向ipv6过度的网络演进战略思考.doc

韦乐平 中国电信集团公司【摘 要】文章从现有网络现状出发，提出了向IPv6过渡的基本策略，然后重点分析了向IPv6过渡的网络演进策略，最后文章提出了有关互联网发展的若干战略性思考。【关键词】下一代互联网 IPv6 IPv41 向IPv6过渡的网络现状向下一代互联网的过渡涉及方方面面，其中网络的情况最为复杂，也需要最长的准备时间和最平滑的演进策略。因而网络先行是向IPv6过渡的基本共识。那么究竟现有网络支持IPv6的情况怎么样？下面就来做一个大致的分析：1.1 标准经过了这么多年的工作，IPv6协议的核心技术标准已经成熟，但是其中IPv4与IPv6翻译、IPv6组播、物联网标准等尚未完成，但不会影响发展和过渡，可以随着商用化进程逐步完善。1.2 产业链产业链的情况比较复杂，需要分门别类讲述。初步调研结果，不尽人意。首先，网络设备最主要是路由器问题较突出，骨干网情况好些，除个别厂家或个别板卡外，多数硬件没有问题，但是很多路由器软件需要升级。城域网情况比较复杂，多数BRAS硬件问题不大，但是大部分软件不支持IPv6功能，特别是PPPoE拨号功能。少数SR硬件要升级，约50%需要软件升级。CR硬件没问题，约50%需要软件升级。移动分组域的PDSN硬件没有问题，但是不少设备需要软件升级。就接入网而言，尽管传输和交换系统基本都不支持IPv6的组播、流标识、基于三层的ACL功能等，但不影响初期IPv6业务的开展，可以将传输和交换系统作为纯2层处理，将3层功能放在BRAS和网关处理；就网关而言，基本不支持IPv6，特别是路由型网关，其认证和地址分配需IPv6地址前缀、流标识、基于三层的ACL等，需要升级换代。其次，让我们来看看核心网设备。目前，无论是现有核心层的软交换，还是正在试验应用的IMS，都不支持IPv6协议，相关的核心网元也都不支持IPv6协议，但是并不急迫，暂时可以继续采用私有IPv4地址。此外，移动分组域的PDSN硬件没有问题，但是不少设备需要软件升级才行。再有，固网3A系统和DNS系统以及网管和IT系统硬件基本没有问题，但是不少设备需要软件升级，特别是网管和IT系统是内部自己使用，不影响业务提供，因此向IPv6的过渡需求并不急迫，可以适度滞后。还有，终端可能是过渡的很大瓶颈。对于固定终端而言，由于成本敏感，数量又大，硬件配置较低，因而基本都不支持IPv6，需要升级换代，但实施起来并不难，问题主要出在投资和规模量产方面。对于移动终端而言，差距较大。对于CDMA制式的终端，有两种模式来支持IPv6，最简单的方法是可以暂时采用中继模式，实现IPv6的透传，此时不支持DoA版本下的QoS，是一大缺陷。长远看，需要支持网络模式，实现IP层中继。现在，采用高通6801系列后的芯片都能支持，6055芯片的数据卡代码升级后也可以。最后，最基础的软硬件条件，就协议栈和应用软件而言，主流的通用协议栈都可以支持IPv6协议，而多数应用软件往往还不支持IPv6，需要升级或开发。就集成电路而言，主流NP和ASIC都已经能支持IPv6协议，没有什么问题。总体而言，由于向IPv6的过渡涉及的面太广，任何一个部分的问题都会影响到总体过渡进程，需要十分细致周到的安排。据著名通信网站Light Reading的最新报导，通信网络设备以外的领域在向IPv6的过渡准备方面做得很差，至少超过50%的IT设备厂家还没有做好准备。实际上影响面还要大，因为向IPv6的过渡涉及到一切连接到网络的设备，而不仅仅是通信网络设备，例如打印机和传真机之类的辅助设备也要求支持IPv6。这方面要走的路还很长。2 向IPv6过渡的基本策略向IPv6的过渡是庞大的系统工程，在时间跨度上、技术复杂性上以及资金投入上都不能掉以轻心，需要全面慎重谋划，实施尽可能平滑的过渡。基本策略是使用户和互联网SP/CP能够以合理的成本，使用IPv6 协议和规则接入IPv6互联网，在更大的网络平台上进行安全、可靠、可管可控的通信，同时还始终与现有IPv4网实现互联互通，能够使用现有的IPv4业务和应用。为此，向IPv6过渡的基本策略考虑是：以尽可能小的成本，最大限度地保护既有网络和业务的投资；不明显增加运营商的运营负担；不降低用户对于网络和业务的体验；对于现有业务和应用的影响尽量小，又可以逐步引入IPv6新业务。3 向IPv6过渡的基本网络技术手段向IPv6过渡的网络演进策略不仅与企业的网络和业务的历史现状、发展战略和市场策略密切相关，而且网络的不同部分会有不同的演进策略，需要进行深入仔细的研究和摸索。双栈方式、隧道方式和IPv4/IPv6协议转换方式是目前向IPv6网络过渡的三大基本技术实现手段。所谓双栈方式，就是将路由器升级或更新为IPv4/IPv6双栈路由器，从而可以同时支持IPv4/IPv6两张网络，实现向IPv6的平滑过渡，其优点是IPv4和IPv6间的互通性好，无需专门IPv6路由器和链路，现有设备按自然淘汰速度逐步更新为双栈即可。其缺点是每个IPv6节点都需要一个内嵌IPv4地址的IPv6地址，并不解决IPv4地址短缺问题；其次IPv6和原有IPv4流量会争抢带宽和路由器资源，影响IPv4网络性能；再有网络升级和维护费用较大。其主要适用于IPv4地址尚有一定余量的运营商，特别是骨干网和城域网，其次是接入网。第二种方案是隧道方式：即将IPv6包封装到IPv4包，并通过IPv4网络传到对端实现IPv6通信的方式。其优点主要是透明性、简单、投资省、只需出入口作配置即可。基于MPLS网络的6PE方式可以被看作特例。其缺点是不能解决IPv4地址耗尽问题，当隧道数大时，有N平方扩展性问题，而且IPv6和IPv4流量间会争抢带宽和路由器资源，还有一个问题是不能解决IPv4与IPv6节点的互通问题。这种方案适于初期流量较小、隧道不太长、同协议孤岛间互联的应用场合。第三种方式是在IPv4网络与IPv6网络之间进行协议转换方式来实现两张网之间的互联互通。其优点是可以实现IPv4节点与IPv6节点间的互通，实现现有IPv4资源的共享，缓解IPv4地址短缺的压力等。其缺点是破坏了网络端到端的透明性，限制了端到端的通信，不支持应用层协议中含IP地址、端口等信息的应用程序，以及需要在应用层进行认证、加密的应用程序。为了支持各种应用层进行协议转换，需要开发和部署大量设备，增加了网络架构的复杂性，影响了网络的扩展性，同时增加了网络的成本，破坏了互联网的开放性和上层服务的独立性。考虑到中国电信复杂的网络和业务现状，需要根据实际情况，综合运用上述三种过渡方式。总体过渡策略是：IP网络的核心层和汇聚层采用双栈方式进行过渡，但是在初期IPv6流量不大的情况下，可以在CN2上采用6PE过渡；接入层首选双栈方式，以短距离隧道方式作为补充；IPv4/IPv6协议转换方式仅限于局部应用，不适合大规模普遍部署，其部署位置应尽量靠近核心。可见，双栈方式是过渡的主要方式，尽管不能解决IPv4地址的耗尽，但是却能为运营商庞大的网络提供向IPv6过渡的平滑手段。需要注意的是，目前不少路由器设备开启双栈功能后，其转发性能和控制面收敛性能将明显劣化，因此必须优化软件，实施软件升级，才能保障性能不受明显影响，有些甚至需要更换硬件才能解决问题。4 向IPv6过渡的网络演进策略下面就网络几个主要部分的过渡策略进行讨论。4.1 骨干网的过渡策略初期IPv6流量不大时，可以首先在CN2网络的边缘开启6PE。对下一代网络的战略思考韦乐平在新的一年来临之际，我刊特邀中国电信集团公司总工程师韦乐平先生撰写卷首特稿，请他从战略的高度阐述下一代网络的发展趋势以及对建设下一代网络的思考。 韦乐平先生认为虽然全世界都在探讨和发展下一代网络，但究竟如何构建下一代网络，人们的见解各不相同，这是由于所处背景和竞争策略不同造成的。文章从多方面探讨了网络演进趋势，如向以软交换为核心的下一代交换网的演进、向以3G为代表的下一代移动通信网的演进、向以IPv6为基础的下一代互联网的演进、向多元化的宽带接入网的演进以及向以光联网为基础的下一代传送网的演进等，希望对如何建设下一代网络有所启迪。1 发展下一代网络的驱动力量 (1)革命性的技术 从基础技术层面看，微电子技术将继续按摩尔定律发展，还可以持续1015年；光传输容量的增长速度已经从前几年的9个月翻番减缓到14个月翻番，但仍在以超摩尔定律发展，估计至少还可持续510年；移动通信技术和业务的巨大成功正在改变世界电信的基本格局，全球移动用户数即将超过有线用户数；IP的迅速扩张和IPv6技术的基本成熟正将IP带进一个新的时代。简言之，革命性技术的突破已经为下一代网络的诞生准备了坚实的基础。 (2)业务量组成的根本性变化 100多年来，电信网的业务量一直以电话业务量为主，因而以电路交换网为中心的传统网络在支撑这种业务时是基本胜任的。然而，近几年来，以IP为主的数据业务的飞速发展打破了这种传统格局，IP已经或即将成为电信网的主导业务量。为了有效支撑这种突发型的数据业务，需要有新的下一代网络结构。 (3)网络融合的趋势 随着技术条件的成熟，网络的融合，特别是网络边缘部分的融合正成为电信发展的大趋势。从话音和数据的融合到有线和无线的融合，从传送网和各种业务网的融合到最终实现三网的融合将成为下一代网络发展的必然趋势。 (4)市场开放和市场竞争 市场需求、市场竞争和管制政策的变化正在使信息业进入全面竞争时代。为了减低成本，拓展业务，方便用户，多个独立业务网的融合和部分融合已在所难免，业务、终端乃至公司组织架构上的最终融合也同样不可避免。因此，以融合的下一代网络为基本取向的发展趋势成为必然的历史性选择。2 下一代网络的概念和特征 所谓下一代网络(NGN)是在网络业务量和电信外部环境几乎同时发生巨大变化的前提下，电信业试图利用最新技术成果适应发展、变革和竞争需要而提出的下一步网络发展的总体设想和思路，迄今并没有什么严格的定义。尽管业内不少人往往将NGN与软交换划等号，但实际上NGN具有更加广泛的内涵。事实上，目前NGN泛指一个以IP为中心，同时可以支持语音、数据和多媒体业务的融合或部分融合的全业务网络。一方面，NGN不是现有电信网和IP网的简单延伸和叠加，也不是单项节点技术和网络技术，而是整个网络框架的变革，是一种整体解决方案；另一方面，NGN的出现与发展不是革命，而是演进，即在继承现有网络和业务的基础上实现平滑过渡。 ITU-T将NGN的主要特征归纳为：基于分组传送；控制功能/承载能力、呼叫/会晤以及应用/服务分离；业务提供与网络分离，并提供开放接口；支持广泛的业务，包括实时/流/非实时和多媒体业务；具有端到端透明传递的宽带能力；与现有传统网络互通；具有通用移动性，即允许用户作为单个人始终如一地使用和管理其业务而不管采用什么接入技术；提供用户自由选择业务提供商的能力等。可见下一代网络涉及的内容十分广泛，不同专业和背景的人都在应用，绝不限于软交换系统。从网络角度，实际涉及了从干线网、城域网、接入网、用户驻地网到各种业务网的所有网络层面。如果涉及业务网层面，则下一代网络指下一代业务网(例如对于交换网，则下一代网络指软交换系统；对于数据网，则下一代网络指下一代互联网；而对于移动网，则下一代网络指3G网)；如果涉及接入网层面，则下一代网络指各种宽带接入网；如果涉及传送网层面，则下一代网络往往指下一代智能光传送网。一句话，泛指的下一代网络实际包容了几乎所有新一代网络技术，而其中下述五大战略方向是关键。3 向下一代网络演进3.1 向以软交换为核心的下一代交换网演进 传统电路交换机将所有功能结合进单个昂贵的交换机内，是一种垂直集成的、封闭和单厂家专用的系统结构。新业务的开发是以专用设备和专用软件为载体，导致开发成本高，开发时间长，无法适应快速变化的市场环境和多样化的用户需求。而软交换打破了传统的封闭交换结构，采用完全不同的横向组合的模式，将交换机各功能间接口打开，采用开放的接口和通用的协议，构成一个开放的、分布的、多厂家应用的系统结构。软交换机硬件分散，业务控制和业务逻辑则相对集中。这样可以使业务提供者灵活选择最佳和最经济的设备组合来构建网络，不仅建网成本低、网络升级容易，而且便于加快新业务和新应用的开发、生成和部署，能快速实现低成本广域业务覆盖，推进话音和数据的融合。 软交换具有如下优点：首先，软交换采用开放式体系结构实现分布式通信和管理，具有良好的结构扩展性，其应用层和媒体控制层已经与媒体层硬件分离并纳入开放的标准的计算环境，允许充分利用商用的标准计算平台、操作系统和开发环境；其次，采用软交换后，实现了多个业务网的融合，简化了网络层次和结构以及跨越不同网络(电路交换网、分组网、固定网和移动网等)的业务配置，避免了建设维护多个分离业务网所带来的高成本和运维配置升级复杂的问题；第三，采用分组交换技术后，提高了网络资源利用率，减少了交换机间大量网状互连中继带来的复杂性和业务网的承载成本；第四，由于软交换的价格可以遵循软件许可证方式，投资大小随用户数而增长，有利于新的电信运营商或传统运营商开发新市场，软交换的引入也使运营商可以利用其他运营商的IP网络迅速进入对方运营区开展业务而避免结算费用的限制；最后，软交换设备占地很小，不仅明显提高了机房的空间利用率，而且也便于节点的灵活部署。 采用软交换的主要缺点是技术尚不够成熟，缺乏大规模应用的经验，特别是多厂家互操作问题、实时业务的QoS保障问题、网络的统一有效管理问题以及业务生成和业务应用收入能力问题。当前最突出的问题是承载网的质量保证和维护管理体制的适应性问题。3.2 向以3G为代表的下一代移动通信网演进 世纪之交，移动通信替代固话业务的现象正在全球范围迅速扩展，全球蜂窝移动用户数已超过固定用户数。全球电信业的发展重点和竞争重心已经转向了移动通信领域，中国也正在发生同样的事情。中国移动运营商的收入和用户数均已超过固网运营商。 为了开拓新的频谱资源，最大限度地实现全球统一频段、统一制式和无缝漫游，应付中高速数据和多媒体业务的市场需求以及进一步提高频谱效率、增加容量、降低成本，移动通信向3G发展是必然的趋势。然而，由于全球经济的低迷，股价的暴跌，3G牌照拍卖导致的巨额债务以及2G技术的不断改进，使3G的发展一再推迟。 2003年以来，作为3G两种频分复用(FDD)制式的WCDMA和CDMA2000都呈现了良好的发展势头。目前，全球CDMA2000用户数已经超过5 500万。WCDMA也急起直追，几个月内用户发展已经超过200万，全球已有12个WCDMA网正式投入运营，其中已经有运营商在核心网开始实施具有软交换结构概念的R4版本。迄今为止，系统硬件已经稳定，软件版本还在不断升级，双模手机的种类正在不断增加。可以认为，WCDMA和CDMA2000两种制式均已基本成熟，技术和业务能力相差不大。两者除了在核心网信令、码片率、基站同步方式和导频结构上不同外，其他技术参数和性能均比较接近，在语音容量、数据容量和覆盖方面基本相当，经济性能上也相差不大。近期CDMA2000在市场上领先，远期由于WCDMA具有更广泛的设备厂家、芯片开发商和业务应用开发商支持，以及全球漫游能力强等优势，将可能逐渐成为主导应用制式。 3G时分复用(TDD)制式的TD-SCDMA的开发要明显落后于WCDMA和CDMA2000。除了历史原因外，标准没有得到全球的广泛支持以至于在资金和研发人力投入上处于绝对劣势是根本原因。此外，用TDD制式独立组大网的成本高、干扰大、国际漫游受限也是运营商十分关切的问题。然而，TD-SCDMA是由中国提出并拥有物理层的主要专利，这种制式结合应用了时分、码分和空分3种多址技术以及智能天线、联合检测和上行同步等一系列新技术，在频谱效率和频谱灵活性方面具有天然优势。TD-SCDMA与WCDMA制式在核心网上完全一致，无线网部分高层协议也一样，可以与WCDMA制式实现优势互补、混合组网、重点覆盖热点地区和支持数据业务，捆绑应用方式将使其漫游能力大大加强。除了技术因素外，3G的发展在很大程度上取决于业务、业务的部署以及业务的架构。为了适应数据业务的发展，适应新型产业链和业务模式的要求，提高新业务生成速度，开发一个开放的横向结构的综合业务平台是3G业务拓展的关键，其中最关键的是要实施统一配置、统一计费和统一安全管理。需要注意，在开发业务方面的一个重要的不可忽略的基本点是在相当长时间内，以语音和窄带数据为主的连接业务仍将是移动运营商的主要业务收入，各类内容业务只是不断增长的补充业务而已。 随着3G的商用化开始，具有更高速率、更高频谱效率、更好覆盖和更强业务支撑能力的超3G或4G技术也开始进入预研阶段，计划在20152020年间投入应用。从发展角度看，移动通信的性能价格比应该还有很大潜力可挖，随着话音压缩技术、信号处理技术、调制技术与智能天线技术的进一步发展，单位话音的成本将继续成倍降低，而新的数据和多媒体业务将为我们创造一个更加灿烂的个人移动世界。3.3 向以IPv6为基础的下一代互联网演进 目前在全球广泛应用的互联网是以IPv4协议为基础的，这种协议理论上有40亿个地址，但实际上考虑各种因素后只有一半地址可用，如果考虑未来几年由于3G终端、IP电话、家庭网络等的发展所产生的对地址的加速消耗，则全球互联网公用地址有可能在2008年左右就全部耗尽。此外，IPv4在应用限制、服务质量、管理灵活性、安全性方面的内在缺陷也越来越不能满足未来发展的需要，互联网逐渐转向以IPv6为基础的下一代互联网(NGI)几乎是不可避免的大趋势。 目前关于NGI尚无严格的统一定义，其主要特征是具有更大的地址空间，更快的端到端通信速度，更安全可信的网络，更方便丰富的移动通信应用，更便于管理和维护运行的网络，更有效可行的商务模型等。 采用IPv6最基本的原因是从根本上解决了IPv4存在的地址限制和庞大路由表问题以及支持更加有效的移动IP。首先IPv6使地址空间从IPv4的32比特扩展到128比特，提供了几乎无限制的公用地址，完全消除了互联网发展的地址壁垒；其次，IPv6协议已经内置移动IPv6协议，可以使移动终端在不改变自身IP地址的前提下实现在不同接入媒质之间的自由移动，还可以在全球任意两个终端之间实施路由优化；第三，IPv6通过实现一系列的自动发现和自动配置功能，简化了网络节点的管理和维护，可以实现即插即用，有利于支持移动节点和大量小型家电和通信设备的应用；第四，采用IPv6后可以开发很多新应用，诸如P2P业务、3G、家庭网络等；第五，IPv6采用流类别和流标记实现优先级，使网络具备了良好的QoS；第六，IPv6内置IPSec以及发送设备，有了永久性IP地址后不仅可以实现端到端的加密，而且容易识别发送信息设备的类型，真正实现端到端的安全性；第七，IPv6的编址采用了层次结构，明显提高了选路效率，使路由器数量大大减少；第八，IPv6协议内置组播功能，简化了流媒体业务的提供。简言之，IPv6必将成为向NGN演进的业务层融合协议。 有关IPv6的技术标准已经基本成型，但实际网络推进速度很慢。主要原因是IPv4通过采用网络地址转换(NAT)等措施地址需求尚能应付5年左右。另外，IP地址方式与上层协议和网络的运作方式关系紧密，实施IPv6不仅需要升级网络层协议，还需要升级应用软件或更换用户的通信程序，改变路由器的包转发模块，几乎涉及网上所有设备，不仅耗时费力，而且目前IPv6应用工具和应用软件很少，用户缺乏应用IPv6的原动力。 总的来看，尽管有大量的网络和终端方面的工作需要跟上，特别是如何实施这一重大转型的平滑过渡策略需要仔细研究解决，目前也没有公认周全的解决方案，但向以IPv6为基础的下一代互联网的演进已经开始。中国电信已经开展了一些前期研究和试验工作，准备在不久的将来开展现场试验，在实际网络条件下摸索和积累经验，探索过渡策略。3.4 向多元化的宽带接入网演进 近来，国内外接入网的宽带化工作进展很快。然而，接入网对成本、法规、业务、技术均很敏感，迄今并没有一项公认的绝对主导的宽带接入技术。尽管从世界范围看，近期内ADSL、HFC和以太网将形成三足鼎立之势，但是ADSL数已经超过HFC，成为主导的宽带接入技术。此外，各种新技术仍然在不断涌现，在相当长的时间内接入网领域都将呈现多种技术共存互补，竞争发展的基本态势。以IEEE 802.11系列协议为基础的无线局域网(WLAN)实际是一种无线以太网，能支持较高速率(211 Mb/s甚至54 Mb/s)，组网简单，受到商务用户的青睐。为了将这种技术应用于接入网领域，必须妥善解决认证计费和用户管理、用户漫游、用户和网络安全、用户切换、设备和网络管理、用户接入控制等多方面的问题，核心是商务模式，究竟是将其作为一种有线接入的捆绑增值业务来提供套餐业务呢？还是将其作为独立新业务来产生现金流？目前还没有答案，可能前者更加现实。 从长远的观点看，光纤接入网，特别是无源光网络可能是一种比较理想的解决方案。近来，ITU通过的新一代的无源体系结构GPON标准将上下行速率提高到2.5 Gb/s并采用了通用组帧程序(GFP)来更有效地支持各种数据业务，使无源光网络技术更具吸引力。从网络实施步骤看，首先是光纤到办公室(FTTO)，然后扩展到光纤到路边(FTTC)和光纤到楼(FTTB)，最后实现光纤到家(FTTH)。光纤接入网技术的最大问题是综合成本太高，而市场对传输速率的需求还不那么高，因此发展不快。近来，由于技术的进步，特别是低成本垂直腔面发射激光器(VCSEL)的出现和发展为光纤接入网技术的发展提供了新的驱动力。但作为主流接入技术还需要解决除了设备成本以外的一系列问题，包括组网技术、接续技术、测试技术、敷设安装技术等。 从网络运营的角度看，长期支撑和维持不同类型设备在同一个网中运行是十分复杂和昂贵的。因而，面对多元化的接入技术，建立一个模块化结构的公共接入平台应该是发展趋势，可以简化网络结构，减少重复的元部件，降低接入网成本，保护投资，加快业务提供时间，节约网络长期演进和技术更迭的成本。具体实施时可以采用公共的用户线路卡、公共的开放网络接口和网管接口以及其他一些公共子系统，综合各种宽窄接入技术和提供各种宽窄带业务。 中国电信将发展宽带接入作为自己的战略发展重点并于2001年确定了近期以ADSL为主，以太网为辅的接入网发展策略。中国电信宽带接入这两年发展速度很快，到2003年3季度，宽带接入用户数已超过600万，其中ADSL占70%以上，每用户平均收益(ARPU)是话音业务的23倍，正成为中国电信新的业务增长点。3.5 向以光联网为基础的下一代传送网演进 由于技术上的重大突破和市场的驱动，波分复用系统发展十分迅猛。目前1.6 Tb/s波分复用(WDM)系统已经大量商用。日本NEC和法国阿尔卡特公司分别在100 km距离上实现了总容量为10.9 Tb/s和总容量为10.2 Tb/s的传输容量世界记录。然而尽管靠WDM技术已基本实现了传输链路容量的突破，但是普通点到点WDM系统只提供了原始的传输带宽，需要有灵活的节点才能实现高效的灵活组网能力。现有电数字交叉连接(DXC)系统十分复杂，其节点容量大约为每23年翻一番，无法赶上网