IPv6 雙棧技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用研究

袁偉 劉佳琳 譚振江

(吉林師范大學(xué),吉林四平 136000)

0 引言

近年來(lái),建立“智慧校園”受到了各學(xué)校的重視。無(wú)論是小學(xué)、中學(xué)還是高校,只要有物質(zhì)和技術(shù)條件,則都十分熱心于“智慧校園”的建設(shè),并將其作為學(xué)校硬件實(shí)力的一部分。同時(shí),伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模迅速擴(kuò)大,導(dǎo)致以IPv4協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)地址可用數(shù)量越來(lái)越少,已經(jīng)不能滿足更多人們對(duì)更多數(shù)量新地址的需求,并且所提供的協(xié)議服務(wù)的水平也受到極大限制。而IPv6技術(shù)的出現(xiàn),極大地?cái)U(kuò)充了網(wǎng)絡(luò)地址容量,并且協(xié)議服務(wù)的質(zhì)量更高。另一方面,IPv6是國(guó)家教育信息化發(fā)展的戰(zhàn)略要求,對(duì)學(xué)校的教學(xué)、學(xué)生的管理及人才的培養(yǎng)等方面都具有積極的意義。因此,本文以構(gòu)建“智慧校園”為切入點(diǎn),探討IPv6技術(shù)支持下校園網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),為后續(xù)的校園網(wǎng)建設(shè)中提供一些經(jīng)驗(yàn)與借鑒。

1 IPv6的概念及特點(diǎn)

IPv6(Internet Protocol Version 6)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版,是新的互聯(lián)網(wǎng)核心協(xié)議版本。相較于IPv4協(xié)議版本而言,其地址長(zhǎng)度為32個(gè)二進(jìn)制位而IPv6的地址長(zhǎng)度增加了96個(gè)二進(jìn)制位,是IPv4的四倍,極大地豐富了地址的內(nèi)容。IPv6協(xié)議改進(jìn)了IPv4協(xié)議中的一些問(wèn)題,例如網(wǎng)絡(luò)安全性較低、路由表?xiàng)l數(shù)較少等,而IPv6的地址空間大,創(chuàng)新了地址配置的形式,因此其安全性更高,路由表?xiàng)l數(shù)大量增加。具體來(lái)說(shuō),相較于IPv4協(xié)議,IPv6協(xié)議主要有以下特點(diǎn):

1.1 地址空間巨大

IPv6的地址長(zhǎng)度是128比特,其IP地址的數(shù)量為128個(gè),IPv4的232個(gè)地址數(shù)量與其相差甚遠(yuǎn)。同時(shí),IPv6還有標(biāo)定子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)前綴,這使得其子網(wǎng)地址數(shù)量更多,有效地解決了IPv4網(wǎng)絡(luò)地址不夠使用的問(wèn)題。

1.2 報(bào)文結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

在IPv6的包頭中,有兩部分內(nèi)容,一部分為固定內(nèi)容,另一部分則為擴(kuò)展內(nèi)容。對(duì)于不同的協(xié)議,IPv6可對(duì)其進(jìn)行分區(qū),并進(jìn)行獨(dú)立存儲(chǔ),如此便于對(duì)其協(xié)議頭進(jìn)行快速處理。同時(shí),IPv6與IPv4的協(xié)議頭互不兼容,因此在IPv4過(guò)渡IPv6時(shí),要將其協(xié)議頭進(jìn)行修改成為IPv6可處理的128字節(jié)地址。

1.3 地址配置方式多樣

在IPv6協(xié)議中,主機(jī)的地址的配置可通過(guò)三種方式進(jìn)行:有狀態(tài)地址配置、無(wú)狀態(tài)地址配置、手動(dòng)地址配置。

1.4 QOS的水平更高

IPv6利用包頭字段作為流標(biāo)簽,在路由器處理相關(guān)協(xié)議數(shù)據(jù)時(shí),不用打開內(nèi)部數(shù)據(jù)包,就可以通過(guò)流標(biāo)簽辨識(shí)協(xié)議,而后完成對(duì)目標(biāo)協(xié)議數(shù)據(jù)的處理,因此QOS處理水平更高,有效減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)堵塞。

1.5 安全性較高

在IPv6中,實(shí)現(xiàn)了端到端的安全性,并且數(shù)據(jù)加密、認(rèn)證等過(guò)程在網(wǎng)絡(luò)層就可完成,由此提升了內(nèi)部安全。

1.6 擴(kuò)展性

由于IPv6的包頭具有擴(kuò)展部分,因此其可以進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展。擴(kuò)展報(bào)頭長(zhǎng)度最多為40字節(jié),擴(kuò)展的全部?jī)?nèi)容長(zhǎng)度受IPv6數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度限制,而是不固定的。如此一來(lái),數(shù)據(jù)包越長(zhǎng),則可擴(kuò)展內(nèi)容也就越多[1]。

2 IPv6雙棧技術(shù)

由于IPv4協(xié)議應(yīng)用的時(shí)間較長(zhǎng),并且已經(jīng)形成了龐大的用戶體系,因此即使IPv6技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì),也不可能在短時(shí)期內(nèi)將所有IPv4協(xié)議轉(zhuǎn)變?yōu)镮Pv6協(xié)議,因此,在現(xiàn)在及未來(lái)一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為IPv4與IPv6共存,并且逐漸由IPv4向IPv6過(guò)渡。其中,過(guò)渡主要圍繞著兩個(gè)方面開展:一是IPv6的孤島互通,即IPv6網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)一致網(wǎng)絡(luò)的全面連通;二是IPv6與IPv4的互通,即兩種不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的相互連通,實(shí)現(xiàn)這兩種不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)互通的技術(shù)有兩種,分別是為雙棧技術(shù)、隧道技術(shù)。

其中,雙棧技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上同時(shí)配置兩個(gè)協(xié)議,即IPv6與IPv4協(xié)議,使雙協(xié)議棧在網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)運(yùn)行,這是目前能夠?qū)崿F(xiàn)IPv4向IPv6平穩(wěn)且高效過(guò)渡的一種典型技術(shù)[2]。

另一方面,雙棧技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)支持IPv4與IPv6兩種協(xié)議版本,但其也存在不足之處,主要是對(duì)配套的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行升級(jí),使其同時(shí)支持IPv4與IPv6兩種協(xié)議,因此需要技術(shù)人員進(jìn)行大量的工作,改造升級(jí)的成本較高,并且耗時(shí)費(fèi)力,改造期間可能影響原網(wǎng)絡(luò)中的正常工作。雙棧技術(shù)的這些缺點(diǎn)要在校園智慧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和實(shí)施的過(guò)程中重點(diǎn)注意。如圖1所示。

雙棧技術(shù)以IPv4的地址為基礎(chǔ),具有公網(wǎng)雙棧與私網(wǎng)雙棧技術(shù)兩種。其中,公網(wǎng)雙棧技術(shù)是指在網(wǎng)絡(luò)配置同時(shí)IPv4與IPv6兩個(gè)協(xié)議的同時(shí),與網(wǎng)絡(luò)連接的終端及設(shè)備也要配置IPv4的地址,而現(xiàn)實(shí)是IPv4的網(wǎng)絡(luò)地址已經(jīng)明顯不足,因此公網(wǎng)雙棧技術(shù)的應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求存在相悖之處。而在私網(wǎng)雙棧技術(shù)中,用戶可使用私有IPv4地址,該地址可經(jīng)由轉(zhuǎn)換成為公用IPv4地址,該公用IPv4地址可供多個(gè)用戶同時(shí)使用,緩解了IPv4地址不足的局面,具體工作流程如圖2所示。

圖1 雙棧技術(shù)

圖2 私網(wǎng)雙棧技術(shù)工作原理

3 IPv6雙棧技術(shù)智慧校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求分析

3.1 現(xiàn)階段校園網(wǎng)路中存在的問(wèn)題

當(dāng)下,有條件的學(xué)校都在實(shí)施建設(shè)“智慧校園”的發(fā)展戰(zhàn)略,而校園網(wǎng)絡(luò)是智慧校園中最關(guān)鍵的一部分。盡管這些學(xué)校在計(jì)算機(jī)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)條件與技術(shù)、人力等環(huán)節(jié)上投入很多,但即使軟硬件設(shè)施水平再高,也不能代替IPv4協(xié)議向IPv6協(xié)議過(guò)渡的重要價(jià)值,因此當(dāng)下我國(guó)“智慧校園”建設(shè)中,主要存在以下問(wèn)題。

3.1.1 IPv4的網(wǎng)絡(luò)地址不足

IPv4網(wǎng)絡(luò)地址的字符數(shù)較短,由于公網(wǎng)數(shù)量的急速增多,必將導(dǎo)致IPv4地址消耗殆盡,這會(huì)直接影響校園網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

3.1.2 設(shè)備與終端的兼容問(wèn)題

伴隨著IPv4協(xié)議向IPv6協(xié)議的過(guò)渡,有的學(xué)校實(shí)施了主干網(wǎng)的升級(jí),更換了一批同時(shí)支持著IPv4與IPv6的設(shè)備及終端,但是目前仍未進(jìn)行全面的更換或升級(jí),還有相當(dāng)一部分設(shè)備與終端不支持著IPv6協(xié)議,因此網(wǎng)絡(luò)作用仍然受限。

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用問(wèn)題

對(duì)于IPv6形成的新網(wǎng)絡(luò),許多學(xué)校不能及時(shí)采取有效的技術(shù)和措施保障其安全,因此校園網(wǎng)絡(luò)可能存在安全漏洞。

3.2 IPv6雙棧技術(shù)在校園網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施的原則

在構(gòu)建新的智慧校園時(shí),學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)明白,實(shí)現(xiàn)著IPv4向IPv6的過(guò)渡是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程,不可一蹴而就。在正式行動(dòng)之前,校方首先應(yīng)當(dāng)理清的是,怎樣通過(guò)IPv6雙棧技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的過(guò)渡,而以下原則為學(xué)校網(wǎng)絡(luò)的過(guò)渡提供了科學(xué)正確的要求。

3.2.1 保證IPv4網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行

在IPv6新網(wǎng)絡(luò)建立的過(guò)程中,學(xué)校要保證當(dāng)前IPv4網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行,如果IPv4網(wǎng)絡(luò)受到影響,且此時(shí)通過(guò)IPv6雙棧技術(shù)支持的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)尚未完成,則學(xué)校網(wǎng)絡(luò)就會(huì)癱瘓,不能滿足教學(xué)活動(dòng)的需要。

3.2.2 建立更穩(wěn)定安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

相較于IPv4而言,IPv6的網(wǎng)絡(luò)地址形式更多,且運(yùn)行方式也有所改變,因此建立IPv6的校園網(wǎng)絡(luò)時(shí),要采取對(duì)應(yīng)的技術(shù)提高校園網(wǎng)絡(luò)的安全性、穩(wěn)定性,并且要加強(qiáng)教職工及學(xué)生網(wǎng)絡(luò)安全意識(shí)的培養(yǎng)。

3.2.3 預(yù)留充足的擴(kuò)展空間

由于智慧校園的內(nèi)容隨著時(shí)間的推移不斷發(fā)展與豐富,因此在通過(guò)IPv6雙棧技術(shù)建立新的校園網(wǎng)絡(luò)時(shí),要預(yù)留足夠的擴(kuò)展空間,為未來(lái)校園網(wǎng)的擴(kuò)充和改進(jìn)留下足夠的空間。

3.2.4 節(jié)約成本

基于IPv6雙棧技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡是一個(gè)長(zhǎng)期工程,需要各種設(shè)備及軟硬件條件,還需要人力與技術(shù),因此其中的費(fèi)用支出較為龐大。學(xué)校應(yīng)當(dāng)本著“保證用戶需求、留出擴(kuò)充余地、控制成本消耗”的原則進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)升級(jí),從而節(jié)省成本。

3.2.5 追求人性化

無(wú)論是原來(lái)校園網(wǎng)絡(luò)還是新的校園網(wǎng)絡(luò),都是以為用戶服務(wù)為根本價(jià)值,因此,在利用雙棧技術(shù)IPv4向IPv6過(guò)渡時(shí),要注重人性化設(shè)計(jì)適當(dāng)簡(jiǎn)化操作步驟、建立更清晰直觀的操作顯示界面,便于用戶進(jìn)行操作。若學(xué)生與教師不能順利操作,則學(xué)校就要組織相關(guān)的培訓(xùn),或者編寫操作說(shuō)明。

4 基于IPv6雙棧技術(shù)智慧校園的構(gòu)建

4.1 雙棧網(wǎng)絡(luò)的總體構(gòu)建

學(xué)校要在現(xiàn)有IPv4協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上改進(jìn)網(wǎng)絡(luò),使網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持IPv6協(xié)議,這是目前最為可行的辦法。設(shè)置雙棧網(wǎng)絡(luò),避免了校園所有網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備升級(jí)的工作量,節(jié)省了各項(xiàng)成本。

4.2 雙棧網(wǎng)絡(luò)地址的規(guī)劃

4.2.1 地址規(guī)劃原則

相較于IPv4協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)地址而言,IPv6協(xié)議網(wǎng)絡(luò)地址基數(shù)龐大,因此在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)地址時(shí)的操作難度減少,且所需路由表的數(shù)量也相對(duì)較少。在進(jìn)行雙棧網(wǎng)絡(luò)地址規(guī)劃時(shí),要按照以下原則進(jìn)行:第一,能夠滿足較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)地址擴(kuò)展的需要;第二,要使用較高端的設(shè)備選擇及技術(shù)實(shí)施重點(diǎn)提升路由匯聚路由功能;第三,要追求網(wǎng)絡(luò)的集成化、體系化,通過(guò)本次改進(jìn),使校園網(wǎng)絡(luò)的布局更為合理。

4.2.2 雙棧網(wǎng)絡(luò)的地址規(guī)劃

學(xué)校的核心機(jī)房要配置專用且獨(dú)立的地址段,這是整個(gè)校園網(wǎng)絡(luò)管理的基礎(chǔ),并且能夠保障網(wǎng)絡(luò)的性能及安全;網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備需要?jiǎng)澏í?dú)立的地址段,并且要進(jìn)行集中管理。

4.2.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的配置

根據(jù)校園教職工及學(xué)生總?cè)藬?shù)設(shè)置雙棧無(wú)線網(wǎng)絡(luò)?？梢赃x擇基于802.11n的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的和行為無(wú)線控制器,例如ARUB7220,其能夠滿足40G的瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)流量需求。同時(shí),網(wǎng)絡(luò)路由器要盡量設(shè)置在人員密集活動(dòng)的地點(diǎn),盡量保證最大的覆蓋率。同時(shí),為了保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)運(yùn)行,要對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配置獨(dú)立的VLAN給控制器,將內(nèi)網(wǎng)與無(wú)線流量?jī)烧呦嗷オ?dú)立,互不干擾。

4.2.4 安全設(shè)計(jì)

在配置雙棧網(wǎng)絡(luò)的同時(shí),要考慮網(wǎng)絡(luò)的安全性,主要從內(nèi)網(wǎng)安全、網(wǎng)絡(luò)邊界安全、防范攻擊等方面入手,同時(shí)要注意IPv6的IPScc安全,全面提升智慧校園的網(wǎng)絡(luò)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

伴隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)也在不斷升級(jí)以適應(yīng)人們的更高需求,因此智慧校園的建設(shè)需要不斷創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)技術(shù),并且將該技術(shù)運(yùn)用在校園網(wǎng)絡(luò)的更新之中。當(dāng)下,利用IPv6雙棧技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧校園的建設(shè)是最符合實(shí)際的一種方式,需要以技術(shù)和設(shè)備作為支撐,才能保證雙棧網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮更好的作用。