运营商网络结构及IP地址分配原则

一、运营商网络结构及其特点

对于运营商网络来讲，由于地址分配问题只是网络业务层面的问题，与网络物理结构基本上没有关系，所以这里只从业务层面来考虑网络结构。参考业务层面网络结构图如下所示。

图1 业务层面网络结构图

运营商的网络一般都具有网络规模庞大、结构复杂、用户规模不断发展、承载业务多种多样、不断进行升级改造等特点。

1．规模庞大

运营商网络规模一般都比较大。像中国电信、中国网通等的网络都覆盖了大半个中国，中国移动、中国联通的网络则几乎覆盖了整个中国大陆，这样的网络规模在世界范围内都是排在第一位的。

2．结构复杂

一般来讲，运营商网络包括省际和省内骨干网络，各省内又包含许多城域网，城域网下又有许多用户驻地网通过接入网连接进来。另外，运营商网络还需要有互联网出口以及和其他国内或国外运营商之间的网际连接。

3．用户不断增加

随着经济的发展和消费观念的进步，用户对数据产品的需求不断增加，用户数也在急剧地上升。据统计，截至2004年2月底，我国固定电话用户数达到28108.1万户，移动电话用户数达到29030.5万户；而宽带用户数量在2004年的头第一季度中，2月比1月净增近百万户，而3月比2月更是净增140多万户，累计达到1399.5万户。另据报道，2003年底游戏用户数量达到1900万，2004年将达到3200万。

4．承载业务多种多样

运营商网络承载的业务都是多种多样的，包括语音、数据、图像、多媒体通信与信息服务等等，几乎囊括了所有可以想见的业务。

5．需要不断扩容升级

随着用户规模的不断增长，用户对业务要求的不断发展，运营商网络往往会无法满足用户的需要，这也促使运营商不得不对其网络进行扩容。另外，随着竞争的逐渐加剧，也驱动着运营商不断采用新的技术来抢占市场先机，从而对其网络不断地进行升级改造。

二、运营商网络IP地址分配的原则

由于运营商网络具有上述特点，所以在进行运营商网络IP地址分配时，应该遵循以下九大原则。

1．自治原则

公共互联网络被划分成几个大的自治区域，每个大自治区域中有被划分成几个小的自治区域。运营商的网络也可以这样进行管理。虽然运营商的网络比较庞大，但是如果将整个网络分切成小块的网络，每个小块的网络管理与网络其他部分相对独立，这样管理起来就比较方便了。实际上，运营商的整个网络相对于整个网络世界来讲就是一个小块的网络，这个网络还可以依据省份划分成各个省网，各个省网之间的网络连接就构成了省际骨干网；每个省网又可以分成多个地市网络，每个地市网络可以形成一个城域网，各城域网之间相互连接就构成了省内骨干网；用户驻地网可以通过各种各样的接入方式连接到城域网边缘的汇聚点上。这样，我们可以将运营商的网络划分成等级不同的自治网络——省网、城域网、用户驻地网等，这样管理起来就比较方便了。对于较大的省网、城域网和用户驻地网等网络内部的地址分配，也可以按照这种方法划分成多个小区域。

2．顺序原则

按照自治原则将网络进行逻辑划分后，就可以根据地域、设备分布及区域内用户数量来进行子网规划。这样就充分考虑了网络层次和路由协议的规划，通过聚合网络减少网络中路由的数目和地址维护的数量，充分体现了分层管理的思想。同时，IP地址规划要和网络层次规划、路由协议规划、流量规划等结合起来考虑。在进行地址分配时，为了提高地址分配效率和地址利用率，最好按照一定的顺序进行。选择的顺序可以是自上而下的顺序，也可以是自下而上的顺序，还可以是二者结合使用。

3．可持续发展原则

由于网络用户数持续高速增长，全国性大集团性用户不断增加，再加上政府上网工程和电子商务的全面启动，电信网络所要承载的业务量和业务种类越来越多，这使得电信网络需要频频进行技术升级、改造和扩容。所以，在进行地址分配时必须要从分考虑到这些因素，为网络的每个部分留有部分地址冗余，这样才能保证网络的可持续发展。

4．可聚合原则

互联网日新月异的发展和日益庞大的规模令当初设计互联网络的专家始料不及。在路由表的急剧膨胀情况下，可聚合原则是网络地址分配时所必须遵守的最高原则。原因有以下两个方面。第一，根据IPv4地址的三种主要类型来分配地址已经造成了互联网络地址资源的严重浪费，A类地址已经分配殆尽，很快B类地址也将耗尽，目前正在进行C类网络地址的分配。路由表在IP地址分配基本单位逐渐减小的情况下，正变得越来越大。第二，IPv6地址与IPv4地址在较长的时间之内还要共存，这使得网络不仅要承担原本就非常庞大的IPv4路由，还要额外承担新增加的IPv6。而且由于IPv6地址空间非常庞大，如果规划不好，其路由条目也可能会非常庞大，而且还会以较高的速度急剧增长。可聚合原则要求我们在进行地址规划时，应提供足够的路由冗余功能。

5．与过渡技术相结合原则

由于现在网络要由IPv4向IPv6过渡，而每种过渡技术对网络又有不同的要求，因此在地址分配时要充分考虑到所使用过渡技术的特点。实际上，每一种过渡技术都有其特殊的地址使用要求。在使用6to4过渡技术时，就一定要为该6to4网络分配以2002开头的IPv6地址；在配置自动隧道时，要求执行隧道功能的节点的IPv6地址为IPv4兼容地址等。

6．静态分配与动态分配相结合原则

既然地址有限，而且网络地址管理又是一个非常单调且复杂的工作，为了节约地址和减少网络维护管理的工作量，在地址分配时需要采用静态分配与动态分配相结合的方法。如果某些设备必须要有固定的地址，可以分配给它们固定的地址；如果没有必要使用固定地址，则可以使用动态分配（包括有状态自动配置和无状态自动配置）的方法。但是，由于动态编址的一个最大缺点是外界无法找到某台具体的主机，如果想给外界提供某项网络服务，就不能实现了。所以，在使用动态编址技术时，有时还需要采用混合方法进行地址分配，也就是让多数用户用动态地址而一小部分用户用静态地址，或者说为服务器等为外界提供网络服务的设施分配静态地址，而其他人则分配给动态地址。

7．公网地址与私网地址相结合原则

可用的公网地址数量毕竟有限，而可用的私网地址数量却非常多，是解决地址数量不足的良方之一。

8．尽量节约IPv4地址的使用

由于IPv4地址较少，所以对于IPv4地址的使用需要格外节约。IPv4地址的节约可以通过动态编址技术和NAT技术来实现。

动态编址技术可以通过DHCP来实现。当一个设备连接到网络时，该设备会向DHCP服务器申请租借IP地址。当该设备与网络断开连接时，就会放弃刚才所租借的IP地址，DHCP服务器就可以把该IP地址分配给其他设备了。

NAT技术是节约地址的非常有效的方法之一，它通过使用私有地址来节约公有地址的使用。一般采用私有地址的本地网有两种方案。一种是整个本地网都采用私有地址，在本地出口处实现NAT；另外一种是本地网的骨干层采用公有地址，商业区或企业采用公有地址，住宅小区采用私有地址，小区通过NAT接入到本地网。这两种方法都有其各自的缺点。第一种方法的缺点是出口NAT性能要求较高，本地网提供对外的服务网站较困难，企业上网要经过两次NAT等；第二种方法的缺点是小区用户访问城域服务需要通过NAT，影响宽带增值业务的开展，使宽带网丧失宽带的优势，并且需要较多的NAT设备，成本较高，维护困难。近来又有人提出了混合地址解决方案，其基本思想是，本地网内公有地址和私有地址完全混合使用，内部公有地址和私有地址之间不做地址转换，本地网的路由设备不区分公有、私有地址，同时支持公有、私有地址路由；网络出口采用混合地址交换路由器进行地址转换，仅仅对私有地址数据报文进行地址转换，公有地址报文按正常路由转发；小区个人用户宽带接入分配私有地址，如个别用户特殊需要，也可以通过隧道拨号方式获得公有地址；企业用户分配公有地址，企业内部一般已经采用私有地址建立内部网，并通过NAT设备接入互联网；本地数据中心的服务器分配公有地址；对于较大的城市或地区，整个地区的私有地址还是统一编址，实现NAT功能和混合地址交换功能的路由器可以放在网络汇聚层，并对数据报文进行有选择地址转换。这种解决方案与前两种方案相比具有明显的优点。第一，解决宽带接入小区占用大量地址问题，缓解地址资源不够的压力；第二，用私有地址的个人用户访问城域服务，不必经过NAT，因此在城域范围内，VoIP、网络会议等增值业务不会受到NAT的限制；第三，城域内可以提供对外部Internet的服务，也不受NAT的限制；第四，企业用户上网不必通过两次NAT，企业网出口一般采用代理实现地址转换，城域出口对已经做了地址转换的报文不再做转换处理；第五，采用混合地址交换路由器实现地址转换，可以配置转换策略，控制灵活。而且仅对部分报文进行转换，性能较高。

尽管IPv4网络规模非常强大，但是IPv6取代IPv4是迟早的事，因此在地址规划时如果能够使用IPv6地址，最好使用IPv6地址。

三、结论

运营商网络具有规模庞大、结构复杂、用户不断增加、需要不断扩容升级等特点，这就要求在进行地址分配时，需要进行仔细规划，遵循上述地址分配九大原则，才能使得网络稳定、高效地运行，走上可持续发展之路。