基于IPv6技術校園網的研究應用

向陽　喬治錫　楊錦滔

摘? 要：IPv6是國際互聯網工程任務組設計的用于替代IPv4的下一代IP協議，IPv6技術的提出是為了解決IPv4網絡面臨的多種問題，與IPv4相比，IPv6具有較大優勢，如IPv6具有更大的地址空間、使用更小的路由表、具有更高的安全性。從現有的IPv4網絡過渡到IPv6會面臨一些困難，會涉及很多技術問題和商業問題。信息類高校需在信息技術高速發展時代，緊跟時代步伐，學習建設新技術下的新環境。

關鍵詞：IPv6;校園網;IP協議

中圖分類號：TP393.1? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）09-0082-04

Research and Application of Campus Network Based on IPv6 Technology

XIANG Yang，QIAO Zhixi，YANG Jintao

（Sichuan Vocational College of Information Technology，Guangyuan? 628040，China）

Abstract：IPv6 is the next generation IP protocol designed by Internet Engineering Task Force to replace IPv4. IPv6 technology is proposed to solve various problems faced by IPv4 network. Compared with IPv4，IPv6 has greater advantages，such as IPv6 has larger address space，IPv6 uses smaller routing table and IPv6 has higher security. The transition from the existing IPv4 network to IPv6 will face some difficulties，involving many technical and commercial problems. Information universities need to keep pace with the rapid development of information technology and learn to build a new environment under the new technology.

Keywords：IPv6;campus network;IP protocol

0? 引? 言

2019年11月25日22時35分，負責英國、歐洲、中東和部分中亞地區互聯網資源分配的歐洲網絡協調中心（RIPE NCC）宣布，全球所有43億個IPv4地址已全部分配完畢，意味著全球網絡將逐漸向IPv6過渡。對于IPv4技術中國沒有發言權，沒有域名解析根服務器，網絡安全沒有保障，國務院早在2017年就印發《推進互聯網協議第六版（IPv6）規模部署行動計劃》，實際情況進展緩慢。從網絡安全性和網絡技術發展必要性來論，IPv6技術普及是一種必然趨勢，但用IPv6替換IPv4無法一蹴而就，需從IPv4緩慢過渡，逐漸學習并應用。

1? IPv6技術簡述

1.1? IPv6地址表示方法

IPv6的地址長度為128位，通常寫成8組，每組包含4位十六進制整數，每個十六進制數標識4位二進制數。IPv6地址書寫遵循兩個規則。

1.1.1? 冒分十六進制

IPv6地址標準完全格式為xxxx：xxxx：xxxx：xxxx：xxxx：xxxx：xxxx：xxxx，x為十六進制數，每段xxxx代表16位，IPv6地址如下：2001：EF01：2345：6789：ABCD：EF01：FFFE：6789，需注意這種表示法中冒號需要在英文輸入方式下輸入。

1.1.2? 壓縮表示

在IPv6地址中，經常會出現許多0，在書寫IPv6地址時，每段地址前導0可以省略，例如：2001：0DB8：0000：0023：0008：0800：200C：417A可表示為2001：DB8：0：23：8：800：200C：417A。這里需要特別注意，后置0無法略寫，這里無法寫成2001： DB8：0：23：8：8：200C：417A，只能略寫前導0。

一個IPv6地址中間可能包含很多連續的0，如IPv6回環地址，這類連續的一段0可壓縮為“：：”。但為保證地址解析的唯一性，地址中“：：”只能出現一次，例如：

FC00：0：0：0：1101：0：0：0 → FC00：：1101：0：0：0

0：0：0：0：0：0：0：1 → ：：1

0：0：0：0：0：0：0：0 → ：：

1.2? IPv6單播地址

IPv6協議主要定義了四種地址類型，在實際應用中，最常見的是單播地址（Unicast Address）。與原來的IPv4地址相比，IPv6地址除了長度更長難于表達以外，其他諸如配置、應用等更方便、簡單。

一個典型的IPv6地址由3個部分組成：全球路由前綴（GRP）、子網ID（Subnet ID）和接口ID（Interface ID）。

IPv6單播地址用來標識一個接口，類似于IPv4中的單播地址。在已定義的IPv6單播地址中，用于標識子網的位數與用于標識子網內主機的位數都是64位。

1.2.1? 可聚合全球單播地址

可聚合全球單播地址被用作IPv6公網地址，類似于IPv4地址中的公網IP，可在全球范圍內的IPv6網絡中路由和傳輸。全球單播地址是全球可路由的，可以分配給任何個人和機構，IANA組織當前規定全球單播地址是2000：：/3，然后IANA再將這個地址空間逐級分下去，/23是注冊機構前綴，/32是ISP運營商前綴，/48是站點前綴，/64是子網前綴。

1.2.2? 鏈路本地地址

鏈路本地地址用于在單個網絡鏈路上給主機編號，IPv6網絡中隨處可見，但應用范圍受限制，鏈路本地地址的作用范圍限制在連接到同一鏈路本地的結點之間，路由器對具有鏈路本地地址的分組不予處理，也不會轉發這些分組。每一個節點在啟用IPv6協議時，接口會自動分配一個鏈路本地地址。

鏈路本地地址用格式前綴“1111 1110 10”標識，固定前綴為FE80：：/64。鏈路本地地址前綴FE80：：/64特定，后64位接口ID采用EUI-64地址，EUI-64地址與結點接口的MAC地址有關，可以保證接口的唯一性。

1.2.3? 唯一本地地址

唯一本地地址（Unique Local Address，ULA），概念上相當于私有IP，僅能夠在本地網絡使用，在IPv6 Internet上不可被路由，ULA擁有固定前綴FC00：：/7。站點本地地址（FEC0：：/64）由于起初的標準定義模糊被RFC 3879異議，而后RFC 4193重新定義了唯一本地地址以滿足本地環境中私有IPv6地址的使用，正式代替站點本地地址，廢除站點本地地址。

2? 校園網現狀

2.1? 網絡架構

四川信息職業技術學院IPv4網絡采用典型的三層網絡結構，在校園網絡整體設計中，采用層次化、模塊化的網絡設計結構，緊握靈活、可擴展和功能獨立等特點，結合物理位置，設計星型網絡拓撲。三層結構為接入層、匯聚層、核心層。

2.1.1? 接入層

提供網絡的第一級接入功能，完成簡單的數據鏈路層交換，該層設備具有低成本和高端口密度特性。接入層設備大多數為ZXR10 2850和ZXR10 2952，不支持IPv6，部分設備品牌為華為、格林威爾，可支持IPv6。

2.1.2? 匯聚層

匯聚層交換機根據設計需求，需要更多的功能和更高的交換速率。匯聚層設備應該能夠能運行多種業務，可實現廣播域隔離，組播傳輸域的定義，Vlan分割和安全控制等功能。學校匯聚層設備型號大多為ZXR10 8902，部分匯聚層設備為ZXR10 5928。

2.1.3? 核心層

網絡的骨干，上聯防火墻下聯匯聚層設備，必須能夠提供高速數據交換，有較大的數據處理能力，并發數、吞吐量等參數有嚴格要求，要求設備可靠、高效、大容量。對于校園網絡此類用戶集中的網絡，用戶第一需求是穩定，必須建立具備冗余機制的核心網絡鏈路。核心層設備為萬兆級交換機ZXR10 8905/8908。

2.2? 網絡規劃

四川信息職業技術學院出口帶寬擁有20 Gbps，出口互聯網IPv4地址為26長度的子網。校園網近10 000名用戶通過NAT使用172.16.0.0/12私有IPv4地址訪問互聯網，同時校園網建有DMZ區域，使用10.0.0.0/8地址合理分配給各類服務器。由于校園網絡設計地域集中性較強，用戶按照地理位置集中，因此校園網路由協議使用的靜態路由協議，速度快，效率高，占用資源少，安全性極強。

3? 部署IPv6網絡

3.1? 難點

在校園網部署實施IPv6過程中，發現有2個難點：

（1）網絡設備型號大部分老舊，建設于2011年，不支持IPv6協議，我校網絡設備中，僅核心層設備、匯聚層設備和最新采購更換的部分接入層設備支持IPv6。

（2）由于我校所處地區ISP未規劃分配IPv6地址，在校園網出口無法與IPv6互聯網連通，在部署實施過程中，無法明確使用的IPv6地址。

3.2? 解決方案

（1）在IPv6孤島中，常見有全雙棧模式和隧道模式。全雙棧模式組網是理想方案，不必為不同類型的用戶單獨部署網絡配置，開銷小、管理簡單、IPv4和IPv6的邏輯界面清晰，但需較高的硬件支持。隧道模式依托于穩定的IPv4網絡環境，隧道兩端邊界設備需要花費額外的系統開銷，需要隧道兩端同步配置，適用性較小，屬于IPv6過渡技術。IPv6過渡技術，是一種臨時使用的傳輸機制，隨著技術發展，IPv6網絡環境相應增多后，其應用會逐漸減少直至取消。

現有網絡核心、匯聚等設備功能支持IPv6，可全網部署雙棧協議，建設IPv6干路網絡，根據需要和發展，逐漸更換接入層設備，可實現無縫連接。

（2）部署IPv6試驗網絡有兩種方案，一是任取一段全球單播地址，僅在校園網內部部署實施，僅供內部實驗教學使用，不接入互聯網，未來根據需求快速替換正式IPv6地址;二是使用唯一本地地址部署實驗網絡。在未來ISP分配IPv6地址時，正式替代實驗使用地址，快速接入IPv6互聯網。

根據IPv6地址分配規則，四川信息職業技術學院用戶數量在10 000左右，可能會分配站點前綴為/48的IPv6地址，因此校園IPv6網絡實驗使用唯一本地地址FC00：332：2211：：/ 48，采用與當前校園網IPv4類似的地域分組規劃特性，實現校園網全網雙棧協議。

3.3? IPv6網絡規劃

（1）IPv6網絡可延續原有校園網IPv4網絡設計思路。校園網絡分為兩個區域，Trust用戶網絡區域，DMZ服務器區域。校園IPv6網絡地址使用FC00：332：2211：：/48，各個區域匯聚設備可支持IPv6協議，全網運行雙棧協議，各區域匯聚下層使用連續IPv6地址，在匯聚點匯聚后可用較少路由條目，方便維護管理。服務器區域與用戶網絡物理隔離，盡量減少不同功能區域的干擾。

（2）因校園網區域用戶集中，地理位置特性較強，在IPv4網絡中，路由協議采用的是靜態路由協議，低時延，易管理。在IPv6網絡中根據實際需求，遵循層次性、可靠性、可擴展性、安全性等原則，可繼續使用IPv6靜態路由協議。拓撲圖如圖1所示。

（3）校園網絡用戶數量大，網絡行為復雜，為方便管理與提高服務質量，校園網絡中需建立DHCPv6服務器，除DMZ區服務器群外，用戶使用有狀態自動配置IPv6地址。

3.4? IPv6網絡地址規劃

在IPv6地址規劃中，也需要遵循IPv4相同原則，地址分配應具有層次性，子網地址的分配應具有連續性，可進行匯總方便尋址管理。同時在進行IP地址分配時，要考慮到后續的應用擴展。考慮到物聯網等技術飛速發展，應為電燈、窗簾、門禁等設備預留IPv6地址。IPv6網絡地址規劃如表1所示。

在給與的FC00：332：2211：：/48實驗地址中，僅使用了十六分之一的地址空間，如果ISP分配的站點地址有更大的子網前綴，可根據實際需要進一步細化分配地址空間。

4? 結? 論

四川信息職業技術學院各個核心層、匯聚層設備都支持IPv6協議，部署的IPv6網絡在干路上暢通。在我校校園網中，DMZ區域直接相連匯聚層設備，終端可運行IPv6協議，學校更換的最新的接入層設備也支持IPv6協議，在校園IPv6網絡環建設完成后，IPv6技術可試運行，學校部分用戶可使用IPv6訪問學校內部資源，如圖書館資源、教務系統等，在運行期間，也可根據運行情況改進并完善。

IPv6技術將為計算機網絡發展和應用開辟新的廣闊天地，計算機網絡技術的掌握、應用和研究水平，反映了一個國家的科學技術水平，而構成信息社會的基礎設施的計算機網絡對國家經濟和社會的發展起到至關重要的作用，對下一代Internet和下一代網絡中的核心技術IPv6的學習、掌握、應用和研究，已經成為21世紀國家信息基礎建設和發展的重要內容。

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作者簡介：向陽（1991—），男，漢族，四川簡陽人，就職于信息中心，干事，助理工程師，理學學士，研究方向：網絡安全、網絡優化和服務器存儲;喬治錫（1979—），男，漢族，四川廣元人，就職于數字藝術系，主任，高級工程師，碩士，研究方向：數字化校園、計算機科學與技術;楊錦滔（1989—），男，漢族，四川廣元人，就職于信息中心，干事，助理工程師，本科，研究方向：計算機網絡。