基于IP双栈的随遇接入方法分析与实现.pdf

技术论坛计算机与网络基于IP双栈的随遇接入方法分析与实现韩凯，卢华斌（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄0 50 0 8 1)摘要：针对海上平台网络漫游切换过程中的实效性、便捷性高标准要求，分析了基于静态路由和DHCP动态2 种接入方案，对基于IPv6技术实现随遇接入方案的原理进行了简要介绍，搭建了网络测试环境，针对关键技术进行了仿真和分析，提出了基于IPv4/IPv6双栈承载网络数据随遇接入的解决方案。该方案网络架构设计灵活，当海上平台网络中继链路落地点改变时，可自动、快速、准确构建岸船互联网络，具有收敛时间短，不会引起路由表震荡、邻接关系的改变等特点。关键词：海上平台；随遇接入；IPv6路由中图分类号：TP393文献标志码：AAnalysis and Implementation of Random Access Method Based on文章编号：10 0 8-17 39(2 0 2 3)19-38-4IP Dual Stack TechnologyHAN Kai,LU Huabin(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050081,China)Abstract:In response to the high standard requirements for effectiveness and convenience in the roaming and switching process ofoffshore platform networks,the static access solution and the DHCP dynamic solution are carefully analyzed.The principle ofimplementing the random access solution based on IPv6 technology is briefly introduced,and a network testing environment isestablished with key technologies simulated and analyzed.Then,a random access solution based on IPv4/IPv6 dual stack technology isproposed.The network architecture design of the solution is flexible,and when the location of the relay link in the offshore platformnetwork changes,a shore-ship interconnection network can be automatically,quickly,and accurately built.At the same time,it is alsocharacterized by short convergence time,no routing table oscillation and no changes in adjacency relationships.Keywords:offshore platform;random access;IPv6 routing0引言随着海上平台机动部署提出更高要求，对岸船网络随遇接人性、灵活便捷性提出了更高挑战，为满足海上平台网络能够在各岸站网络之间准确、无误、高效地切换，设计合理可行的岸船随遇接人互联方案尤为重要。海上平台接人点的改变必然需要改变网络系统的配置参数，当海上平台频繁移动或者漫游时,网络设备的配置参数调整工作量加剧,带来了网络通信的不确定性，同时增加了系统风险。目前，针对随遇接人方案中IP地址互联分配解决方案大致分为2 种：一种是静态接入解决方案；另外一种是动态接人解决方案。随着岸基节点和海上平台节点增加时，2 种解决方案都存在局限性。收稿日期:2 0 2 3-0 6-10本文针对海上平台机固互联随遇接人的特殊要求，试图基于IPv6链路本地地址特性，通过海上平台对外路由器运行ISIS协议，构建IPv4/IPv6双栈的广域网，对内运行OSPF协议，构建IPv4的局域网；在边界路由器将ISIS路由协议和OSPF路由协议互相引人，在查找IPv4的路由表时可见下一跳为IPv6地址。据此设计出岸船网络随遇接人互联方案，同时提高网络的可靠性、便捷性和实效性也是本文的分析重点。1网络随遇接入方案1.1静态接入方案岸船之间广域网路由器互联地址可以采用静态IP地址分配方案，即为每个岸基节点和海上平台节点的路由器广域网接口预先规划好互联所需要的全部IP地址。对于每个海上38计算机与网络技术论坛IP4OverIPv6平台来说，需要接入到哪个岸基节点，使能相应的互联链路，抑制其他备用互联地址，实现岸船网络一体化互联。静态地址分配方案存在不足之处是当岸基节点M和海上平台节点N数量增多时,需要MN条静态路由，且每次切换时都需要人工干预,加大了操作人员的维护难度。因此针对岸船网络随遇接人技术仍需寻找一种动态的解决方案。1.2动态接入方案动态接人方案采用动态主机配置协议（DynamicHostConfiguration Protocol,DHCP)技术,DHCP是一种网络 IP 地址管理协议,采用客户端/服务器的架构 2 ,用于集中对终端IP地址的动态管理和配置。DHCP协议由客户端(Client)向服务器（Server)发起配置申请，服务器为网络内每台终端设备分配IP地址、掩码、网关、域名服务器地址等配置参数。要求服务器和客户端在同一个网段内，其基本流程如图1所示。DHCP客户端发现阶段：客户端以广播方式发送发现报文提供阶段：服务器回应提供报文选择阶段：客户端广播发送请求报文确认阶段：服务器回应确认报文图1DHCP工作流程发现阶段由客户端以广播的方式发送DHCP发现报文，提供阶段由服务器回应DHCP提供报文，选择阶段由客户端以广播方式发送DCHP请求报文，确认阶段服务器回应DHCP确认报文。DHCP协议的传输层采用UDP协议，客户端发送请求消息到服务器的6 8 端口，服务器回应应答消息到客户端的6 7 端口。DHCP具有精准的分配IP地址、减少IP地址冲突、自动化管理IP地址等特点。在岸船网络互连时，岸基节点和海上平台网络之间的广域网链路接口IP地址可以采用DHCP的方式进行分配，能够实现岸船之间的随遇接人，避免切换岸站时人工配置海上平台广域网出口IP地址。但是也存在不足之处：一是如果海上平台DHCP客户端通过微波机、卫通调制解调器 3 等设备连接到岸端DHCP服务器，只要链路设备不关机，海上平台路由器申请IP地址成功后直到其IP地址到期前不重复发送IP地址申请请求，导致当岸船连接关系改变后，海上平台路由器不能及时发现，需要人工干预将岸船链路设备关机4；二是由于DHCP技术体制的限制，海上平台网络经过海上平台网络再跟岸端网络互通时，中间的海上平台路由器既是客户端又是服务端，随遇接人不够灵活。因此本文分析的随遇接人采用DHCP技术也具有局限性。2基于IP双栈随遇接入方案2.1IPv6的接入方案海上平台网络的路由器PE作为网络的出口,PE内侧构建IPv4网络利用OSPF打通;PE外侧的出口配置IPv6链路本地地址,该接口下与每个岸基PE节点建立基于IPv6的网络。IPv6链路本地地址用于邻居发现协议和无状态自动配置进程中链路本地上节点之间的通信。链路本地地址只在本地链路有效。使用链路本地地址作为源或目的地址的数据包不会被转发到其他链路上。DHCP服务器岸端和海上平台内部的网络全部采用OSPF路由协议，岸船广域网采用ISIS路由协议。在边界路由器上将ISIS的IPv6路由引人到OSPF路由协议中，将OSPF的IPv4路由引人到ISIS 路由协议中,利用IPv6 链路本地地址的特性,实现基于IP双栈的随遇接人方案。IP双栈岸船网络拓扑示意如图2 所示。舰载网络A岸端PE固定站AIPv4地址岸端固定站B2.2原理分析2.2.1IPv6链路本地地址特性（1）链路本地地址生成机制当路由器接口下启使能IPv6功能，接口下会自动生成链路本地地址（固定的前缀+EUI-64规则形成的接口ID），使得2个IPv6接口可直接通信，具体定义如图3所示。10位64位/641111111010fe80:/10IPv6地址PEIPv4地址外内TPV6地址PEIPv4地址IPv6地址舰载网络外内PEIv6地址PEIPy4地址舰载网络：岸基网络外内C图2 IP双栈岸船网络拓扑示意其余54位接口D可根据EUI-64机制、建议全0随机生成，也可手动指定图3IPv6链路本地地址B39技术论坛IPv6本地链路地址的前缀为fe80:/10，后54位建议（默认)为0,构成6 4位的网络地址；后6 4位接口ID根据EUI-64机制(MAC地址）生成。（2）链路本地地址特性IPv6的链路本地地址仅限于本地链路的IPv6单播地址。目的地址为IPv6本地链路地址的数据包只能在某条特定的链路上活动,不能被路由至该链路之外。因此IPv6本地链路地址的唯一性只需要在某条特定链路上保证，路由器不会转发任何源或目的地址为IPv6本地链路地址的数据包，不会出现分离的子网。链路本地地址支持的路由：OSPFv3、R I Pn g 等协议都工作在该地址上，eBGP邻居也可以使用该地址来建立邻居关系。2.2.2IPv4路由引1人IPv6路由表路由引人示意如图4所示。岸站网络IPv6地址ER内外OSPF路由IPv4网络(1)路由引人岸船路由器对外运行ISIS 协议，构建IPv6的广域网,对内运行OSPF协议，构建IPv4的局域网。两端路由器需要IPv6地址域启用ISIS 路由协议,即使是只有2 个直联的IPv6路由器，也需要引人ISIS功能。通过岸船路由器将局域网OSPF的IPv4路由引人到IPv6的广域网,将广域网的IPv6路由引I人到IPv4的局域网4。岸船路由器通过查找IPv4路由表，下一跳是IPv6地址。(2)版本支持华为支持该功能的设备主要是NE系列路由器，经测试验证NE8000和NE40系列肯定支持该功能。由于支持该功能的版本在2 0 2 2 年10 月底发布。目前华为只有路由器支持该功能，交换机暂不支持。(3）命令特性使能该功能的命令是，在ISIS进程中配置命令“Ipv4-preflix ipv6-nextop enable。当出现路径变化时，路由收敛时间默认为8 0 0 ms左右，可以通过BFD等方式加快路由收敛。这种方式可以直接取代IPv4在IPv6中传递需要建立隧计算机与网络道的问题，可以在IPv6域中直接传递IPv4数据包。在解决IPv4在IPv6中传输是最简洁、最高效的方式。在利用IPv6互联地址特性解决单播随遇接人问题上，可以代替建立隧道的方式。2.2.3路由协议规划(1)广域网ISIS协议规划ISIS协议负责打通广域网底层网络，广域网区域统一建立Level2区域，参与部分SID(如动态SID)的生成和分发。由于华为设备需要IPv4地址作为纳管地址,IPv6作为设备互联地址，因此需要IPv4/IPv6双栈部署ISIS。（2）局域网OSPF协议规划场区内部PE和 CS 之间、CS和 CS之间、CS和 DS之间、DS和DS之间、DS和AS之间通过OSPF互联，各区和每个区之间有各自的Area号。OPSF区域的自治号分配如表1所示。表1OPSF区域的自治号分配舰载网络IPv6地址ER外内ISIS路由OSPF路由IPv4/IPv6双栈网络IPv4网络图4路由引入示意区域一区二区三区海上平台海上平台一Area10PE作为OSPF自治域和ISIS 自治域的边缘,负责为互相引人IPv4/IPv6路由，实现海上平台与岸端网络跨广域网的通信。2.3实现目标基于IP双栈的随遇接人方案最终实现的目标：(1)切换便捷该方案网络架构灵活，当海上平台无线通信（如微波）落地点改变时，能自动、快速、准确构建岸船互联网络，收敛时间短，不会引起路由表、邻接关系等网络因素的震荡。(2）稳定可靠考虑到用户业务的特殊性，通信网络需要稳定可靠，该方案利用IPv6本地链路地址的特征，事先分配互联地址，链路切换时不会轻易发生故障。基于IP双栈的随遇接人方案大大提高了海上平台网络的稳定性。(3)维护简单该方案可结合SDN控制器，以图形化的界面实现网络维护工作。通过配置SDN控制器可实现网络操作，简单、易维护。在网络维护尤其是故障排错时，降低网络操作人员的压力。（4）网络可扩展该方案具备可扩展性，方便海上平台数量及岸端微波落地点的增减，同时能够适配多种无线传输手段。3仿真验证本文利用华为NE40E-X3A路由器、S12700E-8核心交换401112101102计算机与网络技术论坛机搭建网络配置模拟环境。配置思路如下：(1)岸基核心网Overlay部署IPv6+（S R v 6、BI ER、VPN+、I FI T）部署L3EVPNVPN。部署控制器；underlay部署ISISLevel2。(2)岸基接入网岸基各区业务网部署OSPFarea场区号，增加部署岸基接人点路由器，作为接人网的一部分。各区CE路由器和核心网PE路由器间部署OSPFarea0。(3）岸基接入点部署岸基接人点，部署OSPF和ISIS Level2,岸侧接口含在OSPFarea场区号；船侧部署ISIS Level2广播接口,IPv6使能，不配置地址（自动分配IPv6链路本地地址）。(4）舰载网络部署OSPF和ISISLevel2，舰侧接口含在OSPFareaO；岸侧部署ISISLevel2广播接口,使能IPv6,不用配置地址（自动分配IPv6链路本地地址）。篇幅原因不列出路由交换设备的基础配置，只列出岸基和海上平台路由器关键配置。3.1设备配置广域网ISIS路由配置isis 2is-level level-2cost-stylewidenetwork-entity 10.0000.0000.0030.00import-route ospf 1ipv6 enable topology compatible enable-mt-spfipv4-prefix ipv6-nexthop enable互联接口配置#interfaceGigabitEthernetl/0/3ipv6enableipv6 address auto link-localisis ipv6 enable23.2路由验证通过displayiprouting-table命令查看海上平台广域网路由器的路由表项，可以发现到岸基和其他海上平台网络的目的网段路由下一跳为IPv6地址，这样广域网使用IPv6的网络，利用IPv6本地链路地址的优势分配互联地址，使用ISIS协议动态地宣告岸基和海上平台网络业务地址。真正实现岸船网络随遇接入。海上平台路由器路由表如表2 所示。41表2 海上平台广域网路由器路由表路由目的网络协议FE80:9600:B0FF:FE192.1.2.0/24ISIS192.1.3.0/24ISIS192.1.4.0/24ISIS192.1.5.0/24ISIS192.1.6.0/24ISIS4结束语利用IPv6本地链路地址特点，提出基于IPv6网络直接承载IPv4数据的随遇接人解决方案，通过搭建模拟仿真配置环境，验证了方案的可行性。能够实现岸船网络快速、灵活切换，且切换后网络状态稳定，在我国海上平台网络建设中具有一定的指导意义。方案中提到的技术可以在IPv6域中直接传递IPv4数据包，是解决IPv4在IPv6中传输最简洁、最高效的方式之一。在利用IPv6互联地址特性解决单播随遇接人问题上是最佳的解决方案。该方案基于IPv6技术实现了单播路由的互通，后续还可以分析组播的实现方法，提升网络传输的高效性。1杭州华三通信技术有限公司.路由交换技术第1卷（下册）M.北京：清华大学出版社,2 0 11.2 廖伯勋,罗俊.DHCP分析及其在模拟器中的仿真实验设计.信息记录材料,2 0 2 2,2 3(7):19 5-19 8.3曹彦军,王克勤.基于卫星广播的IP组网技术 .无线电工程,2 0 13,43(12):10-12.4 于红增,孟学军.基于 IP的机动网随遇接入方案研究 ,计算机与网络,2 0 19,45(12):6 0-6 2.5 王铭宇,张鑫,IPv4 网络向 IPv6 网络过渡技术的分析以及实际应用思考 J.信息系统工程,2 0 2 2(8):7 7-8 0.6赵翠,汤新坤,欧阳峰.IPv6 地址管理系统方案研究与设计.广播电视信息,2 0 2 1,2 8(5):8 5-8 7.下一跳地址B6:836EFE80:9600:B0FF:FEB6:836EFE80:9600:B0FF:FEB6:836EFE80:9600:B0FF:FEB6:836EFE80:9600:B0FF:FEB6:836E参考文献出口互联接口互联接口互联接口互联接口互联接口