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      IPv6大賽焦點解讀 | 中國電信:大規模IPv6單棧網絡架構研究和實踐
      2022-11-29 C114通信網
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      前言:在中華人民共和國工業和信息化部、中共中央網絡安全和信息化委員會辦公室、 中華人民共和國教育部指導下,中國信息通信研究院聯合地方政府主辦首屆 IPv6 技術應用創新大賽,旨在推動IPv6 與千行百業融合發展,激發產業創新,促進人才培養。

      為進一步普及推廣IPv6概念,集中展示行業前沿技術和應用,繁榮產業生態,本次大賽特別推出“焦點解讀”專題,和三大運營商及產業鏈巨頭攜手共同呈現當前IPv6的規模部署、落地實踐及未來規劃等,在IPv6發展歷史進程中書寫華章,貢獻力量。本期“焦點解讀”特邀中國電信專家講解“大規模IPv6單棧網絡架構研究和實踐”

      一、背景

      IPv6單棧(“IPv6-only”)網絡,顧名思義就是以IPv6為唯一網絡協議的網絡,網絡設備只基于IPv6協議進行編址、路由和轉發,并且網絡也支持SRv6等IPv6新發展的能力。從IPv4/IPv6雙棧向IPv6單棧演進是互聯網技術發展的必然趨勢,也是國際標準化的熱點。過去十多年來,國際IETF設計了多項支撐IPv6單棧網絡的技術,如:DS-Lite[1]、Lightweight 4over6[2]、MAP-T[3]、MAT-E[4]、NAT64[5]/464XLAT[6]等。但到目前為止,世界上的商用IPv6單棧實施案例還相對比少。究其原因,首先,已有的單棧技術相互不兼容,在不同場景中使用不同的IPv6單棧技術,數據包在跨域時需要進行頻繁的IPv4/IPv6轉換,網絡會變得復雜,數據處理效率低;其次,現有的單棧技術基本面向接入場景,即在網絡邊緣為用戶提供IPv6單棧接入,多域網絡的主干層面缺乏可商用的IPv6單棧方案,導致IPv6單棧網絡孤島化甚至碎片化,沒有形成體系化IPv6單棧網絡。

      隨著國內IPv6的全面部署及IPv6流量逐漸上升,部分網絡中IPv6流量有超過IPv4流量的趨勢,在這種情況下,需要系統性地考慮從雙棧網絡向IPv6單棧過渡的問題,而且迫切需要一個多域IPv6總體架構,該架構在主干層面拉通各自治系統(也稱“自治域”)的IPv6單棧能力,并結合已有的接入側IPv6單棧技術形成大規模網絡可實施的IPv6單棧整體方案。

      二、IPv6單棧網絡的理解

      大規模IPv6單棧網絡必須具備如下特性:

      1)單棧編址,在接入側為客戶網絡或終端只分配IPv6地址,對終端進行IPv6單棧編址;網絡設備的接口地址及lookback等管理地址也采用IPv6單棧方式進行編址。

      2)支持“IPv4即服務”(即“IPv4-as-a-Service”),由于國內和國外部分IPv4應用可能長期存在,因此IPv6單棧網絡需支持IPv4業務流的承載,確保在底層網絡關閉IPv4協議后,用戶依舊可訪問存量IPv4業務,用戶體驗不降低。

      3)端到端IPv6能力,網絡對于IPv6業務、IPv4業務流均采取端到端的承載,支持域間甚至運營商間的IPv6單棧能力互通,避免在數據路徑中不必要的IPv4-IPv6轉換。

      4)安全可信,IPv6單棧中交換的重要網絡資源類信息,如:地址資源、路由和IPv4/IPv6映射規則信息是安全可信的。

      基礎網絡IPv6單?;谋举|是刪繁就簡,在保證網絡和業務正常運行的前提下,減少不必要的冗余功能,釋放設備中的資源。同時,引入SRv6[7]等IPv6擴展型技術,提供高質量的連接服務,實現網絡能力“螺旋式上升”。

      三、多域IPv6單棧組網方案和實踐

      針對大規模多域網絡的IPv6單?;瘑栴},中國電信聯合清華大學提出了多域IPv6單棧網絡的框架方案。多域IPv6單棧網絡指的是由多個自治域組成、在統一的機構管理運營的純IPv6網絡系統,面向每個場景的自治域均采用純IPv6方式組網和運營,相互之間通過純IPv6方式互聯互通。在這個架構下,網絡內部的P設備關閉IPv4協議,僅在網絡邊緣的PE設備上保留IPv4特性來支持存量IPv4業務承載和轉發。其一方面支持IPv6數據包的傳送,同時也支持IPv4業務數據的端到端傳送。

      在編址方面,每個邊緣PE設備將擁有至少一個IPv6映射前綴來標識自己,并具有從本地IPv4路由表或地址池提取的一個或多個相關聯的IPv4地址塊。IPv4地址塊和IPv6映射前綴之間的映射關系稱為地址映射規則。地址映射規則由PE創建,并為IPv4/IPv6數據包的地址轉換提供前綴級映射信息,如圖1所示。本質上,地址映射規則為IPv4業務數據在多域IPv6單棧網絡中的傳輸提供了方向。

      (圖1. 基于地址映射規則的IPv4-IPv6地址轉換)

      如圖2所示,PE1的地址映射前綴是Pref64-1,PE2的地址映射前綴是Pref64-2,當IPv4子網中的主機H1發出的IPv4數據包到達IPv6單棧網絡的邊緣時,入口PE1將使用地址映射規則從其原始IPv4源地址和目標地址生成新報頭的IPv6源地址和目的地址,并將生成的IPv6數據包被發送到正確的出口PE2,途中不會轉換為IPv4數據包,因此它是端到端的。

      (圖2. 多域IPv6單棧網絡中端到端的IPv4業務數據轉發)

      為了支持跨域傳送IPv4業務數據并找到正確的網絡出口節點,需要在全網的邊緣PE設備間交換各自所關聯的IPv4地址塊和的IPv6地址映射前綴信息,這樣到達網絡的IPv4數據包可在轉換城IPv6數據包后能找到正確的出口PE設備,為此,本方案建議采用擴展MP-BGP協議的方式在域內和域間傳遞地址映射規則。

      (圖3. 基于BGP路由擴展傳遞地址映射規則示意圖)

      本架構支持翻譯和封裝兩種轉發方式,翻譯技術是指將IPv4數據包轉換為IPv6數據包或反向轉換,本功能主要按照RFC7915[8]定義的IP/ICMP翻譯算法(SIIT)和RFC6052[9]等標準。封裝技術是指在不改變原有IPv4數據包的前提下利用IPv6協議來傳輸IPv4數據包,即將IPv4數據包封裝在IPv6報文中,然后在多域IPv6網絡中傳輸,封裝的數據包格式標準為RFC2473[10]。

      多域IPv6單棧網絡架構如圖4所示,ADPT是IPv4和IPv6網絡互通的關鍵功能,由其基于本地保存的地址映射規則將IPv4數據包轉換成適合在IPv6網絡中傳送的IPv6數據包,其組成自上而下分為三層:規則管理層、路由處理層和數據包轉發層。

      (圖4. 多域IPv6單棧網絡架構示意圖)

      規則管理層:負責管理存儲在本地數據庫中的映射規則,接受其它設備通告的地址映射規則,存儲映射規則和發布設備本身的映射規則等。

      路由處理層:提供按照MP-BGP擴展格式封裝映射規則信息,并在IPv6域內和域間發布和交換地址映射規則,在相反方向,從收到的MP-BGP路由信息中提取地址映射規則信息。

      數據包轉發層:支持雙向的封裝和翻譯轉發功能,依據地址映射規則完成IPv4數據包和IPv6數據包之間的轉換。

      該框架可以擴展到由不同運營商運營的多自治域網絡,因此IPv6單棧的數據路徑可以跨越多個運營商的網絡。該方案作為IPv6網絡的基礎組網技術,適用于由多個自治域組成的大規模IP承載網,實現基于IPv6統一承載移動網業務、寬帶業務和云業務,支持與其它運營商的網絡IPv6單?;ヂ?。

      除了在國外推動標準外[11],中國電信和清華大學聯合進行了跨域、長距的IPv6單?,F網驗證,實現了從中國電信無錫城域網到內蒙云基地IPv6單棧網絡上的多業務通信,通信類型包括:IPv4用戶訪問IPv4云服務,IPv6用戶訪問IPv6云服務,友商IPv4用戶訪問IPv4云服務,友商IPv6用戶訪問IPv6云服務、IPv4用戶訪問外部IPv4應用,IPv6用戶訪問外部IPv6應用、地址切片等,試驗達到了預期效果。

      四、總結

      多域IPv6單棧網絡框架解決了域間IPv6單?;ネê蛥f同的問題,是對網絡架構和能力的全新變化,目標是構建一個以IPv6為核心協議的單?;ヂ摼W,這也是全球公認的發展方向。2021年7月份,中央網信辦聯合工信部發布《關于加快推進互聯網協議第六版(IPv6)規模部署和應用工作的通知》提出在2030年左右完成向IPv6單棧的演進過渡,隨著IPv6流量的快速提升,大規模多域網絡向IPv6單棧演進的時間點逐步逼近,其緊迫性日益現象。

      要指出的是,盡管多域IPv6網絡端到端支持IPv4業務流傳送,但為了深化IPv6的使用,降低IPv4業務的比重,應該繼續通過政策或者市場杠桿引導互聯網業務持續向IPv6的遷移,降低通過ADPT轉換IPv6的流量比重。

      參考文獻

      [1]IETF RFC 6333: Dual-Stack Lite Broadband Deployments Following IPv4Exhaustion DS-Lite:

      [2]IETF RFC 7596: Lightweight 4over6: An Extension to the Dual-Stack Lite Architecture

      [3]IETF RFC 7599 MAP-T: Mapping of Address and Port using Translation (MAP-T)

      [4]IETF RFC 7597: Mapping of Address and Port with Encapsulation (MAP-E)

      [5]IETF RFC 6146: Stateful NAT64: Network Address and Protocol Translation from IPv6 Clients to IPv4 Servers"

      [6]IETF RFC 6877: 464XLAT: Combination of Stateful and Stateless Translation

      [7]IETF RFC 8986:Segment Routing over IPv6 (SRv6) Network Programming

      [8]IETF RFC 7915:IP/ICMP Translation Algorithm

      [9]IETF RFC 6052: IPv6 Addressing of IPv4/IPv6 Translators

      [10]IETF RFC 2473: Generic Packet Tunneling in IPv6 Specification

      [11]IETF文稿draft-xie-v6ops-framework-md-ipv6only-underlay-05: Framework of Multi-domain IPv6-only Underlay Networks and IPv4 as a Service

      作者簡介

      解沖鋒

      博士,教授級高工,現工作于中國電信研究院,長期負責中國電信IPv6技術研究和部署工作,研究范圍包括:下一代互聯網、IPv6、網絡架構、物聯網、云網融合等。目前擔任:歐洲電信標準化協會(ETSI) IPE工作組副主席、北京市IPv6重點實驗室主任、中國互聯網學會學術工委副主任委員、中國電信科技委委員等職務。

      關于IPv6大賽

      為落實2021年《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》要求,全面推進互聯網協議第六版(IPv6)商用部署,加快推動 IPv6 與各行各業融合發展,首屆IPv6技術應用創新大賽應運而生。

      本次大賽由中華人民共和國工業和信息化部、中共中央網絡安全和信息化委員會辦公室、 中華人民共和國教育部指導,中國信息通信研究院、上海市通信管理局、上海市經濟和信息化委員會、中共上海市委網絡安全和信息化委員會辦公室、上海市發展和改革委員會、上海市教育委員會、中國(上海)自由貿易試驗區、臨港新片區管理委員會主辦,國家(上海)新型互聯網交換中心、中國信息通信研究院華東分院、中國教育和科研計算機網CERNET網絡中心承辦。

      大賽賽道設置豐富,涵蓋興業、輔政、科教、惠民四大領域賽道,安全、APP/終端、信息基礎設置大三通用賽題,自7月份正式啟動以來,受社會各界及權威媒體的高度關注和多方位報道。

      大賽總決賽在上海舉辦,時間擬定12月,采取路演和會議相結合的形式,屆時IPv6領域上中下游創新項目、領軍代表將巔峰集結,同臺競技,助力IPv6規劃部署,引領行業熱潮。

      誠邀社會各界共同參與支持本次大賽,共建IPv6行業生態,共促IPv6高質量發展,共筑數字經濟發展底座,共賦千行百業數智轉型!

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