（信号与信息处理专业论文）移动ipv6的切换技术.pdf

北京邮电大学硕士学位论文摘要 移动i p v 6 的切换技术 摘要 随着i n t e m e t 的迅猛普及，笔记本计算机的大量使用，以及无线 通信设备的发展，用户产生了对主机移动性的需求，即希望主机在改 变其所处的位置时无需中断已有的通信连接。因此，移动i p v 6 作为 i p v 6 协议族的重要组成部分，其对移动性更好的支持也是v 6 受欢 迎的重要原因。 移动i p v 6 的切换是指从移动节点离开原先的外地网络开始，到 移动节点在新的网络向家乡代理或通信对端成功注册为止的这段时 间内，产生数据包丢失的现象，使得m n 与c n 间的通信受到影响。 本文的工作主要分两部分，一是阐述了基于流的移动i p v 6 快速 切换方法( 册m i p v 6 ) 原理，做出了详细的理论研究和仿真论证， 较为客观地分析了此方案的切换性能。 二是提出了一种新的平滑切换的改进方案，它主要是通过在绑定 更新消息中加入一个新的标志位，并重新定义了一个转发分组序列号 选项来实现完成的。最后在理论分析推导的基础上，借助仿真分析手 段，利用n s 2 网络模拟软件搭建了一个模拟实际的i p v 6 网络环境的 仿真平台，对新方案在实际系统中的切换流程和效果进行研究，从而 论证新方案的可行性，对方案的切换性能做出较为客观的评价。 本论文的意义在于较为客观地分析、评价了硎m i p 、，6 方法的性 能，提出了新的平滑切换的方案，并就此方案与流媒体技术的结合应 用前景做出了展望，同时提出了进一步改进方案所需要做的工作。不 但为未来的i p v 6 网络的大规模应用做了技术储备工作，也具有相当 的现实意义。 关键词：移动i p 、，6n s 2 切换绑定更新逐跳选项 北京邮电大学硕士学位论文a b s l l 认c t han d o f ft e c h n o l o g yi nm o b i l ei p v 6 w i t ht h er a p i de x p 卸d i n go fi n t e m e t ，al a 唱en u m b e ro fp o n a b l e c o m p u t e r s a r eu s e d m e 卸w h i l ew i t ht h e d e v e l o p m e n to fw i r e l e 鹞 e q u i p m e n t ，c l i e n t sd e m a n dt h em o b i l i 修o fh o s tm a c h i n e s ，t h a ti s ，h o s t m a c h i i l e ss t i l lc o u l dk e e p m m u n i c a t i o nw i t ho t h e r sw h e nt h e ya r e c h a n g i n gt h e i rp o s i t i o n s r n l e r e f o r e ，弱ap a r to f i p v 6 ，m o b i j ei p v 6 e i l l l a n c e sm o b i l i t y ，s ot h a ti p v 6b e c o m e sp o p u l a rg e n e r a l l y 1 l l eh a n d o 行i nm o b i l ei p v 6m e a n st h a td u r i n gt h et i m ef 如mm o b i l e n o d e sl e a v ef 0 加e rf o r e i 印n e t w o r kt ot h e yr e 舀s t e ro nh o m ea g e n to r c o n e s p o n d e n tn o d e ss u c c e s s f l l l l y ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm o b i l e n o d e sa n dc o n e s p o n d e n tn o d e si si n n u e n c e d ，a n dt h em o b i l en o d e sw i l l l o s ep a c k e t s t h i sp 印e rc o n t a i l l s 帆op a n s o n ep a r ti i l t r o d u c e st l l ep r i n c i p l eo f n o w - b a s e df a s th a n d o 任s c h e m ei nm o b i l ei p v 6 ( f f h m i p v 6 ) ，a n dp m v e s t h ef a v o r a b l ep e r l b n n a n c eo ft h es c h e m eb yt h e o r e t i c a la n ds m l a t i o n 锄a l y s i s t h eo t h e rp a r tp f o p o s e san e ws m o o t hh a n d o f fs c h e m e ，i ti sr e a l i z e d b ya d d i i i gf 0 1 w a r d i n g ( f ) b i ta n df o n v a r d i n gp a c k e to p t i o ni n t ob i n d i n g u p d a t em e s s a g e b 镐e i h et h e o r e t i c a ja i l a l y s i s ，s i l n u l a t i o n 卸a l y s i s m e t h o di sa l s ou s e di nt h i sp a n i tu s e sn s - 2s o f t w a r et 0 0 lt ob u i l dt h e i p 、r 6n e t 、) l ，o r ks i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t o nt h i s p l a 渤加，i t t e s t st h e v a l i d i 哆o ft h ep r o c c s s i l l go fn e ws c h e m e s ，p r o v 伪t h ef c a s i b i l i 哆o fn e w s c h e m e ，蛐de s t i m a t e st h ep e r f b 珊柚c co fs c h e m eo b j e c t i v e l y i ns u l 姐l a 彤t h i sp a p e re v a l u a t e st h ep e 哟咖a n c co f 删i p 、r 6 ， 北京邮电大学硕士学位论文 a b s t r a ( t p r o p o s e st h en e ws m o o t hh a n d o f fs c h e m e ，a n dp u t sf o 九v a r ds o m ei d e a s a b o u tt h e a p p l i c a t i o no ft h i ss c h e m ei ns t r e a m i n gm e d i aa n dh o wt o i m p r o v et h es c h e m en e x t t h e s ej o b sa r ev a l u a b l ef o rt o d a yr e s e a r c ha n d f u t u r ea p p l i c a i i o n k e yw o e r d ：m o b i l ei p v 6n s - 2h a n d o f f b i n d i n gu p d a t eh o pb y h o po p t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或 论文而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 鲞避正 日期：丝21 i ：兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于北京邮电大学。学校有权保留 并向国家有关部门或机构交送论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：坦21 ；：丛 日期： 迦2 ：! ! ：羔玉 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，移动通信技术发展突飞猛进，同时互联网的网络规模也正在以惊人 的速度不断扩大，互联网已经深入到人们生活的方方面面。人们不仅仅满足于通 过固定的网络设备接入互联网。随着人类工作和生活节奏的加快，人们也越来越 希望能够在移动的过程中仍保持与i n t e m e t 的连接，从而提高工作效率和进一步 满足人们上网娱乐等方面的需求，这对h t 锄c t 的接入方式提出了严峻的挑战。 因此，如何让人们随时随地方便的接入互联网，成为当前无线通信和互联网技术 研究中的一个热点。 目前i n t c m e t 采用的i p v 4 技术无法提供很好的移动性，存在烦琐的通信处理 和口地址有限等缺点。随着访问i n t c m e t 的移动设备数不断增加，必然会造成口 地址短缺。为了克服这些缺点，t f 移动工作组开始研发移动口版本6 ( m v 6 ) 移动v 6 用1 2 8 位地址代替移动口v 4 的3 2 位地址，能为近乎数量无限的连网 系统分配独立的口地址，并能保证移动用户在网络间移动时保持与i n t 蛐l e t 连接。 与此同时，鉴于移动v 6 的重要性和对下一代网络的巨大影响，越来越多 的国际标准化组织加入v 6 标准的制定工作。特别是3 g p p ，从传统意义上来说， 互联网和移动通信是两个不同的行业。但随着口技术的发展，这两个行业的共 同点越来越多，尤其是第三代移动通信“全口”解决方案的提出，i p v 6 成为互 联网和移动通信网的公用基本协议。尽管6 标准发源于互联网行业，而从商 业意义上来说移动通信行业可能是最早和最大的受益方之一。国际标准化组织， 除了肼继续完善于i p 、r 6 有关的标准以外，3 g p p 和r r u t 也成立了相应的工 作组来制定与 v 6 相关的标准。最近t f 和3 g p p 联合组成了一个工作组来协 调m v 6 标准在第三代通信系统中的应用。 可以预见，下一代网络将是数据业务和移动业务充分融合的产物，并在这个 融合的基础上日益完善，形成承载网以v 6 为演进方向，业务网以n g n i m s 为业务平台，提供无处不在的、多元接入方式的、无缝移动的业务。在这个发展 趋势下，移动邛l v 6 作为网络层切换的优选解决方案，可以有效保障无缝漫游的 业务属性有望得到规模应用。相信在整个产业界的合作努力下，移动v 6 也将 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 为广大用户提供全新的移动数据业务体验。 1 2 课题研究内容 移动口的技术研究，研究方向从整体上可以分为宏观移动性和微观移动性 两个方面。移动节点从一个子网移动到另一个子网必然产生切换。由于切换过程 中信令报文的传输和处理造成了切换的延时，致使通信的暂时中断。如何保持通 信的连续性，缩短切换引起的通信中断时间，减少切换对服务质量的影响，是移 动m 研究中的重点。 目前，对移动v 6 关键技术的大量研究的都集中在其切换技术上，可见对 切换技术研究的重要性。尽管口v 6 的布网还处在试验网的阶段，并没有大规模 的投入商用，但是就目前计算机使用数量的急剧增长和网络规模地快速扩张，以 及国际商务、技术等交流地日渐频繁的形势，对于移动l v 6 切换技术的研究储 备是十分必要的。另外，对于切换的策略和技巧，也是“仁者见仁，智者见智” 的，所以在这个方向上仍有很大的研究空间。 本论文的研究重点在于在口网络的切换策略方面，在对移动m v 6 的协议分 析的基础上，提出移动v 6 切换管理机制的改进方法，在搭建的n s ( n e t w o r k s j m u l a t i o n ) 仿真实验平台上实现新的切换算法，并对仿真结果进行分析论证， 从而评估新的切换技术的性能。 作为与日立( 中国) 实验室合作项目的参与和实现者，参与了理论调研，平 台搭建，设计和编码，以及测试过程。 1 3 论文结构 本文共分为六章。 第一章为绪言，介绍了课题背景及课题研究的主要任务。 第二章介绍了移动口技术的基础知识，主要包括移动v 4 技术的基本实现 过程，移动 、r 6 协议的基本操作以及与前者的比较，以及，v 6 分组报头和相关 的移动i v 6 消息选项格式的说明。 第三章描述的是移动i p 、，6 的基本切换方式和近年来研究人员对此进行的改 进和完善的情况。 第四章阐述了实验仿真工具的选择和仿真平台搭建的过程。 第五章阐述了基于流的移动i v 6 快速切换方法( f i 啊m v 6 ) 原理，做出 了详细的理论研究和仿真论证，较为客观地分析了此方案的切换性能。 第六章提出了一种新的平滑切换的改进方案，它主要是通过在绑定更新消息 2 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 中加入一个新的标志位，并重新定义了一个转发分组序列号选项来实现完成的。 同时本人对此方案在流媒体技术中的应用前景作出了个人的分析，并阐述了下一 步研究工作的方向。 3 北京邮电大学硕士学位论文第二章移动i p 技术的研究 第二章移动i p 技术的研究 经过匠r f 相关组织的努力，截至目前，移动脚4 协议和移动v 6 都已经 形成了正式的r f c 。本章详细描述两种移动i p 协议的内容，包括基本概念，操 作原理，并比较它们的异同，突出移动i p v 6 协议的优越性。 2 1 移动i p v 4 2 1 1 移动、r 4 基本概念 1 ) 家乡代理( h o m e a g e n t ) 移动节点归属网上的路由器，它至少有一个接口在归属网上，当移动节点离 开归属网时，它通过”i p 隧道( 口t u 衄e 1 ) ”把数据包传给移动节点，并且负责维 护移动节点的当前位置信息。 2 ) 外地代理( f 0 r e i 留a g c n t ) 移动节点当前所在网络上的路由器，它向已登记的移动节点提供选路服务。 当使用外地代理转交地址时，外地代理负责解除原始数据包的隧道封装，取出原 始数据包，并将其转发到该移动节点。对于那些由移动节点发出的数据包而言， 外地代理可作为已登记( p k 注册) 的移动节点的缺省路由器使用。 移动节点访问外地链路 图2 1 移动m 实体及相互关系 3 ) 本地地址( h o m ea d d r c 豁) 4 北京邮电大学硕士学位论文第二章移动l p 技术的研究 这是用来识别端到端连接的静态地址，也是移动节点与归属网连接时使用的 地址。不管移动节点连至网络何处，其家乡地址保持不变。 4 ) 转交地址( c a 鹏o f a d d 砖踞) 转交地址即隧道终点地址。它可能是外地代理转交地址，也可能是驻留本地 的转交地址。外地代理转交地址是外地代理的一个地址，移动节点利用它进行登 记。在这种地址模式中，外地代理就是隧道的终点，它接收隧道数据包，解除数 据包的隧道封装，然后将原始数据包发到移动节点。由于这种地址模式可使很多 移动节点共享同一个转交地址，而且不对有限的v 4 地址空间提出不必要的要 求。所以这种地址模式被优先使用。驻留本地的转交地址是一个临时分配给移动 节点的地址。它由外部获得( 如通过d h c p ) ，移动节点将其与自身的一个网络 接口相关联。当使用这种地址模式时，移动节点自身就是隧道的终点，执行解除 隧道功能，取出原始数据包。一个驻留本地的转交地址仅能被一个移动节点使用。 转交地址是仅供数据包选路使用的动态地址，也是移动节点与外地网连接时使用 的临时地址。每当移动节点接入到一个新的网络，转交地址就发生变化。 5 ) 注册( r e g i s t r a t j 蛐) 移动节点必须将其位置信息向其家乡代理进行登记，以便被找到。在移动口 技术中，依不同的网络连接方式，有两种不同的登记规程。一种是通过外地代理 进行登记。即移动节点向外地代理发送登记请求报文，外地代理接收并处理登记 请求报文，然后将报文中继到移动节点的家乡代理；家乡代理处理完登记请求报 文后向外地代理发送登记答复报文( 接受或拒绝登记请求) ，外地代理处理登记 答复报文，并将其转发到移动节点。另一种是直接向家乡代理进行登记，即移动 节点向其家乡代理发送登记请求报文，家乡代理处理后向移动节点发送登记答复 报文( 接受或拒绝登记请求) 。登记请求和登记答复报文使用用户数据报协议 ( u d p ) 进行传送。当移动节点收到来自其家乡代理的代理通告报文时，它可判 断其已返回到家乡网络。此时，移动节点应向家乡代理撤销登记。在撤销登记之 前，移动节点应配置适用于其家乡网络的路由表。 6 ) 代理发现( a g c n td i s c o e r y ) 为了随时随地与其他节点进行通信，移动节点必须首先找到一个移动代理。 移动口定义了两种发现移动代理的方法：一是被动发现，即移动节点等待本地 移动代理周期性地广播代理通告报文；二是主动发现，即移动节点广播一条请求 代理的报文。移动口使用扩展的”i c m pr o u t 盯d j s c o v e r y ”机制作为代理发现的主 要机制。要注意的是，使用以上任何一种方法都可使移动节点识别出移动代理并 获得转交地址，从而获悉移动代理可提供的任何服务，并确定其连至家乡网还是 某一外地网上。使用代理发现可使移动节点检测到它何时从一个口网络( 或子 北京邮电大学硕士学位论文 第二章移动m 技术的研究 网) 漫游( 或切换) 到另一个m 网络( 或子网) 。 所有移动代理( 不管其能否被链路层协议所发现) 都应具备代理通告功能， 并对代理请求作出响应。所有移动节点必须具备代理请求功能。但是，移动节点 只有在没有收到移动代理的代理通告，并且无法通过链路层协议或其他方法获得 转交地址的情况下，方可发送代理请求报文。 7 ) 隧道技术( t u 仰e l i n g ) 当移动节点在外地网上时，家乡代理需要将原始数据包转发给已登记的外地 代理。这时，家乡代理使用i p 隧道技术，将原始口数据包( 作为净负荷) 封装 在转发的i p 数据包中，从而使原始数据包原封不动地转发到处于隧道终点转 交地址处。在转变地址处解除隧道，取出原始数据包，并将原始数据包发送到移 动节点，如图2 2 。 在外地的移动节点 图2 - 2 口隧道在移动中应用 当转交地址为驻留本地的转交地址时，移动节点本身就是隧道的终点，它自 身进行解除隧道，取出原始数据包的工作。m t fr f ( 2 0 0 3 、r f c 2 0 0 4 和r f c l 7 0 1 中各自定义了一种利用隧道封装数据包的技术。 i p i 1 1 口封装在r f c 2 0 0 3 中定义。为了实现在口数据包中封装作为净负荷 的原始口数据包，需要在原始数据包的现有头标前插入一个外层口头标。外层 头标中的源地址和目的地址分别标识隧道的两个边界节点。内层口头标( 即原 始口头标) 中的源地址和目的地址则分别标识原始数据包的发送节点和接收节 点。除了减小r r l 值之外，封装节点不改变内层的口头标。内层口头标在被 传送到隧道出口节点期间保持不变。从而使原始口数据包原封不动地转发到处 于隧道终点的转交地址。 封装前 原始i p 头净荷 封装后皿珈珊嗳露霾霪霾弦缓琵缓琵缓琵琵霾囫 新i p 头原始i p 头净荷 图2 - 3 口i n 口封装 6 北京邮电大学硕士学位论文 第二章移动i p 技术的研究 使用r f ( = 2 0 0 4 定义的i p 内最小封装有一个前提条件，就是当原始数据包被 分片时，不能使用这种封装技术，也就是说，数据包在封装之前不能被分片。因 此，对移动m 技术来讲，最小封装技术是可选的。为了使用最小封装技术来封 装数据包，移动口技术需要在原始数据包经修改的口头标和未修改的净负荷之 间插入最小转发头标。显然，这种最小封装技术比r f ( = 2 0 0 3 定义的封装技术节 省开销。当拆装数据包时，隧道的出口节点将最小转发头标的字段保存到口头 标中，然后移走这个转发头标。 原始i p 头 ， 净荷 封装前 封装后 新i p 头最小转发头净荷 图2 4 最小封装 通用路由封装( g i 也，g e n e r i cr o u t i n ge n c a p s u l a t i o n ) 在r f c l 7 0 1 中定义。 除了口协议外，g r e 还支持其他网络层协议，它允许采用一种协议的数据分组 封装在采用另一种协议的数据分组的净荷中，这与口的坤咖口封装荷最小封 装不同，他们都要求采用口协议 g l 也包头放在净荷分组和分发分组之间，报头中各个字段的填写应根据 r f c l 7 0 1 。移动口v 4 中家乡代理和外地代理的隧道使用通用路由封装，净荷包 和分发包采用的都是脚4 ，如图2 5 原始i p 头净荷 封装后 封装前 新i p 头 g 肛头原始i p 头净荷 图2 - 5 通用路由封装 2 1 2 移动、，4 基本操作 移动v 4 要解决当移动节点在网络之间不断移动时，能够保持与已有连接 继续通信。下面通过讨论移动节点在移动到外地网络时，它如何收到其它节点发 送给它的分组以及它如何发送分组给其它节点，简单介绍移动，v 4 的基本操作。 当移动节点连接到外地网络时，按照基于网络前缀的路由机制，就不能正常接收 到发送给移动节点家乡地址的分组。假如在家乡网络到移动节点访问外地网络的 路径上所有路由器都设置了特定主机路由，发送给移动节点家乡地址的分组就能 7 北京邮电大学硕士学位论文第二章移动i p 技术的研究 到达移动节点。但这种特定主机路由的设置是复杂繁琐的，而且不可能对于每一 个移动节点都这样做。为了解决这一问题，移动口通过家乡地址、转交地址的 概念以及它们之间的绑定，采用隧道技术作为其数据转发机制。 下面通过移动节点在移动过程中的几个通信阶段，简单说明移动口的工作 机制。 1 代理发现( a g e n td i s c o v e r y ) 1 )家乡代理和外地代理周期性地在一条或多条它们作为移动代理地链路 上，组播或广播称为代理通告( a g e n ta d v e r t i s e m e n t ) 的消息，通告它们与相应 链路的连接关系。代理通告是通过在i c m p 路由器通告消息中增加“移动代理通 告扩展”部分，说明移动代理是家乡代理或外地代理、它的网络地址和通告有效 期等消息。 2 ) 移动节点根据收到地代理通告消息，判断它是在家乡链路上或是在外 地链路上。当连接在家乡链路上时，移动节点就像固定节点一样工作，不再利用 移动口地其它功能。当移动节点检测到它从家乡链路移动到外地链路，或从一 个外地链路移动到新的外地链路时，它就要向家乡代理进行注册。 2 注册( r e g i s t n t i o n ) 1 )当移动节点连接在外地网络时，它需要一个代表它当前所在位置的转 交地址。移动节点可以从外地代理通告消息中获得外地代理转交地址，或通过动 态配置协议d h c p 、手工配置等方法获得配置转交地址。 2 1移动节点在获得转交地址后。通过移动碑定义的消息向家乡代理请求 注册。家乡代理确认后，将家乡地址和相应的转交地址存放在绑定缓存中，完成 家乡地址和转交地址地绑定，并向移动节点发送注册应答。在注册过程中，如果 移动节点使用外地代理转交地址，就要通过外地代理进行注册请求和注册应答。 3 分组路由( p a c l e ti b u “n g ) 家乡代理和家乡链路上的其它路由器通过与外地链路上地路由器交换路由 信息，使得发送给移动节点家乡地址的分组被正确转发到家乡链路上。家乡代理 通过a r p ( a d d r e s sr e l u t i o np m t o c 0 1 ) 协议来截取发向移动节点家乡地址的分 组。 家乡代理根据分组的口目的地址查找绑定缓存，获得移动节点注册地转交 地址，然后通过隧道发送分组到移动节点地转交地址。如果转交地址是外地代理 转交地址，隧道末端的外地代理拆封得到原始分组后，转交给移动节点。如果转 交地址是配置转交地址，封装的数据分组直接发送到移动节点。 移动节点使用外地网络的路由器作为默认的路由器，它发送的分组通过外地 网络路由器直接发送给通信对端，无需采用隧道机制。这样，通信对端发送的分 8 北京邮电大学硕士学位论文 第二章移动i p 技术的研究 组通过移动节点的家乡代理转发给移动节点，移动节点的分组直接发送到通信对 端，形成基本移动v 4 的三角路由现象。三角路由不是优化的路由。 从家乡代理到外地代理的隧道 - - - - - - - - - - ， 一一一一一 移动节点 图2 - 6 分组路由 4 注销( d e n g i s t e r i n g ) 移动节点根据收到的代理通告消息，如果判断它返回到家乡链路上，那么移 动节点必须直接注册到家乡代理完成注销。注销之后，移动节点就像固定节点一 样工作。 2 2 移动i p v 6 2 2 1 v 6 协议概述 m v 6 协议特点 ，v 4 协议易于实现，具有良好的互操作性，经受了从早期小规模互联网络， 扩展到如今全球范围h t e m c t 应用的考验，这一切都应归功于口v 4 最初的优良设 计。但是，随着h t e m e t 的飞速发展，、，4 协议出现了地址严重匮乏，对网络安 全和服务质量支持不够等很多问题，不能满足目前网络应用及发展的需求。为此， m t f 开发了新一代网络协议m v 6 ，彻底解决口v 4 目前存在的地址匮乏等问题， 而且集成了网络安全、服务质量、移动性等内容，使路由器分组处理更简便，协 议的扩展性也更好。 l v 6 协议具有以下主要特点： 1 ) i p 、，6 的地址长度。l v 6 的1 2 8 位地址长度形成巨大的地址空间，在可 9 北京邮电大学硕士学位论文 第二章移动l p 技术的研究 预见的很长的一段时间内，它能够为所有可以想象出的网络设备提供一个全球唯 一的口地址，据称，l p v 6 的1 2 8 位地址空间包含的地址数量足够为地球上每一 粒沙子提供一个独立的口地址。 2 )简化的报头设计。v 6 报头设计的原则是，尽力降低报头处理开销， 具体做法是：将一些非关键性字段和可选字段移出固定报头，放在其后的扩展报 头( e x t e n s i o nh e a d c r ) 中，中问路由器可以简单地跳过扩展报头来提高分组处理 效率。v 6 报头的“n e x th e a d e r ”域指向扩展报头，相对口v 4 而言，增加了第 二类路由头( t y p e 2r o u t i n gh e a d e r ) 、移动报头( m o b i l i t yh e a d e r ) 等多个扩展报 头。 3 ) 口v 6 可以实现自动配置。i p v 6 支持无状态( s t a t e l e s s ) 和有状态( s t a t e f i l l ) 两种自动配置地址的方式。在无状态地址自动配置方式下，节点使用邻居发现机 制获得一个链路局部地址，通过使用即插即用的机制，在没有任何人工干预的情 况下，能够获得唯一的全球m 地址。有状态配置机制如动态主机配置协议d h c p ， 需要一个额外的服务器，也就需要很多额外的操作和维护。 4 )服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c c ) 支持。口v 6 报头中新增加了“业 务级别”( t r a f f i ca 鹞s ) 和“流标签”( f l o wl 丑b e l ) 字段，支持资源预留，从而 支持集成服务( i i l t s e n r ) 和差分服务( d i f f s e n r ) 机制。在分组传输过程中，中 间路由节点通过它们识别和分开处理任何分组，并按需要对这些分组进行特定的 处理。 5 ) 内置的安全特性。口v 6 协议同口s c c ( i ps e c l l r i t y ) 安全机制一体化， 通过认证头( a h ，a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ) 和封装安全静荷( e s p ，e n c r y p t e ds e c i l r i t y p a y l o a d ) 扩展报头提供了口分组的认证和加密。对所有 v 6 节点，i p s c c 是强 制实现的。6 强制性的安全性包括两方面的内容。一方面，口v 6 数据分组的 接收者可以要求发送者首先利用v 6 的a h 进行登录，然后才能接收数据分组。 这种登录是算法独立的，可以有效地组织网络黑客的攻击。另方面，利用口v 6 的e s p 加密数据分组，这种加密也是算法独立的，意味着可以安全地在i i i t e 皿e t 上传输敏感数据而不用担心被第三方截取。 回v 6 的移动性。v 4 协议对移动的支持是可选部分，而移动叶6 是口v 6 协议不可缺少的组成部分。移动口需要为每个移动设备在访问的外地网络上提 供一个全球唯一的临时口地址，v 4 协议没有足够的地址空间为h l t 啪e t 上每个 移动设备分配一个这样的地址，因此移动、r 4 协议不适用于庞大的移动设备。 而移动v 6 能够通过简单的扩展，满足大规模移动用户的需求。 l o 北京邮电大学硕士学位论文第二章移动i p 技术的研究 2 2 1 2 分组头结构 ，v 6 协议的分组头由8 个字段共4 0 个字节组成，如图2 7 所示。 版本号业务流类型流标签 净荷长度 下一个头 跳限 源地址( 1 2 8 位) 目的地址( 1 2 8 位) 图2 刁口v 6 的报头结构 各字段的含义如下： 版本号：长度4 位，对于i v 6 ，该字段必须为6 。 业务流类型：长度为8 位，该字段用于源节点或者中间路由器标识和区 分不同类型和优先级的 v 6 分组，支持差分服务( d i f f s c r v ) 。 流标签：长度为2 0 位，用于标识属于同一业务流的包，一个节点可以 同时作为多个业务流的发送源。流标签和源节点地址唯一标识了一个业 务流。 净荷长度：长度为1 6 位，表示以字节为单位的分组净荷长度，v 6 扩 展报头也属于净荷。 下一个头：长度为8 位，。这个字段指出了i p v 6 头后多跟的扩展报头类 型或者高层协议类型。 跳限：长度为8 位，。每当一个节点对宝进行一次转发之后，这个字段 就会减1 。如果该字段达到o ，这个包就将被丢弃。v 4 中与此字段对 应的是生存期字段( t r l ) 。 源地址：长度为1 2 8 位，v 6 分组的发送方地址 目的地址：长度为1 2 8 位，口v 6 分组的接收方地址。这个地址可以淡薄、 组播或泛播地址。如果使用了路由头，那么其目的地址也可以是其中某 一个中间节点的地址，而不必是最终地址。 1 l 北京邮电大学硕士学位论文第二章移动i p 技术的研究 2 2 1 3扩展报头 l v 6 中把选项从口头中搬到了净荷中，使用路由其可以像转发五选项的分 组一样来转发包含有选项的分组转发路由器除了必须处理逐跳选项之外，对其 他类型的选项不做任何处理。 i p v 6 主要定义了如下几种选项。 逐跳选项头( h o p b y - h 叩o p t i o n sh e a d e r ) ：紧跟在皿v 6 头后，包含分 组所经路径上每个节点都必须检查的选项数据。 路由头( r o u t i n gh e a d e f ) ：指明分组在到达目的地的途中将经过哪些节 点，包含各节点的地址列表。 分段头( f r 哼n e mh e a d e r ) ：此扩展报头包含一个分段偏移值、一个“更 多段”标志和一个标识符字段，源节点使用它对长度超出源、目的问路 径最大传输单元( m t u ) 限制的分组进行分段。 目的地选项头( d e s t i n a t i o nh e a d e r ) ：此扩展头用来携带由目的地节点检 查的信息。在v 6 规范里，只包括一些填充选项，用于把选项填充为 “位的整数倍。 认证头( a u i h e n c i c a t i o nh e a d e r ) ：此扩展报头提供了一种机制，对口v 6 头、扩展报头和净荷的某些部分进行加密。 封装安全净荷头( e s ph e a d e r ) ：这是最后一个扩展头，不进行加密。他 指明剩余的净荷已经加密，并为已获得授权的目的节点提供足够的解密 信息。 2 2 2 移动v 6 基本操作 无论移动节点在家乡链路还是离开家乡链路，都可以通过它的家乡地址与其 通信。当移动节点在家乡网络时，其工作方式同固定主机一样。移动节点家乡地 址的子网前缀是移动节点家乡链路的子网前缀之一，发给移动节点的分组被转发 到它的家乡链路。 下面介绍移动口v 6 的一些基本操作。 1 移动绑定 当移动节点移动到外地链路上时，要通过v 6 邻居发现机制，通常是以无 状态的地址自动配置方式获得一个或多个转交地址，转交地址的子网前缀是移动 1 2 北京邮电大学硕士学位论文第二章移动i p 技术的研究 节点访问的外地链路的子网前缀。移动节点在获得转交地址后，需要把一个转交 地址注册到它的家乡代理上，通过家乡代理发送“绑定更新”消息，以及家乡代 理应答“绑定确认”消息完成注册。移动节点可能会同时拥有多个转交地址，注 册到家乡代理的转交地址称为主转交地址( p 面a r yc a ”o f a d d r c 鸽) 。 移动节点在任何时候都可以给任何通信对端发送绑定更新，使通信对端缓存 移动节点当前使用的转交地址。考虑到移动节点的连续移动，当移动节点在新的 链路上获得了新的转交地址时，可能希望正在发往前一个转交地址的分组通过隧 道到达移动节点新的转交地址，减少分组重传带来的延迟。为了精确建立这类l i 缶 时的隧道，隧道的源端必须是移动节点的前一个转交地址，类似于从移动节点家 乡地址到移动节点当前转交地址的隧道。为此移动节点需要向前一个转交地址所 在链路的家乡代理发送绑定更新。 每个移动节点都维护一个绑定更新列表，记录它所发送的每个尚未超时的绑 定更新的相关信息，其中包括移动节点发往家乡代理、通信对端、前一个转交地 址所在链路的家乡代理的所有绑定更新。当某个绑定更新表项快要超时时，移动 节点通过发送绑定更新消息，维护当前的绑定信息。 2 分组路由 家乡代理在获得移动节点的转交地址并完成绑定后，在移动节点的家乡链路 上使用代理邻居发现机制，在家乡链路上截获的目的地址是移动节点的家乡地址 的6 分组，然后通过隧道将它们转发到移动节点的主转交地址。家乡代理对 分组使用v 6 封装，外层v 6 报头中目的地址是移动节点的主转交地址。 通信对端和移动节点有两种可能的通信方式。 第一种方式是双向隧道( 如图2 8 ) ，不要求通信对端提供移动脚6 的支持， 也不要求移动节点在通信对端上注册绑定。通信对端发送的分组路由到家乡代 理，家乡代理通过隧道转发给移动节点；移动节点发送给通信对端的分组首先通 过反向隧道发送到家乡代理，然后从家乡网络正常路由到通信对端。 家 图2 - 8 移动口p v 6 的双向路由方式 北京邮电大学硕士学位论文 第二章移动i p 技术的研究 第二种方式是优化路由。要求移动节点在通信对端上注册它的当前绑定，通 信对端根据分组目的i p 地址查询它的绑定缓存，如果在绑定缓存中存在匹配， 通信对端使用第二类路由头，分组的目的地址换成查询获得的转交地址，第二类 路由头中的地址是移动节点的家乡地址。移动节点发送分组给通信对端时，在目 的地扩展报头中使用家乡地址选项，设置分组的源地址为移动节点的当前转交地 址，家乡地址选项中的地址时移动节点的家乡地址。这种优化路由机制缩短了通 信的路径，也消除了家乡代理和家乡链路上可能的流量冲突，减小了家乡代理、 家乡链路上的故障对移动节点与通信对端通信的影响。 图2 - 9 移动p 、，6 的优化路由方式 通信对端在发送分组时，如果在检查缓存中没有找到分组的目的地址，就按 照常规分组的规则发送，即使用移动节点的家乡地址作为分组的目的地址。移动 节点的家乡代理收到分组后，通过隧道转发分组给移动节点。移动节点收到家乡 代理通过隧道发来的分组，认为通信对端没有与它建立绑定，就向通信对端发送 绑定更新消息来建立绑定，以形成优化路由。 3 返回路径可达过程( r e t i i mr 伽t a b m 竹p r 毗e d u n ) 移动、r 6 提供很多安全特性，包括移动节点到家乡代理或通信对端绑定更 新的保护，对隧道、家乡地址信息和分组中路由指令的保护。移动节点和家乡代 理通过建立安全关联，使用a h 和e s p ，实现到家乡代理绑定更新的保护。到通 信对端的绑定更新可以使用绑定管理密钥( b i n d i n gm a n a g c m e n tk e y ) 来保护， 通过返回路径可达过程建立绑定管理密钥。下面简要介绍返回路径可达过程。 如图2 1 0 所示，返回路径可达过程由4 条消息组成。移动节点先同时发送 h 0 1 r i 消息和c 0 1 1 消息，通信对端很快处理这两个消息后，返回h o t 消息和c o t 消息。 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 第二章移动i p 技术的研究 移动节点家乡代理通信对端 h et e s ti n i t ( h o t i ) ，i 7 c a r e o ft e s ti n i t ( c o t i ) 、 lh et e s t ( h o t ) 、 i 、 。 c a r e o ft e s t ( c 0 t ) 图2 1 0 返回路径可这过程 h 0 1 1 消息用于请求获得家乡密钥令牌( h o m ek e y g e nt o k c n ) ，传送移动节点 的家乡地址给通信对端，也携带通信对端必须随后回传的h o t c 0 0 1 【i e ，该消息经 过隧道到家乡代理后，再到达通信对端。 渊消息用于请求获得转交密钥令牌( c a 佗o fk e y g 蛐t o k 如) ，传送移动节 点的转交地址给通信对端，也携带通信对端必须随后回传的c o t o l 【i e ，该消息 直接被发送到通信对端。 h o t 消息时通信对端对h 0 1 r i 消息的响应，携带有h d r c o o l 【i c 、家乡密钥令 牌等信息，该消息经过家乡网络转发给移动节点，其中假设家乡代理已经完成绑 定更新，家乡代理与移动节点之间的通信是安全的。 c 0 t 消息是通信对端对咖1 消息的响应，携带有c o tc o o 】c i e 、转交密钥令 牌等信息，该消息直接发送到移动节点。当移动节点收到c o t 消息和h o t 消息 后，返回路径可达过程结束。这样，移动节点根据收到的信息计算绑定管理密钥， 获得向通信对端发送绑定更新的授权。 通过返回路径可达过程，通信对端测试目的地址分别为移动节点报告的家乡 地址和转交地址的两个分组是否路由到移动节点，确认报告的转交地址和家乡地 址能否寻址到移动节点。移动节点只有证明它收到通信对端发向这两个地址的分 组才能通过测试，通信对端才接收移动节点的绑定更新，重新定向发给移动节点 的流量到新的转交地址。 4 动态家乡代理地址发现 当移动节点离开家乡时，家乡链路上的部分节点可能进行了重新配置，原来 的家乡代理被其他的路由器代替。在这种情况下，在需要给家乡代理发送绑定更 新注册它的主转交地址时，移动节点可能不知道自己家乡代理的口地址。移动 6 提供了一个称为“动态家乡代理地址发现”( d y 锄i ch o m ea g e n ta d d r c 鹦 d i s v e r y ) 的机制，允许移动节点动态发现家乡链路上家乡代理的i p 地址，从 北京邮电大学硕士学位论文第二章移动i p 技术的研究 而可以正确注册它的主转交地址。 移动节点发送i c m p v 6 “家乡代理地址发现请求”消息，目的地址为其家乡 子网前缀的。移动v 6 家乡代理”泛播( a n y c 硒t ) 地址，源地址是移动节点的 转交地址。家乡链路上收到这个请求消息的家乡代理会回答一个i c m p “家乡代 理地址发现应答”消息，给出自己的全球单播口地址，以及包含家乡链路上所 有家乡代理的全球单播口地址的列表。收到家乡代理地址发现应答消息后，移 动节点可以随后发送自己的家乡注册绑定更新到该消息分组的口源地址，或者 是发送到应答中的家乡代理地址字段中的任何个全球单播i p 地址。 如果移动节点当前注册到了家乡链路上的某个家乡代理，而且本次注册尝试 失败，如超时或者被拒绝，移动节点应该在家乡链路的其它家乡代理上重新尝试 注册。如果它不再获知有哪些其它合适的家乡代理，可以重新开始上述的动态家 乡代理地址发现过程。 2 2 3 与移动l v 4 协议的比较 正如口v 6 协议本身继承了i v 4 协议的特性，移动口v 6 协议也继承了移动 i p v 4 协议的众多特性。移动口