基于SDN技術的IPv6系統升級技術研究

馬方洲

（青島工學院，山東 青島 266300）

隨著網絡規模的擴大和各種新應用的出現，IPv4網絡呈現出越來越多的問題，如IPv4地址耗盡、安全問題、高質量服務問題、配置不夠簡單等。已經對當今互聯網的發展造成了嚴重的阻礙，因此在這種情況下，新的IPv6協議應運而生。將當前的IPv4網絡升級成純IPv6網絡需要巨大的成本，因此IPv4和IPv6將在未來的很長一段時間內同時存在。為了保證網絡業務的連續性，在IPv4和IPv6共存的階段引入IPv6過渡技術成為必須完成的事。目前使用的每種過渡技術都只針對特定的應用需求，沒有普遍性。因此，在實際部署中，有必要依據具體的應用需求在網絡中增加具有相應功能的設備，這無疑增加了網絡的復雜性。此外，由于網絡應用需求的變化而改變和調整網絡的實際部署，不僅會增加網絡部署配置的復雜性，還會造成網絡資源的浪費。

1 IPv6的發展現狀

根據國外的一些權威機構統計的數據顯示，在近年來IPv6的全球部署推進迅速，主要發達國家的IPv6部署率一直處于穩步上升的階段，一部分的發展中國家也在迅速推進，比利時、美國等一些國家的IPv6部署率已超過50%。Google、Facebook等部分全球排名靠前的網站已經全面支持IPv6。基于2021年統計數據顯示，全球IPv6部署率已超27%，北美和歐洲發達國家保持了一貫的高水平部署率，印度、馬來西亞、越南、日本四個亞洲國家和地區躋身世界前十位。

自我國《推進互聯網協議第六版（IPv6）規模部署行動計劃》印發以來，IPv6互聯網活躍用戶保持高速增長，已從2019年1.65億的活躍用戶數，增長至2021年下半年的5.457億，增幅達到230.72%，互聯網活躍用戶占比，也從2019年的19.32%，增長至54.34%，IPv6推廣取得明顯成效。中央部委、省級政府門戶網站IPv6支持率達到81.42%，除國家安全部、國家海洋局沒有域名，不參與統計外，不支持IPv6的網站，也已經有AAAA記錄，不久將來，這些網站也將支持IPv6訪問。終端設備方面，絕大部分家用路由器、智能家庭網關、LTE移動終端，均已支持IPv6網絡。從數據上看，普聯、華為、華碩路由器都全部支持IPv6網絡，小米則有2019款的4A千兆版和小米路由器4不支持IPv6。中興、華為、友華、深圳創維的智能家庭網關，均已支持IPv6。

教育系統的各種網絡、門戶網站和重要應用系統已升級，以支持IPv6接入。以IPv6為基礎的安全體系已基本形成。良好的市場驅動發展環境日益改善。IPv6有超過5億活躍用戶，占互聯網用戶的50%以上。專用IPv4地址不再用于新的網絡地址。IPv6在以下方面基本得到了充分支持：國內用戶前100名的商業網站和應用、市級政府以上的外聯網網站系統、市級以上新聞、和廣播電視媒體網站系統、大型互聯網數據中心、前10名的內容分發網絡、云服務平臺的所有云產品均進入前十名。廣電網絡，5G網絡和商業，各種新型移動和固定終端，國際出入口。預計我國到2025年底，我國的IPv6網絡規模、用戶規模以及流量規模能排名世界第一。網絡、應用以及終端都將全面支持IPv6協議，全面完成IPv6的順利演進和升級，成為世界上領先的第六代互聯網技術產業體系。

2 主體部分

2.1 研究問題

2.1.1 研究目的

本項目在于將SDN技術運用于IPv4與IPv6的過渡中，在傳統的IPv4網絡或者是IPv4跟IPv6同時存在的網絡里，設計出基于SDN的IPv4和IPv6互聯系統，利用SDN技術將IPv4版本的策略跟IPv6版本的策略分隔開，為未來IPv6全面部署做準備，減少網絡資源的浪費。在盡量不改變現有網絡拓撲的基礎上平穩演進到純IPv6互聯網，不影響用戶的上網體驗，在IPv6升級過程中盡量做到用戶對IPv6的升級無感知。

2.1.2 核心概念

（1）將SDN技術與傳統IPv6過渡技術的結合將最終實現基于SDN的IPv6與IPv4互聯系統，使用控制器對外開放的標準控制接口，在SDN控制器編程并安裝IPv4與IPv6互聯功能的應用軟件。控制器通過控制平面以轉發規則的形式將IPv4與IPv6之間的通信報文的翻譯和轉換結果發送到數據平面，然后根據數據平面上的轉發規則進行數據報文的傳輸和交換。（2）在基于現有SDN的IPv6與IPv4的路由互聯網絡系統中，通過舊的SDN互聯網絡通信傳統中的IPv4和新的IPv6網絡之間通信可以實現進行實時通信的透明，他們之間的通信差異可以被新的SDN互聯網絡系統控制器屏蔽掉，所以我們在新的SDN網絡控制器中重新設計并提出了路由互聯網絡系統，互聯網絡系統將由現有的路由器互聯子系統和路由互聯網絡子系統組成。路由器互聯子系統的關鍵功能包括無線路由器和網關實時軟件配置管理模塊，無線路由器和網關配備機器設備實時檢測管理方法模塊，路由器網關信息實時配置。時間管理方法收集模塊。這三個關鍵功能模塊完成了路由器邊界。無線路由器和網關配備了實時設備、檢測和默認路由等路由器信息的實時維護收集和管理方法。控制面板會根據其維護的默認路由，在SDN網絡拓撲（如圖1所示）中尋找連接IPv4網絡和IPv6網絡的方法。互聯子服務系統的關鍵組成部分包括域名網關互聯模塊和根據應用技術進行的數據信息地址映射轉換。這兩個模塊在互連協議中進行連接和翻譯，可以在客戶端IPv4服務器和客戶端IPv6服務器之間的數據通信翻譯過程中完成。服務器解析域名，完成鏈接中IPv4詳細地址和服務器IPv6詳細地址的互聯和投影轉換。創建和分析數據信息的詳細地址。在通信轉換過程中完成IPv4數據通信包與服務器IPv6數據通信盒之間的互連協議連接翻譯工作和數據信息地址映射轉換。最后利用Floodlight控制板、Open vSwitch等專用工具搭建了一個基于OpenFlow技術的SDN模擬互聯網互聯之后對其進行測試并對結果進行分析。SDN轉發網絡由于其同時擁有一個全局化的網絡控制視圖和基于轉發流表重新進行數據轉發重新控制等兩大特性，對于有效解決IPv4到轉發IPv6轉化轉發過程中可能出現的轉發問題也就顯現出了很大大的優勢，主要優點體現在：①在一個SDN轉發網絡中，利用轉發交換機及轉發端口機來標識轉發節點上的位置數據信息，控制器可保存有一個全局化的網絡下轉發終端的節點位置信息綁定值并映射數據信息，移動轉發終端可在移動轉發過程中不再因為需要同時維護兩個節點的IP地址；②SDN轉發網絡由于擁有一個全局化的網絡控制視圖，在系統感知終端到轉發節點不斷移動后，可以根據一個全局網絡視圖重新控制計算一個轉發控制路徑，以基于流表重新控制下發的兩種方式同時更新一個數據隧道傳輸轉發路徑，省去了數據隧道系統建立時的開銷并有效消除轉發路徑非優化的問題。（3）在一個SDN移動網絡中可以實現一個IPv6網絡層的移動性信息管理，利用一個SDN網絡控制器對每個網絡節點中的每個設備節點進行移動集中管理，并同時利用這個控制器的機制可以感知網絡節點的橫向移動；同時利用OpendFlow協議向網絡交換機節點下發控制數據及其轉發控制規則及該機制可以實現網絡移動端與節點之間通信的移動連續性。基于設計sdn的實現IPv6網絡層的移動性信息管理系統框架(圖2)。

圖1

圖2

2.2 研究背景

理論基礎：SDN是一種新的互聯網體系結構，由美國Stanford University的成員開發。主要的設計思路是使原有的網絡體系中將網絡數據控制面和數據控制管理面分離開來，使用可編程的互聯軟件實在對原有網絡的數據控制和控制管理。基于我們的SDN的原始IPv4和IPv6互聯網系統已經提出了關于原始IPv4和IPv6互聯網技術的所有問題。在這個系統中，我們可以衡量您的SDN的任何技術手段，我們可以衡量標準控制程序，控制接口的原始軟件，以便IPv4和IPv6之間的系統應用程序的軟件綁定，然后將程序安裝并配置到原始SDN控制器。此方法不僅在配置上簡單方便而且不需要對原有的網絡配置行進任何改動。所以當不需要原有IPv4與IPv6互聯的一些配置需求時，只需要從原有控制器軟件中刪除一些應用功能軟件即可，對原本的網絡設備造成的改動可忽略不計。在以前我們的數據和控制平面系統是緊密聯系在一起的。而在軟件中自定義網絡的首次出現(SDN)是在分離了數據平面和網絡控制平面之后，這一技術的實現給很多的企業高級網絡運營管理人員帶來了前所未有的企業網絡管理靈活性和企業網絡管理可編程性。而SDN這一技術的研究則是開始于2006年Stanford University的關于CleanSlate的科學研究課題。當SDN的新型網絡技術的大面積使用可以極大地降低了企業各網絡基礎設施實施設備的網絡系統管理負荷，降低企業各網絡設備運營商的管理成本，使企業的整體網絡管理員能夠更方便、靈活地管理和控制各個網絡基礎設施和網絡設施。在采用控制平面,更加簡單易于數據集中和管理采用各種可編程的自動網絡運行控制器。同時用戶甚至能夠通過系統實時自動化地掌握網絡控制系統全網絡的網絡運行動態。由于目前傳統的控制網絡應用管理底層架構被重新梳理分拆并發展形成一個底層并將應用、控制、轉發三層相互進行分離的現代網絡管理架構，控制器在轉發層的功能被轉移到了應用中而且移動到了上層轉發控制器上,上層轉發控制器的應用、底層轉發控制器在轉發功能基礎上的設施被重新架構抽象并發展形成了十多個基于網絡管理邏輯層的管理基礎實體。OpenFloW協議是一個用來提供描述控制器和交換機之交互所用信息的標準，和控制器和交換機的接口標準。OpenFloW協議的核心思想就是將原本由交換機和路由器控制的數據包轉發過程，轉化為由OpenFlow交換機和控制服務器分別完成的獨立過程。OpenFloW的組成主要由交換機和控制器。

3 基于SDN技術的IPv6系統升級設計思路

預計互聯系統將在單一設備中實施（圖中的互聯網關），整個互聯系統將由路由子系統和互聯子系統組成。路由子系統根據所接收的跨網通信包的IP地址在SDN網絡之間選擇路徑，并在控制器中實現。因此，對于與SDN網絡連接的IPv4和IPv6網絡，它相當于連接到中心路由器（圖3）。該路由子系統主要用于解決網絡之間的通信數據包的路由問題。互聯子系統主要用于IP地址的獲取，IPv4地址和IPv6地址的映射轉換，以及IPv4包和IPv6包的協議翻譯。在以SDN為基礎的IPv4和IPv6互連體系結構中，一個實現IPv4和IPv6互連功能的應用程序是使用控制平面提供給它的標準控制接口編寫的，然后作為插件安裝在SDN控制器上（圖4）。在SDN體系架構的應用層中，解決了IPv4主機和IPv6主機的網絡路由、協議翻譯和地址轉換等問題。當控制器接收IPv4和IPv6主機之間的通信數據包時，由連接的IPv4和IPv6應用模塊對這些數據包進行處理，并根據處理的結果在交換機上建立相應的轉發規則。最后，交換機根據控制器發出的轉發規則數完成數據包的傳輸。

圖3

圖4

4 IPv6升級的發展前景

IPv4轉向IPv6，毫無疑問、從IPv4向IPv6迭代已經是大勢所趨，這是必然的結果。同時，國家也在大力推展IPv6及各項技術。說到這，IPv4中，根服務器起到決定性作用。首先，全球DNS根服務器只有13臺，1個為主根服務器，放置在美國。其余12個均為輔根服務器，其中9個放置在美國，歐洲2個，位于英國和瑞典，亞洲1個，位于日本。可以看出，我們大力推進IPv6的改造是必然的。現在我們所帶有IP地址配置（只要能聯網）的電子設備，拋開環境配置相關的訪問問題。按照全球的IPv6給我們取之不盡用之不竭的地址，只要給家里面的設備配置上獨有的互聯網地址。那么，不管我們身處何方，都能訪問并且管理這些設備。到這時，我們便真正地實現了萬網互聯，同時也真正地實現了萬物聯網。

到目前為止互聯網采用的是TCP/IP協議，IP地址編碼協議是其中的核心協議。互聯網協議第6版是IPv6的全稱，到目前為止IPv4地址是32位編碼。但是IPv6的地址是128位編碼，可以產生2的128次方個IP地址，其資源幾乎是無窮無盡的。為了滿足物聯網時代“一物一地址，萬物皆在線”的海量智能終端聯網需求，IPv6的規模部署與發展愈來愈受到關注。

5 結語

我們正處于一個網絡時代，并且正在以前所未有的速度發展著。在這種局勢下，人們的需求也隨之快速增長，服務跟上需求，必定是大勢所趨。IPv6規模部署的推進需要綜合考量技術成熟度、資金儲備以及人力資源等多種因素，在確保服務質量穩定的情況下，IPv6改造需要平衡長遠利益與改造投入的眼前成本之間的矛盾，實現IPv6規模部署高效、經濟、科學推進，平滑過渡。當然，IPv6并非十全十美、一勞永逸,不可能解決所有問題。IPv6只能在發展中不斷完善,也不可能在一夜之間發生，過渡需要時間和成本,但從長遠看,IPv6有利于互聯網的持續和長久發展。它在未來將取代目前被廣泛使用的IPv4。可以使每個人將擁有更多IP地址。