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ip v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 摘要 近几年来，随着i n t e r n e t 的快速应用与发展，迫切需要新的互 联网协议i p v 6 来解决目前网络中的问题，i p v 6 协议在下一代网络中 的应用技术受到了国内外研究者的极大关注。目前，i p v 6 技术的应用 研究有两大方向：一是在骨干传输网中，结合以a s o n 为核心的智能 光网络技术，以满足新的业务要求和带宽需求；二是以移动通信为接 入技术的移动i p v 6 技术，提供随时随地的移动接入，在将来在3 g 网 络的关键技术。当前的移动i p v 6 切换技术，存着的延迟大、丢包率 高的特点，不能满足实时性应用对移动网络的要求。 本文旨在对i p v 6 协议在光通信网络和移动网络中的应用做一些 相关的讨论和研究，从介绍i p v 6 的特性出发，重点介绍了下一代光 网络中i p v 6 的应用，以及移动i p v 6 技术。并重点研究了移动i p v 6 切换方案的优化，并通过仿真进一步验证了优化方案，为了深入研究 移动i p v 6 机制，设计实现并研究了基于l i n u x 的移动i p v 6 系统。 论文主要涉及以下几方面的内容： 1 全面的探讨了i p v 6 技术在下一代网络中的应用前景，并详 细介绍了本文的研究目标及研究内容。 2 全面地讨论了下一代互联网协议i p v 6 的研究发展状况、主 要特点、优点和关键技术等。 3 介绍i p v 6 协议在光网络中应用，以及与光通信技术的融合， 并阐述了智能光网络技术和光i n t e r n e t 。 4 深入讨论i p v 6 协议与移动通信技术相结合的移动i p v 6 协 议与技术，分析移动i p v 6 协议的原理及相关特性。 5 全面分析移动i p v 6 的几种切换方案，分析切换时延引起的 原因，并对切换技术做深入研究，然后给出了切换时延的性能分析， 并针对分析结果提出优化切换方案。 6 在l i n u x 平台，利用开源软件m i p l ，实现了移动i p v 6 系统， 并研究其工作机制，为进一步研究打下基础。 7 利用o m n e t + + 仿真软件，对几种移动i p v 6 切换方案进行仿真 研究和验证，经过分析，证明快速分层切换技术的可行性和有效性。 关键词：i p v 6 光网络移动i p v 6 快速分层切换 r e s e a r c ho nt h ea p p u c a t i o no fi p v 6i n o p t i c a la n dm o b i l en e t w o r k a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，i ti su r g e n tt oa p p l yn e w i n t e r n e tp r o t o c o l i p v 6t os o l v et h ep r o b l e mo fc u r r e n tn e t w o r k t h ea p p l i c a t i o n o fi p v 6h a sd r a w nm u c ha t t e n t i o no ft h er e s e a r c h e r sa l lo v e rt h ew o r l d a tt h e p r e s e n tt i m e ，t h e s er e s e a r c h e r sm o s t l yf o c u so nt w oa s p e c t s ：1 t oi n t e g r a t ei p v 6 w i t hi n t e l l i g e n t o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n 2 t oi m p r o v e t h e p e r f o r m a n c eo f m o b i l i t ys u p p o r ti ni p v 6 a st h ec u r r e n tm o b i l ei p v 6h a sl i m i t a t i o no nl a t e n c y a n dl o s tp a c k e t st of a c et h er e q u i r e m e n t so fr e a lt i m ea p p l i c a t i o n s ，s u c ha sv o l p a n d i p r v t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o no fi p v 6i no p t i c a la n dm o b i l en e t w o r k , e m b a r k sf r o mt h ei n t r o d u c t i o no ft h es o c i a l i t yo fi p v 6 ，t h e ns t u d i e st h es e v e r a l m o b i l i t yh a n d o v e rs c h e m e sa n dp r o v i d e ss o m eo p t i m i z e ds c h e m e sa n dt h e i r s i m u l a t i o n sw i t ho m n e t + + i no r d e rt os t u d ym o r ea b o u tm o b i l ei p v 6 ，am o b i l e i p v 6t e s tb e db a s e do nl i n u xs y s t e ma n dm i p li si n t r o d u c e d t h i sp a p e rm a i n l y i n c l u d e st h ef o l l o w i n gi n f o r m a t i o n ： 1 t h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o no fi p v 6t e c h n o l o g yi nn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) ，a n di n t r o d u c et h eo b j e c t i v ea n dc o n t e n to ft h i sp a p e l 2 t h ed e v e l o p m e n t ，c h a r a c t e r i s t i c ，r e s e a r c hs t a t u sa n dk e yt e c h n o l o g yo f i p v 6 3 t h ea p p l i c a t i o no fi p v 6i no p t i c a ln e t w o r ka n dt h ec o n c e p to fo p t i c a l i n t e r n e t 4 t h ec o n c e p ta n da d v a n t a g eo fm o b i l ei p v 6 5 t h ei n t r o d u c t i o n so fs e v e r a lh a n d o v e rs c h e m e so fm o b i l ei p v 6a n dt h e a n a l y s i so fl a t e n c yi nh a n d o v e rp r o c e s s ，a sw e l la st h eo p t i m i z e ds c h e m e s 6 t h ei m p l e m e n t a t i o na n ds t u d yo nm o b i l ei p v 6s y s t e mb a s e do nl i n u x s y s t e ma n dm i p l2 0 2 、t h es i m u l a t i o n sa n da n a l y s i so fs e v e r a lh a n d o v e rs c h e m e si n c l u d i n g o p t i m i z e do n e sw i t ho m n e t + + a n di p y 6 s u i t e w i t h i n e tm o d u l e s k e y w o r d s ：i p v 6o p t i c a ln e t w o r k m o b i l ei p v 6f a s th i e r a r c h i c a lh a n d o v e r 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 ，p 二 本人签名：丝亟塾日期：z 望：垒! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：垒塾童 导师签名：b 笪塑1 b 日期；兰：坚! ：兰 北京邮电大学硕士研究生学位论文 l p v 6 协议在光同络和移动网络中的应用技术研究 1 1 研究背景 第一章绪论 随着通信技术的不断发展以及互联网的广泛应用，人们工作和生活方式逐渐 为之改变。可以预见，在不远的将来，必将实现人类通信的美好蓝图：人们将实 现在任何时间、在任何地点、可以用任何一种媒体与任何一个人进行通信的梦想。 而传统的互联网在带宽，安全性，多媒体支持，移动性支持等方面存在许多缺陷， 而且地址资源已近枯竭，不能适应越来越多的用户和业务需求，因此发展并应用 下一代网络( n g n ) 势在必行。随着业务需求和技术的发展，下一代网络n g n 已经 成为网络通信发展的热点。 在解决骨干网的传输带宽方面，光通信无可争议地成为首选技术。而在接入 网部分，随着手机的大量普及，移动接入己成为互联网的新的接入方式。而下一 代网络将是i p 网络、光网络、无线网络的世界。主要特点包括： a 下一代网络骨干传输架构实际上是i p 技术+ 光网络，光网络将会演进为全 光网络。 b 则移动接入技术将成为下一代网络中不可缺少的组成部分。 下一代网络是基于i p 的网络，这一点在业界已成共识，即从核心网到用户 终端，信息的传递以i p 的形式进行，而下一代网络的核心协议是i p v 6 协议。同 时，宽带的发展需求迎来了光通信的快速发展，光通信已经渗入网络的各个层面， 从广域网到局域网；从长途网、接入网，到用户网，光通信为宽带应用提供了广 阔的发展前景。因此，研究 p v 6 协议在下一代光网络中的应用非常有必要。 移动通信可以不受地理位置限制随时随地地获取通信与信息服务。移动通信 和互联网技术的结合，使人们可以在移动中高速接入互联网，获取所想要的信息 与资源。远程办公、移动计算的应用将逐步成为可能，其需求也不断增长，如在 移动中在线欣赏电影，视频通话等等。 通过移动网络提供数据业务进而获得更高的增值业务也是移动运营商追求 的新的业务增长点。然而这些实时业务的开展须建立在良好的传输服务质量的基 础上，特别是移动设备从一个网络切换另一个网络环境下，在切换过程中，由于 连接的中断，必然造成数据包丢失和延迟的产生，如果不解决这些问题，必然影 北京邮电人学硕卜研究生学位论文i p v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 响下一代互联网实时应用的发展。除了切换性能因素以外，现行的网络协议i p v 4 在已成为下一代网络应用发展的障碍，大量的移动设备入网需要大量的i p 地址， 而现有的互联网基础协议i p v 4 在地址空间，寻址和路由方法，服务质量，网络 安全和移动性等方面都暴露出不足，不足以支撑下一代网络的发展的要求。而 i p v 6 所能提供的巨大的地址空间以及所具有的诸多潜在优势和功能，使其成为 下一代网络的重要基础，并将在未来移动数据业务网络中扮演重要角色。 i p v 6 协议将致力于使目前的网络变成一个全球性基于分组包交换的网络，通 过这种“永远在线”的互联网连接，全球i p v 6 网络进入一个崭新发展期，将提 供越来越多的精彩的实时性的端对端的应用和服务。而i p v 6 协议栈也能够满足 下一代语音、数据、视频融合的通信网络对网络的安全、服务质量和移动性等方 面的要求。 为了满足日益增多的互联网移动性的要求，i e t f 设计并提出m o b i l ei p v 6 一系列建议和草案，使移动节点( 蚋) 在不同网络间切换时仍可保持正在进行的通 信。标准移动i p v 6 协议定义了网络切换的过程，但在切换初始化，到完成切换 的过程中，移动节点和通信节点将会有短暂的通信中断，特别是当移动节点远离 家乡网络时，会造成较大的切换延时，从而引起严重的包丢失和通信吞吐量的下 降。而过多的切换延迟和数据包的丢失对移动i p v 6 网络的实时应用系统和对延 迟敏感的网络传输来说是难以接受的。为了提高移动i p v 6 切换的性能，目前业 界已经提出了许多移动i p v 6 的扩展方案和新的协议草案，其主要工作大都集中 在减少延迟和数据包的丢失率，以及移动节点与家乡代理( h a ) 和通信节点( c n ) 之间的信令负载等方面。本文的研究重点放在i p v 6 协议在下一代网络中的应用， 以及移动i p v 6 协议的切换技术，实现一个低延迟、低丢包率的基于l i n u x 的移 动i p v 6 系统，以适应未来实时多媒体应用的性能要求。 综上所述，移动i p v 6 在切换性能上还存在很多值得研究的问题。首先目前 的各种切换草案还不能适应实际的需要，迫切需要改进提高：第二，建立移动 i p v 6 支撑试验床，设计切换协议的扩展方式，制定消息通信机制和缓冲池数据 结构，实现快速分层切换；第三，利用仿真对移动i p v 6 的切换技术进行仿真， 探索最优化切换算法。 本文就将对上述三个问题展开深入的论述，对现有的标准草案文档进行研 究，部署赫尔辛基大学的研究成果m i p l ( m o b i l ei p v 6f o rl i n u x ) 作为移动i p v 6 试验平台，设计并实现一个支持切换的系统，使其具有较低的时延和丢包率，来 满足移动互联网中实时业务的高性能的要求。并通过o m n e t + + 对优化切换算法进 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 行仿真。 1 2 研究目标及研究内容 为了提高移动i p v 6 切换的性能，目前业界己提出了许多移动i p v 6 的扩展方 案和新的协议草案，本文的研究目标是深入分析和研究i p v 6 协议的应用技术， 以及现有的移动i p v 6 在切换方面的扩展技术，以i e t f 标准k f c 和最新草案文档 为依据，部署支持移动i p v 6 协议操作的试验床m i p l ，研究设计基于i i p l 的移 动i p v 6 快速分层切换的消息结构和切换机制，并结合相关技术的基础上实现快 速分层切换框架，重点解决数据包缓存的优化及实体问的消息通信机制，来解决 移动切换所引起的丢包问题。同时为下一代互联网移动i p v 6 环境中展开实时媒 体传输的整体解决方案作初步的研究与探索。 为此，本文的研究工作主要将放在以下几方面： i 深入研究i p v 6 协议，包括i p v 6 新特性及协议栈的实现，及其在下一代光通 信网络中的应用和发展，以及移动i p v 6 基础技术原理，移动i p v 6 切换问题 等。重点强调了i p v 6 的技术应用，切换的支撑技术及协议方面的知识，明确 目前移动i p v 6 在切换服务质量方面存在的问题，指出造成这样的问题的一个 重要原因是目前的切换扩展技术还不够成熟，达不到移动网络中实时应用的 要求。 2 根据赫尔辛基大学通信与多媒体实验室开发维护的m i p 开放源码系统，规划 实际网络拓扑结构，部署移动i p v 6 试验床：并深入剖析其核心模块和实现机 理，深入理解m o b i l ei p v 6 协议操作，详细讨论了绑定管理、隧道建立及数 据包转发等关键问题，为切换的研究打好平台基础。针对移动i p v 6 在切换过 程中出现的数据包丢失和切换延迟问题，分析了相关的快速，平滑切换和分 级管理等扩展方案，并结合i e t f 草案文档建议，最终形成自主设计的快速分 层切换框架，详细设计出扩展的协议、通信的消息和缓冲池的管理策略，最 终实现了该切换框架系统，解决了切换过程中数据包丢失的问题。 3 最后对分层快速切换框架系统通过o m n e t + + 仿真进行正确性和性能参数测 试，说明该切换方案和框架在实时应用系统中能够有效降低数据包的丢失率， 并验证说明本设计方案的正确性和有效性。 1 3 本文的组织结构 本文把研究内容和成果分为8 章，主要包括以下内容： 3 北京邮电人学硕l 研究生学位论文l p v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 第一章，绪论。 第二章，首先介绍下一代互联网协议i p v 6 ，以及i p v 6 协议的主要特点和先 进特性，研究与发展现状。 第三章，介绍i p v 6 协议与下一代光通信技术的融合，形成以智能光网络技 术为核心的光i n t e r n e t 。 第四章，介绍i p v 6 协议与移动通信技术相结合的移动i p v 6 协议与技术，分 析移动i p v 6 协议的相关特性。 第五章，介绍移动i p v 6 的几种切换方案，分析切换时延引起的原因，并对 切换技术做深入研究，然后给出了切换时延的性能分析，并针对分析结果提出优 化切换方案。 第六章，分别介绍了目前移动i p v 6 试验环境，并分析了它们各自的特点。 并给出本文选择m i p l 的依据，然后分析了m i p l 部署的拓扑结构和它的工作原理。 并阐述了移动 p v 6 实验环境的实施过程，快速分层切换的设计和实现方法。 第七章，利用o m n e t + + 仿真软件，对几种移动 p v 6 切换方案进行仿真研究， 并和分析，证明快速分层切换技术的可行性。 第八章，总结与展望。 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p v 6 协议在光同络和移动网络中的应用技术研究 第二章i p v 6 协议概述 2 1i p v 6 协议简介 随着i n t e r n e t 的快速发展与普及，原有的i p v 4 协议地址空间已将耗尽，而 且，由于i p v 4 协议在设计上的一些缺陷，对一些新的应用无法提供完善的支持， 如移动性，安全性及多媒体业务所要求的q o s ( 服务质量) 的支持，从而促使了 i p v 6 的诞生 i p v 6 协议的研究起源于2 0 世纪9 0 年初，该协议是i e t f 在比较多种i p n g 方案的基础上，最后以“简单互联网协议增强( s i p p ) “1 为基础加以改进而形成 的。i p v 4 在近2 0 年中对网络的发展具有不可磨灭的贡献，但逐渐露出很多弊端。 这其中最为重要的是，现在的因特网协议t c p i p 面临地址短缺的问题，而充足 的地址正是当前互联网所有终端所迫切需要的，再加上当前移动技术的发展，使 所有移动设备连上因特网能成为现实，解决地址短缺问题变得刻不容缓。虽然己 经有了例如n a t p a t 之类的技术可以暂时缓解地址危机，但这些附加的技术不能 从根本上解决这问题。 2 2i p v 6 协议的特点 i p v 6 继承了i p v 4 的优点，并根据i p v 4 近2 0 年来运用的经验进行了大幅度的 修改和功能扩充，较好的解决 i p v 4 的众多问题。i p v 6 不是对i p v 4 的简单演迸， 而是有实质性的改进，i p v 6 的主要特点表现在如下几上方面： a 巨大的地址空间。 1 2 8 位地址这使地址数量大大增加，极大地满足那些伴随着网络智能设备的出 现而对地址增长的需求。 b 新的协议报头格式。 i p v 6 协议采用新的报头格式，并在i p v 4 协议报头的基础上进行了简化。以简 化的首部格式i p v 4 首部的某些字段被取消或改为可选选项，以减少报文分组 处理过程中的处理代价，并使得i p v 6 首部的带宽开销尽可能低。尽管i p v 6 地 址长度( 1 2 8 比特) 是i p v 4 地址长度( 3 2 比特) 的四倍，i p v 6 报头长度仅是i p v 4 报头长度的两倍。支持扩展首部和选项i p v 6 的选项放在单独的首部中，位于 分组中i p v 6 首部和传输层首部之间，i p v 6 中也没有报头长度域。大多数i p v 6 5 北京邮电大学硕i 。研究生学位论文i p v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 选项首部不会被分组路径上的任何路由器检查和处理，直至到达最终目的地。 这种组织方式有利于改进路由器在处理包含选项报文分组时的性能。选项长 度限制的减少，带来将来引入新选项的灵活性。 c 改进的扩展和选项支持。 对于是t p v 4 ，其选项集成于i p v 4 报头中。而对于是i p v 6 ，这些选项被作为扩 展报头来处理，扩展报头是可选项，如果需要则可以插入到基本报头和实际 数据之间。通过这种方式，i p v 6 数据报的生成变得更加灵活且高效，而且将 来需要定义新的选项时也更加容易扩展。 d 全新的地址管理方案。 有与网络适配的层次地址i p v 6 的i p 地址分成网络前缀和主机地址两部分。在 1 2 8 比特中，高6 4 比特表示网络前缀，低6 4 比特表示主机。为将网络前缀分成 多个层次的网络，又将其分成1 3 比特的顶级聚类标识符t l a i d ，24 比特的次 级聚类标识符n l a _ i d 和1 6 比特的网点级聚类标识符s l a i d 。首先，由管理i p v 6 的组织将某一确定的t l a 分配给某个骨干网的i s p 。它拥有1 0 4 比特这样巨大的 地址块。骨干网的i s p 再将地址块细分，分配给各个地区中d i s p 。用户从地 区中t j , i s p 分到地址块。这种新的地址分配与管理方案使得地址在全球的分 配是基于连接需求，这将使得基于i p v 6 的i n t e r n e t 成为一个真正的全球资源。 e 有效的、分级的寻址和路由结构。 i p v 6 采用层次化的地址结构。i p v 6 层次化分配i p 地址可减小路由器中路由表 的规模，从而减少了存储器的容量和c p u 的开销，提高了查找路由表和转发i p 分组速度，创建一个高效的、分层次的、有效收敛的路由结构。因而，在采用 i p v 6 的互联网中，骨干路由器将具有更小的路由表，从而有更高的转发速度。 f 内置的安全特征。 i p v 4 只是简单的网络协议，没有包括安全特性。但随着网络的不断发展，解 决安全问题日益迫切，在报文传输过程中修改、窃取报文，对数据的有效性 构成了威胁。i p v 6 中包含了一套用于保护i p 通信的i p 安全协议( i p s e c ) 。 i p s e c 由两种i p v 6 扩展报头，即验证报头( a u t h e n t i c a t i o nh e a d ，a h ) 和封装 安全净荷报头( e n c r y p t e ds e c u r i t yp a y l o a d ，e s p ) 和i n t e r n e t 密钥交换协议 ( i k e ) 组成。对安全机制的增强可以简化安全虚拟专用网( v p n ) 的实现。 6 北京邮电丈学硕士研究生学位论文i p v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 g 即插即用功能。 i p v 6 将用户地址的自动配置“作为协议的标准功能。i p v 6 提供了地址自动配 置机制，使主机能自动生成地址，实现了即插即用功能。i p v 6 既支持有状态 的地址自动配置，也支持无状态的地址自动配置。其中，有状态的地址自动 配置机制与i p v 4 中的动态主机地址配置协议( d h c p ) 相似；而无状态地址自 动配置协议可使主机结合使用本地可获得的信息和路由器公告的信息来产生 自己的地址。路由器通告链路的网络前缀，主机生成能在子网上唯一标识一 个接口的“接口令牌”，通过两者的结合产生一个地址。在路由器不存在的 情况下，主机只能生成本地链路地址，但此地址对于同一链路上的节点互相 通信就足够了。 h 对移动性的支持。 移动性的支持允许移动节点从一个链路转移到另一个链路而不需要改变i p 地 址。移动节点一直是由它的“家乡地址”一移动节点在家乡链路中指定的在 家乡子网前缀范围内的一个i p 地址来标识，使用这个地址分组就可以发送到 移动节点，不管它当前接在哪里，并且移动节点移到新的链路之时可继续同 其它节点( 固定的或移动的) 通信。移动对传输层、高层协议、应用程序是透 明的。和移动i p v 4 作为i p 的补充不同，移动i p v 6 正在成为i p 不可分割的部分， 而且比移动i p v 4 有很多的显著改进。 i 对q o s 更好的支持。 服务质量( q 0 s ) 功能i p v 6 弓l 入流的概念，简化了因特网对多媒体的处理。流是 特定源和目的地问的报文序列，源要求中间路由器对这些报文进行特殊处理。 路由器需要对流进行跟踪并保持一定的信息，这些信息在流中的每个报文中 都是不变的，使得路由器可以对报文进行高效处理，因为路由器无需对每个 报头重新处理。i p v 6 同时定义了流的优先级，分别支持不同的业务需求。 j 新的邻接点交互处理协议 邻居发现协议i p v 6 是i p v 4 协议中a r p ，i c m p 路由器发现，i c m p 重定向等协议的 合成。除此之外，i p v 6 邻居发现协议还提供t i p v 4 中所没有的邻居不可达检测无 状态地址自动配置。在同一链路上的i p v 6 节点使用i p v 6 邻居发现协议来搜索其 它节点的存在，确定其它节点的链路层地址，发现路由器，维护到邻居的路径的 7 北京邮电人学硕i 。研究生学位论文i p v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 可达信息。 总之，应用i p v 6 后，互联网将变得更加简化，将能为用户提供更高效的服务 质量。必须认识到，i p v 6 取代i p v 4 的过程不是朝一夕就能完成的，而是一个逐 渐的过渡过程。在这个过程中，将会出现很多难以预料的问题，必须进行过渡策 略和相关技术研究，并在实践的基础上实现逐步的过渡，i p v 6 协议也不断通过实 践来完善。 2 3l p v 6 协议的现状及研究进展 i p v 6 已成为全球通信技术的研究热点之一，目前全球性的推进组织有i p v 6 论 坛，i n t e r n e ts o c i e t y 和i s ti p v 6c l u s t e r 等，目前已有1 2 1 个厂商、学校和研 究机构加入到i p v 6 论坛组织。世界各国政府和大型的软硬件厂商也纷纷进行相关 研究，提供对i p v 6 的支持。而且，i e t f ”1 也制定了一系列i p v 6 相关的草案。我国 的i p v 6 标准化工作也已经启动，教育网作为中国互联网的实验网，业已部署了 i p v 6 ，同时提供i p v 4 i p v 6 双栈支持。 目前世界上对i p v 6 的应用，主要集中在过渡技术，移动性支持，安全以及商 业化应用等方面。 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 第三章l p v 6 协议在光网络中的应用 随着i n t e r n e t 的迅速发展，使得基于i p 的分组交换数据网日益发展壮大。网 络技术i p 分组化已经成为通信网演进的主流方向，从而出现了“e v e r y t h i n go v e r i p ”和“i po v e re v e r y t h i n g ”的说法。在此背景下，提出了下一代网络( n g n ) 的概念，目标是在统一在管理平台下，实现各种数据信号的传输与管理，提供各 种数据应用和电信业务，造就一个真正的融合的网络。而在骨干传输网方面，i p v 6 与光通信相结合的智能光网络技术，构成了下一代传送网的核心。 过去1 0 年来，i n t e r n e t 的客户机和用户每年以8 0 l o o 的速度迅速增长。 由于人们预见到了i n t e r n e t 迅速发展的趋势，在网络连接方面致力于扩大网络容 量，从开发同步光纤网( s o n e t ) 中寻找出路，并使s o n e t 成为广域网标准，而且到 2 0 世纪中期以后，密集波分复用( d w 蹦) 系统开始迅速发展。但是，i n t e r n e t 的爆 炸性持续增长，使s o n e t 网络难以承受i n t e r n e t 如此巨大的业务量。s o n e t 控制业 务量的局限性和业务量增长的不可预测性，预示着这一标准在i n t e r n e t 主干传输 中的统治地位将宣告结束。而智能光网络技术得到迅速发展，并出现了光因特网 的概念。 3 1l p v 6 协议与光通信技术的融合 i p v 6 技术与光通信网络技术是下一代网络核心的两大技术，二者的有机融合 已经成为下一代光因特网络技术发展的基本趋势“1 。二者的融合体现在三个方 面： i ) 业务层面的融合； 2 ) 网络层面的融合： 3 ) 节点层面的融合。 i p 层业务有三个特性； 1 ) 业务自相似特性； 2 ) 业务流不对称特性； 3 ) 业务服务器端阻塞特性。 光层业务也有三个特性： 1 ) 业务波松特性； 2 ) 业务对称特性； 3 ) 业务流对等通信特性。 采用i p 层承载和传送多种类型业务的优缺点分别是： 9 北京邮电大学坝i ：研究生学位论文i p v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 优点缺点 1 支持任意业务粒度，便于融合宽窄 1 对严格实时业务，其服务质量( q o s ) 带业务；难以保证； 2 网络资源的统计复用( 高效率) ，网2 业务网管( 计费、安全) 尚无法满足 络资源调度灵活；电信级要求； 3 信息资源的灵活组织与高效率。3 业务可靠性较差等。 采用光层传送和承载业务的优缺点分别是： 优点缺点 1 严格实时业务的q o s 能够得到保证，1 业务粒度固定且较大，容易形成带宽 控制机制简单：碎片，网络资源利用率较低； 2 完善的网络控制管理以及安全机制，2 业务复用机制复杂，信息组织不够灵 传送每g b s 业务具有较低的价格；活。 3 高可用性等。 从上面比较看，i p 层和光层的服务模型是互补的，因此融合和集成两种服务 模型的优点对于需要传送多媒体、多粒度业务的下一代光因特网络而言是至关重 要的。在下一代光因特网络业务服务模型中，光传送网主要负责大粒度业务( 也 包括一些特殊要求的业务，例如严格q o s 要求的业务) 的可靠传送并提供波长级 流量工程网络接口给i p 层网络。i p 层业务模型主要负责小粒度业务( t g 包括传 统的尽力而为的数据业务等) 的可靠传送。由于最终用户业务流的多粒度和动态 变化的特性，同时其对q o s 需求也是完全不同的。高效率的光因特网络业务服务 模型应该在统一的网络资源控制机制下采用灵活的多粒度业务流疏导和传送技 术来实现网络资源的最佳利用。也就是说需要有一种跨层资源控制方法来完成i p 层和光层业务服务模型的有机结合，实现统一的网络控制和集成业务供给，使网 络的资源( 包括波长、子波长和路由器的端口等) 得到最佳利用，同时满足多媒 体业务的传送需求。在网络层面，i p v 6 和通用多协议标记交换( g m p l s ) 技术是 下一代网络最为核一t l , 的两大技术，各种组织都在全力开发相关的标准以实现i p 层和光层间的互操作。目前主要有三种模型，即重叠模型、对等模型和集成模型。 i t u t 侧重于重叠模型的研究和相关技术的标准化，而i e t f 、o i f 则侧重与对等 模型和集成模型的研究与相关技术的标准化。三种模型的划分基本上反映了电信 网和i p 网技术需求的差别，但随着电信网和i p 网差别的不断减少，集成模型应 是最终的结果。 g n i p l s 技术是目前光因特网络技术研究热点问题之一，它是被i e t f 作为一种 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 未来网络的统一控制框架模式( 与当初a t m 被i t u 所提出有相似的地方) 提出来 的，同时g m p l s 技术也是各种网络技术演进和相互融合的必然结果，它体现了分 组交换与电路交换的融合，传送技术与交换技术的融合等，如图所示。具体讲 g m p l s 技术集中体现t i p 层光层相互融合的光因特网发展主流趋势。i p 层和光 层的融合在转发平面上的体现是，随着光层处理技术的进步，小粒度的业务( i p 图3 - 1g m p l s 示意图 包和突发包等) 可以在光域上实现疏导、交换和路由，当然大粒度波长一级的业 务和小粒度的包一级业务可以共存在于转发平面上，形成层次化的多粒度的转发 平面。i p 层和光层的融合在控制平面上的体现是，统一的跨层的资源发现、协 调和控制机制，统一的业务量工程和保护恢复机制等。i p 层和光层的融合在管 理平面上的体现是，统一跨层的网络资源管理，统一的管理接口和管理技术。于 简单网管协议( s n m p ) 是i p 层的公共管理协议，因此适当扩展光层的m i b 库后 可以在s n m p 的框架下实现整个网络真正意义上的统一管理。通用多协议标记交 换( 酬p l s ) 技术的提出将最终促使两者走向融合，并将有力推动传送网络和交 换网络的统一，g m p l s 简化了跨层的网络控制与管理，降低了网络运行和维护 成本，以利于网络的扩展。 3 2 智能光网络技术 为满足以i p 为代表的宽带数据业务及互联网业务迅猛发展和3 g 业务的逐步 兴起，提高网络的可靠性、灵活性和提高网络传输带宽供给的实时性，智能光网 络解决方案应蕴而生，成为运营商在积极研究的热门技术。智能光网络技术可以 动态地自动地完成网络带宽分配和调度连接的功能，可依据客户层如i p 数据业务 量变化。因此，智能光网络现已成为传输网络下一步的发展方向。目前，自动交 换光网络( a s o n ) 代表智能光网络的主流方向。 智能光网络的引入使原有传送网网络体系结构发生了深刻的变化，网络由原 1 l 北京邮电人学碗i - 研究生学位论文i p v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 来的2 层平面演变为3 个平面： 1 控制平面( c o n t r o lp l a n e ) ：包括各种接口、功能模块和传送信令的网络， 通过使用接口、协议和信令系统实施光网络的拓扑信息、路由协议信息和其他控 制信令，使传输平面完成端到端的连接： 2 传送平面( t r a n s p o r tp l a n e ) ：包括传输网元( 光交换和传输链路) ，它承载 所有交换和连接实体； 3 管理平面( m a n a g e m e n tp l a n e ) ：对网络的性能和业务进行管理，具有分布 化和智能化的特点。管理平面和控制平面互为补充，实现对网络资源的动态配置、 性能监测、故障管理以及路由规划等功能。 智能光网络的核心就是在传统的传输网络解决方案中引人控制平面技术，定 义了相关的信令和路由协议，提供电路的连接管理和连接控制，通过信令系统或 者管理平面自主地去建立或拆除光通道，而不需要人工干预，实现了动态的电路 调度。控制平面的引人赋予了智能光网络高度的智能和活力，是传输网发展中的 一次史无前例的革命，给传统的传输网带来一些新的功能和特点如下： 1 ) 网络资源和拓扑的自动发现： 2 ) 具有分布式处理功能： 3 ) 基于流量工程和网络资源实际使用情况，实现网络资源动态指配和动态路由 和故障恢复： 4 ) 动态快速地支持各种新的业务类型( 如服务质量区分s l a 和虚拟专用网 o v p n ) ： 5 ) 可根据客户层信号的业务等级( c o y ) 来决定所需要的保护等级： 6 ) 有可能提供基于多厂家环境的连接控制。 智能光网络主要包括以下3 种网络模型： 1 ) 重叠模型( o v e r l a y ) ：指将传送层和客户层严格分层，客户层看不到光网 络拓扑信息，不参与光网络的路由计算。客户层通过u n i 接口请求在光网 络中建立端到端电路或通路，光网络可为多个客户提供服务： 2 ) 对等模型( p e e r ) ：是将i p 路由器与智能光网络节点在同一网中，关系为对 等关系，i p 路由器可以看到整个网络拓扑，并参与光网络的编址、信令 及路由计算，i p 网与智能光网络为同一网络，路由可达最佳。但由于光 网络的客户的业务限于i p 业务，节点层次复杂，不利于业务及网络的管 理，网络的扩展性差，不适用于大规模的网络： 3 ) 混合模型( h y b r i d ) 是将以上2 个模型进行有机的结合。在混合模型的情况 下，运营商可以对自己内部的i p 网和光网络采取对等模型构建，而对于 要连接的其他运营商网络和其他客户层信号，可以采用重叠模型来构建。 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 目前业内普遍倾向于采用混合模型来满足运营商的业务及管理模型。与 现有的光传输网相比，智能光网络具有以下特点： 1 ) 控制平面和g m p l s 信令的引人，增加了传输网元本身的智能性，使传输网首 次具有分布式的处理功能，可以自动发现邻居，并储存整个全网的信息： 2 ) 链路管理协议( l m p ) 技术的引人，可以使网络实现实时的流量控制，从而使 得传输网可以实现动态的资源分配，可根据业务的需要，快速地提供带宽， 并有效地提高网络资源的利用率： 3 ) 传输网元本身具有一定的路由算法，从而与分布处理技术相配合，完成整个 网络的恢复功能，大大提高传输网络的可靠性：与l m p 技术相结合，还可根据 客户层信号的业务等级( c o s ) 来确定所需要的保护等级。 4 ) 随着硬件技术的不断进步，网元本身支持信号的交叉颗粒更加丰富，交叉矩 阵的容量不断增加，大大增加了整个网络处理各种信号的能力，为各种信令 和协议的实施提供了可靠的物理平台。 5 ) 以a s o n 为代表的智能光网络技术将随着3 g 等新技术的应用而应用，以满足 新网络技术的业务要求和网络安全要求。其应用与演进不是对现有网络的完全替 代，而是相互补充使现有网络和新技术达到充分利用，从而降低网络运营成本。 3 3 光因特网络 光因特网络嘲( o p t i c a li n t e r n e t ，也叫i po v e rw d m 网络) ，就是直接在 光上( w 删) 运行的网络。 光i n t e r n e t 建立在全光主干网上，网络业务或i p 层直接与传输层链接。通过 这种光链接，数据业务更能有效地打包和传输，从而有利于节省成本，增大网络 扩充能力，增加传输带宽。目前，通过s o n e t 设备传送i p 业务，需要光电再生机 制，并在d w d m 系统上统计复用，致使设计方案结构复杂，造价高昂，由业务层、 s o n e t 层和物理层组成的3 层网络由于不具有满足未来数据业务爆炸性增长需求 的扩充能力而不得不退出历史舞台。 光i n t e r n e t 将把业务层直接与传输层或光层链接起来，二者之间无需传输 层或任何其他设备。在这种连接模式中，数据包的传送是通过全光主干实现的。 这种全光传输系统具有完善的带宽管理和通道恢复功能，大大简化了远程主干网 络。在业务层和光层之间不再需要光电再生的s o n e t 层，从而消除了电再生器 和插分复用多路器( a d m ) 这些远程主干网络中最昂贵的部件，在合理配置下可使 北京邮电人学硕i ：研究生学位论文i p v 6 协议在光网络和移动网络中的应用技术研究 传输网络的成本减少4 0 或更多，而且设备数量的减少使主干网络造价更低廉， 结构更简单。 目前，世界上一些网络公司已开发出多千兆比特或太比特路由器，这些高性 能路由器的问世使全光网络的实现向前迈迸了一大步。这些高性能路由器安装在 主干网络的核心，可以直接利用全光网络环境。鉴于高性能路由器具有传输速率 极高的光接口( 如2 4 和l o g b p s 的光接口) ，过去由s o n e t 终端执行的高数据率 多路复用不再需要了。在业务层直接与传输层链接的情况下，太比特路由器将用 作多业务网络的综合传输平台，可传输租用线业务、话音、视频和数据。换句话 说，路由器将是两层网络结构的不可分割的组成部分之一。 两层网络结构的第二个组成部分是光联网系统。为了使这种新型两层网络结 构得以完全实现，光联网系统必须提供附加功能，包括超远距离传输、通道恢复、 带宽保障和性能监测等。也就是说，光联网系统和太比特路由器将是光i n t e r n e t 的两个最基本也是最重要的组成部分。 这种高性能路由器加光网络系统的高速i n t e r n e t 已在个