夠?yàn)榇隧?xiàng)協(xié)議技術(shù)提供支持的應(yīng)用以及終端，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更新或替換處理，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都支持IPv6協(xié)議的運(yùn)行。通過這樣的方式，才可以讓IPv6協(xié)議技術(shù)在現(xiàn)代5G網(wǎng)絡(luò)中得到科學(xué)部署。

2.以SDN為基礎(chǔ)的IPv6協(xié)議移動(dòng)性管理技術(shù)

就目前的5G網(wǎng)絡(luò)來看，PMIPv6是一種常用的移動(dòng)性管理技術(shù)，該技術(shù)的主要應(yīng)用方法是通過IP隧道對5G網(wǎng)絡(luò)本地移動(dòng)性進(jìn)行處理。但經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，此項(xiàng)技術(shù)存在很多問題，比如IP隧道開銷問題、控制面和數(shù)據(jù)路徑共用問題等。為解決上述問題，提升5G網(wǎng)絡(luò)中的IPv6協(xié)議應(yīng)用效果，在具體部署中可對SDN加以合理應(yīng)用。SDN又被稱之為軟件定義網(wǎng)絡(luò)，它的組網(wǎng)協(xié)議是OpenFlow，而且其組網(wǎng)的形式相對來說比較靈活，通過PMIPv6組件和移動(dòng)性管理功能的分開設(shè)置可以使得OpenFlow架構(gòu)優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。圖1為OpenFlow中的OPMIPv6結(jié)構(gòu)體系示意圖。

在該結(jié)構(gòu)體系中，OPMIPv6專用節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)功能處于分離狀態(tài)。LAM（本地移動(dòng)性錨點(diǎn)）功能位于控制器中，而MAG（移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān)）功能則位于交換機(jī)或控制器中。借助于PMIPv6協(xié)議，可以為LMA以及MAG功能條件下的MN移動(dòng)性管理提供支持，從而使控制平面和數(shù)據(jù)庫之間達(dá)到良好的分離效果?？刂破骱徒粨Q機(jī)之間的通信主要借助于OpenFlow來實(shí)現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的科學(xué)設(shè)置以及交換機(jī)的合理控制，可以有效防止數(shù)據(jù)報(bào)文在IP隧道中轉(zhuǎn)發(fā)的情況發(fā)生。在集中式移動(dòng)管理控制器中，可對LMA以及MAG功能進(jìn)行耦合處理，這種耦合處理模式被又稱為OPMIPv6-C[5]。在該模式下，LMA以及MAG功能都可以實(shí)現(xiàn)托管，兩者之間的PMIPv6指令也可以得到最大化的省略。圖2為OPMIPv6-C主要部署結(jié)構(gòu)示意圖。

3.以MEC為基礎(chǔ)的接入網(wǎng)IPv6協(xié)議技術(shù)部署

MEC又叫做邊緣計(jì)算技術(shù)，該技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)和IPv6協(xié)議技術(shù)研究中的一種關(guān)鍵技術(shù)，在5G網(wǎng)絡(luò)的IPv6協(xié)議技術(shù)部署中，通過MEC技術(shù)的合理應(yīng)用，可讓IPv4與IPv6協(xié)議之間實(shí)現(xiàn)融合通信，并實(shí)現(xiàn)位置和標(biāo)識之間的有效分離，以此來全面提升5G網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、安全性及其可拓展性。在此過程中，將全球唯一地址表示加以合理應(yīng)用，可以為5G網(wǎng)絡(luò)中的各種服務(wù)部署及其遷移創(chuàng)造一個(gè)靈活的管理環(huán)境，同時(shí)也可以為其提供良好的NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）應(yīng)用功能。隨著IPv6協(xié)議在更多5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的應(yīng)用，此項(xiàng)功能的優(yōu)勢也將更加突出。

（四）IPv6協(xié)議安全技術(shù)

因?yàn)楫?dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)中的UDN（超密集組網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)用戶接入需求為海量形式，而其服務(wù)器端也需要滿足海量用戶對于安全認(rèn)證方面的實(shí)際應(yīng)用需求。在這樣的情況下，海量用戶的加密服務(wù)器性能、加密方法和Dos/DDoS新感知網(wǎng)絡(luò)攻擊等各個(gè)方面都具有非常高的安全需求。為滿足上述安全需求，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)中著重強(qiáng)調(diào)了對于SDN以及NFV方面的支持。通過SDN的應(yīng)用，不僅可對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做出合理改善，同時(shí)也可以使其中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)資源得到合理優(yōu)化。而在METIUS 5G網(wǎng)絡(luò)場景里，可將移動(dòng)接入設(shè)備臨時(shí)升級成小基站，讓5G網(wǎng)絡(luò)具有更大的覆蓋面積[6]。但是由于此種小基站的安全等級要求非常高，所以在具體部署中，相關(guān)單位和技術(shù)人員需要對其安全管理問題做出進(jìn)一步的研究，讓IPv6協(xié)議為整體5G網(wǎng)絡(luò)安全體系的構(gòu)建提供有力支持。

三、結(jié)束語

綜上所述，IPv6是目前網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)中最先進(jìn)的一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議模式。尤其是在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，IPv6技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢非常突出?；诖?，在對5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用和優(yōu)化的過程中，相關(guān)單位、研究者和技術(shù)人員一定要明確IPv6協(xié)議在其中的應(yīng)用優(yōu)勢，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用及其發(fā)展需求，對IPv6協(xié)議技術(shù)加以合理應(yīng)用。通過這樣的方式，才可以讓現(xiàn)代用戶對于5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求得以充分滿足，進(jìn)一步提升5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率、傳輸質(zhì)量及其安全性，從而促進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)今時(shí)代中的良好發(fā)展。