基于IPv6协议的智慧园区网络建设关键技术的研究*

王家宁，孟祥莲，张世龙

（哈尔滨华德学院 数据科学与人工智能学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

引言

随着物联网时代的真正到来，企业园区网络的发展经历了由传统计算机网络到数字化网络以及智慧化网络的几个阶段。传统的IPv4地址已经无法满足大量终端设备的网络通信，取而代之的IPv6地址拥有更大的地址空间，这一巨大的地址空间为各类新应用的开发和使用提供了可能，同时也增强了对端到端的连接、服务质量（QOS）、安全性、移动性和即插即用等多方面的支持。

1 IPv6协议介绍

IPv6 是英文“Internet Protocol Version 6”（互联网协议第6版）的缩写，是互联网工程任务组（IETF）设计的用于替代IPv4协议的下一代IP协议，从1995年起，开始推动IPv6的发展，20多年来大量的关于IPv6地址结构相关的RFC（Request For Comments）得到了发表。相对于IPv4协议32位的地址，IPv6其地址数量非常巨大达到了128位，号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个地址。

IPv6报文的整体结构分为IPv6报头、扩展报头和上层协议数据3部分。IPv6报头是必选报文头部，长度固定为40B，包含该报文的基本信息，其中源地址和目的地址分别占32B；扩展报头是可选报头，可能存在0个、1个或多个，IPv6协议通过扩展报头实现各种丰富的功能；上层协议数据是该IPv6报文携带的上层数据，可能是ICMPv6报文、TCP报文、UDP报文或其他可能报文。IPv6协议首部格式如图1所示。

图1 IPv6协议首部格式

从2012年开始，美国、欧洲、日本等发达国家的互联网开始向IPv6演进升级，根据APNIC测量数据，自2015年始一直处于快速增长之中。而我国自2017年IPv6规模部署不断加速，截至2019年12月，IPv6地址数量达50877块/32。

2 IPv6隧道技术

隧道（Tunnel）是一种封装技术。利用隧道技术可以实一种网络通信协议传输另一种网络协议，将其他的网络协议所产生的数据报文封装在该网络通信协议自身的报文中，然后在网络中传递。隧道技术是在互联网基础上逻辑的建立点对点的连接，在两个对等通信端实现数据报文的封装和解封装。采用隧道技术是IPv4网络协议向IPv6网络协议过渡的一个重要方式。

图2 2012起到2030年全球IPv6演进趋势预测

图3 IPv6 over IPv4隧道通信原理

在过去相当长的一段时间内全球网络均采用的是IPv4协议，伴随互联网规模的急剧增加IPv4地址的枯竭以及IPv6地址的优势，IPv6地址取代原有IPv4地址只是时间问题，然后由于IPv6与IPv4协议的相互不兼容性，对于原有IPv4设备的替换不可能在短时间内完全。除了考虑到成本原因，协议切换的过程中也会影响到网络的正常运行和部分业务的中断，因此IPv4向IPv6过渡需要一段时间的过渡期。自2012起到2030年全球IPv6演进趋势预测如图2所示。

在这期间，网络中会从原有大量的IPv4网络逐渐转变成IPv6的网络，而这个过程初期会产生散落的IPv6网络“孤岛”，为了继续保持网络的通信，IPv6 over IPv4隧道技术可以使IPv6的报文在IPv4的网络中传输，从而实现IPv6网络之间“孤岛”的相连。IPv6 over IPv4隧道基本通信原理如图3所示。

首先在边界网关设备启动IPv4/IPv6双协议栈工作模式，并完成IPv6 over IPv4隧道技术的相关配置工作。边界网关设备在收到从发送端IPv6网络发来的分组报文后，如果报文的目的地址不是自身且下一跳转出接口为Tunnel接口，就把收到的IPv6报文作为数据部分，加上IPv4报文头，封装成IPv4报文，在IPv4的网络中向目的网络转发分组报文。当接收端边界网关设备收到该分组报文后，去掉IPv4报文头，然后将解封装后的IPv6报文发送到IPv6网络中直到目的主机。

3 智慧园区网络中的6LoWPAN构建

智慧园区网络中最重要的是物联网应用，万物互联的时代接入的终端设备数量将会成爆炸式的增长，利用射频识别、红外感应、激光扫描等传感技术，采集园区网络中日常工作所产生的各类信息。而要将这些设备采集的数据信息全部传送到互联网和云服务器平台中IPv6地址自然成为了最佳的选择方案。

物联网中物理网络的通信标准有很多，比较早的进行深入研究的是IEEE802.15.4标准，可以实现十米范围内多个终端设备的相互通信，并且可以访问局域网络或是互联网。IEEE802.15.4具有网络最大传输单元小、传输速率低、功耗低和适用于近距离通信的特点。然而IEEE802.15.4标准不能直接传递IPv6数据包，为此IETF工作组设计了6LoWPAN（IPv6over Low-Power Wireless Personal Area Network）适配技术来实现这两种不同类型协议间的通信，从而实现接入到网络中的各种智能终端设备都可以分配到一个合法的并且是全球唯一的IPv6地址。

为了简化IPv6地址的压缩，在基于IEEE802.15.4的网络中，IPv6地址基于EUI-64方案获得。源地址和目的地址一般都采用的是本地链路地址，从而便于直接从地址中得到MAC地址。其基本的设计思路都是利用硬件地址或16位的短地址来生成接口的标识，从而实现IPv6地址的压缩。

4 云计算和虚拟化技术

基于IPv6协议的网络通信平台建立完成后，另一个智慧园区网络面对的问题就是其庞大而复杂的系统架构所带来的数据运算和存储能力的提升。同时还要考虑构建智慧园区网络的基础设施建设和软硬件的投入与运行成本，数据通信过程中的安全性和高效率等一系列问题。而解决这些问题比较有效的方法就是采用云计算技术，并且搭建虚拟化网络平台，把云计算和虚拟化技术应用到智慧园区网络中。

4.1 云计算技术

云计算（Cloud Computing）是计算机基于互联网通信能力的不断提升，从而实现了在数据传输速度、运算能力、资源利用、分析预测等多方面的技术领域的提升。使得计算机系统分布式处理、交互作用和资源利用均得到了增长，可以为用户提供每秒十万亿次的运算力，同时也为数以万计的用户终端设备提供了接入网络后的计算需求。

云计算技术的应用为智慧园区网络的建设提高了信息处理的速度，节约了网络建设成本，实现了在线协同办公，信息资源的共享以及提升数据安全性和可靠性，使企业信息化水平大大提高，是推动智慧化园区网络建设的关系性技术之一。

4.2 虚拟化技术

虚拟化（Virtualization）属于一种资源管理技术，是将计算机系统的各种硬件资源，如服务器CPU、存储磁盘、内存、网络等，打破原有物理结构和空间的限制，通过虚拟抽象转换后以一种新的方式呈现出来，更加高效的便于用户的管理和使用，提高了计算机系统的计算能力和硬件资源的利用效率。虚拟化技术不同于超线程技术，主要是实现了跨操作系统间的协同工作，能够使系统之间即相互独立，同时又能够相互协作，从而提高了计算机硬件资源的利用率。

将云计算和虚拟化技术相结合，建立智慧园区网络中信息资源的虚拟化平台，可以为用户有效的屏蔽下层硬件资源、系统平台和通信网络等之间的异构性，使网络管理人员更加方便和高效的管理信息化网络中的服务器、计算机等设备资源。使普通用户可以通过互联网随时随地的访问所需要的软硬件资源，真正的提升企业信息化水平，为智慧化的园区网络建设做好数据和存储服务的铺垫。

5 结束语

本文主要对基于IPv6协议的智慧园区网络建设过程中所需要的关键技术进行了分析与研究，在万物互联的物联网时代到来之际，通过构建基于IPv6协议的6LoWPAN网络，解决智慧化园区网络中智能终端设备的信息采集和数据上传通信的问题，从而保证底层通信模块的可靠性数据传输。最后从智慧园区网络技术管理角度和资源的分配使用方面着手，通过引入云计算技术和虚拟化技术，提升网络平台的运算、存储、资源的有效分配和使用等多方面的性能。本文的研究理论成果针对于不同的行业背景，均可以加以推广和应用，相信随着人工智能的时代的到来，相关的技术研究与应用将会越来越受到关注。