（通信与信息系统专业论文）ipv6无状态地址自动配置在umts中的仿真.pdf

摘要 随着移动通信技术的不断演进，数据业务广泛的应用到无限移动网络中， 用户对于在任何地点，任何时间随时的进行通信的要求会越来越强。当前的 无限移动臃络虽然能够满足这种要求，但是技术上还是有很多问题限制了这 种趋势的发展。一个突出的问题就是每个移动节点暴露在互联网上的“唯一 标识符”i p 地址资源非常有限，不可能为每个移动节点分配全网络唯的地 址。同时随着互连网本身的演进，i p v 6 作为解决这个问题的最佳方案，越来 越成熟的应用到互联网络和无限移动网络中。本文i p v 6 与i p v 4 的区别和优 点，并介绍了第三代无线移动通信系统中，由3 g p p 组织提出的u t m s 网络 结构。着重分析了在其核心网络中，如何仿真网关节点和如何通过无状态方 式和状态方式为移动节点分配v 6 地址。 本文第二章介绍了i p v 4 地址存在的问题和采用i p v 6 地址结构的优点。 第三章介绍了由3 g p p 提出的第三代移动网络标准u m t s ，并对核心网络中 采用的p d p 上下文协议做了个介绍。第四章对如何将i p v 6 应用到u m t s 系 统中，做出分析，并着从理论上重分析了如何分配状态和无状态地址分配的 方式。详细介绍如何仿真核心网络中的g g s n 网关和i p v 6 无状态地址分配。 第五章介绍并分析了试验结果，第六章给出结论。 关键词：无状态地址分配、网关仿真、i p v 6 i i i - a b s t r a c t w i t ht h ei n c e s s a n te v a l u a t i o ni nt e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ei ps e r v i c e a l r e a d yh a saw i d ea p p l i c a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h er e q u i r e m e n to f c u s t o m e rt oc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e ri na n yt i m ea n da n yp l a c eb e c o m em o r e a n dm o r es t r o n g e r c u r r e n t l y , a l t h o u g ht h eb a s i cr e q u i r e m e n to ft h i sp u r p o s ec a nb e a c h i e v e d ，h o w e v e gt h e r ea r es o m eb l o c k si nt e c h n o l o g yl i m i tt h ed e v e l o p i n go ft h i s t r e n d t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mi sl a c ko ft h e “u n i a d d r e s s f o re a c hm o b i l e ：i p a d d r e s s w i t ht h i sr e a s o n ，i ti si m p o s s i b l et oa s s i g ni p v 4a d d r e s sf o re a c hm o b i l ei n i n t e r n e t a tt h es a m et i m e ，f o r t u n a t e l y , w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p i n go fi n t e r n e t ， i p v 6b e c o m et h eb e s tw a yf o rt h i sp r o b l e ma n d ，a c t u a l l y , i ta l r e a d yh a sg o o d a p p l i c a t i o ni nt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sp a p e rm a k eac o m p a r i s o nb e t w e e n t h ei p v 4a n di p v 6 ，a n dg i v et h ei n t r o d u c t i o nt h eu t m sc o n c e p to ft h i r d g e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o nw h i c hi sp r o p o s e db y3 g p p , m e a n w h i l e ，a n a l y z i n g h o wt oe m u l a t et h eg g s nn o d ea n dh o wt oa s s i g nt h ei p v 6a d d r e s si nc o r e n e t w o r kw i t ht h es t a t e l e s sm o d e c h a p t e r1 ，2 d i s c u s s e st h el i m i t a t i o no fi p v 4a n dt h ea d v a n t a g eo ft h e i p v 6 c h a p t e r4i n t r o d u c e st h eu t m sp r o p o s e db y3 g p pa n da l s oi n t r o d u c e st h e p d pc o n t e x t su s i n gi nc o r en e t w o r k c h a p t e r3i n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no fi p v 6 i nu t m sn e t w o r k , a n dh o wt oa s s i g ni p v 6a d d r e s si ns t a t e l e s sa n ds t a t em o d e f r o mt h eb e g i n n i n go fc h a p t e r4 ，t h i sp a p e rd e s c r i b e sh o wt oi m p l e m e n tt h e g g s ng a t e w a ya n di p v 6s t a t e l e s sa s s i g n m e n ti nd e t a i l c h a p t e r5 ，6g i v e st h e r e s u l t so ft h et e s t i n ga n dg i v et h el a s tc o n c l u s i o no fw h o l e p a p e r k e yw o r d ：s t a t e l e s sa d d r e s sa s s i g n m e n t ，g a t e w a ye m u l a t o r , i p v 6 i v 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及取得 的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得电子科技大学或 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 所做的任何贡献己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 鸳拯蝗 日期：2 0 0 5 年月| o 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权电子科技大学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，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：丛：选导师签名：至么塾塑 日期：2 0 0 5 年6 月f 。臼 缩略词 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) ：全球移动通信系统 c n ( c o r e n e t w o r k ) ：核心网 p s ( p a c k e ts w i t c h e dd o m a i n ) ：包交换域 s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t n o d e ) ：服务g p r s 支持节点 g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 网关g p r s 支持节点 u t r a n ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) ：u m t s 陆地无线接入网 g t p ( g p r s t u n n e l l i n gp r o t o c 0 1 ) ：g p r s 隧道协议 p d p ( p a c k e td a t a p r o t o c a l ) ：包数据协议 p d pc o n t e ) ( t ：p d p 上下文 p d u ( p r o t o c a ld a t au n i t ) ：协议数据单元 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 a l ) ：传输控制协议 u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c a l ) ：用户数据协议 t e i d ( t u n n e le n d p o i n ti d e n t i f i e r ) ：隧道端点标识符 x 。 i p v 6 无状态地址自动配置在u m t s 中的仿真 第一章引言 根据c n n i c 的统计，截至2 0 0 4 年6 月3 0 日，我国的上网用户总数已 经达到8 7 0 0 万，与2 0 0 3 年的调查结果相比增加了7 5 0 万户，增长率为9 4 ， 可以看出，在今天这样一个信息社会，对数据的需求日益强烈，而且数据通 信量越来越大，同时对数据通信的便利性提出了新需求，要求可以在任何时 间、任何地点获得任何所需的数据，这样就自然而然地提出了数据终端的移 动性要求。为了使数据终端能够在移动的过程中进行通信，移动ip 技术应 运而生。从cn nic 近十次的调查数据来看，在使用计算机上网的同时使 用移动终端、信息家电等设备上网的用户在逐渐增多，己从2000 年1 月 调查的2o 万户增加到现在的260 万户；与半年前相比增加了46 万户， 增长率为21 5 ；与20 03 年同期相比增加了80 万人，增长率为4 4 4 。由此可以看出，移动数据用户的增长速度要远远高于普通数据用 户的增长速度。 1 1i p v 6 与移动通信系统 对移动数据的强烈需求促使了第三代移动通信( 3 g ) 的发展，与现有的 移动通信相比，3 g 网络在核心网上全面采用了i p v 6 包交换及控制技术，具 有通信容量更大，数据传输率更高和全球漫游等特点，能够提供许多全新的 服务，包括网上购物，位置查询，银行业务，电子新闻的等互联网服务，视 像消息、电视新闻、电视会议、可视电话等无线视像服务，以及同时传输多 媒体服务等。国际上现有三种3g 标准：w c d m a 、cd ma2000 和 td scd m a ，其中t d - - s c d m a 时我国具有独立知识产权的行业标 准。 i p v 6 作为新一代互联网协议，在其制定时，结合现有互联网的经验教训， 在各个方面都更加适合网络的发展需求，i p v 6 与移动通信的结合将为目前的 互联网开拓一个全新的领域，下一代移动互联网将成为i p v 6 最具发展潜力的 应用领域。 2 0 0 0 年发布的3 g p p p 规范中，i p v 6 成了移动网的第三代标准，在该标准 中，i p v 6 将被应用于无线口多媒体子系统中，这个子系统包括将语音和数 1 i p v 6 无状态地址自动配置在u m t s 中的仿真 据拆分后送到网络中的路由器及服务器。这意味着新的i p v 6 设备能对手持设 备分配i p v 6 地址。 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 统一移动通信系 统在其第5 版规范中，要求在i p 多媒体部分使用专用的i p v 6 ，在对l t v 6 进 行了多年的早期测试并对其实施了某些应用之后，由i p v 4 转向i p v 6 获得了 巨大的动力。i p v 6 将把人们带回到一个端到端的全球寻址的基础设施，消除 了破坏这种性能的应用网关和n a t 。 1 2 本课题的目的 在i p v 6 各种特点中，最引人注目的还是其庞大的地址空间，可以为每个 移动用户配置：p v 6 地址，在配置方式上，分为有状态地址分配和无状态地址 分配。有状态地址分配需要d h c p ( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) 来 分配i p v 6 地址，无状态地址方式则不需要除g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t n o d e ) 外的实体参与地址配置过程。本文将探讨的时如何在u m t s 系统中实 现其地址自动配置方式中的无状态地址自动配置，这是i p v 6 利于提高系统性 能的一个特点，即在无需人为干预，主机即可获得连接互联网所需的全部信 息，这个特点除便于实现即插即用功能外，在主机漫游时，还可以直接从访 问网络( v p i m n ) 的路由器获得地址配置信息，从而节约切换时间。 本课题的目的是为了实现地址分配在u m t s 系统的仿真，因此需要一个 u m t s 系统核心网p s 域的模拟环境，在本课题中，基于一套开源的仿真 u m t s 中核心网络网关节点的软件：o p e n g g s n ，搭建了一个仿真平台，在 该平台的基础上实现i p v 6 无状态地址自动仿真，并对仿真结果进行总结。本 论文的主要结构如下： 第一章：结合当前互联网的发展趋势，介绍了该课题的实用价值和理论 意义，阐述课题的目的和实现方式。 第二章：简单介绍i p v 4 不再适合互联网发展的原因，和i p v 6 协议适合 于在无线移动通信系统中应用的特点。 第三章分析u m t s 系统结构特点，重点介绍i p 技术在u m t s 中的应用， 核心网络中地址分配的方式做出理论上的描述。 i p v 6 无状态地址自动配置在u m t s 中的仿真 第四章：分析介绍了本课题使用到的几个丌源软件包，并详细介绍了网 关仿真软件的系统结构和关键数据流程，在此基础上，讲述了无状态地址分 配的设计原理和实现步骤。 第五章：说明试验的环境和要求，测试仿真功能的步骤，并对仿真结果 进行分析描述，并得出结论。 第六章：对论文所研究的工作的总结。 i p v 6 无状态地址自动配置在i i m t s 中的仿真 第二章i p v 6 简介1 】 2 1i p v 4 构成的国际互联网 i p v 4 作为一种第三层的网络技术，自诞生以来就有巨大的优越性：简单、 灵活、开放和标准化。正因为i p v 4 协议的开放性和标准化，实现了对各种下 层网络协议的良好支持，i po v e re t h e r n e t 、。i po v e r a t m 、i po v e rs d h 、i po v e r o p t i c a l i po v e re v r y t h i n g 正在成为现实，各种传统的电信网络，包括正在 高速发展的光传送网都可以作为i n t e m e t 的承载网，并和i p 技术紧密集成， 这为i n t e m e t 的高速发展奠定了基础。 另一方面，各种高层的应用及业务都可以基于i p 技术来实现【4 1 ，v o i c e o v e r i p 、s t o r a g e o v e r i p 等已经成为i n t e r n e t 上的重要应用，各种基于i p v 4 技术的数据业务层出不穷。目前，互联网的用户规模以每年翻番的速度增长， 网上的内容越来越丰富，服务种类也越来越多。可以说，互联网真正让人类 享受到信息社会的便利，创造了信息社会的繁荣。互联网取得了巨大的成功， 而这很大程度上归功于其核心通信协议：i p v 4 的高度可伸缩性。i p v 4 的设计 思想成功地造就了目前的国际互联网，并容纳了过去十多年来网络规模和业 务量的几何级数增长。 2 2i p v 4 的局限性 i p v 4 产生于1 9 7 4 年，最早用于科学研究和教育领域，方便技术人员之间 实现文件共享和一些简单的通信功能，因而i p v 4 协议并没有考虑作为电信级 网络支撑协议所必须具备的一些特性，存在着设计缺陷。当前，基于i n t e m e t 的各种应用正在如火如荼地迅猛发展着，使得互联网呈现出新的特征，i p v 4 已经难以支持互联网的进一步扩张和新业务的特性，比如实时应用和服务质量 保证等，口v 4 已经处于一种尴尬的境地，面临严重的挑战。 2 3i p v 6 相对i p v 4 发生的变化 i p v 6 继承了i p v 4 的端到端的基本思想和简单、高效、开放的特点，其 设计目标就是要解决i p v 4 存在的问题，并取代i p v 4 成为下一代互联网的主 4 i p v 6 无状态地址自动配置在l m t s 中的仿真 导协议。为实现这一目标，i p v 6 具有以下特征 2 3 1i p v 6 支持移动无线网络 对于无线网络来说，支持移动性非常重要，要求连接在上面的终端设备 可以任何时候以任何速度自由的移动，对于i p v 4 来说，支持移动性比较有难 度，但是通过增加一些设备可以解决。 然而i p v 6 在设计时就考虑到移动的问题，所以具有内建的支持移动性的 特点。i p v 6 内建的安全性i p s e c 是i p v 6 的特性之一，而不象在i p v 4 中这是 附加功能，在无线网络中安全性无疑是考虑得最多的因素，因为通过电磁波 广播出去的信息比起通过有线传播的信息跟容易被截取，另外由于移动终端 在不同的网络覆盖范围之间移动，这种情况使得需要一种机制来保证移动终 端不会相信虚假的消息，i p v 6 提供的认证方式比i p v 4 的更有效全面。 由于在以往的m o b i l ei i p v 4 中出现的三角路由问题，新的| m o b i l ei p v 6 继承了自动配置的优点，可以让移动节点有即插即用的效果。移动终端可以 具备多个l p 地址，在无线环境下切换时可以配合“软切换”来提高连接的可 靠性。取消了外地代理，防止出现三角路由，并且降低家乡代理的负载，使 通信对端( c o r r e s p o n dn o d e ) 可以直接与漫游的移动节点( m o b i l en o d e ) 通信【4 】。 2 3 2 扩展了的地址空间 增加地址空间是i p v 6 的主要目由于害怕i n t e r n e t 的迅速发展而使p 地址资源耗尽。 另外，越来越多的无线用户需要口地址的事实也加剧了这个问题，虽然 有暂时的解决办法，如n a t ( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n ) 可以延长i p v 4 的寿命， 但是这种解决方案违背了e n d e n d 的原则，当面临更为复杂的网络应用时就 显示出其局限性了，i 】i p v 6 设计了。1 2 8 位的地址，更适合于构造层次结构复杂 网络。 2 _ 3 3 改进了的头部结构 i p v 6 的头部比起i p v 4 来有了许多重大的改进，i p v 4 的头部里，一些域被取 消一些被作为可选项，以降低包交换时的处理开销，使得即便是在地址容量扩 5 i p v 6 无状态地址自动配置在u m t s 中的仿真 大了的情况下，处理i p v 6 包头部的时候也不会有太大的开销。每个扩展头部实 现的功能各不同，可以选择使用。 扩展头部的实现的功能包括了选路和安全认证。由于能保证在移动设备漫 游期间安全地收发更新消息等，这是非常适合在移动网里使用的特性。一个i p v6 包可以有多个扩展头，但是，只有一种情况允许同一类型的扩展头在一个 包中多次出现，而且各扩展头在链接时有一个首选顺序。 2 - 3 4 扩展了的地址层次 与i p v 4 的三层网络地址结构不同，i p v 6 提供了更多层次的网络地址结构。 这种结构具有拓扑性，有助于路由集聚，从而提高路由的效率，采用多层次遗 质结构使得即便在大量主机需要路由的情况下，也可以控制路由表的增长。因 此i p v 6 的地址空间可以根据需要灵活划分层次。多层次的地址结构有助于微移 动性的实现。 2 3 5 对任播( a n y c a s t ) 的支持 除了支持单播和多播地址，i p v 6 还定义了新的“任播”地址，通过任播 地址使得个源节点可以访问一组节点中的某一个，在路由器衡量了距离以 后，具有这样地址的分组可以被发送到符合条件的最近的接口上。任播地址 在移动网中很有用，列如，一个漫游到外地网络的移动节点利用任播地址能 很快的找到外地网的服务器( 如s e r v e r s 、d n s 等) 2 3 6 地址自动配置和地址更改 除了状态的地址自动配置，i p v 6 还提供了无状态地址自动配置，无状态自 动配置允许主机在没有d h c p 服务器的情况下获得地址，在无状态地址自动配 置中，只需要通过正确配置了地址前缀的路由器即可生成全球唯一地址 ( g l o b a l a d d r e s s ) ，而无需在链路上配置专门的服务器，即使在没有路由器分 配前缀的情况下主机也可以获得本地链路地址( l o c a l l i n k a d d r e s s ) 来和本链 路上的其他主机通信。 另外，i p v 6 还定义了“网络重编号( r e n u m b e r ) ”，是指通过使用新i s p 提 供的路由前缀重新配置路由器，将整个网络移植给新的i s p 的过程。 i p v 6 无状态地址自动配置在u m t s 中的仿真 2 3 7 流标签提供的服务质量 在i p v 4 中，同一个业务流的前后两个数据包可能通过不同的路径到达目 的地址，对每一个包的独立处理，会增加处理时间，对于视频广播或点播来 说，延时的增加和不确定性会造成业务质量的严重下降。 i p v 6 中的业务流类型字段( t r a f f i cc l a s s ) 和流标签( f l o wl a b e l ) 用于处 理q o s ，流是特定源和目的地间的报文序列，源节点要求中间路由器对这些 报文进行特殊处理。一般来说，路由器收到流中报文后，根据流标识符查找 路由器中保存的流上下文，对流中的报文进行同样的处理，加快了报文处理 速度。i p 头的格式里，有专门的2 0 b i t 流标签域。主机发送报文时，如果需 要把报文放到流中传输，只需在流标签里填入相应的流编号。否则在流标签 里填零就作为一般的报文处理。路由器收到流的第一个报文时，以流编号为 索引建立处理上下文，流中的后续报文都按上下文处理。 流标签字段的应用提供的不同等级的q o s ，特别是在移动网络中的多媒 体服务中，针对多媒体服务的带宽要求高服务时间长的特点，移动主机可以 在需要中间路由器进行处理的分组上使用流标签。 2 3 8 网络安全性 现有的安全机制是建立在i p 层之上一些应用程序，一旦这些程序失灵， 整个网络就会暴露无遗，所以迫切需要一种新型安全性模式，将安全性范围 延伸到具体设备，从而实现真正的“端到端”安全性，建立在i p 层上的安全 机制将提供网络的安全性。l p 层的安全机靠4 包括两个基本组件：认证和加密。 这些都是i p v 6 协议的集成组件；而在i p v 4 中，他们只是附加组件。因此， 采用i p v 6 ，安全性会更加简便、一致。通过认证可以判断发出报文的原节点 是否合法，和报文在传输途中是否被修改，而通过加密可以使通信节点加密 数据防止第三方窃听。 由于i p v 6 相对于i p v 4 提供了如此多优点，在移动通信领域内，如何将 这些优点利用起来成为各方研究的一个重要课题。本文将对如何在u m t s 核 心网络中进行地址分配作出详细描述，并利用软件仿真其结果。 i p v 6 无状态地址自动配置在u 盯s 中的仿真 第三章i p 与u m t s 参考模型 3 g 的标准化工作实际上是由3 g p p ( 3 t hg e n e r a t i o np a r t n e rp r o j e c t ，第 三代伙伴关系计划) 和3 g p p 2 两个标准化组织来推动和实施的吐3 g 的标 准化组织规定了在3 g 网络中采用i p 、，6 作为用户网络层协议，i p v 6 本身的特 点和优势有助于解决3 g 无线网络的最终目标一一构造“全i p ”网络。 t d s c d m a 和w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 确定为第三代移动通信系统最终的三 种技术体制。 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 3 1 作为国际标准化 组织3 g p p 制定的3 g 标准之一，是采用w c d m a 空中接口技术的第三代移 动通信系统，通常也把u m t s 系统称为w c d m a 通信系统。他的主体包括 了w c d m a 接入网络和分组化通信网络等一系列技术规范和接口协议。为了 既保护现有网络投资，又可灵活应用最先进的技术创新，3 g 标准的指导思 想是网元可分别独立演进，网络要实现平滑过渡。其总体目标是最终实现全 i p 化的全球宽带移动通信网络。3 g p p 的u m t s 有四个版本r 9 9 、r 4 、r 5 、 r 6 体现了从2 g 到3 g 的逐步演进方案。 3 1u m t s 系统网络结构 u m t s 系统由c n ( 核心网) 、u t l m q ( 无线接入网) 和u e ( 用户装置) 三部分组成。u m t s 系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构，包括无 线接入网络( r a d i o a c c e s s n e t w o r k ，m 埘) 和核心网络( c o r e n e t w o r k ， c n ) 。其中无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，而c n 处理u m t s 系统内所有的话音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。 c n 从逻辑上分为电路交换域( c i r c u i ts w i t c hd o m a i n ，c s ) 和分组交换域 ( p a c k e ts w i t c h e dd o m a i n ，p s )u 删、c n 与用户设备( u s e r 。e q u i p m e n t ，u e ) 一起构成了整个u m t s 系统。 下图中所示是u m t s 系统的网络单元构成示意图，虽然个版本略有不 同，但基本的网元不变： i p v 6 无状态地址自动配置在u f l t s 中的仿真 u e u u 图3 - 1u m t s 网络单元构成示意图 3 2 i p 与u m t s 参考模型 3 2 1i p 在u m t s 中的应用 i p 在u m t s 模型中有两种应用，一种是将i p 作为移动终端用户与外 部互联网络应用服务器间的数据承载体，称之为用户平面的应用，如图3 2 上面双向箭头所示；另外就是将i p v 6 作为u t r a n 和c n 网络的数据 传送协议，用于在这两个网络中传送所承载的上层数据，称之为传送平面 的应用，如图3 2 中下面的双向箭头所示。 图3 2l p v 6 在u n i t s 模型中的应用 值得注意的是，用户平面和传送平面的i p 应用是完全独立的，它们是没 9 j | 习主| | 罱 i p v 6 无状态地址自动配置在t l m t s 中的仿真 有关联的，用户平面可以采用i p v 4 或i p v 6 ，传送层面也可以选择i p v 4 或i p v 6 协议。在u t r a n 网和c n 网络间，也可以选择不同版本的i p 协议，通过网 关进行协议转换。 j 3 2 2u m t s 中p s 域协议模型 u m t s 网络的p s 域中的协议栈基本结构如下图所示，在3 g p p 网络中， i p 被用于两个目的：一是移动设备之间和移动设各与服务器之间的终端通信， 另一个就是网络设备间的通信。“用户层i p s e m e v e l 口) ”指的是前者，而后 者用叶鲁输层i p ( t r a n s p o r t 1 e v e l 口) ”表示。 u m t s 骨干网( i n c a p l m n ) 连接着g s n 节点( s g s n 和g g s n ) 和服 务器。g n 接口是同一p l m n 网的不同g s n 节点间的接口。而g p 接口是不同 p l m n 网间的接口。这两个接口都支持g p r s 隧道协议( g t p ) ，s g s n 和 u t r a n ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 之间的i u p s 接口也支 持用户层面的g t p ( g t p u ) 。g t p 协议使得数据包可以通过隧道在u m t s 网 中传输。 g n 、g p 接口的协议栈结构基本相同。用户层的口协议运行在终端，移 动设备( m s ) ，服务器及其他固定或移动设备之间。终端是指属于i n t e m e t 或 i n t r a n e t f v p n 用户) 的i p 主机。同时，i p 协议也工作在传输层上用于传输核心 网( c n ) 设备( 如g g s n ，s g s n 节点) 间的流量和信令。用于g s n 节点间的 通信时，传输层i p 承载基于g t p 的流量和信令。网络节点的口地址和终端 的p 地址相似，但只有后者能被终端主机识别。 1 0 i p v 6 无状态地址自动配置在u m t s 中的仿真 图3 3 ：u m t s 系统协议栈基本结构 蓝色的标识用户平面上承载用户数据的i p 层，是用来在m s 和应用之间 传送u d p 或t c p 的网络层，另外在p l m n 中，红色的标识传送平面上用于 传送用户数据的i p 层，是在骨干网网元之间传送u d p 数据的。本课题就是仿 真在用户平面的i p v 6 无状态地址分配过程，而在传送层，我们仍然使用i p v 4 协议。 在用户平面和传送层间，u t m s 使用g t p 隧道协议来进行封装，和其它 的隧道协议一样，g t p 隧道协议用以将用户平面的上层用户数据封装到传送 平面的传送协议上，但是，g t p 隧道协议不单是个隧道协议，它同时是个信 令协议，它支持c n 网络中的一些重要的信令操作，如p d p 上下文的激活， 去激活等，并用于c n 网络的p s 域里面的移动管理。同时，由于采用了g t p 隧道协议，而不是数据网中的其它隧道协议如( i r e 、i p i n i p 协议，使得 c n 网络能够独立于其传送网络独自演进。 在协议模型中，s g s n 和g g s n 问的接口成为g n 接口，g g s n 和外部 数据网络间的接口成为g i 接口，我本课题仿真环境下，由于需涉及对g t p 信令的操作来仿真刨建p d p 上下文来进行无状态地址分配，所以下面将详细 1 1 i p v 6 无状态地址自动配置在1 n t s 中的仿真 讨论g t p 隧道协议。 3 2 2 1g t p 隧道协议模型 g t p 隧道分为用于传输用户数据的g t p u 型隧道和用于传输控制和管 理信令的g t p c 型隧道，对于每个p d p 上下文，在s g s n 和g g s n 之间都 有自己的g t p - u 型隧道，而相同p d p 地址和a p n 的p d p 上下文使用同一 条g t p 隧道。每个g s n 节点中的g t p 隧道由t e i d 、i p 地址和u d p 端口号 来唯一标识。 s g s n g n g t p u u d p l p l a y e r 2 l a y e r l g g s n 用户层g n 接口协议栈 g t p c u d p l p l a y e r 2 k a y e r l s g s n g t p - c u d p l p l a y e r 2 l a y e r l g g s n 控制层g n 接口协议栈 图3 4 ：u m t s 系统g n 接口协议栈 g t p c 型隧道和g t p u 型隧道根据g t p 协议设置，g t p 协议包括两种 不同的消息过程，其中用于控制层面( c o n t r o lp l a n e ) 的称为g t p - c 。用来管 1 2 i p v 6 无状态地址自动配置在删t s 中的仿真 理g t p u 隧道( 如建立、修改、释放) ，p d p 上下文，位置管理和移动性管 理。另一种用于用户层面，称为g t p u ，是运行在用户数据报协议因特网协 议( u d p i p ) 之上的一个简单隧道协议，用来在同一个u m t s 骨干网之内或不 同的u m t s 骨干网之间为r n c 、s g s n 和g g s n 之间的包提供路由。g t pu 隧道在隧道两端以隧道端点标识符( t e i d ) 来标识，关于g t p 的详细报文 格式，请参见参考文献 1 0 1 。 3 2 2 2g t p 中的基本信令 g t p 协议的详细定义在3 g p p t s2 9 0 6 0 中说明。其中的几个为了实现基 本功能的控制信令是： e c h o r e q u e s t ：该信令可以由s g s n 或者g g s n 发出，用于发现对端节 点( g g s n 或者s g s n ) 是否处处于工作状态。 c r e a t ep d pc o n t e x tr e q u e s t ：该信令由s g s n 发送给g g s n ，也可以由 g g s n 发送给s g s n ，作为p d pc o n t e x t a c t i v a t i o n 过程中的一部分，其 中包含了建立p d p 上下文所需要的信息。 u p d a t ep d p c o n t e x tr e q u e s t ：该信令由s g s n 发送给g g s n ，也可以由 g g s n 发送给s g s n ，用于更新先前根据c r e a t ep d pc o n t e x tr e q u e s t 中 信息在p d p 上下文中设置的相应信息。以便实现对已建立的连接进行管 理。 d e l e t ep d pc o n t e x tr e q u e s t ：该信令由s g s n 发往g g s n ，也可以由 g g s n 发送给s g s n ，作为p d pc o n t e x td e t a c h e d 过程的一部分，包 含需要被拆卸的连接的信息，用于去激活( d e a c t i v a t e ) 一个已经激活 的p d p 上下文。 3 3i p 地址分配和数据在c n 网络中的传送 m 数据在c n 网络中的传送包括两层含义，一层是指在用户平面上，移 动节点如何通过p d p 上下文的方式，获取p d p 地址，以便和外部网络进行 通信，二是指在传送层面上，c n 网络如何采用g t p 隧道协议，在外部网络 和移动节点间传送用户数据。下面章节将首先介绍c n 网络，然后再分别从 用户层面和传送层面介绍c n 网中的两个重要协议p d p 上下文及口地址分 1 3 i p v 6 无状态地址自动配置在u m t s 中的仿真 配和g t p 隧道协议。 3 ：3 1 核心网( c n ) 介绍 c n ，即核心网络，负责与其他网络的连接和对u e 的通信和管理。在 w c m d a 系统中，不同协议版本的核心网设备有所区别。从总体上来说，r 9 9 核心网的c s 域指g s m 的核心网，p s 域指g p r s 的支持节点。c s 域处理传 统的电路交换业务，每次通信需占用占用的一些资源建立专用的一条链路，如 语音业务；p s 域处理分组交换业务，不需要建立专用链路，每个分组都自己 找路由。c s 域特有的实体包括( m s c ，g m s c ，v l r ，1 w f ) ，p s 域 特有的实体包括s g s n 和g g s n 。其他设备如h l r ( 或h s s ) ，a u c ，e i r 等为c s 域与p s 域共用。r 4 版本的核心网也一样，只是把r 9 9 电路域中的 m s c 的功能改由两个独立的实体：m s cs e r v e r 和m g w 来实现。r 5 版本 的核心网相对r 4 来说增加了一个口多媒体域其他的与r 4 基本一样。本文 讨论的范围仅限于分组( p s ) 域，在不同版本的p s 域中，特有设备主体没有 变化，只进行协议的升级和优化。 ， 、 、u m t s 核心网 、t s 核心网，一一。 、 ， 、 一 、一一一 图3 - 5 ：核心网网络设备示意图 1 4 一 ， | i p v 6 无状态地址自动配置在u m t s 中的仿真 3 3 1 1 核心网分组域( p s ) 结构介绍 分组域功能 为了提供包交换服务，核心网必须具有以下的主要功能： 网络接入控制：核心网需要能够区分哪些移动用户能够使用p s 域提 供的服务，这需要核心网能够提供注册、认证、授权等服务。 数据包的路由和传输：核心网能将数据包发送到目的节点，目的节 点可以是在同一p l m n 网络内，也可以是在外部网，例妻h i n t e m e t 。 移动性管理：核心网能提供网络层的移动性管理功能，包括移动节 点的位置跟踪，当有网络来的数据包时，核心网能发起呼叫来确定移动节点的 准确位置，并且能在移动节点进行移动时，能够维持到移动节点的实时路由连 接。 分组域节点 u m t s 的p s 域的两个主要节点是： 服务g p r s 支持节点( s g s n ) 一个s g s n 可以连接一个或多个r a n 到p s 域，s g s n 的主要功能有： 夺接入控制：当移动节点接入n p s 域时，首先要与s g s n 进行信令交互， 以判断身份后决定是否提供服务。 夺位置管理：s g s n 负责跟踪移动节点的接入位置，并将该位置信息报 告给h l r 。使得g g s n 可以通过查询h l r 来发起与移动节点建立连接 的过程。 夺路由管理：s g s n 需要为每个接入p s 域的移动节点维护到g g s n 的路 由，并且为他们之间的数据包提供中继。 夺呼叫：当收到发送到处于空闲状态下的移动节点的数据包的时候， s g s n 需要发起对该移动节点的呼叫过程。 网关g p r s 支持节点( g o s n ) 1 5 i p v 6 无状态地址自动配置在u m t s 中的仿真 g g s n 是p s 域与其他数据网的接口节点，它的主要功能包括： 夺数据包路由和转发：g g s n 作为数据包的路由和转发中心，所有从 某个移动节发出的或者到该移动节点的数据包均要通过g g s n ，这 个g g s n 会被当成是该移动节点的服务g g s n ，由它将数据包转发到 目的节点。 夺路由信息和移动性管理：移动节点的服务g g s n 会跟踪为该移动节 点提供服务的s g s n ( 相应的，可以称该s g s n 为移动节点的服务 s g s n ) ，g g s n 会维护一条到服务s g s n 的路由，用于交换移动节 点的用户消息。 、 s g s n 和g g s n 之间的关系：s g s n 和g g s n 之间是多对多的关系，即一个 s g s n 可以为多个g g s n 提供服务，而一个g g s n 也可以为多个s g s n 提供服务。 3 3 2p d p 地址分配 由于p d p 地址一般就是指i p 地址，所以其地址分配也就是口地址分配 过程。移动节点的地址分配分为静态地址分配和动态地址分配，静态地址分 配是指移动节点有全球唯一的固定地址，即在移动用户登记注册时，由p l m n 运营商分配给用户一个静态的口地址。该i p 地址可以在用户设备访问该 p l m n 或外部网时使用。而动态分配则是在移动设备可以在接入u m t s 网络 时，由该网络或与之相连的其他网络分配给其一个动态的口地址。 无论是终端设备还是网络设备都需要i p 地址，在u m t s 系统中有两种 i p 地址，终端设备的i p 地址属于用户层( u s e r - l e v e l ) ，网络设备的i p 地址 属于传输层( t r a n s p o r t 1