校园网络规划研发设计方案张晓宇.docx

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校园网络规划研发设计方案张晓宇

呼伦贝尔学院

计算机科学与技术学院

校园网络设计方案研究

题目：

校园网络规划设计

学生姓名：

张晓宇学号：

2010121410

专业：

软件工程

指导教师：

陶锐

2014年5月1日

摘要

互联网技术开始在校园蔓延开来，互联网与我们的校园生活已经紧密的联系在了一起。

以Internet基石的TCP/IP协议族正在开始不断的更新和完善。

IPv4协议在Internet发展时显现出越来越多的不足，从而提出用IPv6协议取代IPv4协议的方案。

IPv6作为下一代互联网的核心协议应运而生。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

本文主要介绍了IPV4和IPV6的作用以及区别，简单的讲述了一下IPV4到IPV6的过度技术。

分析了IPv6新特性，描述了IPv6协议的组件及特性等，对目前比较成熟的三种过渡技术，双协议栈、隧道和IPv6/IPv4协议与地址转换进行了全面的分析和比较。

聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

我把对IPV4和IPV6的研究方面作为了重点，初步实现了校园网络规划与设计。

关键词：

互联网；IPv4；IPv6；校园网；过渡技术

ABSTRACT

TheInternettechnologyhasbeguntospreadinthecampus,theInternetandourcampuslifehasbeencloselylinkedtogether.TheInternetfoundationTCP/IPprotocolfamilyisstartingtoconstantlyupdateandimprove.TheIPv4protocolrevealedmoreandmoreproblemsinInternetdevelopment,thusproposedtoreplaceIPv4protocolwithIPv6protocol.IPv6coreprotocolofthenextgenerationInternetemergeasthetimesrequire.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

本文主要介绍了IPV4和IPV6的作用以及区别，简单的讲述了一下IPV4到IPV6的过度技术。

分析了IPv6新特性，描述了IPv6协议的组件及特性等，对目前比较成熟的三种过渡技术，双协议栈、隧道和IPv6/IPv4协议与地址转换进行了全面的分析和比较。

酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

ThispapermainlyintroducesIPV4andIPV6thedifferencebetween,simpleaboutIPV4tooverIPV6.AnalysisofthenewfeaturesofIPv6,IPv6protocoldescribesthecomponentsandcharacteristicsofthreekindsoftransition,technologyismature,dualstack,tunnelandIPv6/IPv4protocolandaddresstranslationiscarriedoutandthecomprehensiveanalysis.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

我把对IPV4和IPV6的研究方面作为了重点，初步实现了校园网络规划与设计。

IputonthestudiesofIPV4andIPV6asthekey,initiallyrealizedtheplanninganddesignofcampusnetwork.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。

Keywords:

Internet;IPv4;IPv6;Campusnetplan;Transitiontechnology厦礴恳蹒骈時盡继價骚。

目录

摘要I茕桢广鳓鯡选块网羈泪。

ABSTRACTI鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。

1引言3

1.1校园网络规划的意义及主要知识3籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。

2IPv4与IPv6的介绍介绍7預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。

2.1IPv6协议简介7

2.2IPv6的地址7

2.2.1IPv6地址空间及语法表示7渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

2.2.2IPv6地址分类7

2.3.3IPv4与IPv6协议区别8铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。

2.3IPv6的新特性9

2.4IPv6的热门应用10

3IPv4到IPv6过渡技术11擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。

3.1过渡策略11

3.2 双协议栈11

3.3隧道技术12

3.4地址翻译与报头转换技术13贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。

3.5三种过渡技术的对比14

4校园网建设原则及网络应用分析16坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

4.1校园网概述16

4.2校园网建设原则16

5下一代校园网解决方案18

5.1下一代校园网需求分析18

5.2下一代校园网过渡原则20

6下一代校园设备选择20

6.1主要设备的选择原则20

6.2网卡的选择21

7结论21

7.1设计成果21

致谢21

1引言

1.1校园网络规划的意义及主要知识

随着Internet的规模以指数趋势的增长，互联网中IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将成为妨碍互联网的进一步发展的主要因素，为此提出采用新版本的互联网协议即IPv6重新定义地址空间，进而取代IPv4协议。

目前，高校主要利用IPv6技术接入该主干网，积极的开展科研应用和大规模IPv6网络建设的部署实施与探索。

蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。

校园网不是一个独立的、封闭的体系，校园网与Internet互连后，校园网用户在权限允许的范围内可以使用Internet上的Web访问、E-mail收发、FTP、TelnetBBS、新闻组、讨论组、个人主页等服务。

校园网站Internet，用于宣传学校形象、教学信息发布、提供信息查询等，以后可成为网上教学的渠道。

网站主页的设计，主要由老师创意，学生制作，体现学生的创造性，培养学生的动手能力。

買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。

1.1校园网络系统结构示意图

1.2网络中心结构示意图

1.3校园网络结构

1.4校园网络系统结构示意图

1.5校园网拓扑结构图

1.6可视化网络拓扑结构

1.7校园网拓扑结构示意图

2IPv4与IPv6的介绍

2.1IPv6协议简介

IPv6是InternetProtocolVersion6的缩写，其中InternetProtocol译为“互联网协议”。

IPv6是IETF（互联网工程任务组，InternetEngineeringTaskForce）设计的用于替代现行版本IP协议（IPv4）的下一代IP协议。

目前IP协议的版本号是4（简称为IPv4），它的下一个版本就是IPv6。

綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。

IPv6的提出最初是因为随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。

为了扩大地址空间，IETF提出了IPv6技术。

驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。

2.2IPv6的地址

2.2.1IPv6地址空间及语法表示

IPv6的地址长度是128位，是IPV4的地址长度的4倍。

理论上，IPv6地址一共有2的128次方个，这简直是一个天文数字。

有人戏称，IPv6的地址数量，足够给地球表面的每一颗沙粒分配一个地址。

猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。

除了地址长度以外，IPv6地址的表示方法也和IPv4不同。

IPv6使用“：

”分隔符表示地址。

128位的IPv6地址被“：

”分割为8段，每一段用一个4位的十六进制数表示，例如：

2001：

0da8：

0001：

0100：

0000：

0000：

0000：

0080。

锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。

2.2.2IPv6地址分类

IPv6分为单播地址、多播地址和任播地址三类。

●单播地址（UnicastAddress）

一个单播地址只能标示一个唯一的接口。

也就是说，如果一个单播地址存在，那么向这个单播地址发送的数据报将最终只能达到唯一的一个节点。

IPv6单播地址可以根据前缀进行聚合。

单播地址包括全球单播地址、未指定地址、环回地址、嵌入IPv4地址的IPv6地址等，一般全球单播地址的格式如图2-1所示。

構氽頑黉碩饨荠龈话骛。

128-n-m位

m位

n位

接口ID

子网ID

全球路由前缀

图2-1全球单播地址的一般格式

全球路由前缀：

典型的分层结构，根据RIP和ISP来组织，用来分配给站点。

子网ID：

站点内子网的表示符，由站点的管理员分层地构建。

接口ID：

用来标识链路上的接口，在同一子网内是唯一的。

●多播地址（MulticastAddress）

一个多播地址格式用来标识多个接口，而这些接口通常属于不同节点。

如果向一个多播地址发送数据报，那么包含在该多播地址中的所有接口（节点）都能接收到该数据报。

多播地址的格式如图2-2所示。

輒峄陽檉簖疖網儂號泶。

112位

4位

4位

8位

范围字段

标识字段

11111111

图2-2多播地址格式

标识字段：

4位，目前只使用了最后一位，0标识Internet地址分配机构制定的熟知的多播地址，1表示是临时使用的多播地址。

该字段的前三位保留，必须被初始化为0。

尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。

范围字段：

4位，用于指示多播组是只包含同一本地网络同一站点、同一机构中的节点，还是全球地址空间内的任何节点。

识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。

●任播地址（AnycastAddress）

任播地址也是用来标识多个接口的，通常这些接口也是属于不同节点。

但是与多播地址不同，如果向任播地址发送数据报，那么包含在该任播地址中的，与源节点最近的一个接口将响应该数据报。

如何确定这个最近的接口，由路由选择协议确定。

任播地址是从单播地址空间中划分出来的，所以它与单播地址有相同的形式。

凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。

2.3.3IPv4与IPv6协议区别

相对于IPv4报头，IPv6简化基本报头。

IPv6基本报头中去掉了IPv4报头中阴影部分的字段，其中段偏移和选项和填充字段被放到IPv6扩展报头中进行处理。

IPv6基本报头被固定为40bit，使路由器可以加快对数据包的处理速度，提高了转发效率，从而提高网络的整体吞吐量，使信息传输更加快速。

同时，IPv6报头新增流标记宇段，它不仅保存了IPv4报头中的业务类别字段，而且新增了流标记字段，使得业务可以根据不同的数据流进行更细的分类，实现优先级控制和QoS保障，极大地改善了IPv6的服务质量。

IPv4和IPv6头标格式如下图2-3和2-4所示。

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04816192431鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。

版本

投标长

Tos

报文总长

标示

标志

报片偏移

生存时间

协议

头标检验和

源IP地址

目的IP地址

选项

填充

图2-3IPv4头标格式

04816192431硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

版本

优先级

流标记

净荷长度

下一个标头

跳数限制

源IP地址

目的IP地址

图2-4IPv6头标格式

2.3IPv6的新特性

（1）扩展的IPv6地址和层次化的路由选择功能

IP地址长度由原先的32位增加到128位，可支持更多数量的可寻址节点、更多级的地址层次结构和较为简单的地址自动配置。

阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。

（2）增加地址寻址

定义了任播成员地址，用它来标识一组接口，在不会引起混淆的情况下将其简称“任播地址”，发往这种地址的分组将只发给由该地址所标识的一组接口中的一个成员地址。

氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。

（3）简化了IPv6首部格式

原有的IPv4首部的某些字段被取消或改为可选项，以减少报文分组处理过程中处理时间和代价，并使得IPv6首部的带宽开销尽可能降低，尽管IPv6的地址长度增加了。

虽然IPv6地址长度是IPv4地址的四倍，但是IPv6首部的长度只有IPv4首部的两倍。

釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。

（4）支持扩展的首部和选项

IPv6的选项单独放在首部中，它位于报文分组中IPv6首部和传送层首部之间。

因为大多数IPv6选项首部都不会被报文分组投递路径上的任何路由器检查和处理，直到它到达最终目的地。

这种组织方式更有利于改进路由器在处理包含选项的报文分组时的性能。

IPv6的另一改进就是其选项与IPv4不同，可具有任意长度，不限于40字节。

怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。

（5）支持验证和隐私权

IPv6定义了一种扩展，更好的支持权限验证和数据完整性。

这一扩展是IPv6的基本内容，要求它所有的实现必须支持这一扩展。

IPv6还定义了另一种扩展，借助于加密支持保密性要求。

谚辞調担鈧谄动禪泻類。

（6）支持自动配置

IPv6可以支持多种形式的自动配置，从孤立网络节点地址的“即插即用”自动配置，到DHCP提供的全功能的设施，。

自动配置功能方便网络管理和终端用户的快速接入。

嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。

（7）服务质量能力

IPv6增加了一种新的服务质量能力，如果某些报文分组属于特定的工作流，发送者要求对其给予其别去其他报文分组的特殊处理，则可对这些报文分组加标号。

例如非缺省服务质量通信业务或“实时”服务。

熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。

2.4IPv6的热门应用

IPv6技术体系经历了十多年的发展，其标准化的进程缓慢，严重影响了IPv6技术在关键应用体系的建立。

近两年来，由于亚洲和欧洲力量的推动，IPv6的国际标准化进程明显加快，具有IPv6特性的网络设备和网络终端，以及相关的硬件平台的推出也已加快了进度。

在这种网络发展的趋势下，IPv6的关键应用将很快会出现。

下面主要介绍IPv6在未来生活中的应用。

鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。

（1）3G通讯业务

由于IP的诸多优点和受到全球IP浪潮的冲击，3G演变为全IP网络的趋势变得越来越明显。

为了满足永远在线的需要，每一个要接入因特网的移动设备都需要两个唯一的IP地址来实现与移动因特网的连接：

本地网络分配一个静态IP地址，连接点分配第二个IP地址用于漫游。

GPRS和3G作为未来移动通信蓝图中的核心组成部分，对IP地址的需求量极大，只有IPv6才能满足这种需要。

纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。

（2）多种个人智能终端

由于经济的发展带动了个人电子设备的发展，从呼机、手机、PDA到智能手机的发展趋势看，有联网能力的集成数据、语音和视频的个人智能终端将会很快出现，经过2～4年的发展，它的规模就会相当大，由此将会产生巨大的对IP地址的需求，这将会是过渡到IPv6的一个最大动因。

颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。

（3）超高速家庭网络

根据AlliedBusinessIntelligence的预测，家用网关的数量将从2000年的618000个增加到2005年的16.8M个，家用宽带和ADSL设备的增长也是驱动家庭网络市场的因素，因此，很多信息技术厂商都在进行家庭网络方面的项目开发。

像IEEE1394和蓝牙这样的新技术已经被开发并用于移动和家庭用途，众多拥有处理器的设备，越来越具备和网络设备相连的条件。

濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。

（4）IPv6的应用前景

据预测，到2006年中国的互联网用户已经达到2亿多人，在数量上将达到世界第一位，就算全部互联网用户不都是永远在线，IP地址的不足将在三四年后也将被耗尽。

IPv4地址枯竭后，才开始进行IPv6地址的分配和IPv6的网络构建是来不及的，因此，应该在IPv4地址枯竭前逐步引进IPv6，经过IPv6与IPv4的共存时代，最终全面过渡到IPv6网络。

所以，IPv6终将代替IPv4，IPv6的应用前景是非常光明的。

銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。

3IPv4到IPv6过渡技术

3.1过渡策略

IPv6向IPv4过渡是渐进的，在过渡的时期，Internet将会由运行IPv4的“海洋”和运行IPv6的孤岛组成。

随着时间的向前推移，IPv4海洋将会逐渐变小，而IPv6孤岛将会变得越来越多，最终完全取代IPv4。

在过渡的时期，主要解决的问题是IPv6孤岛之间的通信问题，随后则是IPv6孤岛与IPv4海洋之间通信的问题，最终是解决IPv4孤岛和IPv6海洋之间通信的问题。

在IPv4网络海洋中的IPv6孤岛之间如何通信，主要利用双栈协议和在IPv4网络中建立IPv6隧道来实现。

在现有IPv4网络中与IPv6网络的通信问题，主要是利用双栈协议、协议转换、应用层网关和在IPv6网络中建立IPv4隧道来实现。

挤貼綬电麥结鈺贖哓类。

3.2 双协议栈

双栈方式是过渡阶段的一种主要的方式。

双栈方式是指主机同时运行IPv4和IPv6两套协议栈，同时支持两个版本的网络层IP协议标准。

主机和路由器都可以通过双栈方式来获得和IPv4及IPv6结点的通信能力。

赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。

双栈工作方式可以描述如下：

（1）如果应用程序使用的目的地址是IPv4地址，则使用IPv4协议栈。

（2）如果应用程序使用的目的地址是嵌入IPv4地址的IPv6地址，则IPv6就封装到IPv4中。

塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。

（3）如果目的地址是IPv6地址，则使用IPv6地址，或者封装在默认配置的隧道中。

双栈工作方式可以描述如下图3-1所示。

裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。

数据链路层

图3-1双栈工作原理模型图

在双栈模型中，任意节点都是完全双栈（IPv6/IPv4节点）的。

这时不存在IPv4与IPv6之间的相互通信问题，但是这种机制要给每一个IPv6的站点分配一个IPv4地址。

这种方法不能解决IPv4地址资源不足的问题，而且随着IPv6站点的不断增加很难得到满足，因此这种方法只能用在早期的变迁过程。

仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。

3.3隧道技术

随着IPv6网络的发展，出现了许多局部的IPv6网络，但是这些IPv6网络需要通过IPv4骨干网络相连。

为了使这些鼓励的“IPv6岛”可以相通，必须使用隧道技术。

利用隧道技术可以通过现有的运行IPV4协议的Internet骨干网络构造隧道，将局部的IPv6网络连接起来，因而是IPv4向IPv6过渡的初期最容易采用的技术。

图3-2是采用隧道进行通信的原理模型图。

　　绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。

图3-2隧道通信原理模型图

这种机制用来在IPv4网络之上连接IPv6站点，站点可以是一台主机，也可以是多台主机。

隧道技术将IPv6的分组封装在IPv4的分组中，封装后的IPv4分组将通过IPv4的路由体系进行传输，分组报头的“协议”域设置为41，它指示这个分组的负载是一个IPv6分组，以便在适当的地方恢复被封装的IPv6分组，并传送给目的站点。

隧道技术只要求在隧道的入口和出口处进行修改，对其他部分并没有要求，因而非常容易实现。

但是，隧道技术不能实现IPv4主机到IPv6主机的的直接通信。

骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。

根据封装、解封装操作发生位置的不同，隧道可以分为四种：

（1）路由器到路由器（router-to-router）

（2）主机到路由器（host-to-router）

（3）主机到主机（host-to-host）

（4）路由器到主机（router-to-host）

根据建立方式的不同，隧道又可以分成两类：

（1）手工配置隧道（configuredtunnel）

（2）自动配置隧道（auto-configuredtunnel）

自动隧道包括隧道代理（TunnelBroker）、6to4隧道、6over4隧道、ISATAP（Intra-SiteAutomaticTunnelAddressingProtocol）隧道、TEREDO隧道、MPLS隧道、兼容地址自动隧道等。

其中兼容自动隧道方式，由于其扩展性较差，已不推荐使用。

瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。

3.4地址翻译与报头转换技术

隧道技术一般用于IPv6节点间的通信，而对于IPv4和IPv6节点间的通信，采用直接对IPv4和IPv6报文进行语法和语义翻译的NAT/PT技术。

NAT/PT技术的基本工作原理：

当IPv6子网中有IPv6分组发给网关时，网关将其转化成IPv4分组发向IPv4子网；反过来，当IPv4子网中有数据分组要进行发送时，网关就将其转化成IPv6分组发向IPv6子网。

转化网关要维护一个IPv4和IPv6地址的地址映像表。

在NAT/PT基础上利用端口信息，就可以实现NAT/PT的转换，这个技术同目前IPv4下的NAT/PT没有本质区别。

图3-3是协议翻译的工作模型图。

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图3-3地址翻译工作模型图

根据NAT-PT工作模式的不同，可以分为以下三种：

（1）静态NAT-PT

它使用了一种静态IPv6和IPv4地址一一对应的处理方式，类似于IPv4中静态NAT

（2）动态NAT-PT。

它使用了一个IPv4地址池，然后在IPv6网络中动态的将预定义的NAT-PT前缀加到目前的IPv4地址中。

这种模式需要一个IPv4地址池来执行，类似于IPv4的动态NAT。

栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。

（3）复用地址NAT-PT

它使用多个有NAT-PT前缀的IPv6地址和一个源IPv4地址之间形成多对一的动态映射，转换同时在三层和UDP/TCP层上进行。

辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。

3.5三种过渡技术的对比

双协议栈是指在网络节点中同时具有IPv4和IPv6两个协议栈，这样，它可以同时接收、处理和收发来自IPv4和IPv6的分组。

对于主机来讲，“双栈”是指可以根据需要来对业务产生的数据进行IPv4或者IPv6封装；对于路由器来讲，“双栈”是指在一个路由器设备中维护IPv6和IPv4两套路由协议栈，使得路由器既能与IPv4主机通信也能与IPv6主机通信，它分别支持独立的IPv6和IPv4路由协议，IPv4和IPv6路由信息按照各自的路由协议进行计算和维护不同的路由表。

双协议栈的优点是概念清晰，易于理解，网络规划相对于简单，同时在IPv6逻辑网络中可以充分发挥IPv6协议的所有优点（如安全性、路由约束、流的支持等方面）。

但是双协议栈也存在以下缺点：

对网元设备的要求较高，要求其不但要支持IPv4路由协议，而且要支持IPv6路由协议，这就要求其维护大量的协议和数据。

另外，网络升级改造将会牵涉到网络中的所有网络设备，投资大、建设周期将会相对较长。

　　隧道过渡技术是IPv4/IPv6过渡中经常使用到的一种机制。

目前的隧道技术主要实现在IPv4数据包中封装IPv6数据包，随着IPv6技术的发展和广泛的应用，未来也将会出现在IPv4数据包中封装IPv6数据包的隧道过渡技术。

隧道技术能够充分利用现有的网络资源，因此在过渡初期是一种方便的选择。

但是，在隧道的入口处会出现负载协议数据包的拆分，同时在隧道出口处会出现负载协议数据包的重组。

这就增加了隧道出入口的复杂度，不利于大规模的网络应用。

峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。

双协议栈解决了IPv6与IPv4的共存问题，但是在网络的过渡时期不可能要求所有的主机或终端都升级到支持双栈，在网络中必然会存在纯IPv4主机和纯IPv6主机之间进行通信的需求。

由于协议栈的不同，因此很自然地需要对这些协议进行地址翻译转换。

对应协议的翻译转换可以分为两个层面来进行：

一方面是IPv4与IPv6协议层的翻译，另一方面是IP