基于ipv6的下一代校園網設計學位論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 分，它解決同一鏈路上節點之間的互操作問題。鄰居發現協議定義了解決如下一些問題的機制:(1)地址自動配置：節點為自身的網絡接口配置 IPv6 地址，與之關聯的有重復地址檢測機制等。(2)地址解析：由其它節點的 IPv6 地址得到其鏈路層地址。(3)路由發現：主機發現同一鏈路上的路由，與之關聯的還有參數發現、前綴發現等機制。在隧道實驗配置中在 Cisco 路由器上使用 debug ipv6 icmp；debug ipv6 packets 可以觀察鄰居發現的具體操作過程圖 22 鄰居發現在路由器上使用 ping 命令觀察 Debug 輸出，觀察 ICMP echo 的操作過程。第 5 頁 共 34 頁圖 23 ICMP ECHO 操作3 IPv4/IPv6 的過渡策略及技術要實現 IPv6 的部署，實現 IPv4 向 IPv6 的平滑過渡，是在不影響現有網絡環境下，逐步的實現 IPv6 在現有 IPv4 網上通信，然后再逐漸進行新的應用業務的部署。從 IPv4 到 IPv6 過渡技術按照工作原理分為三大類：雙協議棧；隧道技術；IPv6/IPv4 協議與地址轉換技術。 過渡策略向 IPv6 為核心的下一代網絡過渡既是不可避免的，又不可能是一步而成的。過渡的總體原則應是(1)分階段； (2)有側重；(3)以應用為推動力量。從用戶角度來說，需要實現透明過渡；從管理角度來說，網絡運營商不希望網絡過渡對正常的業務造成大的擾動；目前 IPv4 網絡中數量巨大的設備必須得到 IPv6 支持。用戶需求、政策支持和成本是推動向以 IPv6 為核心的下一代網絡過渡的關鍵。我國在 2022 年年底開通了 Cer2，代表了政府對 IPv6 技術的重視程度，但是不能代表政策會引導運營商開始部署大規模的 IPv6 商用網。這還需要運營商進行有力的推動和商業需求，有更為靈活的網絡過渡建設。一些研究人員認為，IPv4 向 IPv6 過渡，從時間和規模上分，可以分為著名的“海洋與孤島”理論。如下圖所示：圖 31 海洋與孤島第一階段，IPv4“海洋” 不需要過渡技術。第二階段，IPv4“海洋”和 IPv6“孤島” ，需要過渡技術，可供選擇的技術為各種隧道，和 IPv6/IPv4 雙棧與地址轉換。第三階段，IPv4“海洋”和 IPv6“海洋” 。采用 IPv6/IPv4 地址轉換技術。第四階段，IPv4“孤島”和 IPv6“海洋” 。可能采用的過渡技術有 NATPT第 6 頁 共 34 頁第五階段，可能是純 IPv6“海洋” 。不需要過渡技術。IPv4 到 IPv6 的過渡，不僅是技術上的過渡，還需要有一套推廣方法，管理策略，業務應用的實現。從網絡的過渡成本和可管理性出發，結合對網絡的分析和調查，參考很多觀點，視角的基礎上，提出過渡成本的描述方法，見下圖：圖 32 過渡成本的描述在上圖中，橫軸表示時間(t：time )，縱軸表示過渡代價(c：cost)。五個圓代表網絡過渡階段不同的 IPv6 網絡類型。根據上圖得出的分析結論，得出過渡代價關系表達式：c=kt/(s*r)們，其中，k 是一個常數，r 是一個隨機量，s 代表過渡技術的效率，且 s，r=1t 和 c 的關系如下：一方面，隨著向下一代網絡過渡需要的設備和科研逐漸投入，過渡成本會逐漸增加，代價也會增加；另一方面，隨著時間的推移，對 IPv4 網絡的投資和維護將持續增加，網絡過渡代價將隨之增大。s 和 c 成反比：參數 s 由各種過渡技術及過渡技術組合方案在實際部署中的效率所決定，效率越高，c 越小；反之越大；隨機量 r 對 c 的影響：隨機量 r 指某種可以刺激 IPv6 部署的應用，r 的值越大，c 的值約小。我認為，目前網絡過渡的一個關鍵問題是尋找這個隨機量 r。隨著應用熱點的轉第 7 頁 共 34 頁移，如 IPTV，視頻會議等與視頻相關的應用越來越多，對 QOS ，帶寬，延遲要求越來越高，這個 r 可能在某種形式視頻類應用中產生。因為視頻所具有的特性與 IPv6 的對 QOS 更好支持的特性相結合、適宜在 IPv6 上運行的普及型應用。 雙協議棧雙協議棧 (Dual Stack)是在相關節點上安裝 IPv4/IPv6 雙協議棧。包括Dual Stack Model 和 Limited Dual Stack Model 兩種模式。雙協議棧節點(Dual stack nodes)既能與 IPv4 節點通信，又能與 IPv6 節點通信。雙協議棧節點如下所示：表 31 雙協議棧模型應用層傳輸層IPv4 IPv6數據鏈路層物理層 隧道隧道技術是將 IPv6 數據包封裝在 IPv4 分組中。隧道技術提供了單個 IPv6網絡(或節點)穿越 IPv4 網絡的技術。被 IPv4 網絡分隔的 IPv6 節點(或網絡)通過隧道技術產生一個虛擬鏈路，在這種方式下，IPv4 網絡充當 IPv6 的傳輸載體，共享 IPv4 網絡的帶寬。隧道封裝如下所示:IPv4 頭/IPv6 頭/IPv6 數據隧道是目前和將來一段時間向以 IPv6 為核心的互聯網過渡常用技術之一。隧道可以分為手工配置隧道、自動配置隧道、6over6to4 等類型。4 建設原則及原有網絡分析 建設原則校園網的建設要為學校的根本利益服務，要使校園網在學校的人才培養、學科建設和科研工作方面發揮最大作用，這是校園網成敗的關鍵。建設校園網的根本目的是為學校的教學、科研和管理提供先進實用的計算機網絡環境，為學校的發展和全球信息資源的共享而服務。校園網設計是否合理，對校園網的未來發展和效益起著極為重要的作用。通過分析清華大學、上海交通大學、第二軍醫大學、北京郵電大學等近 15 所重點大學建設校園網的成功經驗，我們認為 DR 大學校園網的建設應采用“整體規劃、分步實施”的方針，其總體設計方案的確定，不僅要考慮到近期目標，還要為系統的進一步發展和擴充留有余地。第 8 頁 共 34 頁整個校園網絡的建設不是一朝一夕可以實現的，必須分步實施，設計中需要考慮各階段的情況，適應長遠發展，進行統一規劃和設計。 描述 DR 大學原有校園網DR 大學校園網是一個綜合高效的教學和科研的校園計算環境。其主干網絡采用光纖通訊介質，以千兆光傳輸技術為基礎覆蓋了整個校園。在高層網絡協議方面以 Intra 模型為基本架構，上層應用完全基于 TCP/IP 協議族實現。(1)核心層DR 大學校園網初期采用的為不完全的 3 層結構，既核心和匯聚/接入混用，中心采用 Cisco 的 7206 路由器和 Cisco WSC4503 交換機作為中心節點。以放射狀，一個核心節點及幾組 12 芯單模光纖、一組 4 芯單模光纖組成星型網絡。連接到各教學樓的 Cisco 公司和 3Com，DLINK，銳捷網絡的低端交換機設備。其中 Cisco 的 7206 路由器承擔 VLAN 間選路工作以及提供廣域網連接服務，Cisco WSC4503 交換機起端口擴展作用及流量匯聚作用。 (2)匯聚/接入層由于 DR 大學校園網建設的缺乏規范和統一的規劃，各建筑網所采用設備均系“雜牌化” ，無論是匯聚流量的 3 層交換機還是提供接入服務的接入層 2 層設備，共有 10 多家廠家的設備。線路的連接都采用單上連方式，沒有冗余連接及備份策略。分支網絡由核心節點向外輻射到各院系大樓的 4 芯光纜和上行的節點設備組成。院系大樓的局域網則通過上行節點設備連入校園骨干網。現有主分支網節點 5 個。DR 大學校園網原有分級拓撲如下圖所示：圖 41 原有分級拓撲第 9 頁 共 34 頁 原有網絡問題分析 DR 大學校園網經歷了從無到有，從小到大的過程，一部分設計，一分實現，然后連接為一體，并沒有一個整體、系統的設計。經過 10 年的發展成為現在的網絡結構。校園新建筑的落成,對網絡的需求進一步的擴大,網絡覆蓋的空白點急需解決,這是建設新的校園網的條件之一(1)網絡結構問題DR 大學的 IPv4 核心網結構是由 Cisco 7206 路由器與 Cisco WSC4503 交換機相連接，整個校園網不具備萬兆以太網的升級能力，由 Cisco 7206 路由器來承擔整個校園網 VLAN 間的路由選擇，由 Cisco WSC4503 交換機來提供接入端口，并且 Cisco 7206 路由器也承擔了接入路由器的工作。我們知道路由器的路由功能是基于軟件的，轉發能力相對與三層交換機較弱。DR 大學的這種網絡結構導致的核心層效率較低，而且一旦 Cisco 7206 路由器 DOWN 機，那么全網既陷入癱瘓狀態。由于設備老化，模塊的耗盡，新的業務模塊不能被加入，新建設的教學，交流中心部分不能直接接入校園網。(2)冗余連接問題DR 大學的校園網主干設備到分支節點主要有單條光纖鏈路與分支節點形成星型連接，沒有冗余連接。容易發生單點故障而影響整個網絡的可用性。由于設備的數量，類型，模塊耗盡，不能支持流量的均分，也不能支持基于協議的流量工程。(3)核心層問題網絡中心的主干設備 Cisco 7206 路由器和 Cisco WSC4503 交換機負責全網的流量匯聚和數據高速轉發，隨著大學的發展，信息點的飛速增長，新的業務應用。數據流量增大，該設備基本處于滿負荷運行。影響了數據的傳輸，增大了傳輸延時，可靠性降低。 (4)匯聚層/接入層問題通過對 DR 大學網絡現狀和應用業務的分析發現，DR 大學原有網絡采用的是千兆骨干，原有網絡中，匯聚層設備采用的都是現在看來比較低端和落后的產品，均不具備 ACL 功能，從而制約了校園網的擴展能力，更無能力對病毒和黑客進行有效地防范和杜絕。匯聚層/接入層設備中部分支持 ，部分支持，設備型號的混亂，功能不一，導致系統只能支持單一的基于端口的 VLAN 劃分，靈活性不高。匯聚/接入層所應用的網絡設備中種類繁多，像有 3Com、銳捷網絡和 DLink 等廠商的設備，這樣管理起來非常麻煩。網絡需要統一管理，是 DR 大學第 10 頁 共 34 頁急需解決的問題之一。隨著校園擴建工程的的完工，新的學生公寓，會議中心，行政建筑，專項課題研究大樓的落成投入使用，原有的校園網已經完全無法滿足當前的業務需求，升級校園網是適應高校發展的重點工程。5 升級工程方案 需求分析對老的校園網重新改造，以適應今天網上視頻、語音及數據等信息的傳輸。另外，由于校園網絡在高校中的地位，網絡的無故障運行時間也受到了管理者的重視。基于以上問題的考慮，DR 大學提出改造原有的校園網。目標是提高網絡的帶寬、滿足未來應用需求，增加網絡的覆蓋區域和無故障安全運行時間。DR 大學升級網絡需求如下：(1)滿足未來應用需求，要求網絡設備支持 IPv6 協議，制定 IPv4/IPv6 的過渡策略，隨著改造校園網的進程逐步部署 IPv6，申請 IPv6 地址并合理分配。(2)校園網的多出口，一為 Inter，二為 Cer（教育科研網） ，三為Cer2（IPv6 主干網）(3)提高網絡帶寬，提升設備性能，支持多業務，網絡核心設備、匯聚設備必須要滿足這一需要。要求強大和完整的第三層交換能力，支持今后的視頻點播、電視電話會議等寬帶多媒體應用。主干核心層與匯聚層實現萬兆速率連接，實現百兆到桌面。網絡技術可同時支持數據、語音、圖像等各種類型信息的傳輸。(4) 對于網絡可靠性，要求骨干設備應具有很高的容錯能力，不僅要有設備級的冗余性，還應配備冗余引擎和冗余電源，所有的設備接口模塊可以進行熱插拔更換。(5)建設新的網絡結構，改造原有 VLAN 間路由方式，采用流行的三層交換機來承擔 VLAN 間路由及轉發。(6)為流量集中的學生公寓區的流量進行流量工程設計，充分利用冗余鏈路。(7)對于網絡管理，要求采用智能化網絡管理軟件，實現對網絡的自動監測和控制，用戶界面應該友好并能進行常見的網絡配置，支持虛擬網絡功能。(8)為配合 IPv6 的部署，要求基礎網絡設備支持組播技術。(9)要求在學校規模不斷擴大中，用戶數在持續增加，要求網絡具有很好的擴展性，能夠根據需要逐步平滑升級到萬兆的骨干連接。第 11 頁 共 34 頁 IPv4/IPv6 工程升級的方向IPvIPv4/IPv6 混合校園網絡，性能強大，ASIC 芯片實現 IPv6 的線速轉發。功能豐富，保證 IPv4 向 IPv6 的平滑升級。此種建網方式示范性強，可獲得較大規模 IPv6 建設和使用經驗。適合 IPv4 校園網升級為 IPv6 校園網。 IPv6 校園網方案根據前文分析，我們制定了由邊緣向中心，由小島到海洋，逐步實現全網的 IPv6 化，這樣可以保護原有投資，最大程度的減少網絡升級給用戶帶來的影響。第一階段：為實驗大樓、文獻中心的所有的三層設備升級到 Cisco WSC3750 交換機，該設備支持 IPv6/IPv4 雙棧，支持 ACL 安全控制列表，堆疊擴展技術等，可解決原有網絡中匯聚層性能不高的問題。保持其他網絡不變，繼續使用 IPv4 核心設備。采用用隧道機制,使 IPv6 穿越校園原有的 IPv4 核心網進行傳輸，構成小規模的隧道傳輸結構，使 IPv6 孤島能相互通信。第一階段中 IPv4 的范圍依然廣大，占設備和地域的大部分，大部分數據交換是經過 IPv4 核心網來傳輸的。IPv6 實驗網相對比較分散，通過貫穿 IPv4 核心網的隧道進行通信。第一階段拓撲如下圖所示：圖 51 升級工程第一步拓撲第二階段：實現網絡邊緣網的 IPv6 化。為所有的學生公寓、圖書館的匯聚功能設