（通信与信息系统专业论文）ipv6网络移动协议的研究与实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 随着3 g 、w i m a x 网络的兴起，全球、r 6 网络的大规模建设，互联网 呈现宽带化、无线化和移动化。接入技术的不断进步，促使网络相互移动 和嵌套，而以前针对网络移动性的终端解决方案，在新情况下不能保证数 据通信的连续性。因此研究移动互联网中的数据通信问题具有十分重要的 理论意义和现实意义。本文在研究i p v 6 网络移动协议( n e m o ) 的基础上， 设计并实现了口v 6 网络移动协议软件。 论文所做工作是铁道部项目“铁路移动用户i p 管理技术研究与实践” 和国家8 6 3 滚动项目“高性能i p v 6 路由器协议栈软件”的一部分。论文首 先综述了移动i p 和n e m 0 技术产生的背景及国内外研究现状，随后详细 地分析了m i p v 6 及其扩展协议、n e m o 协议的工作原理和运行机制，并依 据i e t f 标准r f c 3 7 7 5 和r f c 3 9 6 3 设计了移动网络协议的总体实现模型， 在内核空间和用户空间按照功能不同划分了9 个模块，详细地阐述了各个 模块的实现流程和方法，实现了基于l i n u x 的i p v 6 网络移动协议软件，并 且进行了周密的测试。本协议软件具有移动i p v 6 和n e m 0 的基本功能， 而且已经应用在部分高校的i p v 6 实验床上，效果反映良好。此外，论文针 对网络移动协议中基本路由优化的缺陷，深入地讨论了随之产生的时延、 网络瓶颈等问题，并从基本路由优化、嵌套移动优化、基础结构优化、内 部优化四个方面研究分析了目前一些解决路由优化的方案。最后在总结论 文工作的基础上对n e m o 的研究方向进行了探讨。本文中的n e m 0 实现 方案已经申请专利( 专利受理号：2 0 0 4 1 0 0 0 9 5 6 3 3 ) 。 关键词：i p v 6移动i p v 6网络移动协议路由优化 i p v 6 网络移动协议的研究与实现 a b s t r a c t w i m l er a p i d d e v e l o p m e n t o fm o b i l en 咖，o r k sa i l dt h e g l o b a l c o n s t m c t i o no fi p v 6 ，i n t e m e th a sb e c o i i l c 谢d c b a n d ，w i r e l e s s 蛆dm o b i l e b u t i i l 也ec a s eo fn e s t i n g 孤dm o b i l en e t w o r k ，p r e s e n tt e m l i n a lm o b i l i t ys o l u d o n s c a nn o t g u a r a m e e 出ec o 而n u i t yo fc o m m 响c a t i o n ”sn e c e s s a r y 趾d i n l p o r t a l l tt or e s e a r c l ld a t ac o m m l l i c a 廿0 ni 1 1m o b j l ei n t e m e t ，1 1 1t 1 1 i sp a p t h e s o f t w a r ei sd e s i g n e da n dr e a l i z e do nm eb 勰i so fr e s e a r c h i i l gt l l em o b i l i t y p m t o c 0 1 ( n e m o ) t h ew o r ko f 也i sp 印e ri sap a no f “m a i l a g e m e n to fm o b i l eu s e r si i i r a i l w a ys y s t e m ”p r o j e c ta i l d l l i g hp e r f o r n l a n c e 1 p v 6m u t e rp r o t o c o l s s o f l w a r e ”p r o j e c t f i r s t l y ，1 eb a c k 豇o u l l do fm o b i l ei pa i l dn e m oa r c s 皿a r i z e d ，t h e i r r e s e 缸c ha c t l l a l “i e sa r ea l s or e v i e 、e d s e c o n d l y ， t t l e p 曲c i p l e sa n dm e c h a n j s m so fm i p v 6a n dn e m 0 a r ea i l a l y z e di nd e t a i l ，也e n a c c o r d i n gt oi e t fr f c 3 7 7 5a n dr f c 3 9 6 3 ，血en e m 0s o 椭a r ea r c h i t e c t u r e i sp m p o s e d ，w h i c hi sd i v i d e di n t on i n em o d u l e si nk e m e la 1 1 du s e rs p a c e t h e r e a l i z a t i o no fe a c hm o d u l ei sd e s c r i b e di nd e t a i l ，m i sp r o t o c o ls o f h v a r ei s r e a l i z e d t h i r d l y ，t h et e s te n v i r 0 i l i n e mi s s e tu pf o rt h i ss o f l w a r e ，l et e s t m e t h o da n dp r o c e s sa r ca l s oi n v o l v e d ，a n di ti sc o n c l u d e d 也a tt h en e m o s o r w a r eh a sf u n d 锄e n t a l c t i o n sd fm i p v 6a i l dn e m o i nr e a l i 吼t l l e n e m os o f h a r eh 船a l r c a d yb e e ni i n p l e m e m e di ns o i n ei p v 6t e s t i n gb e d si n u n i v e r s i t i e s ，i na d d i t i o n ，s o m ek e yp r o b l e m so fb a s i cr o u t eo p t i m i z a n o ni n n e m oa r ed i s c u s s e d ，a 1 1 ds o m ep r e s e n ts o l u t i o n sa r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：i p v 6 m o b i l ei pn e t w o r km o b i l i t y r o u t eo p t i m i z a t i o n i i 北京交通大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着互联网和移动通信的迅猛发展，各种网络新业务不断出现，人们 对移动上网的需求日益增加，w i m a x 、w i f i 、3 g 等无线接入技术的应用 也不断地提高网络带宽，移动互联网逐渐成为i t 业一个新的经济增长点。 但上层的包分组协议i p 协议对于新的移动环境是否需要做出改变? 答案是肯定的，现有的i p 标识方式和路由策略无法满足移动环境中通信 的持续保持。 针对这一问题，国际互联网技术标准制定组织i e t f 提出了m i p ( m o b i l ei p ) 方案，第一个m i p 方案是基于i p v 4 协议的，称为m 口v 4 。 但是它存在先天性不足，比如地址空间有限、报头扩展性差、安全性和移 动性支持不好等。同时m i p v 4 的三角路由问题也造成了m i p v 4 的应用前 景不明朗。后来提出的m i p v 6 利用了i p v 6 协议的优势地址空间巨大， 报文头部扩展性好，较好的安全、移动性支持，即插即用的i p v 6 地址配 置解决了m i p v 4 的一些问题。但是随着技术的进步，人们需求的变 化，简单的终端移动方式已经不能满足未来应用的要求，网络移动n e m o ( n e t w o r km o b i l i t 、，) 的概念随之诞生，n e m 0 解决了m i p 中网络移动支 持性的部分问题。 m i p 具有如下局限性： 1 1 网络动态性凸显m i p 的局限性 随着无线接入技术和宽带传输技术的开发和应用，如b l u e t o o m 、u w b ( u l t r aw i d e b a l l d ) 、w i f i 、w i m a x 、i e e e 8 0 2 2 0 、i e e e 8 0 2 _ 2 1 、w c d m a i p “网络移动协议的研究与实现 等，人们的生活中出现了、 ，p ! a n ( 砸e l e s s p e r s o n a l a r e a n e “r k ) ，w l a n ( w i r e l e s sl o c a ia r e an e t w o r k ) ，、胁疽a n ( w 沁l e s sm e 仃o p o j i t a l l 觚a n e t w o r k ) ，3 g 无线网络等，网络呈现无线化和多元化，网络之间彼此独 立又相互嵌套，相对静止又相对移动，构成了一个拓扑结构复杂的动态变 化网络。面对这样的网络，为单机设计的m i p ，仅仅通过设置i p 终端当 前位置地址与家乡地址的绑定条目来提供移动时收发i p 分组功能是不够 的，无法保证网络变化时通信的连续性。 2 ) m i p 中的路由策略相对简单 在m i p 中，通过改变默认路由来改变i p 分组的转发目的地。但在拓 扑动态变化的情况下，i p 标识发生变化，在m r 中仅仅依靠修改默认路 由的方法，只会增加路由器的负荷，造成网络节点的不稳定，容易发生网 络拥塞，甚至网络瘫痪。另外，目前广泛使用的i u p 、o s p f 、b g p 等路 由协议都是建立在拓扑结构相对稳定的基础上，i p 标识发生变化将使路 由器之间无法进行路由信息的交换，网络不能收敛，造成路由不可达。所 以移动网络的路由优化一直都是研究的热斛1 【2 【3 【4 】o 3 ) 家乡代理成为通信瓶颈 在m i p 中，部分通信是由家乡代理h a ( h o m ea g e m ) 来转发的， 包括m i p v 4 中的注册( r e 百s 仃a t i o n ) ，通信节点c n ( c o r r e s p o n d e m n o d e ) 发往移动节点m n ( m o b i l en o d e ) 的数据：m i p v 6 中的家乡注册( h o m e r e g i s 订a t i o n ) ，对端注册( c o 仃e s p o n d e n tr c g i s 仃a t i o n ) ，返回路由过程i 汛 ( r e t u mr o u t a b i l 耐p r o c e d u r e ) ，与无m i p v 6 功能的c n 通信等：n e m o 基本支持中的所有数据都需要通过m r 和h a 之间的隧道。h a 的处理能 力，缓存大小将直接影响通信的好坏，成为网络中的瓶颈。而且在变化的 网络中，h a 可能是移动的、分布式的【卦，m r 可能有多个h a 【6 1 等，m i p 的理论不能解决这样的问题。 北京交通大学硕士学位论文 4 1 双向隧道方式造成数据报头冗余 在最新的r f c 3 9 6 3 中，借鉴了m i p 的双向隧道进行数据传输，但是 面对网络变化嵌套，隧道方式存在很大的弊端，造成数据报头冗余，数据 包中携带的有效数据太少。如图1 1 所示： 图1 1n e m o 中的报头信息冗余 图中l f n ( l o c a lf i xn o d e ) 要和c n 通信。那么就需要在3 个隧道 中穿梭，最后到达m r 3 的h a 数据包格式如下： 由此可见数据报头十分冗余。可见m r 需要一套较为优化的路由方案。 北京交通大学硕士学位论文 针对m i p v 6 中的本地管理、切换等问题，i e t f 还分别于2 0 0 5 年7 月和8 月发布快速移动i p v 6 ( f a s th a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6 ) 1 4 】和层次 移动i p v 6 ( h i e r a r c 抽c a lm o b i l ei p v 6m o b i l i t ym a i l a g e i n e n t ) 标准。 目前，国内外对m v 6 的研究重点围绕移动检测【1 6 1 、层叠区域切换 1 7 】、组播、多家乡问题 1 9 l 、r r 过程优化、层次移动性管理 2 l 】等，i e t f 还于2 0 0 6 年1 月针对本地移动性管理建立n e t l 删 n ( n 嘶0 r k b a s e d l o c a l i z e dm o b i l i t ym a i l a g e m e n t ) 工作组。 在m i p v 6 的代码实现方面，l s i x 、m p l 、u s a g i 、k a m e 、 t a r z a n 、曲i p v 6 o 娼等组织已经发布了免费的源代码供开发人员学习和 研究；m i c r o s o f t 也有自己的开发队伍，只是还没有正式发布软件。 支持m i p v 6 的原型产品也开始出现，日本惠普、k a m ep r o j e c t 、夏 普、思科、n e c 推出了自己的m i p v 6 的产品。日本诺基亚和n t t 通信也 于2 0 0 3 年3 月推出了支持m i p v 6 的掌上电脑。2 0 0 4 年8 月，北京交通 大学的具有m 口v 6 功能的b j t ui p v 6 无线，移动路由器研制成功。 1 2 2 网络移动协议 2 0 0 3 年国际互联网标准组织i e t f 重新设置了四个工作组，分别研究 互联网移动性问题，即分别研究i p v 4 和i p v 6 网络中终端移动性支持的 m i p v 4 ( m o b i l i t yf o ri p v 4 ) 和m i p v 6 ( m o b i l i t yf o ri p v 6 ) 工作组，研究信令和 网络切换优化m i p s h o p ( m i p v 6s i g n a l i n ga n dh a n d o 圩o p t i i n i z a t i o n ) 工作 组，以及在m i p 基础上研究予网移动的n e m o ( n e t w o r k m o b i l i t ) r ) 工作组。 n e m o 组于2 0 0 5 年1 月发布“移动网络基本支持”【22 1 ，但数据包采用多 层隧道封装方式进行传输，效率很低【3 】。移动路由器m r 是n e m o 的重 要实体，负责移动网络中的数据转发，本地移动性管理等，并参与上一层 i p v 6 网络移动协议的研究与实现 网络的层次性服务。2 0 0 5 年1 0 月，针对m n 和m r 的多接口和多链路问 题嘲，还建立了m o n a m i 6 ( m 0 b i l en o d n dm u m p l ei n t e r f h c e si ni p v 6 ) 工作 组。 目前n e m o 的主要研究方向集中在m r 多家乡问题【6 l 、m r 的路由 优化【1 【4 】，安全 2 】，嵌套网络【3 1 等。 在n e m o 及m r 的代码实现方面，s h i s a ，m i p l ，n a u t i 】u s 6 等组织 发布了自己的软件，但在功能上还不能达到r f c 3 9 6 3 的要求，软件的稳 定性差，b u g 较多。 1 3 选题的意义 综上所述，m i p 这种针对单机移动的解决方案，在网络多元化的今 天已经不再适合，需要我们找到新的替代方法。从m i p 发展而来的n e m o 就是其中之一，研究n e m o 是符合未来互联网发展方向的，对移动互联 网的部署具有极其重要的意义。而n e m 0 协议的设计和实现是移动互联 网理论的试金石，是从认知走向实践的重要一步，从而引导和促进移动互 联网的研究。 同时n e m o 中的基本支撑协议i p v 6 已经相当成熟。大部分的u n i x 和类u n i x 操作系统，以及晰n d o w sx p 已经支持i p v 6 协议；各种基于 i p v 6 的应用软件，如浏览器、及时通信工具、邱、t e l n e t 、视频点播等也 开始应用或正在开发。i p v 6 软件体系的成熟为n e m o 的设计实现提供了 良好的开发平台，w l a n 的广泛应用也为建立好的无线实验环境提供了 机会。 不难想象，随着网络技术的发展，移动互联网引入家庭、商业、工业、 农业将成为必然趋势。移动互联网的研究和应用对推进个人移动通信将具 北京交通大学硕士学位论文 有非常重要的意义，在理论和技术实施上也是可行的，因此对n e m o 协 议的研究与开发迫在眉睫。 论文所做工作是铁道部项目“铁路移动用户m 管理技术研究与实践” 和匡f 家8 6 3 滚动项目“高性能i p v 6 路由器协议栈软件”的一部分，旨在 研究n e m o 协议的基础上，完成n e m o 协议的设计与实现。并使之在以 太网、w l a n 等环境下正常运行。 1 4 论文的主要工作 本论文所实现的是基于i p v 6 路由器的n e m o 协议软件，使路由器具 有n e m o 协议中m r 的基本功能，能够运行在以太网和w l a n 的混合网 络中，保证数据的转发和移动过程中的通信持续性。 论文的主要工作是对i p v 6 协议、m v 6 协议和n e m o 协议进行了全 面地研究分析，并阅读分析了大量的开源组织源代码，在此基础上完成了 i p v 6 路由器中n e m o 协议的设计与实现，并在以太网和w l a n 的混合 网络中进行测试。所涉及的内容包括： 1 ) 在理解i p v 6 的基本协议，地址自动配置协议、邻居发现协议、控制 报文协议( i c m p v 6 ) 的基础上，较全面地分析了m i p v 6 协议和n e m o 协议，理清它们之问的相互依赖关系和协议框架中的层次关系。 2 ) 分析大量开源组织的源代码，包括“n u ) 【内核中的t c p i p 协议、进 程调度、线程管理；s h i s a 、m i p l 等一些开源项目中关于s o c k c t 例 和i p c 【2 4 j 等技术应用的源代码。在深入理解协议的基础上，对l i n u x 的t c p i p 协议进行修改，增加新的i p v 6 扩展头部和选项，i c m p v 6 消息结构，i c m p v 6 和i p v 6 中的数据处理过程。 3 ) 按照n e m o 协议2 习中的功能需求划分模块，如注册模块、移动检测 i p v 6 网络移动协议的研究与实现 模块、发送接收模块等。设计数据结构、进程间通信方式、模块接口、 h a s h 表存储等。最后按照软件工程标准进行代码实现。 4 ) 在w l a n 中对实现的n e m o 软件进行测试。由于篇幅有限，本文只 对移动网络前缀注册的测试过程进行了详述。测试结果表明本软件具 有m i p v 6 和n e m 0 的基本功能。 5 ) 分析了n e m o 基本路由优化方面的缺陷，总结了目前的一些路由优 化的解决方案。 6 ) 对论文的主要工作进行总结，展望了删o 在路由优化、多家乡、 与3 g 网络结合等方面的研究趋势，明确了下一步工作的方向。 论文的组织如下： 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。 第二章介绍了m i p v 6 、i m d v 6 、f m i p v 6 、n e m o 协议的基本原理。 第三章分析了n e m 0 协议实现的具体目标，并针对目标提出了总体 设计方案。 第四章详细阐述了l i n u x 下n e m o 协议的实现，包括重要数据结构 的分析、内部功能模块和模块接口的设计实现。 第五章详细描述了软件的测试情况。 第六章就n e m o 中的路由优化问题进行讨论。 第七章对论文工作进行总结，对n e m o 的研究方向进行探讨。 北京交通大学硕士学位论文 第二章相关技术原理分析 2 1 移动i p m i p 就是l p 的移动性扩展，它分为两类m i p v 4 ，m i p v 6 。简单来说， m i p 提供了一种i p 路由机制，使移动节点可以通过一个永久的p 地址连 接到任何链路上。m i p 可以看作是一个路由协议，只是与其它路由协议 相比，m p 具有特殊的功能，它的目的是将数据包路由到那些可能一直 在快速地改变位置的移动节点上嘲。 由于m t p v 4 是基于i p v 4 协改的，存在先天性的不足，比如地址空间 有限、报头扩展性差、安全性和移动性支持不好等。同时m i p v 4 中的三 角路出问题也造成了m 口v 4 的应用前景不明朗，所以这里主要阐述 m t p v 6 。 2 1 1 移动i p v 6 基本原理 m i p v 6 的原理图如图2 1 所示。 1 ) 移动节点m n 有两种丁作环境，可以连接在家乡链路上也可以移动到 外地链路。 a 1m n 连接在它的家乡链路( r o u t e r l ) 上时与任何固定的主机和路 由器一样工作。 b 1 当m n 运动到外地链路( r o u t e r 2 ) 上时，它采用i p v 6 定义的地 址自动配置方法得到外地链路r 的转变地址。m n 用接收的路由 器广播报文中的m 位来决定采用哪一一种方法。如果m 位为0 ， 器广播报文中的m 位来决定采用哪一种方法。如果m 位为o i p v 6 网络移动协议的研究与实现 据包，并将它通过隧道送往m n 的转交地址。m n 将送过来的包 拆封，发现内层数据包的目的地是它的家乡地址，于是将内层数 据包交给高层协议处理。在相反方向采用反向隧道，m n 可以将 数据包通过隧道送给家乡代理r o u t c r l ，然后路由到c n 。 2 1 2 返回路由过程 在m i p v 6 中，为了限制那些已经接入互联网特殊路径的潜在攻击者， 避免从互联网的任意地方伪造绑定更新，在向c n 注册之前需要进行路由 返回过程( r r ) 。如图2 3 所示： 图2 3m i p v 6 中的r r 过程 r r 中包括h o m et e s ti n i t ( h o t i ) 、c a r c o f t c s ti l l i t ( c o t i ) 、h o m e t e s t ( h o t ) 和c a r e o f t e s t ( c o t ) 报文。完成密钥的交换和确认，达到 加密b u 的目的。其中h o t i 、c o t i 是m n 发往c n 的，h o t 和c o t 是 c n 发往m n 的。具体过程如下： i p v 6 网络移动协议的研究与实现 在这种情况下，m n 向它的移动口v 6 家乡代理任播地址【2 6 1 发送一个 i c m p 家乡代理地址发现请求消息( h o m e a g e m a d d r e s sd i s c o v e r y r e q u e s t ) ，对应它的家乡地址前缀。家乡网络上接收到请求消息的h a 会 回应一个i c m p 家乡代理地址发现响应消息( h o m e a g e n t a d d r e s s d i s c o v e r yr e p l y ) ，消息中给出了在家乡网络的所有家乡代理的地址。如 图2 4 所示。 图24d h a a d 和m p d 当m n 接收到这个家乡代理地址发现响应消息时，按照响应消息中 家乡代理列表的顺序，试着向每一个h a 地址进行注册，直到有一个成功； 如果m n 当前与某个h a 已经发生注册( 即注册的生存期还没有过期) ， 那么m n 将首先尝试与这个h a 发生新的注册。如果注册失败，移动节 点应该尝试向其它h a 注册。如果m n 不知道其它合适的家乡代理，那 么它可能会尝试如上所述的动态家乡代理地址发现机制。 北京交通大学硕士学位论文 2 1 4 移动前缀发现 m p d 的含义是移动前缀发现( m o b i l ep r e f i xd i s c o v e r y ) ，是m i p v 6 中特有的。当m n 离开家乡网络时，会向其广播相关的前缀信息( m o b i l e p r e 矗xa d v e n i s e m e n tm e s s a g e ) ，用于家乡地址配置和网络重编号。当然在 m n 的家乡地址就要无效时，它也可以向它的h a 发送移动前缀请求 ( m o b i l ep r e 触s o l i c i t a l i o nm e s s a g e ) 来获得路由前缀信息的更新。新的 信息可以让移动节点加入到家乡网络的重新编号过程。如图2 4 所示。 2 2 层次移动i p v 6 在m i p v 6 中提出了很多不同的方案来减少切换延迟。层次移动珏v 6 ( h m i p v 6 ) 是i e t p 提出的一个方案，它通过使用层次网络管理结构来 减少注册时间。h m i p v 6 提出了一个新的实体，称之为移动锚节点m a p ( m o b i l i t ya j l c h o rp o i n t ) 。h m i p v 6 中扩展了m n 的操作，对h a 和c n 没有影响。 在 i m i p v 6 中m n 发生两种注册，向h a 注册r c o a ( r e g i o n a l c a r e o f a d d r c s s ) 和h o a ，向m a p 注册r c o a 和l c o a ( o n - l i i l l 【c a r e o f a d d r e s s ) 。 如图2 5 所示，r c o a 是由l m a ( l o c a lm a p ) 分配的，l c o a l 是由接入 路由器a r l ( a c c e s sr o u t e r ) 分配的。 m n 发出的数据都需要m a p 的转发，h a 和c n 只能看到r c o a ；由 外面发送到m n 的数据包，首先到达m a p ，m a p 根据r c o a 找到l c o a ， 然后转发到正确的a r 上。当m n 移动时，如果移动到m a p 管理区域外， 就和m i p v 6 一样，进行新的注册。如果没有移动到管理区域外，如图2 6 所示，m n 从a r l 移动到a i 己2 ，产生新的l c o a 2 ，r c o a 没有变化。只 i p v 6 网络移动协议的研究与实现 需向m a p 注册l c o a 2 ，不用向h a 注册了。由于m n 与m a p 的网络距 离比与h a 的短，减少了注册的时间。 图2 5m n 注册r c o a 和l c o a l 图2 6m n 在管理区域内注册l c o a 2 在一个网络中，可能有多个m a p ，多个a r ，它们的管理区域是通 过动态m a p 发现( d y n 锄i c m a p d i s c o v e r y ) 划分的。首先，m a p 在自 己的路由通告r a ( r o u t e r a d v e m s e m e m ) 中携带自己的信息：全球i p v 6 地址和前缀，自己的优先级，网络距离( 跳数) 。每个a r 会将收到的 m a p 信息放入自己的r a 中进行发送，如图2 7 。a r 会增加m a p 信息 1 6 i p v 6 网络移动协议的研究与实现 理。在线程之间，采用i p c 通信，交互处理信息，加快移动路由器中 各状态的转换。 3 2 新增的数据结构 针对r f c 3 7 7 5 、r f c 3 9 6 3 ，将其中涉及到的主要的结构进行定义， 如新的i c m p v 6 报文，第二类路由头，v 6 移动头等，并修改r a 中的前 缀信息选项结构体接口类型1 2 8 l 。为了在口v 6 层支持m 口v 6 ，增加了l i n 嗽 系统接口控制的类型【2 9 】，在i p v 6 接口定义中增加了一些成员变量用于 n e m o 和p v 6 ，在i p v 6 的输入输出上增加了一些处理机制等。还增加 m n 到h a 的隧道类型，定义了新的s o c k e t 选项 m i p v 6t l vh o m e a d d r ，在路由处理上增加了m n 标识。增加的部分 重要数据结构如下： 1 1i p v 6 移动扩展头部，是整个i p 、，6 网络移动性支持中消息格式的基础， b u 、b a 等消息都基于它。 s t m c t i p 6 - i n h u j n t 8 ji p 6 m hp r o t 0 ； m h 协议号+ u j m 8 ji p 6 m h j e n ； 长度( 8 字节个单位) + ， u j n t 8 _ ti p 6 m bt y p e ； 聿消息类型+ u j n t 8 _ ti p 6 m h - r e s e r v e d ； u _ i m l 6 ji p 6 m h _ c k s u m ； 严m h 的校验和+ ， ； 2 1b u 、b a 、b r r 、b e 是完成注册功能的基本消息，以b u 为例。 s t m c ti p 6i i l l lb i n d i n g u p d a t e s 缸1 l c ti p 每_ n mi p 6 m h b u - h d r ；严移动头部+ 北京交通大学硕士学位论文 u j n t l 每ji p 6 m h b u - s e q n o ； p 序列号4 u _ i n t l 每ji p 6 m h b l l _ n a g s ； p 标志位+ ， u _ i m l 6 ji p 6 n l h b u - l 懒i m e ； 唑存期( 单位4 秒+ ， 1 ；p 后面是移动选项 3 1c o t i 、c o t 、h o t i 、h o t 消息在r r 过程中使用，以c o t 为例。 s t m c ti p 6m hc a r e o f _ t e s t s t m c t i p 6 _ r i l hi p 6 n l l l c t _ h d r ； p 移动头部+ u j n t l 6 ji p 6 瑚- l l c t _ o n c e _ j n d e x ； n o n c e 列表索引+ ， u n i o n f u j n t 8 _ t p o o k i e 8 【8 】； u _ i m 3 2 _ t c o o k i e 3 2 【2 】； 产转交c o o h e + ) j p 6 m _ l l c t _ c o o k i e ； u n i o n f u j n t 8 j i e y g e n 8 【8 】； u j n t 3 2 j k e y g c n 3 2 【2 】； 唪转交密钥标识+ ， 一i p 6 m h c t _ k e y g e n ； ； 4 ) 类型2 路由头和目的地址扩展头中的家乡地址选项是完成路由优化的 重要组成部分。 类型2 路由头 s t n l c ti p 6 响d r 2 u i n t 8 - ti p 6 r 2 1 1 x t ； 謇下一头字段+ u i n t 8 ti p 6 r 2 _ l e n ； 产长度，永远为2 + u i m 8 ji p 6 r 2 j y p e ； 类型，永远为2 + u i n t 8 j i p 6 “一s e g l e 危 + 包含路由数为1 + ， 北京交通大学硕士学位论文 网络协议栈的一致性，我们充分利用l i i l l l ) 【中已有的数据结构和实现方 法，来保证n e m o 层对于传输层的透明性。底层内核提供系统管理、进 程调度管理和系统调用；层提供数据包的发送和接收、隧道的建立等： 具体模块划分见图3 1 。 图中的模块按照功能分组，同一组模块在一个圆角矩形内。双向线表 示两个模块组互相影响。解析和构造移动报文模块、移动检测模块作为信 息传递的接口在用户空间和内核空间之间。配置和显示命令模块用于显示 和配置用户空间的数据，和用户空间的模块都有联系。 3 4 各模块简述 图3ln e m 0 功能结构图 1 1 解析和构造报文模块：主要完成移动控制报文中移动头部的解析，并 做出相应的回应，将相关信息构造、发送出去。通过对报文的分析， i p v 6 网络移动协议的研究与实现 将作为触发事件影响移动体的有限状态机。 2 ) 移动检测模块：利用r a 、邻居发现、链路层触发等，检测网络前缀 变化、接入点变化、生存时间过期，完成网络层的切换。 3 ) 配置显示命令模块：对m r 属性进行配置，显示本机的b c 、b u l 等 状态信息和调试信息，并可以通过命令配置家乡代理地址，隧道和启 动接口。 4 ) 数据维护更新模块：通过解析移动报文，提取相关的信息，如c o a 、 h o a 、移动前缀、绑定生存期、通信对端地址、状态表示位等。然后 更新b c 、b u l 等数据表项。 5 ) 返回路由过程模块：处理在r r 中的c 0 t 、c 0 t i 、h o t 、h o t i ，计 算k e y g e n t o k c n 、k b m 等。 6 ) 移动报文接收和发送模块：用于接收移动报文，主要作用是取出c o a 和h o a ，交换位置，然后输入到解析和构造移动报文模块；将移动报 文按照要求，填好i p v 6 包头，并加入扩展头，最后送到发送队列上。 7 1 接口信息和路由表更新模块；此模块负责移动接口的初始化和接口信 息维护，在移动过程中对内核路由表进行更新，主要功能为接受路由 重定向、改变默认路由，隧道项的加入和删除。 8 ) d h a a d 模块：动态家乡代理发现模块，运行在m r 和h a 上，更新 h a 之间的家乡代理信息，保证m r 离开家乡网络后的注册成功。 9 ) m p d 模块：移动前缀发现模块，当m r 在外地时，家乡网络的前缀 变化会及时通告到m r ，保证m r 和h a 之间双向隧道的有效性。 3 5 多线程设计思想 从图3 1 中可以看出，n e m o 协议在运行时不仅同周围模块发生复杂 北京交通大学硕士学位论文 的数据交换，而且内部功能模块之间也要进行复杂的通信。如何高效处理 这些通信事件直接决定n e m o 协议软件的运行效率。为此，采用多线程 的设计思想来处理协议通信事件【3 0 j 。 多线程的设计思想是：在程序开始运行后，建立多个s o c k e t 通信及监 听线程，如m h 、i c m p 等s o c k e t 连接，i c m p 监听器等。目的是更迅速 的把握外界和内部的状态变化，保证通信的连续性。同时运用进程间通信 手段，如任务队列管理调度【3 “，消息队列来辅助注册和i 汛过程，读写锁 避免重要的数据表项的多线程写入，互斥锁可以保证一些共享程序片断的 资源唯一利用性【3 2 】。如图3 2 所示： 图3 2 多线程设计思想 i p v 6 网络移动协议的研究与实现 第四章网络移动协议的模块实现 4 1 数据更新维护模块 4 1 1 数据结构分析设计 增加的数据结构包括h a 列表、家乡前缀列表、h o a 信息表、b u l 、 b c 、i i l i p 接口信息表、定时器等结构。还有关于安全方面的n o n c e s 、 c o o k i e s 、t o k c n s 等的数据结构。他们主要用于记录各种数据的状态，部 分结构的相互关系如图4 1 。 定义了有关时间和计数器的函数和结构，包括计数器的初始化、更新、 撤销。这些计时器存在于绑定更新列表、绑定缓存、前缀信息等结构中， 这是符合r f c 3 7 7 5 和3 9 6 3 规定的，用于表项的更新。 b i i i d i n gu p d a t el i s t m o b i i ep r e f i xt a b l el i s t 图41用户空间部分数据结构的相互关系 北京交通大学硕士学位论文 萎孽0 i i i ； 霎= ! 匿矾篓臣鬻羔篓始 括希蓄叫驯要氍f 量；霸蛰錾蕃i 可翳替篓；豫鲑e 篓霄霎i 霪掇萋蔷 器坞强忍荔磐霪t ；鐾醒鞋辩崮；警拦蒌圳剖萎慨落珲璎强攘曜淫琨 量i 捅麓嚣裂i 划攫貊楚蓬旒簸，髫魏磊拜蘑缓需；越罂，t 篙塑囊弱慧鲫鬣 理强烈强妻型e i 彗嚣塑鞴二篮疆群牲鲣蹩一襄碥塑而噶务囊i 篓鲤嚣委羹 羹鸷鹦嚣骚掣二薹， 4 0 ：8 0 0 7 ：2 00 3 ：1 6 4 i w c o n 风e t h o e s s i dh o m e n e tm o d ea d - h o ce n co 仃 e c h o ”l ” p r o c ，s y 幽e t i p v 6 c o n 蹦胁r 啪r d in g e c h o “0 ” p r o c s y 斩l e “i p v 6 c o n 抛l a i l _ t o c o i l f e c h o ”0 ” p r o c s y 幽e 们p v 6 c o n 口a l l a cc e p t _ r a e c h o ”0 ” p m c s y s n e 埘p v 6 c o n 蹦讹c c 印t _ r e d 沁c t s 还需要启动和配置动态路由协议，利用实验室成果i p v 6 高性能路由协 议栈软件，在h a 和a r 之间启动r i p ( r 0 谢n g i n f o r n l a t io n p m t o c 0 1 ) 路 i p v 6 厢络移动协议静研究与实现 i n t ( + c o m p a r e ) ( v o i d + d a t a ，v o i d 铀踞h k e y ) ；p 1 1 a s l l k e y 比较函数 2 ( + h a s h _ _ f h c t i o n ) ( v o i d 鼬h k e y ) ；a s h 函数+ ， ) ； 为了将s o c k e t 和相应的处理函数连接，设计f dl i s t 数据链表。它的 作用是在功能实体( m n 、h a 等) 的启动后，先将s o c k e t 和相应的处理 函数加入f d l i s t ，形成一个大的数组，当需要处理数据时，只要循环执行 数组中得元素( 处理函数) 就可以了，便于及时分析数据。 4 1 2 用户空间初始化 对配置文件或配置命令中的数据进行解析和记录。初始化计数器、文 件标识符列表、h a 列表、家乡前缀列表、家乡地址信息表、接口信息表、 b u l 、b c 。n o n c e s 等安全验证信息初始化，初始化节点类型。 建立本机的监视端口，用于状态信息的显示。建立几个s o c k c t 连接， 分别用于解析和构造移动报文、d h a a d 、移动检测、用户空间和内核空 间的数据交互的处理；s o c k e t 中建立、连接、接收、发送、输入、输出、 控制等函数的确定等。 4 1 3 更新操作 初始化完毕后，由于协议运行期间的触发事件影响，需要对数据进行 更新。对于其中的链表结构，主要的更新操作是表的建立、嵌套、删除、 清空，表项的插入、更新、建立、删除和查询；其它的定时器、n o n c e s 、 n o n c e s 、c o o k i e s 、t 0 k e n s 等变量的主要操作为计算、清零、查询、移位。 以上的操作在l i n u x 内核中的l i s t h 头文件中都有所实现 3 4 】，而且比 较简单，这里不作赘述。 i p v 6 网络移动掷议的研究与实现 是否为解注册、错误、注册、重新计时等。最后加入到b c 中，然后 调用s e r l ( l b a 函数构造b a 消息，将生存期、状态号、认证信息等字 段填充好，发送数据。 图4 3 解析和构造移动报文 北京交通大学硕士学位论文 如果接收到b e 、b r r 、b a 、c o t 、h o t ，不做处理。 除了以上类型的数据包外的其它类型，根据不同情况构造b e 信息， 然后发送b e 。具体流程如图4 3 所示。 4 2 2 n e m o 与m i p v 6 的区别 在解析和构造报文模块中，n e m o 和m i p v 6 的最大区别在于绑定更 新消息中r 比特( 移动路由器标识) 、模糊和确定注册。下面以表格的形 式列出它们实现细节的不同之处，如表4 1 所示。 表4 1n e m o 和m i p v 6 的实现细节 实现细节协议m i p v 6n e m o 绑定更新标