（通信与信息系统专业论文）层次移动ipv6协议的研究与实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 摘要：随着计算机和网络技术的迅速发展，以i n t e m e t 为代表的信息网络给人们的 生活带来了巨大的变化，而移动i p v 6 协议的提出又为移动用户提供了很好的服务 移动i p v 6 协议使得移动节点在不同子网间移动时既不中断与通信对端的通信，又 不用改变其本身的m 地址，仍然可以保持与原有网络的连接。这样就允许用户在 任何地点任何时候都能够获得他们想要的服务。但是由于移动i p v 6 协议本身的局 限性，当移动节点m n 与其家乡代理h a 之间的距离较远时，移动i p v 6 切换过程 的各种操作产生的切换时延较大，从而引起一定数据包的丢失，直接影响通信的 质量，尤其对于实时性要求高的业务无法适用。 本文主要围绕这一问题提出了一种新的解决方案。首先介绍移动i p v 6 协议原 理，然后针对该协议存在的问题讨论了切换时延的两种优化方式，并对这两种方 式进行了比较。经分析比较发现这两种方法分别针对的是移动节点切换过程中转 交地址的形成以及新地址的注册过程，并没有从节点的整个切换过程进行优化 因此，本文结合这两种方法，提出了一种新的、自适应的快速层次移动i p v 6 切换 时延优化方法，这种方法不仅分别具有快速移动i p v 6 与层次移动i p v 6 协议的特性， 而且增加了自适应的特点，使得移动节点可以根据自己的移动性特征来自适应的 选择路由的优化。本文还对该方法进行了切换时延方面的性能分析。文章最后重 点进行的是层次移动i p v 6 协议的设计与初步实现。这一工作的展开首先基于对现 有实现的分析，发现现有实现不仅从理论依据还是实现平台上，都与我们所要求 的存在一定的差别，因此无法直接通过修改现有实现来达到我们的设计目标。所 以本文进行了在l i n u x - 2 6 内核下，关于层次移动i p v 6 协议标准r f c 4 1 4 0 系统主 要函数的设计以及功能分析，并给出了初步的实现。最后简单探讨了层次移动i p v 6 协议在双栈中的应用。 关键词：移动i p v 6 ：层次移动i p v 6 ：自适应 分类号：t n 9 1 5 ，0 4 a b s t r a ( 可 a b s t r a c t b s i r c b w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e ra n dn e t w o r kl e c h n o l o s y , i n f o r m a t i o nn e t w o r k s , e s p e c i a l l yt h ei n t e r n e t , 晰i l gg r e a tc h a n g e si np e o p l e si i f c t h ep r o p o s e dm o b i l e 6 a l l o w sam o b i l en o d et om o v ef r o mo n el i n kt oa n o t h e rw i t h o u tc h a n g i n gt h em o b i l e n o d e s ”h o m ea d d r e s s ”p a c k e t sm a yb er o u t e dt ot h em o b i l en o d eu s i n gt h i sa d d r e s s r e g a r d l e s so ft h em o b i l en o d e sc u r r e n tp o i n to fa t t a c h m e n tt ot h ei n t e r n e t t h em o b i l e n o d em a ya l s oc o n t i n u et oc o m m u n i c a t ew i t ho t h e rn o d e s ( s t a t i o n a r yo rm o b i l e ) a f t e r m o v i n gt oan e wl i n k a st h el i m i t e do f m o b i l ei p v 6p r o t o c o li t s d f , w h e nam o b i l en o d e i s 缸f r o mi t sh o m ea g e n t , d e l a y sb l 舯嗍m na n dh aw i l ld i s r u p ta c t i v ec o n n e c t i o n s e v e r yt i m eah a n d o f ft oan e wa r i sp e r f o r m e d e l i m i n a t i n gt h i sa d d i t i o n a ld e l a y e l e m a n tf r o mt h et i m e - c r i t i c a lh a n d o v e rp e r i o dw i l l s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h e p e r f o r m a n c eo fm o b i l ei p v 6 h i e r a r c h i c a lm o b i l i t ym a n a g e m e n tf o rm o b i l ei p v 6i s d e s i g n e d t or e d u c et h ea m o u n to f s i g n a l l i n gb e t w e e nt h e m o b i l en o d e i t s c o n e s p o n d e n tn o d e s ，a n di t sh o m ea g e m i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s ean e wa d a p t i v eo p t i m i z a t i o ns c h e m ei n t e g r a t e df a s tm o b i l e i p v 6w i mh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 w h i c he n a b l e sa n yc n st os e n dp a c k e t st oa nm n w i t h o u th e l p so f t h ei n t e r m e d i a t em o b i l i t ya g e n t i nt h i sp a p e r , w ed e s c r i b em o b i l ei p v 6 p r o t o c o la n da n a l y z i n gi t se x i s t i n gp r o b l e m s ，f i r s t l y i ns e c t i o n2 ，w ec o m p a r et h et w o o p t i m i z a t i o ns c h e m e sp r o p o s e db yl e t f w ei n t r o d u c ea na d a p t i v er o u t i n gs c h e m e b a s e do nf m i p v 6a n dh m i p v 6 b yt h i sw a y , p a c k e t sc a nb ed e l i v e r e da d a p t i v e l yt om n d e p e n d i n go ni t sm o b i l i t y a f t e rt h a t , i tf o c u s e so nt h ed e s i g n i n ga n di m p l e m e m a t i o no f h m i p v 6p r o t o c 0 1 t h i sw o r ki sb a s e do nt h ea n a l y s i n gt h ee x s i t i n gi m p l e m e n t a t i o n t h e nc o m p l e t et h ed e s i g no fm a i nf u n c t i o n s ，a sw e l la st h ei m p l e m e n t a t i o n i nt h ee n d ， d i s c u s s e si t sa p p l i c a t i o ni nd u a ls t a c kn e t w o r k k e y w o r d s ：m o b i l ei p v 6 ( m i p v 6 ) ；h i e r a r c h ym o b i l ei p v 6 ( h m i p v 6 ) ；a d a p t i v e c l a s s n o ：t n 9 l5 0 4 致谢 本论文的工作是在我的导师周华春副教授的悉心指导下完成的，周华春老师 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年 来周老师对我的关心和指导。 周华春老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向周华春老师表示衷心的谢意。 感谢实验室的张宏科老师。作为国内通信领域的知名专家。张老师准确地预 测和把握通信领域的发展方向，保证了实验室国内领先的科研水平，为我们提供 了很好的实验环境还有实验室的秦雅娟等老师，他们对于我的科研工作和论文 都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，朱鸿雷师兄、沈剑师兄、杨跃峰师兄以及陈 艳敏师姐经常给予我指导。还有与我并肩学习、工作过的曹宏亮、乔鹏、吴恒奎、 陈晓华、关剑锋、瞿伟、陈豪、冯伟以及陈健等同学也对我论文中的研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢我的家人和朋友们，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 北京交通大学硕十学位论文 l 引言 本章首先介绍课题的研究背景，讨论层次移动i p v 6 协议在国内外的研究现状。 然后说明本课题的研究意义以及论文的主要工作 1 1 研究背景 随着信息网络技术的迅速发展和各种新业务的不断出现，越来越多的人希望 通过各种无线1 p 设备，以移动的方式接入到互联网，对网络资源进行随时随地的 访问。移动i p 就是在原来i p 协议的基础上为了支持节点移动而提出的解决方案1 1 1 移动i p v 6 在当前 n t e m e t 基于网络前缀路由前提下，使得移动节点在不同的网络 问不断移动过程中仍能保持通信，是一个在i n t e m e t 上基于网络层提供移动支持功 能的解决方案 2 1 与改交i p 地址、特定主机路由的链路层方案不同，移动i p v 6 具 有扩展性、可靠性和安全性。它与下层的物理传输介质无关，不需要改变移动节 点的固定的i p 地址，与现有的i n t e m e t 协议兼容，能够与不具有移动i p v 6 功能的 节点进行正常的通信。 移动i p v 6 允许节点在i n t e m e t 中移动，保持可达性，并维持移动节点和通信 对端之间j 下在进行的通信为此，移动节点在发生移动后，需要向其家乡代理以 及所有的通信对端发送绑定更新注册它的当前位置。每当移动时，认证绑定更新 消息大约需要1 5 倍移动节点与通信对端之间的往返时间此外，更新家乡代理也 需要1 倍的往返时问，更新通信对端也与之相似。每当移动节点切换到新的接入 路由器时，这些往返时延将会使当前j e 在进行的通信中断尤其对某些实时性要 求较高的业务根本无法适用如果从时间关键的切换期间消除这些额外的切换时 延，则将会显著提高移动i p v 6 的性能，进而提高整个网络的性能。 为解决移动i p v 6 切换时延的问题，i e t f 提出了快速移动i p v 6 t 3 i 与层次移动 i p v 6 1 4 1 。快速移动i p v 6 允许移动节点还在原来的接入路由器时就可以获得新的接入 点和相关子网i i 缀的信息，从而可以预先产生新的转交地址。同时要求移动节点 在新旧接入路由器之间建立一条隧道。这样不仅减少了移动1 p v 6 中移动节点切换后 才通过一系列操作配置转交地址的时延，而且m n 在切换期自j 仍然可以接收到通信 对端( c n ) 发来的分组，降低分组的丢失率 层次移动i p v 6 贝l j 是通过引入一个新的功能实体移动锚点。利用“区域划 分”的思想，在逻辑上将整个网络划分成不同的“域”，每个域由这一特定的移 动锚点来管理。这个特殊的实体将充当移动节点的一个临时家乡代理将转发移动 引言 节点与通信对端之间的分组。层次移动i p v 6 使用两个转交地址：链路转交地址l c o a 与区域转交地址r c o a ，区分出移动节点在移动锚点域内的微移动与移动锚点域间 的宏移动。当移动节点在一个移动锚点域内微移动时，只有链路转交地址l c o a 发 生改变。而区域转交地址r c o a 并不发生变化这时移动节点只需要将变化的链路 转交地址l c o a 向移动锚点进行注册更新，而不必向家乡代理以及通信对端发送绑 定更新( b u ) 进行注册。这样避免了移动节点每次移动后都需要向家乡代理以及 通信对端发送b u 消息，因此减少了切换时延。 1 2 国内外研究现状 2 0 0 4 年6 月，i e t f 公布了r f c 3 7 7 5 ，作为移动i p v 6 的建议标准，也结束了移动 i p v 6 的草案状态。在移动i p v 6 中，由于采用i p v 6 巨大的地址空臼j ，使得地址的自动 配置变得非常简单，移动节点通过使用邻居发现可以简单快速地获得转交地址， 不再需要通过外地代理来获取外地代理的转交地址。另外，路出优化作为移动i p v 6 的基本功能实现，而不再像移动i p v 4 1 5 1 9 是作为可选的部分。通信对端发出的数据 包使用i p v 6 路由头直接发送到移动节点，而不再像移动i p v 4 那样需要对所有的数据 包进行封装。 移动节点从一个子网移动到另一个子网就产生了切换。移动节点在新的子网 上获得新的转交地址，新的转交地址不同于前一个网络上的转交地址，因此，移 动节点需要向家乡代理重新注册，以及向通信对端重新绑定。移动i p 是关于第三层， 即网络层上的协议，由于消息传输和协议处理都需要时自j ，加上无线链路的高误 码率、无线信号强度动态变化等多方面的原因，切换可能导致移动节点在一定时 问内不能发送和接收数据分组，引起通信对端与移动节点之间的通信暂时中断。 如何保持通信的连续性，支持各种实时应用。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i p 研究中重点关注的问题。移动i p 标准定义了移 动检测、转交地址获取和重新绑定等基本过程，在此基础之上，人们为了不同的 目的提出了各种切换技术，保证已有连接的通信服务质量。移动i p 协议属于网络层 的协议，为了具有通用性。设计为与链路层协议保持相对独立。但这对切换带来 负面的影响。移动节点只有在与直接连接的外地代理或接入路由器的链路层切换 完成后通过网络层协议获得转交地址，才能启动注册或绑定更新过程。为了减 少切换对服务质量的影响，目前主要提出了以下几种切换方法。 低延迟切换1 6 1 - - - 4 氐延迟切换是在移动i p v 4 基础上提出的，主要目的是使移动 节点在切换过程中通信连接中断的时间达到最小。它定义了预先注册，过后注册 2 北京交通大学硕七学位论文 和联合切换三种切换方法在预先注册切换方法中，当移动节点在当前外地网络 时，在发生切换之前就与新的外地网络上的外地代理进行通信，在新外地代理上 建立它的注册状态，加快切换处理过程在过后注册切换方法中，移动节点在新 的外地网络上正式注册过程完成之前，新旧外地代理利用二层触发建立双向隧道， 移动节点继续使用前一个外地网络上的转交地址，通过前一个外地网络的外地代 理维持已有通信连接，减小对实时应用的影响。联合切换方法同时执行预先注册 切换和过后注册切换，如果预先注册切换可以在二层切换完成前完成，联合切换 转化为预先注册切换如果预先注册切换没有完成，旧外地代理像过后注册切换 方法那样，目的地是移动节点的旧转交地址的分组被转发到新的外地代理 平滑切换l7 l j f 滑切换的目的是在切换过程中，不仅要使切换速度快，还要 切换尽量平滑，这就需要考虑状态信息的转移问题。它使用移动i p 、，6 中的“绑定更 新”消息携带转移的状态信息其切换可以分为两种情况，即网络控制移动协助 0 q c m a ) 和移动控制网络协助不协助( m c n a ) 。在n c m a 情况下，网络能够知道移 动节点将要切换到哪个路由器，旧接入路由器提前与新接入路由器通信，并在其 上建立请求状态。在m c n a 情况下，移动节点的i p 层能够收到切换即将发生的通知， 收到通知后可以立刻发送移动i p v 6 的相关消息1 8 1 在两种情况下，移动节点需要为 状念传输发送必要的消息。 快速移动i p v 6 ， i p f m i p v 6 ，是对移动i p v 6 协议的扩展。允许m n 在原来的接入 路山器时就可以获得关于下一步将要移动到的新的接入点和相关予网前缀的信 息，从而可以预测节点切换后新的转交地址这样就减少了移动i p v 6 协议中m n 切 换后才通过一系列操作获得转交地址的时延同时快速移动i p v 6 要求m n 在获得新 的转交地址后在新旧接入路由器之间建立一条隧道。这样即使在移动节点离开旧 的接入路由器，发生切换期间仍然可以接收到通信对端发送分组。原来的接入路 由器将会截获这一分组，并通过隧道转发到新的接入路由器处。新的接入路由器 在未收到移动节点的通告时先缓存这一分组，等待移动节点的确移动到此接入路 由器时，将分组发给移动节点新的转交地址处，移动节点就能够接收到对端的分 组所以这种方式也可以减少切换过程中通信中断的时问。 层次移动i p v 6 ( h m i p v 6 ) ，通过采用层次型路由结构，减少移动节点与家乡代 理和通信对端的信令交互数量，减少切换引起的通信中断时问。在层次移动i p v 6 中，引入了一个新的功能实体，称为移动锚点( m a p ) 。一个区域包含多个子网， 予网的个数根据情况可以变化。每个子网都有接入路山器，每个区域都有一个 m a p 。移动节点通过接收包含m a p 信息的路由通告配置特定区域的转交地址 ( r c o a ) ，然后使用这一地址向家乡代理以及通信对端进行注册。另外，移动在 一个m a p 域内，同时还会获得一个链路转交地址( l c o a ) 。当移动节点在这一个 引言 m a p 域内移动时，区域转交地址并不发生变化，这时就不需要向家乡代理以及通 信对端重新进行绑定，这样就减少了移动节点在m a p 域内的子网间移动时因切换 而引起的通信中断时间 本文主要针对移动i p v 6 协议的切换时延问题，提出了一种新的切换时延优化方 法，并对这一方法进行了说明分析。另一方面本文主要进行的是层次移动i p v 6 协议 的设计与初步实现 1 3 选题意义 关于移动i p v 6 的优化一直是业界讨论的热点问题。所以本文研究移动i p v 6 切换 时延优化也具有很大的意义。当前移动i p v 6 协议的研究主要就是集中于在l i n u x 高 版本上进行的，在此基础上完成对层次移动i p v 6 协议的支持，将会减少移动节点的 切换时延，进而可以支持实时性业务的发展。同时也有剩于当前飞速发展的多媒 体业务的进一步- 丌展。 论文所做工作是铁道部“铁路移动用户i p 管理技术研究与实践”、国家8 6 3 “高 性能i p v 6 路由器协议栈软件滚动项目”以及c n g i 项目“互联网和移动通信融合的 业务试验”的一部分，旨在研究移动i p v 6 协议的基础上，提出一种新的切换时延优 化方法，并对其性能进行了分析比较。同时完成层次移动i p v 6 协议标准的设计与初 步实现，并讨论了层次移动协议双栈中的应用。 i 4 论文工作 本论文主要讨论移动i p v 6 协议的优化问题，通过分析对比i e t f 提出的快速移 动i p v 6 与层次移动i p v 6 。提出了一种新的、自适应的快速层次移动i p v 6 切换时延优 化方法，并对这一方法进行了简单的性能分析。然后进行层次移动i p v 6 协议的设计 与初步实现。其中，首先对现有实现进行分析，在此基础上与层次移动i p v 6 标准进 行比较，从而完成我们对协议中主要函数的设计以及分析。在主要函数的设计中， 具体给出了每个功能实体主函数的功能流程。最后对协议进行了初步的实现，并 通过分析抓取的数据包对协议的实现进行验证。由于当前网络绝大部分还是i p v 4 的网络，所以在文章的最后我们有必要讨论一下层次移动在i p v 4 与i p v 6 双栈网络中 的应用。 论文的具体组织结构如下： 4 北京交遁大学硕士学位论文 第1 章介绍了本文的研究背景。在此基础上综述了层次移动i p v 6 协议在国内外 的研究现状和选题意义最后指出了本论文的主要工作以及论文的组织结构 第2 章阐述移动 v 6 协议的原理，分析i e t f 提出的两种切换时延优化方法， 并对这两种方法进行了比较 第3 章结合1 1 p 提出的层次移动口v 6 与快速移动i p v 6 切换时延优化方法，提出 了一种新的自适应快速层次切换时延优化方法，详细分析了该方法的具体操作过 程，并进行了简单的性能分析。 第4 章研究层次移动i p v 6 协议的设计与初步实现。首先明确我们的设计目标， 然后根据对现有实现的分析，确定设计思路。最后进行层次移动i p v 6 协议主要函数 的设计与初步实现。其中从每一个功能实体出发，给出了具体的功能流程并对 做出的实现利用e l i l 蒯工具抓取数据包分析消息格式及其内容验证其正确性。 第5 章分析层次移动i p v 6 协议在双栈中的应用。 最后总结全文，针对本课题的研究方向以及下一步的工作迸行了探讨。 移动i p v 6 协议 2 移动i p 、，6 协议 由于层次移动i p v 6 协议是对移动i p v 6 协议的扩展，所以本文首先介绍移动i p v 6 协议本身。根据移动i p v 6 协议的原理及其具体的操作，指出协议存在的切换时延问 题。最后针对这一问题，分别介绍了正仃提出的两种切换时延优化方法其中重 点分析层次移动i p v 6 协议，并对这两种优化方法进行了比较。 2 1 移动i p v 6 协议原理 本节首先对移动i p v 6 协议进行整体概述，然后从移动节点这一功能实体出发， 分别描述了节点发生切换后转交地址的获取以及对家乡代理和通信对端的注册。 2 1 1协议概述 无论移动节点是否连接在家乡链路上，它的家乡地址总是可以设定的。家乡 地址是指定给节点的家乡子网前缀范围内的i p 地址。当移动节点在家乡网络时，发 送给家乡地址的数据包会路由到家乡链路，使用传统路由机制。 当移动节点连接在外地链路时，它的转交地址是可设定的。转交地址是与节 点的特定外地链路前缀有关的i p 地址。移动节点可以使用有状忿或无状态地址自动 配置协议 9 1 获得转交地址。只要节点还在此位置，指向转交地址的数据包就能够路 由到节点。移动节点可以从多个转交地址接收数据包，就像节点正在移动，但从 蔚一个链路仍然可达。 家乡地址与转交地址之自j 的关系被称为“绑定”。当在外地链路时，移动节 点会在作为家乡代理的路由器上注册当丽的转交地址。移动节点通过向家乡代理 发送“绑定更新”报文来执行绑定注册。家乡代理响应一个“绑定确认”报文。 与移动节点通信的节点称为“通信对端”，它既可以是移动的也可以是固定 的。移动节点通过对端注册向通信对端提供它当前的位置信息，通信对端返回一 个返回路由可达过程的报文来认证绑定的建立。 移动节点与通信对端之自j 有两种通信模式。第一种模式是双向隧道，这种模 式不需要通信对端支持移动i p v 6 ，而且，即使移动节点没有在通信对端注册当前的 地址，这种模式仍然可以使用从通信对端发出的数据包会路由到家乡代理，再 通过隧道发往移动节点。从移动节点发出的数据包先通过隧道发往家乡代理，再 以正常的方式路由到通信对端在这种模式中，家乡代理在家乡链路上使用邻居 发现协议【lo j 截取指向移动节点家乡地址的数据包。被截取的数据包通过隧道发送 6 北京交通大学硕士学位论文 到移动节点当前的转交地址该隧道采用i p v 6 封装 第二种模式是路由优化，需要移动节点向通信对端绑定当前的转交地址从 通信对端发出的数据包可以直接路由到移动节点的转交地址当发送到任意i p v 6 地址的数据包时，通信对端都会检查缓存的绑定条目若找到匹配的条目，节点 就使用新的i p v 6 路由头，将数据包路由到绑定条目指定的转交地址 将数据包直接发送到直接发送到移动节点的转交地址可以得到最短的通信路 径。同时也避免了家乡链路与家乡代理的阻塞。此外，还能减轻家乡代理和相关 链路的故障所引起的影响 当直接向移动节点发送数据包时，通信对端将目的地址设为移动节点的转交 地址。同时在i p v 6 的扩展头中加入新型的路由头，包含所要求的家乡地址。类似的， 移动节点将数据包的源地址设为当前的转交地址，在i p v 6 的扩展头中加入新的目的 头，包含要求的家乡地址在数据包中包含家乡地址，使得转交地址的使用对于l p 层以上的协议来说是透明的 ， 移动i p v 6 还支持多家乡代理，和有限的家乡链路重配置。在这种情况下，移动 节点可能不知道家乡代理的i p 地址，甚至家乡链路的子网前缀也会随时问而改变。 “动态家乡代理地址发现”机制允许移动节点动念的发现家乡代理的i p 地址，即使 移动节点在外地。移动节点还可以使用“移动前缀发现”机制得到关于家乡予网 前缀的最新信息。 2 1 2 获取转交地址和家乡注册 连接到外地链路后，通过常规的i p v 6 无状态或有状态的自动配黄机制，移动节 点可以获得一个或多个转交地址。转交地址的予网前缀是移动节点正访问的外地 链路的子网前缀。只要移动节点一直连接到这个外地链路，目的地址是这个转交 地址的分组都会被转发到移动节点处 移动节点在外地网络获得转交地址后，需要向家乡代理进行注册，为移动节 点的家乡地址和转交地址在家乡代理上建立“绑定”，使得家乡代理能够把只知 道其家乡地址的节点发来的分组转发到移动节点的当前位置。这一过程也称为 。家乡注册”移动节点首先向家乡代理发送“绑定更新”消息进行注册，绑定 更新中包含移动节点的家乡她址、当前转交地址。若家乡注册成功，家乡代理返 回一个“绑定确认”消息，通知移动节点其家乡地址与新的转交地址已经建立了 绑定。同时在该绑定确认中也表明了绑定的有效期。随后移动的家乡代理使用“代 理邻居发现”机制，在家乡链路上截取目的地址是移动节点家乡地址的所有i p v 6 分组，然后通过隧道将它们转发到移动节点当前所在的转交地址处在隧道中， 7 移动i p v 6 协议 家乡代理对数据分组使用i p v 6 封装，把移动节点的转交地址放在外层i p v 6 报头的目 的地址字段中。 2 1 3与通信对端的通信 对于任何正在与移动节点进行通信的通信对端，它可能是静止的节点，也可 能是移动节点。移动i p v 6 也允许移动节点在通信对端上进行类似“家乡注册”的绑 定注册过程，称之为“通信对端绑定”。为了保证这一绑定的安全，移动i p v 6 协议 规定这一绑定的建立必须经过“返回路由可达过程”的认证与授权返回路由可 达过程包含两次消息的交换，一次需要经过家乡网络，而另一次是直接的交换 返回路由可达过程目的在于确定移动节点对它的家乡地址与转交地址是否可达。 在移动节点向家乡代理发送绑定更新之后随时都可能发起返回路由可达过程。即 移动节点向通信对端发送一个家乡测试初始消息h o t i 与转交测试初始消息c o t i h o t i 是隧道到家乡代理的，然后由家乡代理转发到通信对端。而c o t i 是由移动节 点直接发到通信对端的。 当通信对端接收到h 0 1 1 时，就会产生一个家乡密钥令牌，并在响应的家乡测 试消息h o t 中返回给移动节点的家乡地址。移动节点需要家乡密钥令牌来表明它是 该家乡地址的合法搠有者。同样，当通信对端接收到c o t i 时，也会向移动节点的 转交地址发送一个包含转交密钥令牌的转交测试消息c o t 。移动节点需要此转交密 钥令牌来证明它对颞转交地址的可达性。令牌的产生是基于移动节点的家乡地址 和转交地址的无法预告的n o n c e s 以及一些备用的数据。作为注册协议的部分，将有 大量信息要通信。比如说，通信对端最后都会重新计算这两个令牌，因此也不需 要专门存储这两个令牌。注意到，虽然有些移动i p v 6 是按照顺序来进行信息交互的， 但标准的或者是更有效的是以并行方式进行的。家乡密钥令牌和转交密钥令牌的 产生需要3 5 分钟，若在此期问，移动节点又一次改变了它的转交地址，此时就会 重新利用它的家乡密钥令牌。h o d h o t 与c o t l c o t 的交换被称为家乡地址测试与 转交地址测试。 r f c 3 7 7 5 建议使 羽i p s e c ” e s p 隧道模式来认证并加密移动节点与家乡代理之 问的h o t i 与h o t 。在家乡注册期间。家乡代理负责更新新的隧道端点对应的安全 联盟。 一旦移动节点接收到通信对端发送的h o t 与c o t ，以及家乡代理发出的绑定确 认时，就会根据家乡密钥令牌与转交密钥令牌计算一个绑定管理密钥。然后移动 节点就会向通信对端发送一个绑定更新，要求通信对端将家乡地址与转交地址建 立绑定。这个绑定更新包含一个消息认证编码和绑定管理密钥。当通信对端接收 8 北京交通丈学硕士学位论文 到绑定更新时，首先就会确定移动节点拥有绑定更新中携带的家乡地址，其次认 为家乡地址绑定的转交地址是可达的移动节点有选择的可能会要求通信对端返 回一个绑定确认，这个过程可能通过在绑定更新中设置确认标志位来完成 h o m et e ah l i t 和c a r e 旬f t e s tl n i t 报文同时发送该程序只需要通信对端作少量 的处理，h o m e1 - e s t 和c a r e - o f t e s t 报文可以很快的返回。可能几乎是同时的以下 是返回可路由程序的四种报文格式 h o m e t e s t i i l i t 移动节点向通信对端( 经过家乡代理) 发送h o m et e ai n i t 报文来获得家乡密 钥标识( h o m ek e y g e n t o k c o ) 报文的内容可总结为： 源地址= 家乡地址 目的地址= 通信对端 参数：+ h o m ei m tc o o k i e h o t i 报文把移动节点的家乡地址传输给通信对端。移动节点还会同时发送 h o m e m i tc o o h e 给通信对端i 之后将它返回。h o t i 报文会通过家乡代理进入及向隧 道。移动节点保留这些c o o k e 值，用来确认它的协议报文被要求的通信对端处理了 c a r e o f t e s ti 咄 移动节点向通信对端发送c o t i 报文( 宜接，不经过家乡代理) ，来获得转交密 钥标识( c a r e - o f k e y g e nt o k e n ) 。报文的内容可总结为： 源地址；转交地址 目的地址= 通信对端， 参数：+ c a r e 吣f i n i tc o o k i e c o t i 报文将移动节点的转交地址传送到通信对端。移动节点同时给通信对端 发送一个必须返回的c a r e 巾f i n i tc o o k i e c o t i 报文直接发送到通信对端。 h o m e t e s t ， h o t 报文是响应h o t i 报文。通过家乡代理发送。报文的内容可总结为： 源地址= 通信对端 目的地址= 家乡地址 参数：+ h o m ei n i tc o o k i e + h o m e k e y g e nt o k e n + h o m en o n c ei n d e x 当通信对端收到h o t i 报文，它以如下的方式产生家乡密钥标识： h o m ek e y g e nt o k ：= f 妇( 6 4 ，h m a c _ s h a l ( k e n , ( h o m ea d d r e s sin o n c e l0 ) ) ) 这里j 表示串联。h m a c _ s h a l 中的最后的0 是一个单独的o 字节，用来区分h o m e c o o h e s 和c a r c - o f c o o 虹髂 9 移动i p v 6 协议 家乡密钥标识是由m a c 的前6 4 b i t s 形成的。移动节点可以收到的家乡密钥标识 测试是发送到它家乡地址的报文k e n 是在生成家乡密钥标识时使用的。它可以用 来证明通信对端产生的家乡b o t w ：e s 和转交n o n c e s ，而不用强追通信对端记住它所发 出的所有t o k e n 的列表。 h o 礅文被经过家乡网络发送到移动节点，这罩假设家乡代理会通过隧道将报 文转发给移动节点。这意味着移动节点已经给家乡代理发送了绑定更新报文，因 此家乡代理才能够在返回可路由程序之前接收和认证移动节点的新的转交地址。 安全性方面，家乡代理和移动节点之问的数据应该对探测和被动攻击免疫。这些 保护是通过加密家乡密钥标识( 在它从家乡代理隧道给移动节点时) 来得到的。 移动节点产生的h o m e i n i tc o o k i e 由h o t 报文返回，用来确认报文来自于家乡代 理与通信对端之间路径的一个节点。 家乡f l o n o e 索引被发送给移动节点，使得通信对端能够高效的找到用来生成家 乡密钥标识的n o n c e 值。 c 缸e - o f t e s t 该报文是响应c o t i 报文。该报文不通过家乡代理，直接发送到移动节点。报 文的内容可总结为： 源地址= 通信对端 目的地址= 转交地址 参数：+ c a r c - o f i n i tc o o k i e + c a r e o f k e y g e nt o k e n + c a l e o f n o n c ei n d e x 当通信对端收到c o t i 报文后，它以如下方式生成转交密钥标识： c a r e - o fk e y g e nt o k e n ：= f i r s t ( 6 4 ，h m a c _ s h a i ( k e n , ( c a r e - o fa d d r e s sln o n c e l 1 ) ) ) 这里，h m a cs h a l 函数中的最后一个“1 ”是值为o x o l 的字节，它用来区分 h o m ec o o k i e 和c a g e o f c o o k i e 。密钥标识是f l = i m a c 的前6 4 b i t s 生成的，直接发送到移 动节点的转交地址。c 0 1 r i 中的c a r e o f i n i t c o o k e 将被返回，用来确认报文来自于通 信对端路径的一个节点。 提供转交n o n c e 索引是用来谈别产生转交密钥标识的n o n c e 。家乡和转交n o n c e 索引可以相同也可以不同，分别在h o t 和c o t 报文中。 当移动节点收到h o t 和c o t 报文时( 两者都要有) ，返回可路由程序结束。程 序的结果是，移动节点得到了向通信对端发送绑定更新所需要的数据( k e y g t o k e n 和n o n o ei n d e x ) 。移动节点将两个t o k e n 合在一起形成2 0 个字节的绑定密钥k b m ： k b m 2 s h a l ( h o m ek e y g e nt o k e nic a r e o f k e y g e nt o k e n ) 北京交通大学硕士学位论文 绑定更新也可以用来删除以前建立的绑定。在这种情况下，可以不用转交密 钥标识相应的，绑定管理密钥可以如下产生： k b m = s r a i ( h o m ek e y g e nt o k e n ) 注意，通信对端不会对移动节点生成特殊的状态，直到它收到来自移动节点 的绑定更新遁信对端不会保留k b m 的值；当得到n o n c e 索引和移动节点的地址时 它生成一个k b m 移动节点生成绑定管理密钥k h n 后，它能够向通信对端提供一个可以证实的 b u 。这节描述这种注册的概述。图2 1 表示了移动节点与通信对端之间的信息流： m o b i l en o d e b i n d i n gu p d a t e ( b u ) ( m a c ，s e q # ，n o n c ei n d i c e s ，c a r e o f a d d r e s s ) p 一r v 一一 i i i 、脚d 嚷a c k n o w l e d g e m e n t 畔) 蜓州 ，； ：( m a c ，s e q # ，s t a t u s ) ，v 图2 - l 移动节点与通信对端之间的信息流 f i g 2 一it h ei n f o r m a t i o ns t r e a mb e t w e e nm n a n dc n 绑定更新( b i n d i n gu p d a t e ) 为了认证绑定更新，移动节点用密钥标识生成k b m 。b u 包含以下内容： 源地址= 转交地址 目的地址= 通信对端 参数：+ 家乡地址( 在家乡地址目的选项中，如果与源地址不同) + 序列号( 在b u 报文头中) + 家乡n o n c e 索引( 宅e n o n c e 索引选项中) + 转交n o n c e 索引( 在n o n c e 索引选项中) + f i r s t ( 9 6 ，h m a c _ s h a i ( k b m ，( c a r e - o f a d d r e s sjc o r r e s p o n d e n tib u ) ) ) b u 包含n o n c e 索引选项，指示通信对端用家乡和转交n o n c e 的哪一个来重新计 算k b m 。 一旦通信对端证实了m a c ，就为移动节点建立一个绑定缓存条目。 绑定确认( b i n d i n g a c k n o w l e d g e m e n t ) 某些情况下绑定更新由通信对端确认。报文内容如下； 源地址= 通信对端 目的地址= 转交地址 移动i p v 6 协议 参数：+ 序列号( 在绑定更新报文头中) + f i r s t ( 9 6 ，h m a c _ s h a l ( k b m ，( c a r e - o f a d d r e s slc o r r e s p o n d e n tib a ) ) ) 绑定确认含有与绑定更新相同的序列号 通信对端使用从返回可路由程序得到的密钥建立的绑定不能超过 m a xr rb i n d i n gl i f e l r i m e 的时间 承载b u 的i p v 6 头的源地址通常是绑定中使用的转交地址然而，包含替换转 交地址移动选项( a l t e r n a t ec a r e - o f a d d r e s so p t i o n ) 可以在b u 中说明不同的转交地 址当这样的报文发送给通信对端时，就会启动返回可路由程序作为认证方法， 必须对替换转交地址移动选项中的地址进行c a r e - o f t e s ti n i t 和c a r e o f t e s t ，丽不是 源地址 b u 也可以用来删除以前的绑定。这种情况下，k b m 的产生只依赖于家乡密钥 标识，而转交n o n c e 索引将被忽略。 通信对端周期的产生n o n c e 。在每一个n o n c e 首次用来构建的返回可路由报文响 应后，建议将它保留至少m a xt o k e nl i f e t i m e 的时间。然而，通信对端一定 不能接受距离首次使用超过m a xn o n c el i f e t i m e 时间的n o n c e 。因为两者之间 有3 0 秒的时间差，因此强制执行上述生存期的一个简便方法是每3 0 秒生成一个新 的n o n c e 这样，节点可以接受基于最后8 个n o n c e 生成的t o k e n s 。这导致t o k e n s 被发 送到移动节点后m a x1 o 融粼l i f e t i m e 到m a xn o n c el i f e t l m e 时间后是 否可接受，依赖于t o k e n 是在第一个3 0 秒的开始还是结尾发送的。注意，通信对端 可能在试图生成新的n o n c e ，或这如果旧的n o n c e 还在使用。这是可能的，只要通信 对端知道多久以前n o n c e 第一次使用，而且不在每个返回可路由请求中生成新的 n o n c e 由于资源有限，快速删除绑定或者通信对端重启时，不能总是记住产生t o k e n 所对应的n o n c e 。若n o n c e 索引不可识别，通信对端响应一个带错误码的b a 。移动 节点可以重新启动返回可路由程序。 k c n 应该与n o n c e 同时更新，这样n o n c e 索引就可以同时识别n o n c e 和密钥。旧的 k c n 值应该保留与n o n c e 同样长