基于IPv6協(xié)議的雙棧技術(shù)研究與應(yīng)用

黃萍

(深圳供電局有限公司,廣東,深圳 518000)

0 引言

隨著校園網(wǎng)用戶和數(shù)字化校園、無線校園網(wǎng)等應(yīng)用需求的日益增加，現(xiàn)有IPv4校園網(wǎng)存在地址空間不足、組播能力較弱和網(wǎng)絡(luò)安全性不高等問題[1-2]，已無法滿足校園網(wǎng)發(fā)展的需要，因此，升級(jí)改造校園網(wǎng)是必然趨勢[3-5]。

目前許多相關(guān)領(lǐng)域都對(duì)校園網(wǎng)的升級(jí)改造有所研究，如王亮等[6]研究基于ROS構(gòu)建大型校園網(wǎng)的應(yīng)用，該研究的校園網(wǎng)成本低，內(nèi)核穩(wěn)定，為經(jīng)濟(jì)型校園帶來便捷，但網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù)較低，不易維護(hù)；巴一[7]研究基于流媒體技術(shù)的校園網(wǎng)絡(luò)播出系統(tǒng)構(gòu)建，該研究的校園網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息分布傳輸?shù)男矢撸菀仔纬删W(wǎng)絡(luò)擁塞。

為解決目前校園網(wǎng)存在的問題，本文研究基于IPv6協(xié)議雙棧技術(shù)，因特網(wǎng)協(xié)議版本6(Internet Protocol Version 6，IPv6)是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的第二代標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，將其應(yīng)用于校園網(wǎng)部署和改造中，采用雙協(xié)議棧技術(shù)、NAT-PT技術(shù)和隧道技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)的部署和改造，使校園網(wǎng)用戶可以更充分、方便地使用網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)推動(dòng)IPv6的普及應(yīng)用。

1 基于IPv6協(xié)議雙棧技術(shù)的研究與應(yīng)用

1.1 新建校園網(wǎng)

為使校園網(wǎng)同時(shí)支持兩種業(yè)務(wù)流的承載和互通，可使用支持IPv6/IPv4的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)建設(shè)。支持雙棧的三層交換機(jī)是校園網(wǎng)核心使用的設(shè)備，普通IPv4交換機(jī)是匯聚接入使用的設(shè)備，核心部分處理所有關(guān)于IPv6的三層功能，無需匯聚層進(jìn)行處理。為生成層次化的IPv6網(wǎng)絡(luò)，也可考慮將雙棧三層交換機(jī)用于匯聚中，新建校園網(wǎng)的結(jié)構(gòu)模型[8-11]如圖1所示。

圖1 新建校園網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

和一般單網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)模型相似，內(nèi)部IPv6-IPv6和IPv4-IPv4業(yè)務(wù)通過雙棧直接互通，沒有協(xié)議轉(zhuǎn)換；內(nèi)部IPv6-IPv4業(yè)務(wù)的互通，通過雙棧核心交換機(jī)進(jìn)行NAT-PT實(shí)現(xiàn)；內(nèi)部IPv4-外部IPv6業(yè)務(wù)(或內(nèi)部IPv6-外部IPv4業(yè)務(wù))與外部的互通，通過出口進(jìn)行NAT-PT實(shí)現(xiàn)；內(nèi)部IPv6-外部IPv6業(yè)務(wù)經(jīng)核心通過CERNET2直接互通。

1.2 老校園網(wǎng)升級(jí)

進(jìn)行老校園網(wǎng)升級(jí)時(shí)，一般情況下需購入新的雙棧設(shè)備，少數(shù)設(shè)備可經(jīng)過升級(jí)軟件直接支持雙棧。如果核心設(shè)備能夠升級(jí)，那么部署和業(yè)務(wù)互通方案和新建校園網(wǎng)相似。如果新增雙棧設(shè)備，那么新建IPv6網(wǎng)絡(luò)和原IPv4網(wǎng)絡(luò)分別在各自網(wǎng)內(nèi)互通，與外部互通時(shí)，原核心連接的CERNETA或者新增設(shè)備連接的CERNET2分別和外部IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)互通，校園網(wǎng)內(nèi)部IPv4-IPv4和IPv6-IPv6業(yè)務(wù)分別采用新老校園網(wǎng)實(shí)現(xiàn)直接互通，老校園網(wǎng)升級(jí)的結(jié)構(gòu)模型[12]如圖2所示。

圖2 老校園網(wǎng)升級(jí)結(jié)構(gòu)模型

(1)出口路由器和CERNET2的連接可通過主鏈路和備份鏈路實(shí)現(xiàn)，主鏈路經(jīng)光纖連接到CERNET2，提供IPv6數(shù)據(jù)接入服務(wù)；備份鏈路經(jīng)IPv6 over IPv4隧道連接到CERNET2，提供隧道形式的IPv6數(shù)據(jù)接入服務(wù)。

(2)校園網(wǎng)絡(luò)中公有IPv4地址接入計(jì)算機(jī)用戶時(shí)使用了6T04隧道方式。先在6T04中繼路由器上對(duì)6T04隧道接口進(jìn)行配置，再將個(gè)人終端上面，IPv6的缺省網(wǎng)關(guān)指向6T04中繼路由器。

(3)校園網(wǎng)絡(luò)中私有IPv4地址接入計(jì)算機(jī)用戶時(shí)使用了ISATAP隧道方式。先將ISATAP中繼路由器部署在校園網(wǎng)絡(luò)上，并對(duì)ISATAP隧道接口進(jìn)行配置，再設(shè)置個(gè)人終端上面ISATAP中繼路由器的IPv4地址，并將IPv6缺省網(wǎng)關(guān)指向ISATAP中繼路由器。

1.3 本地?fù)砣麢z測及擁塞處理方法

隨著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類型和用戶量的不斷增加，提出一種基于IEEE802.16的本地?fù)砣麢z測和擁塞處理方法，減少校園網(wǎng)絡(luò)擁塞，優(yōu)化校園網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

BU為網(wǎng)絡(luò)層隊(duì)列的占用率，CSU為調(diào)度子幀中控制時(shí)隙的占用率，DSU為數(shù)據(jù)子幀中微時(shí)隙的占用率，本地節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求前綜合運(yùn)用BU、CSU和DSU共同檢測擁塞，檢測到的擁塞狀態(tài)變量為CSt，0,1,2,3是其取值，其內(nèi)0表示初始值、1為擁塞、2為輕負(fù)荷、3為網(wǎng)絡(luò)良好。設(shè)置BU的上、下限分別為BUmax和BUmin，CSU的上、下限分別為CSUmax和CSUmin，DSU的上、下限分別為DSUmax和DSUmin。

如果想說明網(wǎng)絡(luò)即將產(chǎn)生擁塞，那么BU，CSU，DSU中任何一個(gè)大于上限，滿足式(1)即可，此時(shí)將本地節(jié)點(diǎn)判定為擁塞，設(shè)置CSt=1。

BU>BUmax>CSU>CSUmax>DSU>DSUmax

(1)

如果想說明網(wǎng)絡(luò)輕負(fù)荷，那么BU，CSU，DSU都小于下限，滿足式(2)即可，此時(shí)將本地節(jié)點(diǎn)判定為輕負(fù)荷，設(shè)置CSt=2。若想說明網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好，那么式(1)和式(2)均不滿足，此時(shí)將本地節(jié)點(diǎn)判定為網(wǎng)絡(luò)良好，設(shè)置CSt=3。

BU

(2)

為了對(duì)BU進(jìn)行計(jì)算，設(shè)置隊(duì)列的瞬時(shí)占用率用BUtemp表示，每間隔一定時(shí)間t，統(tǒng)計(jì)當(dāng)前隊(duì)列的占用率，并用該統(tǒng)計(jì)值對(duì)BUtemp進(jìn)行賦值，同時(shí)采用式(3)進(jìn)行更新,

BUnew=α·BUold+(1-α}·BUtemp

(3)

式中，α表示隊(duì)列占用率的平滑因子集，BUold表示上次計(jì)算獲得的隊(duì)列平均占用率，BUnew表示目前的隊(duì)列平均占用率。

同樣，分別采用式(4)和式(5)更新CSU和DSU,

CSUnew=β·CSUold+(1-β}·CSUtemp

(4)

DSUnew=γ·DSUold+(1-γ}·DSUtemp

(5)

式中，CSUtemp表示調(diào)度子幀中控制時(shí)隙的瞬時(shí)占用率,CSUold和CSUnew分別表示上次計(jì)算獲得的調(diào)度子幀中控制時(shí)隙的平均占用率和目前的調(diào)度子幀中控制時(shí)隙的平均占用率,β表示調(diào)度子幀中控制時(shí)隙占用率的平滑因子集。DSUtemp表示數(shù)據(jù)子幀中微時(shí)隙的瞬時(shí)占用率,DSUold和DSUnew分別表示上次計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)子幀中微時(shí)隙的平均占用率和目前的數(shù)據(jù)子幀中微時(shí)隙的平均占用率,γ表示數(shù)據(jù)子幀中微時(shí)隙占用率的平滑因子集。

擁塞檢測完成后，本地節(jié)點(diǎn)基于CSt對(duì)exp進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，并定義St表示發(fā)送出去的擁塞變量。如果CSt的值為1，則減小exp，為控制擁塞，優(yōu)先競爭到下次發(fā)送時(shí)隙，并將St的值設(shè)置為1。在這種條件下，減小exp需根據(jù)不同業(yè)務(wù)采用不同的方法實(shí)現(xiàn)[15-16]。若是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，則使用式(6)進(jìn)行計(jì)算，若是非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，則使用式(7)進(jìn)行計(jì)算。

exp=exp-r0

(6)

exp=exp-r1

(7)

式中，r0表示本地節(jié)點(diǎn)處于實(shí)時(shí)擁塞時(shí)對(duì)exp的修正值，r1表示本地節(jié)點(diǎn)處于非實(shí)時(shí)擁塞時(shí)對(duì)exp的修正值。

如果CSt的值為2，則采用式(8)增大exp，并將St的值設(shè)置為2，為提高網(wǎng)絡(luò)利用率，可儲(chǔ)存更多的數(shù)據(jù)發(fā)送給下游節(jié)點(diǎn)。

exp=exp×2+1

(8)

如果CSt的值為3，則exp保持不變，并將St的值設(shè)置為3。

最終，本地節(jié)點(diǎn)對(duì)含有調(diào)整后的exp和St的MSH-DSCH上、下游節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為測試本文研究的基于IPv6協(xié)議雙棧技術(shù)在部署和改造校園網(wǎng)中的應(yīng)用效果，以Packet Tracer仿真軟件虛擬出的校園網(wǎng)絡(luò)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，因?yàn)樾@網(wǎng)的每一次連接都是自動(dòng)獲得IP地址的，所以虛擬機(jī)要做特殊配置，默認(rèn)使用vmnet0 將虛擬機(jī)的IP設(shè)置與主機(jī)同網(wǎng)段未使用IP，默認(rèn)使bai用vmnet0，網(wǎng)關(guān)設(shè)置成vmnet8的網(wǎng)關(guān)，以上述環(huán)境為虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分析其網(wǎng)絡(luò)性能和本地?fù)砣麢z測及擁塞處理方法的性能。

實(shí)驗(yàn)分析不同使用人數(shù)下，3種技術(shù)部署和改造的校園網(wǎng)擁塞率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 校園網(wǎng)擁塞率對(duì)比

分析圖3可得，相對(duì)于其他2種技術(shù)部署和改造的校園網(wǎng)，本文技術(shù)的校園網(wǎng)擁塞率始終低于15%，網(wǎng)絡(luò)使用人數(shù)增加產(chǎn)生的負(fù)載對(duì)其影響較小；ROS技術(shù)的校園網(wǎng)和流媒體技術(shù)的校園網(wǎng)擁塞率均處于較高數(shù)值，尤其是流媒體技術(shù)的校園網(wǎng)最大擁塞率高達(dá)85%，網(wǎng)絡(luò)狀況很差。由此可以看出，基于本文技術(shù)部署和改造的校園網(wǎng)，通過本地?fù)砣麢z測及擁塞處理方法，可以使網(wǎng)絡(luò)傳輸速率大大提高，在一定程度上避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。

實(shí)驗(yàn)分析不同使用人數(shù)下，3種技術(shù)部署和改造的校園網(wǎng)延遲率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 校園網(wǎng)延遲率對(duì)比

分析圖4可得，3種技術(shù)部署和改造的校園網(wǎng)延遲率都隨著網(wǎng)絡(luò)使用人數(shù)的增加而降低，但ROS技術(shù)的校園網(wǎng)和流媒體技術(shù)的校園網(wǎng)延遲率下降幅度較小，仍保持在較高數(shù)值，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度慢；本文技術(shù)的校園網(wǎng)延遲率下降幅度最大，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)使用人數(shù)為900人時(shí)，延遲率低至15%。對(duì)比這些數(shù)據(jù)可以說明，基于本文技術(shù)部署和改造的校園網(wǎng)，通過本地?fù)砣麢z測及擁塞處理方法，大幅度降低了網(wǎng)絡(luò)延遲率，使校園網(wǎng)運(yùn)行速度得到進(jìn)一步提升。

3 總結(jié)

為解決現(xiàn)有IPv4校園網(wǎng)存在的地址空間不足、組播能力較弱和網(wǎng)絡(luò)安全性不高等問題，本文研究基于IPv6協(xié)議雙棧技術(shù)，并將其應(yīng)用到校園網(wǎng)部署和改造中，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和資源利用效率。

日后，可進(jìn)一步完善該技術(shù)，打造出功能更強(qiáng)、信息更豐富的校園網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，加速IPv6協(xié)議雙棧技術(shù)在各大領(lǐng)域中的滲透和影響力。