基于雙棧網絡的IPv4/IPv6校園過渡方案研究

李曉杰

(黑龍江科技大學 信息網絡中心，黑龍江 哈爾濱 150022)

基于雙棧網絡的IPv4/IPv6校園過渡方案研究

李曉杰

(黑龍江科技大學 信息網絡中心，黑龍江 哈爾濱 150022)

由于互聯網中IPv4地址池資源的逐漸枯竭，以及物聯網、大數據等新技術的快速發展，針對下一代互聯網IPv6技術及應用的研究以及如何實現IPv4/IPv6網絡的平穩過渡將迎來越來越多的發展機遇。高校作為科技創新的發源地，理應在IPv6網絡研究與應用中發揮自己的引領作用，推動新一代互聯網技術的研發與發展。綜合分析了IPv6的技術特點，并結合高校校園網特點，基于雙協議棧技術，提出一種符合高校校園網發展的IPv4/IPv6過渡方案，并對組網模式進行了優化。充分發揮了IPv6網絡的技術特點與優越性，實現了IPv4網絡向IPv6網絡的平穩過渡，確保了網絡過渡期間校園網絡的穩定性，以及終端對IPv4/IPv6網絡的正常訪問。

地址池；IPv6技術；網絡過渡；雙協議棧

0 引 言

IPv6網絡作為互聯網未來的發展趨勢，將逐漸取代IPv4網絡，但IPv4網絡如何向IPv6網絡平穩過渡一直困擾著全世界各國政府、互聯網服務商、運營商和標準化組織。現階段IPv4/IPv6過渡技術沒有權威的檢測標準，關于IPv4/IPv6過渡技術標準約有數十種[1]，難以對各種過渡技術的特點和優勢進行評價。目前各種過渡技術錯綜復雜、過渡方案目的不明確。過渡技術檢測標準[2]不明確勢必會導致IPv4與IPv6網絡在未來一段時間內共存，而且將會經歷一個較長的共存時期。IPv6網絡的優越性[3]決定了IPv4網絡會逐漸向IPv6網絡過渡，最終IPv6網絡將取代IPv4網絡是互聯網未來發展的必然趨勢。

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，地址池數量將達到2128個[5]。IPv4地址用點分十進制表示，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。

在網絡從IPv4到IPv6過渡過程中，若出現某些終端既訪問了IPv4網絡，又訪問IPv6網絡的情況，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

文中設計的網絡過渡方案主要遵循以下原則[9]：

(1)網絡從IPv4到IPv6的過渡過程必須簡單，IPv6各節點間不存在過多的相互依賴性。

(2)最大化利用原有設備，保證IPv4和IPv6設備能夠相互兼容，互相之間通信和數據傳輸沒有干擾。

(3)過渡方案要易于理解且容易操作。

2.2 雙協議棧基本原理

基本原理：IPv4和IPv6的網絡層協議功能相近，且處于相同的物理平臺，其上層的傳輸層TCP和UDP協議也基本相同。因此某設備如果能夠同時支持IPv4協議和IPv6協議，那么在該設備運行IPv4和IPv6兩套協議棧時，就可以既能與IPv4網絡通信，又能與IPv6網絡通信[10]。

2.3 雙協議棧工作方式

由于雙棧網絡下的設備同時支持IPv4協議和IPv6協議，所以該設備在運行過程中需要根據情況選擇一種工作方式進行網絡通信。一般情況下，根據目的地址的協議類型的不同來選擇合適的協議棧工作方式[11]。

Step1:對目的地址類型進行判定；

Step2:目的地址為IP地址形式，轉Step4；

Step3:目的地址為域名形式，則對該地址進行域名解析，轉換為IP地址形式；

Step4:根據IP地址形式進行判定；

Step5:目的地址為IPv4地址，向目標節點發送連接請求，進行數據通信；

Step6:目的地址為IPv6地址，則調用IPv6協議棧[12]，建立TCP6連接，進行數據通信。

2.4 雙協議棧技術的工作模型

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

(1)完全雙協議棧模型：網絡中任意節點都是雙棧的，即同時支持IPv4和IPv6協議，節點發送不同的數據包由不同的協議棧來處理。

優點：策略配置簡單，不存在數據通信問題；

缺點：每個節點需要配置一個IPv4地址，不能從根本上解決IPv4地址緊缺問題。

(2)有限雙協議棧模型：服務器、交換機和路由器是雙棧的，非服務器的終端只支持IPv6協議棧。

優點：從根本上解決了IPv4地址緊缺問題；

缺點：網絡中的純IPv4節點與純IPv6節點之間無法進行數據通信。

可以看出：有限雙協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，可以通過雙棧轉換機制(Double Stack Transition Mechanism，DSTM)[14]來解決網絡中純IPv6節點與純IPv4節點或終端的數據通信問題，通過給IPv6節點臨時分配IPv4地址的方式[15]，并保證該IPv4地址在一段時間內的唯一性，從而使之能夠與純IPv4節點或終端進行數據通信。

2.5 雙棧網絡設計

目前的校園網建設開始于2001年，校園網絡主干采用環狀拓撲結構，核心層骨干設備采用H3C的9500和7500系列交換機實現萬兆互聯，形成一個“萬兆作骨干、千兆進樓宇、百兆到桌面”的具有前瞻性的校園網。保持校園原有的雙核心組網模式不變，最大程度地利用現有的IPv4網絡設備，邊界路由引進支持雙棧的高端路由器接入Cernet和Cernet2主干網，原來的邊界路由器接入中國網通和中國電信，通過策略路由將各出口互為備份，實現IPv6網絡的接入。

雙棧網絡拓撲圖如圖1所示。

優點：該組網模式采用了雙核心架構，因此可以避免因其中一臺核心交換機出現故障造成整個網絡癱瘓的風險；最大化利用現有設備，避免資源浪費。

缺點：由于IPv4核心交換機和接入層交換機均為千兆互聯、百兆接入，IPv4核心交換機和接入層交換機的主控板帶寬制約著IPv6網絡流量，一定程度上影響了IPv6高效高速性能的發揮。

圖1 雙棧網絡拓撲圖

對全校校園網進一步進行優化，需要對核心層和匯聚層的設備進行升級。為了保證核心層設備的性能，購入支持IPv6協議的核心交換機，替代現有的IPv4核心交換機。通過在IPv6核心交換機上部署雙協議棧，實現內部IPv6和內部IPv4之間設備相互通信以及雙棧客戶端對IPv4和IPv6網絡的訪問。

優化的網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 優化的網絡拓撲圖

從圖中可以看出，原IPv4校園網仍然通過與原有的雙核心架構與外部的IPv4網絡通信，而IPv6網絡則通過新增的IPv6核心交換機與Cernet2主干網直接通信。校園網內部的IPv4和IPv4之間以及IPv6和IPv6之間的數據通信通過原有的IPv4核心交換機和新增的IPv6核心交換機直接相連實現。IPv6網與IPv4校園網絡通過新增設的IPv6核心交換機部署雙協議棧實現相互通信。

通過對現有校園網絡的優化，不僅實現了終端對IPv4和IPv6網絡的訪問，還最大程度上發揮了IPv6網絡的高速高效性能，實現了IPv4/IPv6網絡的平穩過渡。

3 結束語

文中從雙協議棧技術的基本原理出發，設計了一種IPv4/IPv6校園網絡過渡模式，并對該模式進行了優化，以適應學校網絡資源建設的迅速發展，對今后校園網絡的研究與建設具有較高的參考價值。校園網由現有的IPv4過渡到IPv6成為必然趨勢。高校作為新技術的策源地，應積極推行IPv6技術，不斷完善技術體系，并根據自身的情況科學分析、合理布局，設計符合學校自身發展的技術領先、安全性高、易擴展的新一代校園網絡，為學校教學、科研、管理、生活提供強有力的支持。

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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

黑龍江省教育科學技術研究項目(12543064)

李曉杰(1969-)，女，碩士，高級工程師，從事校園網管理與維護工作。

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