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
　　　　　　
　　随着威尼斯人官方网站和网络技术的发展，这两种技术有融合于IP网络的趋势。支持VoIP/VoWLAN语音、数据和多媒体的移动终端已经出现。这种终端的威尼斯人官方网站是全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，也必然是支持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）

　　但是由于威尼斯人官方网站的全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，如果该终端正处于威尼斯人官方网站中，将会导致威尼斯人官方网站的终断。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，支持移动终端不同在接入点间漫游和快速切换，支持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持。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持IPv4/IPv6双协议栈，支持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知识创新工程项目“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、计费支持、数据包高速交换等功能，对于无线接入用户还支持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客户端软件。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持，不需要用户参与的特点，特别适合无线移动终端。
　　移动性支持
　　NG2008支持移动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。可扩展支持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威尼斯人官方网站和基于IPv6的威尼斯人官方网站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威尼斯人官方网站的传输层分别在两个威尼斯人官方网站模块中实现，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协议栈的网间网层威尼斯人官方网站模块完全独立。我们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持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月中科院知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威尼斯人官方网站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，更好的支持移动性？还有待新的技术来解决这些问题。