（通信与信息系统专业论文）改进型层次移动ipv6研究与设计.pdf

江苏大学硕士研究生毕业论文 摘要 移动i p v 6 的提出满足了人们随时随地高质量接入因特网的需要。移动i p v 6 通过允许数据包不经过家乡代理，直接在移动节点和通信对端之间传输，解决了 移动i p v 4 的三角路由问题，实现了路由的优化。作为移动i p v 6 协议的扩展，层 次移动i p v 6 将网络分为不同的区域，通过引入分层结构和域内管理实体移动锚 点，有效减少了移动节点与外部网路的信令交互，减小了系统开销和绑定时延。 论文在深入研究层次移动i p v 6 的分组路由过程和绑定更新流程的基础上， 分析了层次移动i p v 6 仍存在的三方面的不足：( 1 ) 充当本地家乡代理的移动锚 点会成为新的通信瓶颈；( 2 ) 强制性的所有通信分组必须通过移动锚点转发不能 保证移动节点与通信对端之间选择最佳路由；( 3 ) 当移动节点进行域间切换时， 本地绑定更新和家乡代理注册需按序依次进行，会造成一定的系统开销和绑定时 延。为此，论文从路由优化和域间切换绑定更新流程优化两方面对层次移动i p v 6 进行了改进。改进型层次i p v 6 将移动i p v 6 的路由优化技术有条件地应用于层次 移动i p v 6 中，通过分析与理论推导，给出了基于分组传输数目以及绑定更新数 目比的临界值计算方法，以此临界值作为路由优化的使用条件，并给出了域内切 换与域间切换两种模式下路由优化的详细实现步骤。另一方面，改进型层次i p v 6 以解封和修改移动节点发往移动锚点的本地绑定更新消息为基础，对层次移动 i p v 6 域间切换绑定更新的流程进行了优化。 论文基于理论推导和数值计算，从系统开销、分组传输时延、绑定时延三方 面对改进型层次移动i p v 6 进行了性能分析，定量计算结果表明该改进型层次移 动i p v 6 具有较好的性能。 关键词：移动i p v 6 ，层次移动i p v 6 ，移动锚点，路由优化，绑定更新流程 江苏大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t p e o p l ew a n tt o a c c e s st h ei n t e r a c t 嘶t l ll l i g h q u a l i t y a ta n y t i m e ，a n y w h e r e m o b i l ei p v 6w a sp r o p o s e dt os a t i s f yt h i sr e q u i r e m e n t b ya l l o w i n gp a c k e tt ob e t r a n s m i t t e dd i r e c t l yb e t w e e nm o b i l en o d ea n dc o r r e s p o n d e n tn o d ew i t h o u tg o i n g t h r o u g ht h eh o m ea g e n t ，m o b i l ei p v 6e l i m i n a t e st h et r i a n g l er o u t i n ga n dr e a l i z e s r o u t i n go p t i m i z a t i o n a sa ne x t e n s i o no 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 ei p v 6 ( h m i p v 6 ) d i v i d e st h en e t w o r ki n t od i f f e r e n ta r e a s ，t h ei n t r o d u c t i o n o fm o b i l i t y a n c h o rp o i n te f f e c t i v e l yr e d u c e dt h es i g n a l i n gi n t e r a c t i o nb e t w e e nm o b i l en o d ea n d e x t e r n a ln e t w o r k ，t h es y s t e m sc o n s u m p t i o na n dd e l a yo nb i n d i n gu p d a t ei sa l s o d e c r e a s e d b a s e do nt h ed e e p l ys t u d yo fh m i p v 6 sp a c k e tr o u t i n gp r o c e s sa n db i n d i n g u p d a t ep r o c e s s ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h et h r e ed e f i c i e n c i e so fh m i p v 6 ：( 1 ) a sl o c a l h o m ea g e n t ，m o b i l i t ya n c h o rp o i n tw i l lb e c o m et h en e wc o m m u n i c a t i o nb o t t l e n e c k ； ( 2 ) a l lt h ep a c k e t sm u s tb ef o r w a r db ym o b i l i t ya n c h o rp o i n tm a n d a t o r i l y , w h i c hc a n n o tg u a r a n t e et h eb e s tr o u t eb e t w e e nm o b i l en o d ea n dc o r r e s p o n d e n tn o d e ；( 3 ) i nt h ei n t e r - d o m a i nh a n d o v e r , t h el o c a lb i n d i n gu p d a t ep r o c e s sa n dh o m ea g e n t r e g i s t r a t i o np r o c e s sm u s tb ec o n d u c t e di ns e q u e n c e i nt h i st h e s i s ，h m i p v 6 i s i m p r o v e di n t h e a s p e c t so fr o u t i n go p t i m i z a t i o na n db i n d i n gu p d a t ep r o c e s s o p t i m i z a t i o n ，t h er o u t i n go p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yo fm o b i l ei p v 6 i s a p p l i e dt o h m i p v 6c o n d i t i o n a l l y a sac o n d i t i o no fu s i n gr o u t i n go p t i m i z a t i o n ，at h r e s h o l d ， w h i c hi sb a s e do nt h en u m b e rr a t i oo fp a c k e tt r a n s m i s s i o nt ob i n d i n gu p d a t ei sg i v e n t h r o u g ha n a l y s i sa n df o r m u l ad e r i v a t i o n ，a n d t h ed e t a i l e d i m p l e m e n t a t i o ns t e p so f r o u t i n go p t i m i z a t i o nf o ri n t e r - d o m a i na n di n t r a d o m a i n h a n d o v e ri sa l s o g i v e n s i m u l t a n e o u s l y , t h eb i n d i n gu p d a t ep r o c e s so fi n t e r - d o m a i nh a n d o v e ri so p t i m i z e d b a s e do nt h eu n c a p s u l a t i o na n dm o d i f i c a t i o no fl o c a lb i n d i n gu p d a t e o nt h eb a s i so ft h e o r yd e d u c i n ga n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i n g ，t h i st h e s i sm a k e sa l l a n a l y s i s a b o u t i m p r o v e d h m i p v 6 sp e r f o r m a n c ef r o mt h r e ea s p e c t s ：s y s t e m s c o n s u m p t i o n ，d e l a y o np a c k e tt r a n s m i s s i o na n db i n d i n gu p d a t e t h er e s u l t so f q u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o ns h o w e dt h a tt h ei m p r o v e dh m i p v 6p r o p o s e db yt h i st h e s i s h a sg o o dp e r f o r m a n c e k e yw 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 i c a lm o b i l ei p v 6 ( h m i p v 6 ) ，m o b i l i t y a n c h o rp o i n t ( m a p ) ，r o u t i n go p t i m i z a t i o n ，b i n d i n gu p d a t ep r o c e s s l i 江苏大学硕士研究生毕业论文 1 1 研究背景 第一章绪论 i n t e m e t 的出现是上世纪的一个重大事件，它的发展引人瞩引1 1 ，各个国家 都有计算机直接或间接地与i n t e m e t 相连，每个用户都能够通过i n t e m e t 交流， 并且i n t e m e t 作为现代社会中最主要的信息平台给人们带来了方便快捷的生活， 成为工作和生活的必需品。由于i n t e m e t 的i p 协议的地址构成和路由算法等方面 的制约，目前用户仍然主要以固定终端的方式接入i n t e m e t 。然而，随着无线网 络的迅猛发展，以及手机、p d a 、笔记本电脑等便携通信工具的大量使用，网络 对移动性的支持越来越重要。用户希望自由地使用移动终端获得i n t e m e t 上的资 源与信息，不受时间和地点的限制，即使在移动过程中也能够保持数据连接并且 通信质量不会受到影响。为此i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i n t e m e t 工 程任务组) 提出了移动i p 2 1 的概念，在改变接入路由器或子网后移动节点仍然能 够使用原来的i p 地址正常通信，且通信对端和路由器无需进行任何协议上的改 变或更新工作，同时主机的移动对高层应用是透明的，以上作为移动i p 协议设 计的基本要求。另一方面，目前i n t e m e t 主要基于i p v 4 协议，随着i n t e m e t 的发 展，i p v 4 协议的地址空问和安全性已经难以满足日益膨胀的用户群的需要，阻 碍了i n t e r a c t 的进一步发展。i p v 6 协议1 3 1 4 1 应运而生，相对于i p v 4 ，i p v 6 具有更 大的地址空间【5 l ，更简单实用的报头格式，更完善的安全机制等优点，并且与i p v 4 协议不能很好地支持移动性形成对比，i p v 6 将移动性方面的相关问题也考虑在 内。 基于上述实际情况，i e t f 的子网间移动工作小组在制定了基于i p v 4 协议的 移动i p v 4 协议【6 1 后，顺应形势制定了移动i p v 6 协议【7 1 。移动i p v 6 在保留了移动 i p v 4 的基本设计思想的同时，简化了网络配置，提出了路由优化，有效地避免 了“三角路由”，并且加强了安全保斟8 1 。移动i p v 6 充分利用i p v 6 协议的优势完 善和提升了移动i p 的性能，今后i n t e m e t 的发展将以i p v 6 为基础1 9 】，移动i p v 6 也将成为未来移动i n t e r a c t 发展的方向。 为了能够更好地适应实际网络，i e t f 相继提出了移动i p 的快速切换方案与 江苏大学硕士研究生毕业论文 区域移动管理方案。快速切换方案的“快速”通过其特有的快速移动检测技术、 快速转交地址检测技术、新旧接入路由器之间的隧道方案来实现，移动节点在切 换过程中仍可保持通信，根据新转交地址与二层切换之间的时间顺序分为预先切 换和反应切换两种方式，移动i p v 4 和移动i p v 6 各有一套对应的快速切换方案， 即快速移动i p v 4 ( f a s tm o b i l ei p v 4 ，f m i p v 4 ) 0 0 1 与快速移动i p v 6 ( f a s tm o b i l e i p v 6 ，f m i p v 6 ) 1 1 l ，2 0 0 8 年提出的r f c 5 2 6 8 改进了f m i p v 6 t 1 2 】；区域移动性管 理方案的主旨是将网络分为不同的区域，其中以层次移动i p v 6 ( h i e r a r c h i c a l m o b i l ei p v 6 ，h m i p v 6 ) 1 3 j 最具代表性，移动节点的切换操作被划分为域间切换 和域内切换，相应的，转交地址也被分为区域转交地址和链路转交地址，只有当 移动节点进行域间切换时才需要向家乡代理注册，层次移动i p v 6 引入了分层的 网络结构和作为本地家乡代理的移动锚点，目的就是减少与外部网路的信令交 互，实现绑定更新处理的局部化。 1 2 国内外研究现状 基于i p 协议，i e t f 于1 9 9 6 年制定了m i p 即r f c 2 0 0 2 ，奠定了移动i p 技术 的基本框架，6 年之后的r f c 3 3 4 4 带来了移动i p v 4 ，随着i p v 6 的发展，i e t f 于 2 0 0 4 年提出了移动i p v 6 。1 9 9 7 年，移动i p v 6 ( 草案) 被纳入当时的2 g ( g s m ， g p r s ) 标准中，在之后的3 g p pr e l e a s e 5 中，移动i p v 6 成为i m s ( 3 g 多媒体业 务子系统) 唯一支持的1 p 协议。自移动i p 问世以来，纽约大学，卡耐基大学， 瑞典皇家学院等世界各国的许多知名大学，以及m o t o r o l a 公司，i b m 公司，n o k i a 公司，t e l x o n 等公司的研究机构都在进行着相关研究和开发工作。2 0 0 7 年，i e t f 的m i p 6 工作组( 现已合并至m e x t 工作组) 把相当数量与移动i p 相关的最新 草案被提交至i e s g ( i n t e m e te n g i n e e r i n gs t e e r i n gg r o u p ，i n t e m e t 工程指导小组) ， 进一步推动了移动i p 的标准化进程。 近年来，i e t f 制定了一系列关于移动i p 的标准和草案，围绕它们世界上各 大研究机构进行着相关研究甚至推出了有关移动i p v 6 的软件，成果主要有：芬 兰赫尔辛基工业大学的m i p l 组织开发了基于l i n u x 内引1 4 】的i p v 6 移动i p v 6 软 件，该软件能够很好的支持i p v 6 协议下的主机移动性，并且m i p l 对移动i p v 6 的研究和开发还在进行中；微软公司与l a n c a s t e r 大学合作，推出了w i n d o w s 系 2 江苏大学硕士研究生毕业论文 统环境下的i p v 6 和移动i p v 6 协议栈，这个实验系统实现了移动节点、通信对端 以及家乡代理这些构成移动i p v 6 框架的基本要素，并且能够实现移动i p v 6 的一 些特性，包括与i p s e c 相关的安全机制：思科( c i s c o ) 公司研发出了多种能够实 现多个处于运动中的蜂窝电话和无线局域网之间无缝通信的移动接入路由器，并 且这些种类的移动接入路由器都支持移动i p 。 在国内，移动i p 的研究和开发工作受到包括政府在内的各界的广泛关注， 随着c e r n e t ( 中国教育科研网) 加入6 b o n e ( i p v 6 测试网络) ，中国对移动i p v 6 的研究正式开始，而在1 9 9 9 年，由c e r n e t 与诺基亚合作的i n t e m e t 6 计划为研 究移动i p v 6 奠定了良好的环境基础，自此，各个大学和研究机构纷纷跟进i e t f 的最新进展进行着研究。其中以中国科技大学的宽带i p 研究最为引人注目，该 项目实现了无线局域网与移动i p 网络的连接，并且在l i n u x 以及w i n d o w s 两个 平台上同时完成。除此之外，清华大学，浙江大学，中科院对移动i p v 6 的研究 成果也颇丰。 层次移动i p v 6 是近几年才出现的移动方案，澳大利亚m o n a s h 大学的移动 i p v 6 小组针对移动i p v 6 的性能优化以及快速路由等方面进行着研究，并且负责 相关协议代码的开源工作，其中的层次移动i p v 6 小组主要负责层次移动i p v 6 的 研究工作，在基于l i n u x 内核的条件下，已给出了一个能够初步实现层次移动 i p v 6 的方案，但是世界上大部分对层次移动i p v 6 的研究仍处于理论研究当中。 在层次移动i p v 6 中，无论移动节点与通信对端的相对位置如何，所有通信分组 都必须通过移动锚点转发，协议对移动锚点的要求过高，并可能造成单点故障问 题，同时，域间切换的绑定更新过程是按序依次进行的，其性能甚至不如常规的 移动i p v 6 ，对此一直没有行之有效的解决方案，对于层次移动i p v 6 存在的这些 问题，如何解决或缓解一直是国内外研究的热点。 1 3 论文的主要研究内容及工作 论文查阅了国内外有关移动i p 技术的标准、草案等文献资料，研究了移动 i p v 4 协议、移动i p v 6 协议、层次化移动i p v 6 协议，并对层次化移动i p v 6 分组 路由过程以及域间切换的绑定更新流程做了深入的分析。论文的主要研究内容及 工作主要包括以下方面： 3 江苏大学硕士研究生毕业论文 ( 1 ) 分析了移动i p v 6 的基本原理，并且对移动i p v 6 中的分组路由过程、 注册过程以及相关的绑定管理消息进行了详细分析。 ( 2 ) 分析了层次移动i p v 6 的基本原理，并且对层次移动i p v 6 的分组路由 过程、绑定更新流程以及涉及的消息格式进行了细致分析。 ( 3 )分析了层次移动i p v 6 的不足和路由优化技术用于层次移动i p v 6 的可 行性，通过对系统开销的研究得出了使用条件，并详细阐述了路由优化应用与层 次移动i p v 6 的基本思路和详细步骤，同时通过对本地绑定更新消息进行解封修 改的方式对域间切换绑定更新流程进行了优化。最后对此改进型层次移动i p v 6 进行了详细的理论分析并且与层次移动i p v 6 做了相应的对比。 1 4 论文的结构 论文共分6 章，结构如下： 第一章介绍了本文的研究背景，对国内外关于移动i p 技术的研究现状进行 了综述，同时概述了针对移动i p 技术以及相关的扩展协议所作的研究内容，最 后给出了本文的主要工作及结构。 第二章分析了移动i p 技术设计的基本要求，以及移动i p v 4 协议和移动i p v 6 协议的基本原理、网络结构和工作过程，重点分析了移动i p v 6 的分组路由过程、 注册过程和相关的绑定管理消息格式。 第三章分析了层次移动i p v 6 协议的基本原理、消息格式和工作过程，重点 分析了层次移动i p v 6 的分组路由过程、绑定更新流程以及涉及到的消息格式。 第四章指出了层次移动i p v 6 存在的不足，分析其原因和解决方法。提出将 路由优化技术应用于层次移动i p v 6 的方案，通过详细的理论分析推导得到了使 用条件，同时阐述了对域间切换绑定更新流程进行优化的必要性和思路，给出对 层次移动i p v 6 进行改进的具体实施步骤，最后指出了此改进型层次移动i p v 6 的 应用条件。 第五章以数值理论计算的方式从系统总开销、分组传输时延、绑定时延三 方面对改进型层次移动i p v 6 进行了分析，并与层次移动i p v 6 做了对比。 第六章对全文进行总结与展望，对目前正进行的工作进行说明并对下一步 进行展望。 4 江苏大学硕士研究生毕业论文 第二章移动i p 技术分析 为了使i p 协议能够更好地支持主机的移动性，i e t f 移动i p 工作组提出了 移动i p 的概念。因为层次移动i p v 6 协议的设计要求，基本原理，网络结构以及 消息格式等要素皆源自基本的移动i p 技术，并且改进型层次移动i p v 6 需要使用 的移动i p v 6 的路由优化分组通信技术正是为了解决移动i p v 4 的“三角路由”， 所以需要对基本的移动i p 技术进行分析。本章首先将会对移动i p 技术设计的基 本要求进行分析，随后将从基本原理、网络结构和工作过程等方面对移动i p v 4 协议进行描述，并将分析“三角路由”的形成原因和解决方法。最后将研究移动 i p v 6 协议的基本原理、消息格式以及基本工作过程，并将对比分析移动i p v 6 和 移动i p v 4 。由于涉及到改进型层次移动i p v 6 路由优化方案相关的知识点，本章 将会重点剖析移动i p v 6 的分组路由过程、注册过程以及绑定管理消息格式。 2 1 移动i p 技术及基本设计要求 众所周知，在i n t e r n e t 中的主机都有一个i p 地址，可以由人工配置或动态分 配得到，i p 地址是主机身份识别的重要标志，同时也标示了主机的具体位置， 网络通过i p 地址将通信分组发送至主机。但是当主机移动至外地网络时，原先 在家乡网络的i p 地址无法标示出此主机在网络中的具体位置，最显著的问题就 是主机难以收到发送至原l p 地址的通信分组，因为移动导致了传输层及应用层 连接的中断。在现有的基于t c p i p 协议的实际网络中，当主机改变接入子网时， 可以采取两种方法达到继续通信的目的：一是以人工配置的方式重新使用新的i p 地址，二是在i n t e m e t 中加入针对该主机的特定路由规则。前者是一种常用的方 法，但是将会导致运输层及上层应用原有连接的强行中断，不利于通信的连续性； 后者需要慎重使用，因为很可能使路由表急剧膨胀，导致网络的负荷更加严重。 i e t f 漫游协议工程组提出了移动l p ，当主机移动至外地网络时，在完成家 乡代理注册等工作后，家乡代理开始为主机截获通信分组，然后通过隧道机制转 发给主机。移动i p 支持多种不同的无线接入技术，并且其移动透明性的特点能 5 江苏大学硕士研究生毕业论文 够使得传输层及以上应用意识不到主机的移动，移动i p 技术是网络中主机移动 性的最佳管理方案之一。 移动i p 协议的基本设计要求如下： ( 1 )移动主机改变接入子网时，无需改变原有的i p 地址仍然可以保持与 通信对端的通信，并且传输层及以上应用无需作任何改变，保证移动的透明性； ( 2 )除了移动主机之间的通信，与移动主机通信的还有相当数量的非移 动主机，这些非移动主机和为数众多的路由器的协议无需做特定的改变； ( 3 )移动i p 除了支持主机在同种接入子网之间的切换，还必须支持主机 在异构网络之间的切换； ( 4 )移动主机必须有与非移动主机相同的安全保障； ( 5 )相比有线网络，无线网络的带宽有限且误码率较高，并且移动主机， 例如手机、p d a 的电池容量有限，移动i p 的系统开销应低至最小。 2 2 移动i p 、，4 技术分析 1 移动i p v 4 的网络结构 移动i p v 4 的网络结构如图2 1 ，包括四个功能实体： ( 1 )移动节点( m o b i l en o d e ，m n ) 1 5 】：支持移动i p v 4 协议的主机，也 可以是一个移动路由器，在接入子网间移动后无需改变其原有的i p 地址仍可保 持与通信对端的通信。 ( 2 ) 通信对端( c o r r e s p o n d e n tn o d e ，c n ) ：与移动节点通信的主机，不 要求支持移动i p v 4 协议。 ( 3 )家乡代理( h o m ea g e n t ，h a ) ：位于移动节点的家乡链路上，当移 动节点移动至外地网络时，家乡代理为其截获通信分组，并通过隧道转发给移动 节点。 ( 4 ) 外地代理( f o r e i g na g e n t ，f a ) ：位于移动节点所连接的外地链路上， 主要功能为移动节点提供路由服务，即接收家乡代理发来的通信分组，然后路由 至移动节点，同时也会帮助移动节点进行移动检测。 6 z 【苏大学硕：l 研究牛毕业论文 移动节点 图2 1 移动】p v 4 的m 络结 ：| 2 移动i p v 4 的重要概念 ( 1 )家乡地址( h o m ea d d r e s s ，h o a ) ：为移动节点长期配置的常规i p 地 址，该地址不随移动节点的移动而改变，通信对端以此为目的地址与移动节点通 信。 ( 2 ) 转交地址( c a r eo f a d d m s s ，c o a ) ：移动节点移动至外地网络时被赋 予的临时地址，作为家乡代理与移动节点之间隧道的出i 】，家乡代理向这个地址 转发通信分组，移动节点也通过这个地址发送通信分组。该地址分为两种，一种 称为外地代理转交地址( f o r e i g na g e n tc a r e - o f a d d r e s s ) ，在外地链路j 二配置，通 过外地代理通告获得，移动节点发送和接收的通信分组需要通过外地代理转发： 另一种称为配置转交地址( c o - l o c a t e dc a r e o f a d d r e s s ) ，是一个移动节点独享的 临时地址，通过d h c p 等地址分l i 己机制获得，移动节点接收的通信分组无需通 过外地代理转发，可以直接发送至移动节点，但需要占用额外的地址空间。考虑 到目前i p 地址空间的严重不足，一般采用外地代理转交地址。 ( 3 )家乡网络( h o m en e t w o r k ) ：指与移动节点的家乡地址有相同网络前 缀的网络，通常也包括虚拟网络。 ( 4 )家乡链路( h o m el i n k ) ：指与移动节点的家乡地址具有相同网络前 缀的链路，即移动节点处于家乡网络时所连接的链路。 7 江苏大学硕士研究生毕业论文 ( 5 )外地网络( f o r e i g nn e t w o r k ) ：指网络前缀与移动节点家乡地址网络 前缀不同的网络，即除家乡网络外的其他网络。 ( 6 ) 外地链路( f o r e i g nl i n k ) ：指网络前缀与移动节点家乡地址网络前缀 不同的链路，即除家乡网络的家乡链路外的所有链路，移动节点处于外地网络时 所连接的链路。 ( 7 ) 隧道【1 6 】：当移动节点移动至外地网络时，家乡代理与外地代理之间 维持一个基于i p i n i p 技术1 1 7 】的隧道( 如果移动节点的转交地址是配置转交地址， 则此隧道处于家乡代理与移动节点之间) ，用于转发发送至移动节点的通信分组， 在隧道的发送端，家乡代理对通信分组进行封装工作，在隧道的接收端，外地代 理或移动节点对发来的通信分组进行解封工作。 3 移动i p v 4 的工作过程 移动i p v 4 的协议的工作过程【1 8 】可概括为3 个过程： ( 1 )代理搜索过程：当移动节点移动至一个外地网络时，确定自己的位 置以及获得所在网路的信息，这个过程即代理搜索。主要有两种方式，一种是由 外地代理发出代理通告消息( a g e n t a d v e r t i s e m e n t ) ，此消息即移动代理发送的提 供服务的消息，协议规定外地代理应定期广播代理通告消息；另一种是由移动节 点主动发送一个代理请求，此链路上的外地代理收到后向移动节点返回代理通告 消息。通过监听代理通告消息，移动节点可判断自己的位置并通过地址配置机制 获得外地代理转交地址。 ( 2 )注册过程【1 9 】 2 0 l ：在获得转交地址之后，移动节点需要把转交地址通 知它的家乡代理。第一步，向家乡代理发送注册请求消息，如果转交地址类型是 外地代理转交地址，则此消息由外地代理发送至家乡代理，如果是配置转交地址， 则由移动节点直接发送至家乡代理。第二步，当家乡代理收到注册请求消息后， 向移动节点返回注册应答消息，包括转交地址的生存期、转交地址注册成功与否 等消息，如果注册失败，消息中将标示出失败原因的代码，如果转交地址为外地 代理转交地址，则注册应答消息发送给外地代理，并由外地代理转发给移动节点， 如果是配置转交地址，消息会被直接发送给移动节点。 ( 3 )分组路由过程：如果转交地址注册成功，家乡代理将创建或修改与 移动主机间的隧道。发送至移动节点的通信分组将会被家乡代理截获，封装后通 8 江苏大学硕士研究生毕业论文 过隧道发送给移动节点的转交地址在隧道的出口处( 外地代理或移动节点) 分 组将会被解封后使用。需要注意的是，由移动节点发送的通信分组无需通过隧道 发送给家乡代理，而是正常路由至通信对端。 4 “三角路由”问题 “三角路由”1 2 1 】阻】是移动l p v 4 一个急需解决的问题，当移动节点的转交地 址向家乡代理注册成功后，移动节点与某个通信对端的分组路由传输路径如图 2 2 所示，步骤如下： 家乡代理截获通信对端发向移动节点的通信分组。 家乡代理将通信分组封装后通过隧道发送给外地代理，在图2 2 中，移动 节点的转交地址类型为外地代理转交地址，因此隧道的出口是外地代理。 外地代理将通信分组解封后发送至移动节点。 移动节点发送给通信对端的通信分组通过i p 协议的标准路由o t 维t j 正常路 由到j 垃 矗对端处。 外地代 移动节点 乡代理 图2 2 移动i p v 4 的分组路r h - f 芝输路径 移动节点接收的通信分组将通过c n 一 l n 一 f a 一 m n 的绕行路径，而移 动节点发送给通信对端的通信分组仍然通过m n _ c n 的直接路由路径，这就形 成了所谓的“三角路由”。当移动节点和通信对端均远离家乡代理时，通过家乡 代理转发通信分组会使系统开销和分组传输时延显著提高，最简单的解决方法就 9 江苏大学硕士研究生毕业论文 是路由优化，但是这需要独立于移动i p v 4 协议之外的其他协议来实现，总体思 路为告之通信对端移动节点的转交地址，绕开家乡代理，使通信对端将通信分组 直接发送给移动节点。但是这样做存在相当的安全隐患，因为移动i p v 4 缺乏用 来保证路由优化安全的相关安全机制，同时也无法在移动节点与数目繁多的所有 通信对端之间配置相关的安全关联，使得在移动i p v 4 中难以实现路由优化。 2 3 移动i p v 6 技术分析 2 3 1 移动i p v 6 协议概述 随着i n t e m e t 的发展，i p v 6 协议作为下一代i n t e m e t 的标志性技术，必将取 代i p v 4 协议，与i p v 4 协议相比，i p v 6 协议具有更大的地址空间、完善的地址自 动配置功能、邻居发现机制以及更强的安全机制等，i p v 6 协议的这些特性使得 节点的移动性趋于简单化，为了支持节点在i p v 6 的网络中的移动性，i e t f 先是 制定了移动i p v 6 协议草案【2 3 1 ，经过多年的改进工作，正式推出了移动i p v 6 协议。 与移动i p v 4 协议一样，移动i p v 6 也是为了实现这样的目的：移动节点在外 地链路时能够使用家乡地址与通信对端通信，也就是说移动i p v 6 协议的设计思 想也必须建立在移动i p 设计的基本要求上。i p v 6 协议与移动i p v 4 协议总体是相 似的，不同之处在于： 1 取消了外地代理f a 在移动i p v 4 中，外地代理充当一个类似默认路由器的角色，为移动节点提 供路由服务，具体表现为截获分组并且解封传送给移动节点，并且为了节省宝贵 的地址资源，设置外地代理转交地址为该外地链路上的多个移动节点所共享。而 在移动i p v 6 协议中，路由发现协议可以使移动节点在外地链路上顺利找到合适 的默认路由器，并且由于i p v 6 具有巨大的地址空间，使得每个移动节点处于不 同的外地网络时都能获得一个全球唯一的i p 地址，与移动i p v 4 协议中移动节点 独占的配置转交地址类似，不需要通过外地代理通告，因此也就不存在外地代理 转交地址这个概念，外地代理这个在移动i p v 4 协议中必不可少的功能实体在移 动i p v 6 中被取消【2 4 】，移动i p v 6 的网络结构如图2 3 。 1 0 江苏大学硕士研究生毕业论文 侈动节点 图2 3 移动l p v 6 的m 络乡? 。构 2 转交地址自动配置机制 因为基于l p v 6 协议，移动i p v 6 的地址配置协议包括有状态和无状态自动配 置两种【2 5 】 2 6 】。有状态配置类似移动i p v 4 的动态卡机配置协议，不同的是移动i p v 6 协议使用了第6 版动态主机配置协议( d c h p v 6 ) 2 7 j ；无状态配置主要功能是使 移动节点自动生成地址。在改进了i p v 4 协议的i c m p 协议后，i p v 6 定义了邻居 发现i c m p v 6 1 2 8 1 可以用来检验无状态配置所生成的转交地址与其他主机的地址 是否有冲突。 3 路由优化 支持路由优化是移动i p v 6 对于移动i p v 4 的一个飞跃它允许通信分组宜接 在移动节点和通信对端之间传输而不用经过家乡代理的转发。由2 2 节可知，在 移动i p v 4 协议中存在“三角路由”问题，解决方法即路由优化1 2 9 1 ，但是必须由 另外的协议实现，而这个协议与移动i p v 4 的兼容性并不是很好，因为并不是每 个节点都支持或适合这种方法。而在移动i p v 6 巾，路由优化技术已经成为移动 i p v 6 协议的重要组成部分，在整合了路由优化技术后，通信对端可以和家乡代 理一样维护一个移动节点家乡地址与转交地址的绑定，通信对端和移动节点之问 的通信分组可以不用经过家乡代理，避免了“三角路由”，路由优化技术在2 3 3 节中还将进行详细分析。 江苏大学硕士研究生毕业论文 4 分组报文格式的扩展 在i p v 6 协议中，分组结构除了有基本报头，还具备多种不同用途扩展包头， 包括逐跳选项报头( h o p b y - h o po p t i o n sh e a d e r ) 、目的地选项报头( d e s t i n a t i o n o p t i o nh e a d e r ) 、路由头( r o u t i n gh e a d e r ) 、分片头( f r a g m e n th e a d e r ) 、认证报 头( a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ，a h ) 、封装安全有效载荷报头( e n c a p s u l a t i o ns e c u r i t y p a y l o a dh e a d e r ，e s p ) 。如此的分组结构形式有助于定义衍生的增强协议，以提 供最大限度的扩展性。 而移动i p v 6 对于i p v 6 的扩展性在于：定义了两种扩展报头：移动报头以及 第二类路由报头，前者主要用来携带己实现路由优化的移动i p v 6 信息：后者在 路由优化完成后在通信分组中携带移动节点的家乡地址。 5 安全机制的增强 对于安全问题，移动i p v 4 协议需要通过静态配置“移动安全关联”来解决 安全问题【3 0 1 ，即完成点到点的认证扩展，这种方法繁琐且效率较低。i p v 6 协议 集成了i p s e c 协议，由认证报头协议、封装安全载荷报头协议以及i n t e m e t 密钥 交换( i n t e r a c tk e ye x c h a n g e ，i k e ) 协议组成。认证报头主要提供无连接传输数 据的完整性保护以及数据源认证，而封装安全载荷报头能够提供数据加密，二者 都能够提供认证服务，在此方面后者要强于前者，可以根据实际需要选择两种报 头的其中之一或同时使用。i n t e m e t 密钥交换协议作为i p s e c 默认的自动密钥管理 协议，主要负责动态验证i p s e c 每个参与方的合法身份、确定和分发密钥等工作。 移动i p v 6 的安全机制以i p s e c 协议为基础【3 ，封装安全载荷报头和家乡地址选 项必须同时使用，基本上可以满足诸如发送认证、数据完整性保护和重传保护等 绑定更新的所有安全需要，并且由于所有的支持i p v 6 的节点都必须支持i p s e c ， 使得移动i p v 6 实现路由优化成为可能。 2 3 2 移动i p v 6 消息扩展 在移动i p v 4 中，注册请求消息基于u d p ，而在移动i p v 6 中，通过绑定更新 消息进行家乡代理或通信对端的注册。由于本文的改进型层次移动i p v 6 所涉及 的绑定管理消息格式基于移动i p v 6 ，因此需要对这些绑定管理消息的格式加以 分析。 1 2 江苏大学硕士研究生毕业论文 1 移动报头 移动报头是由移动i p v 6 协议定义的i p v 6 的独特扩展报头，主要用来携带绑 定更新过程中移动节点、通信对端、家乡代理所使用的消息。移动报头会在扩展 报头的下一个头字段中标示，格式如图2 4 ，主要包括如下字段： 载荷协议：8 b 长，作用类似于i p v 6 报头的下一个头字段，标示下一个头的类型； 报头长度：8 b 长，标示报头长度，以6 4 b 为一个计量单位； 报头类型：1 6 b 长，标示该移动报头类型； 校验和：1 6 b 长，用于校验该移动报头； 数据：无固定长度，用于携带该移动报头类型特有的数据，依据移动报头的类型 差异而各不相同。 图2 4 移动报头格式 2 绑定更新消息 为了通知家乡代理或通信对端新获得的转交地址，移动节点需要向他们发送 绑定更新消息( b i n d i n gu p d a t e ，b u ) ，其数据字段格式如图2 5 ： 图2 5 绑定更新消息数据字段格式 其中，a 位表示移动节点希望收到家乡代理或通信对端对绑定更新的确认， 即需要家乡代理或通信对端返回绑定确认消息，如不需要确认，此位可以不设置； h 位表示此绑定更新过程为家乡代理注册，即该绑定更新消息是发送给家乡代理 的，设置h 位表示分组的目的地址和移动节点的家乡地址必须有相同的网络前 缀：设置l 位表示移动节点所报告的家乡地址与本地链路地址具有相同的接口标 示符( i n t e r f a c ei d e n t i f i e r ，i i d ) ，如果携带的家乡地址是通过无状态自动配置获 得的，l 位必须清除；k 位和移动节点与家乡代理间的i p s e c 安全关联有关，设 置k 位表示移动节点和家乡代理间有动态的安全关联，如果绑定更新消息发送 1 3 江苏大学硕士研究生毕业论文 给通信对端，忽略k 位：顺序号字段用来标示绑定更新以及匹配绑定确认；生 存时间字段表示该绑定的有效期，为1 6 b 长的无符号整数，0 表示删除，全f 则 表示永久有效：移动选项字段可以在绑定授权数据选项、临时随机数索引选项或 备用转交地址选项中选择，如果没有选择上述三个选项中的任何一项，则需要填 充4 b 。 3 绑定确认消息 绑定确认消息( b i n d i n ga c k n o w l e d g e m e n t ，b a c k ) 用于对绑定更新消息进 行确认，如果收到的绑定更新设置了a 位，则接收方必须向该移动节点返回绑 定确认消息，数据字段格式如图2 6 所示： 图2 6 绑定确认消息数据字段格式 其中8 b 大小的状态字段用于标示绑定更新是否被家乡代理或通信对端接 受，如果小于1 2 8 ，表示绑定更新被接受，否则表示绑定更新被拒绝，状态字段 内不同的值代表了不同的拒绝原因，见表2 1 ；绑定确认消息的k 位作用与绑定 更新消息的相同，用于标示移动节点与家乡代理之间是否建立有i p s e c 安全关联， 如果该绑定确认消息是由通信对端发送给移动节点的，忽略k 位；顺序号字段 用于与相应的绑定更新消息匹配；生存时间字段只有在状态字段的值小于1 2 8 时 才有意义，代表了家乡代理或通信对端给出的相应表项在绑定缓存中的有效时 间；绑定确认消息的移动选项属于可选选项，可以是绑定授权数据选项或者绑定 刷新建议选项。 1 4 江苏大学硕士研究生