（电子科学与技术专业论文）基于arm的精简ipv6协议栈的研究与设计.pdf

r e s e a r c ha n dd e s i g no fi p v 6n e t w o r ks t a c k b a s e do na r m p r o c e s s o r at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m e u n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h e d e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l i j i n c h e n g ( e l e c t r o n i c ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry us h u a n g h e j u n e 2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文：基王巡的揸篮堡y 鱼协这拢的硒究生遮让：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：垄毯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：荃金烈 导师签名：孑盘c 2 和 日期：凇f 年。歹月o y 日 中文摘要 摘要 软硬件资源的不断成熟和完善，使得嵌入式系统应用得到了十分迅猛的发展。 另一方面，互联网技术的发展，使得i n t e r n e t 逐渐深入到人们的日常生活中，嵌入 式系统对网络连接的需求也日益增长，因此，嵌入式系统与i n t e m e t 相结合将成为 嵌入式系统和互联网络发展的重要方向。 目前，i n t e m e t 规模的日益扩大与i p v 4 地址匾乏之间的矛盾越来越突出。为解 决i p v 4 网络存在的各种问题而出现的i p v 6 协议具有海量的地址空间、优化的路由 算法、自动化的地址配置等；同时还增加了对安全性、q o s 等的良好支持。因此， i n t e m e t 从i p v 4 过渡到i p v 6 是一种必然的趋势。综上，对i p v 6 协议进行研究并将 其引入嵌入式系统，实现嵌入式设备接入网络的功能，具有较高的科研价值和现 实意义。 本文首先对嵌入式系统相关概念和嵌入式i p v 6 协议栈进行了介绍，接着根据 嵌入式t c p i p 协议栈的设计要点，提出嵌入式i p v 6 协议栈的总体设计，进一步对 协议栈的进程模型、内存管理和平台无关性进行了研究。然后给出各模块的详细 设计与实现，主要有i p v 6 模块、i c m p v 6 模块、邻居发现( n d ) 模块和u d p 模块。 最后将协议栈嵌入到1 tc o s i i 操作系统中并搭建测试环境对i p v 6 协议栈进行功 能性测试。 l 霉 实验结果表明，各项协议都能够正确运行，可以完成基本的通信功能，证明 了本方案是可行的。 i 关键词：嵌入式系统；lp v 6 ；ic m p v 6 ；邻居发现协议 英文摘要 a b s t r a c t t h ei n c e s s a n ti m p r o v i n go fs o f t w a r ea n dh a r d w a r em a k e st h ea p p l i c a t i o no f e m b e d d e ds y s t e mg r o w i n gr a p i d l y o nt h eo t h e r ，i n t e r n e th a sb e e nd e e p l yr o o t e di n t o h u m a n sl i f ew i t hi t sd e v e l o p m e n t t h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mc o n t r o l l e d n e t w o r ka n di n f o r m a t i o nn e t w o r k ，n o to n l yc a nb r o a d e nt h er a n g eo fc o n t r o l n e t w o r k ，b u ta l s o c a np r o v i d em o r ei n f o r m a t i o nt oe n r i c ht h ec o n t e n to fb o t h n e t w o r k s c o n n e c t i n ge m b e d d e ds y s t e m si n t oi n t e r n e tw i l lb ea ni m p o r t a n td i r e c t i o nf o r t h ed e v e l o p m e n to f b o t he m b e d d e ds y s t e ma n di n t e m e t a tt h ep r e s e n ts t a g e ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ee x p a n d i n gi n t e r n e ts c a l ea n dt h e d e f i c i e n c yo f i pa d d r e s sh a sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s a sw ea l lk n o w ，i p v 6h a s b e e nr a i s e du pt os o l o v et h ep r o b l e m st h a te x i s t e di ni p v 4 i p v 6h a saq u i t el a r g e a d d r e s s s p a c e t o s a t i s f y t h en e e do fi p a d d r e s s ，o p t i m i z e dr o u t i n ga l g o r i t h m ， s t a t e l e s s a d d r e s sa u t o c o n f i g u r a t i o na n ds oo n a l s oi tp r o v i d e sg o o ds u p p o r tf o rs e c u r e a n dq o s t h e r e f o r e ，i t sa ni n e v i t a b l et r e n dt h a ti n t e m e tw i l lt u r ni n t oi p v 6f r o mi p v 4 t os u n lu p ，i m p l e m e n t i n gi p v 6n e t w o r ks t a c ki ne m b e d d e ds y s t e mt oc o n n e c t e m b e d d e dd e v i c e st oi n t e r n e th a sg r e a t es c i e n t i f i cv a l u ea n dr e a l i s t i cm e a n i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t so fe m b e d d e ds y s t e ma n di p v 6n e t w o r ks t a c ki n e m b e d d e ds y s t e mf i r s t l y t h e ni te x p l a i n st h et h e o r y ，t h eh e a d e rs t r u c t u r ea n dt h e r e l a t i v ep a r a m e t e ro fc o r ep r o t o c o l si ni p v 6p r o t o c o ls t a c k a f t e r w a r d s ，p r o p o s e sd e s i g n p l a no fi p v 6s t a c kb ya n a l y z i n gk e yp o i n t si ne m b e d d e ds y s t e mt c p i ps t a c kd e s i g n ； r e s e a r c h e sp r o c e s sm o d e l ，s t o r a g em a n a g e m e n t ，p o r t a b i l i t ya n dc o m m u n i c a t i o no ft h e s t a c k s e c o n d a r i l y ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ec u t t i n go ft h es t a c k a n dt h ep a c k e tp r o c e s s i n g f l o wa n dg i v e st h ed e t a i l e dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe a c hm o d u l e ，s u c ha si p v 6 m o d u l e ，i c m p v 6m o d u l e ，n e i g h b o rd i s c o v e r y ( n d ) m o d u l ea n dt h eu d pm o d u l e ，e t c f i n a l l y ，t h ep r o t o c o ls t a c ki se m b e d d e di n t ot h ep c o s i io p e r a t i o ns y s t e m ，a n da t e s t e n v i r o n m e n ti sb u i l tf o rf u n c t i o n a lt e s t i n g t h et e s t i n gr e s u l ts h o w e st h ee f f e c t i v i t yo ft h ep r o t o c o ls t a c k i tc o u l dp e r f o r m b a s i cc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n sw e l l k e yw o r d s ip v 6 ：ic m p v 6 ：n e ig h b o rdis c o v e r y ：e m b e d d e ds y s t e m 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的背景与意义1 1 1 1 嵌入式系统的基本概念。1 1 1 2 嵌入式i n t e m e t 技术2 1 2 嵌入式i p v 6 协议栈的提出3 1 3 论文研究内容。4 第2 章i p v 6 协议简介5 2 1i p v 6 的现状和发展。5 2 2i p v 6 的特点6 2 2 1i p v 6 相对于i p v 4 的变化6 2 2 2i p v 6 的编址结构和类型7 2 - 3i c m p v 6 协议8 2 3 1i c m p v 6 报文的格式和类型9 2 3 2i c m p v 6 错误报文1o 2 3 3i c m p v 6 信息报文13 2 3 4i c m p v 6 处理规则。1 4 2 3 5p m t u 发现机制15 2 4 邻居发现协议1 6 2 4 1 邻居发现协议的报文16 2 4 2 邻居发现过程的分析1 6 第3 章嵌入式协议栈技术研究2 1 3 1 嵌入式协议栈的特点2 l 3 2 嵌入式系统中实现网络协议的方法2 4 3 3 开源网络协议栈分析2 7 第4 章协议栈的设计3 0 4 1 嵌入式i p v 6 协议栈的总体设计3 0 4 1 1 协议栈在系统中的位置3 0 4 1 2 协议栈进程模型设计3 1 4 2 平台无关性的解决3 3 4 3 协议栈的存储管理3 4 4 3 1 协议栈的缓冲区管理3 4 目录 4 3 2 协议栈的内存管理3 7 第5 章协议栈的实现4 0 5 1 数据包的处理流程，4 0 5 2 网络接口层4 1 5 3i p v 6 模块实现4 l 5 3 11 p v 6 模块功能4 1 5 3 2 功能函数4 3 5 3 3 主要数据结构4 5 5 4i c m p v 6 模块的实现4 6 5 4 1 1 c m p v 6 函数的结构与功能4 7 5 4 2 主要数据结构4 8 5 4 3 主要功能函数4 9 5 5 邻居发现模块的实现5 4 5 5 1 邻居请求报文。5 5 5 5 2 邻居邻居通告报文5 7 5 5 3 主要数据结构和函数的设计5 8 5 6u d p 模块的实现。6 0 第6 章协议栈测试6 1 6 1 协议栈的移植6 l 6 2 协议栈的测试6 2 总结一7 0 参考文献7 2 致 谢7 4 基于a 跚的精简i p v 6 协议栈的研究与设计 1 1 课题的背景与意义 第1 章绪论 1 1 1 嵌入式系统的基本概念 在目前同益信息化的社会中，计算机与网络已经渗透到人们日常生活的每一 个方面，而嵌入式系统，正是这个过程的主要推动力量之一。与人们生活息息相 关的家用电器、数码相机、数码摄像机、m p 3 、手机、手表、汽车通信设备、电 子书等都与嵌入式系统密不可分；工业领域方面，生产作业线、智能操作设备、 数控机床等流水作业线也与嵌入式系统有着十分密切的联系。 嵌入式系统的一般定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件 可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算 机系绀。 广义上讲，嵌入式系统囊括了几乎所有的带有小型处理器的硬件以及软件系 统。所以也有人说：“嵌入式系统是一种能将应用性软件和操作系统与电脑硬件 相统一的实用性工具。” 狭义上讲，人们更强调的是那些使用嵌入式系统微处理器构成独立系统，具 有自己的操作系统并且具有某些特定功能的系统。 后p c 时代，嵌入式系统会带来无限的商机。目前各个国家的嵌入式系统每年 所创造的价值总和已超过l 万亿美元。赛迪呼叫中心所进行的研究数据表明，有 将近3 0 的i t 类公司都或多或少的参与了嵌入式系统的开发，近1 4 的公司有进 入嵌入式系统的开发领域计划。虽然大多数公司虽然还没有投入到这个领域，可 我们完全有理由相信在不久的将来嵌入式系统的应用会更加普遍、发展会更迅速。 国内嵌入式系统开发的发展方向是功能及应用的拓展空间，未来的发展重点将集 中在工业控制、智能家电、便携通信这三个方向上。未来的嵌入式软件其发展趋 势将会是更廉价、更便捷、更准确且更智能。 目前，不论是国防、航天工程、工业自动化领域，还是信息通信、网络家电 第1 章绪论 和电子消费等领域，都有嵌入式系统的身影。人们常见的电器设备也多半都有嵌 入式技术的应用，小到掌上m p 3 、播放机，大到工控机床、自动售货系统，这些 都足以证明嵌入式系统给我们的日常生活和生产带来极大的便利和影响。而且， 嵌入式系统和互联网相融合的趋势越来越明显，嵌入式设备问的互相通信更加易 于实现，相互间共享信息的程度也得到了进一步的提高。 1 1 2 嵌入式in t e r n e t 技术 基于嵌入式系统不断成熟与发展的软硬件技术以及不断普及应用的互联网， 当今嵌入式系统的发展出现了一个重要趋势，那就是将嵌入式系统和i n t e r a c t 相结 合，而且这将成为未来网络发展的热门趋势之一。 嵌入式i n t e r n e t 技术依托于i n t e r n e t 技术、w e b 技术、嵌入式技术的发展，它 的产生是i n t e r n e t 发展史上的又一个突破。所谓嵌入式i n t e r a c t 技术是指通过为嵌 入式设备增加通信模块接入互联网，并通过互联网实现同其他接入网络的设备之 间的信息交互。据专家预测，未来小型嵌入式系统传输的信息将占i n t e m e t 上信息 传输总量的7 0 【2 】。所以说，嵌入式系统与i n t e r n e t 网络的相结合发展是大势所趋。 嵌入式i n t e r a c t 技术也成为人们的热门研究课题之一。 作为一项新概念和技术，嵌入式i n t e r n e t 技术只有仅仅几年的发展史，但其发 展速度却很快。国内，嵌入式i n t e r n e t 技术的研究也才起步不久。2 0 0 6 年6 月，中 国计算机学会( c h i n ac o m p u t e rf e d e r a t i o n ) 通过召开主题为“嵌入式系统及产业化在 中国的发展 的研讨会，探讨了嵌入式系统在现代化工业中的地位及其实现网络 接入等问题并达成相关共识，认为嵌入式系统所占的比重将在下一代互联网中大 大增加。国际上，为了更好的研讨和定制嵌入式t c p i p 领域的标准和开发相关的 技术，m i c r o c h i p 和m o t o r o l a 等数十个公司联合成立了“嵌入式i n t e m e t 联盟 ( ( e t i ) ”，这一组织推动了嵌入式i n t e r n e t 这一市场的快速发展。互联网的各种通信 协议对于一些方面有相对较高要求，例如处理器的高速运算、较大的存储空间， 而且t c p i p 等网络协议又需要系统资源提供大量的支持，但一般的嵌入式系统只 具有不太可观的处理器能力和存储空问，这两者之间的矛盾成为嵌入式系统与互 基于a r m 的精简i p v 6 协议栈的研究与设计 联网结合所面临的主要困难。 现在，不论是国外的公司，还是国内的公司，都有推出相应的嵌入式i n t e r n e t 成品产品以及解决方案。国外，美国i r e a d y 公司提出了完整的新一代非p c 智能 设备i n t e m e t 连接方案，被称作“i n t e r n e tt u n e r ”。s e i k o ，s o n y 和s h a r p 等国际著名 公司都支持这种技术。美国e m w a r e 公司提出了e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e m e t w o r k i n g t e c h n o l o g y ，嵌入式微型网络) 技术和相关的软件包【3 1 。但这些产品大都价 格昂贵且不支持丌源。 在开源项目中，l w i p 和ui p 是两个比较知名的嵌入式t c p i p 协议栈，其都 是针对微处理器设计的。作为一个开源项目，ui p 能够实现t c p i p 协议的交错融 合，这样可以达到节省一定的代码尺寸和运行资源的效果，但这同时也会带来整 个协议栈丧失了灵活性、可维护性和可配置性的后果。从整体而言，要想得到节 省代码尺寸和运行资源的效果，可以采用分层的体系结构，并且必须注意可配置 性，这样才可以得到更好的效果。 1 2 嵌入式ip v 6 协议栈的提出 。 全球i n t e m e t 用户数量随着互联网的迅猛发展而急剧增多，加之大量接入 i n t e m e t 的嵌入式系统，这使得i p v 4 网络的问题目益突出。目前来看，基于i p v 4 的网络协议存在致命的弊端已经不能提供足够的地址来供新的节点接入互联 网，而i p v 6 网络可以提供近乎无尽的地址空间来很好地克服i p v 4 的技术弊端。另 外，i p v 6 协议可以在路由算法、实现地址分类以及地址的自动配置等方面远优越 于i p v 4 ，这能更好的满足网络发展的需要。 新一代网络协议n e x tg e n e r a t i o n ( i p n g ) 的研究和发展始于上个世纪9 0 年代初， 是由i e t f 首先进行的。i p n g 是i p 协议的新版本，被称为i p v 6 ，用于替代目前使 用的第4 版i p 协议( i p v 4 ) 。嵌入式设备越来越多的应用，越来越强烈的要求将嵌 入式设备接入网络。目前，嵌入式设备接入i n t e r n e t 主要是通过i p v 4 协议栈实现 的，因此，接入互联网越来越多的主机数量已经耗尽所有的i p v 4 地址。i p v 6 技术 的出现恰好解决了这一难题：地址空间将由原有2 3 2 个扩展到了2 1 2 8 个，从而形成 第1 章绪论 巨大的地址空间，这样就可以使每个嵌入式系统都作为一个单独的终端接入互联 网，于是乎将摆脱匮乏地址的限制。互联网正在实现从i p v 4 网络到i p v 6 网络的过 渡，这样在嵌入式设备上实现i p v 6 协议，满足其接入互联网的需求也是一个必然 趋势。 现阶段，大量嵌入式i p v 6 协议栈的产品已经面世，这包括由m a x i m 公司推出 的支持双协议的i p v 6 协议栈产品。i n t e r n i c h e 公司所出品的用于嵌入式系统的套 件，它包括基本的i p v 4 6 协议，而且含有动态配置密钥的i k e 协议和i p s e c 协议f 4 1 。 但是这些解决方案存在共同的问题，就是价格昂贵且是非开源的，实时性方面做 的也不够好，这极大的降低其裁减、移植、优化的可能。实时操作系统方面也存 在问题。虽然l i n u x 、u c o s 等都内置了i p v 6 ，但这些协议栈对操作系统过于依赖， 不适用于硬件资源短缺的嵌入式系统；开源的协议栈l w i p 较为完善，而且设计的 对象就是嵌入式系统，但它不支持i p v 6 协议；i ji p 协议栈，也是开源的，有很好 的可移植行，但也不支持对i p v 6 。综上所述，本论文拟设计一个适应于嵌入式系 统应用的且具有良好实时性的i p v 6 协议栈，这不仅具有一定的理论研究价值，而 且具有重要的现实意义。 1 3 论文研究内容 本文的主要工作有： 1 i p v 6 协议相关的r f c ( r e q u e s tf o rc o m m e n t s ) 文档阅读、理解和分析，熟悉 并掌握i p v 6 协议的基本原理及实现。 2 对i p v 6 协议( 包括与之相关的邻居发现协议和i c m p v 6 协议) 进行裁剪并加以 实现，满足嵌入式系统要求。 3 实现i p v 6 的i c m p v 6 协议。 4 实现i p v 6 的邻居发现协议。 5 实现i p v 6 的u d p ( 用户数据包协议) 。 6 移植i p v 6 到实时操作系统uc o s i i 中。 基于a r m 的精简i p v 6 协议栈的研究与设计 第2 章ip v 6 协议简介 2 1ip v 6 的现状和发展 随着i n t e m e t 的飞速发展，使用广泛的i p v 4 协议在i n t e m e t 的发展过程中发挥 了巨大的作用，但也暴露了越来越多的问题，例如i p v 4 地址短缺、缺乏安全性和 移动性能差等。为了彻底解决i p v 4 存在的问题，互联网工程任务组( i n t e m e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 提出和设计了下一代互联网协议，即i p v 6 协议【5 】。 很多国家和地区已经高度重视下一代互联网研究和开发。美国科学基金会 ( n s f ) 于1 9 9 5 年资助了下一代因特网( n g i ) 研究计划，建立了n g i 主干网 ( v b n s ) ；1 9 9 8 年美国大学先进网络联盟( u c a i d ) 成立，设立i n t e m e t 2 研究 计划，建立主干网a b i l e n e ；美国国防部自2 0 0 3 年1 0 月开始支持i p v 6 协议。今后 i p v 6 将被融入新型武器和通信系统的设计当中，到2 0 0 8 年美国军方将实现的本土 全面i p v 6 计划。 目前为止，全球i p v 6 地址分配数量最多的前十个国家或地区为1 6 j ：美国、德 国、法国、日本、澳大利亚、欧洲、韩国、意大利、中国台湾、波兰。容易看出， i p v 6 主要在少数发达国家的分配相对集中。亚洲区域，日本和韩国i p v 6 的发展速 度要远比其他国家来得迅速。目前中国大陆的i p v 6 地址拥有量排名世界第十五。 我国是i p v 6 研究工作启动较早的国家之一，我国政府对l p v 6 在我国的发展也 高度重视。中国教育科研网( c e r n e t ) 于1 9 9 8 年建立了国内第一个i p v 6 试验 床c e r n e t v 6 ，标志着我国i p v 6 研究工作进入了实质阶段。随后，我国政府又 开展了一系列i p v 6 研究项目和相关工作。1 9 9 9 年，国家自然科学基金联合项目“中 国高速互联研究试验网n s f c n e t 启动；2 0 0 2 年，信息产业部“下代l p 电信 实验网( 6 t n e t ) ”项目启动；科技部8 6 3 信息领域专项“高性能宽带信息网( 3 t n e t ) ” 启动；2 0 0 3 年，信息产业部颁发首张i p v 6 核心路由器入网试用批文，由邬贺铨院 士出任专家组组长的“中国下一代互联网示范项目( c n g i ) 全面启动，标志着 我国i p v 6 已经开始进入商业试用阶段。 虽然我国电信运营业改革起步较晚，但运营商们对i p v 6 业务的研究工作也都 第2 章口v 6 协议简介 开展得有条不紊。首先是2 0 0 1 年中国电信启动( ( i p v 6 总体技术方案项目的研究 工作；接下来2 0 0 2 年，中国电信在北京、上海、广州和湖南进行i p v 6 试验与测试 工作，重庆网通信息港i p v 6 城域示范网项目；2 0 0 3 年，各大运营商已经全面启动 i p v 6 核心网络建设。我国在i p v 6 国际交流与合作研究方面也做出了很大的贡献。 全球i p v 6 高峰论坛已经连续8 年在中国举办。全球网络由i p v 4 向i p v 6 的过渡， 并最终采用i p v 6 已经是必然趋势。 2 2 lp v 6 的特点 2 2 。1lp v 6 相对于l p v 4 的变化 i p v 6 是为了解决i p v 4 所存在的一些问题和不足而提出的，同时它还在许多方面 提出了改进，例如路由、自动配置和安全等方面。经过一个较长的i p v 4 和i p v 6 共存 的时期，i p v 6 最终将会完全取代i p v 4 ，在互联网上占据统治地位。与l p v 4 相比，i p v 6 有如下的一些特点。 巨大的地址空间：i p v 6 的地址长度采用了1 2 8 位，按位数衡量l 匕i p v 4 的3 2 位扩 大了三倍，理论上可以提供2 渤个( 3 4 0 2 8 2 3 6 6 9 2 0 9 3 8 4 6 3 4 6 3 3 7 4 6 0 7 4 3 1 7 6 8 2 11 4 5 6 ) 个i p v 6 地址，相当于为地球表面没平方米提供6 6 5 1 0 2 3 个地址1 6 】这个数目足够为地 球上每一粒沙子提供一个单独的i p v 6 地址。因此，可以说i p v 6 的地址数量是接近于 无穷的。因此，i p v 6 形成了一个巨大的地址空间，在可预见的很长时期内，它足够 为所有可以想象出的网络提供一个全球唯一的地址，真正能保障端到端的通信原 则。 简化的报头：在i p v 4 中，其报头包含至少1 2 个不同的字段，且长度在没有选 项时为2 0 字节，如果包含选项时可达6 0 字节，而i p v 6 的数据报头做了简化，使 用了总长度为4 0 个字节固定格式的报头减少了需要检查和处理的字段数量，这将 使得路由的效率更高。 对移动性和安全性的更好支持：在i p v 4 中可以在i p 报头的尾部加入选项，与 此不同，i p v 6 把选项加在单独的扩展报头中。通过引入扩展报头，可以大大增强 i p v 6 协议的可扩展性，更好地支持网络的移动性和安全性等。例如，在移动i p v 6 基于a r m 的精简i p v 6 协议栈的研究与设计 中，通过对i p v 6 协议进行扩展和定义新的扩展报头如移动报头、家乡地址选项和 第二类路由报头等，使i p v 6 实现了对移动i p v 6 全面的支持，在安全性支持方面， i p v 6 协议通过定义封装安全有效载荷( e n c a p s u l a t i n gs e c u r i t yp a y l o a d ，e s p ) 【5 】和 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 ) 这些扩展报头，保证了i p v 6 网络层的安全。 服务质量的满足：在i p v 4 中，只有一种简单的服务质量，从原理上讲其服务 质量q o s 是无保障的。文本传输，静态图像等传输对q o s 并无要求，而随着网络 上网络电话、i p t v 和视频会议等实时应用的多媒体业务的出现，对延时抖动和传 输时延均的要求也越来越高。针对i p v 4 在服务质量保证上的不足，i p v 6 数据报头 中增加了两个新的字段流量类别和流标签f 6 】。有了它们，在传出过程中，中间 的各节点就可以识别和分开处理任何i p v 6 数据包。 支持地址的自动配置：i p v 6 支持无状态和有状态两种资质自动配置的方式， 用户可以非常方便地接入i n t e r n e t 网络，实现即插即用的功能，这样用户不论在数 据链路层的任何接入点接入网络都能与i n t e r n e t 网络上的其他接入点进行通信。 2 2 2i p v 6 的编址结构和类型 i p v 6 的1 2 8 位地址提供了巨大的地址空间，但是使用二进制直接书写和记录如 此长的网络地址很不方便。类似于i p v 4 中使用点分十进制表示方法，i p v 6 锘t j 定了冒 分十六进制表示、法【刀【8 1 ，用以表示i p v 6 的1 2 8 位地址。这种方法将1 2 8 位的地址分成 8 组，每组由4 个十六迸制数表示，每组之间用冒号隔开，其表示形式是 “x ：x ：x ：x ：x ：x ：x ：x ，其中每个x 代表4 个十六进制数。例如： 2 0 0 1 ：2 5 0 ：4 0 0 5 ：l0 0 0 ：12 3 5 ：a b c d ：0 0 2 5 ：10 1 l a e d c ：f a 2 0 ：7 4 8 4 ：3 2 b o ：a e f c ：b c 9 1 ：2 6 4 5 ：3 2 1 4 按寻址方式和功能的不同，i p v 6 地址有3 种基本类型一一分别为单播地址 ( u n i c a s ta d d r e s s ) 、任播地址( a n y c a s ta d d r e s s ) 、多播( m u l t i c a s ta d d r e s s ) 【7 1 。 1 单播地址 单播地址是单个网络接口的标识，以单播地址为目的地址的数据报将被送往 由其标识的唯一的网络接口上。单播地址的地址层次在形式上与i p v 4 的c i d r 地 第2 章i p v 6 协议简介 址结构十分相似，它们都有任意长度的连续地址前缀。 2 任播地址 任播地址分配给属于不同节点的多个接口。以任播地址为目的地址的数据包 将送往由该地址标识的，而且是被路由协议认为距离数据包源节点最近的一个接 1 3 上。任播地址的格式与单播地址相同，仅从语法上来说，任播地址与单播地址 是无法区分的，当一个单播地址被分配给多个接口时，这样将其转换成了一个任 播地址，获得该地址的节点必须明确知道这个地址是一个任播地址。 对于任何一个任播地址，都有一个最长的前缀p 标识出该地址所处的拓扑区 域。在这个用前缀p 标识出的区域内，这个任播地址在路由系统中被允许作为一 个单独的主机路由记录存在；在这个区域外，这个任播地址必须被类聚在前缀所 标识的路由记录中。 3 多播地址 多播地址用于标识多个网络接口，而这些接口通常分属于不同节点。如果向 一个多播地址发送数据报，那么包含在该多播地址中的所有接口( 节点) 都能收 到该数据报。 i p v 6 多播地址采用了“1 l1 11 1l ”的格式前缀，即总是以“f f 开始的，凡具 有格式前缀为“1 11 11 11 1 都采用多播地址，多播地址不能被用做源地址或者路 由器报头中的中间目的地址。 2 3ic m p v 6 协议 在i p v 6 协议中，与i p v 4 一样，并没有提供数据报在传输过程中状态的报错功 能，为了能够了解网络的连通状况，i p v 6 采用了i c m p v 6 协议来测试并报告i p v 6 数 据报在传输过程中产生的各种错误和信息。i c m p v 6 是指在i p v 6 下的i n t e m e t 的控制 报文( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，i c m p ) ，它最初是在r f c l 8 8 5 中定义的， 1 9 9 8 年在r f c l 8 8 5 的基础上提出了新的i c m p v 6 规范r f c 2 4 6 3 ，这一规范应用较为 普遍，目前最新的版本是2 0 0 6 年发布的r f c 4 4 4 3 9 1 。 基于a m 的精简i p v 6 协议栈的研究与设计 i c m p v 6 是i p v 6 的一个组成部分，i p v 6 节点通过使用i c m p v 6 协议来报告数据包 在传输过程中出现的错误，并完成网络层上的其他功能，如常用的p i n g 命令等，i p v 6 网络中的每一个节点都必须实现i c m p v 6 协议。 2 3 1 lc m p v 6 报文的格式和类型 所有的i c m p v 6 报文都封装在i p v 6 数据报的数据部分中进行传输，因为在 i c m p v 6 报文之前总有一个i p v 6 报头以及零个或多个i p v 6 击。展报头。i c m p v 6 报文的 识别是通过在其之前的i p v 6 报头或i p v 6 扩展报头中的下一个报头的值5 8 来标识的。 i c m p v 6 报文分为两种类型，即错误报文( e r r o rm e s s a g e s ) 和信息报文 ( i n f o r m a t i o n a lm e s s a g e s ) 。错误报文由于报告在转发i p v 6 数据包过程中出现的错 误，而信息报文则提供了一些诊断功能。两种报文的区别在于报文类型字段值的 最高比特位，最高比特位的值为0 时为差错报文，最高比特位为l 则是信息报文， 因此，错误报文的报文类型值介于0 - - - 1 2 7 ；信息报文的类型值介于1 2 8 2 5 5 所有的i c m p v 6 报文都有相同的报文格式【9 1 ，其格式如图2 1 所示： o781 51 6 3 1 类型代码校验和 l 报文主体 图2 1i c m p v 6 报文的一般格式 f i g u r e2 1i c m p v 6 t h eg e n e r a lf o r m a to ft h em e s s a g e i c m p v 6 报文中个字段的含义如下。 类型( t y p e ) ：字段长度占8 位，标识i c m p v 6 报文的类型，该字段决定了 报文剩余部分的格式。若该字段最高位为0 ，表示该报文为错误报文，若最高位为 1 ，表示该报文为信息报文。 代码( c o d e ) ：该字段长度占8 位，其值取决于报文的类型。 校验和( c h e c k s u m ) ：该字段占1 6 位，用来对i c m p v 6 报头和部分i p v 6 报 第2 章i p v 6 协议简介 头中数据的证确性进行校验。 报文主题( m e s s a g eb o d y ) ：该部分的内容和占用的位数依据报文类型变化， 对于不同的类型和代码，报文主题可以包含不同的数据。 2 3 2lc m p v 6 错误报文 i c m p v 6 错误报文是由路由器或者目的节点发送的，用于报告数据包在传输过 程中发现的错误，其报文类型有4 种： 1 目的不可达报文( d e s t i n a t i o nu n r e a c h a b l em e s s a g e ) 目的不可达报文是在数据报不能被发送到目的地址的情况下，路由器或发起 的i p v 6 节点产生的。目的不可达报文的格式如图2 2 所示： 081 6 3 l 类型= l代码( o 6 )校验和 未使用 长度不定，调用数据包的大小相当于彳i 包含i c m p v 6 包的最d q p v 6 的m t u l 一一一一一一一一一一一，一一一一一一一- 一一一一一一一一一一一- - - - - 一一一- - 一一- 一一一一一一- - 一一一一一一一一一一j 图2 2 目的不可达报文的格式 f i g u r e2 2d e s t i n a t i o nu m e a c h a b l e m e s s a g ef o r m a t 对图2 2 中部分字段的含义解释如下： 类型( t y p e ) ：该