IPv6 双栈技术在智慧校园中的应用研究

袁伟 刘佳琳 谭振江

(吉林师范大学,吉林四平 136000)

0 引言

近年来,建立“智慧校园”受到了各学校的重视。无论是小学、中学还是高校,只要有物质和技术条件,则都十分热心于“智慧校园”的建设,并将其作为学校硬件实力的一部分。同时,伴随着互联网的普及,整个网络的规模迅速扩大,导致以IPv4协议下的网络地址可用数量越来越少,已经不能满足更多人们对更多数量新地址的需求,并且所提供的协议服务的水平也受到极大限制。而IPv6技术的出现,极大地扩充了网络地址容量,并且协议服务的质量更高。另一方面,IPv6是国家教育信息化发展的战略要求,对学校的教学、学生的管理及人才的培养等方面都具有积极的意义。因此,本文以构建“智慧校园”为切入点,探讨IPv6技术支持下校园网络的建设,为后续的校园网建设中提供一些经验与借鉴。

1 IPv6的概念及特点

IPv6(Internet Protocol Version 6)互联网协议第6版,是新的互联网核心协议版本。相较于IPv4协议版本而言,其地址长度为32个二进制位而IPv6的地址长度增加了96个二进制位,是IPv4的四倍,极大地丰富了地址的内容。IPv6协议改进了IPv4协议中的一些问题,例如网络安全性较低、路由表条数较少等,而IPv6的地址空间大,创新了地址配置的形式,因此其安全性更高,路由表条数大量增加。具体来说,相较于IPv4协议,IPv6协议主要有以下特点:

1.1 地址空间巨大

IPv6的地址长度是128比特,其IP地址的数量为128个,IPv4的232个地址数量与其相差甚远。同时,IPv6还有标定子网的网络前缀,这使得其子网地址数量更多,有效地解决了IPv4网络地址不够使用的问题。

1.2 报文结构的创新

在IPv6的包头中,有两部分内容,一部分为固定内容,另一部分则为扩展内容。对于不同的协议,IPv6可对其进行分区,并进行独立存储,如此便于对其协议头进行快速处理。同时,IPv6与IPv4的协议头互不兼容,因此在IPv4过渡IPv6时,要将其协议头进行修改成为IPv6可处理的128字节地址。

1.3 地址配置方式多样

在IPv6协议中,主机的地址的配置可通过三种方式进行:有状态地址配置、无状态地址配置、手动地址配置。

1.4 QOS的水平更高

IPv6利用包头字段作为流标签,在路由器处理相关协议数据时,不用打开内部数据包,就可以通过流标签辨识协议,而后完成对目标协议数据的处理,因此QOS处理水平更高,有效减少网络数据堵塞。

1.5 安全性较高

在IPv6中,实现了端到端的安全性,并且数据加密、认证等过程在网络层就可完成,由此提升了内部安全。

1.6 扩展性

由于IPv6的包头具有扩展部分,因此其可以进行适当扩展。扩展报头长度最多为40字节,扩展的全部内容长度受IPv6数据包的长度限制,而是不固定的。如此一来,数据包越长,则可扩展内容也就越多[1]。

2 IPv6双栈技术

由于IPv4协议应用的时间较长,并且已经形成了庞大的用户体系,因此即使IPv6技术更具有优势,也不可能在短时期内将所有IPv4协议转变为IPv6协议,因此,在现在及未来一个相当长的时期内,网络协议为IPv4与IPv6共存,并且逐渐由IPv4向IPv6过渡。其中,过渡主要围绕着两个方面开展:一是IPv6的孤岛互通,即IPv6网络之间互联互通,实现一致网络的全面连通;二是IPv6与IPv4的互通,即两种不同协议网络的相互连通,实现这两种不同协议网络互通的技术有两种,分别是为双栈技术、隧道技术。

其中,双栈技术是在网络节点上同时配置两个协议,即IPv6与IPv4协议,使双协议栈在网络中同时运行,这是目前能够实现IPv4向IPv6平稳且高效过渡的一种典型技术[2]。

另一方面,双栈技术最大的优点是同时支持IPv4与IPv6两种协议版本,但其也存在不足之处,主要是对配套的网络设备、网络终端进行升级,使其同时支持IPv4与IPv6两种协议,因此需要技术人员进行大量的工作,改造升级的成本较高,并且耗时费力,改造期间可能影响原网络中的正常工作。双栈技术的这些缺点要在校园智慧网络设计和实施的过程中重点注意。如图1所示。

双栈技术以IPv4的地址为基础,具有公网双栈与私网双栈技术两种。其中,公网双栈技术是指在网络配置同时IPv4与IPv6两个协议的同时,与网络连接的终端及设备也要配置IPv4的地址,而现实是IPv4的网络地址已经明显不足,因此公网双栈技术的应用与网络发展的要求存在相悖之处。而在私网双栈技术中,用户可使用私有IPv4地址,该地址可经由转换成为公用IPv4地址,该公用IPv4地址可供多个用户同时使用,缓解了IPv4地址不足的局面,具体工作流程如图2所示。

图1 双栈技术

图2 私网双栈技术工作原理

3 IPv6双栈技术智慧校园网络建设的需求分析

3.1 现阶段校园网路中存在的问题

当下,有条件的学校都在实施建设“智慧校园”的发展战略,而校园网络是智慧校园中最关键的一部分。尽管这些学校在计算机设备、网络条件与技术、人力等环节上投入很多,但即使软硬件设施水平再高,也不能代替IPv4协议向IPv6协议过渡的重要价值,因此当下我国“智慧校园”建设中,主要存在以下问题。

3.1.1 IPv4的网络地址不足

IPv4网络地址的字符数较短,由于公网数量的急速增多,必将导致IPv4地址消耗殆尽,这会直接影响校园网络的运行。

3.1.2 设备与终端的兼容问题

伴随着IPv4协议向IPv6协议的过渡,有的学校实施了主干网的升级,更换了一批同时支持着IPv4与IPv6的设备及终端,但是目前仍未进行全面的更换或升级,还有相当一部分设备与终端不支持着IPv6协议,因此网络作用仍然受限。

3.1.3 网络应用问题

对于IPv6形成的新网络,许多学校不能及时采取有效的技术和措施保障其安全,因此校园网络可能存在安全漏洞。

3.2 IPv6双栈技术在校园网络中实施的原则

在构建新的智慧校园时,学校领导及相关人员应当明白,实现着IPv4向IPv6的过渡是一个循序渐进的过程,不可一蹴而就。在正式行动之前,校方首先应当理清的是,怎样通过IPv6双栈技术手段实现网络协议的过渡,而以下原则为学校网络的过渡提供了科学正确的要求。

3.2.1 保证IPv4网络正常运行

在IPv6新网络建立的过程中,学校要保证当前IPv4网络正常运行,如果IPv4网络受到影响,且此时通过IPv6双栈技术支持的网络升级尚未完成,则学校网络就会瘫痪,不能满足教学活动的需要。

3.2.2 建立更稳定安全的网络环境

相较于IPv4而言,IPv6的网络地址形式更多,且运行方式也有所改变,因此建立IPv6的校园网络时,要采取对应的技术提高校园网络的安全性、稳定性,并且要加强教职工及学生网络安全意识的培养。

3.2.3 预留充足的扩展空间

由于智慧校园的内容随着时间的推移不断发展与丰富,因此在通过IPv6双栈技术建立新的校园网络时,要预留足够的扩展空间,为未来校园网的扩充和改进留下足够的空间。

3.2.4 节约成本

基于IPv6双栈技术实现网络过渡是一个长期工程,需要各种设备及软硬件条件,还需要人力与技术,因此其中的费用支出较为庞大。学校应当本着“保证用户需求、留出扩充余地、控制成本消耗”的原则进行网络升级,从而节省成本。

3.2.5 追求人性化

无论是原来校园网络还是新的校园网络,都是以为用户服务为根本价值,因此,在利用双栈技术IPv4向IPv6过渡时,要注重人性化设计适当简化操作步骤、建立更清晰直观的操作显示界面,便于用户进行操作。若学生与教师不能顺利操作,则学校就要组织相关的培训,或者编写操作说明。

4 基于IPv6双栈技术智慧校园的构建

4.1 双栈网络的总体构建

学校要在现有IPv4协议网络的基础上改进网络,使网络同时支持IPv6协议,这是目前最为可行的办法。设置双栈网络,避免了校园所有网络及设备升级的工作量,节省了各项成本。

4.2 双栈网络地址的规划

4.2.1 地址规划原则

相较于IPv4协议的网络地址而言,IPv6协议网络地址基数庞大,因此在规划网络地址时的操作难度减少,且所需路由表的数量也相对较少。在进行双栈网络地址规划时,要按照以下原则进行:第一,能够满足较长时期内的网络地址扩展的需要;第二,要使用较高端的设备选择及技术实施重点提升路由汇聚路由功能;第三,要追求网络的集成化、体系化,通过本次改进,使校园网络的布局更为合理。

4.2.2 双栈网络的地址规划

学校的核心机房要配置专用且独立的地址段,这是整个校园网络管理的基础,并且能够保障网络的性能及安全;网络互联设备需要划定独立的地址段,并且要进行集中管理。

4.2.3 无线网络的配置

根据校园教职工及学生总人数设置双栈无线网络。可以选择基于802.11n的无线网络,无线网络的和行为无线控制器,例如ARUB7220,其能够满足40G的瞬时网络流量需求。同时,网络路由器要尽量设置在人员密集活动的地点,尽量保证最大的覆盖率。同时,为了保证无线网络平稳运行,要对无线网络配置独立的VLAN给控制器,将内网与无线流量两者相互独立,互不干扰。

4.2.4 安全设计

在配置双栈网络的同时,要考虑网络的安全性,主要从内网安全、网络边界安全、防范攻击等方面入手,同时要注意IPv6的IPScc安全,全面提升智慧校园的网络安全。

5 结语

伴随着网络信息技术的发展,网络也在不断升级以适应人们的更高需求,因此智慧校园的建设需要不断创新网络技术,并且将该技术运用在校园网络的更新之中。当下,利用IPv6双栈技术实现智慧校园的建设是最符合实际的一种方式,需要以技术和设备作为支撑,才能保证双栈网络发挥更好的作用。