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摘要：IPv6是下一代互联网采用的核心协议，现行的IPv4向IPv6过渡[1-2]势在必行。对IPv4向IPv6过渡过程中网络体系结构的更替进行了研究，结合高校校园网络的现状和向IPv6演变过程，提出了对校园网进行IPv6改造的可行方案。
关键词：网络体系结构；IPv6；IPv4；校园网
中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2007)05-11214-01
1 引言
IPv6是Internet Protocol Version 6[3]的缩写，是下一代Internet的核心协议。IPv6是IETF设计的用于替代现行IPv4协议的下一代IP协议。IPv6最本质的改进是几乎无限的地址空间(地址长度由32位增加到128位)，同时除了一些IPv4的传统应用如电子邮件、Web、客户端/服务器应用之外，IPv6更加适用于相对较新的应用，如端到端应用、非PC网络、传感器网络、建筑自动化和汽车互联等，可以说，IPv6网络应用将无所不在。
IPv6与IPv4是两种完全不同的网络协议，具有全新包头格式、超大地址空间、内置安全性(IPSec)、更好的QoS支持、相邻节点连接的新通讯协议、具有可扩充性等特点。其中，最值得关注的是IPv6的超大地址空间、更好的QoS支持和内置的安全性。IPv6终将取代IPv4，这是不争的事实。
2 IPv6网络发展过程中体系结构分析
目前，基于纯IPv6技术的CERNET2主干网络的建成、开通，极大地推动我国进入了IPv6网络的快速发展阶段。目前很多高校包括清华、北大、上海交大等著名高校，都在建设校园IPv6试验网或实验室。
2.1 IPv6发展初级阶段
该阶段，IPv4仍然占有主导地位，IPv6网络是一些孤岛，绝大部分应用仍基于IPv4。目前基本上处于IPv6网络发展的初级阶段。
在这一阶段，应首先将边缘路由器升级为双栈[4]路由器，这种路由器可以同时对IPv6数据包与IPv4数据包进行正常转发。在各个子网之间直接建立IPv6互联时，可以选择一种二层链路技术，在二层链路技术基础上直接建立IPv6纯链路，或者选择隧道技术[5-6]跨越IPv4网络进行互联。路由方面，IPv6路由和IPv4路由分发相互独立，互不影响。为适应不断增加的IPv6的应用和科研需要，可以引入部分IPv6主机和服务器。随着IPv6服务和应用的发展，逐渐部署纯IPv6节点，为了与纯IPv4节点或IPv4网络通信，还可以部署NAT-PT，TRT，DSTM等技术。基于IPv6的网络节点地址分配策略遵循RFC2921。
2.2 IPv6与IPv4共存阶段
随着IPv6服务和应用的发展，IPv6得到较大规模的应用，出现了骨干的IPv6Internet网络，在IPv6平台上引入了大量的业务，IPv6业务可以通过IPv6 Internet网络与IPv6 Intranet网络，充分利用IPv6的诸多优势。但由于IPv6网络之间有可能不是互相连通的，因此还会使用隧道。在IPv6平台上实现丰富的业务加快了IPv6的实施。但仍然有大量的传统IPv4业务存在，许多节点也仍然是双栈节点。这时不仅仅要采用隧道技术，还要采取IPv4与IPv6网络之间的协议转换技术[7]。
这一时期校园网中的网络节点广泛使用IPv4映射的IPv6地址，这种地址最前80比特为全0，中间16比特为全1，最后32比特为IPv4地址。这种地址用来把只支持IPv4的节点用IPv6
地址表示。在支持双栈的IPv6节点上，IPv6应用发送目的报文是这种地址时，实际上发出的报文为IPv4报文（目的地址是“IPv4映射的IPv6地址”中的IPv4地址）。
2.3 IPv6占主导地位阶段
在这一阶段，Internet骨干网全部为IPv6，IPv4网络将成为孤岛并逐渐消失，与初级阶段类似，使用隧道技术将IPv4网络连通，此时的隧道技术将主要是IPv4over IPv6。
网络中全面部署IPv6网络协议：IPv6邻居发现协议（邻居发现、路由器发现、无状态地址自动配置、重定向）、IPv6路径MTU发现以及IPv6域名解析[2]。网络节点IPv6地址分配采用RFC2450中描述了推荐的地址分配策略。
3 校园网络改造
目前网络上的设备主要基于IPv4，一下子把他们替换为IPv6设备，所需要的成本巨大。而且，网络的升级换代必须注意不能中断现有的业务。所以，从IPv4过渡到IPv6注定是一个渐进的过程，而且这一过程要持续相当长的时间。对高校校园网的IPv6改造应该适应IPv6发展，分阶段、逐渐进行部署。
3.1 校园网内部改造
校园网内部改造，一般需要购买新的双栈设备，少数设备可以通过升级软件直接支持双栈。若核心设备可升级，则部署和业务互通方案类似前述新建校园网。若增加新的双栈设备，则新建IPv6网与原有IPv4网在各自网内分别互通，利用新增设备进行NAT-PT与原IPv6核心设备互通，外部则分别经原核心连接的CERNET2或新增设备所连接的CERNET2分别与外部IPv4和IPv6网络互通。
同IPv4一样，在网络应用的具体过程，IPv6也需要进行类似的其他必要的工作，如申请、配置IPv6网络地址及域名，建设IPv6 DNS等。目前，Windows NT5.0以上版本的Windows都可支持IPv6，即Windows 2000、Windows XP和Windows 2003，其中Windows 2000支持IPv6需要安装IPv6支持堆栈程序，Windows XP和Windows 2003内置了IPv6协议栈，可直接支持IPv6。
Cisco、Huawei3com等通信设备公司新推出的高端系列路由器、及大部分中低端路由器和交换机都具备了IPv6的能力， 可以应用到IPv6网络改造的各个层次。
对于高校校园网络的IPv6改造，目前可以利用支持网络处理器的三层交换机S6506作为核心双栈设备。汇聚层采用双栈路由器实现， 出口采用支持IPv6/IPv4双栈业务流， 在不影响当前学校主要的IPv4业务的前提下，具备相对完整的IPv6应用能力。部分新建校园网可以重新建设支持IPv6的业务核心层和汇聚层，达到双核心汇聚网络，IPv4业务可以经由原有网络转发， IPv6业务经由新核心进行转发，出口路由器使用双栈路由器。完成过渡时期的网络改造目的。
3.2 校园网最终改造
当Internet骨干网全部使用IPv6技术部署，IPv4网络逐渐消失时，校园网就可以进行最终改造，全面部署成为纯IPv6网络。
4 结束语
总之，从IPv4向IPv6的过渡是Internet发展过程中不可逾越的一个过程，这个转换是一个相当长的过渡时期，在此过渡期间需要IPv4与IPv6共存，需要解决好彼此互相兼容的问题，从而逐步实现这一过渡，最终实现纯IPv6的全球网络。中国教育科研网已经在这个方面积累了丰富的经验，作出了卓有成效的战略步骤。CERNET2主干网的正式开通，让我国在世界下一代互联网发展中占得先机，同时也拉开了我国进行下一代互联网改造的序幕。作为CERNET2的中坚力量，高校校园网始终站在IPv6研究应用的最前沿，高校校园网部署IPv6的成功经验将会对IPv6网络建设起到巨大的示范和推动作用。
参考文献：
[1]Daniel G.Waddington，Fangzhe Chang.Realizing the Transition to IPv6[J].IEEE Communications Magazine，2002，pp.137-148.
[2]RFC2893，Transition Mechanisms for IPv6 Hosts and Routers，2000-08.
[3]RFC2460，Internet Protocol，Version 6(IPv6) Specification，1998-11.
[4]RFC2461，Neighbor Discovery for IP Version 6(IPv6) ，1998-11.
[5]RFC2473，Generic Packet Tunneling in IPv6 Specification，1998-11.
[6]RFC2529，Transmission of IPv6 over IPv4 Domains without Explicit Tunnels，1999-3.
[7]RFC2766，Network Address Translation - Protocol Translation (NAT-PT)，2000-2.
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关键词：网络体系结构；IPv6；IPv4；校园网
中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2007)05-11214-01
1 引言
IPv6是Internet Protocol Version 6[3]的缩写，是下一代Internet的核心协议。IPv6是IETF设计的用于替代现行IPv4协议的下一代IP协议。IPv6最本质的改进是几乎无限的地址空间(地址长度由32位增加到128位)，同时除了一些IPv4的传统应用如电子邮件、Web、客户端/服务器应用之外，IPv6更加适用于相对较新的应用，如端到端应用、非PC网络、传感器网络、建筑自动化和汽车互联等，可以说，IPv6网络应用将无所不在。
IPv6与IPv4是两种完全不同的网络协议，具有全新包头格式、超大地址空间、内置安全性(IPSec)、更好的QoS支持、相邻节点连接的新通讯协议、具有可扩充性等特点。其中，最值得关注的是IPv6的超大地址空间、更好的QoS支持和内置的安全性。IPv6终将取代IPv4，这是不争的事实。
2 IPv6网络发展过程中体系结构分析
目前，基于纯IPv6技术的CERNET2主干网络的建成、开通，极大地推动我国进入了IPv6网络的快速发展阶段。目前很多高校包括清华、北大、上海交大等著名高校，都在建设校园IPv6试验网或实验室。
2.1 IPv6发展初级阶段
该阶段，IPv4仍然占有主导地位，IPv6网络是一些孤岛，绝大部分应用仍基于IPv4。目前基本上处于IPv6网络发展的初级阶段。
在这一阶段，应首先将边缘路由器升级为双栈[4]路由器，这种路由器可以同时对IPv6数据包与IPv4数据包进行正常转发。在各个子网之间直接建立IPv6互联时，可以选择一种二层链路技术，在二层链路技术基础上直接建立IPv6纯链路，或者选择隧道技术[5-6]跨越IPv4网络进行互联。路由方面，IPv6路由和IPv4路由分发相互独立，互不影响。为适应不断增加的IPv6的应用和科研需要，可以引入部分IPv6主机和服务器。随着IPv6服务和应用的发展，逐渐部署纯IPv6节点，为了与纯IPv4节点或IPv4网络通信，还可以部署NAT-PT，TRT，DSTM等技术。基于IPv6的网络节点地址分配策略遵循RFC2921。
2.2 IPv6与IPv4共存阶段
随着IPv6服务和应用的发展，IPv6得到较大规模的应用，出现了骨干的IPv6Internet网络，在IPv6平台上引入了大量的业务，IPv6业务可以通过IPv6 Internet网络与IPv6 Intranet网络，充分利用IPv6的诸多优势。但由于IPv6网络之间有可能不是互相连通的，因此还会使用隧道。在IPv6平台上实现丰富的业务加快了IPv6的实施。但仍然有大量的传统IPv4业务存在，许多节点也仍然是双栈节点。这时不仅仅要采用隧道技术，还要采取IPv4与IPv6网络之间的协议转换技术[7]。
这一时期校园网中的网络节点广泛使用IPv4映射的IPv6地址，这种地址最前80比特为全0，中间16比特为全1，最后32比特为IPv4地址。这种地址用来把只支持IPv4的节点用IPv6
地址表示。在支持双栈的IPv6节点上，IPv6应用发送目的报文是这种地址时，实际上发出的报文为IPv4报文（目的地址是“IPv4映射的IPv6地址”中的IPv4地址）。
2.3 IPv6占主导地位阶段
在这一阶段，Internet骨干网全部为IPv6，IPv4网络将成为孤岛并逐渐消失，与初级阶段类似，使用隧道技术将IPv4网络连通，此时的隧道技术将主要是IPv4over IPv6。
网络中全面部署IPv6网络协议：IPv6邻居发现协议（邻居发现、路由器发现、无状态地址自动配置、重定向）、IPv6路径MTU发现以及IPv6域名解析[2]。网络节点IPv6地址分配采用RFC2450中描述了推荐的地址分配策略。
3 校园网络改造
目前网络上的设备主要基于IPv4，一下子把他们替换为IPv6设备，所需要的成本巨大。而且，网络的升级换代必须注意不能中断现有的业务。所以，从IPv4过渡到IPv6注定是一个渐进的过程，而且这一过程要持续相当长的时间。对高校校园网的IPv6改造应该适应IPv6发展，分阶段、逐渐进行部署。
3.1 校园网内部改造
校园网内部改造，一般需要购买新的双栈设备，少数设备可以通过升级软件直接支持双栈。若核心设备可升级，则部署和业务互通方案类似前述新建校园网。若增加新的双栈设备，则新建IPv6网与原有IPv4网在各自网内分别互通，利用新增设备进行NAT-PT与原IPv6核心设备互通，外部则分别经原核心连接的CERNET2或新增设备所连接的CERNET2分别与外部IPv4和IPv6网络互通。
同IPv4一样，在网络应用的具体过程，IPv6也需要进行类似的其他必要的工作，如申请、配置IPv6网络地址及域名，建设IPv6 DNS等。目前，Windows NT5.0以上版本的Windows都可支持IPv6，即Windows 2000、Windows XP和Windows 2003，其中Windows 2000支持IPv6需要安装IPv6支持堆栈程序，Windows XP和Windows 2003内置了IPv6协议栈，可直接支持IPv6。
Cisco、Huawei3com等通信设备公司新推出的高端系列路由器、及大部分中低端路由器和交换机都具备了IPv6的能力， 可以应用到IPv6网络改造的各个层次。
对于高校校园网络的IPv6改造，目前可以利用支持网络处理器的三层交换机S6506作为核心双栈设备。汇聚层采用双栈路由器实现， 出口采用支持IPv6/IPv4双栈业务流， 在不影响当前学校主要的IPv4业务的前提下，具备相对完整的IPv6应用能力。部分新建校园网可以重新建设支持IPv6的业务核心层和汇聚层，达到双核心汇聚网络，IPv4业务可以经由原有网络转发， IPv6业务经由新核心进行转发，出口路由器使用双栈路由器。完成过渡时期的网络改造目的。
3.2 校园网最终改造
当Internet骨干网全部使用IPv6技术部署，IPv4网络逐渐消失时，校园网就可以进行最终改造，全面部署成为纯IPv6网络。
4 结束语
总之，从IPv4向IPv6的过渡是Internet发展过程中不可逾越的一个过程，这个转换是一个相当长的过渡时期，在此过渡期间需要IPv4与IPv6共存，需要解决好彼此互相兼容的问题，从而逐步实现这一过渡，最终实现纯IPv6的全球网络。中国教育科研网已经在这个方面积累了丰富的经验，作出了卓有成效的战略步骤。CERNET2主干网的正式开通，让我国在世界下一代互联网发展中占得先机，同时也拉开了我国进行下一代互联网改造的序幕。作为CERNET2的中坚力量，高校校园网始终站在IPv6研究应用的最前沿，高校校园网部署IPv6的成功经验将会对IPv6网络建设起到巨大的示范和推动作用。
参考文献：
[1]Daniel G.Waddington，Fangzhe Chang.Realizing the Transition to IPv6[J].IEEE Communications Magazine，2002，pp.137-148.
[2]RFC2893，Transition Mechanisms for IPv6 Hosts and Routers，2000-08.
[3]RFC2460，Internet Protocol，Version 6(IPv6) Specification，1998-11.
[4]RFC2461，Neighbor Discovery for IP Version 6(IPv6) ，1998-11.
[5]RFC2473，Generic Packet Tunneling in IPv6 Specification，1998-11.
[6]RFC2529，Transmission of IPv6 over IPv4 Domains without Explicit Tunnels，1999-3.
[7]RFC2766，Network Address Translation - Protocol Translation (NAT-PT)，2000-2.
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