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

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

1、5G与4G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6:5G与4G关键能力对比

2、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)IPv6是5G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!》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

1、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础。

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。

2、5G的建设投资,将加速IPv6的普及

据信通院测算,预计2020年,电信运营商在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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