（通信与信息系统专业论文）基于80211的移动ipv6无缝切换研究.pdf

摘要 摘要 移动互联网正成为互联网和通信界共同关注的热点。移动i p v 6 技 术使移动节点( m n ) 能在不同的i p 子网间漫游切换，同时保持对上层应 用的透明性，使上层通信不会被中断。m n 在子网间的切换会引入切换 时延，部分数据包有可能在切换过程中被丢失。随着越来越多的基于 i p 网的实时应用引入，如何减少m n 切换时延和数据包丢失率，提供基 于i p 的无缝切换，提高服务质量，是移动i p 研究的项重要内容。 无线局域网以较低的费用对诸如机场、图书馆等热点场所提供高 速无线服务已经越来越引起人们的重视，有着广泛的应用。但是单个 无线局域网的覆盖范围有限，并且只支持链路层漫游。移动i p 协议支 持移动节点在不同的无线局域网之间漫游时不用中断传输会话。这样， 可以使移动节点在个较大的范围内自由移动。 由于单纯的基于i p 层的切换不可避免的存在较大的切换时延，本 文在分析切换时延产生原因的基础上，结合8 0 2 1 l 网的具体情况，试 图利用第二层提供的关于物理信道的信息，实现i p 层的快速切换。在 快速切换的基础上，加入数据包的转发和缓存机制，实现移动i p 在的 无缝切换。并且在n s 2 仿真平台上实现了基于8 0 2 1 1 网的移动i p 的 无缝切换。 本文包含有以下主要内容：第一章为绪论，介绍了移动i p 的研究 背景和现状，分析了存在的问题。第二章主要介绍了标准移动i p 的原 理和实现机制，第三章着重介绍了基于8 0 2 1 1 网络的无缝切换的研究。 第四章在n s 2 仿真平台实现了基于8 0 2 1 l 网的i p 无缝切换，并对仿 真结果进行了分析。 关键词： 移动i p v 6 ，家乡代理，接入路出器，移动节点，无缝切换 a b s t r a c t a b s t ra c t m o b i l ei n t e r n e tisn o wah o t s p o ti nb o t ht h ei n t e r n e tw o r d a n dt h et e le c o m m u n ic a t i o nw o r ld w i t hm o b i lei p v 6 ，am o b i l en o d e ( m n ) c a nt r a n s p a r e n t l yr o a ma n dh a n d o v e ra c r o s sd if f e r e r l ti p s u b n e t w i t h o u td i s t u r b i n gu p p e r1 a y e r sc o m m h n i c a t io n h o w e v e r w h e nm nr o a m sa c r o s ss u b n e t s ，h a n d o v e rd e l a yisin t r o d u c e d ，a n d s o m eo ft h ed a t ap a c k e t sc o u tdb e1 0 s t a sm o r ea n dm o r er e a l t i m ea p p l i c a t i o i l sb a s e do ni pn e t w o r ka r ec o m i n gi n t oe x is t e n c e i t g e t se v e l lm o r ec r i t i c a t om i n i m iz et h eb a n d o v e td e l a ya n d p a e k e tl o s sr a t ef o rm nh a n d o v e ra sw e l la sp r o v i d i n gs e a m le s s i y i p b a s e dh a n d o v e r3 n d i m p r o v in go o s a sa c h e a pt e c h n 0 1 0 9 y f o r p r o v i d i n gh i g h s p e e dw i r e l e s s s e r v i c e sf o rh o t s p o ta r e a ss u c ha sa i r p o r t ，i i b r a r y ，e t c ，w l a n is g e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t h o w e v e ras i n g l ew l a nh a s 1 i m i t e dc o v e r a g ea n di t s t p p o r t so r l l y1 i n k 一1 a y e rh a n d o v e r b y s u p p o r t i n gi p 一1 a y e rr o a m in g m e b i l ei pm a k e si t p o s s i b l ef o rm n t or o a ma c r o s sw l a n sw i t hu n i r i t e r r u p t e dt r a n s m iss i o ds e s s i o d s ， t h u sa c t u a l l ye n l a r g em o v i n ga r e aa tm n s 1 ib e r t y h a n d o v e rp u r e i yb a s e do ni pl a y e rh a sa nu b a v 0 id a b l e1 a r g e r d e l a y b ya n a l y z i n gt h ec o n d i t i o n st h a tc a d s et h isd e l a ya n db y c o m b i n i n g t h ec h a r a c t e r is t ic so f8 0 2 1 1 n e t w o r k s ，t h i sp a p e r t r ie st or e a l iz eaf a s th a n d o v e ra ti p 1 a y e rb yu t i l iz i n g i n f o r m a t i o no fp h y s ic a l1 a y e rp r o v i d e db yt h e2 n d1 a y e r f u r t h e r ， b yp r o y id i n gp a c k e tc a c h in ga e df o r w a r d i n gm e c h a n is i l l ，s e a m l e s s h a n d o v e rb a s e do nm o b i l ei pc o u ldb er e a l iz e da n dt h is p a p e r i m p l e m e n t sam o d e lo fs e a m l essh a n d o v e ro fm o b ilei pb a s e do i 3 8 0 2 ，1 1d e t w o r ko nn s 2s i m u l a t io i l p 1 a t f o r m t h is p a p e r is o r g a n i z e da sf o l l o w s ：c h a p t e r 1 g iy e s a n jn t r o d u c t i o nf o rm o b i lei p i ta ls og iy e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d a b s t r a c t a n ds t a t u so ft h isa r e a 。a sw e l la se x i t i n gp r o b le m s r a t io l a le a n di m p le m e n t a t i o nm e c h a n is mo fs t a n d a r dm o b i l ei pisg i v e ni n c h a p t e r2 c h a p t e r3 c o v e r st h er e s e a r c ho ns e a m le s sh a n d o v e r i l q8 0 2 1 1n e t w o r k sa l l di nc h a p t e r4 ，a r li m p l e m e n t a t i o no fi p s e a m le ssh a n d o v e rin8 0 2 1 ln e t w o r k sb a s e d0 r ln s 2s i m u l a t i o n p l a t f o r m is g i y e n ，a n d t h es i m l j l a t i o r lr e s t l l tsa r ea n a l y z e d k e yw o r d s ： m o b i l e1 p v 6 ，h o m ea g e n t ，a c c e s sr o u t e r ，m o b i l en o d e ，s e a m l e s sh a n d o v e r i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 签名：肖4 毫砷日期：2 卯f 年s 月2 当日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科 技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：童堡空导师签名： 日期：2 一。岁 电子科技大学硕士学位论文 主要符号表 a p ( a c c e s sp o i n t ) 支持8 0 2 1 1 协议的无线接入点 a g ( a c c e s sr o u l e t ) 接入路由器 a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 地址解析协议 b f u ( b a c k w a r df o r w a r d i n gu n i c a s t ) 后向转发 c n ( c o r r e s p o n d e n tn o d e ) 通信对端节点 c o a ( c a r eo f a d d r e s s ) 转交地址 d h a d ( d y n a m i ch o m e a d d r e s sd i s c o v e r y ) 动态家乡代理地址发现 f b a c k ( f a s tb i n d i n ga c k n o w l e d g e m e n i ) 快述绑定更新应答 f b u ( f a s tb i n d i n gu p d a l e ) 快速绑定更新 f f u ( f o r w a r d sf o r w a r d i n gu n i c a s t ) 前向转发 f n a ( f a s tn e i g h b o ra d v e r l i s e m e n t ) 快速邻居通告消息 g m i p v 6 ( g e n e r i cm i p v 6 ) 普通移动l p v 6 h a ( 1 - l o m e a g e n t ) 家乡代理 h a c k ( h a n d o v e ra c k n o w l e d g e m e n t ) 切换应答 i - u ( h a n d o v e ri n i t i a t e ) 切换初始 m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 介质访问控制层 m p v 6 ( m o b i l ei p v 6 ) 移动i p v 6 m n ( m o b i l en o d e ) 移动节点 n a r ( n e w a c c e s s r o u t e r ) 切换过程中，即将连接的接入路由器 n c o a ( n e w c a r eo f a d d r e s s ) 切换过程中，即将使州的转交地址 n f u ( n e i g h b o rf o r w a r d i n gu n i c a s t ) 邻居单播 p a r ( p r e v i o u s a c c e s sr o u t e r ) 切换过程中，即将断开的接入路由器 p c o a ( p r e v i o u sc a r eo fa d d r e s s ) 切换过程中，先前使j _ j 的转交地址 s l m l p v 6 ( s e a m l e s sm i p v 6 ) 无缝移动i p v 6 w l a n ( w i r e l e s sl a n ) 无线局域网 电子科技大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在当今飞速发展的信息领域中，计算机网络技术和移动通信技术 是两个最引人注目的领域。基于t c p i p 协议建构起来的i n t e r n e t 的 飞速发展以及其中所蕴含的巨大生产力使计算机网络在短短的几年时 间里，迅速成为现代信息社会的一个重要信息载体，对当代社会产生 着越来越大的推动作用。作为i n t e r f i e t 的主体通信协议的t c p i p 协 议，随着工i n t e r n e t 的普及应用，己经成为事实上的计算机网络的工 业标准。 9 0 年代初期，1 1 3 t e r n e t 超出了原先协议所能控制的范围。在1 9 9 1 年1 2 月1 9 9 1 年12 月发布的r f c l2 8 7 1 中，i a b ( i n t e r n e t a r c h i t e c t u r eb o a r d ) 和i e s g ( i n t e r n e te n g if i e e r i n gs t e e r i n gg r o u p ) 指出未来的网络构架的发展方向其中包括： 1 ) 选路与地址：不仅i p v 4 的地址空间将被消耗殆尽，而且在此 之前i p v 4 路由算法可能己经无法适应如此大数量的网络。他 们还指出，源与目的地之间的多路由可能会导致服务类型( t o s ) 的变化，并将需要一些机制来控制路由的选择。选路与地址问 题是当前i p v 4 架构所面临的最紧迫的问题。 2 ) 多协议体系结构：o s i 网络和t c p i p 网络之间的互操作是要考 虑的一个问题。这两类网络都有着广泛的应用，但目前这两种 网络之问的互通有极大的困难。网关在i n t e r f i e t 中有很广泛 的使用，但是它不是协议构架的一部分。 3 ) 安全性体系结构：美国国防部对于重点研究和开发工作的投资 导致了i p 的产生，这也意味着i p 网络天生就具有国防安全性 方面的考虑。但是，商用i n t e r n e t 在安全性需求上与军队的 网络有所不同。经验表明，向一个协议集中添加安全性要比从 头建设一个安全性协议难得多。 4 ) 流量控制和状态：i p v 4 是一个无连接协议，但一些应用( 例如 电子科技大学硕士学位论文 语音和图像) 需要一定程度的流量控制以正常工作。i n t e r n e t 网络应该扩展以支持这类实时的应用，这要求在网关处有新的 包处理机制。 5 ) 高级应用：建立一个好的构架，改进和简化开发高级应用所需 的过程，这样将带来更大的创造力。 一个不容忽视的现象是，在最近几年，随着无线数字传输技术的 发展，一种新型的局域网一无线局域网( w l a n ) 悄然出现，极大地改变 着i n t e r n e t 的传统服务形式，i n t e r n e t 末端用户所要求的已经不仅仅 是能够通过电话拨号或网卡插槽方便地接入，而是更加灵活的无线接 入形式，并且要求是在任何时候、任何地点都可以享受i n t e r n e t 的服 务。从这一点来说，i n t e r n e t 走向了移动，即i p 走向移动。与此同时， 随着通信技术发展的日新月异，通信网络之间相互融合的趋势日见明 显，而计算机网络，以其独有的优异性能和强大的信息运载能力，以 及高度的实用性和优异的使用性价比，将会在未来的信息网络架构中 起着不可替代的主导作用。现在的i n t e r n e t 将是未来“信息高速公路” 的主干和依托。 总而言之，随着技术不断发展和社会信息需求的持续增长两个因 素的强劲推动，通信网络的融合是一种必然的趋势，各个通信网络的 业务将会相互交叉和渗透，而移动和i p 的结合是这种融合趋势在当前 阶段的强烈反映。 1 2 1 p 对移动性的支持 在移动通信中，人们在移动中仍然能够保持与电话网的连接，这 种对移动性的支持也应该适用于in t e rr l e t 。由于i n t e r n e t 的兴起，人 们可以通过它获得各种信息，如收发电子邮件，下载文件等，我们可 以想象，不久的将来，人们将携带他们的笔记本电脑去出差、旅行， 这些移动用户迫切希望能够随时、随地接入i n t e r n e t ，并且在移动中 保持与】1 3 te r n e t 的连接。随着便携式计算机的普及和无线局域网技术、 蜂窝网的不断成熟，用户的需求越来越高，无线局域网用户要求网络 能够提供全球的移动性支持，而蜂窝网用户也要求网络提供高速数据 电子科技大学硕士学位论文 业务。移动终端系统的移动带来了它们在网络的接入点频繁的改变， 在这种环境下，为了使移动设备在移动中不中断通信，就需要一个通 用的网络协议以提供网络移动性。 笔记本电脑的移动使得它们频繁地改变与网络的连接点，在现有 的i n t e r n e t 协议下，主机必须在网中处于由其i p 地址标示的地方， 才可以接收数据，移动终端只要改变它的接入点，就要改变i p 地址， 这种方法不能实现移动传输和高层连接的不中断，满足不了用户的要 求。移动主机如何高效地访问，以及如何向移动用户提供透明的 i n t e r n e t 信息服务一直是一个在广泛讨论中的问题。i n t e r n e t 学会的 工程技术委员会( i e t f ) 成立了”i pr o u t i l 3 9 f o rw i r e l e s s m o b i le h o s t ”( 简称“m o b i l ei p ”的工作组，该工作小组一直致力于在 i n t e r n e t 上提供主机可移动性的标准。他们在研究，总结了此领域前 期工作的基础上，提出了一系列的建议标准( p r o p o s e ds t a n d a r d ) ：i p 移动性支持r f c 2 0 0 2 2 ，移动i p 中的路由优化，i p i n i p 打包和i p 内 最小打包等。其中i p 移动性支持，既移动i p 协议，是最基本的协议， 主要采用了移动绑定的方式。移动绑定即代表了一个移动节点的家地 址，代表当前位置的转交地址，还有剩余生存时问等等。家网中有一 个家乡代理保持这个移动绑定来提供转发服务，而在移动节点现在所 处的网也有一个外地代理根据移动绑定提供转发服务。在下章，我 们将详细讨论这个协议。 1 3 移动ip 技术研究现状 目前，国际上主要由i e t f 负责i p v 6 的标准制定工作。除i e t f 之 外，i c a n n ( 互联网地址分配机构) 、i p v 6 论坛、w l d e 等国际组织也正 积极开展i p v 6 的研究。目前，鉴于i p v 6 的重要性以及i p v 6 协议对下 一代网络的巨大影响，越来越多的国际标准化组织加入了i p v 6 标准的 制定行列，3 g p p 和 t u t 也成立了相应的工作组从事一些与各自传统 研究领域密切相关的i p v 6 标准化工作。i t u t 与ie t f 已经在i p 标准 领域开展合作。i t u t 专门制订了一个i p 标准计划，i p v 6 有关的标准 也列在其中。此外，国际上还成立了ie t f 一3 g p p 工作组以协调i p v 6 标 电子科技大学硕士学位论文 准在第三代移动通信系统中的应用。 关于i p 移动性的研究开始予9 0 年代初，19 9 6 年1 0 月，r f c 2 0 0 2 ， r f c 2 0 0 3 r f c 2 0 0 4 ，r f c 2 0 0 5 和r f c 2 0 0 6 在1 0 月的相继公布，奠定了 移动i p 发展的基础。r f c 文档一经发表，立亥0 引发了研究移动i p 技术 的高潮。2 0 0 4 年6 月，i e t f 公布了r f c 3 7 7 5 3 ，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，移动ip v 6 进入正式的实用 阶段。目前针对移动i p 的研究，主要集中在r f c 文档中的一些问题和 有待扩展的方面，研究人员提出了很多的思想进行增强和改进。其中 主要集中在如下几个方虱： 移动i p 技术在下一代即i p v 6 中的应用： 支持“微移动”的移动i p 技术 4 ： 无线网络中的t c p 协议改进； 全i p 网络的研究： 切换性能研究 1 ，4 论文研究的主要内容 本文首先分析移动i p 在子网切换时产生时延的原因。在最普遍的 情况下，m n 只能从 r 的路由通告消息来判断网络的切换情况，而由于 考虑网络负担等因素，路由通告消息不可能发送的过于频繁，因此， m n 在子网切换时，有比较大的切换时延不可避免，同时，部分数据包 可能会在切换过程中被丢失。 8 0 2 1 1 网由于其低廉的价格，高速的接入速度和快捷方便的部署 能力而在实际中有着广泛的应用。同时，对于大多数m n 而言，一般情 况下它们都会在有限的区域内活动，例如校园无线局域网。本文探讨 在8 0 2 1 1 这种特殊的网络硬件情况下，m n 在有限的区域内漫游时，如 何减少切换时间和数据包丢失率，使m n 能在子网间实现无缝切换，能 提供实时的语音甚至视频服务。 n s 2 是一个免费的丌源网络仿真平台，由于其功能强大，平台开放， 在教育科研界有着广泛的应用。因为移动i p v 6 的无缝切换是一个比较 屯子科技大学硕士学位论文 新的研究课题，而且目前处于草案状态，因此，在n s 2 仿真平台上并 没有相关的实现。本文在n s 2 上实现了基于8 0 2 1 1 网的移动i p 在子 网间的无缝切换。 1 5 论文的组织结构 全文共分四章，第一章为绪论，介绍了移动i p 的研究背景和现状， 分析了存在的问题，列举了研究方向和成果。第二章主要介绍了标准 移动i p 的原理和实现机制，第三章着重介绍了基于8 0 2 11 局域无线 l 网的快速切换的研究。第四章为移动i p 切换的仿真做了大量的工作， 并分析了仿真结果。 电子科技大学硕士学位论文 第2 章移动i p v 6 i p v 4 后续协议的研究工作是1 9 9 0 年代初由i e t f 发起的，他们同 时从多个方面着手试图解决所预见的地址空间问题，并附加一些功能。 i e t f 欢迎所有对新协议有兴趣的团体、个人来参加标准的制定，将新 协议初步命名为l p n g ( i p n e x tg e n e r a t i0 1 3 ) ，并且于1 9 9 4 年l2 月发 布了选择下一代i p 的技术准则 5 。 事实上，到1 9 9 4 年为止，已经出现了一些可以i p v 4 继承者的 提案。比如t u b a ( t c pa n du d pw i t hb ig g e ra d d r e s s e s ) 6 ，c a t n i p ( c o m m o na r c h i t e c t u r ef o rt h ei n t e r n e t ) 7 ，8 和s i p p ( s i m p e i n t e r n e tp r o t o c o lp l u s ) 9 。 t u b a 是一个简单的i n t e r n e t 寻址和选路协议，可以认为是简单 地用o s i 网络互连协议和无连接网络协议( c l n p ) 取代目前的i p v 4 。 之所以这样做主要是基于两点考虑：一是可以提供更大的地址空间， 因为c l n p 中使用了网络服务访问点地址( n s a p ) 地址，该地址可以 是任意长度，但通常为2 0 字节，从而提供了足够的地址空间；二是 使用c l n p 可以帮助i p 和0 s i 间进行会聚，从而消除了建立一个完 整的新协议的要求。可以把t c p i p 报文封装在c l n p 报文中，使应用 程序可以不作任何修改。 c a t n i p 保持了i p v 6 的设计理念，为了提供一个通用的网络体系结 构，c a t n i p 为三种最广泛的应用t c p i p 、o s i 和n o v e l l 提供通用平 台。它集成了大量的网络层协议，其中包括i p 、o s i 的无连接网络协 议c l n p 、n o v e l l 的i p x 协议；同时它还允许多种传输层协议共存， 如o s i 的传输协议t p 4 、无连接传输协议c l t p 、t c p i p 的t c p 和 u d p 、以及n o v e l l 的s p x 协议。c a t n i p 的目标是使得所有业已存在 的系统在各个主机均无需修改、地址无需变化、软件无需升级的情况 下可以继续互通。通过允许使用不同的网络体系结构，c a t n i p 将把对 实际基础设施的影响降到最小。但是，这也意味着需要通过增加一层 的复杂性来实现真正的互连互通。 s ip p 是融合多种提案的结果。最初的提案叫i p 中的i p ( i pjni p ) 电子科技大学硕士学位沦文 或i p 封装( i pa d d r e s s e n c a p s u l a t e ) ，在这个提案中，i p 包在这个 提案中，i p 包括两层：一层用于全球骨干网络，而另一层用于比较有 限的范围。在有限范围内仍然使用i p v 4 ，但在骨干网络中使用不同地 址的新的一层。后来这个提案不断演进，并融合了s i p ( s i m p ei p ) 和 p i p 技术，合并起来成最后为s i p p 。 上述三种提案都各有优缺点。最后，i e t f 建议融合、修改s i p p 与t u b a 以形成新一代的i p 协议基础。该协议以s i p p 为主，加入t u b a 的自动配置与过渡特性，地址策略则基于无类域问路由策略。由于版 本号5 已被指派给了一个名为s t 的试验性流协议，故i p n g 就被正式 命名为i p v 6 。故i p n g 就被正式命名为i p v 6 。 随着移动终端的普及，移动应用将在未来的通信网络中的扮演至 关重要的角色。移动i p 允许移动节点从一个链路转移的另一个链路而 不需要改变移动节点的i p 地址，移动节点转移到新的链路上之后可以 继续与其它的节点保持通信，传输层的数据传输不会被中断，移动节 点的移动对传输层以及更高层的协议和应用透明。i p v 6 内建对移动i p 的支持，主要体现在： 1 ) 自动地址配置功能：使移动节点在改变网络接入点之后保持网 路连接； 2 ) 扩展报头机制：使移动i p 的移动选项能够放在扩展报头中。 为了使i p v 6 能够更好地支持i p 的移动性，人们对m i p v 6 进行了 进一步的研究，并提出了很多扩展和改进方案，h m i p v 6 使其中之一。 在h m i p v 6 协议中，引入了一个新的实体m a p ( m o b i l i t ya n c h o rp o ir l t ) ， 它可以是h m i p v 6 网络中的任何层次的路由器。h m i p v 6 对移动主机和家 乡代理的操作做了少量的扩展，不需要对通信对端的操作做任何修改。 发生切换时，移动节点不是与远处的家乡代理，而是与本地的m a p 进 行绑定更新过程，由m a p 完成与家乡代理类似的功能。因为不必向距 离较远的家乡代理发送绑定更新消息，移动节点在切换时减少了移动 节点的绑定更新时间，因而支持快速切换。同时，也减少了移动节点 ( m n ) 与家乡代理( h a ) 以及通信对端节点( c n ) 之间的因为绑定更新而产 电子科技大学硕士学位论文 生的网络信息流量 1 0 。 2 1 ip v 6 技术 i p v 6 是网络按术史上的一个重要的里程碑。i p v 6 是针对i p v 4 的 技术改进，是i p v 4 的一个升级版本。由于i p v 6 的大多数思想都来源 于i p v 4 ，因此i p v 6 的基本原理保持不变，能与i p v 4 网络协同工作， 对现有的网络进行平滑的升级。而同时与i p v 4 相比又有以下主要技术 进步： 地址空间的扩展 包头格式的简化 增强了对扩展和选项的支持 地址自动配置 集成了身份验证和加密两种安全机制 用设置流标汜的方法支持实时传输 扩展新的1 1 3 t e r n e t 控制报文协议i c m p v 6 2 1 1 1p v 6 功能概述 2 1 1 1 扩展的编址功能和自动配置功能 i p v 6 的地址空间增加到1 2 8 位，这解狭了i p v 4 的地址空间有限的 问题，并提供了一个更深层次的编址聚集结构和更简单的地址配置功 能，支持地址自动配置。此外，多播路由得到了改进，多播地址通过 一个范围字段得以扩展；还引进了一种新的地址类型，叫泛播 ( a n y c a s t ) 地址，可以向工作组中最近的单个成员发送消息 2 1 12 报头格式的简化 i p v 6 的报头固定为4 0 个字节，刚好容纳下8 个字节的报头和两个 1 6 字节的i p 地址( 源地址和目的地址) 。i p v 6 去掉的i p v 4 报头中的 一些字段，或者是将其变为可选项。这样，数据包可以被更快的得到 处理，降低路由器的负担，提高网络的吞吐量。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 1 1 3 改进的扩展和选项支持 对于i p v 4 ，选项集成于基本的i p v 4 报头中。而对于i p v 6 ，这些 选项被当着扩展报头( e x t e n s i o r lh e a d e r ) 来处理。扩展报头是可选 项，如果有必要，可以直接插入到i p v 6 报头和实际数据之间，这样， i p v 6 的数据包的生成变得很灵活而且高效，i p v 6 的数据包的转发效率 要高的多。将来，要定义新的选项也能够很容易地集成到现有的协议 中去。 2 1 1 4 身份验证和机密性的扩展： 】p v 6 指定了固有的对身份验证的支持，以及对数据完整性和数据 机密性的支持。 2 1 1 5 流标签功能 属于同一传输流，并且需要特别处理或需要服务质量( q o s ) 的数 据包，可以由发送者进行标记。比如实时语音和视频流的应用。 2 1 2 i p v 6 的协议结构 在i p 层传输的数据单元叫做报文( p a c k e t ) 或数据报( d a t a g r a m ) 。 报文通常可以划分为报头和数据区两部分。报文格式是一个协议对报 头的组成域的具体划分和对各个域内容的定义。 e t f 在r f c 2 4 6 0 中定 义了i p v 6 数据包的的报头结构。该报头固定为4 0 字节长，源地址和 目的地址各占1 6 个字节，其余8 字节用于普通的报头信息。 034ll1 2 1 51 62 32 4 3 2 电子科技大学硕士学位论文 i p v 6 取消了i p v 4 报头中的可选项+ 填充字段，而用可选的扩展 报头来代替。这样i p v 6 基本报头长度和格式都固定了。基本报头携 带的信息为报文传输途中经过的每个节点都必须要解释处理的信息， 而扩展报头相对独立于基本报头，根据报文的不同需要选择使用，根 据其类型的不同而不一定要求报文传输过程中的每一个节点都对其进 行处理，这就提高了报文的处理效率。i p v 6 基本报头中去除了报头校 验和，这主要是为了减少报文处理过程中的开销，因为每次中转就不 需要检查和更新校验和。去除报头校验和可能会导致报文错误传送。 但是因为数据在互联网层以上和以下的很多层上进行封装时都作了校 验和，所以这种错误出现的几率很小。而且如果需要对报文进行校验 检查，可以使用i p v 6 新定义的认证扩展报头和封装安全负载报头。 i p v 6 去除了i p v 4 中跳到跳的分段过程。i p v 6 的分段和重装只 能发生在源节点和目的节点。由源节点取代中间路由器进行分段，称 为端到端的分段。这样就简化了报头并减少了沿途路由器和目的节点 用于了勰分段标识、计算分段偏移量、把数据报分段和重装的丌销。 i p v 4 的逐跳分段是有害的，它在端到端的分段中产生更多的分段，而 且在传输过程中，一个分段的丢失将导致所有分段重传，这就大大降 低了网络的使用效率。i p v 6 主机通过一个称为“路径m t u 发现”( p a t h m t ud js c 0 v e r y ) 的过程事先知道整个路径的最大可接受包的大小，并 且同时要求所有支持i p 的链路都必须能够处理合理的最小长度的包。 在最新的草案中，最小m t u 被设为12 8 0 字节。不想发现或记忆路径m t u 的主机只需发送不大于1 2 8 0 字节的包就可以了。 在i p v 4 中服务类型字段( t o s ) 用来表明主机对带宽最宽、时延最 短、费用最便宜、或最可靠路径的需求。然丽这个字段在实际应用中 很少使用。ip v 6 取消了t o s 字段，通过勃增的通信类型和流标签字段 实现这些功能。 2 1 2 1 版本号( v e r s io n 4 b i t s ) 这是一个4 b i t s 长的字段，包含协议版本。在i p v 6 中，浚值为6 。 不使用版本号5 是因为值5 早被分配给一个实验性的流协议s 1 、2 3 。 电子科技大学硕十学位论文 2 1 2 2 流类别( tr a f f i cc iass ，8bi t s ) 这个字段替代i p v 4 中的t y p eo fs e r v ic e 字段，用于标识该数据 包是否属于一个与实时相关的通信类型，以及该包在相同流中处于哪 一个优先级。它有助于处理实时数据以及任何需要特别处理的数掘。 发送节点荷转发路由器可以使用该字断束识别和分辨i p v 6 数据包的类 别和优先级。r f c 2 4 7 4 中解释了该如何使用i p v 6 中的t r a f f i cc l a s s 字段。 2 1 2 3 流标签( f i o wl a b e l ，2 0 b i t s ) 流是指从某个特定源发送到某个特定( 单播或多播) 目的地的一系 列数据包，流需要由中间路由器进行特殊处理。该特殊处理的类型可 以通过相应的控制协议( 如r s v p ) 传送给路由器，或者通过流数据包自 身的信息，如i pb a s e 报头或h o p b y h o pe x t e n s io n 报头来标识。 i p v 6 定义了“流标签”( f 1 0 w1 a b e l ) 字段，用该字段区分需要 相同处理的数据包，以此来促进实时性流量的处理。发送主机能够用 一组选项标记数据包的顺序。路由器跟踪数据流并更有效地处理属于 相同数据流的数据包，因为他们无须重新处理每个数据包的报头。数 据流由流标签和源节点的地址惟一标识。不支持f l o wl a b e l 字段功能 的节点需要在转发数据包时不加改变地传递该字段，并在接收数据包 时忽略该字段。属于同一数据流的所有数据包必须具有相同的源i p 地 址和目的i p 地址。 2 1 2 4 有效载荷长度( p a y i o a dl e n g t h 16 bi t s ) 以八位组为单位，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。注意，这与 i p v 4 的l e n g t h 字段有区别，在i p v 4 中，报头部分也被计算的长度中。 2 1 2 5 下一报头( n e x tt t e a d er 8bi t s ) 该字段指出下一个扩展报头的类型。i p v 4 报头中包含了安全、源 路由、路由记录和时间戳等可选项，用以对某些数据报进行特殊处理。 电子科技大学硕士学位论文 但这些可选项的性能很差，影响路由器的转发速度。但是，对某些数 据报的特殊处理仍是必要的。故i p v 6 设计了扩展报头，来做这些特 殊处理。在i p v 6 基本报头和上层协议数据包之间可以插入任意数量 的扩展报头。每个扩展报头根据需要有选择地使用并相对独立，各个 扩展报头连接在一起成为链状，每个报头都包含一个“下一个报头” 域用来标识并携带链中下一个报头的类型。因为8 比特的“下一个报 头”字段既可以是一个扩展报头类型也可以是一个上层协议类型( 如 t c p 或u d p ) ，故扩展报头类型和所有封装在i p 包内的上层协议类型 共享2 5 6 个数字标识范围。这种链状报头形似图2 2 所示。j li p v 6 基本报头t c p 报头+ 数据 i 下一个报头 l = t c p 2 1 2 6 跳数限制( h o pl i m i t ) 浚字段标识跳限数。在每个传输此包的节点处递减l 。如果跳数限 制减为零，就抛弃此包。该字段决定了数据包能传送多远。 2 1 3 ip v 6 的编址 同i p v 4 一样，i p v 6 各种类型的地址都是分配给网络接口，而不 是分配给节点的。因此，每一个节点的每一个接口都至少有一个单播 地址，一个接口也可以具有多个任意类型的i p v 6 地址。 i p v 6 使用1 2 8 位的地址，扩充地址是促使人们开发i p v 6 的原因之 一。使用如此大的地址空间，还有一个原因是为了优化路由表。i p v 6 使用一种可聚集全局单播地址，格式如图2 3 所示，通过各级的聚集 类标识符，路出器的路由表被极大的优化了，减轻了路出器的寻路负 电子科技大学硕士学位论文 担，能对数据包进行快速路由。 i 前缀顶级聚集类标保留次级聚集类 站点级聚集类接口 l 0 0 1识符t l a i dr e s标识符n l a i d标识符s l a i d i d 图2 3 可聚集全局单播地址格式 2 1 3 1 ip v 6 的地址类型 i p v 6 的地址可以分为以单播地址、多播地址和泛播地址三类，i p v 4 中的广播地址不再有效 1 1 。 单播地址( u i 3 i c a s ta d d r e s s ) ：单个网络接口的标识。一个单 播地址在该地址有效的范围内精确地标识一个接口。以单播地 址为目的地址的报文通常只发送给其标识的接口。单播地址又 可以分为以下几种：可聚集全局单播地址( a g g r e g a t a b e g l o b a lu n ic a s ta d d r e s s ) 、站点局部地址( s i t e l o c a lu n ic a s t a d d r e s s e s ) 和链路局部地址( l i n k - l o c a lu n ic a s t a d d r e s s e s ) 。 多播地址( m u l t i c a s ta d d r e s s ) ：一个网络接口组的标识。多 播组中的成员一般属于不同的节点。以多播地址为目的地址的 报文将被同时送往该多播地址标识的所有网络接口。 泛播地址( a n y c a s ta d d r e s s ) ：一个网络接口集合的标识。群 集中的成员一般属于不同的节点。以泛播地址为目的地址的报 文将被送到该泛播地址标识的集合中的唯一一个成员，而且这 个成员通常是距离报文原点最近的那一个。这是在i p v 4 中不 存在的地址类型。由于泛播在大范围中的使用存在一些已知的 问题，而且人们现在对它的使用经验很少，所以目前群集地址 还不能作为源地址在i p v 6 报文中出现，并且只能分配给路由 器而不能分配给主机。 在i p v 6 网络中，为了充分发挥i p v 6 协议所提供的功能，标准规 定，每一台主机必须分配以下地址来标识本身： 1 4 皇!型垫查兰堡主堂篁笙茎一 每个接口的本地链路地址 分配的任何单播地址 环回地址 全节点多播地址 对应于节点所有单播地址和泛播地址的“被请求节点泛播地 址”，用于邻节点探测和地址自动配置。 主机所属的其他组的多播地址。 路由器除了具有一般节点的功能外，还需要负责报文转发、路由 信息发布j 链路最大传输单元的信息发布、以及配合完成地址自动配 置功能等，因此，路由器除了需要获得并识别以上所有的一个主机节 点所需要识别的地址外，还需要获得以下用于完成路由器特殊功能的 地址： 在每个链路上被配置为路由器的接口的子网路由器的泛播地 址 路由器所配置的