IPv6网络演进整改解决方案设计.docx

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IPv6网络演进整改解决方案设计

****网络IPv6演进方案

****网络技术

2018年3月13日

1概述

2项目背景概述

Internet的成功与发展促进了IP网络的发展，不过IPv4地址已然耗尽，下一代互联网使用IPv6技术已成为互联网发展的必然趋势。

2011年2月3日，全球互联网数字分配机构（IANA）正式宣布已无新的IPv4地址分配。

而随着物联网、移动互联网等新型应用的快速发展，将会需求大量的地址资源，这势必会对我国互联网持续稳定的发展产生影响，因此解决IPv4地址短缺的问题迫在眉睫。

从技术本质上讲，解决IPv4地址短缺，可以采用两种不同的技术路线，一种是多级NAT（如NAT444）技术，另一种是IPv6技术，这两种技术是完全对立的。

从长远来看，NAT技术并不能从根本上解决地址短缺的问题，而且会增加网络结构的复杂性。

2017年11月26日，中办、国办联合印发了《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署的行动计划》（以下简称《计划》）。

从该《计划》可以看到，政府横向要求政府机构、中央媒体、中央企业完成IPv6的升级改造，纵向从终端、网络到典型应用整个垂直行业要求支持IPv6的演进。

这充分反映了国家战略和政府在此次IPv6规模部署行动的决心。

为了满足****区交通运输管理局未来的网络信息系统的建设需要，减少新业务与应用的IT成本，以及物联网及大数据在交通业务方面的应用需求。

IPv6网络的部署及演进已是必然趋势，需提前做好相应的技术规划，未雨绸缪。

3需求分析

目前，在****区交通系统的网络信息系统中，部分业务系统是通过IPV4NAT技术实现交通局和下辖单位网络的互联互通，与互联网业务的访问也是通过NAT技术实现。

拓扑网络如下图：

图2-1****系统网络拓扑图

NAT技术的使用，虽然能解决IPv4地址的紧缺和网络自治区域间的互联互通，但也为网络的使用带来消极影响；NAT是一种救急措施而非最终解决方案。

NAT网络的弊端如下：

●破坏的IP的端到端模型，增加网络复杂性，提高网络运维成本

●地址和端口转换需要额外处理，影响网络性能，降低流媒体业务质量

●保存连接状态，存在单点失效问题，降低了网络的可靠性

●面临非NAT友好应用问题，某些新业务需升级NAT设备

由于IPv4与IPv6协议的不兼容，引入IPv6技术关键在于即要保证原有IPv4业务的应用，同时又要考虑通过IPv6引入减轻IPv4地址不足所面临的压力。

因此产生了大量的IPv6演进方案，包括双栈技术、NAT444、DS-Lite、NAT64、IVI、6to4、4over6、6RD、6PE等多种解决方案。

具体采用哪种解决方案，需要结合****区交通局网络信息系统的现有情况及今后的业务场景需求，选择对应的IPv6演进策略。

没有任何一个技术可以解决所有问题，需要具体问题具体分析。

未来网络的最终模型必然是单栈IPv6网络已成为业界共识，因此在选择IPv6演进方案时，更多的需要考虑所选择的技术架构是需要符合未来的发展趋势，同时也可以避免多次升级所带来的各种问题。

受限于应用系统或终端局限等问题，不能在短时间大规模升级到IPv6，且大量业务仍是基于IPv4的业务应用，因此在未来一段时间，网络中主要的应用还是基于IPv4的。

为加快IPv6的演进，需要加快引进IPv6业务的进度。

目前，****局网络在IPv6部署演进中主要会面临三大挑战：

业务、终端与网络边缘。

由于网络边缘设备涉及到相对复杂的网络路由管理、安全、业务感知等功能，且会存在一定数量现网设备不具备软件升级支持IPv6的能力，会面临替换的问题，但相对来讲，在三大挑战中这是最容易解决的。

对于终端和业务部分而言，终端因涉及到规模庞大、应用软件种类多、总体成本高等原因，是IPv6网络演进的主要困难。

没有创新的应用也就难以为IPv6特色业务的开发和规模提供有效平台，整个IPv6演进就难以进入良性循环。

4IPv6网络演进

当前大量的网络是IPv4网络，随着IPv6的部署，很长一段时间是IPv4与IPv6共存的过渡阶段。

通常将IPv6的部署划分为以下个阶段：

图2-2IPv6的部署方案

4.1.1IPv6发展初期阶段

在IPv6网络部署初期，IPv6站点的规模不大，因此在IPv4网络中形成了一个个“IPv6孤岛”。

业务应用上以原有的IPv4应用为主，需要保证IPv6站点与IPv4网络之间的通信，以及IPv6站点之间的互连。

4.1.2IPv6与IPv4共存阶段

随着IPv6网络规模的扩大，纯IPv6网络与纯IPv4网络并存。

基于IPv6的传统业务逐渐开始大量部署，需要保证IPv6与IPv4之间的通信。

4.1.3IPv6主导阶段

纯IPv6网络最终形成，原有的IPv4网络大部分升级为IPv6，只剩下少数的IPv4站点成为“IPv4孤岛”。

此时适用于IPv6的各种新型业务开始成为主流业务。

5需要考虑的问题

在****区交通系统部署IPv6之前，我们首先要考虑部署的总体方针和策略：

5.1.1IPv6演进模式

在交通网中部署IPv6可以有全双栈模式和隧道模式。

全双栈模式组网是最理想的方案，不必为不同类型的用户单独部署网络配置，开销小，管理简单、IPv4和IPv6的逻辑界面清晰。

隧道模式属于过渡技术，不是最终的理想方案；隧道两端点设备需要花费额外的系统开销。

5.1.2IPv6业务支持

如：

IPv6的过渡技术有手工隧道方式，自动隧道方式，有基于MPLSVPN技术的6PE方式，有基于网络地址转换技术的NAT-PT等等，IPv6的单播路由协议有OSPFv3,ISISv6,BGP4+等等，IPv6的组播路由协议有PIM-SM,PIM-SSM等等。

5.1.3IPv6可管理性

在本次网络建设后，应充分考虑网络部署IPv6的可管理及可维护性，要能够满足日常业务的需要和网络安全管理方面的需求。

5.1.4针对不同的网络环境进行建设

主干网络设备可以考虑直接扩容为全双栈模式，适当兼顾只支持IPv4协议栈的终端；并可根据交通局业务的的实际情况，可以先建设部分双栈网络，其他部分采用隧道模式允许用户IPv6业务，逐步将不支持IPv6的设备进行换代升级。

综上所述，本次部署IPv6网络的时候，建议有条件的网络中采用全双栈部署，完成本次驻地网的大部分改造，其次根据现有交通网的实际业务应用情况，采用部分过渡技术，在不影响现有IPv4网络主要业务的条件下，使得交通专网中需要部署IPv6网络的地方能够通过隧道技术，接入业务服务区域或CERNET2。

6解决方案

7网络建设总体要求

1、安全性

严格遵循国家安全法规，从技术、管理角度，加强网络和信息的安全防，确保涉密信息安全，实现与非专网业务——如因特网业务的严格逻辑隔离，保障三级纵向专网的安全。

2、业务承载灵活性

在保证网络及信息安全的同时，还需兼顾业务承载、系统架构和数据交换实际需要，按照“强化业务网”的思路开展网络及应用系统建设。

3、提高资源利用率

按照统筹规划、统一布署、分步实施的原则，从全局出发，打破部门界限，实现三级交通运输系统各部门的互联互通和资源共享，使交通系统已有的各类信息资源发挥出最大效益，避免重复建设，杜绝资源浪费。

8交通电子政务网络划分

根据省政府关于电子政务建设的有关要求，全省交通电子政务网络分为电子政务网和电子政务外网。

****电子政务网络结构示意图

从上图可以看出，交通电子政务网络逻辑上分为两套网络，即电子政务网和电子政务外网，物理上分为三套网络，即涉密网、交通业务专网和外网。

电子政务网与电子政务外网须物理隔离，交通行业业务专网和交通行业外网之间应采用安全等级较高设备（如防火墙、网闸）进行隔离，提高网络之间的安全性。

9方案说明

由于现有网络为IPv4网络且具备相当的用户规模，如果对全网设备进行升级将面临投资较大、网络重新规划、业务整合等一系列的问题。

针对这种情况，建议采用升级现有IPv4网络的方案。

9.1.1组网思路

在现有IPv4网络下分散着若干IPv6/IPv4双栈主机，为使这些主机接入到IPv6网络当中且对现网的原有应用的影响最小，可首先将交通网络的核心设备（核心交换机）升级为双栈，网络的其他部分保持不变。

核心设备完成升级后，可分别提供至IPv4网络和IPv6网络的出口；IPv6/IPv4双栈主机可以采用ISATAP隧道的方式直接接入核心交换机。

对于原有的IPv4用户不造成任何影响，同时实现了IPv6用户的接入（如下图）。

核心设备应考虑节点冗余，因此建议逐步完成对所有核心设备的升级。

ØIPv6用户的接入方式

在节点1下，由于网络中汇聚层依然是原有的IPv4交换机，接入层是原有的IPv4交换机或L2交换机，为完成IPv6用户到核心交换机的连接，可采用ISATAP隧道的方式。

在节点2和节点3下，用户通过双栈方式或IPv6overIPv4隧道方式完成连接。

Ø业务实现分析

通过升级，原有的IPv4网络下的IPv4用户的业务不受影响。

新增的IPv6/IPv4双栈用户可以正常访问IPv6网络和IPv6业务以及IPv4网络和IPv4业务。

在IPv6建设初期，IPv6业务资源相对较少，因此需要考虑纯IPv6用户对于现有IPv4业务资源的访问。

同时，IPv4用户也会有访问IPv6业务资源的需求。

为实现这两种可能的业务互访的需求，需要考虑如何放置NAT-PT设备。

9.1.2广域网IPv6组网

广域网组网侧重于“IPv6孤岛”之间跨越广域网的连接，如，交通局总部与下辖单位、下辖段位之间通过IPv6连接等网络情况，都可适用。

Ø企业分支节点接入

若新建部分IPv6分支，为了实现与分支节点的IPv6连接，可将分支机构作为汇聚节点的路由器设备升级为双栈。

这样，原有的IPv4分支与交通局的连接保持不变，新建的IPv6分支节点出口设备采用双栈路由器，可接入到交通局的双栈设备上。

根据实际组网需要，分支与交通局之间可运行OSPFv3路由协议。

9.1.3IPv6地址规划

IP地址规划主要涉及到网络资源的利用的方便有效的管理网络的问题，IPv6地址有128位，其中可供分配为网络前缀的空间有64bit。

按照最新的IPv6RFC3513，IPv6地址分为全球可路由前缀和子网ID两部分，协议并没有明确的规定全球可路由前缀和子网ID各自占的bit数，目前APNIC能够申请到的IPv6地址空间为/32的地址。

IPv6的地址使用方式有两类，一类是普通网络申请使用的IP地址，这类地址完全遵从前缀+接口标识符的IP地址表示方法；另外一类就是取消接口标识符的方法，只使用前缀来表示IP地址。

IP地址的分配和网络组织、路由策略以及网络管理等都有密切的关系，IPv6地址规划目前尚没有主流的规则，具体的IP地址分配通常在工程实施时统一规划实施，可以遵循一些分配原则：

●地址资源应全网统一分配

●地址划分应有层次性，便于网络互联，简化路由表

●IP地址的规划与划分应该考虑到网络的发展要求

●充分合理利用已申请的地址空间，提高地址的利用效率。

IP地址规划应该是网络整体规划的一部分，即IP地址规划要和网络层次规划、路由协议规划、流量规划等结合起来考虑。

IP地址的规划应尽可能和网络层次相对应，应该是自顶向下的一种规划。

IPv6的地址规划时考虑三大类地址：

1、公共服务器地址，如DNS，EMAIL，FTP等。

2、网络设备互联地址和网络设备的LOOPBACK地址。

根据IETFIPv6工作组的建议IPv6网络设备互联地址采用/64的地址块。

IPv6网络设备的LOOPBACK地址采用/128的地址。

3、用户终端的业务地址。

此外由于目前网络设备的IPv6MIB信息的获取和OSPFv3中ROUTERID等均要求即使是一个纯IPv6网络也必须要求每个网络设备拥有IPv4地址。

所以一个纯IPv6网络也必须规划IPv4地址（仅需要网络设备互联地址和网络设备的LOOPBACK地址）。

9.1.4IPv6路由规划

路由协议分为域路由协议和域间路由协议，目前主要的路由协议都增加了对IPv6的支持功能。

从路由协议的应用围来看，OSPFv3、RIPng和IS-ISv6适用于自治域部路由，为部网关协议；BGP4+用来在自治域之间交换网络可达信息，是外部网关协议。

Ø域路由协议选择

支持IPv6的部网关协议有：

RIPng、OSPFv3、IS-ISv6协议。

从路由协议标准化进程看，RIPng和OSPFv3协议已较为成熟，支持IPv6的IS-IS协议标准草案也已经过多次讨论修改，标准正在形成之中，而且IS-ISv6已经在主流厂家的相关设备得到支持。

从协议的应用围的角度，RIPng协议适用于小规模的网络，而OSPF和IS-IS协议可用于较大规模的网络。

对于大规模的IP网络，为了保证网络的可靠性和可扩展性，部路由协议（IGP）必须使用链路状态路由协议，只能在OSPF与IS-IS之间进行选择，下面对两种路由协议进行简单的对比。

目前在IPv4网络量使用的OSPF路由协议版本号为OSPFv2，能够支持IPv6路由信息的OSPF版本称为OSPFv3，能够支持IPv6路由信息交换的ISIS路由协议称为IS-ISv6。

OSPFv3：

OSPFv3与OSPFv2相比，虽然在机制和选路算法并没有本质的改变，但新增了一些OSPFv2不具备的功能。

OSPFv3只能用来交换IPv6路由信息，ISISv6可以同时交换IPv4路由信息和IPv6路由信息。

OSPF是基于IP层的协议，OSPFv3是为IPv6开发的一套链路状态路由协议。

大体与支持IPv4的OSPFv2版本相似。

对比OSPFv2，在OSPFv3中有以下区别：

虽然OSPFv3是为IPv6设计的，但是OSPF的RouterID、AreaID和LSALinkStateID依然保持IPv4的32位的格式，而不是指定一个IPv6的地址。

所以即使运行OSPFv3也需要为路由器分配IPv4地址。

协议的运行是按照每一条链路（Per-link）进行的，而不是按照每个子网进行的（per-subnet）；

把地址域从OSPF包和一些LSA数据包中去除掉，使得成为网络层协议独立的路由协议：

与OSPFv2不同，IPv6的地址不再出现在OSPF包中，而是会在链路状态更新数据包中作为LSA的负载出现；

Router-LSA和Network-LSA也不再包含网络地址，而只是简单的表示拓扑信息；

邻居路由器的识别将一直使用RouterID，而不是像OSPFv2一样在某些使用端口会将端口地址作为标识。

Link-Local地址可以作为OSPF的转发地址。

除了Virtuallink必须使用Globalunicast地址或者使用Site-local地址。

去掉了认证信息。

在OSPFv3中不再有认证方面的信息。

如果需要加密，可以使用IPv6中定义的IPAuthenticationHeader来实现。

9.1.5基于真实IPv6源地址的用户标识和认证服务

基于真实IPv6源地址的用户标识和认证服务即保证用户的IPv6地址的使用必须是经过授权的，具体应用与场景相关，可分为路由转发流量和本地接入流量的源地址验证。

1、路由转发流量：

交通局网络转发，可采用OSPFv3或ISIS等，ISIS可以通过MD5加密，OSPF可以使用IPSEC加密，保证IPv6路由来源的可靠性，然后通过URPF或ACL来检查报文的源地址是否来源于正确的端口。

2、本地接入流量：

此环境下和接入层组网、地址分配方式、接入设备密切相关。

接入层典型的组网由客户端（主机Host）、接入设备（NAS）、AAA服务器组成。

地址分配包括无状态地址分配（ND，以及扩展的SEND、PrivacyExtensions）、有状态地址分配（DHCP）、手工配置等，采用有状态分配地址，组网中要加入DHCP服务器。

接入设备NAS有路由器、交换机、AC/AP等，对应的接入链路层包括ADSL、Ethernet、WiFi等，其上都可以直接承载IPv6数据报文。

如果二层本身就可以隔离或加密，则部署较简单，只需要在认证环节确保安全、然后将二层信息与IPv6地址进行绑定即可，否则需要考虑后续的每报文的安全性处理。

接入认证协议有802.1x、PPPoE、PORTAL、802.11i、WAPI等，可以将MAC地址、端口与IPv6地址绑定，无线协议是共享端口的，可以将IPv6地址与二层传输密钥绑定。

绑定的过程，视地址分配方式而不同，手工配置只能静态绑定，ND/DHCP则可以动态绑定。

对于ND协议，其安全性需要提高，可以采用类似ARP的方案来补充：

ND源抑制功能、ND防IP报文攻击功能、ND的主动确认、源MAC地址固定的ND攻击检测、ND报文源MAC一致性检查、ND报文限速、授权ND、NDDetection、NDProxy等。