（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式的ipv6实验系统设计与实现.pdf

中文摘要 i p v 6 作为目前热门的网络技术，正越来越多地受到人们的关注。其具有更高 的地址编址能力、更加简化的报头格式以及更加可靠的安全体系等特点，弥补 i p v 4 技术的不足。但i p v 6 并未如i p v 4 一般普及，目前就个人用户而言，对i p v 6 的研究还多停留在理论上。要对i p v 6 进一步研究，需要搭建i p v 6 网络系统，并 以此为基础分析数据包及拓扑等。 本i p v 6 实验系统以三星公司$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式处理器为基础，在网络拓扑结 构上包括有线i p 网络、无线i p 网络和蓝牙自主网络三种类型，使其能够支持并 模拟更多更复杂的网络组成。i p v 6 实验系统的主要功能为通过对流经网络的数 据包的截取和分析，让使用者清楚的了解i p v 6 网络目前的状况、拓扑结构以及 网络的通信质量等关键参数，从而对i p v 6 网络有直观的认识。并且由于采用嵌 入式技术，使得该系统具备体积小和功耗低等优势，在多系统组网时，该优势会 得到充分体现。 该实验系统的核心技术和实现难点在于构建系统的软件部分，以使其能够长 时间稳定的运行，并在保证功能实现的前提下降低费用。系统软件选用l i n u x 操 作系统以及相关系列开源软件开发包，无须支付费用并且方便修改源代码以定制 更为切合实际应用的操作系统和应用软件。硬件部分采用较为常见的芯片型号， 从而确保了系统整体的易维护和低造价。 文中所涉及的电路和程序源代码己在实际应用中通过调试和使用验证，所得 系统也已经过实际测试及使用，能够满足预期的设计要求和指标。 关键词：$ 3 c 2 4 10i p v 6 实验系统嵌入式系统l i n u x a b s t r a c t a st h em o s tp o p u l a rn e t w o r kt e c h n o l o g y , i p v 6i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e c o n c e r n e d b e c a u s ei t sh i g h e ra b i l i t yo fa d d r e s sc o d i n g ，s i m p l e rh e a d e rf o r m a ta n d m o r er e l i a b l es e c u r i t y , i p v 6m a k e su pf o rm a n ys h o r t c o m i n g so fi p v 4 b u ti p v 6i sn o t s op o p u l a rl i k ei p v 4a tt h i st i m e ，a sf o rp e r s o n a lu s e r s ，t h er e s e a r c hi sj u s ti nt h e o r y f o rf u r t h e rr e s e a r c h ，i tn e e d st ob u i l di p v 6n e t w o r ks y s t e m ，s oa st oa n a l y z ed a t ap a c k a n dt h et o p o l o g y t h i si p v 6l a bs y s t e mb a s e so ns a m s u n g $ 3 c 2 410e m b e d d e dp r o c e s s o r , i n c l u d e s w i r e di pn e t w o r k ，w i r e l e s si pn e t w o r ka n db l u e t o o t hn e t w o r k ，t h a tm a k e si ts u p p o r t a n ds i m u l a t em o r ec o m p l i c a t e dn e t w o r k t h em a i nf u n c t i o no fi p v 6l a bs y s t e mi s s n i f f i n ga n da n a l y z i n gt h ed a t ap a c kt h r o u g ht h en e t w o r k , s ot h a tu s e r sc o u l dk n o w t h es t a t u so ft h en e t w o r k ，t h et o p o l o g ys t r u c t u r e sa n dt h eq u a l i t yo fi p v 6n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，s oa st ou n d e r s t a n dt h ei p v 6n e t w o r kb e t t e r t h ee m b e d d e d t e c h n o l o g ym a k e st h el a bs y s t e mh a ss m a l l e rc u b a g ea n dl o w e rp o w e rc o n s u m e ，a n d t h e s ea d v a n t a g e sb e c o m em o r eo b v i o u sw h e nb u i l d i n gc o m p l i c a t e dn e t w o r kw i t h m a n yl a bs y s t e m s t h ec o r et e c h n o l o g ya n dd i f f i c u l t yi nt h i ss y s t e mi st h es o f t w a r e ，w h i c hs h o u l d w o r kl o n gt i m es t a b l ya n dh a v el o w e rp r i c e s ol i n u xo p e r a t i o ns y s t e ma n ds o m e o p e ns o u r c es o f t w a r ea r ep r e f e r r e d ，w h i c hi sf r e ea n dc o n v e n i e n to f u st om o d i f yt h e s o u r c ec o d et oc u s t o m i z et h eo p e r a t i o ns y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e a st o h a r d w a r e ，c o m m o nc h i p sa r ec h o s et om a k et h es y s t e me a s yt om a i n t a i na n dc h e a p e r t h ec i r c u i ta n dp r o g r a mc o d eg i v e ni nt h et h e s i sa r ed e b u g g e da n dc e r t i f i e d ，a n d t h el a bs y s t e mi sa l r e a d yt e s t e da n du s e d ，w h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n ta n dt h e t a 唱e t k e yw o r d s ：$ 3 c 2 4 1 0 ，i p v 6l a bs y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u x 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名：虿) 、冲p 签字日期：知p 年月3 p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：) 、渖hl 签字日期：如。多年j 月3 d 日 导师签名： a 签字同期：h 8 年乡月2 日 第一章i p v 6 协议及网络分析技术简介 第一章ip v 6 协议及网络分析技术简介 1 1t c p i p 协议简介 作为i n t e r n e t 广泛使用的网络通信协议，t c p i p 在当今的网络协议中占有举 足轻重的地位，它的前身是美国国防部赞助研究的a r p a n e t 。初始阶段 a r p a n e t 采用n c p ( n e t w o r kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议，但是随着网络规模的扩 大，当有其它类型的网络想和a r p a n e t 连接的时候n c p 协议并不能提供很好 的支持。因此一种支持数据包在不同类型的网络间传递的协议应运而生，也就是 最早的t c p i p 协议。而后随着a r p a n e t 逐渐演变成如今的i n t e r n e t ，t c p i p 协议也成为i n t e m e t 的标准协议。 不同于o s i 的七层模型，t c p i p 协议采用四层的协议结构，其结构如图1 1 和图1 2 。其中的链路层t c p i p 协议并未对其进行真正的描述，其实现的方式将 取决于具体的网络类型。网络层是t c p i p 协议的核心，负责将分组数据打包、 路由以及不同类型的网络互连，包括i p 、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 ) 、i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g e sp r o t o c 0 1 ) 、i g m p ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n t p r o t o c 0 1 ) 四个核心协议。传输层负责使源主机和目的主机实现对等会话，包含 t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 两个核心 协议。应用层为t c p i p 协议栈的最上层，所有应用程序都工作在这一层，包括 h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 、f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 和s m t p ( s i m p l e m a ilt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 等。 应用层 f t p 、t e l n e t 、h 1 1 ps n m p 、t f t p 、n t p 传输层 t c pu d p 网络层 i p 、i c 巴、i g 口、a r p 以 令 8 0 2 2h d l c 、p p p 、f r a m 匝一r e l a y 链路层太 牌 环 网 网 8 0 2 3 e i a ，兀a 2 3 2 、4 4 9 、v 3 5 、v 2 l 图1 1t c p i p 协议族 第一章i p v 6 协议及网络分析技术简介 1 2lp v 6 简介 o s i t c p i p 图1 2t c p i p 协议结构 由于世界范围内对l p 地址的需求增长过快，i p v 4 所能提供的i p 地址已接近枯 竭，因此作为i p v 4 的替代者，i p v 6 的地址长度扩展至1 2 8 位，彻底解决了i p 地 址数量不足的问题。除此之外，i p v 6 在安全性、网络管理、移动性等方面较i p v 4 也有很大程度的改善。 i p v 6 的主要特性有： 1 丰富的地址资源 i p v 6 理论上的地址数量约为3 4 1 0 3 8 个，为i n t e r n e t 的发展提供了充足的地址 空间。 - 2 简化的包头格式 i p v 6 去掉了i p v 4 包头中一些补偿使用的字段，从而使包头格式更加简化， 提高了路由器的处理速度。 3 可靠的安全性 i p v 6 采用了i p 身份认证头和i p 封装安全负荷来提高自身的安全性。 4 增加了流标记 在i p v 6 中实现了流的概念，即从一个特定源发向一个特定目的的包序列， 源点希望中间路由器对这些包进行特殊处理。 5 更多的服务类型 冒 第一章i p v 6 协议及网络分析技术简介 i p v 6 可以支持更多的服务，如实时应用和i p 电话等。 6 可支持未来的协议 i p v 6 可以通过支持未来的协议来实现自身功能的扩展【2 1 。 1 3 网络分析技术 网络分析是利用网络分析仪等设备及网络探嗅软件捕获网络中传送的报文， 通过对所截取出的报文进行分析得出目前网络状况的技术。由于专用的网络分析 仪价格昂贵且操作复杂，因此简易的网络分析设备更加符合多数用户的需要。这 类的网络分析设备可以使用普通网卡对报文进行采集，采用纯软件对报文进行分 析，从而在具备基本的分析功能的同时简化了设备的复杂性和造价。其结构见图 1 3 。 1 4 本文的主要工作 图1 - 3 网络分析仪结构 文章首先介绍了t c p i p 协议的总体架构以及i p v 6 协议相对i p v 4 做出的改 变，为实验系统的建立及全文的展开奠定了理论基础。 根据实际应用中的需求，i p v 6 实验系统的主要功能为通过对流经i p v 6 网络 的数据包进行截取和分析，让使用者对晦涩的i p v 6 协议有更加直观的了解。除 第章i p v 6 协议及网络分析技术简介 此之外本实验系统也可支持对蓝牙及无线i p v 6 网络的数据包进行分析。 实现i p v 6 实验系统主要分为四个步骤： 首先需要完成硬件方面的设计( 第二章) ，通过选用$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式处理器 及其配套元件可以搭建起具有以太网、蓝牙及无线局域网接口的嵌入式开发平 台，以这个平台为基础进行软件部分的开发移植。 其次需要完成操作系统及应用软件的移植( 第三章) ，选用的l i n u x 操作系 统完全免费并且便于修改源代码以实现i p v 6 实验系统所需的功能，l j b p c a p 为系 统提供了在数据链路层获取数据包的能力，e t h e r e a l 具备强大的数据包分析功能 为实验系统实现其功能的核心部分。 随后需要考虑实验系统在i p v 6 环境中使用的方法( 第四章) ，以邻居发现协 议为例，通过观察e t h e r e a l 软件对数据包的分析并结合i p v 6 协议获知了邻居发 现协议工作的原理及工作的过程。 最后实现i p v 6 路由器的附加功能( 第五章) ，以r i p n g 协议为例，通过分析 z e b r a 软件中r i p n g 部分的源代码了解r i p n g 协议工作原理，并且搭建起基于 r i p n g 协议的i p v 6 路由器。 第二章硬件平台的设计 第二章硬件平台的设计 实验平台以三星公司$ 3 c 2 4 1 0 处理器为核心构建，如图2 1 ，具备u s b 接 口、串口、l c d 接口和有线网口，具备稳定的运行能力和丰富的扩展功能。下 面分部分介绍所用元件及其电路设计。 夏普3 5 寸1 1 可l c d 彳 之乡 电源转换 5 0 针l c d 接口 c s s 咖刚。s 之多 多 | 2 4 一。俐s 。一目爿h 彳fj 芒j 芒j 芒 777 复位模块 r s 2 3 2u s b h o s tu s b h o s t 弓 b l u e t o o o t h8 0 21 1u s b 适配器无线网卡 2 1 核心板 2 1 1 元件介绍 图2 - 1 实验平台的结构 核心板部分的主要元件包括：三星$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式a r m 9 处理器、现代 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t - h 内存颗粒和三星k 9 k 1 2 0 8 u o m y c b 0n a n df l a s h 芯片，通 过d d r 2 0 0 插槽与底板相连。 5 第二章硬件平台的设计 三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式处理器采用a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司的a 刚9 2 0 t 内核，支持1 6 b i t 的t h u m b 指令和3 2 b i t 的a r m 指令，具有 2 0 3 m h z 的工作频率，拥有1 6 k b 的数据缓存和1 6 k b 的指令缓存以及m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 单元，还包括u s b 主从接口、i i c ( i n t e ri n t e g r a t e d c i r c u i t ) 总线、d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 、u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v e rt r a n s m i t t e r ) 、s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 和t f t 液晶屏等丰富的 接i e i 。由于采用r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 架构和0 18 岬的制造 工艺，使$ 3 c 2 4 1 0 功耗达到了非常低的水平，更加适合各种场合的嵌入式应用。 现代h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t - h 为3 2 m b 的s d r a m 内存颗粒，工作于1 3 3 m h z ， 数据的输入输出在时钟的上升沿触发，输入输出电平符合l v t t l 标准。 目前闪存分为n o r 和n a n d 两种，它们的主要区别在于以下几方面： 1 n o r 支持片内运行，即代码可以在闪存芯片中直接运行，节省了读取 到r a m 的时间。 2 擦写方面，n a n d 以8 - 3 2 k b 的块进行，而n o r 以6 4 1 2 8 k b 的块进 行，并且n o r 需要在擦写前将所有目标块置0 ，因此n a n d 的擦写速度远高于 n o r 。 3 n a n d 在读取数据时复用8 个i o 口来传送地址、控制信号和数据， 使用上较为复杂。 4 n a n d 的生产过程更加简单，成本更低而且使用寿命更长。 基于比较，决定在核心板上使用三星k 9 k 1 2 0 8 u o m y c b 0n a n df l a s h 芯 片。k 9 k 1 2 0 8 u o m y c b 0 是目前较为常见的一种n a n d 芯片，其1 6 k b 的块擦 写时间为2 m s ，每字节的读取周期为5 0 n s ，每页的大小为5 1 2 字节，符合$ 3 c 2 4 1 0 对于n a n d 芯片的要求。 2 1 2 电路图设计 核心板的尺寸为6 1 4 5 m m 3 4 5 5 m m ，采用6 层板设计，中间两层为电源和 地。电源部分采用两个1 11 7 芯片为$ 3 c 2 4 1 0 提供1 8 v 电源，为 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t - h 和k 9 k 1 2 0 8 u o m - y c b 0 提供3 3 v 电源，同时采用若干0 1 p 电容进行滤波。晶振部分采用12 m h z 和3 2 7 6 8 k h z 分别为$ 3 c 2 4 10 提供x t i p l l 和x t i r t c 的时钟输入。核心板的p c b 如图2 2 所示。 6 第二索硬件平台的设计 2 2 底板 2 2 1 元件介绍 同22 核心板p c b 底板主要分为电源及复位、串口及u s b 、有线网书及无线网 和蓝牙四个 部分。 2 2 1 1 电源及复位部分 电源方面除了由外接电源提供的5 v 电源外还采用1 1 1 7 芯片为底板上的 器件提供两路33 v 电源。复位电路采用7 4 h c 】46 非门施密特触发器，施密特触 发器为具有滞后特性的数字传输门，属于电平触发型电路，当输入电平达到阐值 后一段时间输出电平做出相应的改变。 2 2 1 2 串口部分 串口电路采用s i p e x 3 2 3 2 芯片提供符合r s 2 3 2 标准的串口输八输出。 2 2 1 3 有线网卡殛无线网卡部分 有线网络部分采用c i r r u sl o g i c 公司的c s 8 9 0 0 a - c q 3 芯片，晟大传输速率 为1 0 m b i l s 。c s 8 9 0 0 a c q 3 葛片内置了4 k b 的片内r a m ，使其发送和接收数 据时的缓存在片内进行，提高丁传输效率。同时采用了s t r e a m t r a n s f e r 技术使太 第二章硬件平台的设计 量数据传输时的中断减少了8 7 ，a u t o s w i t c hd m a 技术使数据吞吐量提高的同 时降低了数据包的丢失概率。c s 8 9 0 0 a c q 3 芯片支持硬件待机、硬件挂起和软 件挂起三种低功耗模式，在挂起模式下的能耗可以达到微安级别，极大的降低了 整个系统的功耗。c s 8 9 0 0 a c q 3 的内部结构如图2 3 所示。 图2 - 3c s 8 9 0 0 a - c q 3 内部结构 无线网络部分采用t p l i n k 公司的t l w n 3 2 1 g 无线u s b 网卡，支持 i e e e 8 0 2 1 b 及8 0 2 1 9 标准，最大传输速率5 4 m b i t s ，内部采用r a l i n k 公司r t 7 3 系列芯片。 2 2 1 4 蓝牙部分 蓝牙部分采用的是天大通广实验室生产的基于c s rb i u e c o r et m 2 e x t e r n a l 芯片的蓝牙模块，为可以支持1 0 m 通信距离的二类模块。模块的p c b 采用四层 板结构，由于b l u e c o r et m 2 e x t e r n a l 芯片的工作频率为2 4 g h z ，对电路板的设 计提出了很高的要求，主要表现在： 1 核心模块单独铺地层，为了避免割裂层和增大回路区域，所有的埋线 都走在电源层，而不是地层。 2 电源输入为与地相近的单独的一层，电源耦合的大电容都直接跨接在 电源接入点。 3 晶振远离数字线，在晶振两边都围地线，晶振有地层，以减少信号阻 抗，防止干扰。 4 加了屏蔽罩，防止电气干扰和辐射损耗，屏蔽罩与地层相连。 5 蓝牙模块的地与整个系统的地相连，蓝牙模块以外的器件有低阻回路 第二苹硬件平台的设计 ( 如晶振等) 对整个系统板有辐射的器件也有低阻回路( 如电源放大器和天线 等) 吼 蓝牙模块的p c b 如图2 - 4 所示。 图24 蓝牙模块p c b 第二章硬件平台的设计 2 2 2 电路图设计 2 2 2 1 电源及复位电路 电源部分输入的5 v 电源经滤波后分两路由1 1 1 7 芯片转换为3 3 v 电源，其 中一路单独为c s 8 9 0 0 提供工作电压以保证有线网卡的平稳工作，另一路为底板 上其它元件提供工作电压。而5 v 电源则为核心板和l c d 及u s b 接口提供电压， 如图2 5 所示。 图2 - 5 底板电源部分电路 复位按键产生的低电平通过7 4 h c l 4 进行两次反相后，经过一定的时延得到 n r e s e t 信号，通过n r e s e t 电平由高到低的变化使$ 3 c 2 4 1 0 和c s 8 9 0 0 进行复 位，电路原理如图2 - 6 所示。 图2 - 6 底板复位电路 第二章硬件平台的设计 2 2 2 2 串口及u s b 部分电路 串口部分电路按照s i p e x 3 2 3 2 用户手册上的规定，为芯片中内置的四个电 荷泵外接0 1 旷电容。u s b 部分考虑到外接无线网卡的数据传输速率较高，两根 数据线采用差分走线的方法，尽量做到平行走线等长等距，以保证数据传输的稳 定。电路原理如图2 7 所示。 。 图2 - 7 串口及u s b 部分电路 2 2 2 3 有线网卡部分电路 有线网卡的数据传输速率较高，要求数据线和地址线在布线的时候要尽量避 免其它线路造成的干扰，顶层和底层的走线尽量做到相互垂直，并且在c s 8 9 0 0 的背面不安放其它电子元件。出于工作稳定性的考虑，底板上单独路3 3 v 电 源为c s 8 9 0 0 供电，并用4 7 心和0 1 旷的电容进行滤波。周边配套部分电路原 理如图2 - 8 所示，其中r 1 至r 1 1 为3 3 q 排阻，7 4 l v 0 4 为反相器，7 4 l v 3 2 为或 门。网卡部分电路原理如图2 - 9 所示。 一 川用 第二章硬件平台的设计 苫 委 罅 z 蚕 o 1 。 们 罕 h j一 u ： ” 霉冀吕譬；吕； d a c ld a t a ：h a n d l e4 2f l a g s0 x 0 2d l e n9 1 l 2 c a p ( d ) ：c i d0 x _ ) 0 4 01 e n8 7id s m01 0 0 0 0 ：0 20 8 0 04 50 00 05 4 0 0 0 0 4 0 0 04 00 12 6 a 7 0 ae t 鸯 0 0 1 0 ：0 00 0 0 2 0 a 0 00 00 10 8o o0 0 a 2 3 e 0 c 0 0 0 29 1 0 0 2 0 ：d a0 54 8 3 72 a0 0 0 0 0 80 90 a0 b0 c 0 d 0 e o f1 0h 7 0 0 3 0 ：1 11 21 01 4 1 5 1 61 7 1 81 9 1 a1 b1 cl dl e 1 f2 0 0 0 4 0 ：2 l2 2 2 32 42 52 62 7 2 82 9 2 a2 b2 c2 d 2 e2 f3 0 ! ”= s ：趣( ) 。十。一o 0 0 5 0 ：3 10 2 0 0 3 4 3 5 0 6 0 71 2 3 4 5 6 7 ( a c ld a t a ：h a n d l e4 2f la g s0 x 0 2d l e n9 1 1 2 c a p ( d j ：c i do x 0 0 4 01 e 1 38 7l p s t n01 0 0 0 0 0 20 8 0 0 4 5 0 0o o5 45 b9 a o o o o 4 0o lo b 0 d 0 a e t i 血 0 0 1 0 ：0 00 00 10 a 0 0 0 0 0 20 00 0 0 8 a 23 e 0 c0 00 2 9 1 0 0 2 0 ：d a0 54 8 3 7 2 ao oo o 0 80 9 0 a0 b0 c0 d0 e o f 1 0 1 7 0 0 3 0 ：1 11 2 1 31 41 51 61 71 91 9l a 1 b1 c l d 1 e1 f 2 0 0 0 4 0 ：2 12 2 2 0 2 42 5 2 62 7 2 82 9 2 a2 b2 c2 d 2 e2 f3 0! ”；黜( ) 十，一o 0 0 5 0 ：3 13 23 3 3 4 3 s 3 6 3 71 2 3 4 5 6 7 4 5 2 无线以太网中的应用 图4 一l lb n e p 数据包结构 现今i e e e 8 0 2 1 l 定义的无线以太网得到了更加普及的应用，通过接入u s b 无线网卡可以使实验系统支持i e e e s 0 2 1l b g 网络，从而可以对无线以太网协议 及组网方式等进行分析。 i e e e 8 0 2 1 1 支持更为多样的组网方式，包括独立基本服务组和扩展服务组两 种类型。独立基本服务组属于对等式网络即a d h o c 方式，与蓝牙组网方式类似， 网中所有节点的地位平等，不需要专门的路由设备；扩展服务组由多个基本服务 组构成，每个基本服务组中需要有一个无线接入点提供类似集线器的功能【l 6 | 。 在无线网络环境中，实验系统的无线网卡默认采用扩展服务组的组网方式， 需要连接到无线接入点才能进行数据通信，大致的操作步骤为：通过i w l i s t 命令 搜索附近可用的无线接入点，并得到其m a c 地址；使用i w c o n f i g 命令连接到信 号强度最高的无线接入点，并设置接入密码；使用r o u t e 命令将默认网关的地址 设为无线接入点的i p 地址。 无线网络环境中对于数据包的截取操作过程类似于有线网络，在t e t h e r e a l 命令后指定网络接口即可。 4 5 3 基于蓝牙及8 0 2 1 1 的其它应用 通过加入对蓝牙及i e e e 8 0 2 11 的支持使实验系统能够支持更多的通信协议 4 1 第四章实验系统的原理及使用 以及更加灵活的组网方式，包括可同时支持i p v 4 和i p v 6 的有线局域网与无线局 域网，蓝牙自组网，以及蓝牙与无线局域网、蓝牙与有线局域网和有线与无线局 域网等混合组网方式。 除了分析数据包的功能，实验系统还可以作为蓝牙及i e e e 8 0 2 1l 的接入点， 连接示意图如图4 1 2 所剩1 7 1 。 图4 1 2 蓝牙及8 0 2 1 l 接入点示意图 以蓝牙接入点为例，将蓝牙适配器接入实验系统u s b 接口，有线网络连接 到集线器上，通过蓝牙的b n e p 协议将t c p 1 p 数据包进行封装并通过蓝牙传递， 同时在实验系统上构造一个网桥连接有线网卡和虚拟的蓝牙网卡或采用路由软 件实现路由功能，至此蓝牙接入点的功能已经实现。手机或其它蓝牙设备可以通 过蓝牙协议访问i n t e m e t 而无需花费其它费用。由于使用b n e p 协议不会影响原始 t c p i p 协议的通信能力，因此这种接入方式也可完全满足个人电脑进行普通的 网络浏览对数据传输速率的要求。 无线接入点功能的实现原理与蓝牙接入点类似，通过在实验系统上安装路由 软件即可实现简易的无线接入点功能。由于i e e e 8 0 2 1 1 的数据传输速率较高需 要较大的上行带宽来满足需求，c s 8 9 0 0 系列芯片只能支持l0 m b i t s 的速率，远 远不能满足要求，因此可以采用d a v i c o m 公司的d m 9 0 0 0 系列芯片。d m 9 0 0 0 系列芯片支持1 0 0 m b i t s 的传输速率，且芯片面积以及管脚数量较c s 8 9 0 0 都有 很大程度的降低，l i n u x 系统的源代码中也包含了对d m 9 0 0 0 系列驱动的支持。 第五章i p v 6 路由协议的研究 第五章i p v 6 路由协议的研究与应用 路由器是一种工作在网络层的网络设备，负责在两个或多个逻辑上分离的网 络间进行数据交换。i p v 6 协议对路由器的要求相比i p v 4 有了一部分变化，而通 过在i p v 6 实验系统上安装路由软件z e b r a 即可方便的理解这些相应的变化。 5 1i p v 6 路由器 5 1 1i p v 6 路由器的基本功能 路由器所要具备的基本功能是为接收到的其它主机发送来的数据包选择一 条最佳路径，确保该数据包能以最有效且安全的方式到达目的地址。在i p v 6 协 议下路由器应具备的基本功能有： 1 支持i p v 6 及其一系列的网络协议，包括i p v 6 、邻居发现协议和i c m p v 6 。 2 连接到两个或多个数据包交换的网络。对每个连接到的网络，路由器 必须实现该网络所要求的功能，这些功能包括：i p v 6 数据包的封装和解封装； 按照该网络所支持的最大数据包大小发送或接收i p v 6 数据包，该数据包大小是 网络的最大传输单元；将i p v 6 地址与相应网络的链路层地址相互转换；实现网 络支持的流量控制和差错指示。 3 接收及转发数据包，在收发过程中实现缓冲区管理、拥塞控制及公平 性处理，包括：出现差错时辨认差错并产生i c m p v 6 差错及必要的差错消息；丢 弃跳数限制为0 的数据包；必要时将数据包分段。 4 按照路由表信息为每个i p v 6 数据包选择下一跳目的地。 5 支持内部网关协议( i n t e r i o rg a t e w a yp r o t o c o l ，i g p ) 和外部网关协议 ( e x t e r i o rg a t e w a yp r o t o c o l ，e g p ) 。 6 提供网络管理和系统支持机制，包括存储及上载配置、诊断、升级、 状态报告、异常情况报告及控制等。 7 提供物理层传输接口和适配功能。 8 提供多播功能。 9 提供拥塞控制功能。 1 0 提供同步和定时功能。 1 1 提供包数、字节数、端口、业务类型等信息统计功能【i s 。 第五章i p v 6 路由协议的研究 5 1 2i p v 6 路由器i p 层要求 i p v 6 路由器对i p 层的要求较i p v 4 有所不同，主要包括i p v 6 协议实现上的 要求、邻居发现协议和i c m p v 6 的支持等。 5 1 2 1i p v 6 协议实现的要求 r f c 2 4 6 0 对i p v 6 协议进行了定义，要求i p v 6 路由器必须能够识别并处理逐 跳选项头、目的地选项头、路由头和分段头这四种扩展头1 憎j 。 逐跳选项头携带选择性信息，这些信息在数据包经过网络上每个节点时都会 被检查。逐跳路由选项头的n e x th e a d e r 值为0 ，包含的各字段为：8 b i t 的n e x t h e a d e r 字段，用以指明逐跳选项头之后的包头类型；8 b i t 的h d re x tl e n 字段， 用以指明逐跳选项头的长度；可变长度的o p t i o n 字段，使整个逐跳选项头的长 度为8 b i t 的整数倍。 目的地选项头包含在接收端进行检查的信息。目的地选项头的n e x th e a d e r 值为6 0 ，包含的各字段为：8 b i t 的n e x th e a d e r 字段，用以指明目的地选项头之 后的包头类型；8 b i t 的h d re x tl e n 字段，用以指明目的地选项头的长度；可变 长度的o p t i o n 字段，使整个逐跳选项头的长度为8 b i t 的整数倍。 路由头包含数据包在到达接收端之前所要经过的节点信息。路由头的n e x t h e a d e r 值为4 3 ，包含的各字段为：8 b i t 的n e x th e a d e r 字段，用以指明目的地选 项头之后的包头类型；8 b i t 的h d re x tl e n 字段，用以指明路由头的长度；8 b i t 的r o u t i n gt y p e 指明路由类型；8 b i t 的s e g m e n t sl e f t 指明到达接收端还需经过的 节点数量；可变长度的数据段，使整个路由头的长度为8 b i t 的整数倍。 分段头在发送端传送大小超过m t u 的数据包时使用，不同于i p v 4 ，i p v 6 中分段只能由发送端执行，而不能被其它路由器执行。分段头的n e x th e a d e r 值 为4 4 ，包含的各字段为：8 b i t 的n e x th e a d e r 字段，用以指明原始标头的分段部 分起始标头类型；8 b i t 的r e s e r v e d 字段，以0 开始时表示发送，忽略其值表示接 收；1 3 b i t 的f r a g m e n to f f s e t ，指明分段部分的起点据原始标头的偏移量；2 b i t 的r e s 字段，以0 开始时表示发送，忽略其值表示接收；mf l a g ，值为1 时表示 其后还有分段数据，为0 表示当前数据包为分段的最后一个数据包；3 2 b i t 的 i d e n t i f i c a t i o n 字段，发送端在传送超过m t u 大小的数据包时必须对其进行分段， 在发送端对数据包进行分段时会产生一个i d e n t i f i c a t i o n 值，这个值必须和最近发 送出的具有相同目的地址和源地址的其它数据包不相同。 当路由器所转发的数据包具有多个扩展头的时候，它们必须按照i p v 6 头、 逐跳选项头、目的地选项头、路由头、分段头、认证头、封装安全认证头和目的 地选项头的顺序出现。 第五章i p v 6 路由协议的研究 5 122 控制报文协议 i p v 6 版本的控制报文协议i c m p v 6 在r f c l8 8 5 中定义，实现了i p v 6 的错误报 告和其它一些网络层的功能，路由器必须支持i c m p v 6 协议才能正常工作1 2 。 路由器必须要支持的i c m p v 6 的消息类型为差错消息和信息消息，其中差错 消息的t y p e 字段最高位为0 ，信息消息为1 ，故差错消息的类型代码为0 至1 2 7 ， 信息类型的代码为1 2 8 至2 5 5 。i c m p v 6 数据包的格式如图5 1 所示。 t y p e ( 8 b i t )c o d e ( 8 b i t ) c h e c k s u m ( 16 b i t ) m e s s a g eb o d y 图5 1i c m p v 6 数据包格式 i m c p v 6 常见的差错消息有目的不可达、数据包过大、传输超时和参数错误 四种。 目的不可达的数据包结构如图5 2 所示，t y p e 为l ，c o d e 取0 至4 ，包含 3 2 b i t 的u n u s e d 字段和被抛弃的数据包的第一部分，目的不可达的消息是路由器 对非阻塞原因引起的数据包丢失做出的回应。c o d e 为0 表示路由器无法在路由 表中找到匹配的地址；c o d e 为l 表示由于网络管理策略引起丢包；c o d e 为2 表 示目的地址不在源地址的传送区域内；c o d e 为3 表示目的地址不可达，多数情 况为不能得到目的地址的链路层地址；c o d e 为4 表示目的端口不可达，如数据 包要求的端口不可用等。 t y p e = 1 c o d e = 0 4 c h e c k s u m ( 16 b i t ) u n u s e d ( 3 2 b i t ) ，p o r t i o no fd i s c a r d e dp a c k e t 图5 - 2i c m p v 6 目的不可达格式 数据包过大的消息结构如图5 3 所示，t y p e 为2 ，c o d e 为0 ，包含3 2 b i t 的 m t u 和被抛弃的数据包的第一部分。当路由器接收到目的地址为多播地址或收 到链路层多播及广播报文时发送数据包过大的消息。 第五章i p v 6 路由协议的研究 t y p e = 2 c o d e - 0 c h e c k s u m ( 16 b i t ) m t u ( 3 2 b i t ) p o r t i o no fd i s c a r d e dp a c k e t 图5 3i c m p v 6 数据包过大格式 传输超时的数据包结构如图5 - 4 所示，t y p e 为3 ，c o d e 为0 或l ，包含3 2 b i t 的u n u s e d 字段和被抛弃的数据包的第一部分，传输超时是当数据包的h o pl i m i t 字段减为0 时路由器对抛弃该数据包做出的回应。c o d e 为0 表示h o pl i m i t 字段 为0 ；c o d e 为l 表示目的节点分段重装超时。 t y p e = 3 c o d e = 0 l c h e c k s u m ( 16 b i t ) u n u s e d ( 3 2 b i t ) p o r t i o no fd i s c a r d e dp a c k e t 图5 4i c m p v 6 传输超时格式 参数错误的数据包结构如图5 5 所示，t y p e 为4 ，c o d e 为0 至2 ，包含3 2 b i t 指示出错位置的p o i n t e r 字段和被抛弃的数据包的第一部分，参数错误是路由器 对检测到i p v 6 数据包中存在错误而抛弃该数据包做出的回应。c o d e 为0 表