俞凯兰

【摘 要】本文首先介绍了高校校园网向IPv6过渡的形势，随后给出了与IPv4相比较IPv6突出的优越特征，之后阐述了主要使用的三种IPv6过渡技术（双协议栈、隧道和协议翻译），分析了这些技术的优缺点，最后点评了当前我国高校校园网的IPv6部署和IPv6应用局势。【关键词】校园网 IPv6 过渡 技术 研究

1 前言

中国校园网属于ISP（互联网服务提供商）网络，其通信协议是互联网使用的协议（TCP/IP协议族）。目前，在全球的许许多多ISP网络中，占居核心通信协议地位的仍然是IPv4（互联网协议第四版）。由于IPv4协议的IP地址扩展性弱，耗用较快，在4年多之前（2011年2月3日），互联网号码分配局（The Internet Assigned Numbers Authority，IANA）宣布IPv4地址分配完毕，这标志以后无法再给互联网用户分配全新IPv4地址。实际上，早在IPv4地址消耗完毕之前互联网专业人员就预料到这个局面会出现，提前了好多年转而研究、试验、引用和推广下一代IP协议（IPv6协议），以做到在IPv4地址耗尽之后，能够让互联网保持原有IPv4资源不变，采用IPv6协议，继续健壮地运行和不断地发展。

鉴于互联网上IP协议和IP地址的巨大变化，近十多年以来我国高校的管理者都已经认识到，如果校园网IP地址扩容问题得不到解决，既无法满足科研、教学和管理的需要，也无法满足教师和学生快速增长的上网需求。近期，笔者了解到许多高校校园网都在积极地使用IPv6协议，寻求解决网络IP地址扩容和通信质量改善问题，所以笔者认为从现在起到将来很长的一段时间内，保持IPv4稳定使用，逐步向IPv6平稳过渡就成为我国校园网现阶段升级改造的主要任务和主攻方向。这正是本文探讨的重点问题。

2 IPv6的优越性和过渡技术

1969年美国开始筹建互联网的前期网络ARPANET，1974年开始研发IPv4。1983年TCP/IP协议被ARPANET采用，当时IP协议标准是IPv4。1990年互联网（Internet）正式诞生。在互联网组建、计算机网络研究过程中，数据通信工作者估算出日后IPv4地址的扩展性较为严重，难以满足未来互联网事业快速发展的需要。互联网权威标准组织IETF（互联网工程任务组）在对IPv4的下一代IP协议（IPv6）进行了几年的研究和试验之后，于1994年正式提出了IPv6协议。IPv6协议具有比IPv4更优越的特点，包括：全新的协议头格式、更大的IP地址空间、更层次化的编址和路由结构、支持QoS、更高的安全性。当时，业内专家们普遍认同IPv6协议的传播、颁布和使用，大多数人都认为IPv6就是高质量的互联网下一代IP协议，并且也是合理的IPv4后继协议。

为了保证数据通信畅通无阻以及互联网运作正常，校园网需要保持已有的IPv4投资和资源继续发挥作用，这样就必须保持IPv4核心主干网的稳定使用。然而，为了推进向IPv6协议应用发展，创建新的IPv6网络或者核心主干网也不可缺少。对许多高校而言，这就存在一个IPv4网和IPv6网共存并且相互通信的过渡状态。由于校园网向纯IPv6逐步演进将是一个漫长的演变过程，可以预见其过渡时期肯定是一个较长的时期。一般而言，在整个IPv6过渡时期会有4个过渡状态。按照自然顺序分别是：单纯IPv4核心主干网（第1阶段）、IPv4主干网+IPv6零散网段（第2阶段）、IPv6主干网+IPv4零散网段（第3阶段）、单纯IPv6核心主干网（第4阶段）。显然，其中的第1阶段是校园网没有使用IPv6协议的起始阶段，第4阶段是校园网争取获得的最终目标阶段。而第2阶段和第3阶段则属于向纯粹IPv6主干网的过渡阶段，并且前者使用的IPv4网络节点数量庞大，IPv6网络的节点数量和网段少；而后者使用的IPv6网络节点数量庞大，IPv4网络节点数量和网段少。

国内外互联网专家普遍承认的IPv6过渡技术主要有3种，下面分别阐述。

2.1 双协议栈技术

双协议栈技术表示网络设备能够同时运行IPv4和IPv6两种协议栈。从近十多年来我国已经实现的校园网IPv6过渡方案看，双协议栈技术是最简单最有效的过渡技术，也是其他过渡技术的基础，例如隧道端点、协议转换网关等。其优点是互通性好，便于理解；其缺点是要给每个新运行IPv6协议的网络设备和终端分配IPv4地址，这就不能解决IPv4地址短缺的问题。

2.2 隧道技术

隧道技术可以让IPv6业务在现有IPv4基础设施上传输。简单地说，该过渡技术是IPv6分组在进入IPv4主干网时，将IPv6分组封装成IPv4分组，整个IPv6分组变成了IPv4分组的数据部分。当IPv4分组离开IPv4网络时，再将其数据部分交给主机的IPv6协议。这好像在IPv4网络中打通了一个隧道来传输IPv6数据分组。隧道技术的优点是在IPv6主机之间可以不考虑隧道存在与否，不需要IPv6路由设备和链路，可以减少投资；缺点是在IPv4网络上配置IPv6隧道比较麻烦，而且传输效率也很低。

2.3 协议翻译

协议翻译指的是IPv4协议和IPv6协议之间的转换技术，使用该技术可以实现纯IPv4和纯IPv6终端用户/设备的直接通信。翻译机制可以分为无状态翻译，如SIIT和IVI；以及有状态翻译，如NAT-PT和NAT64等。

2002年专家提交的RFC2765草案是SIIT（无状态IP/ICMP翻译技术）。该草案用于对IP和ICMP（Internet控制报文协议）报文进行协议转换。这种转换不记录数据流的状态，只根据单个报文将一个IPv6报文头部转换为IPv4报文头，或将IPv4报文头部转换为IPv6报文头。

NAT-PT（网络地址转换/协议转换）是有状态翻译。它通过与SIIT协议转换和传统的IPv4下的动态地址翻译（NAT）以及适当的应用层网关（ALG）相结合，能够实现只安装了IPv6的主机和只安装了IPv4机器的大部分应用程序之间的相互通信。

协议翻译技术的优点是不必分别改造IPv6网络和IPv4网络中的节点，其缺点是从IPv4节点访问IPv6节点的实现方法比较复杂，网络设备进行协议转换和地址转换的处理开销较大，缺乏端到端的安全性问题，需要昂贵的高性能路由器。

3 高校网络的IPv6过渡现状

从1998年起中国教育和科研计算机网（CERNET）就开始着手进行IPv6实用化探索，筹建了试验性质的IPv6网络。2001年CERNET提出下一代互联网CERNET2计划。2003年国家八部委联合领导的中国下一代互联网示范工程CNGI将CERNET2计划包含在内。经过十多年的发展，CERNET2含有25个互连主节点，覆盖了分布在北京、上海、广州等城市的100所高校。目前，CERNET2能以2.5Gbps-10Gbps速率连接主干网的核心节点，为全国高校和科研单位提供1-10Gbps的高速IPv6接入服务，成为大家熟知的采用纯IPv6技术的下一代互联网主干网（世界上规模最大）。

现在如果一个高校的校园网实现了IPv6协议并创建了IPv6网络（或者称为IPv6局域网），则IPv6网络存在的最显著标志就是能够与CERENT2进行高速IPv6通信。从媒体的公开报道中我们了解到，在100所CERNET2主节点的高校中，均已经完成了校园网的IPv4/IPv6双协议栈建设；此外IPv6协议在其中的覆盖率超过了70%，用户总数超过100多万。

3.1 连接CERNET2的案例

这里以西南地区某校园网为例说明IPv6的实际部署。在该校万兆速率的主干层配置一台核心交换机M，它是整个校园网的IPv4网络出口，可以连接和访问CERNET。在该主干层再部署一台双协议栈交换机K，作为园区IPv6数据的核心出口。所有的IPv6出口数据流均交给交换机K处理，可顺利地实现接入CERNET2，此外整个IPv6网络还可以访问外部IPv6资源。因为交换机K配备有两套IP地址，所以能够负责校园网内IPv4节点和IPv6节点之间的数据传输。

该高校的校园网与CERNET2连通之后，校内用户可以通过隧道上网直接访问互联网的IPv6资源。能够在主校区和分校区两个区域中的任何一个区域，享用基于IPv6的视频传输、万维网浏览、FTP数据传输、E-MAIL和流媒体等服务。同时，由于IPv6优越于IPv4的安全特性以及拥有无限的IP地址空间，还可以尝试诸如移动IPv6（MIPv6）、组播、安全隔离等方面的实验活动或者科研活动。

3.2 高校的IPv6应用举例

上海交通大学是IPv6应用的领先实施院校。4年前该校在CERNET2上建立了视频服务网站，主要提供几十个电视台、电台的网上直播，以及提供试验性质的视频点播。目前该网站受到该校师生用户的欢迎和好评。这个IPv6视频网站是现阶段国内IPv6网络上流量最大的网站。

4 结语

从近10年来我国高校校园网的IPv6协议过渡和使用情况看，由于双协议栈技术和隧道技术简单成熟、部署方便，使用这两个过渡技术的高校占多数。然而，因为网络设备实施NAT-PT技术时地址翻译/转换开销较大，所以使用NAT-PT技术进行IPv6过渡的高校较少。

在校园网IPv6过渡技术日趋成熟，IPv6网络日趋扩大和健壮的形势下，各种各样的校园网IPv6应用已经成为影响面广、技术难度大的新课题。如何将已有的成熟网络管理手段和可靠技术措施应用到校园的IPv6网络中去，将成为今后研究的重点。

参考文献：

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