基于IPv6協議的雙棧技術研究與應用

黃萍

(深圳供電局有限公司,廣東,深圳 518000)

0 引言

隨著校園網用戶和數字化校園、無線校園網等應用需求的日益增加，現有IPv4校園網存在地址空間不足、組播能力較弱和網絡安全性不高等問題[1-2]，已無法滿足校園網發展的需要，因此，升級改造校園網是必然趨勢[3-5]。

目前許多相關領域都對校園網的升級改造有所研究，如王亮等[6]研究基于ROS構建大型校園網的應用，該研究的校園網成本低，內核穩定，為經濟型校園帶來便捷，但網絡安全系數較低，不易維護；巴一[7]研究基于流媒體技術的校園網絡播出系統構建，該研究的校園網實現信息分布傳輸的效率高，但容易形成網絡擁塞。

為解決目前校園網存在的問題，本文研究基于IPv6協議雙棧技術，因特網協議版本6(Internet Protocol Version 6，IPv6)是網絡層協議的第二代標準協議，將其應用于校園網部署和改造中，采用雙協議棧技術、NAT-PT技術和隧道技術共同實現校園網的部署和改造，使校園網用戶可以更充分、方便地使用網絡資源，同時推動IPv6的普及應用。

1 基于IPv6協議雙棧技術的研究與應用

1.1 新建校園網

為使校園網同時支持兩種業務流的承載和互通，可使用支持IPv6/IPv4的網絡設備實現組網建設。支持雙棧的三層交換機是校園網核心使用的設備，普通IPv4交換機是匯聚接入使用的設備，核心部分處理所有關于IPv6的三層功能，無需匯聚層進行處理。為生成層次化的IPv6網絡，也可考慮將雙棧三層交換機用于匯聚中，新建校園網的結構模型[8-11]如圖1所示。

圖1 新建校園網結構模型

和一般單網絡業務轉發模型相似，內部IPv6-IPv6和IPv4-IPv4業務通過雙棧直接互通，沒有協議轉換；內部IPv6-IPv4業務的互通，通過雙棧核心交換機進行NAT-PT實現；內部IPv4-外部IPv6業務(或內部IPv6-外部IPv4業務)與外部的互通，通過出口進行NAT-PT實現；內部IPv6-外部IPv6業務經核心通過CERNET2直接互通。

1.2 老校園網升級

進行老校園網升級時，一般情況下需購入新的雙棧設備，少數設備可經過升級軟件直接支持雙棧。如果核心設備能夠升級，那么部署和業務互通方案和新建校園網相似。如果新增雙棧設備，那么新建IPv6網絡和原IPv4網絡分別在各自網內互通，與外部互通時，原核心連接的CERNETA或者新增設備連接的CERNET2分別和外部IPv4網絡和IPv6網絡互通，校園網內部IPv4-IPv4和IPv6-IPv6業務分別采用新老校園網實現直接互通，老校園網升級的結構模型[12]如圖2所示。

圖2 老校園網升級結構模型

(1)出口路由器和CERNET2的連接可通過主鏈路和備份鏈路實現，主鏈路經光纖連接到CERNET2，提供IPv6數據接入服務；備份鏈路經IPv6 over IPv4隧道連接到CERNET2，提供隧道形式的IPv6數據接入服務。

(2)校園網絡中公有IPv4地址接入計算機用戶時使用了6T04隧道方式。先在6T04中繼路由器上對6T04隧道接口進行配置，再將個人終端上面，IPv6的缺省網關指向6T04中繼路由器。

(3)校園網絡中私有IPv4地址接入計算機用戶時使用了ISATAP隧道方式。先將ISATAP中繼路由器部署在校園網絡上，并對ISATAP隧道接口進行配置，再設置個人終端上面ISATAP中繼路由器的IPv4地址，并將IPv6缺省網關指向ISATAP中繼路由器。

1.3 本地擁塞檢測及擁塞處理方法

隨著網絡服務類型和用戶量的不斷增加，提出一種基于IEEE802.16的本地擁塞檢測和擁塞處理方法，減少校園網絡擁塞，優化校園網絡結構。

BU為網絡層隊列的占用率，CSU為調度子幀中控制時隙的占用率，DSU為數據子幀中微時隙的占用率，本地節點發送數據請求前綜合運用BU、CSU和DSU共同檢測擁塞，檢測到的擁塞狀態變量為CSt，0,1,2,3是其取值，其內0表示初始值、1為擁塞、2為輕負荷、3為網絡良好。設置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。

如果想說明網絡即將產生擁塞，那么BU，CSU，DSU中任何一個大于上限，滿足式(1)即可，此時將本地節點判定為擁塞，設置CSt=1。

BU>BUmax>CSU>CSUmax>DSU>DSUmax

(1)

如果想說明網絡輕負荷，那么BU，CSU，DSU都小于下限，滿足式(2)即可，此時將本地節點判定為輕負荷，設置CSt=2。若想說明網絡狀態良好，那么式(1)和式(2)均不滿足，此時將本地節點判定為網絡良好，設置CSt=3。

BU

(2)

為了對BU進行計算，設置隊列的瞬時占用率用BUtemp表示，每間隔一定時間t，統計當前隊列的占用率，并用該統計值對BUtemp進行賦值，同時采用式(3)進行更新,

BUnew=α·BUold+(1-α}·BUtemp

(3)

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

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表示調度子幀中控制時隙的瞬時占用率,CSUold和CSUnew分別表示上次計算獲得的調度子幀中控制時隙的平均占用率和目前的調度子幀中控制時隙的平均占用率,β表示調度子幀中控制時隙占用率的平滑因子集。DSUtemp表示數據子幀中微時隙的瞬時占用率,DSUold和DSUnew分別表示上次計算獲得的數據子幀中微時隙的平均占用率和目前的數據子幀中微時隙的平均占用率,γ表示數據子幀中微時隙占用率的平滑因子集。

擁塞檢測完成后，本地節點基于CSt對exp進行動態調整，并定義St表示發送出去的擁塞變量。如果CSt的值為1，則減小exp，為控制擁塞，優先競爭到下次發送時隙，并將St的值設置為1。在這種條件下，減小exp需根據不同業務采用不同的方法實現[15-16]。若是實時業務，則使用式(6)進行計算，若是非實時業務，則使用式(7)進行計算。

exp=exp-r0

(6)

exp=exp-r1

(7)

式中，r0表示本地節點處于實時擁塞時對exp的修正值，r1表示本地節點處于非實時擁塞時對exp的修正值。

如果CSt的值為2，則采用式(8)增大exp，并將St的值設置為2，為提高網絡利用率，可儲存更多的數據發送給下游節點。

exp=exp×2+1

(8)

如果CSt的值為3，則exp保持不變，并將St的值設置為3。

最終，本地節點對含有調整后的exp和St的MSH-DSCH上、下游節點進行發送。

2 實驗分析

為測試本文研究的基于IPv6協議雙棧技術在部署和改造校園網中的應用效果，以Packet Tracer仿真軟件虛擬出的校園網絡為實驗對象，因為校園網的每一次連接都是自動獲得IP地址的，所以虛擬機要做特殊配置，默認使用vmnet0 將虛擬機的IP設置與主機同網段未使用IP，默認使bai用vmnet0，網關設置成vmnet8的網關，以上述環境為虛擬實驗環境，分析其網絡性能和本地擁塞檢測及擁塞處理方法的性能。

實驗分析不同使用人數下，3種技術部署和改造的校園網擁塞率，結果如圖3所示。

圖3 校園網擁塞率對比

分析圖3可得，相對于其他2種技術部署和改造的校園網，本文技術的校園網擁塞率始終低于15%，網絡使用人數增加產生的負載對其影響較小；ROS技術的校園網和流媒體技術的校園網擁塞率均處于較高數值，尤其是流媒體技術的校園網最大擁塞率高達85%，網絡狀況很差。由此可以看出，基于本文技術部署和改造的校園網，通過本地擁塞檢測及擁塞處理方法，可以使網絡傳輸速率大大提高，在一定程度上避免網絡擁塞。

實驗分析不同使用人數下，3種技術部署和改造的校園網延遲率，結果如圖4所示。

圖4 校園網延遲率對比

分析圖4可得，3種技術部署和改造的校園網延遲率都隨著網絡使用人數的增加而降低，但ROS技術的校園網和流媒體技術的校園網延遲率下降幅度較小，仍保持在較高數值，網絡數據傳輸速度慢；本文技術的校園網延遲率下降幅度最大，當網絡使用人數為900人時，延遲率低至15%。對比這些數據可以說明，基于本文技術部署和改造的校園網，通過本地擁塞檢測及擁塞處理方法，大幅度降低了網絡延遲率，使校園網運行速度得到進一步提升。

3 總結

為解決現有IPv4校園網存在的地址空間不足、組播能力較弱和網絡安全性不高等問題，本文研究基于IPv6協議雙棧技術，并將其應用到校園網部署和改造中，優化網絡結構，提高網絡服務質量和資源利用效率。

日后，可進一步完善該技術，打造出功能更強、信息更豐富的校園網絡平臺，加速IPv6協議雙棧技術在各大領域中的滲透和影響力。