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5G 与 IPv6:共生共荣
来源:互联网   发布日期:2019-09-16 14:04   浏览:2729次  值班编辑QQ:点击这里给我发消息

1G - 5G 网络代际升级的过程也是网络逐步 IP 化过程,4G 成为全 IP 业务网络。全 IP 化对移动网络意义重大,增强了网络的灵活性,为业务融合与拓展开启便利之门。而业务的拓展,使得移动网络的关键业务从语音业务变为互联网数据业务。 目前 TCP/IP 是应用最
 

1G - 5G 网络代际升级的过程也是网络逐步 IP 化过程,4G 成为全 IP 业务网络。全 IP 化对移动网络意义重大,增强了网络的灵活性,为业务融合与拓展开启便利之门。而业务的拓展,使得移动网络的关键业务从语音业务变为互联网数据业务。

目前 TCP/IP 是应用最广泛的互联网体系结构,在这个体系结构中,网络层承上启下,向下兼容包括 5G 的各种通信系统,向上支撑各种新的应用层出不穷。网络层包含三个要素,传输格式、传输方式、路由控制技术,当前传输格式由 IPv4 大规模向 IPv6 的转变。

使用 IPv6 + 5G 的网络能够达到更优的性能目标。IPv6 为海量机器类通信提供充足的 IP 地址,使得 5G 联网终端的永久在线成为可能。5G 网络的高可靠低时延目标需要从多个角度共同努力,除应用新的空口技术标准和部署边缘计算与网络切片功能外,使用 IPv6 替代 IPv4 也可成为优化手段之一。

应用场景的拓展也带动了 IPv6 不断创新, IPv6 Multi-homing , SRv6 等技术的出现迎合了网络进化的需要,而电源利用效率和网络安全建设等方面还需要进一步完善与加强。5G 的建设将激发各领域加大数字化投资,一方面解决现有老旧设备对 IPv6 不支持的问题,另一方面 5G 新应用的出现也会刺激 IPv6 部署的需求。

移动通信网络 IP 化演进

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移动通信网络代际演进与 IP 化演进历程

从 2G 时代的核心网引入软交换开始,移动通信网络的 IP 化伴随着代际升级同时进行,最终在 4G 时代随着 IMS (IP Multimedia Subsystem IP 多媒体子系统)大规模部署,VoLTE 功能上线,实现了核心网、承载网、接入网全业务层面的 IP 化。

图1:移动通信代际升级与 IP 化演进历程

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IP 化移动网络的显著优势

IP 化的网络具有非常显著的优势:提升网络性能、减低网络成本、增强网络扩展灵活性、降低网络管理复杂度;减少了网络层次、降低网络处理复杂度;支持基于 IP 的应用,易于扩展移动网络新业务、新场景;面向未来,便于网络发展演进。

图2:移动通信 IP 化演进意义

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移动网络的关键业务已从语音业务转向互联网数据业务

伴随各种线上线下服务加快融合,移动互联网业务创新拓展,带动移动支付、移动出行、移动视频直播、餐饮外卖等应用加快普及,刺激移动互联网接入流量消费保持高速增长,移动网络的关键业务已从语音业务向基于互联网的数据业务转变。2018年,移动互联网接入流量消费达 711 亿 GB ,比上年增长 189.1%,增速较上年提高26.9 个百分点。全年移动互联网接入月户均流量(DOU)达 4.42GB /月/户,是上年的 2.6 倍。

图3:2013-2018 年电信收入结构(话音和非话音)情况

图4:2013-2018 年移动互联网流量及月DOU增长情况

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IP 化的移动网络通过 TCP/IP 协议连接各种应用

互联网的核心技术是互联网的体系结构,它是研究互联网各部分的组成和相互关系的组合,目前 TCP/IP 体系结构获得了最广泛的应用。它可以抽象成一个沙漏模型,核心是网络层,网络层承上启下,向下兼容包括 5G 在内的各种通信系统,向上支撑各种新的应用层出不穷,例如车联网VR远程医疗等,使互联网成为推动整个社会进步的重要支撑力量。

图5:IP 化的移动网络通过 TCP/IP 协议连接各种应用

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TCP/IP 协议定义的网络传输格式大规模向 IPv6 的转变

网络层包含三个要素,传输格式、传输方式、路由控制。要实现世界范围内所有网络的互联互通,就必须有标准的传输格式,上个世纪 90 年代初期,互联网研究者就已经发现 IPv4 在地址数量和互联网传输方面存在很多问题,因此开展了新传输格式 IPv6 的研究。到 2012 年,IPv4 地址基本分配完毕,IPv6 开始正式大规模启用。

IPv6 解决 IPv4 地址匮乏问题的同时,在许多方面对网络提出了改进措施:报头简化,易于功能扩展,自动化提升,基于流的差异化服务,支持海量、泛在连接,加强安全、隐私保护,移动性支持等,近几年全球 IPv6 发展非常迅猛。

IPv6 促进 5G 网络更好

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5G4G 关键能力对比

5G 具备比 4G 更高的性能:

  • 支持 0.1~1Gbps 的用户体验速率;
  • 每平方公里一百万的连接数密度;
  • 毫秒级的时延;
  • 每平方公里数十 Tbps 的流量密度;
  • 每小时 500Km 以上的移动性;
  • 数十 Gbps 的峰值速率。

其中,用户体验速率、连接数密度和时延为 5G 最基本的三个性能指标。同时,5G 还需要大幅提高网络部署和运营的效率,相比 4G,频谱效率提升 3~5 倍,能效和成本效率提升百倍以上。

图6: 5G4G 关键能力对比

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IPv6 促进 5G 网络更好

根据 5G 的关键能力,ITU 为 5G 规划了三大典型应用场景,分别是增强移动带宽、海量机器类通信,超高可靠低时延,目前的商业网络应用还集中在增强移动带宽阶段,后两种应用场景是未来的发展方向。

IPv6 在后两种场景中促进 5G 网络更好:

  • IPv6 可以为海量机器类通信提供足够的 IP 地址,使得联网终端的永久在线成为可能。
  • IPv6 相对 IPv4 协议设计进步,有助于优化网络的时延与可靠性。

图7: 5G 典型应用场景

(1)IPv65G 网络海量机器通信的基础

近一年来,三大基础电信企业加快改造进度,为全国 LTE 用户和固定宽带接入用户分配 IPv6 地址。截至2019 年 5 月底,我国已分配 IPv6 地址用户数达到 12.07 亿,其中LTE网络已分配 IPv6 地址的用户数为10.45 亿,固定宽带接入网络已分配 IPv6 地址的用户数为 1.62 亿。国家政策叠加全 IP 网络的业务需求,带动 LTE 网络端到端改造进程的加速,呈现出移动网络 IPv6 用户数发展速度大幅领先固定网络的趋势。

图8:已分配 IPv6 地址用户数变化趋势

(2)IPv6 有助于优化时延、提供可靠服务

ITU 为 5G 网络规划的第三类应用场景为超高可靠低时延通信,主要面向工业控制远程医疗、远程控制等垂直行业的特殊应用需求,这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求。

图9:5G 在超高可靠低时延场景下的垂直行业应用

ITU 对 5G 提出了毫秒级的端到端时延要求,理想情况下端到端时延为 1 ms,典型端到端时延为 5 – 10 ms 左右。目前使用的 4G 网络,端到端理想时延是 10 ms 左右,典型时延是 50-100 ms,这意味着 5G 将端到端时延缩短为 4G 的十分之一。端到端时延指的是,数据包从离开源节点的应用层时开始计算一直到抵达并被目的节点的应用层成功接收一共经历的时间长度。因此,端到端时延包括接入网时延、核心网时延以及 Internet 时延。

降低网络时延需要从多个角度共同努力,首先是新的 5G 系统空口 NR 的技术规范,目前仍在完善过程中,其次为了能进一步降低延迟,运营商尝试将数据与计算下沉到网络边缘,MEC(Mobile Edge Computing)被部署和应用,并通过网络切片功能,形成虚拟专网,提供差异化服务,最后,由于协议设计的进步,使用 IPv6 替代 IPv4 也可成为是优化手段之一。

图10 : 边缘计算优化时延示意图

图 11: IPv6 对超高可靠低时延的场景的贡献

2018 年 12 月 30 日,APNIC(亚太互联网络信息中心)发布的文章《中国 IPv6 突然加速7指出,除三个 AS网络的 IP 连接可能使用了一些更长的外部路径来访问中国国内的服务器,在其他大多数情况下,IPv6 提供了更好的 RTT 性能。

RTT 性能测量是比较 IPv4 和 IPv6 不同地址下的连接往返时延,如果用户有一个双栈连接的设备,那么测量脚本将让用户先使用 IPv4 地址访问 Web对象,并再次使用 IPv6 地址访问同一物理服务器上的对象。通过查看这两个协议中的 TCP 握手过程,可以在相同的两个端点之间分别使用 IPv4 地址和 IPv6 地址进行两次往返时延测量。

图12:中国境内服务器 IPv6/IPv4 RTT性能比较(按 AS 网络划分)

5G 部署将激发基于 IPv6 的技术创新

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迎合网络进化的需求,IPv6 不断创新

IPv6 协议不是对 IPv4 协议的简单扩展,配合网络的发展,IPv6 也在不断创新。

MEC 通过在网络边缘向开发者或者第三方的内容服务商提供数据计算与存储的能力,将原本完全由中心节点处理的大型服务加以分解,分散到边缘节点去处理,加快资料的处理与传送速度,减少延迟。边缘节点的应用需要网络引入分流技术,IPv6 Multi-homing 方案是三个主流的 5G 网络分流技术之一。IPv6 Multi-homing 根据源地址分流,终端对不同的链接使用不同前缀,可以同时访问本地网络和远程网络,这为边缘计算等场景提供了技术基矗

图13:IPv6 Multi-homing 方案支持边缘计算示意图

5G 承载网为满足三大应用场景的需求,需通过引入多种关键技术,提供超大带宽、超低时延的传输管道,并支持灵活调度,基于 IPv6 的 Segment Routing(以下简称 SRv6 )就是这些新技术之一。

基于 IPv6 的 SRv6 促进 5G 承载网简单、灵活。SRv6 是 IPv6 与 Segment Routing (分段路由,简称 SR)技术的结合,依靠 IPv6 地址的灵活性,通过 IPv6 报文头扩展支持隧道功能,从而取消了 MPLS 转发承载技术,将普通的 IP 转发和隧道转发统一,能够大幅减少网络协议,简化运维,有效降低 OPEX。同时,基于 IPv6 协议的灵活扩展性以及 SDN 的全局网络管控能力,SRv6 可以实现灵活的编程功能,便于快速地部署新业务。

2019 年 01 月 23 日中国电信广州研究院与华为共同宣布联合完成国内首个 SRv6 商用验证。通过本次联合创新测试,验证了 SRv6 已具备商用能力。

图14:SRv6 报文结构

技术的发展是逐步完善的过程,IPv6 也不例外,在实际应用场景中依然有诸多可改进和完善的方向,例如加强 IPv6 协议下的电源有效利用以及网络安全等。

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5G 的建设投资,将加速 IPv6 的普及

据信通院测算,预计 2020 年,电信运营商5G 网络设备上的投资超过 2200 亿元,各行业在 5G 设备方面的支出超过 540 亿元。随着网络部署持续完善,运营商网络设备支出预计自 2024 年起将开始回落。同时随着 5G 向垂直行业应用的渗透融合,各行业在 5G 设备上的支出将稳步增长,成为带动相关设备制造企业收入增长的主要力量。

图15:来自运营商和各行业 5G 网络设备收入(亿元)

5G 的建设投资激发各领域加大数字化投资,加速互联网企业、电信运营商、垂直行业以及个人用户的设备部署与更新,一方面解决现有老旧设备的对 IPv6 不支持的问题,另一方面 5G 新应用的出现刺激对 IPv6 部署的需求。

随着三大基础电信企业的持续投入,截至 2019 年 5 月, LTE 网络、城域网已基本完成 IPv6 改造,并为用户分配 IPv6 地址,5G 网络的建设将加速 IPv6 的部署。

移动应用的飞速发展带动终端用户的换机潮,国内市场占比前 10 的厂商 2018 年发布的机型和系统版本均已具备 IPv6 支持能力。苹果终端在 iOS 12.1 版本后,安卓终端在 Android 8.0 版本后,已全面支持 IPv4/IPv6 双栈协议。

截至 2019 年 6 月,国内用户量排名前 50 位的商业网站及移动应用中,可通过 IPv6 访问的共有 40 家。未来5G 新应用的出现可能进一步刺激对 IPv6 部署的需求。

图16:5G 网络投资逻辑图

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相关热词: IPv6 网络层 IPv4 TCP 体系结构

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