（控制理论与控制工程专业论文）工业以太网ipv6技术研究与实现.pdf

摘要 作为下一代互联网的核心标准，i p v 6 在地址空间及地址规划、路由效率、支持无线 和安全认证等方面进行了升级和革新，是计算机网络技术上具有重大意义的技术创新。 论文研究工业以太网的i p v 6 技术，以促进工业控制网络融入计算机网络技术主流。 通过研究i p v 6 关键技术和工业以太网控制设备的特点，在工业以太网嵌入式控制设备 d u t 5 0 0 0 中实现了基于i p v 6 技术的t c p i p 协议栈。i p v 6 协议栈的设计思想源于i p v 6 标准和t c p i p 通信系统，采用了层次分明的分层处理通信模式和精简高效的存储管理 方式。 论文重点描述了网络层i p v 6 协议的设计过程。设计过程针对嵌入式设备的特点实现 了i p v 6 的数据接收、数据发送、邻居发现、t c m p v 6 和分片重组等功能。( 1 ) 接收功能。 从网卡驱动接收缓冲区中读取从网络接收到的i p v 6 数据包，进行基本首部和各种扩展 首部的认证。接收过程中尽量减少查询数据包信息的次数并将多个数据包列队集中处 理，以提高数据接收效率。( 2 ) 发送功能。将传输层和网络层的发送动作融合，减少传 输层和网络层之间的信息隔离。根据嵌入式应用的特点压缩了网络层等待发送队列的长 度，以节省存储空间。( 3 ) 邻居发现功能。依据邻居地址表完成对邻居的地址解析。( 4 ) i c m p v 6 功能。报告在处理数据包时所遇到的错误，并实现p i n g 诊断。( 5 ) 分片重组功 能。调整i p v 6 数据包长度以适应通信路径m t u 的变化。 i p v 6 协议栈在传输层实现了套接字管理t c p 和u d p 的数据传输服务，并为应用程序 提供了与信息网络风格一致的网络编程接口。 基于嵌入式i p v 6 协议栈的应用和测试表明，i p v 6 技术可以在工业控制网络中提供 稳定可靠的数据通信。将嵌入式i p v 6 技术应用于工业以太网有助于工业控制网络融入 计算机网络技术主流，以信息化推动工业化。在嵌入式设备中实现i p v 6 技术将促进互 联网在嵌入式领域中的应用，扩大计算机网络技术和嵌入式技术的应用范围。 关键词：i p v 6 ：工业以太网：嵌入式设备：t c p i p 协议栈：网络编程接口 a b s t r a c t i p v 6i sas i g n i f i c a n tt e c h n o l o g yi n n o v a t i o ni nt h ec o m p u t e rn e t w o r kf i e l d i ti st h ec o r e s t a n d a r do ft h en e x t g e n e r a t i o ni n t e r n e t i th a s i m p r o v e di na d d r e s sr o o ma n da d d r e s s m a n a g e m e n t ，r o u t i n ge f f i c i e n c y , w i r e l e s ss u p p o r t i n ga n ds e c u r i t ya u t h e n t i c a t i o n t h i st h e s i sc o n d u c t sr e s e a r c ho ni p v 6t e c h n o l o g yi ni n d u s t r i a le t h e r n e tt o i n t e g r a t e i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r ki n t oc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g yc u r r e n t t h et h e s i si m p l e m e n t s t h ei p v 6c o m m u n i c a t i o ns t a c ki nt h ee m b e d d e dc o n t r o ld e v i c ed u t 5 0 0 0i ni n d u s t r i a l e t h e r n e tb ys t u d y i n gt h ek e yp o i n t so fi p v 6t e c h n o l o g ya n df e a t u r e so ft h ee m b e d d e dd e v i c e t h ed e s i g nt h i n k i n go fi p v 6s t a c kc o m e sf r o mi p v 6s t a n d a r da n dt c p i pc o m m u n i c a t i o n s y s t e m i p v 6s t a c ku s e sal a y e rc o m m u n i c a t i n gm o d e la n da ne f f e c t i v em e m o r ym a n a g e m e n t f o re m b e d d e dd e v i c e t h et h e s i se m p h a s i z e so nt h ei m p l e m e n t a t i o no fr e c e i v i n g ，s e n d i n g ，n e i g h b o rd i s c o v e r i n g ， i c m p v 6a n df r a g m e n t i n ga n da s s e m b l i n gm o d e lo fi p v 6 s p e c i f i cs o l u t i o n sa r ea d o p t e dt o s p e c i f i ce m b e d d e dd e v i c ep r o b l e m sd u r i n gd e v e l o p m e n t ( 1 ) r e c e i v i n g i tg e t sd a t af r o mn i c r e c e i v eb u f f e r ，c h e c k st h e 、i p v 6b a s i ca n de x t e n s i o nh e a d e r r e d u c i n gt h ei n f o r m a t i o n s e a r c h i n gt i m e si nt h ep a c k a g ea n dc o l l e c t i n gp a c k a g e si naq u e u ea r ea d o p t e dt oi m p r o v e r e c e i v i n ge f f i c i e n c y ( 2 ) s e n d i n g t h ei p v 6s e n d i n ge x e c u t i o ni n t e g r a t i n gw i t ht h a to ft r a n s f e r l a y e rr e d u c e si n f o r m a t i o ns e p a r a t i n ga n di m p r o v e ss e n d i n ge f f e c t i v e t h ew a i t i n gq u e u ei s c o m p r e s s e dt os a v em e m o r y ( 3 ) n e i g h b o rd i s c o v e r i n g i tr e s o l v e st h en e i g h b o r si pa d d r e s s d e p e n d i n go nt h en e i g h b o rc a c h e ( 4 ) i c m p v 6 i tr e p o r t st h ee r r o r so c c u r r e dw h i l eh a n d l i n g t h ep a c k a g e sa n di m p l e m e n t sp i n g ( 5 ) f r a g m e n t i n ga n da s s e m b l i n g i ta d j u s t st h ep a c k a g e s l e n g t ht of i tt h ep a t hm t u i p v 6s t a c kd e s i g n ss o c k e t st oi m p l e m e n tt c pa n du d ea p i sp r o v i d e dt oa p p l i c a t i o n s h a v es i m i l a rs t y l et ot h o s ei ni n f o r m a t i o nn e t w o r ka p p l i c a t i o n a p p l i c a t i o n sa n dt e s t si n d i c a t et h a tt h ei p v 6s t a c kw o r k ss t a b l e t h ei m p l e m e n t a t i o no f e m b e d d e di p v 6t e c h n o l o g yi ni n d u s t r i a le t h e r n e ts y n c h r o n i z e st h ei n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k w i t ht h et e c h n o l o g yt r e n do fi n f o r m a t i o nn e t w o r k t h i sp r o m o t e st h ei n t e g r a t i o no fi n d u s t r i a l n e t w o r ka n di n f o r m a t i o nn e t w o r k t h ee m b e d d e di p v 6t e c h n o l o g yw i l lc o n t r i b u t e t h e a p p l i c a t i o no fi n t e m e ti ne m b e d d e ds y s t e mf i e l da n dw i d e n t h ea p p l i c a t i o na r e ao fb o t ht h e c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n de m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：i p v 6 ，i n d u s t r i a le t h e r n e t ，e m b e d d e dd e v i c e ，t c p i pc o m m u n i c a t i o ns t a c k , n e t w o r kp r o g r a mi n t e r f a c e 工业以太网i p v 6 技术研究及实现 0 前言 网络技术正在深刻影响着人们的生活和工作。网络技术在定程度上满足了人们对 信息的需求，也增加了人们对更高质量信息沟通的渴望。这些更高的要求引发了网络技 术的变革。为了能更好的在各个领域，包括工业控制领域，提供高质量的全球范围端到 端网络通信服务，人们提出了下一代i n t e r n e t 技术。下一代i n t e r n e t 采用i p v 6 ( i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n6 ) 技术作为核心标准。i p v 6 技术为解除目前限制网络发 展的因素而设计，在地址空间和地址规划、路由效率和安全等方面都进行了革新和提升。 在工业以太网逐渐被工业控制领域接受，在工业以太网中采用已有的信息网络技术， 将进一步促进控制网络融入计算机网络技术的主流。工业以太网中实现i p v 6 技术正是 根据这一网络技术发展趋势而提出的，为控制网络提供更高质量的通信和更广阔的应用 前景，开拓了控制网络应用的新空间，也进一步扩大了互联网技术的应用范围。 作为一项有重大创新意义的技术，i p v 6 技术有其自身的特性，它的实现与现在通用 的i p v 4 技术有很大的区别。论文结合控制网络、嵌入式系统和i p v 6 的特点来研究工业 以太网中的i p v 6 技术，分五章阐述了i p v 6 技术和嵌入式控制设备d u t 5 0 0 0 中实现嵌入 式i p v 6 技术的过程。 第l 章概述，分析工业以太网和i p v 6 的应用及发展趋势，说明在工业以太网中实现 i p v 6 技术的意义。 第2 章i p v 6 技术基础，解释i p v 6 协议替代现行i p v 4 协议的原因和i p v 6 协议的关 键技术，包括i p v 6 协议的数据格式、地址和i p v 6 网络通信方式等。 第3 章i p v 6 协议栈网络层的设计，详细阐述了在嵌入式控制设备d u t 5 0 0 0 中实现 i p v 6 协议栈的网络层过程。首先说明了整个i p v 6 协议栈采取的通信模式及存储管理方 式，然后详细阐述i p v 6 协议实现的要点，包括邻居发现、i c m p v 6 、分片重组和数据的 收发等功能模块。 第4 章i p v 6 协议栈传输层的设计，说明i p v 6 协议栈中传输层的t c p 和u d p 协议的 实现，并提供协议栈的应用程序编程接口。 第5 章i p v 6 协议栈的应用，详细解释了应用程序如何通过应用程序编程接口充分使 用协议栈的功能。本章针对t c p 的应用方式给出了具体的示范例程和测试结果。还按 i p v 6 协议要求给出了测试i p v 6 网络性能的例程和具体的网络性能数据。 论文最后的结束语对所作的工作进行总结，并对进一步深入研究要做的工作提出规 划。 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编学位论文。 保密西在终解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“) 作者签名： 指导导师签名：& 红 工业以太网i p v 6 技术研究与实现 1 概述 计算机网络技术飞速发展，覆盖了现代企业内部从工厂现场设备到办公室商务管理 的各个层次，并通过i n t e r n e t 成为企业与外界沟通信息的通道。在网络技术推动企业 信息化的进程中，自动化系统结构发生着巨大变化，逐步形成了以网络集成自动化为基 础的企业信息系统n 1 。这个系统可分为三个层次，其模型如图卜1 妇1 。 图1 - 1 企业信息系统层次模型 f i g 1 1l a y e rm o d e lo fe n t e r p r is ei n f o r m a t i o ns y s t e m 图中最上层是建构在通用信息网络之上的信息化层，包括生产管理和市场经营管理 等。这层流通的信息主要是企业的管理、决策及商务信息。 底层是由各种满足开放性的设备组成的设备层。本层要求各设备的提供厂商遵循公 认的标准，实现产品的标准化和可互操作性，使设备能方便的接入控制网络。 中间是构建在控制网络之上的自动化层，是企业信息系统中最关键一层。它向下兼 容各种现场设备，完成对设备的控制。向上与信息化层进行互联和互操作，为信息化层 提供各种现场实时数据，供决策之需。这种角色决定了自动化层的通信基础控制网 络只有遵循开放的体系结构与协议才能建立从桌面到现场设备的互联互通。 1 1 工业以太网的发展 企业信息系统中，目前主要的控制网络是现场总线。它是一种应用在生产现场、在 微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字 化、多点通信的底层控制网络啪。现场总线应用于企业信息系统有其优点，但由于不同 厂家坚持各自的标准“1 ，无法在自动化层形成一个统一的开放体系，阻碍了企业信息系 统的发展。 近年来，将以太网作为控制网络应用到企业信息系统中倍受自动化领域的关注。国 际上各大自动化公司纷纷研究以太网在控制领域的应用，并相继推出兼容自己原有现场 总线的工业以太网解决方案。国内自动化领域的厂商和专家也开始研究并进行以太网作 为控制网络的应用，相应的工业以太网接入设备、交换机等产品已经成功应用于诸多工 业网络解决方案中。在没有任何标准化组织支持的情况下，工业以太网正在工业自动化 和过程控制市场迅速增长m 1 。 相对于其他控制网络而言，在工业领域采用工业以太网的优势很明显。 ， 首先以太网是世界范围内通用的网络标准，是目前应用最广泛的局域网技术。不同 厂商的以太网设备都遵循同一种开放式网络标准，容易互连。这种特性非常适合于解决 控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题，打破各种现场总线因标准上不同而互 不兼容的局限。 其次以太控制网的典型应用模式是与t c p i p 结合，在企业信息系统中它能与信息化 工业以太网i p v 6 技术研究与实现 层的信息网无缝连接，实现企业信息系统的垂直集成，并很容易通过后者连接到 i n t e r n e t 。通过这种应用模式，现有的信息网络技术和资源可以很方便的延伸到底层装 置，成为工业i t 技术的主流畸1 。将工业以太网应用到工业领域，便能通过i n t e r n e t 对企业生产进行监视控制，无疑是现代企业提高生产率、增强竞争力的有效手段。 最后以太网是当今应用最广泛的通信网络，具有低价格、高速度、多种传输介质可 选、易于组网应用等优点，而且其运行经验最为丰富，拥有大量安装维护人员。其在自 动控制领域的应用将是统一现场总线、特别是高速现场总线标准的希望。 由于以太网的信道分配方式采用卜持续的带冲突检测的载波侦听和多路访问c s m a c d 协议和二进制指数避退算法b e b ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k - o f f ) ，这是以太网实时 性应用在工业控制面临的挑战。另外，以太网要适应工业控制现场的恶劣环境，其抗震、 电磁兼容等方面性能还要提高。以太网在成为真正的工业现场控制网络过程中，还会面 临更多的挑战。但在业界的努力之下，已经在实时通信、总线供电、互可操作、远距离 传输、可靠性等关键技术上取得突破。存在的挑战不能阻挡以太网在这个领域向前发展 的步伐，业界已经在实践中大胆使用工业以太网。 综上可见，将以太网应用于工业控制领域，拥有成熟的技术、开放的体系等诸多优 势，将能取得与在信息网络中同样的成功，最终以信息化带动工业化，推动工业i t 的 全面发展。 1 2t o p lp 及ip v 6 技术 t c p i p 协议是当今最流行的网际互联协议，这是一个由多个协议组成的协议簇，其核 心协议是t c p 协议和i p 协议。t c p i p 参考模型从下向上依次为物理层、数据链路层、网 络层和应用层。 t c p i p 协议中，网络层的核心协议是i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 协议，目前使用的版 本是i p v 4 。这一层的主要功能有：处理来自传输层的数据段发送请求，即组装i p 数据包 并发往网络接口；处理输入数据包、转发数据包或从数据包中抽取分组；处理差错与控 制报文，包括处理路由、流量控制、拥塞控制等。网络层协助工p 工作的还有i c t p 和i g m p 等协议。a p r 和r a r p 协议也是网络层的协议，协助工p 协议完成网络地址和物理地址之间 的映射工作。 t c p i p 协议中，传输层提供应用程序间的可靠和不可靠通信服务。t c p ( t r a n s f e r c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 负责提供可靠的数据流传送服务，主要用于传送大量报文。t c p 为数 据传输的可靠性设计了带重传的肯定确认机制，简化了应用程序对数据可靠的控制。u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 协议提供不可靠的数据报服务，但对网络层的开销是最小 的。可由应用程序为u d p 数据传输提供可靠性控制。 应用层的典型协议包括f t p ( 文件传送协议) 、t e l n e t ( 远程登录协议) 、s m t p ( 简 单邮件传送协议) 、h t t p ( w w w 协议) 等，它们在互联网应用方面发挥了非常重要的作用。 i p v 4 协议栈在i n t e r n e t 的发展中被证明是成功的，基于此的各种应用极大的满足了 数据通信的需要，促进了i n t e r n e t 的飞速发展。但随着i n t e r n e t 的发展，i p v 4 在某些方 面已经显得力不从心。为保持i n t e r n e t 的持续发展而设计的i p v 6 协议继承了i p v 4 协议的 优点，同时又解决了目前i p v 4 阻碍i n t e r n e t 发展的几个关键问题嵋。 ( 1 ) i p v 6 具备巨大的地址空间，有2 1 2 8 个地址可用。更关键的是i p v 6 认识到，没有规 2 工业以太网i p v 6 技术研究与实现 划，再多的地址也不够用。i p v 6 借鉴了i p v 4 在地址分配方面的经验，设计了周密的地址 管理方案。 ( 2 ) i p v 6 要求很小的路由开销。一方面，i p v 6 采用更精简的首部。另一方面，i p v 6 的路由节点不对数据包进行分片重组，也省去了网络层的数据校验，极大降低路由开销。 ( 3 ) i p v 6 提供无状态和有状态的地址自动配置对移动进行支持。在i p v 6 节点加入本 地链路和本地站点甚至更复杂的大型站点或i n t e r n e t 的过程中，i p v 6 协议栈可以同时采 用无状态和有状态的配置过程对节点进行地址自动配置，无需操作人员过多参与。这种 即插即用性能支持了基于i p 层的移动性。 ( 4 ) i p v 6 的网络安全性能保证了数据完整。i p v 6 提供身份验证首部和加密安全有限 载荷首部来保证数据的安全和完整。 另$ 、i p v 6 通过首部字段和相关的控制机制提供更好的流服务、优先级和q o s 性能。这 些精心设计的特性，使i p v 6 眍适应下一代i n t e r n e t 的发展。作为新的核心标准，i p v 6 并 不改变原有t c p i p 协议的参考模型和设计思想，使升级的代价减小到最低。 1 3 工业以太网中实现嵌入式ip v 6 协议栈 i p v 6 的应用和i p v 6 网络的部署已经在全球大规模展开。亚洲日韩已经明确提出2 0 0 5 年基本完成i p v 6 的部署，他们的政府和业界都正在为这个目标努力。欧美虽占i p v 4 资源 的诸多优势，但也没有放弃对先进网络技术的掌握和实施，各大通信厂商先后推出了支 持i p v 6 的产品，包括从底层交换机到高端路由器的各种网络设备。国内自1 9 9 8 年开始就 对i p v 6 一直非常关注，许多单位开展了i p v 6 的试验并加入了6 b o n e 。我国还组建了自己 的电信级i p v 6 试验平台，并逐步在全国范围展开大规模商用服务口1 。 在信息网络中，t c p i p 协议以及基于此的网络应用，一般都是与操作系统集成， m i c r o s o f t 公司在其网站上发布了针对w i n d o w s 操作系统的各种i p v 6k i t s 便是很好的 例子。还有相当多通信厂商在其通信专用设备中专门实现了功能齐全的i p v 6 协议栈， 如c i s c o 的路由器操作系统i o s1 2 2 ( 1 ) t 便可配置i p v 6 路由吲。 在促进工业以太网与信息网络集成的过程中，不能置信息网络中采用i p v 6 作为下一 代i n t e r n e t 的标准这一重大变化而不顾，否则控制网络仍然无法融入计算机网络技术 的主流。在工业以太网中实现i p v 6 协议栈，顺应网络发展的趋势，将新的技术引入控 制领域，将带给控制网络更大的发展空间。 工业以太网采用典型的以太网+ t c p i p 应用模式，能很自然的与信息网络集成，从 而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展。这样，可以避免工业控制网络 的发展游离于计算机网络技术的发展主流之外，并保证工业控制网络技术上的可持续发 展，在技术升级方面无需单独的研究投入。 控制网络中基本都是嵌入式设备。为了实现网络通信功能，必须根据嵌入式控制设 备的特点，构建合适且通信功能完善的嵌入式t c p i p 协议栈。国内外已经开发出了很 多出色的嵌入式i p v 4 协议栈，相当一部分应用于工业控制现场，运行稳定。目前大家 逐渐把注意力转移到嵌入式i p v 6 协议栈的开发上来，美国d a l l a ss e m i c o n d u c t o r 公司 的嵌入式网络微控制器d s 8 0 c 4 0 0 加入对i p v 6 支持的软件包旧1 。 在工业以太网中实现i p v 6 协议栈，使控制网络融入计算机网络技术主流，获得新的 发展空间，同时又扩大i n t e r n e t 在嵌入式领域的应用，加速了下一代i n t e r n e t 的发展。 3 工业以太网i p v 6 技术研究与实现 2ip v 6 技术基础 网络正承载越来越多的社会信息。随着各种网络应用模式的广泛使用，基于这些应 用模式的信息处理技术也得到了高速发展，如网格计算、网格存储。信息处理技术的发 展反过来又在数据传输速度、服务质量方面对网络技术提出了更高的要求。 在网络体系的物理层，g 比特以太网、光通信等技术的发展正逐步解决带宽和速度 瓶颈，给网络技术的进一步发展提供了坚实的基础。在拥有了较好的底层基础之后，有 必要完善现在的网络通信体系网络层和传输层对数据信息传输的控制，以提升网络系统 整体性能。 2 1ip v 6 是ln t e r n e t 发展的产物 作为现代i n t e r n e t 的核心，i p v 4 协议对网络技术的贡献功不可没。但随着网络技 术的进一步发展，i p v 4 已经无法满足网络技术发展的要求。现在i n t e r n e t 不仅仅是完 成计算机与计算机之间的通信，而是承载各个领域的通信信息。今后的应用将要求 i n t e r n e t 为每一台装置分配一个唯一的永久地址，从而可以使任何一台装置直接与其它 装置进行端到端的通信。i p v 4 无法支持这种功能。事实表明，路由已经成为i n t e r n e t 发展的瓶颈，而i p v 4 目前的策略都不能从根本上提高路由效率。 i p v 6 针对i p v 4 不能够胜任的复杂问题而设计，已取代i p v 4 成为新的标准。作为下一 代i n t e r n e t 的核心，i p v 6 协议不仅仅在原协议已经具有的性能方面丝毫不逊色，更具备 新的特性，以解决原协议所不能解决的问题。虽然相关方面还在继续测试和完善中，但 i p v 6 在协议报文格式、地址、路由、安全和移动性等方面都有完全符合下一代i n t e r n e t 发展的性能和特点。 ( 1 ) 首部精简 精简的首部是i p v 6 的最大特点。对比i p v 4 而言，i p v 6 首先只在基本首部保留数据 包必须包含的信息字段。将不常用的首部字段放到各个不同的扩展首部中，作为可选项。 其次i p v 6 尽最大努力使基本首部的字段可携带数据包的大部分信息。这样处理的结果 是，大部分数据包只用基本首部便可达到目的地，而基本首部又较i p v 4 首部简单，处 理起来更容易。对于基本首部中没有包含而又必须增加的信息，节点可以量体裁衣，根 据具体需要增加具体的扩展首部。 随着网络性能的提高，数据链路层已经能为上层提供高速可靠的通信，i p v 6 将i p v 4 首部中的首部校验字段移除，而只保留主机对数据的校验。不仅提高了节点的效率，还 大大减轻了路由器的开销。 ( 2 ) i p 地址空间扩大 i p v 6 提供了1 2 8 位的地址，足够i n t e r n e t 现在和将来使用。这1 2 8 位地址中前3 位用来 标识地址是否是全局可路由单播地址( g l o b a l l yr o u t a b l eu n i c a s t ) ，目前当这3 位的 值是0 0 1 时，表明这个地址是一个全局可路由的单播地址。其余1 2 5 位中，高6 l 位标识网 络，低6 4 位标识主机。这个地址结构相对于i p v 4 的空间来说，的确是宽裕多了，表2 一l 是二者的简单对比。 ( 3 ) 路由开销减小 i p v 6 实现的通路m t u ( m a x i s mt r a n s f e ru n i t ) 技术保证了数据包不会在路由器上 4 工业以太网i p v 6 技术研究与实现 因为超过下一链路m t i j 的长度而被重新封装。路由器便可省去重装数据包、重分片和校 验数据包的工作，极大的减少了开销。 表2 1i p v 4 和i p v 6 地址空间比较 t a b 2 1t h ec o m p a r eo fi p v 4a n di p v 6a d d r e s s i p v 6 地址结构中增加了分层支持，将全局可聚类单播地址的网络标识符分为3 个级 别的聚合体一一顶级聚合体( t o pl e v e la g g r e g a t i o n ) 、下级聚合体( n e x tl e v e l a g g r e g a t i o n ) 和站点级聚合体( s i t el e v e la g g r e g a t i o n ) 。如图2 一l 所示。 31 382 41 6 b i t s 图2 - 1 全局可聚类单播地址的网络标识符 f i g 2 1n e t w o r ki d e n t i f i c a t i o no fg l o b a la g g r e g a t i o nu n i c a s t 这种分层的结构有效的记录了站点的地址信息，减小了核心路由表的大小。同时这 种稳定的结构增加了全局路由器的稳定性。 ( 4 ) 地址自动配置，支持移动计算 i p v 6 网络内的节点用网络接口的数据链路地址，即m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 地址来作为自己i p v 6 地址的主机标识符。节点获得自己主机标识符的过程是自动完成 的。每个网络接口的m a c 地址是唯一确定的，用m a c 地址构成的主机标识符在网络内也 就是唯一的。 节点得到自己的主机标识符之后，使用请求节点组播地址( s o l i c i t e dn o d e m u l t i c a s t ) 与本网段的路由器通信，获得这个网络的网络编号。在这个网络编号后加 上主机标识符，便得到了这个节点的完整的网络地址。获得网络编号的过程也是节点加 入网络后自动完成的，不需要操作人员的干涉。 i p v 6 地址自动配置使i p v 6 网络具备了即插即用的简便特性，同时对移动设备的支 持极大的增强，是i p v 6 对移动计算支持的重要手段。 ( 5 ) 安全性能提高 设计i p v 6 的目的之一就是支持互操作的和基于加密的安全。这方面i p v 6 提供两个 扩展首部：身份验证首部( a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ) 和加密安全有限载荷首部( e n c r y p t e d s e c u r i t yp a y l o a dh e a d e r ) 。可以同时使用这两个首部，或者单独使用其中的一个，来 支持多种类型的安全功能。 另外，i p v 6 正在对q o s 能力进行完善和测试，这也是i p v 6 的重要特性。 i n t e r n e t 的发展使i p v 6 作为下一代i n t e r n e t 的标准协议，而顺应了这个发展趋势 5 工业以太网i p v 6 技术研究与实现 的i p v 6 协议又将会给i n t e r n e t 带来更广阔的应用和发展空间。 2 2 术语解释 为了能在后续章节更清楚的阐述i p v 6 体系，本节对将在后面被大量使用到的关键术 语做专门解释。 i s o o s i 模型：国际化标准组织( i s o ) 为描述网络协议软件而设计的一种七层模型， 被称为开放系统互联参考模型o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 。这个模型中从下 向上依次是物理、数据链路、网络、传输、会话、标识、应用层。 t c p i p ：现行i n t e r n e t 的协议族，用链路层、网络层、运输层和应用层四层来实现 数据通信。i p 协议和t c p 协议是其中最主要的两个协议。 i p v 4 ：t c p i p 协议族中网络层协议( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 的第4 版，即现行i n t e r n e t 网络层协议。 数据链路层：o s i 模型和t c i p 中都具有的一层。在协议栈实现中，直接驱动物理 层硬件，为网络层提供通信的低层接口。 节点( n o d e ) ：实现了i p v 6 的网络设备。 路由器( r o u t e r ) ：对i p v 6 数据包进行存储转发的节点。 主机( h o s t ) ：不是路由器的节点。 上层( u p p e rl a y e r ) ：协议栈中，处于i p v 6 之上的协议层。如含有t c p 、u d p 协议 的传输层，或控制协议i c m p 。 链路( 1 i n k ) ：通信设备或者媒介，通过它节点可以在数据链路层进行通信。例如 e t h e r n e t 提供的通信通道。链路内的设备可直接进行端到端通信。 接口( i n t e r f a c e ) ：连接节点与链路的装置。 邻居：同一链路相连的节点。 地址：接口在i p 层和数据链路层的标识。在i p 层的标识称为i p 地址，现在的 i n t e r n e t 大部分使用i p v 4 协议和i p v 4 地址，下一代i n t e r n e t 使用i p v 6 协议和i p v 6 地址。在数据链路层的标识符称为数据链路地址或m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 地址。 前缀：由一个地址的最开始的若干数字组成的位串。 数据包分组( p a c k e t ) ：按i p 层协议格式封装的数据，包括协议首部和作为有效载 荷封装的数据。 数据报( d a t a g r a m ) 数据段( s e g m e n t ) ：按传输层协议封装的数据，包括协议首部 和作为有限载荷封装的数据。数据报指u d p 格式数据，数据段指t c p 格式数据。按上层 协议( 含i c m p ) 格式封装的数据又统称数据报文。 2 3ip v 6 首部 虽然整个i p v 6 数据包和i p v 4 在以太网帧里封装的位置都是一样，但i p v 6 采取了与 i p v 4 不同的首部封装策略。i p v 6 的首部分为基本首部和扩展首部n 0 1 。 2 3 1 基本首部 i p v 6 的基本首部是每个i p v 6 数据包都必须有的，它携带了数据包的基本信息，如 图2 - 2 所示。 版本字段：占4 位，标识这个数据包的i p 层协议的版本号。i p v 6 数据包中，这个 6 工业以太网i p v 6 技术研究与实现 字段的值总是6 ，代表i pv e r s i o n6 。 传输类型字段：长度为8 位，可用于初始节点和或路由器标识和区分不同i p v 6 包 的类别或优先级。在i p v 6 中设计此字段时，参考了在使用i p v 4 的服务类型和或优先 级位来为i p 数据包提供不同形式的”区别服务”的经验，希望能在i p v 6 中提供了相似的 功能。 o 4 1 2 1 6 3 2 版本传输类型流标签 载荷长度下一首部跳数极限 信源地址 信宿地址 图2 2i p v 6 基本首部 f ig 2 - 2i p v 6h e a d e r 对这个字段的在传输中的利用和它到底能提供什么样的性能的研究还在进行中。但 i e t f 已经提出了传输类别字段所应满足的总的要求： 节点中i p v 6 服务的服务接口必须为上层协议规定一种给初始包提供传输类别数据 位的值的方法。 支持部分或全部传输类别数据位的某一特定( 实验性的或最终标准) 用法的节点可 以根据其用法修改它们所生成的，传输的或者收到的包中的这些位的值。如果节点不支 持这一用法，应忽略这些位，并保持其值不变。 上层协议不应假定所收到的包中传输类别数据位的值与源节点发送此包时的值相 同。 流标签字段：占2 0 位，用于源节点标识那些需要i p v 6 路由器特殊处理的包的序列， 比如非缺省质量的服务或者“实时 服务。目前i p v 6 在这方面尚处于实验阶段，并且随 着因特网上支持数据流的要求变得越来越清楚，它还可能有所改变。不支持数据流标签 字段功能的主机和路由器应在初始化数据包的时候将此字段设为零，传输包的时候保持 不变，接收包的时候忽略。 载荷长度字段：1 6 位无符号整数，标识i p v 6 有效载荷的长度，就是以字节为单位，在 这个包中i p v 6 首部后面的其余部分的长度。扩展首部将被认为是有效载荷的一部分， 计算在长度里。 i p v 6 的基本首部长度固定为4 0 字节，不计在有效载荷之内，而基本首部中也没有 对应于“首部长度 的字段。 下一首部字段：占8 位，标识紧接在i p v 6 首部后面的下一个首部的协议类型，使 用与i p v 4 协议字段相同的数值。表2 2 列出了部分下一首部值u 。 跳数极限字段：8 位无符号整数，标识数据包的存活限制。其值在每个传输此包的 7 工业以太网i p v 6 技术研究与实现 节点处递减1 。如果跳数限制减为零，就抛弃此包。 信源地址字段：1 2 8 位，标识数据包的封装节点的地址。 信宿地址字段：1 2 8 位，标识数据包的预期接收节点的地址。如果这个数据包存在 路由首部，这个地址可能不是最终的接收节点。 表2 - 2 部分下一首部值 t a b 2 - 2n e x th e a d e rv a l u e i p v 6 的基本首部的八个字段是i p v 6 数据包必须包含的信息，而且大多数i p v 6 数据 包只需使用这些信息就足以完成网络层的通信。虽然i p v 6 基本首部比i p v 4 首部长，但 内容更简洁，处理效率并不会降低。 2 3 2 扩展首部 i p v 6 采用了一个固定基本首部加上一组可选的扩展首部的组合模式，这是对一般性 和有效性折衷的选择。为了保证i p v 6 的通用性，除了基本首部提供的给本功能外，还 必须包含支持分片、路由及鉴别等功能。这些功能不作为固定字段，而被独立的设计成 扩展首部。 扩展首部只提供给那些需要使用这个功能的节点。在一个i p v 6 数据包投送路径上的 中间节点都不检查或处理扩展首部，只有数据包基本首部指定的目的节点才处理所有的 首部。可见，在传送路径上的中间节点在分析i p v 6 基本首部时的效率与分析i p v 4 首部 时的效率基本是相等的。 处理首部时，节点必须严格按照扩展首部在数据包中出现的顺序依次处理。当一个 数据包中同时出现多个扩展首部时，应该按照如下的顺序封装： i p v 6 基本首部 跳到跳选项首部 信宿选项首部l 路由首部 分片首部 认证首部 封装安全载荷首部 信宿选项首部2 8 工业以太网i p v 6 技术研究与实现 上层协议首部 其中信宿选项首部1 由i p v 6 目的地址字段及路由首部列出的后续地址中第一个出 现的目的地址处理。信宿选项首部2 只由数据包的最终目的地址处理。 ( 1 ) 选项 当前己定义的扩展首部中的两个跳到跳选项首部和信宿选项首部携带不定 数量的，以类型一长度值( t l v ) 格式进行编码的选项，其格式如图2 - 3 所示。 o81 6 至耍亘二匹亟圃堑援垂= 二 图2 3i p , v 6 扩展首部的选项 f i g 2 - 3o p t i o ni ni p v 6e x t e n s i o nh e a d e r 选项类型：8 位标识符，标识选项的类型。 选项数据长度：8 位无符号整数。以字节为单位的选项数据字段的长度。 选项数据：可变长度字段。依选项类型而不同的数据，详细说明可参考文献 1 0 。 ( 2 ) 跳到跳选项首部 跳到跳选项首部用于传送必须由包传送路径中的每个节点检测的可选信息。跳到跳 选项首部由i p v 6 首部中“下一个首部”字段值为0 来标识，并且具有如图2 - 4 的格式。 图2 - 4i p v 6 跳到跳选项首部 f ig 2 - 4h o p b y h o po p tio n sh e a d e r 下一首部：8 位选择器。标识紧跟在跳到跳选项首部后面的首部的类型。使用与i p v 4 协议字段相同的数值。 首部长度：8 位无符号整数。以8 个字节为单位的跳到跳选项