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基于嵌入式l i e u x 系统的n a t o p t 网关的优化厦功耗研究东南大学硕士毕业论文 摘要 i p v 4 地址空间匾乏、报头处理时间长和不适应现代面向流的网络信息传输，促进了i p v 6 协议的发展。由1 p v 4 向i p v 6 盼过渡将会相当漫长，并且是分阶段的。在过渡初期是许多分离 的i p v 6 孤岛处于i p v 4 海洋之中，i p v 6 孤岛之间通过建立于i p v 4 网络之上的t u n n e l 相互连通： 在过渡的中后期，i p v 6 网络的规模逐渐赶上并超过i p v 4 网络，这时的主要问题是如何使得i p v 4 网络和i p v 6 网络可以互通，对该问题目前国际上比较认同的解决方案是n a t - p t 技术。目前 n a p t 技术正在w i n d o w s 、f r e e b s d 、l i n u x 等系统上进行研发。 n a t - p t 转换网关涉及的关键技术有：i p v 4 与i p v 6 网络地址转换、i p v 4 与1 p v 6 协议转换、 应用层协议的转换。本论文是对这些关键技术的研究展开的。 本文的研究目标是提出n a t - p t 的优化方案，来改善网关的转换速度和网关的稳定性，解 决当前n a t - p t 系统转换效率低下的问题。 首先对i p v 4 协议的局限性和i p v 6 协议的优点进行了陈述，并对过渡技术、n a t - p t 技术 及嵌入式系统的功耗模型的研究现状做了介绍。在比较i p v 4 协议与i p v 6 协议区别的基础上， 详细论述了n a t - p t 技术的原理，并分析了n a t - p t 在设计和实现中需要考虑的备项关键技术， 这些理论和技术是下面章节的基础。接着给出了n a t - p t 系统的实现环境和实现方法，并进行 了i p v 4 和i p v 6 网络的互通牲测试。 然后对n a q 、- p i 系统的体系结构进行了研究，在得到整个系统的函数调用关系后，详细分 析了系统各模块的实现方式，并测试了系统的带宽性能和延时性能，得出了使用n a t - p t 转换 后，网络互联性能大大降低，带宽是不用转换网关的5 ，数据包往返时间是不用转换网关的 5 1 0 倍。通过p m o f i l i n g 技术找剑t 系统瓶颈是系统中的大量链表搜索算法，因此文章对链表 搜索算法提出了各种优化方案，对优化方案的速度性能和功耗性能进行了全面的测试分析和 评估。最终得出的结论是：对丁网络中主机数不多，如家庭网关，则采用链地址哈希法和有 序顺序法的搜索算法可以改善系统的性能：对大型网络，如校园网，则可以考虑采用线性探 测哈希搜索算法，也可以采用链地址哈希法和有序顺序法算法；若不想对原系统进行大规模 修改，则有序顺序算法是明智的选择。 本文的研究方法具有普遍适应性，可以供相似研究和孵络设备制造商借鉴。 关键词：i p v 6 ，n a t p t ，嵌入式l i n u x 系统，性能优化，功耗 基于嵌入式l i n u x 统的n 胙p t 网关的优化及功耗研究东南大学硕士毕业论文 a b s t r a c t t oa d d r e s st h el i m i t a t i o n so fi p v 4 ，t h ei e t fh a sd e v e l o p e das u i t eo fp r o t o c o l sa n ds t a n d a r d s k n o w na s1 p v 6 t 1 把t r a n s i t i o nf r o mi p v 4t o 脯p r o t o c o ll y a n s 埘o n sw i l lt a k ey e a r sa n ds t a g eb y s t a g e i nt h ee a r l ys t a g eo f t r a n s i t i o n , al o to f i p v 6i s l a n d sa r es e p a r a t e db yt h e 蹦o c e a n s i no r d e r f o rt h ei p v 6i s l a n d sf a nc o n n e c te a c ho l h c 乱t h ei n f o r m a t i o nm u s tb et u n n e l e dt h r o u g ht h e v 4 i n t e r n e t ；i nt h em i d d l ea n dl a t e rp e r i o d so f t h et r a n s i t i o n , t h es c a l eo f i p v 6n e t w o r kc a t c h e s w i t h a n de x c e e d sl p v 4n c t w o r kg r e d u a l l y 。t h es u b j e c tm a t t f f f 越t h i sm o m e mi sh o wt om a k ei p v 4n e t w o r k a n di p v 6n e t w o r kc a nb eg o l q a l e c t e d t h es o l u t i o nt h a tr e l a t i v e l ya d m i t st ot h i sp r o b l e mi nt h ew o r l d 砒 p r e s e n ti sn a t - p tt e c h n o l o g y t h en a t - p ts y s t e mi sb e i n gr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e do nw i n d o w s f r e e b s d a n dl i n u x , e t c t h ek e yp r o b l e m st h a tt h en a l 叮g a t e w a yi n v o l v e sa l ea sf o l l o w s n e t w o r ka d d r e s s t r a n s l a t i o n , p r o t o c o lt r a n s l a t i o n , a n da p p l i c a t i o nl a y e rg a t e w a y t h i sp a p e rl a u n c h e dt os t u d yo n t h e s ep r o b l e m s w ed e s c r i b e dt h el i m i t a t i o n so fi p v 4a n da d v a n t a g 部o f 州a lf i r s t , a n ds i m p l y i n t r o d u c e dt h es t u d y i n ga c t u a l i t yo ft h en a t - p ta n dp o w e rd i s s i p a t i o nm o d e lo ft h ee m b e d d e d s y s t e m o nt h eb a s i so f c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ni p v 4a n d v 6 w ed e s c r i b e dt h ep r i n c i p l e o f n a t - p ti nd e t a i l ，a n da n a l y s e de v e r yk e yt e c h n i q u e sw h i c hm u s tb ec o n s i d e r e dw h e nn a t p t b e i n gd e s i g n e da n di m p l e m e n m t e d w ep r o v i d e d 柚e n v i r o n m e n ta n da l li m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f n a t - p ts y s t e m , t h e nc a r r yo nt h ei n t e r a c t i o nt e s t sb e t w e e nt h ei p v 4a n d 蹦n e t w o r k s w ea l s os t u d i e dt h en a t - p ta r c h i t e c t u r ea n dt h es o u r c ec o d eo fe v e r ym o d u l ei nd e t a i l e 正 p r e s e n t e dt h ef u n c t i o n sc a l lr e l a t i o no ft h es y s t e m , a n dt e s t e dt h es y s t e mb a n d 州d t ha n d1 a t e n c y a f t e ru s i n gn a l - p t ，t h en e t w o r kp e r f o r m a n c ei sr e d u c e dg r e a t l y ，t h eb a n d w i d t hi s5 a n dt h e l a t e n c yi s5 - 1 0t i m e sw h i c hd o e sn o tu s et h eg a t e w a y b y 碰i n gt h ed y n a m i cp r o f i l i n gt e c h n i q u e s ，w e f o u a dt h es y s t e m a t i cb o t t l e n e c ki st h a tt h e r ei sal o to fs e a r c h i n gi nl i n e a rl i n k e dl i s t s ot h ep a p e r p r o p o s e dv a r i o u sk i n d so fo p t i m i z a t i o ns c h e m e st ot h es e a r c h i n ga l g o r i t h m ，a n dc a r d e do no v e r a l l t e s tt oe x e c u t e i n gt i m ea n dp o w e re n n s n m p t i o mf o re a c ho p t i m i z e ds c h e m e t h ef i n a l l yc o n c l u s i o n s a ”：i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m a t i cp e r f o r m a n c e ，a st of c wh o s t sn e t w o r k s ，s u c ha sr e s i d e n t i a l n e t w 溅c a na d o p t i n gc h a i na d d r e s s i n gh a s ho rs o r t e ds e q u e n t i a ls e a r c h i n ga l g o r i t h m ；a n dt ot h e l a r g e s c a l en e t w o r k s s u c ha sc a m p u sn e t w o r k , c a nc o n s i d e ra d o i p t i n gl i n e a rp r o b l i n gh a s hs e a r c h i n g a l g o r i t h m s ，o fg o u i s e ，c a na d o p t i n gc h 洳a d d r e s s i n gh a s ho rs o r t e ds e q u e n t i a ls e a r c h i n ga l g o r i t h m t o o ；i f d o e sn o tw a n tt om o d i f yt h eo r i g 删s y s t e me x t e n s i v e ，t h e nt h es o r t e ds e q u e n t i a la l g o r i t h mi s aw i s ec h o i c e f o rs i m i l a rr e s e a r c h sa n dt h en e t w o r ke q u i p m e n t sm a n u f a c t u r e r ，t h es t u d y i n ga p p r o a c h sw h i c h p r o p o s e di nt h ep a p e rh a v eg e n e r a la d a p t a b i l i t y k e y w o r d s ：i p v 6 ，n a t - p t , e m b e d d e dl i n u x , p e r f o r m a n o p t i m i z e ，e n e r g yc o n s u m p t i o n 基于嵌入式l i n u x 系统的n a t - p t 罔关的优化及功耗研究东南大学硕士毕业论文 a 4 线性探测哈希算法 a 5 链地址哈希算法 附录b 各算法a r m 代码 b i 无序顺序算法 b 2 有序顺序算法 b 3 折半搜索算法 7 0 7 2 7 4 b 4 线性探测哈希算法。 b 5 链地址哈希算法 附录c a l g 模块分析 c i 数据结构 c 2a l g 管理模块 c 3a l g 应用模块集 7 8 7 9 表目录 表2 - 1l p v 6 地址空间的分配 表2 - 2s c o p e 字段值 表2 - 3 下一个报头字段常见值 表2 - 4l p v 4 报头字段和相应的i p v 6 报头字段 表2 - 5i c m p v 4 报文及与之对应的i c m p v 6 报文 表2 - 6i c m p v 4 和i c m p v 6 相互转换表 表4 1 带舞测试 表4 - 2 延时测试。 。7 1 1 1 4 1 5 1 5 。2 0 表4 - 3i p e r f 测试得到的p r o f i l e 数据 4 4 4 6 表4 - 4p i n g 测试得到的p r o f i l e 数据。4 7 表4 - 5s e q u e n t i a l 算法测试数据 表4 - 6s o r t e ds e q u e n t i a l 算法测试数据 5 l 5 2 。5 2 5 2 表4 - 7b i n a r y 算法测试数据 表4 - 8l i n e a rh a s h 算法测试数据 表4 9 各算法执行时间和a r m 指令数 表4 1 0 算法评估成绩 图1 1i n t e m e t 主机数的增长 图2 1 可聚集全球单播地址 图2 - 2 链路本地地址结构 图目录 l 9 基于嵌入式l i n u x 系统的n a t - f t 罔关的优化及功耗研究 东南大学硕士毕业论文 图2 - 3 站点本地地址结构 图2 - 4i p v 6 多播地址 图2 - 5 路由器任播地址 图2 击以太网4 8 位i e e e 8 0 2 地址结构 图2 7e u i - 6 4 地址结构。 图2 - 8i e e e8 0 2 地址到e u i - 6 4 地址的映射 图2 - 9l p v 4 报头结构 图2 - 1 0 一个携带有i p v 4 报文的物理帧 图2 - 1 1 i p v 6 报头结构 1 0 1 1 1 l 1 2 t 3 图2 1 2i p v 6 数据报结构 图2 1 3i c p m 报文结构 图2 1 4i p v 6 伪报头。 图2 1 5n a t - p t 工作流程 图2 1 6 无d n s - a l g 时v 6 到v 4 联机 图2 1 7 有d n s - a l g 时v 6 到v 4 联机 图2 1 8 捕获驱动的工作 图2 - 1 9 b p f 结构示意图 图3 - 1u l t r a l i n 系统架构。 1 3 。1 6 。1 7 2 3 。2 5 2 8 图3 - 2v 6 主机访问v 4w e b 服务器3 2 图3 - 3v 4 主机访问v 6w e b 服务器 图3 - 4 互通性测试时各虚拟机的工作屏幕 图4 - ln a t - p t 系统调用总图 ：1 4 图4 - 2n a t - p t 系统结构 图4 3 n a t 模块层次图 j i f ； 图4 - 4n a tt r a n s l a t ei p v 4t ol p v 6 函数流程 3 7 3 8 图4 - 5n a tt r a n s l a l ci p v 6t oi p v 4 函数流程一4 0 图4 - 6p tt r a n s l a t ei p v 4p a c k e t 函数流程。 图4 7 主控模块流程 图4 8 带宽性能比较。 图4 - 9 包大小与平均延对的关系 图4 - 1 0 数据堆积百分比图 图4 1 1 传输类型与平均延时的关系 图4 - 1 2s e q u e n t i a lm a p p i n g _ s e n r c h ( a r m ) 4 ：1 4 5 4 5 4 5 5 ( ) 图4 - 1 3s e q u e n t i a lc r e a t e _ n e w _ m a p p i n g ( a r m ) 5 1 图4 - 1 4 各算法执行时间 图4 - 1 5 各算法a r m 存取指令数 图4 - 1 6 各算法的评估成绩 图b o 1s o r t e ds e q u e n c em a p p i n g _ s e a r c h ( a r m ) ， 图b o _ 2s o r t e ds e q u e n c ec r e a t e _ n e w _ m a p p i n g ( a r m ) 图b o 3b i n a r ym a p p i n g _ s e a r c h ( a r m ) 图b o - 4b i n a r yc r e a t e _ n e w _ m a p p i n g ( a r m ) 。 图b - 0 5l i n e a rh a s hm a p p i n g _ s e a r c h ( a i n d 5 3 5 4 5 5 7 0 7 1 ，7 2 匿b - o 6 l i n e a r h a s h c r e a t e _ n e w _ m a p p i n g ( a r m ) 一一7 5 图b - 0 - 7m a p p i n g _ h a s h ( a r m ) 7 5 7 6图b - 0 8c h a i nh a s hm a p p i n g _ s e a r c h ( a r m ) 图b - 0 - 9c h a i nh a s hc r e a t en e w _ m a p p i n g ( a r m ) “ 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它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 志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 期：“：f 矽y 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 鍪相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：师签名：蝗日期：“姻 基于嵌入式l i n u x 系统的n a t - p t 关的优化及功耗研究东南大学硕士毕业论文 第1 章前言 本章讨论了本研究工作的背景和当前的研究情况，对比了i p v 4 和i p v 6 的优缺 点，简单介绍了论文在第四章评估功耗性能时基于的功耗模型本章对本研究的 目标，内容进行了论述，并给出了全文的结构 1 1 研究背景 随着i n t e m e t 从政府资助到商业驱动的转变，i n t e m e t 的各静应用迅猛发展。设备数量急剧 上升，从f i r mn e t w o r kw m a r d s p j 公司周期性的预测来看( 见图1 - 1 ) ，主机和网域的数量呈指数 级增长。为了能够相互通讯，每台主机必须需要一个独特的地址标识，因此这种增长导致了 越来越多的地址被消耗。特别是随着有线和无线网络普及，随身携带以嵌入式系统为基础的 手机、个人数字助理( p d a ) ，和家中的各项电器设备都将与网络连接，因此目前i n t e r n e t 使用 的i p v 4 协议的地址不足的问题显得越来越严重，有预测表明。以目前i n t e r a c t 发展速度计算， 所有i p v 4 地址将在2 0 0 5 2 0 1 0 年间分配完毕”。 5 0 0 0 0 0 0 0 0 4 5 0 , 0 0 0 ，0 0 0 4 0 0 ，0 0 0 0 0 0 3 5 0 ，0 0 0 ，0 0 0 3 0 0 , 0 0 0 ，0 0 0 2 5 0 ，0 0 n 0 0 0 2 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 1 5 0 ，0 0 0 ，0 0 0 1 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 i n t e m e td o m a i ns u r v e yh o s tc o u n t 薹茎薹茎茎茎茎差薹薹薹薹茎 薯薯薯善善薯善善善毛薹 董 善 - 1 ，- 11 11 11 s _ ：i n t e m e ts i 脯ec o n = c e r i u m w w w i s c o - j ! 图1 1i n t e m e t 主机数的增长 为了彻底解决r p v 4 存在的问题，m t f ( i n t e m e t e n g r i n g t a s k f o r c e ) 从1 9 9 5 年开始， 着手研究开发下一代口协议i p v 6 用。i p v 6 改进了i p v 4 的许多问题，其中包括提供了多达1 2 8 位的寻址长度简化头格式及加入扩展头，支持认证加密、传送路径及服务质量( q o s ) 等。 其中特别是1 2 8 位的寻址结构解决了目前网络p 地址不足的问题【4 j 脚6 协议的优势决定了它最终将成为下一代网络的核心，l p v 4 协议必然被取代，然而， 由于技术方面的原因和非技术方面的原因，i p v 4 网络不可能在一夜之间全部过渡到i p v 6 网络， 这样就必须有一种技术来实现i p v 4 网络和i p v 6 网络的互联互通。因此，研究从i p v 4 向i p 、，6 基于嵌入式l i n u x 系统的n a t - p t 关的优化及功耗研究 东南大学硕士毕业论文 过渡技术，将具有十分重要的意义。 1 1 1i p v 4 的局限性 自1 9 8 1 年发布r f c7 9 1 “以来，当前版本的i p 协议( 即i p v 4 ) 没有发生过实质性的变化， 实践也证明，i p v 4 是健壮的，易于实现的。并且具有很好的互操作性。它也经受住了互联网 自小型发展到今天这种全球规模的考验。然而，i p v 4 在设计之初，也有一些预想不到的方面： 1 、i p 她址空问耗尽追在眉睫 虽然3 2 位的i p v 4 地址空间可以容纳4 2 9 4 9 6 7 2 9 6 个地址，相对于i p v 4 设计时的网路规模 而言，这样的地址空间是足够大了但由于将妒地址结构分为a b 和c 三类，把公共m 地 址的数目限制到了只有几百万个，结果，i p v 4 的可分配地址数就变得相对较少了。 具体来说。a 类地址可有1 2 6 个网络，每个网络可容纳1 6 0 0 万个主机节点；b 类地址可 有1 6 0 0 0 个网络，每个网络可容纳6 5 0 0 0 个主机节点；c 类地址可用作2 0 0 万左右的网络。每 个网络可容纳2 5 4 个主机节点。这种分配是不合理的，一方面被占用的a 类和b 类地址大量 空置，造成了不必要的浪费，另一方面是在互联网快速发展的国家如欧洲，日本和中国得不 到足够的p 地址。 目前，a 类地址已经用完，b 类地址也很难申请到，只有c 类地址还有余量。一些机构 不得不通过地址转换( n a t ) 把一个公共p 地址映射为多个内部i p 地址，但它造成了性能和 应用的瓶颈。 2 、i n t e r n e t 骨干路由器需要维护巨大的路由表 当前i p v 4 的路由结构有扁平和层级两种结构，根据i p v 4 网络d 的分配方式，现今i n t e g e r 上的骨干路由器的路由表中通常都有超过8 5 0 0 0 条的路由项，路由器已不堪重负。 3 、配置过于复杂 当前i p v 4 实现方案中，地址都需要手工配置，或使用有状态的地址配置协议，如动态主 机配置协议( d h c p ) 。随着越来越多的计算机和相关设备使用m 地址，需要一种更简便和 高自动化的地址配置方式，且其他配置设置能不依赖于d h c p 协议的管理。 4 、没有提供很好的安全性 在i n t e m e t 这样的公共媒体上进行专用数据通信一般都要求加密服务，以此保证数据在传 输过程中不会泄露或遭窃取。虽然目前有i p s e c 协议可以提供对i p v 4 数据包的安全保护，但 由于该协议只是个可选标准，企业使用各自私有安全解决方案的情况还是相当普遍。 5 、对实时数据传送支持不好 i p v 4 的q o s ( 服务质量) 标准，在实时通信流传输的支持上依赖于i p v 4 的服务类型字段 ( t o s ) 和使用u d p 或t c p 端口进行身份认证。但i p v 4 的t o s 字段功能有限，而同时可能 造成实时传输超时的因素又太多。此外，如果i p v 4 数据包加密的话，就无法使用t c p u d p 端口进行身份认证。 i i 2i p v 6 的优点 i p v 6 协议保留了i p v 4 的优点并在此基础上吸收了众多改进i p v 4 的建议。同i p v 4 相比 较，i p v 6 在地址容量、安全性、网络管理、移动性及服务质量等方面有明显的改进，主要表 现在以下几个方面： l 、地址空间巨大 i p v 6 的地址长度为1 2 8 位，这是长度为3 2 位的 4 地址的4 倍【4 l ，但i p v 6 的地址空间是i p v 4 的7 9 2 2 8 1 6 2 5 1 4 2 6 4 3 3 7 5 9 3 5 4 3 9 5 0 3 3 6 倍，e p 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 1 1 4 5 6 ( 或3 4 1 0 3 8 ) 个可能的地址，能够提供近乎无限的i p 地址，满足任意数量设备的上网需求，可以这 么认为，i p v 6 地址空间被耗尽的可能性几乎就不存在。 2 基于嵌入式l i n u x 系统的n a t - p t 网关的优化及功耗研究 东南大学硕士毕业论文 2 ，报头格式简单 i p v 6 报头删除ti p v 4 报头中许多不常用的字段，采用扩展报头方式实现不常用的功能。 这种方式可提高数据包处理效率，减少了中间路由器的处理时延。虽然i p v 6 地址是i p v 4 地址 的4 倍，但i 脚6 报头长度只是最d 、i p v 4 报头长度的2 倍研。 3 、高效的层次寻址及路由结构 i p v 6 采用聚类机制，定义非常灵活的层次寻址及路由结构，同一层次上的多个网络在上 层路由器中表示为一个统一的网络前缀，这样可以显著减少路由器必须维护的路由表大小。 在理想情况下，一个骨干踌由器只须维护不超过8 1 9 2 个表项，这大大降低了路由器的寻路和 存储开销。 4 、易管理，支持即插即用功能 除了有状态自动配置( ：苜d h c p v 6 服务器) ，i p v 6 还支持无状态地址自动配置( 没有d h c p v 6 服务器) 。无需任何人工干预，就可以将一个节点插a i p v 6 网络并在网络中启动，链路本地 地址可以在1 秒钟之内自动配置完成，实现了真正的“p l u ga n dp l a y ”。 s 、内置安全设旖 和在i p v 4 协议中作为可选项不同的是，i p s e c 是i p v 6 协议标准的一部分，通过i p s e c 可 以提供网络层的安全保证，解决网络层端到端数据传输的安全问题。 6 、更好地支持q o s i p v 6 基本报头中包含一个8 位的业务流类别( c l a s s ) 和一个2 0 位的流标签( f l o wl a b e l ) 。 通信流用业务流类别字段来区分其优先级，流标签字段使得路由器可以对属于一个流的数据 包进行识别和提供特殊处理。由于通信流是在i p v 6 报头中标识，所以即使数据包有效载荷已 经用i p s e c 和e s p 进行加密，仍然可以实现对q o s 的支持。 7 、用新协议处理邻节点的交互 i p v 6 的邻节点发现协议( n d ) 使用一系列i p v 6 控制信息报文( i c m p v 6 ) 来实现相邻节点 ( 同链路上的节点) 的交互管理。邻节点发现协议使用更加有效的多播和单播邻节点发现 报文替代了以往基于广播的地址解析协议a r p 、i c m p v 4 路由器发现和i l - 3 i p v 4 重定向报文。 8 、支持移动 i p v 6 在当初设计时就考虑了对移动性的支持，移动i p v 6 协议为用户提供可移动的i p 数据 服务，让用户可以在世界各地都使用同样的i p v 6 地址，并提供无缝漫游，非常适合未来的无 线上网。移动i p v 6 被认为是驱动i p v 6 普及的重要因素。 9 、可扩展性好 i p v 6 具有很强的可扩展性，新功能可以添加在邛v 6 的扩展报头中。不象i p v 4 ，报头最多只 能支持4 0 字节的的可选项，i p v 6 扩展报头的大小仅受到整个i p v 6 报文最大字节数的限制。 1 1 3i p v 4 向i p v 6 的过渡 若要建立i p v 6 网络，首先要处理现有1 1 h , 4 网络和未来i p v 6 网络之间的关系，从而最终 实现i p v 4 向i p v 6 的平滑过渡。可以这么说，能否成功解决好i p v 4 i p v 6 的过渡问题，是i p v 6 网络在未来能否成功的关键。 从i p v 4 到i p v 6 的过渡是分阶段的。在过渡的初期，许多分离的1 p v 6 孤岛处于1 p v 4 海洋 之中，在此阶段主要是使l p v 4 海洋中的i p v 6 孤岛可以相互通信。在过渡的后期，i p v 6 网络的 规模逐渐赶上并超过i p v 4 网络，则此阶段主要是使i p v 4 网络和i p v 6 网络可以互通。初期的 主要过渡技术是i p v 4 i p v 6t u n n e l 技术，而后期则主要是n a t - p t p , 3 】等技术。 i p v 6 两络和i p v 4 网络是两个独立的逻辑两络，如果主机不支持双栈，那么就必然存在纯 i p v 4 和纯口v 6 节点之间的互通闯题，这也是过渡时期必须面对的主要f 习题之一。目前，这个 问题的主要解决方案是协议转换( n a t - p t ) ，但它在转换效率方面存在一定的问题。本论文将 就这个问题展开研究。 3 基于嵌入式l i n u x 系统的n a t - p t 网关的优化及功耗研究东南大学硕士毕业论文 1 2 1 过渡技术研究 1 2 研究及现状 对于网络过渡方式，一种普遍的认识是首先建立纯i p v 6 的局域网，使其成为i p v 4 网络中 的i p v 6 孤岛，随着i p v 6 孤岛范围的扩大和数量的增加，逐渐完成i p v 4 网络向i p v 6 网络的过 渡，最终i p v 4 网络只在小范围内存在，成为i p v 6 海洋中的孤岛。 在i p v 4 向i p v 6 过渡的过程中，必须解决两个问题：被i p v 4 网络分隔的i p v 6 网络间的通 讯和i p v 4 网络与i p v 6 网络间的通讯。为解决这两个问题，当前发展出了多种过渡技术，解决 前一问题的技术主要有隧道技术和t u n n e lb r o k e r ，6 0 v e r 4 、6 t 0 4 等派生技术。对后一问题的解 决也提出了多种技术，如s o c k s 6 4 、n a t - p t 等。各种过渡技术从实现途径上主要可分为双 协议栈、应用级转发、网络层转换等方法。 就目前而言，没有一种技术是完善的，各种技术都是只针对i p v 4 向i p v 6 过渡的过程中的 某一方面应用提出了一种可行的办法。同时，各种技术都在传输效率、可靠性、安全性、健 壮性等方面存在着各种缺陷。国内外，在过渡技术的研究上进行了大量的工作，东南大学作 为华东北地区网络的重要枢纽，其网络技术重点实验室集合了多位专家学者。对i p v 6 技术和 应用，以及网络过渡技术都进行了非常深入的研究p ”。 现阶段的i p v 6 产品开发的特点是以软件为主，注重兼容i p v 4 。n a t - p t 技术作为i p v 4 向 i p v 6 过渡的一个重要技术，是研究的重点和热点。 1 2 2n a t p t 研究 n a t - p t 主要解决过渡后期纯i p v 6 节点和i p v 4 节点间的互通问题。n a t p t 包括地址转换 和协议转换，所有这些工作都由网关设备来完成。它部署在i p v 6 网络边缘设备上，通过报文 转换连接2 种不同的网络。采用n a t - p t 方式进行过渡的优点是不需要进行i p v 4 节点的升级 改造。 目前n a ：r 1 y r 在p c 上已部份实现，如m i c r o s o f t 、c i s c o 、b t 、k a m e 等公司相继在w i n d o w s 、 f r e e b s d 、l i n u x 等平台上开发了n a t - p t 的实现程序，但还存在不少问题，最大的问题是转 换效率问题。当将n a t 4 叮实现方案移植到嵌入式设备，则功耗和性能将是头等问题。 为了提高转换效率和性能问题，提出了使用嵌入式芯片来实现n a t - p t ，并对实现算法作 大量的优化。目前已有利用n p l c t g j ，v i t e s s e i q 2 0 0 0 i l w ，i x p 2 4 0 0 f i t 等网络处理器来实现n a t - p t 的方案，多家网络制造商也在研究，并在其网络产品中集成了n a t - p t 技术。、 1 2 3 功耗研究 在嵌入式系统的设计中，低功耗设计( l o w - p o w e rd e s i g n ) 是必须面对的问题。其原因在于 嵌入式系统教广泛应用于便携式和移动性较强的产品中，而这些产品不是一直都有充足的电 源供应，往往靠电池来供电，所以应从每一个细节来考虑降低功率消耗，尽可能地延长电池 的待机时间。第二个原因是功耗与设备的发热量成正比，高发热量将影响设备的稳定性。事 实上，从全局来考虑低功耗设计已经成为了一个越来越迫切的问题。因此嵌入式系统的功耗 研究近年来相当盛行“+ 。 过去几年的研究主要针对硬件部分，而现在人们则更注重通过优化软件部分来降低系统 功耗。要想对软件进行优化。必须了解每条指令所产生的功耗，并选择正确的编译方法，以 降低程序执行的功耗”。 4 基于嵌入式l i n u x 系统的n a t - p t 网关的优化及功耗研究东南大学硕士毕业论文 不少专家从c a c h e 角度提出了嵌入式系统的功耗模型【1 7 】，k a m b l e 和g h o s e 模型1 1g j 结合了 存储器通信量和处理特征，h i c k s ，w a l n o c k 和o w e n s i 川认为功耗是由于缓存失效引起的，s h i u e 和c h a k r a b a n i l l 2 1 修正了他们的模型，得出的功耗模型为：e n e r g y = h i t +rote*energyhit m i s s _ r a t e 。e n e r g y _ m i s s 在这里e n c r 科b i t 是主芯片里的能量和单元阵列里的能量之和，e n e r g y _ m i s s ；是e n e r g y _ h i t 和在主存储器内访问数据需要的能量之和，m i s sr a t e = 1 - h i tr a t e 。因为读操作支配了处 理器缓存的存取操作，因此在研究中只需考虑读操作能量( 读命中和读失效) 。其它研究也指出 内存数据存取占系统电源消耗量的大部份【1 9 1 。 1 3 1 研究目标 1 3 论文研究目标和内容 对于高性能网络产品，通信速率和稳定性是两个重要的衡量指标，n a t - p t 网关产品也不 例外。我们的研究目标是提出n a t - p t 的优化方案，来改善网关的转换速度和网关的稳定性。 为了提高转换速度，必须找出系统中造成转换效率低下的关键地方，我们将利用通用的 p r o f i l i n g 技术，来分析系统中各函数在执行时的平均花费时间。 根据功耗模型，在不增加c a c h el i n e 大小和数量的情况下，我们认为功耗的产生主要在于 对存储器的读写，所以要降低基于嵌入式系统的功耗，可以从减少存储器的存取指令数量着 手，因此本文在分析评估n a t - p t 功耗性能时，就是计算算法中存储器存取指令的数量。 速度和功耗指标，大部分时候不一定统一，速度优的算法也许是功耗高的算法，我们在 提出优化方案后，将对各方案进行评估，找到在速度和功耗两者间折衷的方案，试图在改良 和优化实现性能的基础上再降低n a t - p t 网关的功耗，从而提高设备的稳定性。 1 3 2 研究内容 本论文的主要内容是研究i p v 4 和i p v 6 互联互通问题的一种方式n a t - p t 网关的实现和性 能优化。研究以i e t f 的标准r f c 2 7 6 6 ”j 和r f c 2 7 6 5 嗍为蓝本，探索n a t - p t 冈关的工作原理 和机制，对k a m en a t - p t 系统进行深入的分析，得出整个系统各函数的相互调用关系，为 系统优化做好准备。在l i n u x 系统上实现n a t - p t 功能后，对其性能展开全面的测试分析，找 到影响系统性能的瓶颈，提出系统优化方案，并对各方案进行评估。 本论文在论述网关工作原理和实现方法的基础上，重点叙述系统的整体架构以及性能表 现。在使用p r o f i l i n g 技术找到影响系统性能的瓶颈的基础上，重点对各优化方案的速度和功 耗进行分析研究。 具体研究工作和目标如下： 深入研究n a t - p t 的工作原理，包括地址转换，协议转换，以及应用层网关。对k a m e 提供的n a t - p t 系统进行详细的分析，包括系统整体结构和各模块的结构，得到系统 中所有函数的调用关系图，和各重要函数的p a d 图，为进一步研究提供依据。 实现n a t - p