高校网络从IPv4升级到IPv6的方案研究

　　摘要：目前许多国家都在推进基于IPv6的下一代互联网上的技术发展。预计到2012年以后，我国的运营商将无法获得IPv4的地址，IPv4地址耗尽是互联网发展必须要面对的现实问题，而IPv6成了解决IPv4存在的地址资源不足的关键。
　　关键词：ipv4；ipv6；过渡技术；校园网络
　　中图分类号：TP368.6文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)07-1524-02
　　1 IPv6现状与发展趋势
　　众所周知，现在很多业务对IP地址需求非常巨大，但是现今，IPv4的地址很短缺[1] ，目前许多国家都在推进基于IPv6的下一代互联网上的技术发展。预计到2012年以后，我国的运营商将无法获得IPv4的地址，IPv4地址耗尽是互联网发展必须要面对的现实问题，而IPv6成了解决IPv4存在的地址资源不足的关键 。
　　与IPv4相比，IPv6具有下面的这些优势：首先，IPv6具有更大的地址空间。IPv4协议的地址长度为32位，即IPv4一共有2^32-1（^32表示32次幂，下同）个地址。而IPv6中IP地址的长度为IPv4的4倍，这表示IPv6的地址个数将达到2^128-1， IPv6具有巨大的地址空间，满足当前社会IP地址的需求绰绰有余；其次，IPv6有更精简的路由表。IPv6的地址表示采用聚类（Aggregation）表示法，主要做法是在路由表中用一条记录（Entry）表示多个具有相同地址前缀的子网，这使得IP地址的指数级增长却并不以路由表的爆炸为代价，相反路由器因此提高了传递数据包的速度；再次，IPv6支持即插即用。IPv6支持自动配置（Auto Configuration），在用户设备接入网络时，自动获取IP地址，设备利用此地址与网络中的其他节点进行通信，简化了网络管理，增加了设备可移动性。另外， IPv6在借鉴了IPv4的基础上，增加了许多新的功能，具有更强的安全性和更好的服务质量。
　　目前，IPv6的技术和标准已经成熟，各种基于IPv6的实验网也已经具备了相当的规模[6]。全球互联网数字分配机构（IANA）的最新数据显示，目前全球仅剩2亿个IPv4地址，大约占总量的5%。而根据分配计划，最后0.8亿个IPv4地址将在2011年初分配完毕，IPv4地址的耗尽时间将提前。而根据最新消息，美国当地时间2011年2月3日，国际互联网名称和编号分配公司(ICANN)宣告最后所剩的5组基于IPv4的IP地址被分配给了全球五大区域互联网注册管理机构，传统IPv4地址在历史的舞台上谢幕。因此，互联网需要继续前进，除了IPv6，业界没有别的更好的选择。如果我们不接受IPv6，那么“地址短缺”问题将会成为阻碍互联网发展的核心问题。而IPv6技术缺乏对IPv4的兼容，以及现今网络的数量庞大的基于IPv4的网络设备和用户群体决定了互联网从IPv4升级到IPv6将是一个漫长的过程，任何面向IPv4到Ipv6的研究都有很强的现实意义。
　　2 IPv4到IPv6的过渡技术
　　从IPv4到IPv6的演进是构造下一代互联网的必经之路， 要推广IPv6网络，必须充分考虑现有的网络现状，实现IPv4向IPv6的平稳演进。在过渡过程中， IPv4和IPv6技术在很长的时间内将共存，两种网络间如何通信是这一时期需要解决的问题。目前，过渡技术各有优劣，双协议栈技术、隧道技术和地址协议转换技术是在IPv4环境里进行IPv6网络试验时普遍采用的技术[2]。
　　1）双协议栈技术。路由器和主机同时运行IPv4和IPv6两套协议栈， 主机使用IPv4协议与IPv4站点进行通信，使用IPv6协议与IPv6站点通信，路由器对IPv4和IPv6路由信息，按照各自的路由协议进行计算，并维护不同的路由表。双协议栈的依据是，IPv4和IPv6是相近的网络层协议，它们有相同的物理平台，和它们合作的传输层协议——TCP和UDP协议也相同。采用双协议栈技术操作简单，易于理解。但是，它对网络设备要求很高，需要维护大量的协议和数据，对设备进行升级时的投入较大。另外，它并不能解决IPv4地址稀缺的问题，因为双协议栈仍然需要IPv4地址及其路由结构，浪费了IPv4地址。
　　2）隧道技术。隧道技术利用现有的网络基础设备，利用隧道在IPv4节点和IPv6节点之间传递数据。它将IPv6数据封装在IPv4包中，在IPv4网络中传输，IPv4的源地址和目标地址对应隧道的入口地址和出口地址，IPv6数据在隧道出口处被取出转发目标节点。这是IPv4过渡到IPv6初期最普遍采用的技术。其优点是只需要在隧道的入口和出口有相应的IPv6数据封装和数据解析标准， IPv6数据在传输过程中透明，与纯IPv4数据传输过程相同，非常容易实现。缺点是不能实现IPv4节点与IPv6节点间的直接通信[2-3]，另外隧道技术也需要消耗IPv4地址。
　　3）协议转换技术。NAT-PT(Network Address Translation-Protocol Translation)是一种附带地址转换器的网络地址转换器。NAT-PT最大优点是IPv6和IPv4节点不需要进行改造，原有IPv4协议不加改动就能与IPv6协议通信。但其实现方法复杂，网络设备进行地址转换和协议转换的开销较大，一般来说，该技术只有在其他过渡技术不奏效的情况下使用。
　　综上所述，以上技术都具有自身的局限性，它们都不能解决IPv4地址稀缺问题。因此，全网升级到IPv6才是解决问题的治本之法，以上技术将作为实现IPv4和IPv6共存时不同节点之间通信的纽带而存在。在筹划IPv4到IPv6过渡时，应该取长补短，根据根据自身网络设备条件和成本因素选择合适的一种或者多种过渡技术。
　　3 具体技术方案
　　现今，全球信息化飞速发展，互联网将世界连接在一起变成 “地球村”，互联网上不同领域机构的不断接入，使得IP地址的消耗非常巨大。据了解，传统IP地址今年内将耗尽，全球将开始陆续推广IPv6网络。而高校是新技术的研究和实验基地，因此，率先尝试在高校网中实现从IPv4到IPv6的过渡有很大的现实意义。
　　在制定IPv4到IPv6过渡策略之前，我们必须明确在高校网中推进IPv6技术是一个循序渐进的过程。高校现有的网络设备大部分都是基于IPv4的，在短时间内不可能将其过渡到基于IPv6的设备[4] ，改造过程并不能一蹴而就。在高校网中推广IPv6，必须遵循先小范围试验再扩展到全网的策略。只有遵循这样一种策略才能保证高校网完成从IPv4到IPv6的平滑过渡。
　　在过渡初期，我们先确定使用IPv6技术的试验区域。在这个阶段，需要解决占主体的IPv4网络和IPv6试验区域、IPv6节点与IPv6节点之间的通信问题。由于此时校园网络主体仍为IPv4网络，此时高校网与外部IPv4网络的通信尚不存在障碍。
　　此后，随着IPv6数据流量的增大，IPv6的使用设备逐步增多。此时，可以将小范围引用的IPv6技术慢慢地向全网推进， IPv6将占据主导地位。这个阶段的主要任务是将高校网络中的主要设备逐步替换为支持IPv6的设备。这一阶段主要解决的问题是在IPv6包围中的IPv4节点之间的通讯问题和以 IPv6为主体的高校网与外部IPv4网络的通讯问题。对于这两个问题，可采用NAT-PT（协议转换技术）解决。最终，随着IPv6业务的增长， ，然后整个网络被IPv6所“占领”，最终高校网升级成单一的IPv6网络。而随着全国性的IPv6技术的推广，高校的IPv6网络和外界的网络之间将不存在通讯障碍。
　　
　　下面详细介绍IPv4到IPv6的过渡过程。
　　1）要划分出IPv6的实验区域，即高校网中率先进行IPv6改造的区域。第一步我们将高校网中IPv6改造区的汇聚层交换机升级为支持IPv6协议的交换机。在设置上，虽然此时两种协议并存，但是网络仍然以IPv4技术为主导，为了保证与IPv4网络之间的无障碍通信， 我们采用适用于IPv4到IPv6过渡初期的过渡技术——双协议栈技术。因此，IPv6改造区的交换机和主机上均架设双协议栈。而对于零星分布在网络中的IPv6节点之间的通信问题，我们则需要在不同的IPv6改造区之间架设隧道，将IPv6数据封装在IPv4包中，通过IPv4路由协议和Ipv4网络进行传输。
　　2）在经过第一阶段以后，高校网络用户PC终端与服务器可同时访问IPv6与IPv4网络，IPv4与IPv6共存。这时，我们可以将网络中的交换机逐渐升级到IPv6交换机。慢慢地，随着IPv6数据量的增长，我们将对IPv6的改造区域进行扩展，这时对高校网络的IPv6改造将进入第二阶段。在这一阶段我们所要做的是，将网内所有设备全部替换为支持IPv6的设备，包括架设IPv6的交换机，对网络设备进行支持IPv6数据传输的必要参数配置等，为全网 IPv6作准备[5]。高校网络改造到这里，网络上仅仅保留了很少的IPv4节点。我们需解决的问题是少量IPv4节点之间、以IPv6为主体的高校网与外界网络之间的通讯问题。这些问题可以通过对校园网内IPv4节点主机和部分IPv6节点（与外界网络连接处的IPv6节点）设置双协议栈或者采用NAT-PT技术都可以实现。但相比于NAT-PT的巨大开销，采用双协议栈技术实现比更容易。到这里，在目前的互联网的网络环境下，对高校网络的IPv4到IPv6的升级基本完成。在全球互联网推广IPv6的背景下，互联网上的IPv4节点将被慢慢改造，当外界的网络也过渡到以IPv6为主导时，已完成升级的高校IPv6网络将不需要任何改造就可以与外界网络通信了，IPv6时代将正式到来。
　　4 结束语
　　IPv6的产生借鉴了IPv4技术，解决了IPv4地址空间耗尽和路由表爆炸等问题，而且其在地址容量、可移动性、安全性以及服务质量等方面有了明显的改进，IPv6将成为未来几年互联网的核心技术之一。传统IP地址将在2012年左右耗尽，毫无疑问，从IPv4网络到IPv6网络的演进是历史的必然，而高校作为新技术的研究和实验基地，在高校网中率先尝试推广IPv6网络将具有极其重要的意义。到目前为止，各种IPv4到IPv6的过渡技术均有其各自的应用范围，我们应根据需求和现有网络条件和成本因素，制定合适的网络的过渡策略。本文所介绍的 从IPv4到IPv6的升级方案，对在高校网中进行IPv6的试验具有实际的指导意义。
　　参考文献：
　　[1] 姜明.IPv6协议产生的背景、过程和现状[J].互联