基于IPv6协议的双栈技术研究与应用

黄萍

(深圳供电局有限公司,广东,深圳 518000)

0 引言

随着校园网用户和数字化校园、无线校园网等应用需求的日益增加，现有IPv4校园网存在地址空间不足、组播能力较弱和网络安全性不高等问题[1-2]，已无法满足校园网发展的需要，因此，升级改造校园网是必然趋势[3-5]。

目前许多相关领域都对校园网的升级改造有所研究，如王亮等[6]研究基于ROS构建大型校园网的应用，该研究的校园网成本低，内核稳定，为经济型校园带来便捷，但网络安全系数较低，不易维护；巴一[7]研究基于流媒体技术的校园网络播出系统构建，该研究的校园网实现信息分布传输的效率高，但容易形成网络拥塞。

为解决目前校园网存在的问题，本文研究基于IPv6协议双栈技术，因特网协议版本6(Internet Protocol Version 6，IPv6)是网络层协议的第二代标准协议，将其应用于校园网部署和改造中，采用双协议栈技术、NAT-PT技术和隧道技术共同实现校园网的部署和改造，使校园网用户可以更充分、方便地使用网络资源，同时推动IPv6的普及应用。

1 基于IPv6协议双栈技术的研究与应用

1.1 新建校园网

为使校园网同时支持两种业务流的承载和互通，可使用支持IPv6/IPv4的网络设备实现组网建设。支持双栈的三层交换机是校园网核心使用的设备，普通IPv4交换机是汇聚接入使用的设备，核心部分处理所有关于IPv6的三层功能，无需汇聚层进行处理。为生成层次化的IPv6网络，也可考虑将双栈三层交换机用于汇聚中，新建校园网的结构模型[8-11]如图1所示。

图1 新建校园网结构模型

和一般单网络业务转发模型相似，内部IPv6-IPv6和IPv4-IPv4业务通过双栈直接互通，没有协议转换；内部IPv6-IPv4业务的互通，通过双栈核心交换机进行NAT-PT实现；内部IPv4-外部IPv6业务(或内部IPv6-外部IPv4业务)与外部的互通，通过出口进行NAT-PT实现；内部IPv6-外部IPv6业务经核心通过CERNET2直接互通。

1.2 老校园网升级

进行老校园网升级时，一般情况下需购入新的双栈设备，少数设备可经过升级软件直接支持双栈。如果核心设备能够升级，那么部署和业务互通方案和新建校园网相似。如果新增双栈设备，那么新建IPv6网络和原IPv4网络分别在各自网内互通，与外部互通时，原核心连接的CERNETA或者新增设备连接的CERNET2分别和外部IPv4网络和IPv6网络互通，校园网内部IPv4-IPv4和IPv6-IPv6业务分别采用新老校园网实现直接互通，老校园网升级的结构模型[12]如图2所示。

图2 老校园网升级结构模型

(1)出口路由器和CERNET2的连接可通过主链路和备份链路实现，主链路经光纤连接到CERNET2，提供IPv6数据接入服务；备份链路经IPv6 over IPv4隧道连接到CERNET2，提供隧道形式的IPv6数据接入服务。

(2)校园网络中公有IPv4地址接入计算机用户时使用了6T04隧道方式。先在6T04中继路由器上对6T04隧道接口进行配置，再将个人终端上面，IPv6的缺省网关指向6T04中继路由器。

(3)校园网络中私有IPv4地址接入计算机用户时使用了ISATAP隧道方式。先将ISATAP中继路由器部署在校园网络上，并对ISATAP隧道接口进行配置，再设置个人终端上面ISATAP中继路由器的IPv4地址，并将IPv6缺省网关指向ISATAP中继路由器。

1.3 本地拥塞检测及拥塞处理方法

随着网络服务类型和用户量的不断增加，提出一种基于IEEE802.16的本地拥塞检测和拥塞处理方法，减少校园网络拥塞，优化校园网络结构。

BU为网络层队列的占用率，CSU为调度子帧中控制时隙的占用率，DSU为数据子帧中微时隙的占用率，本地节点发送数据请求前综合运用BU、CSU和DSU共同检测拥塞，检测到的拥塞状态变量为CSt，0,1,2,3是其取值，其内0表示初始值、1为拥塞、2为轻负荷、3为网络良好。设置BU的上、下限分别为BUmax和BUmin，CSU的上、下限分别为CSUmax和CSUmin，DSU的上、下限分别为DSUmax和DSUmin。

如果想说明网络即将产生拥塞，那么BU，CSU，DSU中任何一个大于上限，满足式(1)即可，此时将本地节点判定为拥塞，设置CSt=1。

BU>BUmax>CSU>CSUmax>DSU>DSUmax

(1)

如果想说明网络轻负荷，那么BU，CSU，DSU都小于下限，满足式(2)即可，此时将本地节点判定为轻负荷，设置CSt=2。若想说明网络状态良好，那么式(1)和式(2)均不满足，此时将本地节点判定为网络良好，设置CSt=3。

BU

(2)

为了对BU进行计算，设置队列的瞬时占用率用BUtemp表示，每间隔一定时间t，统计当前队列的占用率，并用该统计值对BUtemp进行赋值，同时采用式(3)进行更新,

BUnew=α·BUold+(1-α}·BUtemp

(3)

式中，α表示队列占用率的平滑因子集，BUold表示上次计算获得的队列平均占用率，BUnew表示目前的队列平均占用率。

同样，分别采用式(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表示调度子帧中控制时隙的瞬时占用率,CSUold和CSUnew分别表示上次计算获得的调度子帧中控制时隙的平均占用率和目前的调度子帧中控制时隙的平均占用率,β表示调度子帧中控制时隙占用率的平滑因子集。DSUtemp表示数据子帧中微时隙的瞬时占用率,DSUold和DSUnew分别表示上次计算获得的数据子帧中微时隙的平均占用率和目前的数据子帧中微时隙的平均占用率,γ表示数据子帧中微时隙占用率的平滑因子集。

拥塞检测完成后，本地节点基于CSt对exp进行动态调整，并定义St表示发送出去的拥塞变量。如果CSt的值为1，则减小exp，为控制拥塞，优先竞争到下次发送时隙，并将St的值设置为1。在这种条件下，减小exp需根据不同业务采用不同的方法实现[15-16]。若是实时业务，则使用式(6)进行计算，若是非实时业务，则使用式(7)进行计算。

exp=exp-r0

(6)

exp=exp-r1

(7)

式中，r0表示本地节点处于实时拥塞时对exp的修正值，r1表示本地节点处于非实时拥塞时对exp的修正值。

如果CSt的值为2，则采用式(8)增大exp，并将St的值设置为2，为提高网络利用率，可储存更多的数据发送给下游节点。

exp=exp×2+1

(8)

如果CSt的值为3，则exp保持不变，并将St的值设置为3。

最终，本地节点对含有调整后的exp和St的MSH-DSCH上、下游节点进行发送。

2 实验分析

为测试本文研究的基于IPv6协议双栈技术在部署和改造校园网中的应用效果，以Packet Tracer仿真软件虚拟出的校园网络为实验对象，因为校园网的每一次连接都是自动获得IP地址的，所以虚拟机要做特殊配置，默认使用vmnet0 将虚拟机的IP设置与主机同网段未使用IP，默认使bai用vmnet0，网关设置成vmnet8的网关，以上述环境为虚拟实验环境，分析其网络性能和本地拥塞检测及拥塞处理方法的性能。

实验分析不同使用人数下，3种技术部署和改造的校园网拥塞率，结果如图3所示。

图3 校园网拥塞率对比

分析图3可得，相对于其他2种技术部署和改造的校园网，本文技术的校园网拥塞率始终低于15%，网络使用人数增加产生的负载对其影响较小；ROS技术的校园网和流媒体技术的校园网拥塞率均处于较高数值，尤其是流媒体技术的校园网最大拥塞率高达85%，网络状况很差。由此可以看出，基于本文技术部署和改造的校园网，通过本地拥塞检测及拥塞处理方法，可以使网络传输速率大大提高，在一定程度上避免网络拥塞。

实验分析不同使用人数下，3种技术部署和改造的校园网延迟率，结果如图4所示。

图4 校园网延迟率对比

分析图4可得，3种技术部署和改造的校园网延迟率都随着网络使用人数的增加而降低，但ROS技术的校园网和流媒体技术的校园网延迟率下降幅度较小，仍保持在较高数值，网络数据传输速度慢；本文技术的校园网延迟率下降幅度最大，当网络使用人数为900人时，延迟率低至15%。对比这些数据可以说明，基于本文技术部署和改造的校园网，通过本地拥塞检测及拥塞处理方法，大幅度降低了网络延迟率，使校园网运行速度得到进一步提升。

3 总结

为解决现有IPv4校园网存在的地址空间不足、组播能力较弱和网络安全性不高等问题，本文研究基于IPv6协议双栈技术，并将其应用到校园网部署和改造中，优化网络结构，提高网络服务质量和资源利用效率。

日后，可进一步完善该技术，打造出功能更强、信息更丰富的校园网络平台，加速IPv6协议双栈技术在各大领域中的渗透和影响力。