5G時代IPv6之需求與技術現況

在過去十年中網際網路使用量驚人地增長。近幾年來隨著行動網路的普及,有越來越多的網路流量的增長來自於行動網路。這種顯著的增長導致IPv4 (Internet Protocol version 4)地址空間的枯竭,有越來越多的行動網路運營商提供IPv6 (Internet Protocol version 6)位址與連結。而未來第五代行動通訊(5G)與世界趨勢朝著物聯網的發展,預期更增加了IPv6位址的需求。5G除了發展增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)以外,另增加了超可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)以及大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)兩種應用情境。mMTC提供大量儀器設備與各類附屬感應器產品,透過第五代行動通訊系統連接上網,預期大幅增加對IP位址(IP Address)的需求。

近期有越來越多行動業者部署IPv6。依據Internet Society統計,在下圖一中,全世界流量前25位裡中華電信排名第12。

圖一、世界電信運營商IPv6流量排名 (來源[1])
而由下圖Google的IPv6統計可以發現,從2009年至今使用IPv6存取Google的比例有指數型的成長。

圖二、使用IPv6存取Google (來源[2])
下圖三顯示CISCO預估到2021年,將有83億手持或個人行動設備及33億物聯網連接(如:汽車中的定位系統、航運和製造部門的資產追蹤系統)。從地區來看,北美和西歐的行動設備和連接增長最快,2016年至2021年的複合年增長率分別為16%和11%。

圖三、連線設備數量預估(來源[3])
2016到2021年4G連接數量增長到46%(圖四),遠高於2016年的23%。此外,不需高頻寬且可以容忍高延遲的低功耗廣域網路(Low Power Wide Area,LPWA)也從2016年的7%大幅增長到2021年的31%。

圖四、裝置連結數量來源分析(來源[3])
依據CISCO的評估[3],到2021年西歐以及中歐和東歐65%的移動設備和連接將具備4G以上的功能。到2021年,北美(63%)將擁有第二高的4G以上連接比率。而中國將擁有86%的總連接數量,澳大利亞擁有4G連接的75%。到2021年,LPWA採用率北美佔31%,西歐佔20%。

5G是新世代的行動網路技術,相對於4G的主要改進包括大頻寬(大於1 Gbps)、更廣泛的覆蓋範圍,和超低延遲時間。5G與4G不同在於將主要由物聯網應用驅動。目前一些行動網路運營商正在進行5G系統與應用現場試驗。

目前4G連接產生的流量幾乎是3G連接的四倍,已經佔移動流量總量的69%,佔網絡類型移動數據流量的最大比例。到2021年,4G將繼續以比其他網絡更快的速度增長,佔所有移動數據流量的79%。預估到2021年,5G將支持1.5%的移動流量。具有超高頻寬(100 Mbps)和超低延遲(1毫秒)的5G連接預計將帶來非常高的流量。

越來越多的物聯網設備連接到網際網路中,逐漸產生巨量的網際網路位址需求。新世代IPv6協定可以提供足夠的IP位址,亦充分地考慮移動性與安全性的需求,使IPv6成為未來行動網路5G與網際網路成功的關鍵之一。

談到協定標準部分,行動網路的標準是基於第三代合作夥伴計劃(3GPP)所定義的。由於3GPP採用許多既有網際網路之協定,而這些協定大部分由網際網路工程任務組(Internet Engineering Task Force,IETF)所制訂。當這些協定在行動網路佈建遇到問題時,IETF與3GPP合作探討以下協定在行動網路的問題。

  • SIP、IMS、SDP、RTP、XCAP、WebRTC、Telepresence、CLUE、Diameter
  • IPv6
  • Security (e.g. AKA)
  • Explicit Congestion Negotiation (ECN)
  • Robust Header Compression (ROHC)

自GPRS (General Packet Radio System)規範的第一版以來,架構一直支持使用IPv6,但當時由於IETF (Internet Engineering Task Force)尚未完成IPv6規範,以及此時廠商與使用者缺乏興趣,IPv6位址的分配只是從IPv4方法複製,而與最終IETF所制訂的IPv6規範不相容。GPRS規範與UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)第99版中的IETF IPv6規範一致,是第一個支持IPv6的版本。直到LTE (Long Term Evolution)規範,IPv6的位址分配才確立了下來。

手機(User Equipment,UE)在接入LTE的首要工作是完成LTE的初始化連接流程(Initial Attach Procedure),過程中手機與核心網路(Evolved Packet Core,EPC)之間會溝通,確定接入APN (Access Point Name)、手機能力以及服務品質能力(Quality of Service,QoS)等資訊,並建立封包資料網路(Packet Data Network,PDN)連線。

手機所取得的IP位址之協定由其所選擇的APN之類型(APN-type)所決定。手機在會議創建(Create Session)的過程中將此參數帶給封包閘道器(Packet Gateway,PGW),封包閘道器再根據APN類型來決定所分配的IP位址,並於初始化連接流程完成後,藉由含有介面識別碼(Interface ID)的IPv6 link-local位址(如:fe80::1:1:1:1)向封包閘道器發送芳鄰發現協定(Neighbor Discovery Protocol)的路由請求(Router Solicitation,RS)。簡化後的IPv6位址分配流程如圖五所示:

圖五、簡化後IPv6位址分配流程

手機對基地台eNB發起「連接(Attach)」請求,以便連接到行動網路中。此訊息並包含國際移動用戶識別碼(International Mobile Subscriber Identity,IMSI)與封包資料網路類型(IPv4、IPv6 or IPv4v6)等參數。PGW建立承載資料表(Bearer Context Table),並向服務閘道器(Serving Gateway,SGW)回覆「Create Session Response」訊息。PGW會在表中創建一個會議紀錄與計費識別碼(Charging ID)。

服務閘道器向移動性管理元件(Mobility Management Entity,MME)發送建立會議請求,包含PDN類型、PDN位址,及SGW的通道辨識碼(Tunnel Identifier,TEID)等。MME建立承載資料並向基地台發送「Initial Context Setup Request」訊息,表示接受手機的連接請求,但不會分配PDN位址中的IPv6 前置碼(prefix)給手機,而是分配介面識別碼(Interface ID)給手機。

 

PGW此時需要準備回應由手機發起的路由請(Router Solicitation,RS)訊息。路由通告(Router Advertisement,RA)訊息中將包含IPv6 前置碼以創建完整的IPv6位址。RA作為下行封包被轉送,手機可以通過使用封包閘道器先前分配的介面識別碼(後64位元)和路由通告中分配的IPv6前置碼(前64位元)來創建完整的IPv6位址(128位元)。

IPv6無狀態位址自動設定(IPv6 Stateless Address Auto-configuration,SLAAC)是IETF制訂的標準中唯一被指定為支援的位址分配機制。PGW會為每個預設承載分配一個長度為64位元的前置碼,並使用第二層LTE信令向手機分派一個唯一(Unique)的Interface ID。雖然標準也允許手機使用其他配置的位址的Interface ID,但有些網路驅動程式無法將Interface ID傳遞給手機的協定堆疊,而是手機以亂數產生自己的Interface ID。此時手機若跳過重複位址檢測(Duplicate Address Detection,DAD)就有可能發生兩台手機使用相同IPv6位址,而導致封包無法正確收送。PGW要保證所其分配的前置碼是唯一的,因此無需在分配給手機的位址上執行重複位址檢測,如此一來可以減少位址自動設定的延遲,此時手機中的 DupAddrDetectTransmits 參數值為0。

從上述的世界趨勢與需求看來,大量的連線終端需配發大量 IP 位址。行動通訊對於IP位址的需求,可能的方案是採用網路位址轉換(Network Address Translation,NAT)或採用IPv6。考量採用IPv6可以提供端對端(End-to-End)的安全性、IP的自動設定(Auto-configuration),且可以提供雙向通訊,未來5G行動通訊在加入大量物聯網連結(mMTC)使用情境之後,採行IPv6是必然的方案。然而在推展IPv6的同時,仍須注意目前IPv6在行動通訊遇到的的問題:(1)行動裝置(如:智慧手機)種類繁多,各廠牌型號支援IPv6的程度不同;(2)需要逐步推動資安、維運機制尚待補強。既有資安防護設備或系統(如:DNS/DDoS攻擊防護系統)支援IPv4,但對於IPv6攻擊的防護並不健全;(3)政府的通信監察、業者的客服、帳單、維運等系統需要改為支援IPv6,且需要建立IPv6維運所需的標準作業程序。若能順利解決上述問題,可讓使用者在享受IPv6在5G行動網路及物聯網帶來的便利,且可消除資安及維運上的疑慮。

[1] 世界IPv6使用評估 http://www.worldipv6launch.org/measurements/

[2] Google使用IPv6統計 https://www.google.com/intl/en/ipv6/statistics.html

[3] CISCO 連線流量與數量分析預估 https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/mobile-white-paper-c11-520862.html

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