劉斌

摘要：“十四五”時(shí)期，我國(guó)將加快數(shù)字化發(fā)展進(jìn)程，大力推進(jìn)數(shù)字化建設(shè)。作為數(shù)字政府建設(shè)的重要組成部分，全國(guó)各地教育行政部門也在積極推進(jìn)數(shù)字化改革。高校作為國(guó)家人才培養(yǎng)的重要基地和科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新的重要源泉，在教育改革與發(fā)展中扮演著舉足輕重的角色。當(dāng)前，校園網(wǎng)主要采用IPv4協(xié)議，然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，IPv4地址短缺的問題日益凸顯。IPv6協(xié)議因地址資源豐富、擴(kuò)展性良好、安全性高而在應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)時(shí)展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。隨著IPv6產(chǎn)業(yè)鏈的逐漸成熟，從IPv4向IPv6的遷移已成為校園網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的必然選擇。

關(guān)鍵詞：IPv6協(xié)議；校園網(wǎng)；雙棧技術(shù)；隧道技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）10-0097-03

1 IPv6 的優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)狀

IPv6被譽(yù)為下一代互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議，針對(duì)IPv4地址逐漸耗盡的問題，IETF設(shè)計(jì)了IPv6協(xié)議以替代IPv4 協(xié)議[1]。IPv4地址與IPv6地址在多個(gè)方面存在顯著差異：（1） 相較于32位的IPv4地址，128位的IPv6地址擁有更龐大的地址空間。盡管不需要為每一粒沙子分配一個(gè)IP地址，但這足以說明IPv6地址空間的巨大容量。（2） IPv6地址取消了IPv4地址報(bào)頭中的偏移和填充等字段，簡(jiǎn)化后的報(bào)頭格式提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。?） IPv4地址在進(jìn)行路由聚合時(shí)，通常根據(jù)前綴進(jìn)行單一聚合；而IPv6地址由于其分級(jí)尋址結(jié)構(gòu)，使得聚合過程更為靈活和高效。（4） IPv4在設(shè)計(jì)初期并未充分考慮安全性問題，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包易受攻擊者劫持、篡改和重放等威脅，影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與安全性。為提高安全性，應(yīng)用層協(xié)議不得不引入復(fù)雜的安全機(jī)制，但這往往會(huì)影響系統(tǒng)的傳輸效率和用戶體驗(yàn)。相反，IPv6內(nèi)置安全機(jī)制，提供數(shù)據(jù)源認(rèn)證、完整性和保密性功能，并能有效防范重放攻擊。（5） IPv4的數(shù)據(jù)包最大長(zhǎng)度限制為1 500字節(jié)，而IPv6的數(shù)據(jù)包最大長(zhǎng)度可達(dá)65 535字節(jié)。此外，IPv6還擁有更多的QoS 字段，從而提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)質(zhì)量和更精確的流量控制。（6） IPv6支持自動(dòng)配置功能，并擴(kuò)展了DHCP，極大地簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理的難度。（7） IPv6與當(dāng)前熱門的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)SR（Segment Routing，分段路由）相結(jié)合，形成的SRv6具備多項(xiàng)強(qiáng)大能力：加速了云網(wǎng)融合進(jìn)程，為用戶帶來更佳體驗(yàn)；同時(shí)，具備強(qiáng)大的可編程能力，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路徑、業(yè)務(wù)、轉(zhuǎn)發(fā)行為三層可編程空間，滿足不同業(yè)務(wù)的多樣化需求；此外，基于SDN架構(gòu)，SRv6能夠?qū)?yīng)用程序信息融入網(wǎng)絡(luò)，基于全局信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和優(yōu)化。

2 IPv4 到IPv6過渡技術(shù)

雖然IPv6相比IPv4擁有諸多優(yōu)勢(shì)，但在過去的幾十年中，IPv4地址得到了廣泛應(yīng)用，許多現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備都是基于IPv4運(yùn)行的。為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡，許多過渡機(jī)制被開發(fā)出來，以便IPv4和IPv6之間順暢通信。

在保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的前提下，常用的過渡技術(shù)主要有3種：（1） 雙棧技術(shù)。雙棧技術(shù)是IPv4到IPv6過渡的基礎(chǔ)。雙協(xié)議棧技術(shù)指在同一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)支持IPv4和IPv6協(xié)議棧，從而分別實(shí)現(xiàn)與IPv4或IPv6節(jié)點(diǎn)間的信息互通。雙棧節(jié)點(diǎn)使用IPv6地址與IPv6網(wǎng)絡(luò)通信，同時(shí)使用IPv4地址與IPv4網(wǎng)絡(luò)通信[2]。節(jié)點(diǎn)上的IPv4與IPv6可以完全獨(dú)立，也可以有所關(guān)聯(lián)。在DNS解析操作中，增加了AAAA記錄，專門用于提供域名和IPv6地址的解析。如果雙棧主機(jī)收到DNS返回的AAAA記錄，就使用IPv6地址；如果收到A 記錄，則使用IPv4地址。（2） 隧道技術(shù)。在IPv6徹底取代IPv4之前，需要有接入網(wǎng)技術(shù)率先部署IPv6協(xié)議棧，而這些網(wǎng)絡(luò)就會(huì)成為IPv4海洋中的IPv6孤島。隧道技術(shù)可以利用現(xiàn)有的IPv4設(shè)備為IPv6主機(jī)提供服務(wù)，使這些IPv6孤島可以通過IPv4網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。在進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)，發(fā)送端的隧道端點(diǎn)將IPv6數(shù)據(jù)包作為IPv4的負(fù)載數(shù)據(jù)封裝進(jìn)IPv4數(shù)據(jù)包中，然后在IPv4網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳送[3]。當(dāng)接收端收到IPv4封裝包后，拆掉IPv4的報(bào)頭，取出IPv6的數(shù)據(jù)包繼續(xù)處理。（3） 地址轉(zhuǎn)換技術(shù)。地址轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)由IPv4 到IPv6節(jié)點(diǎn)互通的方式。通過在網(wǎng)絡(luò)中增加轉(zhuǎn)換器，由轉(zhuǎn)換器完成地址和協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

3 校園網(wǎng)現(xiàn)狀分析

本文以克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例進(jìn)行分析，學(xué)院現(xiàn)有的計(jì)算中心網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)區(qū)域：校園內(nèi)網(wǎng)區(qū)和互聯(lián)網(wǎng)區(qū)。教學(xué)樓、辦公樓、體育館、圖書館等通過內(nèi)網(wǎng)訪問計(jì)算中心服務(wù)器。在訪問外網(wǎng)業(yè)務(wù)時(shí)，首先經(jīng)過核心交換機(jī)到防火墻，之后通過出口路由器訪問外網(wǎng)業(yè)務(wù)。

學(xué)院以建筑為基礎(chǔ)構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際需求劃分區(qū)域并對(duì)IP地址進(jìn)行規(guī)劃。在充分考慮了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)需求和未來網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，學(xué)院選擇合適的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以保證各區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，學(xué)院首先要考慮的是滿足學(xué)習(xí)和教學(xué)需要，因此將圖書館、體育館、教學(xué)樓、辦公樓等劃分到網(wǎng)絡(luò)中樞，這樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的安全性和可靠性可以得到保障。而學(xué)生宿舍樓上網(wǎng)用戶較多，網(wǎng)絡(luò)容易產(chǎn)生擁塞，因此需要進(jìn)行流量的控制，并保證網(wǎng)絡(luò)的開放性和可靠性。目前，學(xué)院現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)均采用IPv4協(xié)議部署，中心機(jī)房設(shè)備支持IPv6功能，但網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不合理，需要在進(jìn)行IPv6改造的同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

4 校園網(wǎng)亟須滿足的優(yōu)化要求

1） 為了滿足教學(xué)秩序的正常運(yùn)行和教師、學(xué)生對(duì)互聯(lián)網(wǎng)資源的訪問需求，文章結(jié)合校區(qū)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，整合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，以先進(jìn)適用的技術(shù)為基礎(chǔ)，旨在建立一個(gè)安全、可控、可管理且能正常運(yùn)行的全面支持IPv4/IPv6的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2） 在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)升級(jí)優(yōu)化時(shí)，必須構(gòu)建統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)體系和信任體系，以保障校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)捻槙?，支撐各類校園網(wǎng)業(yè)務(wù)，確保數(shù)據(jù)安全。同時(shí)，為各級(jí)分院開展業(yè)務(wù)應(yīng)用提供高速、安全的網(wǎng)絡(luò)支持及相關(guān)應(yīng)用服務(wù)保障。設(shè)備選型和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮可靠性，包括引擎、風(fēng)扇、單板等網(wǎng)元級(jí)以及路由、交換、匯聚等網(wǎng)絡(luò)級(jí)的可靠性設(shè)計(jì)。此外，應(yīng)具備故障檢測(cè)和恢復(fù)能力，確保在故障發(fā)生時(shí)能夠迅速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)，保障業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)的性能也應(yīng)足夠強(qiáng)大，滿足學(xué)校各種應(yīng)用需求，包括數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)?。在?yīng)對(duì)自然環(huán)境因素，如氣候條件、電磁干擾時(shí)，應(yīng)具備較高的抗干擾能力，以確保網(wǎng)絡(luò)在各種環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

3） 目前，學(xué)校的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)尚不完善，存在數(shù)據(jù)格式不兼容、數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、數(shù)據(jù)更新不及時(shí)等問題。不同部門間的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以相互識(shí)別和交流。此外，數(shù)據(jù)共享過程中還涉及個(gè)人隱私和敏感信息的保護(hù)問題，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)的考慮尚顯不足。為解決上述問題，升級(jí)和改造后的網(wǎng)絡(luò)須滿足以下需求：（1） 建設(shè)高速、穩(wěn)定、安全的校園網(wǎng)絡(luò)，在規(guī)劃和管理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)安全時(shí)充分考慮數(shù)據(jù)共享的需求。（2） 支持學(xué)院各部門數(shù)據(jù)共享與業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)，構(gòu)建全校范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，消除業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的“數(shù)據(jù)孤島”。（3） 建立學(xué)校數(shù)據(jù)中心，集中存儲(chǔ)和管理全校數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和維護(hù)，確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性。（4） 構(gòu)建數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交換等功能，促進(jìn)全校范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的共享和流通。（5） 制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)編碼等，確保不同部門間的數(shù)據(jù)能夠相互識(shí)別和交流。（6） 開發(fā)數(shù)據(jù)共享接口，便于不同部門間的數(shù)據(jù)交互和共享，同時(shí)保障數(shù)據(jù)的安全性和隱私保護(hù)。（7） 制定數(shù)據(jù)共享管理制度，明確數(shù)據(jù)共享的范圍、權(quán)限、責(zé)任等，確保數(shù)據(jù)共享的規(guī)范性和安全性。（8） 采取加密、身份驗(yàn)證、訪問控制等多種安全措施，確保數(shù)據(jù)在共享過程中的安全性，防止數(shù)據(jù)泄露和被攻擊。

4） 目前，學(xué)院已全面實(shí)行線上線下混合式教學(xué)，校園網(wǎng)須處理大量數(shù)據(jù)和流量，包括視頻、音頻、圖片、文字等。這種教學(xué)模式對(duì)網(wǎng)絡(luò)的互動(dòng)性、延遲和響應(yīng)速度提出了更高要求，以確保師生間的互動(dòng)交流和在線測(cè)試等操作的順暢進(jìn)行。同時(shí)，考慮到高峰時(shí)段可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)訪問量激增，學(xué)院的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備須具備足夠的負(fù)載能力，以保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，線上線下混合式教學(xué)還應(yīng)具備一定的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理能力，以便存儲(chǔ)和加工教學(xué)資源，如視頻、音頻、PPT 等。對(duì)于需要長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)，還要制定可靠的備份和存儲(chǔ)方案。因此，在升級(jí)建設(shè)時(shí)，學(xué)院應(yīng)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，提升網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)處理能力，確保網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。

5） 校園網(wǎng)應(yīng)具有高可靠性、安全性、可擴(kuò)展性和易用性等特點(diǎn)，以滿足學(xué)校各項(xiàng)業(yè)務(wù)的需求。具體而言：（1） 校園網(wǎng)的核心設(shè)備和關(guān)鍵部件應(yīng)采用高可靠性設(shè)計(jì)，具備冗余和容錯(cuò)能力，確保在設(shè)備故障時(shí)能自動(dòng)切換到備用設(shè)備，避免網(wǎng)絡(luò)中斷。（2） 建立完善的安全防御體系，包括防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)、病毒防護(hù)等，有效防范外部攻擊和內(nèi)部破壞，保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和安全。（3） 提供數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)機(jī)制，確保重要數(shù)據(jù)的安全可靠，并制定長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)方案。（4） 采用不間斷電源（UPS） 或雙路供電等措施，確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電源供應(yīng)的穩(wěn)定性。（5） 建立完善的備份和恢復(fù)機(jī)制，定期備份關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和數(shù)據(jù)，確保在需要時(shí)能夠快速恢復(fù)。（6） 采用智能化的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)流量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障，保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行[4]。（7） 提供完善的用戶支持服務(wù)，包括技術(shù)支持、售后服務(wù)等，幫助用戶解決問題，提高用戶滿意度。

5 校園網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)路徑

5.1 校園網(wǎng)升級(jí)改造總體要求

1） 完成端到端的IPv6承載改造，確保改造后全網(wǎng)具備IPv4和IPv6業(yè)務(wù)承載能力。在推進(jìn)本次IPv6升級(jí)改造時(shí)，應(yīng)著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，統(tǒng)籌規(guī)劃，確保升級(jí)后的網(wǎng)絡(luò)具備可擴(kuò)展能力。同時(shí)保障平穩(wěn)過渡，以維持業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

2） 提升全網(wǎng)承載能力，使其具備萬兆互聯(lián)的承載能力。

3） 提升全網(wǎng)安全性，確保校園網(wǎng)外網(wǎng)符合三級(jí)等保要求。在從IPv4向IPv6的升級(jí)過程中，應(yīng)特別注意IPv6引入所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，并制定相應(yīng)的安全防護(hù)策略和安全技術(shù)部署方案。

5.2 校園網(wǎng)升級(jí)改造具體要求

1） 針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)區(qū)設(shè)備進(jìn)行IPv6改造，新的互聯(lián)網(wǎng)出口區(qū)規(guī)劃應(yīng)包括：出口交換機(jī)、負(fù)載均衡器、防火墻和上網(wǎng)行為管理設(shè)備，整體要求支持IPv6，且設(shè)備應(yīng)能達(dá)到1.5G吞吐。設(shè)備應(yīng)雙機(jī)部署，以保障骨干設(shè)備的冗余性，并增加互聯(lián)網(wǎng)帶寬。

2） 對(duì)骨干設(shè)備和鏈路進(jìn)行升級(jí)改造，其中出口路由器、匯聚交換機(jī)應(yīng)支持IPv4、IPv6協(xié)議，無須更換設(shè)備，只需進(jìn)行軟件升級(jí)。骨干鏈路應(yīng)增加到2G，須在出口路由器、匯聚交換機(jī)增加萬兆板卡，以擴(kuò)充鏈路。

3） 對(duì)于不支持IPv6的設(shè)備，須逐步替換或升級(jí)軟件以支持IPv6。在此過程中，應(yīng)確保新設(shè)備或升級(jí)后的軟件能與現(xiàn)有系統(tǒng)良好配合。在進(jìn)行IPv6地址分配時(shí)，對(duì)于支持IPv6的終端，應(yīng)為其分配IPv4公有地址和IPv6地址?？墒褂肈HCPv4和DHCPv6服務(wù)進(jìn)行地址分配，也可手動(dòng)配置。對(duì)于不支持IPv6的終端，應(yīng)逐步替換。

4） 核心交換機(jī)在全局模式下啟動(dòng)IPv6協(xié)議棧，同時(shí)運(yùn)行IPv4 和IPv6 功能，對(duì)需要的LoopBack 配置IPv6地址，上行接口配置IPv6地址[5]。

5） 將現(xiàn)有防火墻部署在服務(wù)器區(qū)，作為服務(wù)器區(qū)的邊界防護(hù)設(shè)備。同時(shí)確保防火墻能支持IPv6，并能根據(jù)安全策略對(duì)IPv4 和IPv6 業(yè)務(wù)流量進(jìn)行過濾和控制。

6） 設(shè)備互聯(lián)地址規(guī)劃為/64前綴長(zhǎng)度，設(shè)備管理地址使用LoopBack地址，使用/128前綴長(zhǎng)度。主機(jī)使用靜態(tài)IPv6地址，DNS、網(wǎng)關(guān)等均由人工配置。

7） 對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)。服務(wù)器應(yīng)采用高性能服務(wù)器，支持虛擬化功能，并將多臺(tái)服務(wù)器組成服務(wù)器集群。存儲(chǔ)設(shè)備應(yīng)采用磁盤陣列搭配NAS設(shè)備的方式，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分開存放。服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備間應(yīng)采用以太網(wǎng)光纖通道（FCOE） 連接。

5.3 校園網(wǎng)升級(jí)改造實(shí)施步驟

第一階段：完成對(duì)外網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)的IPv6升級(jí)改造，防火墻采用翻譯技術(shù)，將IPv6地址轉(zhuǎn)換成IPv4地址。各樓宇終端訪問互聯(lián)網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)時(shí)，將IPv6地址轉(zhuǎn)換成IPv4地址。第二階段：在外網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)IPv6 改造完成后，逐步對(duì)各樓宇進(jìn)行IPv6改造，將IPv4地址統(tǒng)一修改為IPv6地址，對(duì)不支持IPv6的設(shè)備進(jìn)行替換，同時(shí)升級(jí)數(shù)據(jù)中心設(shè)備，共享數(shù)據(jù)。第三階段：經(jīng)過前兩個(gè)階段的設(shè)計(jì)和建設(shè)，逐步取消IPv4協(xié)議的應(yīng)用，使用純IPv6的網(wǎng)絡(luò)和客戶端。

6 結(jié)束語

隨著下一代互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，部署IPv6地址已經(jīng)迫在眉睫。為了保證現(xiàn)有IPv4業(yè)務(wù)能夠正常訪問，研究應(yīng)充分調(diào)研現(xiàn)有設(shè)備對(duì)IPv6地址的支持情況，制定詳細(xì)的規(guī)劃方案。在規(guī)劃中，應(yīng)根據(jù)不同的場(chǎng)景使用不同的地址過渡方式，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)IPv6地址之間的互訪以及對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的訪問。

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