李曉杰

(黑龍江科技大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)中心，黑龍江 哈爾濱 150022)

基于雙棧網(wǎng)絡(luò)的IPv4/IPv6校園過渡方案研究

李曉杰

(黑龍江科技大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)中心，黑龍江 哈爾濱 150022)

由于互聯(lián)網(wǎng)中IPv4地址池資源的逐漸枯竭，以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的快速發(fā)展，針對下一代互聯(lián)網(wǎng)IPv6技術(shù)及應(yīng)用的研究以及如何實(shí)現(xiàn)IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)過渡將迎來越來越多的發(fā)展機(jī)遇。高校作為科技創(chuàng)新的發(fā)源地，理應(yīng)在IPv6網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用中發(fā)揮自己的引領(lǐng)作用，推動新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)與發(fā)展。綜合分析了IPv6的技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合高校校園網(wǎng)特點(diǎn)，基于雙協(xié)議棧技術(shù)，提出一種符合高校校園網(wǎng)發(fā)展的IPv4/IPv6過渡方案，并對組網(wǎng)模式進(jìn)行了優(yōu)化。充分發(fā)揮了IPv6網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)了IPv4網(wǎng)絡(luò)向IPv6網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)過渡，確保了網(wǎng)絡(luò)過渡期間校園網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，以及終端對IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)的正常訪問。

地址池；IPv6技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)過渡；雙協(xié)議棧

0 引 言

IPv6網(wǎng)絡(luò)作為互聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展趨勢，將逐漸取代IPv4網(wǎng)絡(luò)，但I(xiàn)Pv4網(wǎng)絡(luò)如何向IPv6網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)過渡一直困擾著全世界各國政府、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商、運(yùn)營商和標(biāo)準(zhǔn)化組織。現(xiàn)階段IPv4/IPv6過渡技術(shù)沒有權(quán)威的檢測標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于IPv4/IPv6過渡技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)約有數(shù)十種[1]，難以對各種過渡技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢進(jìn)行評價。目前各種過渡技術(shù)錯綜復(fù)雜、過渡方案目的不明確。過渡技術(shù)檢測標(biāo)準(zhǔn)[2]不明確勢必會導(dǎo)致IPv4與IPv6網(wǎng)絡(luò)在未來一段時間內(nèi)共存，而且將會經(jīng)歷一個較長的共存時期。IPv6網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性[3]決定了IPv4網(wǎng)絡(luò)會逐漸向IPv6網(wǎng)絡(luò)過渡，最終IPv6網(wǎng)絡(luò)將取代IPv4網(wǎng)絡(luò)是互聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的必然趨勢。

1 IPv6地址格式分析

IPv4與IPv6地址之間最大的差別[4]就是地址的長度：IPv4地址長度為32位，地址池資源為232≈43億個，目前已趨于枯竭。IPv6地址長度增加到128位，地址池數(shù)量將達(dá)到2128個[5]。IPv4地址用點(diǎn)分十進(jìn)制表示，值的范圍為0～255，共4段。例如：192.168.11.110，127.0.0.1，202.97.224.68。IPv6地址用十六進(jìn)制表示[6]，一般分為8段，值的范圍從“0”到“FFFF”，中間用冒號隔開。

IPv6地址主要有三種表示形式[7]：

(1)首選形式。

將128位的地址按每16位劃分為一個段，每段為4個十六進(jìn)制字符，中間用冒號分開。例如，3045:10DB:32D3:0ED3:1319:8A2E:0370:7344。

(2)壓縮形式。

將連續(xù)段位值為零的用雙冒號符號(::)替代，并且雙冒號符號(::)只能在IPv6地址中出現(xiàn)一次，否則無法看出每個壓縮形式中包含幾個全零的段位。例如，1030:0:0:0:C9B4:FF12:48AA:1A2B可表示為1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。

(3)兼容形式。

在網(wǎng)絡(luò)從IPv4到IPv6過渡過程中，若出現(xiàn)某些終端既訪問了IPv4網(wǎng)絡(luò)，又訪問IPv6網(wǎng)絡(luò)的情況，就需要一種可以同時表示IPv4地址和IPv6地址的IP地址表示形式[8]。例如，IPv4地址192.168.11.110可用IPv6地址0:0:0:0:192:168:11:110表示。

2 過渡方案

2.1 基本原則

文中設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)過渡方案主要遵循以下原則[9]：

(1)網(wǎng)絡(luò)從IPv4到IPv6的過渡過程必須簡單，IPv6各節(jié)點(diǎn)間不存在過多的相互依賴性。

(2)最大化利用原有設(shè)備，保證IPv4和IPv6設(shè)備能夠相互兼容，互相之間通信和數(shù)據(jù)傳輸沒有干擾。

(3)過渡方案要易于理解且容易操作。

2.2 雙協(xié)議?；驹?/p>

基本原理：IPv4和IPv6的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議功能相近，且處于相同的物理平臺，其上層的傳輸層TCP和UDP協(xié)議也基本相同。因此某設(shè)備如果能夠同時支持IPv4協(xié)議和IPv6協(xié)議，那么在該設(shè)備運(yùn)行IPv4和IPv6兩套協(xié)議棧時，就可以既能與IPv4網(wǎng)絡(luò)通信，又能與IPv6網(wǎng)絡(luò)通信[10]。

2.3 雙協(xié)議棧工作方式

由于雙棧網(wǎng)絡(luò)下的設(shè)備同時支持IPv4協(xié)議和IPv6協(xié)議，所以該設(shè)備在運(yùn)行過程中需要根據(jù)情況選擇一種工作方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。一般情況下，根據(jù)目的地址的協(xié)議類型的不同來選擇合適的協(xié)議棧工作方式[11]。

Step1:對目的地址類型進(jìn)行判定；

Step2:目的地址為IP地址形式，轉(zhuǎn)Step4；

Step3:目的地址為域名形式，則對該地址進(jìn)行域名解析，轉(zhuǎn)換為IP地址形式；

Step4:根據(jù)IP地址形式進(jìn)行判定；

Step5:目的地址為IPv4地址，向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送連接請求，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；

Step6:目的地址為IPv6地址，則調(diào)用IPv6協(xié)議棧[12]，建立TCP6連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.4 雙協(xié)議棧技術(shù)的工作模型

雙協(xié)議棧有完全雙協(xié)議棧模型(Dual stack model)和有限雙協(xié)議棧模型(Limited dual stack model)兩種常用應(yīng)用模型[13]：

(1)完全雙協(xié)議棧模型：網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)都是雙棧的，即同時支持IPv4和IPv6協(xié)議，節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)包由不同的協(xié)議棧來處理。

優(yōu)點(diǎn)：策略配置簡單，不存在數(shù)據(jù)通信問題；

缺點(diǎn)：每個節(jié)點(diǎn)需要配置一個IPv4地址，不能從根本上解決IPv4地址緊缺問題。

(2)有限雙協(xié)議棧模型：服務(wù)器、交換機(jī)和路由器是雙棧的，非服務(wù)器的終端只支持IPv6協(xié)議棧。

優(yōu)點(diǎn)：從根本上解決了IPv4地址緊缺問題；

缺點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)中的純IPv4節(jié)點(diǎn)與純IPv6節(jié)點(diǎn)之間無法進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

可以看出：有限雙協(xié)議棧模型是目前解決IPv4地址池資源緊缺問題的有效途徑，針對該模型的缺點(diǎn)，可以通過雙棧轉(zhuǎn)換機(jī)制(Double Stack Transition Mechanism，DSTM)[14]來解決網(wǎng)絡(luò)中純IPv6節(jié)點(diǎn)與純IPv4節(jié)點(diǎn)或終端的數(shù)據(jù)通信問題，通過給IPv6節(jié)點(diǎn)臨時分配IPv4地址的方式[15]，并保證該IPv4地址在一段時間內(nèi)的唯一性，從而使之能夠與純IPv4節(jié)點(diǎn)或終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.5 雙棧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

目前的校園網(wǎng)建設(shè)開始于2001年，校園網(wǎng)絡(luò)主干采用環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，核心層骨干設(shè)備采用H3C的9500和7500系列交換機(jī)實(shí)現(xiàn)萬兆互聯(lián)，形成一個“萬兆作骨干、千兆進(jìn)樓宇、百兆到桌面”的具有前瞻性的校園網(wǎng)。保持校園原有的雙核心組網(wǎng)模式不變，最大程度地利用現(xiàn)有的IPv4網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，邊界路由引進(jìn)支持雙棧的高端路由器接入Cernet和Cernet2主干網(wǎng)，原來的邊界路由器接入中國網(wǎng)通和中國電信，通過策略路由將各出口互為備份，實(shí)現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)的接入。

雙棧網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

優(yōu)點(diǎn)：該組網(wǎng)模式采用了雙核心架構(gòu)，因此可以避免因其中一臺核心交換機(jī)出現(xiàn)故障造成整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓的風(fēng)險；最大化利用現(xiàn)有設(shè)備，避免資源浪費(fèi)。

缺點(diǎn)：由于IPv4核心交換機(jī)和接入層交換機(jī)均為千兆互聯(lián)、百兆接入，IPv4核心交換機(jī)和接入層交換機(jī)的主控板帶寬制約著IPv6網(wǎng)絡(luò)流量，一定程度上影響了IPv6高效高速性能的發(fā)揮。

圖1 雙棧網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

對全校校園網(wǎng)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，需要對核心層和匯聚層的設(shè)備進(jìn)行升級。為了保證核心層設(shè)備的性能，購入支持IPv6協(xié)議的核心交換機(jī)，替代現(xiàn)有的IPv4核心交換機(jī)。通過在IPv6核心交換機(jī)上部署雙協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部IPv6和內(nèi)部IPv4之間設(shè)備相互通信以及雙?？蛻舳藢Pv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)的訪問。

優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

從圖中可以看出，原IPv4校園網(wǎng)仍然通過與原有的雙核心架構(gòu)與外部的IPv4網(wǎng)絡(luò)通信，而IPv6網(wǎng)絡(luò)則通過新增的IPv6核心交換機(jī)與Cernet2主干網(wǎng)直接通信。校園網(wǎng)內(nèi)部的IPv4和IPv4之間以及IPv6和IPv6之間的數(shù)據(jù)通信通過原有的IPv4核心交換機(jī)和新增的IPv6核心交換機(jī)直接相連實(shí)現(xiàn)。IPv6網(wǎng)與IPv4校園網(wǎng)絡(luò)通過新增設(shè)的IPv6核心交換機(jī)部署雙協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)相互通信。

通過對現(xiàn)有校園網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，不僅實(shí)現(xiàn)了終端對IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)的訪問，還最大程度上發(fā)揮了IPv6網(wǎng)絡(luò)的高速高效性能，實(shí)現(xiàn)了IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)過渡。

3 結(jié)束語

文中從雙協(xié)議棧技術(shù)的基本原理出發(fā)，設(shè)計了一種IPv4/IPv6校園網(wǎng)絡(luò)過渡模式，并對該模式進(jìn)行了優(yōu)化，以適應(yīng)學(xué)校網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)的迅速發(fā)展，對今后校園網(wǎng)絡(luò)的研究與建設(shè)具有較高的參考價值。校園網(wǎng)由現(xiàn)有的IPv4過渡到IPv6成為必然趨勢。高校作為新技術(shù)的策源地，應(yīng)積極推行IPv6技術(shù)，不斷完善技術(shù)體系，并根據(jù)自身的情況科學(xué)分析、合理布局，設(shè)計符合學(xué)校自身發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)先、安全性高、易擴(kuò)展的新一代校園網(wǎng)絡(luò)，為學(xué)校教學(xué)、科研、管理、生活提供強(qiáng)有力的支持。

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Research on Transition Network of Campus of IPv4/IPv6 Based on Double Stack

LI Xiao-jie

(Network Information Center,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

Because of the drying up for IPv4 address pool resources in Internet as well as the rapid development of new technologies like the Internet of Things and big data,study of IPv6 technology of next generation Internet and its application,and how to achieve the smooth transition of IPv4/IPv6 network will usher in more and more opportunities for development.As the cradle of scientific and technological innovation,colleges and universities ought to play their leading role in IPv6 network research and application,promoting research and development for a new generation of Internet technology.In this paper,IPv6 technology is analyzed comprehensively and a IPv4/IPv6 transition scheme conforming to college campus network development is put forward based on double protocol stack combined with the characteristics of campus network in colleges and universities,and the network modeling is optimized.The characteristics and superiority of IPv6 network is given full play,and smooth transition is implemented from the IPv4 to the IPv6,and the stability of campus network during transition period as well as the normal terminal access to IPv4/IPv6 network is ensured.

address pool;IPv6 technology;network transition;double protocol stack

2015-11-18

2016-03-09

時間：2016-08-01

黑龍江省教育科學(xué)技術(shù)研究項目(12543064)

李曉杰(1969-)，女，碩士，高級工程師，從事校園網(wǎng)管理與維護(hù)工作。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160801.0909.066.html

TP393

A

1673-629X(2016)08-0171-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.08.036