IPv6在无线网络中的影响

常征

(中国矿业大学计算机系 221008)

　　摘要 本文讨论IP协议，特别是IPv6在下一代移动网络中的影响。3G网络能处理传统的电路交换网络与包交换网络之间的数据交换，其中有些数据是实时数据，并以全IP的方式实现固定网络和无线网络的互联，这样就对IP提出新的挑战。IPv6因为具有地址庞大，加强的安全性和移动性支持，是3G的一个标准，虽然还存在一些问题，但必然在3G网络中扮演重要的角色。

　　关键词 IPv6 无线网络 3G 移动性支持 实时数据

1、 介绍

　　3G网络运营商希望能为潜在的客户提供大量的应用服务，这些服务将包括传统的语音服务和一些难以想像的服务。3G网络能处理大量的流量需求，可能将促使移动Internet的实现。

　　当前在Internet中使用的协议是TCP/IP，它在处理突发的、不对称的和难以预测的数据是非常有效的和成功的。所以，IP将在未来的3G网络中扮演重要的角色，即所谓的全IP网络，这是不争的事实。但在3G网络中使用IP还有些问题，例如IP不支持实时的服务质量（QoS），3G网络中的多媒体数据是要有实时性支持的，这些需要由别的协议来完成。另外，在数据传输期间IP也不支持移动终端在蜂窝单元间移动。

　　尽管IPv4仍是许多固定网络中主要的IP版本，一些网络运营商却已经开始考虑在其网络构架中使用IPv6，3GPP已经将IPv6作为3G网络中的标准协议。

2、 IP在3G网络中

　　出于经济的原因，网络运营商一般都会选择IP协议，因为IP无处不在。从工程技术的角度来说，IP结构简单，既可用于固定网络，也可以用于移动网络，便于实施和管理。从端用户的角度来说，他们需要的是在访问数据时，数据的完整性和一致性得到保证，这些IP也能完成。但在3G网络中，对于IP有着特殊的要求：

*数据的传输

*电路交换和包交换网络中的数据交换

3、 全IP网络

　　3GPP标准引入了全IP网络，但这个全IP的网络究竟是什么样的。对此，人们有着不同的观点。有人认为是端到端的本地IP方案，有人认为只涉及核心网络。抛开这些细节，笔者认为可以把网络分成三部分来讨论，这三部分包括：

*核心网络

*无线网络

*无线接口

3.1 全IP网络的高级需求

　　3G网络运营商由于要处理两个基本的通信域：电路交换网络和包交换网络。而将两者合二为一，会促成一个更复杂的网络。对于一个全IP网络，一些基本的高级需求有：

*对于语音和其他实时数据的端到端的QoS，至少要达到电路交换网络的级别。

*呼叫控制和电话类型服务，比如呼叫转移，呼叫人身份等。

*移动性支持

*有效使用无线频谱

3.2 语音和实时服务

　　语音服务是3G提供的基本的网络服务。但语音服务有着特殊的质量要求，例如在PSTN中，语音在延迟、回响、清晰度等方面有着很严格的要求。在VoIP中，还会有别的因素对语音产生影响，比如由抖动造成的延迟和由丢包产生的清晰度衰减，以及带宽限制和数据压缩等。在语音和实时数据传输时，迟到的包即是丢失的包。语音的QoS依靠端到端的性能，这意味着网络中的每个实体都必须分配有充足的资源，目前，由于使用了像RSVP（资源预留协议）这样的协议或像MPLS（多协议流标记交换）这样的流分类方案，因此需要对流进行管理。如果运营商可以管理所有的网络，这些机制可以运行的很好，但事实上却不能。

　　不过如果使用IPv6，情况可能有所改观。在IPv6中定义了流标记域，该域可以被RSVP利用。在RSVP信息中有一个过滤器，用它可以定义传输的数据类型。例如，当一个应用程序要传输一个文件和语音流时，用过滤器可以定义一个TCP端口用于文件传输，一个UDP端口用于语音传输。而在IPv6中，报头可以深藏在众多控制报头之后，那么接收方就无须定义端口，而可以使用流标记。

　　有一个值得注意的问题是，TCP最初是用于固定网络的，用于可靠性传输。但对于无线网络来说，可能不太适宜。因为在无线网络中，有着更高的误码率，这包括很多因素：信号衰减、基站的信号移交和负载。在TCP中，包丢失被认为是网络冲突的结果，而非数据位传输的问题，那么如果不作任何修正，只使用TCP，那么在无线网络中大量的报文将被认为是丢失。所以，TCP的效率在无线网络中不高。

　　除了流标记域，IPv6还定义了一个优先级域，这个4位的域可以控制报文的发顺序。优先权在8以上的是对时间要求很严格的数据，优先权在0~7是可以经受延迟的数据，该域有助于3G网络的QoS管理。

3.3 移动性支持

　　3G中最重要的是对移动性的支持。移动性既存在于核心网络，也存在于无线网络中。在核心网络中，移动性是在宏观网络上处理。在这个域中，移动主机被认为是做缓慢的移动，移动IP通过在合适的节点上建路由表，可以是IP报文发送到不在家乡网络的移动节点上，一个节点的IP地址是唯一的标识其在Internet上的物理地址。因此一个通信伙伴节点发送报文到移动节点时，报文将被路由到移动节点的家乡网络上，而不管移动节点的当前位置。当移动节点在家乡网络时，它与通信伙伴节点的通信是按照一般方式进行的。当移动节点离开家乡网络时，需要一个代理来为其工作，这个代理被称为是家乡代理，它与移动节点保持实时在线联系。家乡代理必须知道移动节点的物理位置。为此，移动节点在离开家乡网络并获得一个外地网络的转交地址后，必须立即通知家乡代理，在IPv4中，移动节点是通过外地代理来获取转交地址。而在IPv6中，移动节点使用路由器发现协议（RDP），来判断当前位置。当移动节点在外地网络时，利用RDP和地址自动配置机制，来获取转交地址，然后移动节点将此转交地址通知家乡代理。如果安全性能得到保证，还可通知通信伙伴节点。如果通信伙伴节点知道了移动节点的转交地址，可直接将数据发往移动节点。

　　通信伙伴节点如果并不知道移动节点的转交地址，则将报文发送到移动节点的家乡代理，家乡代理将报文封装后，用通道方式发送到移动节点的转交地址。当移动节点转移到新的位置时，它将发送一个绑定更新信息到家乡代理。该信息中包含新的转交地址。

　　移动IPv6对于固定网络上有效的，但在无线网络中，还有一些问题。因为移动节点在无线网络中移动太快。尽管移动IPv6支持平滑数据移交，但移动节点在连接建立初期，会丢失报文，这种情况在移动节点行进在两个有重叠的蜂窝单元时，发生的可能性最大。另外，按照早期的移动IPv6的要求，移动节点在外地网络中每移动一个新的位置就要发一个绑定更新信息到家乡代理或通信伙伴节点，而这个位置的变化可能相对来说很小，这个绑定更新的信息其实可以忽略，但按照要求却必须发送出去，这样很多冗余的绑定更新信息占据了带宽、浪费了宝贵的网络资源，还会引发网络冲突，减少了有效数据的传输。对此，IETF又提出了分级移动IPv6（Hierarchical Mobile IPv6）和蜂窝IPv6，从微观移动性来解决这些问题，其核心是移动性管理，减少冗余信息，并将家乡代理的移动性管理的能力下放一部分到代理。下面介绍一下分级移动IPv6的机制。

　　一个新的移动IPv6节点-移动锚接点（MAP），它提供了一个可选的移动管理功能。该功能可以位于该分组的任一层。当移动节点移动到一个MAP域并连接到一个访问路由器（AR）时，MAP就可获取该MAP域的本地转交地址（RCoA），和AR上的在线转交地址（LCoA）。然后，移动节点将一个绑定更新发送到该MAP。MAP将该绑定记录与自己的绑定暂存中。移动节点也可发送绑定更新到家乡代理和通信伙伴节点，但这些绑定更新是把移动节点的家乡地址和移动节点的本地转交地址（RCoA）绑定在一起。

　　MAP的作用就象家乡代理。从家乡代理和移动通信节点发送到本地转交地址的报文由MAP接收后，经过封装然后发往移动节点的在线转交地址。当移动节点收到报文后解包，并按照正常的方式处理报文。所以移动节点只需要在改变MAP域时再发送绑定更新到家乡代理和移动节点。而在同一个MAP域中的访问路由器间变换在线转交地址，则无须再向家乡代理和移动节点发送绑定更新。这样，主干网络中冗余的绑定更新报文就可以大大减少，从而减少网络冲突，提高有效信息的发送。

　　这个方案是利用了IPv6的地址量大和邻居发现机制的特点，并将整个结构分为本地域和全球域，使得本地的数据信息移交对于移动节点是透明的。

另外，在蜂窝IPv6中要求：

*控制信息使用IPv6控制报头

*认证头用于所有的标记

*用IPv6的无状态自动配置来获取转交地址

*加入一个间接的半软的信息移交机制

半软的信息移交机制允许移动节点与新的或老的基站间始终保持联系，并能接收来自基站的报文。

3.4 无线频谱效率

　　对于完全的端到端IP方案，需要在无线接口上实现IP通信。WCDMA已经能为多媒体服务提供充分的支持，即可以在一个连接上实现多个服务。但在IP网络中，应用层和传输层是分开的，这对于在3G无线负载上传输IP是个问题，因为在无线蜂窝网络中，应用层和传输层是合在一起的。这就要为无线载体定义和设置一个属性：流量分类。有两种方法可以完成这个任务：

*显式的，在应用层和无线连接层间使用一个应用程序接口

*隐式的，开发一个流分类算法，去检查报头，抽取流上的信息用于辨别和分类。IPv6中的流标记可以用于此目的。

　　在无线接口上传输IP的一个最大的困难是报头长度。IPv6的报头有40个8位组，在VoIP中，对于IPv6/UDP/RTP的报文序列，报头甚至达到60个8位组，而真正的语音数据却不过15~30个8位组。解决这个问题的办法之一是压缩报头，由于在同一个流中，各报文的报头有很多冗余信息，是可以压缩的。比如基于报头的健壮性校验和法（ROHC）。

3.5 IPv6的其他方面

　　IPv6地址空间巨大，毫无疑问，这点对于3G运营商来说是一个很大的诱惑，IPv6可以为每个用户和终端分配一个IP地址，这点对于始终在线的设备来说至关重要。而且IPv6引入了增强了的安全性，简化了的报头，更好的扩展性和泛播技术，这些对于3G网络中的全IP的实施是很有用的。

4、 小结

　　3G网络作为下一代移动通信网络，对于现有的无线通信和IP网络协议提出了新的要求。IPv6作为新一代互联网协议，具有比现有的IPv4协议更优越的特性，比如庞大的地址空间、加强的安全性、移动性支持，从而能够在许多方面满足3G网络实现全IP网络的要求。尽管还有许多工作要做，但我们还是有信心，期待着3G网络在IPv6的基础上创建一片新的天地。

作者简介：夏世雄，副教授，计算机系主任，从事计算机网络与计算机控制的研究；常征，计算机应用专业硕士研究生，从事计算机网络与数据库的研究。 email: changzheng_cz@263.net

摘自《中国移动通信》