基于IPv6技术的高职院校校园网升级与建设分析

刘斌

摘要：“十四五”时期，我国将加快数字化发展进程，大力推进数字化建设。作为数字政府建设的重要组成部分，全国各地教育行政部门也在积极推进数字化改革。高校作为国家人才培养的重要基地和科学技术创新的重要源泉，在教育改革与发展中扮演着举足轻重的角色。当前，校园网主要采用IPv4协议，然而，随着互联网技术的不断發展，IPv4地址短缺的问题日益凸显。IPv6协议因地址资源丰富、扩展性良好、安全性高而在应对业务挑战时展现出明显优势。随着IPv6产业链的逐渐成熟，从IPv4向IPv6的迁移已成为校园网规划建设的必然选择。

关键词：IPv6协议；校园网；双栈技术；隧道技术

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）10-0097-03

1 IPv6 的优势和现状

IPv6被誉为下一代互联网的协议，针对IPv4地址逐渐耗尽的问题，IETF设计了IPv6协议以替代IPv4 协议[1]。IPv4地址与IPv6地址在多个方面存在显著差异：（1） 相较于32位的IPv4地址，128位的IPv6地址拥有更庞大的地址空间。尽管不需要为每一粒沙子分配一个IP地址，但这足以说明IPv6地址空间的巨大容量。（2） IPv6地址取消了IPv4地址报头中的偏移和填充等字段，简化后的报头格式提高了数据传输的效率。（3） IPv4地址在进行路由聚合时，通常根据前缀进行单一聚合；而IPv6地址由于其分级寻址结构，使得聚合过程更为灵活和高效。（4） IPv4在设计初期并未充分考虑安全性问题，导致网络数据包易受攻击者劫持、篡改和重放等威胁，影响网络稳定性与安全性。为提高安全性，应用层协议不得不引入复杂的安全机制，但这往往会影响系统的传输效率和用户体验。相反，IPv6内置安全机制，提供数据源认证、完整性和保密性功能，并能有效防范重放攻击。（5） IPv4的数据包最大长度限制为1 500字节，而IPv6的数据包最大长度可达65 535字节。此外，IPv6还拥有更多的QoS 字段，从而提供更优质的服务质量和更精确的流量控制。（6） IPv6支持自动配置功能，并扩展了DHCP，极大地简化了网络运维管理的难度。（7） IPv6与当前热门的网络技术SR（Segment Routing，分段路由）相结合，形成的SRv6具备多项强大能力：加速了云网融合进程，为用户带来更佳体验；同时，具备强大的可编程能力，能够实现网络路径、业务、转发行为三层可编程空间，满足不同业务的多样化需求；此外，基于SDN架构，SRv6能够将应用程序信息融入网络，基于全局信息进行网络调度和优化。

2 IPv4 到IPv6过渡技术

虽然IPv6相比IPv4拥有诸多优势，但在过去的几十年中，IPv4地址得到了广泛应用，许多现有的网络和设备都是基于IPv4运行的。为了实现平稳过渡，许多过渡机制被开发出来，以便IPv4和IPv6之间顺畅通信。

在保证现有网络正常运行的前提下，常用的过渡技术主要有3种：（1） 双栈技术。双栈技术是IPv4到IPv6过渡的基础。双协议栈技术指在同一台设备上同时支持IPv4和IPv6协议栈，从而分别实现与IPv4或IPv6节点间的信息互通。双栈节点使用IPv6地址与IPv6网络通信，同时使用IPv4地址与IPv4网络通信[2]。节点上的IPv4与IPv6可以完全独立，也可以有所关联。在DNS解析操作中，增加了AAAA记录，专门用于提供域名和IPv6地址的解析。如果双栈主机收到DNS返回的AAAA记录，就使用IPv6地址；如果收到A 记录，则使用IPv4地址。（2） 隧道技术。在IPv6彻底取代IPv4之前，需要有接入网技术率先部署IPv6协议栈，而这些网络就会成为IPv4海洋中的IPv6孤岛。隧道技术可以利用现有的IPv4设备为IPv6主机提供服务，使这些IPv6孤岛可以通过IPv4网络进行通信。在进行数据包传输时，发送端的隧道端点将IPv6数据包作为IPv4的负载数据封装进IPv4数据包中，然后在IPv4网络中进行传送[3]。当接收端收到IPv4封装包后，拆掉IPv4的报头，取出IPv6的数据包继续处理。（3） 地址转换技术。地址转换技术是一种实现由IPv4 到IPv6节点互通的方式。通过在网络中增加转换器，由转换器完成地址和协议的转换。

3 校园网现状分析

本文以克拉玛依职业技术学院为例进行分析，学院现有的计算中心网络分为两个区域：校园内网区和互联网区。教学楼、办公楼、体育馆、图书馆等通过内网访问计算中心服务器。在访问外网业务时，首先经过核心交换机到防火墙，之后通过出口路由器访问外网业务。

学院以建筑为基础构造网络拓扑结构，根据实际需求划分区域并对IP地址进行规划。在充分考虑了现有网络需求和未来网络规划的基础上，学院选择合适的网络设备，以保证各区域网络的正常运行。在网络规划时，学院首先要考虑的是满足学习和教学需要，因此将图书馆、体育馆、教学楼、办公楼等划分到网络中枢，这样数据转发的安全性和可靠性可以得到保障。而学生宿舍楼上网用户较多，网络容易产生拥塞，因此需要进行流量的控制，并保证网络的开放性和可靠性。目前，学院现有网络均采用IPv4协议部署，中心机房设备支持IPv6功能，但网络架构不合理，需要在进行IPv6改造的同时进行网络优化。现有网络拓扑如图1所示。

4 校园网亟须满足的优化要求

1） 为了满足教学秩序的正常运行和教师、学生对互联网资源的访问需求，文章结合校区现有的网络环境，整合现有网络资源，以先进适用的技术为基础，旨在建立一个安全、可控、可管理且能正常运行的全面支持IPv4/IPv6的网络环境。

2） 在进行网络升级优化时，必须构建统一的网络防护体系和信任体系，以保障校园网网络传输的顺畅，支撑各类校园网业务，确保数据安全。同时，为各级分院开展业务应用提供高速、安全的网络支持及相关应用服务保障。设备选型和网络设计应充分考虑可靠性，包括引擎、风扇、单板等网元级以及路由、交换、汇聚等网络级的可靠性设计。此外，应具备故障检测和恢复能力，确保在故障发生时能够迅速恢复网络和数据，保障业务的正常运行。网络的性能也应足够强大，满足学校各种应用需求，包括数据处理、存储、传输等。在应对自然环境因素，如气候条件、电磁干扰时，应具备较高的抗干扰能力，以确保网络在各种环境下的稳定运行。

3） 目前，学校的数据共享平台尚不完善，存在数据格式不兼容、数据质量不高、数据更新不及时等问题。不同部门间的数据标准不统一，导致数据难以相互识别和交流。此外，数据共享过程中还涉及个人隐私和敏感信息的保护问题，现有网络对数据安全和隐私保护的考虑尚显不足。为解决上述问题，升级和改造后的网络须满足以下需求：（1） 建设高速、稳定、安全的校园网络，在规划和管理网络拓扑结构、网络设备和网络安全时充分考虑数据共享的需求。（2） 支持学院各部门数据共享与业务联动，构建全校范围内的数据共享平台，消除业务系统间的“数据孤岛”。（3） 建立学校数据中心，集中存储和管理全校数据，实现数据的统一管理和维护，确保数据的完整性和安全性。（4） 构建数据共享平台，提供数据存储、数据处理、数据交换等功能，促进全校范围内数据的共享和流通。（5） 制定统一的数据标准，包括数据格式、数据编码等，确保不同部门间的数据能够相互识别和交流。（6） 开发数据共享接口，便于不同部门间的数据交互和共享，同时保障数据的安全性和隐私保护。（7） 制定数据共享管理制度，明确数据共享的范围、权限、责任等，确保数据共享的规范性和安全性。（8） 采取加密、身份验证、访问控制等多种安全措施，确保数据在共享过程中的安全性，防止数据泄露和被攻击。

4） 目前，学院已全面实行线上线下混合式教学，校园网须处理大量数据和流量，包括视频、音频、图片、文字等。这种教学模式对网络的互动性、延迟和响应速度提出了更高要求，以确保师生间的互动交流和在线测试等操作的顺畅进行。同时，考虑到高峰时段可能出现的网络访问量激增，学院的网络设备须具备足够的负载能力，以保障网络的稳定运行。此外，线上线下混合式教学还应具备一定的存储和数据处理能力，以便存储和加工教学资源，如视频、音频、PPT 等。对于需要长期保存的数据，还要制定可靠的备份和存储方案。因此，在升级建设时，学院应优化网络设备，提升网络带宽和数据处理能力，确保网络的高效运行。

5） 校园网应具有高可靠性、安全性、可扩展性和易用性等特点，以满足学校各项业务的需求。具体而言：（1） 校园网的核心设备和关键部件应采用高可靠性设计，具备冗余和容错能力，确保在设备故障时能自动切换到备用设备，避免网络中断。（2） 建立完善的安全防御体系，包括防火墙、入侵检测系统、病毒防护等，有效防范外部攻击和内部破坏，保障网络的稳定和安全。（3） 提供数据备份和恢复机制，确保重要数据的安全可靠，并制定长期数据的可靠存储方案。（4） 采用不间断电源（UPS） 或双路供电等措施，确保网络设备电源供应的稳定性。（5） 建立完善的备份和恢复机制，定期备份关键网络设备和数据，确保在需要时能够快速恢复。（6） 采用智能化的网络管理系统，实时监控网络设备的运行状态和网络流量，及时发现并排除故障，保障网络的稳定运行[4]。（7） 提供完善的用户支持服务，包括技术支持、售后服务等，帮助用户解决问题，提高用户满意度。

5 校园网规划设计路径

5.1 校園网升级改造总体要求

1） 完成端到端的IPv6承载改造，确保改造后全网具备IPv4和IPv6业务承载能力。在推进本次IPv6升级改造时，应着眼长远，统筹规划，确保升级后的网络具备可扩展能力。同时保障平稳过渡，以维持业务的连续性。

2） 提升全网承载能力，使其具备万兆互联的承载能力。

3） 提升全网安全性，确保校园网外网符合三级等保要求。在从IPv4向IPv6的升级过程中，应特别注意IPv6引入所带来的安全风险，并制定相应的安全防护策略和安全技术部署方案。

5.2 校园网升级改造具体要求

1） 针对互联网区设备进行IPv6改造，新的互联网出口区规划应包括：出口交换机、负载均衡器、防火墙和上网行为管理设备，整体要求支持IPv6，且设备应能达到1.5G吞吐。设备应双机部署，以保障骨干设备的冗余性，并增加互联网带宽。

2） 对骨干设备和链路进行升级改造，其中出口路由器、汇聚交换机应支持IPv4、IPv6协议，无须更换设备，只需进行软件升级。骨干链路应增加到2G，须在出口路由器、汇聚交换机增加万兆板卡，以扩充链路。

3） 对于不支持IPv6的设备，须逐步替换或升级软件以支持IPv6。在此过程中，应确保新设备或升级后的软件能与现有系统良好配合。在进行IPv6地址分配时，对于支持IPv6的终端，应为其分配IPv4公有地址和IPv6地址。可使用DHCPv4和DHCPv6服务进行地址分配，也可手动配置。对于不支持IPv6的终端，应逐步替换。

4） 核心交换机在全局模式下启动IPv6协议栈，同时运行IPv4 和IPv6 功能，对需要的LoopBack 配置IPv6地址，上行接口配置IPv6地址[5]。

5） 将现有防火墙部署在服务器区，作为服务器区的边界防护设备。同时确保防火墙能支持IPv6，并能根据安全策略对IPv4 和IPv6 业务流量进行过滤和控制。

6） 设备互联地址规划为/64前缀长度，设备管理地址使用LoopBack地址，使用/128前缀长度。主机使用静态IPv6地址，DNS、网关等均由人工配置。

7） 对现有数据中心的服务器、存储设备、网络设备进行升级。服务器应采用高性能服务器，支持虚拟化功能，并将多台服务器组成服务器集群。存储设备应采用磁盘阵列搭配NAS设备的方式，实现静态数据和动态数据分开存放。服务器和存储设备间应采用以太网光纤通道（FCOE） 连接。

5.3 校园网升级改造实施步骤

第一阶段：完成对外网骨干网络的IPv6升级改造，防火墙采用翻译技术，将IPv6地址转换成IPv4地址。各楼宇终端访问互联网和内网业务时，将IPv6地址转换成IPv4地址。第二阶段：在外网骨干网络IPv6 改造完成后，逐步对各楼宇进行IPv6改造，将IPv4地址统一修改为IPv6地址，对不支持IPv6的设备进行替换，同时升级数据中心设备，共享数据。第三阶段：经过前两个阶段的设计和建设，逐步取消IPv4协议的应用，使用纯IPv6的网络和客户端。

6 结束语

随着下一代互联网的快速发展，部署IPv6地址已经迫在眉睫。为了保证现有IPv4业务能够正常访问，研究应充分调研现有设备对IPv6地址的支持情况，制定详细的规划方案。在规划中，应根据不同的场景使用不同的地址过渡方式，实现校内IPv6地址之间的互访以及对业务应用的访问。

参考文献：

[1] 刘喆.IPv6浅析 ——搭建双栈地址访问网站[J].信息技术与信息化，2022（6）：134-137.

[2] 姚坤.高校校园网建设方案的设计与研究[D].银川：北方民族大学，2013.

[3] 董一芬.IPv6的实现技术与基础应用研究[D].济南：山东大学，2007.

[4] 许佳伟.基于校园网环境下IPv6过渡解决方案的设计与实现[D].武汉：华中科技大学，2011.

[5] 董超.蚌埠市政务外网IPv6改造方案设计[J].电脑知识与技术，2021，17（17）：255-256.

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