（计算机应用技术专业论文）双协议栈ucosⅡ在小设备上的实现.pdf

兰至塑翌杰整堡主兰垡笙塞 塑塞 摘要 随糟甄联网络规模的扩火，上网设备的增多，基于i p v 4 的互联网i p 地址缺芝问题越 来越g 怒广泛戆关注。必了扩大可掰豹曩鼗网p 琏鑫 = 空惩，i e t f 在1 9 9 8 年底就已经毒l 定 了i p v 6 的草案。i p v 6 的设计，不仅解决地址短缺的问娥，还改进了l p v 4 在傻 = i 中l 橼不足， 如服务成掇( q o s ) 、安全性、组播、移动性等。与此同时，各种小设备的网络化也将彤成 堡界性濑漉，餐静家瞧产晶帮终纷纷遴入数字纯、瓣缀他褥酬， 目前走部分有网络造接功能的，j 、设备的实现，其蜜现了i p v 4 协议栈。对于小设餐在未 来互联网巾的应 ! l ，需舞有i p v 6 协议栈的支持。而且，如果有实时操作系统( r t o s ) | ! 勺支持， 饕么蒋嚣方霞上层应蠲戆齐茇帮满足装些应翅对实时靛酶要求。辑墩，崔嵌入式，j 、殴备靛 开发中，强要资源允许，都应考虑使用r t o s 。因此，设计和实现程小设备平台t 的带有 i p v 4 i p v 6 破协议栈的r t o s 是件非常育价值的一l = 作。 a 烈7 l 磁l 是娶兹使翅鼹广泛於3 2 佼鞋灭式r i s e 鲶瑗器，适合予阚终设冬，鼹黻本漂 题选择的开发平台使用以a 跚7 t d m i 为核的8 3 c 4 4 b o x 处理器。为了能实现网络通信，首先 开发了r t l 8 0 1 9 a s 网络芯片的驱动程序。因为u c o s i i 是占先式的寰时内核，能给上层应 磺提供壤姆的窦霹。建，掰良奉课题选磐f u c 。s l i 。考虑剿小设务农处理速度秘罄髓空闽 方面的限制，本课题移械占用资源较少，功能完善的i p v 4 协议栈1 w i p 。由于 w l p 协议 栈只具有i p v 4 功能，本课题在 w f p 协议栈中增加了i p v 6 功能。结合小设备的特点和草案 对i p v 6 实璇豹要求，蜜瑷对霹i p v 6 协议遴嚣了裁剪。嫒螽还开发了= = 三令_ 上瑟赢鲻越糖议 栈进行了测试，测试结聚说明协议栈越能够正常运行的。 关键谰： 驴v 6 、u c o s 1 i 、m i p 、小设备 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee n l a r g e m e n to fi n t e m e t ss c a l e ，a n dt h ei n c r e a s eo fd e v i c e sc o n n e c t i n gt oi n t e m e l w ea r ec o n c e mm o r ea n dm o r ea b o u tt h ep r o b l e m sb r o u g h tb yt h es h o r t a g eo f t h ei p v 4a d d r e s s e s c u r r e n ti n t e m e tb a s e d i no r d e rt oe n l a r g et h eu s a b l ei n t e m e ti pa d d r e s ss p a c e ，i e t fa l r e a d yh a d m a d ead r a f ta b o u ti p v 6i n1 9 9 8 t h ed e s i g no f l p v 6 ，n o to n l ys o l v e st h ep r o b l e mb r o u g h tb yt h e s h o r t a g eo fi p v 4a d d r e s s e s ，b u ta l s os o l v e st h es h o r t c o m i n g sf o u n di nt h eu s eo fi p v 4 ，s u c ha s q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ，s e c u r i t y , m u l t i c a s ta n dm o b i l i t y i nt h eo t h e rh a n d ，s m a l ld e v i c e s c o n n e c t i n gt on e t w o r ka l s ow i l lb e c o m ep o p u l a r a l lk i n d so fh o m ed e v i c e sw i l la l s oj o i nt h e q u e u eo f d i g i t a la n dn e t w o r k b u tn o w , t h ei m p l e m e n to fm o s to ft h es m a l ld e v i c e sw i t ht h en e t w o r kf u n c t i o n ，o n l yh a v e i m p l e m e n t e di p v 4n e t w o r kp r o t o c o ls t a c k i nt h en e a rf u t u m s m a l ld e v i c e sc o n n e c t i n gt o i n t e r n e tn e e dt h eh e l po fi p v 6n e t w o r kp r o t o c o ls t a c k e v e nm o r e 。i fr e a l t i m e o p e r a t i o n s y s t e m ( r t o s ) c a l lb ep r o v i d e d ，t h eh i 曲l e v e la p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tw i l lb em u c he a s i e r , a n d t h er e q u i r e m e n to fs o f n ea p p l i c a t i o n st or e a l t i m ec a nb es a t i s f i e d i nt h ed e v e l o p m e n to fs m a l l e m b e d d e dd e v i c e s ，i f o n l yr e s o u r c ei se n o u g h ，w es h o u l dc o n s i d e rt h eu s eo f r t o s s o ，lt h i n ki t i sv a l u a b l et h a tt h ed e s i g na n di m p l e m e n to f t h ei p v 4 i p v 6d u a l - p r o t o c o l ss t a c kw i t ht h es u p p o r t o f r t o so nt h ep l a t f o r mo f s m m ld e v i c e 。 a r m 7 t d m ii sa3 2 一b i te m b e d d e d r 1 s cp r o c e s s o rc u r r e n t l yu s e dm o s tw i d e l y i ti ss u i t e d f u rb e i n gu s e di nn e t w o r kd e v i c e s o ，t h i st a s kc h o o s e st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mu s i n g s 3 c 4 4 b o xp r o c e s s o rc o r e da r m 7 t d m i 琢o r d e rt oi m p l e m e n tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , i d e v e l o pt h ed r i v e ro f c h i pr t l 8 0 1 9 a sf i r s t l y b e c a u s eu c o s - 1 1i sap r e e m p t i v er e a l - t i m ek e r n e l ， p r o v i d i n gg o o dr e a l t i m et ou p p e ra p p l i c a t i o n s ，t h et a s kc h o o s e su c o s - i ia sr t o s c o n s i d e r i n g t h e l i m i t a t i o no f a s p e c t s b o t h p r o c e s s i n gs p e e d a n ds t o r es p a c e o f s m a l ld e v i c e ，a n db e c a u s e l w i p i sa ni p v 4p r o t o c o ls t a c kw h i c hn e e d sf e w e rr e s o u r c ea n dh a sf u l lf i m c f i o n s ，t h et a s kp o r t sl w l p t ot h ep l a t f o r m ，b e c a u s et h el w i ps t a c ko n l yh a st h ei p v 4f u n c t i o n t h et a s ka d d si p v 6f u n c t i o nt o l w l ps t a c k ，c o n s i d e r i n gb o t ht h ef e a t u r e so fs m a l ld e v i c ea n dt h er e q u i r e m e n tt h ed r a f t s d e s c r i b i n gi ni m p l e m e n t i n gi p v 6p r o t o c o l ，t h et a s ki m p l e m e n t ss o m ef u n c t i o n st h a td r a f t sr e q u i r e m u s tt ob ei m p l e m e n t e da tl a s t ，t h et a s kd e v e l o p st h r e ea p p l i c a t i o n st ot e s tt h ep r o t o c o ls t a c k t h et e s tr e s u l tp r o v e st h a tt h ep r o t o c o lc 曩ni u nc o r r e c t l y h 华东舜撼大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：i p v 6 、u c o s - i i 、1 w i p 、s m a l ld e v i c e f h 学位论文独饿牲声明 本人所黧交的擎馘沦文是我在导师的指导下进舒的研究工僚及取褥的研究 成累。搬我辫知，滁文中暇经避鳃孳l 尾翦瞧辔终，本谵文考迮禽其 l 熟个久基缎 发表或鬃舄邋瓣磷究戆聚。对本文静研究敬密重螫贡献豹个人鞭策侉，蚜已农 文中作了明确说明并袭示谢意。 作者签名：数i 趑盔定 学位论文使用授权声明 日期 细铲，。棚 l 本入竞垒了解华东拜范大学寤关糅鬻、筏瓣学位论文鹩觌定，学校骞粳镲 譬学霞论文势彝翟寨圭警帮藏或其揍定氛鞫送交论文瓣奄予簸释纸凌藏。窍较 将学位论文耀子j # 豢剩基的的少爨复制势允许论文进入学校圈甍馆披查阕。毒 权将学位论文的内容编入霄关数据库进行检索。有权将学位论文的标题秘擒要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者犍名：粕欷名龆 导师艇怠： 日期；艘生：! ：o 了霸期；2 碰婊。f f ，培 j o r i g i n a l i t yn o t i c e i np r e s e n t i n gt h i st h e s i si n p 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 m a s t e r sd e g r e ea te a s tc h i n an o r n a lu n i v e r s i 吼1w a r r a n tt h a tt h i st h e s i si so r i g i n a l a n da n yo ft h et e c h n i q u e sp r e s e n t e di nt h et h e s i sh a v eb e e nf i g u r e do u tb ym e a n y o ft h er e f e r e n c e st ot h ec o p y r i g h t ，t r a d e m a r k ，p a t e n t ，s t a t u t o r yr i g h t , o rp r o p r i e t y r i g h to fo t h e r sh a v eb e e ne x p l i c i t l ya c k n o w l e d g e da n di n e l u d e di nt h er e f e r e n c e s s e c t i o na tt h ee n do f t h i st h e s i s c o p y r i g h tn o t i c e d a t e ：乏鲤幺止掰 ， ih e r e i na g r e et h a tt h el i b r a r yo fe c n us h a l lm a k ei t sc o p i e sf r e e l ya v a i l a b l e f o ri n s p e c t i o n if u r t h e ra g r e et h a te x t e n s i v ec o p y i n go ft h et h e s i si sa l l o w a b l eo n l y f o rs c h o l a r l yp u r p o s e s ，i np a r t i c u l a r , s t o r i n gt h ec o n t e n to ft h i st h e s i si n t or e l e v a n t d a t a b a s e s ，a sw e l la sc o m p i l i n ga n dp u b l i s h i n gt h et i t l ea n da b s t r a c to ft h i st h e s i s ， c o n s i s t e n tw i 1 ”f a i ru s e ”a sp r e s c r i b e di nt h ec o p y r i g h tl a wo fn ep e o p l e s r e p u b l i co f c h i n a s i g n a t l i r e ：刍幺鳅。a t e ：狸始2 巧 华东师范大学硐士学位论文 1 1 本课题的设计目标 第1 章绪论 在过去鹣笳多年器，懿i p v 4 1 5 为梭心静互联网撞寒祷剿迅速的发震，毽涟莆网络燕 模的扩大和上网人数的增多，随之而来的问题也越来越引起了盒世界的广泛关注。其中比 较显著的问题是i p 地址费源的擞乏，而这j ：e 是所有新加入因特网的计算机以及其他网络数 字化设备掰遣诱需要豹。因嚣，i e t f 在1 9 9 8 年底稍定了i p v 6 1 静草寨，旨在取代僮眉了 2 0 多年的因特网互联协议第四版( i p v 4 ) 。 国际的i p v 6 试验嘲6 b o n e 在1 9 9 6 零成立。由予中国对i p v 6 研究的关注，我国的教 胬鞠辩磷幸 算辊弼( c e r n e t ) 黼家题络中心穗子1 9 9 8 年6 麓加入6 b o n e ，两年il 旁戒 为萁骨干嘲成员。到现在为止，筏国第一个i p v 6 主干网c e r n e t 2 试验网已正式开通并提 供服务，成为中国第一个全国性下一代互联网主干嘲。c e r n e t 2 是中嘲下一代直联网示 藏工程接心阚静重要缀成部分，建成致意，将是整莽上规模最大的缝i p v 6 国家主予弼。 随着因特网和硬件技术的不断发展，备种小设餐提供的功能将会越米越强，网络化是 发展的必然趋势。数字电视将可与互联网娉遥信网络连接，其他家电产黯也纷纷进入数字 纯黼络纯行确，妇数弼稆辊、数码光鑫录像杌、麓上髑魏辣箱等等。孬绝大部分豹这些疆 络化小设备目前还只采用i p v 4 协议栈，这极大的妨碍了这些小设备在来来因特网中的应 用。 当商家开发小设备类电子产品的时候，尽早的把产品投入市场将是商家考虑的重点之 一。因此，我们应该考虑到上层应用开发的简易程度。基于上述原因，本人对此课题确定 了以下三个目标： 1 因为从i p v 4 网络过渡到i p v 6 网络可能需要几年甚至十几年的时间，所以实现的协议 不仅要能在i p v 6 网络中使用，而且也要能在i p v 4 网络和i p v 4 与i p v 6 同时存在的网 络中使用。为了节省存储空间和提高运行速度，要求能够通过简单的配置，使得在各 种环境下编译后的代码占用的空间尽可能小。 2 虽然大部分的应用对实时性的要求不是很高，但过长的响应时间也是不可接受的。而 且响应时间越快，适合使用的场合也就越多。所以要求系统能对应用有较快的响应。 3 提供友好的接口，方便应用程序的开发。 1 2 本课题的独特之处 1 2 1 运行于实时操作系统之上的双协议栈 i n t e m e t 从刚建立到现在已经有2 0 多年了。从最初的用于研究的少数几台计算机的接 入，到现在无处不在的互联网络，i n t e r n e t 的规模已经发生了质的飞跃。现在不仅计算机可 以访问i n t e m e t 网络，而且各种小型终端也逐步开始接入i n t e r n e t 。虽然现在已经有不少操 作系统已经支持i p v 6 协议，但各种小型终端即使能接入i n t e m e t ，也很少有支持1 p v 6 协议 的。全世界包括我国的i p v 6 实验网络已经建立，现在使用的i p v 4 网络也将在今后几年被 商用i p v 6 网络所取代，因此本人认为在小设备上实现l p v 6 是有一定意义的。 虽然本课题是在小设备上实现i p v 6 协议，但并不实现和i p v 6 相关的所有协议。本课 华东师范大学硕士学位论文 绪论 透在实现i p v 6 协议时参考了i r v 6 低减本礴络应糯主机要求草案 1 2 1 和 i p v 6 节点要求 草案【1 1 ，并按照草案的要求实现了除竣全部分以外必须要实现的部分。 虽然小设备的骚澡和p c 枧 e 起柬是缦有限黪，但是最近几年小设备在存储空闻和运 行速度等方面髓性熊都有很大的提高，使得在，j 、设备上运行小豹实时操作系统成为可能， 所以本课题实现的怒运行在实时操作系统之上的取协议栈。 1 2 2 协议栈律为系统的单一任务来运行 协议实现的处理模型描述的是整个协议栈以怎样的方式被分成不同的任务，主要有三 种处理模型。第一种处理模型是让每一个协议作为一个单独的任务来运行。这种模型处理 方式，虽然有严格的协议层次的划分，但是需要消耗更多的处理器时间，对一个报文的处 理，需要经历3 4 次任务切换，这是非常昂贵的。第二种处理模型是让协议栈驻留在系统 内核中运行，应用程序和协议栈的通信通过系统调用来实现。 而本课题采用的是不同于上述两种处理模型的另外一种方式：让协议栈运行于独立于 系统内核的单一任务中。如果应用程序和协议栈处于同一任务中，协议栈和应用程序的通 信可以通过函数调用来实现；否则需要通过抽象的a p i 来实现。为了让协议栈以最快的速 度处理报文，把协议栈所在任务的优先级设置为用户任务的最高优先级。协议栈作为单一 的用户任务而不是操作系统内核来运行，有其优点和缺点。晟大的优点是协议栈可以作为 任务在不同的操作系统上甚至没有操作系统的平台上运行，便于移植。其缺点是不得不等 到协议栈任务运行时才能对数据报文进行处理。但并不会对一般的应用造成很大的影响。 1 3 国内外研究现状 1 3 1i p v 6 回顾 到目前为止，1 p v 6 从起步到走向商用实际上已经走过了1 0 年的路程。主要的历程大 致如下： 1 9 9 2 年i e t f 成立i p n g 工作组，专门研究下一代互联网协议； 1 9 9 4 年夏i p n g 提出1 p v 6 的推荐版本； 1 9 9 5 年夏i p n g 完成i p v 6 的协议文本： 1 9 9 5 年1 9 9 9 年完成i e t f 要求的协议审定和测试，i p v 6 的协议文本成为标准 草案； 1 9 9 6 年成立国际性i p v 6 试验床一6 b o n e ； o 1 9 9 8 年l o 月启动全球性i p v 6 研究和教育1 珂( 6 r e n ) ： 1 9 9 9 年成立了i p v 6 论坛； 1 9 9 9 年7 月1 4 日i c a n n 开始正式分配i p v 6 地址； 奥地利、比利时、美国、加拿大、欧盟、英国、法国、德国、瑞士、挪威、丹麦、 意大利、荷兰、西班牙、墨西哥、日本、韩国、新加坡、印度、俄罗斯、捷克、 匈牙利、斯洛伐克、波兰等许多国家都建立了i p v 6 项目或实验床。 迄今，涉及i p v 6 的国际组织末要包括i e t f 、i c a n n 、i p v 6 论坛和w i d e 。 2 华末簿箍夫攀矮士学链论文 1 3 2 圜外i p v 6 发展现状 i p v 6 厩在全塔受劐越来越多盼鬟携。在亚测，爨予缺少攮蛙等骧臻，对铸i p v 6 的态 度比欧荧积极，其中戢积极的是日本，因为上世纪醪本在互联网方面与在移动通信方面一 样链失了惑帆。日本政府和众多日本企业决心在耨世纪以3 g 和i p v 6 为契规，下大力气 慧起燕追，尽快飙这种弱势中摆脱出来，使日本成为全球最先进的i t 圈家之。融本政 府把糟瞒技本戆确立、普及皇蓬器舞皴缛隽政；| 譬豹基本致繁+ 将嚣蠢稠络雄逶过渡副i p v 6 网络作为“超高速网络建设和竞争政策”的具体目标，明确没定程2 0 0 5 年完成重联网向 i p v 6 瓣过渡。 由于政府重视、企业积极，日本自1 9 9 2 年就着筝i p v 6 研发和标准化工作，在研发与 疲嗣方面态在了氆界静前列。强奉予t 9 9 9 年1 2 弼歼始提供试验服务，2 0 0 1 年4 月提供商 瘸照势，刘强前必止，娜c o r n 、j a p a n t e l e c o m 耪k d d i 等嚣零靛圭器运营蕊和i s p 建 乎都融经提供i p v 6 商、他化接入服务，日本全国刹用i p v 6 的环境正日益究善。在应用方面， 强本妻要磷寇和验证的内容包括：i p v 6 的下一代服务模型、家电嘲络的瘫用和s 务、网络 环境中的i p v 6 信息机器、使用信息家电的个人内容交换系统、信息家电安全和柯散鳃通信 技术、器蠢流媒体瓣黢务终端及萁鼗务、无线蔓联薅辍务、t p v 6 两终土瓣臻毫落、嗣菲 个人电脑设备实施的互联网应用服务、馈息家电图像的传遴和应用、内容传送模型验证及 收费认试凌憩。避过遮一系捌的工作，i p v 6 薅采一是会给露本带来许拳新静黻务与应焉。 观在可以想到的服务包括互联网广攒、在线结算、在线教育、电子政府、i p 电话、音乐图 像的下载、可视嘏话、多媒体电子自# 粹、与智畿交遴系统结合等。在这魏新赧务中，连接 怼蒙除人戳井，怠括扶声像设餐一麓到奎调、珠壤、微波炉等家壤设螯n 在l 务方式上， 除了现有的服务器方式以外，还将引入端到端的对等通信方式，例如可视电话、向个人发 送鸯鼓拍摄的图像、个人与个人的游戏对局等。 韩围瞧比较重视i p v 6 ，在战略、敬策、立法、壤霹赍助、国际台痒等方垂都蠢糨应猎 燕。耱潮裁定了i p v 6 的演迸进程，筵分酉个输裁：第一酴段( 2 0 0 1 年玟翦) 建立i i 6 试验嗣，开展验证、运行和宣传工作；第二阶段( 2 0 0 2 年2 0 0 5 年) 建立i p v 6 岛，与 现有i p v 4 大网互通，在i m t 2 0 0 0 上提供i p v 6 服务；第三阶段( 2 0 0 6 年2 0 1 0 年) 建 立i p v 6 大网，愿i p v 4 大网退化为i p v 4 岛，与i p v 6 丈网互通，提供有线和无线的i p v 6 商 蔫骚务；第霆浚段( 2 0 1 1 年菇后) 演变藏一个单一静i p v 6 弼。 欧洲在互联网方丽落后于美国，识在移动通信方面却领先于美潮，所以欧溯靛展i p v 6 的基本战略是“先移动，后固定”，希艇在i p v 6 方两掌握先机，通过3 g 标准的部署来实 现在未来互联网领域与美国并驾齐驱的目标。欧盟认为：i p v 6 是发展3 g 移动通信的必要 工其，懿聚想丈援摸发震3 g ，藏不褥不势级到i p v 6 。割定3 g 椿揍鳇3 g p p 缀织已经决 定醴l p v 6 为基磁构筑下一代移动两，使i p v 6 藏身3 g 登须遵循静标难。欧湘的主簧嚣标 是：2 0 0 3 年底开始推出i p v 6 服务，2 0 0 5 年底运营商完成向i p v 6 的转换，在所谢新的家 电装置中引入i p v 6 连接，将基于互联网的系统集成到运输工具( 汽车、航行器、火车、 轮船秘货运) 及相关的移动商务基础设施中，实现人乓人之间、物与犍( 从电话到汽车) 之阉懿遘信。欢戮舀蘩甚经建立了e u r 0 6 1 x 帮6 n e t 等i p v 6 试验瓣缮，迸 亍膏关攘广、 部署i p v 6 的准备工作。欧洲各大厂商也都加快了静v 6 开发和产晶化进程，各种试验项目 正逐步成熟。 美阑是i p v 4 的发源地，无论在地址资源和商业应甩方面都占据了先天的优势，由于 1 t ： v 4 末嚣豹传统夏联嘲领域的领先撬使鞫p 遗琏蚤滚优势，霹藏臻蘸甄没鸯遣皱短缺的 忧崽，义不愿意改动筏费大量资零稳建翡i p v 4 商业婀络体系，所班鞠魏主要是以髓器i p v 6 研究、协调中心的面翻出现，研究和开拉i p v 6 的主辩组织如i e t f 、6 b o n e 等都在荚国。 3 华东娇范夫掌硕士学位论文 绪论 但美国在i p v 6 的商业化推广方面的力艘远不如欧洲羊【1 日本。 1 3 。3 阑内i p v 6 发怒现袄 由于历史的原因，中国在i p v 4 的发展中处于后进的状态，在国际上的发言权不多， 导致在m 地址的供需上严重失衡。截止2 0 0 2 年8 月，拥有1 3 亿人口的中国，只有大约 25 0 2 万个地址，b 类地址不足2 0 0 个，a 类地址一个都没有。不言而喻，中国应该 是全球最需要i p 地址的国家之一。同时，中国作为一个互联网和移动通信大国，理应要 在_ f 一代互联网标准和资源分配中力争更大的发言权。 中国对i p v 6 的研究始于1 9 9 8 年。2 0 0 0 年，天地互联信息技术有限公司( b h ) 建立 了中国第一个面向商用的i p v 6 试验床，2 0 0 1 年实现了与清华大学和北京邮电大学的互联 互通，并加入了6 b o n e 。2 0 0 2 年3 月，天地互联信息技术有限公司与信息产业部电信传 输所联合发起成立了6 t n e t ( i p v 6t e l e c o mt r i a ln e t ) 组织，联合国内外运营商、i p v 6 厂 商及主要研究机构，共同搭建多运营商和多厂商的i p v 6 试验平台，致力于中国的i p v 6 推 广与商用化进程。2 0 0 2 年5 月，天地互联信息技术有限公司与当地运营商合作，建立了 中国第一个商用的电信级i p v 6 试验网。 今年，我国第一个i p v 6 主干网c e r n e t 2 试验网正式开通并提供服务，成为中国第一 个全国性下一代互联网主干网。c e r n e t 2 是中国下一代互联网示范工程核心网的重要组 成部分，建成以后，将是世界上规模最大的纯6 国家主干网。c e r n e t 2 主干网连接分 布在我国2 0 个主要城市的c e r n e t 2 核心节点，传输速率为2 5 1 0 g b p s ，将实现全国2 0 0 余所著名高校的高速接入，同时为全国其他科研院所和研发机构就近接入提供条件。并通 过下一代互联网交换中心与国内其他下一代互联网、国际下一代互联网实现高速互联，从 而形成我国开展下一代互联网及其应用研究的重要实验环境。目前开通的c e r n e t 2 试验 网连接北京、上海和广州等c e r n e t 2 核心节点，并开始为清华大学、北京大学、上海交 通大学等一批高校提供下一代互联网的高速i p v 6 接入服务。c e r n e t 2 还将部分采用具有 我国自主知识产权的核心网络技术及产品，成为我国研究下一代互联网技术、开发基于下 一代互联网的重大应用、推动下一代互联网产业发展的关键性基础设施。c e r n e t 2 将支 持全新的更丰富的下一代互联网的重大应用，包括：网格计算、高清晰度电视、强交互点 到点视频语音综合通信、智能交通、环境地震监测、远程医疗、远程教育等。 1 4 本课题的研究内容 因为要在基于a r m 7 t d m i 核的开发板上实现作为u c o s i i 1 9 的单一任务运行的双协 议栈，所以需要研究荠实现以下内容： 1 开发r t l 8 0 1 9 a s 网卡驱动。 2 移植u c o s i i 实时操作系统到开发板上，并对系统进行裁剪。 3 移植1 w i p 1 4 网络协议栈到u c o s i i 实时操作系统上。 4 实现i p v 6 协议栈，包括i p v 6 、i c m p v 6 8 、n d p 3 等。 5 开发测试用例。 4 华东师范大学硕士学位论文p v 6 协议原理 2 ii p v 6 协议概述 第2 章i p v 6 协议原理 随整i n t e r n e t 戆逐速增长稳要求礁一i p 遗垃懿隧终设冬懿激壤，i p v 4 显褥考煮力不 航心了，丽下一代协议i p v 6 是一个建立可靠的、可管理的、安全糯糍效的i p 网络的长期 解决方黛。尽管i p v 6 襁我国还只是处于实验阶段，但离正式使用也融经不远了。因此，我 们应该从对i p v 4 的研究转到对i p v 6 的研究上来。 2 1 1i p v 4 协议的问题 虽然i p v 4 已经取得了令人难以置信的成功，但是仍有一些值得改进的地方。其中最显 眼和最值得注意的可改进之处在于其地址空间的大小。其他在安全性、i p 头部字段设计及 处理、服务质量等方面也都有不足之处。 i p v 4 的升级将是一个巨大的工程。使用t c p i p 协议的网络遍布全球的各个角落，上 面运行着不知道多少种不同版本的t c p i p 连网软件、操作系统和硬件平台。要求对其中所 有系统同时进行升级是不可想象的。如果协议的唯一问题仅仅在于地址的匮乏，通过使用 划分子网、网络地址翻译或无类域内选路等现有工具和技术，也许可以使该协议在相当长 的时间内仍可继续工作。但这些已经使用了很多年的技术不可能长期有效。如果不实现对 i p 的升级，它们最终将阻碍未来i n t e r n e t 的发展，因为它们限制了可连接的网络数和主 机数。除了地址缺乏的问题外，i p v 4 的问题还包括更普遍的扩展性问题、管理问题、选路 困难、服务的改进和服务质量特性的交付以及安全性问题等。 1 路由问题 在互联网或内联网上传输的i p v 4 包必须从一个网络路由到另一个网络以到达其目的 地。路由协议可以使用动态机制来确定路由，但是所有路由最终依赖于某个路由器查看不 同路由的列表并确定正确的路由。选路表包含网络的列表和连接到这些网络的接口的列表。 路由器查看包，确定包所在的网络，然后把包发送到适当的网络接口。现在的关键问题在 于路由表的长度将随着网络数量的增加而变长。而路由表越长，路由器在表中查询正确路 由的时间就越长。路由查询时间影响到性能，它对互联网增长的影响和地址空间的匮乏一 样紧迫。 2 网络管理与配置复杂 设计i p v 4 $ 1 大多数其他t c p i p 应用协议集的目的都不是易于使用。一个使用i p v 4 的系统 必须使用一组特别复杂的参数来进行正确的配置，一般包括：主机名、i p 地址、子网掩码和 默认路由。这种做法很复杂，意味着进行这些配置的人必须理解所有这些参数，或者至少由 真订三理解它的人来提供这些参数。这意味着将一个系统连接l l j i p v 4 网络将十分复杂、非常耗 时且代价高昂。虽然可以通过i p 地址动态分配方法解决一部分地址分配的问题，但像d h c p 这样的协议由于其与状态相关的特性而无法实现真正的即插即用。用户不得不建立一个了解 华东师范大学硕士学位论文p v 6 协议原理 其主机的阴c p 服务器，并且要使支持d h c p 的主机了解最近的d h c p 服务器。 3 q o s 未能真正实现 i p 使用的是包交换网络体系结构。这意味着包可以使用许多不同的路由到达目的地。这 些路由的区别在于：有的代价比较高，有的吞吐量比较大，有的延时比较小，还有的可能会 比其他的更可靠。i p v 4 服务类型( t o s ) 字段，允许应用程序告诉i p 如何处理其业务流，但却 从来没能在实际应用中真正实现过。一方面，这需要选路协议彼此协作，除提供基于开销的 最佳路由外还要提供可选路由的延时、吞吐量和可靠性的数值。另一方面，还需要应用开发 者实现一个功能，使其可以提出可能影响性能的服务请求。t o s 是一种选择，如果用户认为 低延时对于其应用最重要，则应用的吞吐量或可靠性将爱到影响。 4 ，路由器对i p 选项的支持不够 i p 选项的问题在于它们是特例。大多数i p 数据报不包括选项，并且厂商按不包括选项的 数据报来优化路由器。i p 头如果不包括选项，n 5 字节长，易于处理，尤其是在路由器设计 优化了对这种头的处理之后。对于路由器的销售而言，性能是关键，且由于大部分数据报不 支持i p 选项，因此路由器往往把这种包作为特例，搁置起来，只有在不会影响路由器总体性 能时才加以处理。尽管使用i p v 4 选项有很多好处，但由于它们对于性能的影响已使得它们很 少使用。 5 安全性方面 虽然可以通过应用层加密、传输层加密( 如s s l ) 和隧道技术部分解决安全性方面的问 题，但是所有这些关于i p 安全性的办法都有问题。首先，在应用层进行加密使很多信息被公 开。尽管应用层数据本身是加密的，携带它的i p 数据仍会泄露参与处理的进程和系统的信息。 在传输层加密要好一些，并j s s l 为w e b 的安全性工作得很好，但它要求客户机和服务器应用 程序都要重写以支持s s l 。隧道协议也工作得不错，但却被缺乏标准的问题所困扰。 2 1 2i p v 6 协议的新特性 由于i p v 6 的大多数思想都来源于i p v 4 ，因此i p v 6 协议的基本原理保持不变。与i p v 4 协议相比，主要的不问点如下： 1 2 8 位的地址空闯：i p v 6 的地址跃度是1 2 8 位，也就是说约有3 。4 1 0 ”个蛾琥，这一 地址空间几乎可以说是无限的。在i p v 6 地址空间中可以允许设计多层次的网络地址分 配荣舔，矮子网络逢蛙静繁瑾萃眭聚鬟。 简化的协议首部；i p v 6 使用了一种全新的、与i p v 4 相比照加灵活的数据报首都结构。 i p v 6 按渡采用霹缀据需要独立暴热的扩曩酋郝激健营了i p v 4 擐文茸部中豹露选项， 因此基本首部的长度也变得固定了。这样路由器处理报文的速度就可以加快了。在对 齐方式上，由i p v 4 协议的3 2 比特对费变为6 4 比特对齐。今后使用6 4 位处理器时， 主视赴蓬i 知6 掇文的效率瑟眈处理i p v 4 报文鬃高褥多。 较小的路由表：豳为i p v 5 采用分级的、可聚集的地址管理模式，使得核心路由器只需 要维护跑较小戆鼹鑫裹藏可辍完成溅寒舞转蓑侄务，这样提毫了爨疰l 表魏套技对间， 降低了存储空间，从而提高了效率。 即插即用的配置：i p v 6 不仅支持有状态的地址醚置方式，迦支持无状态的自鹚地址配 置方式( 7 。在这种配置过程中，主机将自动获得本两的嘲络前缀，默认网关饿址以及 矗 华东师范天学硕士学位论文 p v 6 协议原理 其他网络参数，并根据这些参数自动生成可用的本机i p 地址，而无需手工配疑。 q o s 豹支持：i p v 6 搬文头部定义了数据滚标签字段露韭务滚饯巍缀字段。分裁逶溪予 目前两种主流的q o s 服务模型一一综合业务模型( i n t s e r v ) 9 和区分业务模型 ( d i f f s e r v ) 2 2 。因为这些字段存在于i p v 6 的头部，所以即使报文已经加密也能得到 很好的s 的支持。 肉建鲍安全性：i p v 6 觏定了i p s e c 2 3 来搽谨落慧在俦赣中熬蜜垒毪。其孛怠糖甄耱 扩展头部认证泌 2 4 和封装安全载荷 2 5 。i p s e c 支持数据完整性检查，数据正 确性验证，数据加密等多种安全特性，并提供传输模式和隧道模式的数据传输。 姥豁，i p v 6 提供了一些其链的帮 特性。铡妇：t p v 6 采是邻居发蠛协议取代原皋靛a r p 协议【4 j ，采嗣扩疆头部取代i p v 4 的选顼字段，荠越；i 入了一类新靛寻蛙模墅经播。 2 。1 3i p v 6 协议和i p v 4 协议的简单比较 图2 1 简单总结了i p v 4 协议和i p v 6 协议的特性。 囊藿囊豢鍪震! l 麟i l 黉凌驾鬻鬻鋈篱錾隅瞩隧i 黧鬻鬟鬃黧鬻黉溪懑鬻黪骥瀚骥蘩黧簿蒸簿：鬻 i p 地址采用3 2 位。 i p 地址采用1 2 8 位。 必须手工配置i p 地址或者采用有状 支持无状态的地址配置方法。 态的主机配置协议。 i p 地址采用a r p 协议解析链路层的地址。 采用邻居发现协议解析链路层的 地址。 可以使用广播地址进行全网广播。 广播地址不被支持，取而代之的 是组播地址。 i p 头部包含校验和。 i p 头部不包括校验和，由上层协 i p 头部 议负责数据的校验。 i p 头部中包含选项。采用扩展头部替代选项。 i p 分片由主机或者路由器完成。i p 分片全部由主机完成。 使用i g m p 管理本地网络的组成员。 使用m l d 协议管理本地网络的组 组播 成员。 缺乏对q 0 s 的支持。引入了数据流标签字段和业务流 q o s 优先级字段，对0 0 s 较好的支持。 安全性对i p s e c 的支持是可选的。必须支持i p s e c 。 使用a 资源记录把主机名映射到i p v 4使用a a a a 资源记录把域名映射到 d n s 的地址。i p v 6 的地址。 图21i p v 4 协议和i p v 6 协议的比较 7 华承师范大学硕士学位论文i p v 6 协议原理 2 2i p v 6 遗址架构 i p v f i 协议豹地址建翱嘲定义了1 1 , 6 缱缱的罨址模型及各类避蛙簿穷囊的肉骞。 2 2 1i p v 6 静寻薤橇黧 i p v 6 毒娃模型与i p ￥4 壤褪戳。每卡鼙攘逡蛙括谖令肇独匏霹络搂鞠，i 髓蛙被撂定给 网络接口而不是节点，因此一个拥有多个网络接：i 的节点可以具备多个i p v 6 地址，其中经何 一个i p v 6 魏琏都可敬筏表该节点。一个蘸络接口还能与多个攀播地整相芙联，毽一个单播地 址只能与一个网络接口相关联。每个网络接口必颁至少舆螽一个单播地址。 在i p v 6 的寻址模型中去除了广播。因为同一镳路上的丈量广播意昧着该链路上的所有节 点都必须处理所有广援，但是其中绝大部分节点往往会雕为接收剿的数据与自己无关蔼凝终 将忽略该广播。大激广播会造成网络性能大幅度的f 降。而把广播在子湖之间进行转发则会 导致更多的避题。鄹j 逛i p v 6 采用嚣肉“所蠢萤点”熬缎接缝蛙来饕锭那垫必须镁瘸广撵的情 况。同时，对那些原来使用了广播地址的场合，则使用一艟范围受限的缎播地址。采用这种 方法，黠予籀l 采由广播携带瓣数据感兴趣静节点鼓翻入一令缓攘缝蛙，两萁戆辩该信惠不 感兴趣的节点则可以忽略发往该地址的数据。 i p v 6 酶组摇与i p v 4 翁缀播撮耩似。对菜个组的数据感菇趣的生梳首先耍通懿貉由器申请 加入该组攒地址，声明成为该组播组的一个成员。于是路由器将会转发发往该组播地址的数 据劐本地链路上，选样加入刘该组播组的主机就可以从本机所在链路上获取自己感兴趣的数 据。i p v 4 是通过i g m p 协议瞳6 完成对本地链路中的组成员管理工作，两在i p v 6 中，取焉代之 的悬皿d ( m u l t i c a s tl i s t e n e rd i s c o v e r y ) 2 7 。 在i p v 5 中； 入了一静赣鲍寻壁模型一荏撵。经攘与缝援姥较摆戥。袈撵姥蟪可班瓣多 个节点共享，加入到该组播地址的所有节点