基于IPv6的校園網(wǎng)建設(shè)方案研究

陳佳

桂林理工大學(xué)南寧分校 廣西·南寧 530001）

摘 要 針對(duì)在校園網(wǎng)建設(shè)中使用IPv6技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，本文以某中學(xué)校園網(wǎng)為背景，提出了以IPv6編址為基礎(chǔ)的校園網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

關(guān)鍵詞 IPv6 校園網(wǎng) Packet Tracer

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

自從互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入我國(guó)以來(lái)，其用戶數(shù)量和應(yīng)用領(lǐng)域得到了飛速的發(fā)展，而校園網(wǎng)作為我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要的組成部分，對(duì)我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及教育信息化革新起到了舉足輕重的作用。在過(guò)去的近二十年，校園網(wǎng)的發(fā)展主要以IPv4地址為主流網(wǎng)絡(luò)組建技術(shù)，然而隨著IPv4地址空間的逐漸耗盡，它越來(lái)越不能滿足互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的需求，取而代之的將是IPv6。

目前，IPv6技術(shù)的理論體系已基本成熟，正逐步推廣應(yīng)用。我國(guó)的第二代教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)（CERNET2），已成為當(dāng)前規(guī)模最大的采用純IPv6技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)。然而，但在實(shí)際的應(yīng)用中基于IPv6組網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)的網(wǎng)絡(luò)組建中還沒(méi)有得到普遍采用，需要不斷積累經(jīng)驗(yàn)。本文以某中學(xué)校園網(wǎng)建設(shè)為例，利用仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于IPv6校園網(wǎng)的組建過(guò)程。

1 需求分析

某中學(xué)目前需要聯(lián)網(wǎng)的樓宇主要有：教學(xué)樓2棟，圖書館1棟，實(shí)驗(yàn)樓1棟，教職工宿舍樓2棟。其中教學(xué)樓有網(wǎng)絡(luò)教室若干個(gè)、在該樓還建設(shè)有財(cái)務(wù)部、教務(wù)部等行政部門的辦公室，圖書館設(shè)有電子閱覽室3個(gè)，圖書館辦公室若干個(gè)，各辦公室都已配有多臺(tái)電腦。

該學(xué)校校園網(wǎng)建設(shè)總體要求是：所建成的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)將學(xué)校所有的樓宇都連接起來(lái)，為辦公用戶、教學(xué)、科研、行政、教職工生活區(qū)等提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)部實(shí)現(xiàn)資源的高度、安全共享，為教學(xué)、科研、管理提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 IPv6校園網(wǎng)設(shè)計(jì)原則

（1）高帶寬。為了保障全網(wǎng)的高速轉(zhuǎn)發(fā)，校園網(wǎng)全網(wǎng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)的無(wú)瓶頸性，要求方案設(shè)計(jì)的階段就要充分考慮到，同時(shí)要求核心交換機(jī)具有高性能、高帶寬的特性，整網(wǎng)的核心交換要求能夠提供無(wú)瓶頸的數(shù)據(jù)交換。

（2）開放性。技術(shù)選擇必須符合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，避免個(gè)別廠家的私有標(biāo)準(zhǔn)或內(nèi)部協(xié)議，確保網(wǎng)絡(luò)的開放性和互連互通，滿足信息準(zhǔn)確、安全、可靠、優(yōu)良交換傳送的需要。

（3）兼容性。IPv6校園網(wǎng)設(shè)計(jì)必須要結(jié)合當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀，考慮到IPv4技術(shù)仍然在互聯(lián)網(wǎng)世界占據(jù)著主要地位，設(shè)計(jì)方案應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)IPv4與IPv6之間的互聯(lián)。

（4）安全性。Ipv6校園網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的備份和線路保護(hù)，提供網(wǎng)絡(luò)安全防范措施。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程、數(shù)據(jù)庫(kù)的儲(chǔ)備及網(wǎng)絡(luò)軟件運(yùn)行過(guò)程中要有足夠的安全性。

（5）可擴(kuò)展性?？紤]到學(xué)校的規(guī)模在今后可能有所擴(kuò)大，其業(yè)務(wù)類型和用戶數(shù)量也可能出現(xiàn)一定的增長(zhǎng)，因此網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)備，如核心交換機(jī)與匯聚交換機(jī)需具有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能，預(yù)留一定的擴(kuò)展接口。設(shè)備的可擴(kuò)展能力可以輕松應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長(zhǎng)，一定程度上來(lái)講，對(duì)用戶在網(wǎng)絡(luò)工程中的投入成本也是一種保護(hù)。

2.2 總體方案設(shè)計(jì)

一般情況下，一個(gè)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)往往被分為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的較小的部分，它們之間以層次化的方式進(jìn)行連接，通常這種類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三個(gè)層次：核心層、匯聚層和接入層。

（1）核心層。核心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要高速運(yùn)送整個(gè)校園中心網(wǎng)絡(luò)的流量，設(shè)備承載的壓力較大。因此核心節(jié)點(diǎn)可選用較高性能的三層交換機(jī)，以提供大容量、模塊化和高速的二、三層轉(zhuǎn)發(fā)能力。

（2）匯聚層。匯聚層負(fù)責(zé)匯集分散的接入點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提供流量控制和用戶管理功能。匯聚層交換機(jī)負(fù)責(zé)接入交換機(jī)的匯聚，要求提供高密度的1000M匯聚能力及高速上行接口，具有一定的路由功能，支持對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行VLAN隔離，支持豐富的業(yè)務(wù)能力等。轉(zhuǎn)發(fā)效率高，保證校園網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、可靠。

（3）接入層。網(wǎng)絡(luò)接入層主要負(fù)責(zé)將用戶流量引入網(wǎng)絡(luò)，并且進(jìn)行必要的網(wǎng)絡(luò)安全限制。網(wǎng)絡(luò)接入層設(shè)置于配線間一級(jí)，采用高性能、高端口密度的接入系列交換機(jī)，或者采取交換機(jī)堆疊的方式提高接入能力。

圖1顯示了Packet Tracer下設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)鋱D，Packet Tracer主界面下的拓?fù)鋱D，既有利于直觀地分析基于IPv6的校園網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，又能夠在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中對(duì)設(shè)備進(jìn)行直接配置操作。圖中，接入層設(shè)備為Catalyst 2950-24交換機(jī)，匯聚層和核心層設(shè)備均為Catalyst3560三層交換機(jī)，在核心層交換機(jī)上還連接了內(nèi)網(wǎng)的服務(wù)器組，出口路由器為Cisco 2811。

在對(duì)校園網(wǎng)地址進(jìn)行規(guī)劃的過(guò)程中，既要考慮到方便地址的統(tǒng)一管理，又要考慮到不同接入單位的相對(duì)獨(dú)立性。IP地址規(guī)劃是建立在整體規(guī)劃、層次規(guī)劃以及路由規(guī)劃等基礎(chǔ)之上所做的規(guī)劃，在IP地址規(guī)劃過(guò)程中，需要對(duì)IP地址合理分配使用，以提高校園網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率。

在實(shí)際規(guī)劃地址的操作中，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)業(yè)務(wù)類別并參考地域?qū)嶋H情況，將校園網(wǎng)劃分為若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域作為一個(gè)VLAN，同時(shí)也是一個(gè)獨(dú)立的子網(wǎng)，對(duì)應(yīng)分配一個(gè)IPv6地址空間。

根據(jù)IPv6的編址規(guī)定，目前的全球單播地址由 IANA 分配，使用的地址范圍是從二進(jìn)制值 001 （2000：：/3） 開始，它占全部 IPv6 地址空間的 1/8，是最大的一塊分配地址。IANA 將 2001：：/16 范圍內(nèi)的 IPv6 地址空間分配給五家 RIR 注冊(cè)機(jī)構(gòu)。圖2顯示了IPv6地址的結(jié)構(gòu)，可以看出，IPv6地址的前48位可直接分配給某一個(gè)單位用戶，而后單位內(nèi)部再根據(jù)具體需求使用第48～64位地址分配給其內(nèi)部的子網(wǎng)。一般情況下，這樣的子網(wǎng)數(shù)目可達(dá)2^16，即65536個(gè)，可以滿足絕大多數(shù)企業(yè)級(jí)用戶的需求。

因此，假設(shè)ISP為本校園網(wǎng)分配的地址空間為2001：：/48，則校園網(wǎng)內(nèi)部可以對(duì)16位子網(wǎng)前綴進(jìn)行編址，給每個(gè)VLAN分配一個(gè)子網(wǎng)地址。具體方案如表1所示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際組建網(wǎng)絡(luò)之前，先用仿真技術(shù)模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)，能夠提前驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在一定程度上避免因?yàn)樵O(shè)計(jì)失誤而帶來(lái)的工程上的損失。

3.1 仿真軟件

當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件有很多，以NS2和Matlab為代表的仿真軟件，主要用來(lái)測(cè)試相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，定量分析網(wǎng)絡(luò)的容量、性能等參數(shù)。以Boson Netsim、Dynamips、GNS、Packet Tracer為代表的仿真軟件，則主要用于模擬網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、運(yùn)行和配置。其中，Packet Tracer是由思科公司研發(fā)的一款針對(duì)思科網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的仿真配置軟件，對(duì)常見(jiàn)的Cisoc交換、路由設(shè)備支持較好，且界面簡(jiǎn)單，特別適合進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建和配置的相關(guān)模擬。

仿真實(shí)驗(yàn)可分為兩部分，第一部分用于模擬匯聚層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)多個(gè)VLAN之間的路由，第二部分用于模擬三層交換機(jī)之間的路由。

3.2 匯聚層實(shí)驗(yàn)

匯聚層交換機(jī)將每一個(gè)接入層單元?jiǎng)澐譃橐粋€(gè)VLAN，在對(duì)應(yīng)三層接口配置一個(gè)IPv6地址，作為接入層終端設(shè)備的網(wǎng)關(guān)。以VLAN 10為例，在匯聚層交換機(jī)的三層接口配置IPv6地址的方法如下：

3.3 核心層實(shí)驗(yàn)

匯聚層的三層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)了各區(qū)域的接入層之間的子網(wǎng)通信問(wèn)題，匯聚層設(shè)備之間的通信則需通過(guò)核心層來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)IPv6地址的路由問(wèn)題，可以選擇RIPng協(xié)議，RIPng是RIP協(xié)議在IPv6下的實(shí)現(xiàn)，原理簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，適合在本案例中使用。

（1）邏輯組網(wǎng)。在Packet Tracer模擬軟件中，三層交換機(jī)對(duì)IPv6的支持并不是太好，為了能夠順利地完成該項(xiàng)目，將三層交換機(jī)替換為路由器，通過(guò)路由器同樣能夠?qū)崿F(xiàn)匯聚層和核心層的功能，達(dá)到很好的實(shí)驗(yàn)效果。用路由器替代三層交換機(jī)之后，實(shí)驗(yàn)的邏輯組網(wǎng)如圖3所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，在路由器上了開啟Loopback接口，用來(lái)模擬三層交換機(jī)上連接的各個(gè)VLAN對(duì)應(yīng)的子網(wǎng)。

（2）路由器的配置。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著下一代互聯(lián)網(wǎng)工程的推進(jìn)，IPv6技術(shù)在校園網(wǎng)建設(shè)的過(guò)程中將被越來(lái)越多地采用。與傳統(tǒng)的IPv4網(wǎng)絡(luò)相比，校園網(wǎng)的架構(gòu)本身沒(méi)有發(fā)生變化，三層結(jié)構(gòu)對(duì)園區(qū)網(wǎng)的支持具有很好的伸縮性。在原有的架構(gòu)下，用IPv6地址部署結(jié)構(gòu)化編址，并使用RIPng協(xié)議對(duì)IPv6地址進(jìn)行路由問(wèn)題，可以很好地滿足IPv6技術(shù)所支持的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)需求。實(shí)驗(yàn)證明，使用Packet Tracer仿真的校園網(wǎng)配置和運(yùn)行，為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工程提供了一定的可行性支撐，對(duì)避免設(shè)計(jì)失誤帶來(lái)的損失有一定的意義。

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