下一代互联网接入技术及实现

lg0702

下一代互联网接入技术及实现
　　　　　　
　　随着通信和网络技术的发展，这两种技术有融合于IP网络的趋势。支撑VoIP/VoWLAN语音、数据和多媒体的移动终端已经出现。这种终端的通信是全IP化的，每个终端将导致现行的IPv4协议的地址空间不足问题越来越突出，必将制约网络终端的广泛应用。
　　因此，下一代网络的网络层协议必然是基于IPv6协议的。目前，在世界范围内IPv6技术已经起步。近两年很多设备厂商已经把IPv6提上开发日程，要开发IPv4/IPv6双协议栈网络设备。中国国家发展改革委员会也启动了信息技术领域国家级的工程－中国下一代互联网（CNGI）。
　　下一代互联网不仅是基于IPv6的，也必然是支撑固定终端和无线移动终端的网络。运营商将发展为全业务的运营商。固网运营商提供无线接入服务除了选择3G技术以外，现在又多了IEEE 802.11（WiFi）无线局域网和IEEE 802.16（WiMAX）无线城域网技术。WiFi技术已经成熟，产品已经实现量产，无线接入点售价已经从4000元左右降低到目前的400元左右。2004年10月，IEEE 802.16-2004标准正式批准，Intel正在大力推进WiMAX市场的发展。因此有线无线一体的接入网络环境可能如下图所示（图1 有线无线统一的接入网）

　　但是由于通信的全IP化和无线接入引入了一些问题。如，由于IP地址被用来在IP网络中选路，IP地址隐含包含了网络接入点的地理位置信息，当移动终端移动后，以它原来IP地址为目的的IP报文无法被传递到该终端，如果该终端正处于通信中，将会导致通信的终断。这就是移动IP问题。目前IETF关于IPv4和IPv6的移动性问题分别有解决方案，但是还需要快速切换技术来减少移动切换的延时，保证语音和视频流的质量。由于终端可能是手持式移动终端，体积小、处理能力较弱，因此固网上使用的认证方式不一定适合这种移动终端。无线链路具有共享和开放性的特点，因此认证和加密比固网要求要高。因此，在下一代网络的接入环节，需要提供新的功能。

　　　　　　　　　　　　　　 NGI接入设备特征
　　NGI的接入设备必须能够适应有线、无线接入的要求，支撑移动终端不同在接入点间漫游和快速切换，支撑有线和无线接入网的统一认证、授权和计费。
由于终端的移动性和小型化，用户注册和认证过程应由系统自动完成，不需要用户参与，避免在移动切换过程中输入用户名/密码等信息，方便使用，缩短认证时间，适合移动应用。
　　移动IPv6技术虽然能解决移动性问题，但是切换延时大，达数秒。因此接入设备上还要提供快速切换的支撑。在有认证的网络环境还需要移动IPv6快速切换与用户认证协同工作。
　　因为IPv4向IPv6过渡是一个长期的过程，因此接入设备一定要支撑IPv4/IPv6双协议栈，支撑6to4过渡机制。

　　　　　　　　　　　　 IPv6/IPv4接入路由器
　　中国科学院声学研究所在2001~2004年承担了中国科学院常识创新工程项目“IPv6关键技术研究及城域示范系统”项目接入网部分的研究开发工作。开发了IPv4/v6双协议栈接入路由器NG2008。该路由器能对于以太网接入用户和无线接入用户提供用户管理、AAA、计费支撑、数据包高速交换等功能，对于无线接入用户还支撑用户的移动和快速切换。NG2008下连以太网用户，向上与高速路由交换机（L3交换机）或核心路由器配合，接入城域网的骨干网。通过运营商网管中心，提供对该设备的监控和管理。
组网方案
　　目前IPv6与IPv4互通性问题的解决方案主要有两种，一是协议转换，另一种是隧道封装。协议转换技术还不成熟，对一些高层协议还需要应用层网关，性能和可扩展性不好。而隧道封装技术比较成熟，在实践中应用较多。
　　NG2008有两个上连端口，一个可用于接入IPv6网络，另一个可用于接入IPv4网络（参见图2）。在用于接入IPv4网络的上连端口上配置静态隧道。IPv4用户的数据包正常通过，IPv6用户的数据包被封装为IPv4的报文穿越IPv4网络。在IPv4网络的另一端，一个双栈的连接IPv4与IPv6网络的网关负责解开隧道封装，还原出IPv6报文，在IPv6网络中通过正常的路由而到达目的主机。
　　采用这种设计的好处在于：对下，用户可以自由选择终端采用IPv4还是IPv6协议栈，接入路由器都能为其提供接入服务；对上，可同时接入IPv4和IPv6城域网，而且可以通过隧道技术连接IPv6网络“孤岛”。这种设计比较切合IPv4向IPv6网络过渡的需要，即保护了运营商的投资又满足了用户的需求。（图2 双栈接入路由器接入方案）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　 主要功能
　　认证、授权和计费
　　NG2008上运行DIAMETER客户端App。未经认证的用户报文不予转发。认证通过后得到关于速率限制等授权数据。可以对用户数据的速率进行限制。可以接收AAA server的信令，强制用户下线。采集每个用户的流量统计信息，定时或应AAA server的要求向AAA server发送AAA计费报文。针对IPv6协议的特点，利用了邻居发现过程，定义了一套认证信令。具有不需要高层协议支撑，不需要用户参与的特点，特别适合无线移动终端。
　　移动性支撑
　　NG2008支撑移动IPv6和快速切换。利用链路层信号和快速邻居公告机制减少移动检测时延，在两个接入路由器间建立隧道，使得切换过程中的报文仍能被路由到新的网络接入点，交给移动终端。在链路层切换完成后和新的转交地址注册完成之前，使移动终端在新的网络中继续使用原有的转交地址，以减少切换所带来的时延、丢包等影响。通过与认证过程的协同，在有认证要求的网络环境中网络三层切换延时小于250ms。
　　路由引擎
　　路由引擎采用RIPng，通过route socket与内核通讯。route socket作为连接外部路由引擎的通用接口。可扩展支撑OSPFv3。
　　实现方案
　　双协议栈结构可以有两种实现模型，一种是混合模型，一种是分离模型。混合模型和分离模型的区别在于传输层的协议的实现：混合模型中，实现基于IPv4通信和基于IPv6的通信协议使用同一个协议模块，也就是说这些协议由同一套文件组成；而在分离模型中，基于IPv4和基于IPv6通信的传输层分别在两个通信模块中实现，使用两套文件。IPv6协议是与IPv4协议不同的协议，包括ICMPv6，ND等需要独立实现，这些协议模块与TCP/IPv4协议栈的网间网层通信模块完全独立。大家的实现采用了分离模型，降低了代码的复杂度，也有利于将来实现纯IPv6协议栈。
　　为了提高性能，采用了基于网络处理器的硬件平台。协议处理、配置管理等处理复杂、耗费计算资源的操作由处于控制平台的CPU处理，而查表转发数据、报文统计等处理简单、频繁操作而又有速率要求的操作在网络处理器中完成。（图3 控制平面与数据平面的分布）

　　这样作的目的是使接入路由器既能处理复杂的协议和AAA过程，又能满足作为网关设备高速转发大量数据的要求。IPv6协议栈，C-D接口，MIB库，RIPng路由引擎和网管模块运行在CPU中，转发表（FDB）和微码程序运行在网络处理器中。由于AAA和移动IPv6快速切换这两个协议处理较为复杂，而且各自需要维护自己专用的表项，不适合放在NP中实现。因此对这两种功能的支撑也是采取分层的设计，协议处理和数据放在CPU中，而将认证的结果和快速切换的隧道设置下发给网络处理器，网络处理器根据这些数据来作转发决定。
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　 试验与应用
　　NG2008通过严格的第三方测试，不仅转发性能优异，实现了线速转发，而且IPv6协议栈协议一致性也非常好。
　　2004年6月中科院常识创新工程重要方向项目“IPv6网关键技术研究和城域示范系统”在重庆实验网现场鉴定验收，得到鉴定专家的好评。重庆网通与中科院合作，在重庆开通了IPv6商用实验网，同时在线用户达数千人。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　 结束语
　　下一代网络包含很多技术方面，接入网技术是比较复杂的一个环节。由于基于IP通信的新型无线移动终端的出现，对接入网提出了新的要求，如移动性管理、快速接入认证等。IPv6网络从主体上看还处于实验网阶段，在实际运行过程中还可能有新的问题出现，随着技术的发展可能会有新的需求，如接入网设备如何与宽带无线（WiFi/WiMAX）接入点设备协同工作，更好的支撑移动性？还有待新的技术来解决这些问题。