校園網(wǎng)IPv6過渡方案淺析

俞凱蘭（南京郵電大學(xué)管理學(xué)院，江蘇南京 210023）

校園網(wǎng)IPv6過渡方案淺析

俞凱蘭
（南京郵電大學(xué)管理學(xué)院，江蘇南京 210023）

本文首先介紹了高校校園網(wǎng)向IPv6過渡的形勢(shì)，隨后給出了與IPv4相比較IPv6突出的優(yōu)越特征，之后闡述了主要使用的三種IPv6過渡技術(shù)（雙協(xié)議棧、隧道和協(xié)議翻譯），分析了這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后點(diǎn)評(píng)了當(dāng)前我國(guó)高校校園網(wǎng)的IPv6部署和IPv6應(yīng)用局勢(shì)。

校園網(wǎng) IPv6 過渡 技術(shù) 研究

1　前言

中國(guó)校園網(wǎng)屬于ISP（互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商）網(wǎng)絡(luò)，其通信協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)使用的協(xié)議（TCP/IP協(xié)議族）。目前，在全球的許許多多ISP網(wǎng)絡(luò)中，占居核心通信協(xié)議地位的仍然是IPv4（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第四版）。由于IPv4協(xié)議的IP地址擴(kuò)展性弱，耗用較快，在4年多之前（2011年2月3日），互聯(lián)網(wǎng)號(hào)碼分配局（The Internet Assigned Numbers Authority，IANA）宣布IPv4地址分配完畢，這標(biāo)志以后無法再給互聯(lián)網(wǎng)用戶分配全新IPv4地址。實(shí)際上，早在IPv4地址消耗完畢之前互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人員就預(yù)料到這個(gè)局面會(huì)出現(xiàn)，提前了好多年轉(zhuǎn)而研究、試驗(yàn)、引用和推廣下一代IP協(xié)議（IPv6協(xié)議），以做到在IPv4地址耗盡之后，能夠讓互聯(lián)網(wǎng)保持原有IPv4資源不變，采用IPv6協(xié)議，繼續(xù)健壯地運(yùn)行和不斷地發(fā)展。

鑒于互聯(lián)網(wǎng)上IP協(xié)議和IP地址的巨大變化，近十多年以來我國(guó)高校的管理者都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，如果校園網(wǎng)IP地址擴(kuò)容問題得不到解決，既無法滿足科研、教學(xué)和管理的需要，也無法滿足教師和學(xué)生快速增長(zhǎng)的上網(wǎng)需求。近期，筆者了解到許多高校校園網(wǎng)都在積極地使用IPv6協(xié)議，尋求解決網(wǎng)絡(luò)IP地址擴(kuò)容和通信質(zhì)量改善問題，所以筆者認(rèn)為從現(xiàn)在起到將來很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，保持IPv4穩(wěn)定使用，逐步向IPv6平穩(wěn)過渡就成為我國(guó)校園網(wǎng)現(xiàn)階段升級(jí)改造的主要任務(wù)和主攻方向。這正是本文探討的重點(diǎn)問題。

2　IPv6的優(yōu)越性和過渡技術(shù)

1969年美國(guó)開始籌建互聯(lián)網(wǎng)的前期網(wǎng)絡(luò)ARPANET，1974年開始研發(fā)IPv4。1983年TCP/IP協(xié)議被ARPANET采用，當(dāng)時(shí)IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是IPv4。1990年互聯(lián)網(wǎng)（Internet）正式誕生。在互聯(lián)網(wǎng)組建、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究過程中，數(shù)據(jù)通信工作者估算出日后IPv4地址的擴(kuò)展性較為嚴(yán)重，難以滿足未來互聯(lián)網(wǎng)事業(yè)快速發(fā)展的需要。互聯(lián)網(wǎng)權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)組織IETF（互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）在對(duì)IPv4的下一代IP協(xié)議（IPv6）進(jìn)行了幾年的研究和試驗(yàn)之后，于1994年正式提出了IPv6協(xié)議。IPv6協(xié)議具有比IPv4更優(yōu)越的特點(diǎn)，包括：全新的協(xié)議頭格式、更大的IP地址空間、更層次化的編址和路由結(jié)構(gòu)、支持QoS、更高的安全性。當(dāng)時(shí)，業(yè)內(nèi)專家們普遍認(rèn)同IPv6協(xié)議的傳播、頒布和使用，大多數(shù)人都認(rèn)為IPv6就是高質(zhì)量的互聯(lián)網(wǎng)下一代IP協(xié)議，并且也是合理的IPv4后繼協(xié)議。

為了保證數(shù)據(jù)通信暢通無阻以及互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作正常，校園網(wǎng)需要保持已有的IPv4投資和資源繼續(xù)發(fā)揮作用，這樣就必須保持IPv4核心主干網(wǎng)的穩(wěn)定使用。然而，為了推進(jìn)向IPv6協(xié)議應(yīng)用發(fā)展，創(chuàng)建新的IPv6網(wǎng)絡(luò)或者核心主干網(wǎng)也不可缺少。對(duì)許多高校而言，這就存在一個(gè)IPv4網(wǎng)和IPv6網(wǎng)共存并且相互通信的過渡狀態(tài)。由于校園網(wǎng)向純IPv6逐步演進(jìn)將是一個(gè)漫長(zhǎng)的演變過程，可以預(yù)見其過渡時(shí)期肯定是一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)期。一般而言，在整個(gè)IPv6過渡時(shí)期會(huì)有4個(gè)過渡狀態(tài)。按照自然順序分別是：?jiǎn)渭僆Pv4核心主干網(wǎng)（第1階段）、IPv4主干網(wǎng)+IPv6零散網(wǎng)段（第2階段）、IPv6主干網(wǎng)+IPv4零散網(wǎng)段（第3階段）、單純IPv6核心主干網(wǎng)（第4階段）。顯然，其中的第1階段是校園網(wǎng)沒有使用IPv6協(xié)議的起始階段，第4階段是校園網(wǎng)爭(zhēng)取獲得的最終目標(biāo)階段。而第2階段和第3階段則屬于向純粹IPv6主干網(wǎng)的過渡階段，并且前者使用的IPv4網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，IPv6網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)段少；而后者使用的IPv6網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，IPv4網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)段少。

國(guó)內(nèi)外互聯(lián)網(wǎng)專家普遍承認(rèn)的IPv6過渡技術(shù)主要有3種，下面分別闡述。

2.1雙協(xié)議棧技術(shù)

雙協(xié)議棧技術(shù)表示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠同時(shí)運(yùn)行IPv4和IPv6兩種協(xié)議棧。從近十多年來我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的校園網(wǎng)IPv6過渡方案看，雙協(xié)議棧技術(shù)是最簡(jiǎn)單最有效的過渡技術(shù)，也是其他過渡技術(shù)的基礎(chǔ)，例如隧道端點(diǎn)、協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)等。其優(yōu)點(diǎn)是互通性好，便于理解；其缺點(diǎn)是要給每個(gè)新運(yùn)行IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端分配IPv4地址，這就不能解決IPv4地址短缺的問題。

2.2隧道技術(shù)

隧道技術(shù)可以讓IPv6業(yè)務(wù)在現(xiàn)有IPv4基礎(chǔ)設(shè)施上傳輸。簡(jiǎn)單地說，該過渡技術(shù)是IPv6分組在進(jìn)入IPv4主干網(wǎng)時(shí)，將IPv6分組封裝成IPv4分組，整個(gè)IPv6分組變成了IPv4分組的數(shù)據(jù)部分。當(dāng)IPv4分組離開IPv4網(wǎng)絡(luò)時(shí)，再將其數(shù)據(jù)部分交給主機(jī)的IPv6協(xié)議。這好像在IPv4網(wǎng)絡(luò)中打通了一個(gè)隧道來傳輸IPv6數(shù)據(jù)分組。隧道技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是在IPv6主機(jī)之間可以不考慮隧道存在與否，不需要IPv6路由設(shè)備和鏈路，可以減少投資；缺點(diǎn)是在IPv4網(wǎng)絡(luò)上配置IPv6隧道比較麻煩，而且傳輸效率也很低。

2.3協(xié)議翻譯

協(xié)議翻譯指的是IPv4協(xié)議和IPv6協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)，使用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)純IPv4和純IPv6終端用戶/設(shè)備的直接通信。翻譯機(jī)制可以分為無狀態(tài)翻譯，如SIIT和IVI；以及有狀態(tài)翻譯，如NAT-PT 和NAT64等。

2002年專家提交的RFC2765草案是SIIT（無狀態(tài)IP/ICMP翻譯技術(shù)）。該草案用于對(duì)IP和ICMP（Internet控制報(bào)文協(xié)議）報(bào)文進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換不記錄數(shù)據(jù)流的狀態(tài)，只根據(jù)單個(gè)報(bào)文將一個(gè)IPv6報(bào)文頭部轉(zhuǎn)換為IPv4報(bào)文頭，或?qū)Pv4報(bào)文頭部轉(zhuǎn)換為IPv6報(bào)文頭。

NAT-PT（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換/協(xié)議轉(zhuǎn)換）是有狀態(tài)翻譯。它通過與SIIT協(xié)議轉(zhuǎn)換和傳統(tǒng)的IPv4下的動(dòng)態(tài)地址翻譯（NAT）以及適當(dāng)?shù)膽?yīng)用層網(wǎng)關(guān)（ALG）相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)只安裝了IPv6的主機(jī)和只安裝了IPv4機(jī)器的大部分應(yīng)用程序之間的相互通信。

協(xié)議翻譯技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不必分別改造IPv6網(wǎng)絡(luò)和IPv4網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是從IPv4節(jié)點(diǎn)訪問IPv6節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法比較復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和地址轉(zhuǎn)換的處理開銷較大，缺乏端到端的安全性問題，需要昂貴的高性能路由器。

3　高校網(wǎng)絡(luò)的IPv6過渡現(xiàn)狀

從1998年起中國(guó)教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)（CERNET）就開始著手進(jìn)行I P v 6實(shí)用化探索，籌建了試驗(yàn)性質(zhì)的I P v 6網(wǎng)絡(luò)。2 0 0 1年CERNET提出下一代互聯(lián)網(wǎng)CERNET2計(jì)劃。2003年國(guó)家八部委聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程CNGI將CERNET2計(jì)劃包含在內(nèi)。經(jīng)過十多年的發(fā)展，CERNET2含有25個(gè)互連主節(jié)點(diǎn)，覆蓋了分布在北京、上海、廣州等城市的100所高校。目前，CERNET2能以2.5Gbps-10Gbps速率連接主干網(wǎng)的核心節(jié)點(diǎn)，為全國(guó)高校和科研單位提供1-10Gbps的高速IPv6接入服務(wù)，成為大家熟知的采用純IPv6技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)（世界上規(guī)模最大）。

現(xiàn)在如果一個(gè)高校的校園網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了IPv6協(xié)議并創(chuàng)建了IPv6網(wǎng)絡(luò)（或者稱為IPv6局域網(wǎng)），則IPv6網(wǎng)絡(luò)存在的最顯著標(biāo)志就是能夠與CERENT2進(jìn)行高速IPv6通信。從媒體的公開報(bào)道中我們了解到，在100所CERNET2主節(jié)點(diǎn)的高校中，均已經(jīng)完成了校園網(wǎng)的IPv4/ IPv6雙協(xié)議棧建設(shè)；此外IPv6協(xié)議在其中的覆蓋率超過了70%，用戶總數(shù)超過100多萬。

3.1連接CERNET2的案例

這里以西南地區(qū)某校園網(wǎng)為例說明IPv6的實(shí)際部署。在該校萬兆速率的主干層配置一臺(tái)核心交換機(jī)M，它是整個(gè)校園網(wǎng)的IPv4網(wǎng)絡(luò)出口，可以連接和訪問CERNET。在該主干層再部署一臺(tái)雙協(xié)議棧交換機(jī)K，作為園區(qū)IPv6數(shù)據(jù)的核心出口。所有的IPv6出口數(shù)據(jù)流均交給交換機(jī)K處理，可順利地實(shí)現(xiàn)接入CERNET2，此外整個(gè)IPv6網(wǎng)絡(luò)還可以訪問外部IPv6資源。因?yàn)榻粨Q機(jī)K配備有兩套IP地址，所以能夠負(fù)責(zé)校園網(wǎng)內(nèi)IPv4節(jié)點(diǎn)和IPv6節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

該高校的校園網(wǎng)與CERNET2連通之后，校內(nèi)用戶可以通過隧道上網(wǎng)直接訪問互聯(lián)網(wǎng)的IPv6資源。能夠在主校區(qū)和分校區(qū)兩個(gè)區(qū)域中的任何一個(gè)區(qū)域，享用基于IPv6的視頻傳輸、萬維網(wǎng)瀏覽、FTP數(shù)據(jù)傳輸、E-MAIL和流媒體等服務(wù)。同時(shí)，由于IPv6優(yōu)越于IPv4的安全特性以及擁有無限的IP地址空間，還可以嘗試諸如移動(dòng)IPv6（MIPv6）、組播、安全隔離等方面的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)或者科研活動(dòng)。

3.2高校的IPv6應(yīng)用舉例

上海交通大學(xué)是I P v 6應(yīng)用的領(lǐng)先實(shí)施院校。4年前該校在CERNET2上建立了視頻服務(wù)網(wǎng)站，主要提供幾十個(gè)電視臺(tái)、電臺(tái)的網(wǎng)上直播，以及提供試驗(yàn)性質(zhì)的視頻點(diǎn)播。目前該網(wǎng)站受到該校師生用戶的歡迎和好評(píng)。這個(gè)IPv6視頻網(wǎng)站是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)IPv6網(wǎng)絡(luò)上流量最大的網(wǎng)站。

4　結(jié)語

從近10年來我國(guó)高校校園網(wǎng)的IPv6協(xié)議過渡和使用情況看，由于雙協(xié)議棧技術(shù)和隧道技術(shù)簡(jiǎn)單成熟、部署方便，使用這兩個(gè)過渡技術(shù)的高校占多數(shù)。然而，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)施NAT-PT技術(shù)時(shí)地址翻譯/轉(zhuǎn)換開銷較大，所以使用NAT-PT技術(shù)進(jìn)行IPv6過渡的高校較少。

在校園網(wǎng)IPv6過渡技術(shù)日趨成熟，IPv6網(wǎng)絡(luò)日趨擴(kuò)大和健壯的形勢(shì)下，各種各樣的校園網(wǎng)IPv6應(yīng)用已經(jīng)成為影響面廣、技術(shù)難度大的新課題。如何將已有的成熟網(wǎng)絡(luò)管理手段和可靠技術(shù)措施應(yīng)用到校園的IPv6網(wǎng)絡(luò)中去，將成為今后研究的重點(diǎn)。

［1］葛敬國(guó)，等.IPv6過渡機(jī)制：研究綜述、評(píng)價(jià)指標(biāo)與部署考慮.軟件學(xué)報(bào)，2014年04期.

［2］季昌武.高校校園網(wǎng)的IPv6方案設(shè)計(jì).中國(guó)科技信息，2011年8期.

［3］孟慶偉，劉婷.高校校園網(wǎng)IPv4向IPv6過渡方案設(shè)計(jì).信息系統(tǒng)工程，2011年12期.

［4］姜楠.高校IPv6校園網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì).硅谷，2012年第22期.

［5］方世林，蔣少博.IPv6協(xié)議在校園網(wǎng)中的部署及關(guān)鍵技術(shù).實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011年10期.

［6］楊惠仁.IPv4 to IPv6部署方案研究.信息與電腦，2010年5期.

［7］鄭瑩.數(shù)字化校園網(wǎng)背景下IPv4/IPv6過渡技術(shù)綜述.信息安全與技術(shù)，2013年10期.

俞凱蘭（1983—），女，碩士學(xué)位，助理實(shí)驗(yàn)師，實(shí)驗(yàn)室教師，南京郵電大學(xué)管理學(xué)院。