高校基于SDN网络的IPv6规模部署
2023-09-05 中国教育网络
项目背景和实现目标
随着信息技术的发展，通信网络已成为校园信息化的关键基础设施，支撑各信息系统的建设与应用。传统IPv4网络面临越来越多的瓶颈和风险，新IPv6网络则拥有更大的地址空间、更好的安全性，基于IPv6协议的下一代互联网能够很好地弥补IPv4网络的不足。
2017年11月，两办印发《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》，开启大规模普及IPv6的序幕。同时，各运营商也完成IPv6骨干网络改造，为高校IPv6改造提供了条件和保障。
北京理工大学珠海学院园区网络采用 SDN+ VxLAN的管理架构，基于H3C Director控制器实现对校园网基础运维、用户认证、安全管理等多功能的统一平台管理；在一套SDN管理平台下分别构建学生运营网、教学办公网、设备专网的多Fabrics园区网络。
为实现校园网的可运维、更高速和强安全，学校基于SDN网络的IPv6升级改造，将围绕以下目标开展部署实践：一是基于SDN网络实现IPv6业务的自动化部署，二是实现校园网络IPv6接入和访问服务的全覆盖，三是构建更灵活的IPv6安全防护体系，四是探索IPv6的创新应用。
做法与经验
01.强化组织领导，统筹安排落实
校园网IPv6规模化部署工作在学校信息化工作领导小组的统筹安排下，开展项目的调研与论证，明确责任分工，要求定期报告工作进展，确保IPv6规模部署工作按要求完成。
02.明确技术路线，做好网络规划
经充分的技术论证，结合不同的IPv6升级方案（纯IPv6、双栈、翻译和隧道）特点，学校采用网络双栈的升级方案逐步过渡到纯IPv6网络的技术路线，保证业务的平滑升级。本次校园网IPv6升级保持网络整体架构不变，按业务功能及用户分组进行IPv6的子网划分；基于现有SDN网络的管理架构，实现对IPv6用户的精细化管理和策略管控，为终端和应用开启双栈网络服务（图1）。
图1 基于SDN网络架构的IPv6网络拓扑
03.制定升级计划，分步开展实施
结合学校实际，为了降低IPv6网络升级对业务的影响，要求升级过渡期不能中断业务使用。为确保各业务正常平稳运行，在升级部署时需要做如下工作：
第一，资产盘点，确认IPv6功能特性。在进行IPv6网络升级前对全网设备进行盘点，以确认设备是否支持IPv6协议及其功能特性，近几年设备通过版本升级的方式解决，早期设备不支持版本升级的，需要更换解决，替换设备可利旧用于网络接入。
第二，基础先行，IPv6安全同步升级。先进行基础骨干网络的IPv6升级部署，开启终端及应用网关的IPv6/IPv4双栈网络，搭建IPv6的DNS和DHCP基础网络服务。同时支撑IPv6网络安全的体系也做同步升级，包括网络认证、防火墙、审计系统、安全态势感知、堡垒机等。
此外，学校IPv6网络安全管理与IPv4有较大不同，在于终端及服务器分配的IPv6地址都是互联网IP，不需要NAT可以直接访问互联网或被互联网访问。基于IPv6的网络安全体系，除了延续IPv4的安全策略外，对终端IPv6地址做互联网的访问限制，不允许互联网访问内网IPv6主机及端口。
第三，局部试点，分批起用IPv6网络。在早期的IPv6网络建设中，各服务商开通域名的IPv6解析，由于网络不可达，导致IPv6终端不能正常访问。为避免IPv6网络启用初期产生的网络波动，影响用户上网体验，学校采取的方案是：先在局部开启终端IPv6网络试点（纯IPv6和双栈网络），再扩大应用范围，最终完成全校终端及应用系统IPv6网络的启用。
此外，由于学校互联网出口是多运营商（联通、移动、教科网）多出口的复杂网络，同时学校还面临IPv6应用及终端活跃率的指标考核，因此要在特定的互联网出口做基于IPv6的策略路由以及NAT转换。
成效与亮点
01.实现IPv6网络的自动化部署
通过SDN网络控制器可以进行IPv6网络的快速部署与业务开通上线。相比于传统的IPv6改造方式，基于SDN网络的IPv6开通以及维护更智能、敏捷，同时支持设备的自动化部署以及终端的自动上线，极大地提升了网络的运维与效率。
02.实现IPv6网络的全覆盖
截至目前，基于SDN网络的校园IPv6网络升级部署工作已取得阶段性成效，基本完成全校IPv6网络的升级改造，为各类终端及系统应用提供双栈的网络接入和访问，为后期物联网的大规模应用提供更好的网络环境。此外，从教育系统网络态势IPv6监测平台的数据来看，学校的门户网站及二三级的IPv6链接支持率达到100%，终端日活跃用户数高达1.5万以上。
03.探索基于IPv6的5G专网
为提高师生对校内资源的访问体验，营造更好的网络学习空间，学校与运营商（联通、移动）协商开通校园5G专网服务，师生通过5G手机即可随时随地安全接入校园网进行高速访问。
校园5G专网（图2）的设计由学校与运营商协同进行IPv6网络规划，终端手机全面支持IPv6/IPv4双栈网络接入，在运营商侧的MEC服务器和学校侧服务器应用也同时支持IPv6/IPv4双栈访问。
图2 校园5G专网双栈网络拓扑
04.构建更灵活的IPv6网络安全体系
利用SDN网络的微分段功能，可设置基于IPv6南北（东西）向业务流量的服务链，实现IPv6流量的南北（东西）业务流量按需引流到安全防火墙，从而灵活地实现基于IPv6的安全服务链，保障IPv6业务的安全访问。服务链本身也可以做到服务资源弹性扩容，灵活、按需分配（图3）。
图3 基于SDN网络的IPv6安全服务链
虽然，基于IPv6协议栈的安全设计，可以从根本上解决IPv4在网络层的攻击，如扫描泛滥、ARP攻击、DDoS攻击、IP Spoofing攻击等。但为了加强对内网终端的安全管控，避免个人终端受到互联网的直接攻击和私建应用服务，在学校互联网出口防火墙对内网终端的IPv6地址前缀进行NAT66的地址转换，达到隐藏内部IPv6地址的效果。
此外，对于服务器的应用访问，基于IPv6的安全策略管控，仍然以ACL的五元组为基础，根据应用的协议、端口和服务进行最小条件策略的开放访问。
05.统一的DNS域名解析与管理
基于IPv4网络的应用访问，由于服务器存在内外网IP的访问差异，需要搭建2套IPv4的集群DNS域名解析系统，来分别满足内网和外网各类终端，通过域名访问校园的应用。但基于IPv6网络的服务器均分配全球可访问的IPv6地址，对服务器应用的IPv6域名解析，只需搭建1套集群DNS域名解析系统即可满足不同的网络环境下多场景的域名解析访问，实现统一的DNS域名解析与管理。
总结
得益于学校对IPv6规模化部署工作的高度重视，积极响应上级部门的要求，经过一年多的努力，完成基于校园SDN网络的IPv6升级改造，实现一套SDN管理平台下分别构建学生运营网、教学办公网、设备专网，支持IPv6/IPv4网络的自动化部署；并在校区网络全面开启IPv6/IPv4双栈网络的接入和安全访问服务，相关工作也得到上级肯定，荣获2022年度IPv6规模部署工作“优秀单位”。
网络建设路漫长，今后IPv6网络的建设工作依然任重道远；IPv6网络如何更好地支撑和融入到5G、物联网、大数据、人工智能等下一代新技术的发展，需要网络建设者更多的思考和不倦的探索。
来源：《中国教育网络》2023年6月刊
作者：李满龙、蔡运记、黄思乐（北京理工大学珠海学院信息技术中心）
责编：项阳
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