（通信与信息系统专业论文）双栈代理移动ipv6的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着i p v 4 地址的日益耗竭，口v 6 逐渐取代口v 4 成为互联网发展的必然。由 于目前大部分设备和应用都基于口v 4 ，所以i p v 4 与口v 6 将长期共存并最终向p v 6 过渡，而双栈技术是实现m v 4 与i p v 6 共存的关键技术之一。 在移动互联网中，同时运行p v 4 和i p v 6 两种移动性管理协议存在诸如协议复 杂、成本高等问题。本文旨在研究同时支持口v 4 和i p v 6 协议的移动性管理协议。 本文依托“c n g i 移动通信网i p v 6 接入网关”课题，依据i e t fi 江c 5 8 4 4 标准， 设计并实现了双栈代理移动v 6 ，能够同时支持口v 4 和i p v 6 的移动性管理。 本文首先介绍了移动互联网中p v 6 过渡方案的研究现状和存在的问题，阐述 了代理移动i p v 6 协议的基本工作原理以及p v 4 支持包含的内容。其次，本文设计 了双栈代理移动i p v 6 的整体框架，按照协议的功能需求完成了功能模块的划分和 数据结构的设计。提出了要实现p v 4 支持应该进行的修改和扩展方案，包括结构 体和配置文件的扩展，移动头选项的修改，不同封装模式的隧道的建立、删除， 路由信息的更新等，实现了i p v 4 移动终端接入和口v 4 网络穿越的支持。其中，i p v 4 移动终端接入实现了移动节点接入代理移动p v 6 域时使用p v 4 地址进行通信，并 保证移动过程中通信的连续性。i p v 4 网络穿越采用i p v 4 v 6 i 1 1 一i p v 4 数据封装方式， 使得移动节点可以穿越p v 4 网络进行通信。最后，本文在l i n u ) 【2 6 2 9 平台上实 现了代理移动i p v 6 对i p v 4 的支持，并在w i ，a n 环境下进行了功能测试和性能测 试，包括协议流程、信令消息格式、隧道封装数据格式和移动节点切换性能等的 测试。测试结果表明协议功能基本实现，切换性能良好。 关键词：移动性管理；代理移动i p v 6 ；双栈；隧道 分类号：t n 9 1 5 0 4 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w 油1 ed 印l e t i o no fi p v 4a d d r e s s e s ，d e m a i l d s 南rd 印l o y i n gi p v 6a r e l l i 曲e rn l 姐b e 矗竹e t h e 缸锄s i t i o nt oi p v 6 锄dc 0 一e x i s t e n c eo fi p v 4 锄di p v 6 谢nb ea l o n gp r o c e s s ( h l et 1 1 e e x i s t e d 口v 4 - b a s e de q u i p m 髓t sa n ds e r v i c e s t h ed u a l - s t a c k t e c h n o l o g y 弱ap r o b a b l ep v 4a i l di p v 6c 0 一e x i s t e i 赋s o l u t i o nc a i lp r 0 v i d et h ei p v 4a n d i p v 6s u p p o r tf o r1 1 1 t e m e t h o w e v e r 翘f o rt t l em o b i l ei n t e m 瓯t l l ed u a l 始l c kb a s e do nm i p v 4a n dm i p v 6i s f 犯e dw i n lm a n yp r o b l e m si 1 1 c l u d i l 坞c o m p l i c a t e dp r o t o c o l sa n d1 鹕ed e p l o y m e n tc o s t t 陆sp a p e r 池st o 咖d yam o b i l 时m a n a g e m e n tp r o t o c o l a l s ow h i c h 吼i p p o r t si p v 4a n d i p v 6 1 1 1 i sp 印e r ，州c hi sb a s e d0 nm ep r o j e c to f “c n g i - m o b i l ec o m 咖1 1 1 j c a t i o n n 咖o r kd v 6a c c e s sg a t e w a y ”，d e s i 印sa n di i n p l e m e n t s 吐忙d u a l - 妣kp r o x ym 口v 6 a c c o r d i n gt ot l l ei e t fr f c5 8 4 4t os u p p o r ti p v 4a i l di p v 6m o b i l 时m 趾a g e m e m f h s t l y ，t l l i sp a p e ri i l 仃0 d u c e st 1 1 es t a t e o f 二a i to ft h ei p v 6m i 伊a t i o na i l dd e s 嘶b e s m e 面n c i p l eo fp m i p v 6a n dt 1 1 e i p v 4e x t e n s i o n s e c o n d l y t l l i sp 印e rd e s i g i l st h e d u a l s t a c kp m 口v 6 锄dc o m p l e t e sm ed i v i s i o no f c t i o n a lm o d u l e sa n dn l ed e s j 印o f d a t a 咖】曲鹏s n em o d i f i c a t i o n 鲫de x t e n s i o nf o rs u p p o n i n gp v 4i si n 仃o d u c e d ， i r l c l u d i n gt l l e 蛐r u c _ t u r e ，c o i l f i 删i o nf i l e ，l em o b i l eh e a do p t i o 玛c r e a t i o n 锄dd e l e t i o n o fd i 疵r e n tn 啪e l sa 1 1 dm o d i f i c a t i o no fr o u t i n gi 疵m a t i o n 矾e r e 恤i p v 4m o b i l e t e 肌i 砌a c c e s s i n ge m b l e s 恤m o b i l en o d e s t oa c c e s st o 舭p r o x ym o b i l ei p v 6d o m 血 、杭mi p v 4a d d l - e s s e s 锄dm a i n t a i n s 廿1 eo n g o i n gc o m m l u l i c a t i o nd l l r i n g 吐l eh 觚d o v e r ， w k l et l l e 觚l s p o r to fi p v 4e n a b l e sn ：屺m o b i l en o d e st oc o m m u i l i c a t et l ! l r o u g ht 1 1 ei p v 4 n e 觚o r k 诚t l l l ei p v 4 v 6 - 试一m v 4e n c 印s u l a t i o n f i m l y ，n l i sp 印e ri i i l p l e m e n t st h e d u a l - s 伽c kp m i p v 6o nt l l el 证u xp l a t f o m i i lm ew l a n - b a s e dt e s t b e d ，缸l c t i o na i l d p e o 册a i l c ei st e s t e d ，i i l c l u d i n gm ep r o t o c o lp r o c e s s ，s i 印a l i n gm e s s a g ef 0 m l a t ，也e e n c 印s u l a t e d 纰f o m l a t s 锄ds w i t c h - p 晌肋a n c eo fn l et e s t ，t 1 1 er e s u l t ss h o w t 1 1 a tt 1 1 e p r o t o c o l 缸l c t i o nh 2 l sb e e ni m p l e m e n t e d ，a i l dt l l ep e r f o m l a n c eo fh 锄d o v e ri sg o o d e n o u 曲 k e y w o r d s ：m o b i l i 锣m a l l a g e m e n t ；p r o x ym o b i l e v 6 ；d u a ls b c k ；t m m e l c l a s s n o ：t n 9 1 5 0 4 致谢 本论文的工作是在我的导师秦雅娟教授的悉心指导下完成的。秦老师教会了 我许多做人的道理，使我树立正确的科学观和人生观，踏实奋斗自己的人生。秦 老师严谨的治学态度和求实的科学精神将使我受益终生。藉此论文完成之际，谨 向教育我的导师表示诚挚的谢意! 感谢周华春教授，周老师孜孜不倦的敬业精神给我留下深刻的印象。在学习 和工作中，周老师鞭策我要勤钻研、多思考、勇于面对挑战，周老师对我的影响 和教育将是我一生享受不尽的宝贵财富。 感谢实验室各位老师在我的科研和生活中给予我的诚挚关怀和帮助。 感谢在实验室与我共同学习和工作过的延志伟、易李、苗春浇博士以及袁晓 芳、孙道平、方卓理、杨钊等硕士在平时生活和学习中对我的帮助和支持。和同 学们在一起使我感觉到集体和团队精神的巨大力量。 感谢我的父母和亲朋，他们的鼓励和支持是我在学习成长路上的动力和保证。 感谢所有关心和帮助我的人。 最后，衷心感谢各位评委于百忙之中抽出宝贵的时间审阅本文! 引言 1 引言 本章介绍了论文的研究背景及意义，分析了国内外相关技术的研究现状，给 出了论文的组织结构。 1 1 选题背景及意义 近年来，基于口v 4 协议的互联网迅猛发展，口v 4 地址空间不足、移动性差等 问题成为了互联网进一步发展的制约因素。为此，互联网工程任务组( e t e n g i n e e m g 协kf o r c e ，t f ) 提出了讲v 6 协议来解决上述问题。 i p v 6 协议作为下一代网络的核心协议，较好地解决了当前m v 4 协议所面临的 地址匮乏、移动性差、安全性差和配置复杂等问题【l 】，也因此受到世界各国的广泛 关注。i n t e m e t 终将发展成为以m v 6 为基本协议的网络，但是由于互联网规模和目 前网络中数量巨大的i p v 4 用户和设备，m v 4 向i p v 6 的过渡过程将是一个很漫长的 过程，这个过程中i p v 4 和p v 6 共存。因此，i p v 4 和m v 6 的共存与互通成为过渡 过程的一个关键，双栈是目前人们研究最多的一个解决方案。 互联网迅速发展的同时，人们对移动性业务的大量需求促进了移动互联网的 迅速发展。传统移动通信网中，移动性管理是在链路层进行的。随着向基于m 的 分组交换网络的过渡，链路层移动性不能解决不同i p 子网切换带来的问题，i e t f 开始了网络层移动性协议的研究和标准化工作，相继制定了移动i p v 4 的技术标准 r f c 3 3 4 4 1 2 j ( pm o b i l i 够s u p p o r tf o ri p v 4 ) 和移动口v 6 【3 】的技术标准r f c 3 7 7 5 【4 】 ( m o b i l 时s u p p o r t i i li p v 6 ) 。移动d 技术使移动节点( m o b i l en o d e ，m n ) 完成地 址配置后可以和互联网中的任何一台主机进行通信，同时在移动切换过程中保证 正在进行的通信不中断【5 】。p v 6 的出现也是移动通信上的一个里程碑，m i p v 6 不 仅继承d v 6 的所有优点( 巨大的地址空间使得每台主机可以拥有一个全球唯一的 地址) ，还克服了m i p v 4 中的一些缺点，消除了三角路由，支持路由优化和动态家 乡代理发现机制等1 6 j 。 i e t f 最初提出的移动性管理协议都是基于客户端的，即终端需要参与移动性 管理过程。这种移动性管理协议存在一些弊端，需要m n 完成切换时的信令交互， 参与移动性管理，大量移动性信令占用无线资源；需要修改m n 的协议栈，增加 了m n 的复杂度等；这些都限制了基于终端的移动性管理协议的广泛应用。因此， 迫切需要一种便于管理、复杂度低的移动性管理方案。因而提出了基于网络的移 动性管理。2 0 0 5 年8 月成立的i e t fn e t l m m ( n 咖o r k b a s e dl o c a l i z e dm o b i l 衙 北京交通大学硕士学位论文 m a i l a g 锄铋t ) 工作组对于基于网络的移动性管理机制进行了全面的研究，并出台 了r f c 5 2 1 3 ( p r o x vm 0 b i l ei p v 6 ) 【。7 1 。p m 碑v 6 引入了两个新的功能实体：移动接 入网关( 1 v i o b i l ea c c e s sg a t e 啪y ，m a g ) 和本地移动锚点( l o c a lm o b i l 耐缸l c h o r ， l m 。m a g 的主要功能是检测的接入和离开，完成与l m a 的移动性信令 交互。l m a 相当于移动p v 6 中的家乡代理( h o i n e a g e n t ，h a ) ，其主要功能是维 持m n 的可达性。l m a 为每个绑定注册的m n 维护一个绑定缓存条目( b i i l d i n g c a c h e 啪，b c e ) ，该b c e 在移动口v 6 中h a 的b c e 上增加了以下内容：心i d ， m n 的家乡网络前缀( h o m en e 铆o r kp r e f i x ，m 岬) ，代理注册标识、l m a 和m a g 之间双向隧道的接口标识。 无论是哪一种移动性管理协议，基于i p v 4 的移动性协议可以使i p v 4 移动节点 在d v 4 网络中移动时保持通信不中断，基于i p v 6 的移动性协议可以使p v 6 移动 节点在口v 6 网络中移动时保持通信不中断。但是在口v 4 向口v 6 的过渡过程中， 怎样保证移动节点在i p v 4 和i p v 6 网络之间进行切换时保持通信的连续性成为一个 日益严重的问题。 在i 江c 4 9 7 7 中讨论了双栈节点的移动性相关的问题。p v 4 和叭6 各自有对应 的移动性协议，如果在移动性实体上同时部署两个移动性协议，会带来很多潜在 的问题，比如移动节点每次切换时，需要完成两个协议的绑定更新过程，无疑增 加了信令开销，增大移动性实体的复杂度。因此提出通过一种移动性协议同时管 理i p v 4 和i p v 6 或双栈节点的移动，这样不仅可以节省大量的网络资源，同时便于 对网络进行管理和优化瞵j 。 本论文选题来源于项目“c n g i 移动通信网v 6 接入网关 ( 京发改文 【2 0 0 8 4 8 0 号) 的部分研究内容，该项目旨在解决多种类型移动终端的无线接入和 移动管理，能够兼容i p v 6 、口v 4 ，为移动通信网向i p v 6 的平滑过度起到重要的推 动作用。本论文主要研究代理移动口v 6 对i p v 4 支持的问题。 1 2 国内外研究现状 从口v 4 向i p v 6 的演进成为通信界的研究热点。在过渡过程中会存在各种i p v 4 和球v 6 共存的场景，比如两个i p v 4 节点要穿越i p v 6 网络进行通信，两个i p v 6 节 点要穿越i p v 4 网络进行通信，口v 4 节点与i p v 6 节点或网络进行通信等多种i p v 4 和i p v 6 互通的情况。人们也针对各种场景提出了不同的解决方案，其中包括双栈、 协议转换吼d sl i t e 【1 0 j 等解决方案。 m p v 6 解决了互联网中移动通信的问题，之后针对其时延过大、不支持网络 移动，不适合对时延敏感的业务等问题，进行了扩展，提出了m i p v 6 的快速切换 2 引言 【1 1 】( f a s th 锄d o v e r sf ；”m o b i l e 口v 6 ，f m i p v 6 ) ，层次移动p v 6 协议【1 2 】( h i e r a r c 城c a l m o b i l ei p v 6m o b i l 蛔m a i l a g e m e n t ，h m i p v 6 ) 和网络移动性协议【1 3 】( n 咖o r k m o b i l 时e x t e n s i o i l sf o rm o b i l ei p v 4 ，n e m o ) 。但是不管是m p v 6 本身还是扩展协 议，都只是基于i p v 6 的，不能解决d v 4 和i p v 6 共存的问题。为了解决口v 4 和i p v 6 网络中的移动性问题，i e t f 提出了双栈移动i p v 6 【1 4 】和双栈移动m v 4 【1 5 】。双栈移 动i p v 6 在m i p v 6 上进行了扩展，实现了对口v 4 的支持，使得m n 在处于只支持 i p v 4 的网络时可以获得i p v 4 转交地址，并使用口v 4 地址进行通信；双栈移动v 4 支持了双栈移动节点的接入并使用p v 6 地址进行通信。这就很好的解决了口v 6 过 渡过程中i p v 4 和i p 、，6 共存的问题。 相比之下，基于网络的移动性管理协议在移动性性能方面比基于终端的移动 性支持协议有了很大的改善，可以降低移动终端的复杂度和空中接口信令开销， 也因此更受移动互联网的青睐l 1 6 j 。 2 0 0 7 年4 月，m t f 发布的n e t l m m 相关协议标准i u c 4 8 3 0 【1 刀、r f c 4 8 3 1 【1 8 1 、 r f c 4 8 3 2 【1 9 】分别对基于网络的移动性管理中存在的问题、实现目标、安全性进行 了的定义。开始了对p m i p v 6 的全面研究，包括p m i p v 6 中安全、服务质量【2 们、路 由优化【2 1 】田】、不同l m a 域间的切换【2 3 】等问题提出了不同的解决方案，同时提出 p m p v 6 在g p r s 、3 g 等网络中的应用【2 4 】【2 5 】。但是p m i p v 6 同样存在i p v 4 不支持 的问题。在i p v 6 演进过程中，移动终端不可能只使用自己的i p v 6 地址就能进行通 信，p m p v 6 域的移动终端可能移动到了一个只支持口v 4 的子网内，或者p m i p v 6 域内的l m a 和m a g 之间的网络只支持i p v 4 。因此，在向口v 6 过渡的很长一段 时间内，移动终端仍旧需要一个i p v 4h o a 或者i p v 4c o a 。而p m i p v 6 要求域内的 各个通信实体都需要支持i p v 6 ，限制了通信终端和网络的类型。 为了解决上述问题，2 0 1 0 年5 月，m t f 发布了r f c 5 8 4 4 ( p m 妒v 6 对p v 4 的 支持) ，对p m i p v 6 协议进行了扩展，实现网络中只运行p m i p v 6 协议，就能同时 支持i p v 6 和i p v 4 移动终端的接入和移动性管理。本文包括对该协议的研究和实现。 本文在p m i p v 6 的基础上实现了对p v 4 的支持，包括i p v 4 移动终端支持和i p v 4 网络的穿越【2 6 】f 2 7 】。这样在只运行双栈p m 口v 6 时就能够为p v 4 移动节点提供移动 性管理。 1 - 3 论文的主要工作 本文主要工作是在l i n u ) 【2 6 2 9 内核平台上，以p m 口v 6 代码为基础，对现有 p m i p v 6 协议进行扩展和修改，实现了双栈p m i p v 6 ，并搭建测试环境，完成了的 功能和性能测试。 3 北京交通大学硕士学位论文 论文的组织结构如下： 第一章，阐述了本论文的研究背景和意义，列出了论文的主要工作和组织结 构。 第二章，相关技术原理分析，分析了基于网络的移动性管理协议p m i p v 6 的基 本原理，介绍了双栈p m i p v 6 中i p v 4 支持所包含的内容。 第三章，双栈代理移动i p v 6 的设计，分析了实现p v 4 支持需要对p m i p v 6 进 行的扩展，包括功能实体和配置文件的扩展，移动头选项的修改等。 第四章，双栈代理移动m v 6 的实现，主要是各功能模块的设计实现。 第五章，协议测试。搭建测试环境，完成了协议一致性测试和性能测试。 第六章，总结和展望。总结了在代码实现和测试中遇到的问题，并提出了今 后的工作方向。 4 代理移动i p v 6 协议及相关技术 2 代理移动i p v 6 协议及相关技术 为解决基于终端的移动性管理协议带来的终端复杂度、无线链路带宽占用等 问题，i e t f 专门成立了n e t l m m 工作组进行基于网络的移动性管理协议的研究， 定义了代理移动口v 6 ( p r o x ym o b i l ei p v 6 ，p m i p v 6 ) 协议的基本内容和工作原理， 本章对该协议进行了介绍，并在此基础上介绍了双栈代理移动i p v 6 的相关技术。 2 1 代理移动i p v 6 协议 2 1 1 代理移动i p v 6 协议介绍 代理移动d v 6 是基于网络的移动性管理协议，避免了移动切换过程中心的 参与，同时将移动终端的复杂度降至最低。该协议对于优化m p v 6 的性能，实现 网络支持的移动性管理有重要意义。 p m 口v 6 使得移动节点心在p m i p v 6 域内移动时，可以在不改变网络接口初 始配置的m 地址的情况下完成切换。p m i p v 6 域支持没有安装移动性协议的m n 接入，通过网络中的一个移动代理实体来代替m n 完成移动管理的过程。该移动 代理实体能够检测到的移动并初始化移动信令，建立相应的路由状态， 不需要参与切换和绑定更新过程的信令交互，从而降低了协议栈的复杂性， 降低了空中接口的信令开销，节省了无线链路的带宽，降低了信令消息的处理时 延，提高了切换性能。 p m p v 6 网络模型如图2 1 所示。p m 口v 6 引进了两个新的功能实体：移动接 入网关( m a g ) 和本地移动锚点( l m a ) 。m a g 即为上文提到的移动代理实体， 在接入路由器( a r ) 上实现，其主要功能是检测m n 的接入和离开，当m a g 检测 到m n 的移动时，代表m n 来执行移动性管理过程，同m n 的l m a 进行移动性 相关的信令交互，建立或删除到l m a 的隧道。l m a 相当于m 口v 6 中的家乡代理 ( h a ) ，其主要功能是维护的绑定信息，保证m n 的可达性。 m n 可以运行在口v 4 、i p v 6 或者双协议栈模式下，在网络支持的情况下，m n 可以配置一个p v 4 、口v 6 或者同时配置i p v 4 和i p v 6 地址在p m m v 6 域中自由移动， 获得基于网络的移动性管理服务。 5 北京交通大学硕士学位论文 代理转交地址1 2 1 2功能实体 m a g 图2 1 代理移动i p v 6 网络模型 f i g 2 - 1p r o x ym o b i l el p v 6n e t w o r km o d e l 交地址2 p m l p v 6 协议通过两个主要的功能实体l m a 和m a g 共同完成m n 的接入和 移动性管理。这两个实体分别完成下列功能。 l m - a 主要完成以下功能： m n 的移动性管理：接收m a g 发送的代理绑定更新( p r o x yb i n d i n gu p d a t e ， p b u ) 消息，为注册的m n 维护一个绑定缓存条目( b i n d i n g c a c h ee n t 叫， b c e ) ，相比m i p v 6 中h a 处的绑定缓存信息，增加了m n i d e n t i f i e r 、m n 的家乡网络前缀、代理注册标识、l m a 和m a g 之问双向隧道的接口标识。 m n 家乡网络前缀的分配：l m a 接收到m a g 发送的p b u 消息时，进行 相应的处理，建立起与m n 的绑定关系，同时给m n 分配一个唯一的家乡 网络前缀h n p ( 不与其它节点共享该6 订缀) ，如果m n 通过多个接口接入 p m i p v 6 域，则每个接口配置一个不同的h n p 。 为m n 建立路由并完成上行数据包的解封装和下行数据包的封装：i 。m a 截获所有发往m n 的数据包，将数据包进行封装，通过双向隧道将这些数 据传送给m n 当前连接的m a g ；同时从隧道门接收m n 发往通信对端c n 的数据包，对数据包解封装后发送给通信对端。 m a g 丰要完成的功能： 代理移动i p v 6 协议及相关技术 管理m n 的接入和移动切换：m a g 检测的接入，并代替发送绑 定更新消息；当检测到m n 的离开时，完成解注册过程。在本文中，m a g 根据检测到的的m a c 地址从m n 的策略文件中获得与胤的m a c 地址相对应的m n i d 以及心的l m a 地址等有效信息；同时m a g 为每 个接入的m n 维护一个绑定更新列表条目( b i n d i i l gu p d a c el i s te n 缸y ， b u l e ) 保存的相关信息。 模拟的家乡链路：m a g 完成向l m a 的注册后，从p b a ( p r o x yb i n d i n g a c k n o w l e d g e m e n t ) 消息中得到m n 的家乡网络前缀信息，向m n 发送包 含家乡网络前缀的路由通告消息，模拟的家乡链路，使m n 始终使用 初始配置的包含家乡网络前缀的地址进行通信。 为建立路由并完成上行数据包的封装和下行数据包的解封装：l m a 和m a g 信令交互之后建立起双向隧道，m a g 在隧道口接收到数据包后， 对数据包进行解封装并通过接入链路转发给m n ；同时m a g 将接收到的 m n 发送给对端节点的所有数据包进行封装并从隧道接口转发。 2 1 3 协议操作流程 1 ) 移动节点接入过程 当移动节点m n 连接到p m i p v 6 域的一个接入网关( m a g ) 时，接入链路上 的m a g 识别该，判断该是否有权限获得基于网络的移动性管理服务，如 果可以为该移动节点提供移动性管理服务，则根据策略文件中的信息完成接 入后的注册及地址配置等操作。对于m n 来说，整个p m m v 6 域相当于一个单一 链路，网络确保在切换时始终使用初始配置的地址进行通信。州接入时的 具体流程如图2 2 所示。 当m a g 检测到m n 接入时，根据其m a c 地址从m n 的策略文件获得对应 的身份标识、链路层地址及l m a 的地址信息，并代替创建p b u 消息发 送给的l m a 以更新的位置信息，同时为m n 创建绑定更新列表条目。 l m a 对代理绑定更新消息进行解析处理，如果接受该p b u 消息则向m a g 发 送p b a 消息。判断注册的m n 是首次注册、绑定更新、解注册还是进行了切换， 如果是首次注册，为该m n 建立一个b c e 以存储的相关信息，同时将p b u 消息中的源地址( 即m a g 的地址) 注册为m n 的代理转交地址( p r o x v c o a ) ， 同时创建到m a g 的隧道，并为m n 添加相应的路由信息。 m a g 在接收到p b a 消息后建立起到u 儿的i p v 6 n i p v 6 的隧道，隧道两端 的地址分别为代理转交地址和l m a 的地址( l m aa d d r e s s ，l m a a ) 。p b a 消息 北京交通大学硕士学位论文 中包含m n 的家乡网络前缀信息，m a g 从p b a 消息中获得心的家乡网络前缀， 并以路由通告的形式将家乡网络前缀通告给心，模拟的家乡链路，心收到 这些路由通告消息后将会根据m n 的接口允许情况，使用有状态或无状态地址配 置模式来配置地址。地址配置成功之后，即获得包含家乡网络前缀的地址。此 时，提供服务的m a g 和l m a 也建立起相应的路由状态，来处理发往或来自删 的数据包。 配置地址 l 田 送日志消息f 从m n 策略文件中获得m n 的 j l 知队地址，创建发送p b u 消 l 。鼠同时刨建m n 的b d c l 卜一发送绑定更新消息i il l 刨建相应的p b a 消惠，建立” i 隧道，添加路由，同时刨建 lm n 的b li 扣i - 一发送绑定更新确认i i f 接收p b a 消息，建立相 应的隧道，添加路自 图2 2 m n 接入p m i p v 6 域流程 f 埝2 - 2m o b i l en o d ea t t a c h m e n ts i g n a l i n gc a l lf l o w 2 ) 移动节点切换过程 在p m i p v 6 域中，当m n 完成初始地址配置后，在移动过程中接入新链路时， 将执行切换操作，其切换流程如图2 3 所示。 新链路上的m a g 检测到m n 的接入时会向的l m a 发送代理绑定更新消 息以更新m n 当前的位置信息，操作流程和前一小节m n 的接入过程相同。而旧 的m a g 会检测到m n 的离开，这时m a g 向l m a 发送解注册消息，同时删除到 l m a 的隧道、对应m n 的绑定缓存列表条目和路由信息；l m a 在接收到解注册 消息时，向旧的m a g 发送解注册确认消息，完成解注册。 更新完毕后，l m a 和新的m a g 之间建立起隧道，新的m a g 继续向m n 发 送包含其家乡网络前缀的路由通告，由于家乡网络前缀不变，这使认为自己 始终连接在相同的链路上，m n 的地址配置也不改变，可以一直使用初始配置的地 8 代理移动i p v 6 协议及相关技术 址进行通信。 图2 - 3m n 在p m i p v 6 域内的切换流程 f i g 2 - 3m o b i l en o d eh a n d o f rs i g n a l i n gc a l lf l o w 2 1 4 路由的建立 p m i p v 6 协议中路由的建立和数据转发过程的实现是通过在l m a 、m a g 上添 加相关的路由转发条目，这些条目都是和m n 的家乡地址相关的。 l m a 的操作原理 l m a 和心之间建立绑定关系后，l m a 添加到家乡网络前缀的路由 信息，这样网络中所有发往该网络前缀的数据包都会被l m a 截获，l m a 通 过为该m n 建立的双向隧道转发这些数据包。 所有的l m a 通过隧道收到的数据包，在隧道出口解封装后根据内层目的 地址进行转发。 m a g 的操作原理 对于发往的家乡地址的数据包的处理：m a g 从隧道口接收到封装的 i p 数据包后，使用解封装技术去掉外层i p 包头，按照原始数据包的目的地址 完成转发。 对于m n 发出的数据包的处理：当m n 完成绑定注册之后，m a g 作为 m n 的默认路由器，接收发出的数据，并对这些数据进行封装后从隧道口 9 北京交通大学硕士学位论文 转发出去。 的操作原理 m a g 以路由通告( r d u t ea d v e r t i s 咖e n t ，r a ) 的形式将从l m a 获得的 的家乡网络前缀通告给心，m n 根据r a 中的家乡网络前缀配置自己的 接口地址。 2 2 双栈与隧道技术 目前，m v 4 地址越来越紧缺，i p v 4 向i p v 6 过渡已成为必然，p v 4 与i p v 6 将 在很长时间内处于共存，针对过渡期中如何顺利开展i p v 4 和i p v 6 业务，推进i p v 4 向口v 6 的演进过程，已经引起业界的广泛关注。 双栈技术是人们研究最多的一种i p v 6 演进方案。i p v 6 和i p v 4 是功能相近的 网络层协议，两者都基于相同的物理平台，而且加载于其上的传输层协议t c p 和u d p 又没有任何区别，可以在节点上同时支持i p v 4 和i p v 6 两种协议，根据通 信节点或网络的不同选用不同的协议栈，能与支持i p v 4 协议的主机通信，又能 与支持i p v 6 协议的主机通信，这就是双协议栈技术的工作机理。 隧道( t i l l l i l e l ) 是指一种协议封装技术。关于隧道的封装模式可以采用i p n i p 的封装、u d p 封装、g i 也等多种不同层面的封装技术【2 引。本文设计中使用i p i n i p 封装。口隧道封装技术只要求隧道两个端点的设备支持双协议。在i p v 4 网络穿越 中使用隧道技术实现了处于两个独立的i p v 6 网络的主机穿越i p v 4 网络进行通信， i p v 4 网络边缘设备收到i p v 6 数据包后，将i p v 6 数据包封装成i p v 4 数据包，在i p v 4 网络中传输到目的i p v 6 网络边缘设备，通过解封装恢复出原来的p v 6 数据包，再 根据目的地址完成转发。 隧道技术不要求网络中所有的设备都支持双协议栈，只需要网络边缘设备支 持双协议栈和隧道封装。当然隧道技术也存在一定的限制，只能完成相同协议栈 主机之间的通信，而不能实现口v 4 主机与i p v 6 主机的直接通信，但是隧道技术在 i p v 6 过渡过程中也已经成为一项被广泛应用的技术。 2 3 双栈代理移动i p v 6 p m i p v 6 协议解决了m i p v 6 中终端参与移动性管理的问题，但是p m i p v 6 要求 域内各节点和移动终端必须支持i p v 6 协议。而在i p v 4 向i p v 6 过渡的一段很长的 时间内，会经常遇到这样的问题，比如说移动节点m n 移动到一个i p v 4 接入网， 或者m a g 和l m a 被i p v 4 网络隔开，不能通过i p v 6 地址到达。因此i e t fn e t l m m l o 代理移动l p v 6 协议及相关技术 工作组又出台了r f c 5 8 “( i p v 4s u p p o r tf o rp m i p v 6 ) ，提出在代理移动i p v 6 的基 础上实现对i p v 4 的支持( 即双栈p m i p v 6 ) ，这样才能在l p v 6 过渡过程中更好的发 挥作用。 图2 - 4 代理移动l p v 6 对i p v 4 支持的基本网络模型 f i g 2 4b a l s i cn e t w o r km o d e lo fi p v 4s u p p o r tf o rp m l p v 6 双栈p m l p v 6 在支持p m i p v 6 基础上实现了i p v 4 移动节点的支持和i p v 4 网络 穿越两种情况。这翠要求l m a 和m a g 均支持双协议栈，根据m n 的协议类型的 不同，在l m a 和m a g 之间建立不同模式的隧道。基本网络架构如图2 4 所示。 接下来具体介绍这两种情况。 2 3 1支持i p v 4 移动节点的协议扩展 i p v 4 移动节点支持，即对移动节点i p v 4 家乡地址( i p v 4 。1 1 0 a ) 的移动性支 持。如果m n 为双协议栈或只支持i p v 4 协议的节点，在接入代理移动i p v 6 域时， 可以获得一个l p v 4 地址，并使用该i p v 4 地址在p m l p v 6 域内自由移动，通过代理 移动i p v 6 对其进行移动性管理。这样，只支持i p v 4 或双协议栈移动节点也可以接 入p m i p v 6 域，并使用i p v 4 地址进行通信。 对j p v 4 移动节点支持的基本模型如图2 5 所示。 北京交通人学硕士学位论文 圆 以找m n p v 4 数据流 双栈m a g i p v 6t u n n e l ( l m a a v 6 p r o 碍c o a v 6 ) 艰栈l m a i p v 6 数据流 图2 5p m l p v 6 对i p v 4 移动：w 点的支持 f i g 2 5p m i p v 6s u p p o r tf o ri p v 4m n m n 接入p m i p v 6 域时，接入链路上的m a g 初始化代理绑定更新消息，在与 m n 的l m a 完成信令交瓦后，在l m a 和m a g 之间建立起双向隧道，并添加相 关的路由信息。如果m n 要实现基于i p v 4 的通信，需要建立i p v 4 i n i p v 6 的隧道； 如果m n 进行i p v 6 通信，需要建立i p v 6 i n i p v 6 的隧道。 对移动节点i p v 4 家乡地址( i p v 4 h o a ) 的支持与i p v 6 家乡地址( i p v 6 h o a ) 的移动性支持是相互独立的。如果m n 的协议模式为i p v 4 一o m y ，则只在接口上配 置i p v 4 地址就能接入p m l p v 6 域，该地址与m n 的l m a 的地址是同一网段的， 即m n 的地址是拓扑上连接其l m a 的，这样l m a 就可以截获所有发往m n 的数 据包，然后通过隧道转发给m n 当前连接的m a g ，再由m a g 转发给m n 。 m n - 以使用接入链路上支持的地址配置机制完成地址配置，可以采用i p c o n t r o lp r o t o c o l ( i p c p ) 、i n t e m e tk e ye x c h a n g ep r o t o c o lv e r s i o n 2 ( i k e v 2 ) 或d y n a m i c h o s tc o n n g u r a t i o np r o t o c o l ( d h c p ) 等机制完成，也可以直接在m n 的策略文件 巾给出。 2 3 2i p v 4 网络穿越的协议扩展 l p v 4 网络穿越就是允许代理移动i p v 6 域内的l m a 和m a g 穿越l p v 4 网络进 行信令交瓦，同时使得m n 可以穿越i p v 4 网络实现通信。 代理移动i p v 6 要求域内所有路山器都支持i p v 6 协议，无论l m a 和m a g 之 l 日j 的信令交! t 还是m n 通信时的数据传输都是基于i p v 6 的。但是当l m a 和m a g 只能通过i p v 4 地址到达时，则所有数据传输都需要穿越i p v 4 网络。其基本网络模 型如图2 6 所示。在这种情况下，p b u 和p b a 的交互也要穿越i p v 4 网络，并且 将m a g 的i p v 4 地址注册为m n 的代理转交地址( i p v 4 p c o a ) 。根据m n 通信的 协议类型建立一i 同的隧道( i p v 6 i n i p v 4 、i p v 4 i n i p v 4 ) ，隧道两端的地址分别为 l m a 的i p v 4 地址和m n 的i p v 4 代理转交地址( 即m a g 的i p v 4 地址) 。 1 2 一一 代理移动i p v 6 协议及相关技术 双栈m n l p v 4 数据漉 图2 6i p v 4 网络穿越基本模型 f i g 2 - 6b a s i cm 0 d e l o fj p v 4t r a n s p o ns u p p o r t 2 3 3协议的应用场景 双栈p m i p v 6 解决了i p v 6 过渡过程中i p v 4 和i p v 6 共存的问题，同时实现了 对i p v 4 和i p v 6 的移动性管理，具有更广泛的适用性。 双栈p m i p v 6 也是有一定限制的，它要求m a g 和l m a 都支持双栈，并且i p v 4 地址都是公有地址。它支持以下几种场景： l 、外地网络具有i p v 6 的连通性，l m a 和m a g 之间为i p v 6 网络，m n 使用 i p v 6 地址进行通信，这种情况就是p m i p v 6 的适用场景； 2 、外地网络具有i p v 4 的连通性，l m a 和m a g 之间为i p v 6 网络，m n 可以 使用i p v 4 地址进行通信； 3 、外地网络具有l p v 4 的连通性， 使用i p v 4 地址进行通信； 4 、外地网络具有i p v 6 的连通性， 使用i p v 6 地址进行通信。 2 4 小结 l m a 和m a g 之问为i p v 4 网络，m n 可以 l m a 和m a g 之间为i p v 4 网络，m n 可以 本章对基于网络的移动性管理技术p m i p v 6 协议进行了阐述，简单介绍了 p m i p v 6 协议的原理，包括功能实体的介绍和协议流程的分析，并提出了双栈