（计算机应用技术专业论文）层次型移动ipv6关键技术的研究.pdf

摘要 移动i p v 6 可以使移动节点在不同的网络中自由移动而不中断现有的通信。每次移动 节点从一个网络移动到另一个网络时都要发生移动切换。移动切换会使通信产生延迟并造 成数据包的丢失，切换过程中产生的绑定更新报文也会占用较多的网络带宽资源。 层次型移动i p v 6 协议对标准移动i p v 6 协议进行了改进。层次型移动i p v 6 中引入了 移动锚点( 脚) ，当移动节点在m a p 域内移动时只需要向m a p 发送绑定更新报文，这 样便可以加快移动节点切换的速度并减少网络中绑定更新报文的数量。移动节点如何选择 合适的m a p 建立绑定关系是层次型移动i p v 6 中的一个重要议题。目前研究比较广泛的 是基于移动节点速度估计的m a p 选择方案。 本文提出了一种新的m a p 选择方案，新方案在基于移动节点速度估计的m a p 选择 方案基础上引入动态m a p 负载平衡算法，通过将网络中的m a p 划分为三种状态，并根 据m a p 状态调整网络中各m a p 的额定速度门限实现m a p 负载平衡，消除了网络中饱和 状态的m a p 。同时，新方案提出了改进的移动节点速度估计方法，提高了估计值的精确 度。本文对新方案进行了模拟实验，验证了新方案的优越性能，并分析了算法中各参数取 值对算法的影响。 关键词：层次型移动i p v 6 ，移动锚点选择，负载平衡算法 a b s t r a c t m o b i l ei p v 6a l l o w sm o b i l en o d et om o v eb e t w e e nd i f f e r e n ts u b n e t sw h i l em a i n t a i n i n gt h e c u r r e n tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n e v e r yt i m et h em o b i l en o d em o v e sf r o mo n es u b n e tt oan e w s u b n e t ，t h em o b i l eh a n d o v e rw i l lb en e e d e d t h ec o m m u n i c a t i o nw i l lb ea f f e c t e db yt h e h a n d o v e rd e l a ya n dt h ep a c k e tl o s s a n db i n d i n gu p d a t ep a c k e t sw i l lt a k eu ph i g hs i g n a ll o a d o fb a n d w i d t h 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 a k e ss o m ei m p r o v e m e n t st os t a n d a r dm o b i l ei p v 6 h m i p v 6i n t r o d u c e dan e wn o d ec a l l e dm o b i l ea n c h o rp o i n t ( m a p ) t h em o b i l en o d eo n l y n e e d st os e n db i n d i n g u p d a t e st om a pw h e ni tm o v e sw i t h i nt h es a m em a pd o m a i n s ot h a t t h eh a n d o v e rs p e e d su pa n dt h en u m b e ro ft h eb i n d i n gu p d a t ep a c k e t si sd e c r e a s e d i nh m i p v 6 ， h o wt oc h o o s eas u i t a b l em a pf o rm o b i l en o d ei sa ni m p o r t a n tq u e s t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t san e wh m i p v 6m a ps e l e c t i o ns c h e m e t h en e ws c h e m ei n t r o d u c e sa d y n a m i cl o a db a l a n c i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h ee s t i m a t e ds p e e do fm o b i l en o d em a pa l g o r i t h m t h em a pi nt h en e t w o r ki sd i v i d e di n t ot h r e es t a t e s a c c o r d i n gt ot h es t a t eo fm a p , t h e n e t w o r kc a na d j u s tt h es p e e dt h r e s h o l do fm a pi no r d e rt oa c h i e v el o a db a l a n c i n g m e a n w h i l e ， f ln e wm e t h o do f e s t i m a t i n gt h es p e e do f m o b i l en o d ei si n t r o d u c e dt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f t h e e s t i m a t i o n t h i sp a p e ra l s oc a r r i e so u ta ne x p e r i m e n tt o t e s tt h ea d v a n t a g e so ft h en e w s c h e m e ，a n da n a l y z e st h ee f f e c to fv a l u e so ft h ep a r a m e t e r s k e y w o r d s ：h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ，m a ps e l e c t i o n ，l o a d i n gb a l a n c ea l g o r i t h m n p d a 髓c i e t f i c n m 3 g p p 2 m 1 p v 6 m n h a c n c o a r a m h f m i p v 6 h m i p v 6 m a p r c o a l c o a b u n 虹 a r d a d s d s t 缩略词表 p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t r e q u e s tf o rc o m m e n t i n t e m e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e 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 啊：1 i 】旧g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t2 m o b i l ei p v 6 m o b i l en o d e h o m ea g e n t c o r r e s p o n d e n tn o d e c a r e o f a d d r e s s r o u t e ra d v e r t i s e m e n t m o b i l i t yh e a d e r f a s th a n d o v e rm 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 m o b i l i t ya n c h o rp o i n t r e g i o n a lc a r e - o f a d d r e s s o n 1 i n kc a r e o f a d d r e s s b i n d i n gu p d a t e n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n a c c e s sr o u t e r d u p l i c a t ea d d r e s sd e t e c t i o n s t a n d a r dd i s t a n c e s e l e c t i o nt a b l e v 个人数字助理 请求注解 因特网工程任务组 因特网控制报文协议 第三代合作伙伴计划2 移动i p v 6 移动节点 家乡代理 通信对端 转交地址 路由器通告 移动报头 快速移动i p v 6 切换 层次型移动i p v 6 移动锚点 区域转交地址 链路转交地址 绑定更新 网络地址翻译 接入路由器 重复地址检测 标准距离 选择表 南京邮电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 含为获得南京邮电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均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：! 盈塑日期：塑卫生：l 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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容相一 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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 壹f 堕 导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 i 移动i p 引论 1 1 1 移动i p 的提出 第一章绪论 随着i n t e m e t 信息资源的日益丰富和笔记本电脑，p d a ，移动电话等移动设备迅速普 及，人们越来越希望能够随时随地的保持与网络的连接，人们对移动通信的需求日益增加。 但是原i p 协议对网络节点的移动性支持不够。移动i p 就是在原i p 协议的基础上为了支 持节点移动而提出的解决方案。1 9 9 6 年1 0 月，i e t f 提出了移动i p v 4 协议的相关标准( 草 案) ，主要包括r f c 2 0 0 2 、r f c 2 0 0 3 、r f c 2 0 0 4 、r f c 2 0 0 5 和r f c 2 0 0 6 等文档。r f c 2 0 0 2 定义了移动i p v 4 协议【l 】，其它r f c 文档【2 】【3 】【4 】【5 1 分别定义了移动i p v 4 的相关技术。 但是，由于口v 4 自身的不足，如i p 地址匮乏，安全性不好等原因，使得在基于i p v 4 的网络上开展移动i p 应用非常困难。虽然移动i p v 4 协议几经修改，但是仍然没有得到广 泛应用。移动i p v 6 协议是随着i p v 6 协议一起发展起来的新的移动i p 协议。2 0 0 4 年6 月， i e t f 提出了移动i p v 6 第一个协议标准，r f c 3 7 7 5 6 1 。该文档定义了移动i p v 6 协议的主要 操作实体和实体间的基本操作。i p v 6 以其丰富的地址空间，较高的安全性和服务质量以 及较好的移动性支持，使得i p v 6 在移动通信领域得到了广泛地应用。 现有网络正处于i p v 4 到i p v 6 的过渡时期，固定数据通信已经充分发展，过渡难度较 高，而移动数据通信则是刚刚起步，而且发展迅速，成为i p v 6 的最佳切入点 】。移动i p v 6 协议必将成为未来全i p 移动网络中的基础性重要协议。 1 1 2 移动i p 工作机制 移动i p 是一种网络协议，工作在t c p i p 协议模型的网络层。它使移动主机可以在不 同网络间自由移动而同时又不中断现有的通信连接。按照现有的网络协议，当主机从一个 子网移动到另一个子网时需要对主机的网络地址进行重新配置。如果没有特殊的网络协议 的支持，主机将不得不中断正在进行的通信。移动i p 协议则可以使主机自由移动而无需 改变原来的地址，同时对传输层和应用层保持了透明性。 可以将移动i p v 4 的工作机制简单的概括为以下几个步骤： ( 1 ) 家乡代理和外地代理不停地向网络发送代理通告消息，声明自己的存在。 ( 2 ) 移动节点接收这些消息，并根据接收到的消息确定自己是在家乡网络还是在外 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一荦绪论 地网络。 ( 3 ) 如果移动节点发现自己仍然在家乡网络，即收到的是家乡代理发来的消息，则 不必启动移动i p 功能。如果移动节点是从外地网络重新返回家乡网络的，则需要向家乡 代理发送取消注册的消息，声明自己回到了家乡网络。 ( 4 ) 当移动节点发现自己移动到外地网络时，则需要获得一个转交地址，这个地址 有两种类型：一种是外地代理的i p 地址；另一种是通过某种机制获得的新的临时i p 地址。 ( 5 ) 然后移动节点向家乡代理注册，将所获得的转交地址通知家乡代理。 ( 6 ) 注册完毕后，所有发往移动节点的数据包将被家乡代理经由“i p 隧道”发往外 地代理，外地代理再把数据包转发给移动节点。这样，即使移动节点已经由一个子网移动 到另外一个子网，发往移动节点的数据包仍然能够正确地到达。 ( 7 ) 移动节点发往通信对端的数据包按正常的i p 方式送出，不必通过家乡代理。 1 2 移动i p 研究的热点 目前，移动i p 的标准化工作还在进行中，在移动i p 的实现和研究过程中也遇到了很 多问题，其中涉及的热点问题主要包括以下几方面： ( 1 ) 路由优化：路由优化主要是移动i p v 4 中的问题，通信对端向移动节点发送的数 据包首先要到达家乡代理，而后由家乡代理通过隧道转发给移动节点，而移动节点可以直 接向通信对端发送数据包，因此三个实体之间形成“三角路由 。“三角路由”问题会增加 数据包传输的时延，占用较多的网络资源并且加重家乡代理的负担，因此必须采用合理的 路由优化技术。 ( 2 ) 平滑切换：当移动主机在不同网络间移动时，经常需要发生网络层的切换。切 换过程包括移动检测、新转交地址的配置和地址的重新绑定注册。切换过程一般会花费较 长的时间，其间可能造成网络连接的暂时中断和数据包丢失，这将给现有的通信带来非常 严重的问题，所以移动i p 需要平滑的切换技术。 ( 3 ) 网络性能：当某个网络内的移动节点数目较多时，移动节点、通信对端和家乡 代理之间的绑定更新消息和其它安全认证消息占用过多的网络带宽。由于移动i p 大多工 作在无线网络中，而无线网络的带宽是非常宝贵的资源，所以必须尽可能减少网络带宽的 开销。另外，数据包在无线网络的传输过程中也可能经常会产生错误和丢失，从而影响通 信的质量，所以在设计移动i p 协议时还应考虑到网络的性能问题。 ( 4 ) 安全性：安全性是决定移动i p 能否得到广泛应用的至关重要的因素之一。目前， 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 移动p 中采用了多种认证机制和加密方法来防止恶意用户的攻击 g l ，在很大程度上克服 了移动p 中的安全隐患。但是，目前还有很多安全问题没有得到很好的解决，例如，密 钥的管理和分配、安全软件和集成化以及防止拒绝服务攻击等。当前的目标是如何利用各 种安全手段来提供最优的安全性能。 1 3 本文研究动机及组织结构 移动i p 是一种在i n t e m e t 上提供移动功能的方案，它具有可扩充性，可靠性和安全性， 并使节点在切换链路时仍然可以保持正在进行的通信，提供了一种i p 路由机制，使移动 节点以一个永久的i p 地址连接到任何链路上。但是，移动i p 仍然存在着许多性能问题。 而其中由于移动切换造成的延迟和丢包是移动i p v 6 中一直探讨的焦点问题。 目前针对改进移动i p v 6 的切换性能的研究有两大方向：一是快速移动i p v 6 切换，一 是层次型移动i p v 6 。 层次型移动i p v 6 被设计用来降低由切换引起的移动节点与家乡代理及通信对端间的 消息交互量，并且同时能够缩短切换时延。其主要方法是在网络中设置多个移动锚点，对 移动节点进行区域管理。层次型移动i p v 6 研究的两大热点是移动锚点选择算法及移动锚 点负载平衡，i e t f 提出的层次型移动i p v 6 的最新r f c 文档【9 】建议对这两个议题进行更深 一步的研究。当前研究最广泛的方法是基于移动节点速度估计的移动锚点选择方案，此方 案在一定程度上也能实现移动锚点负载平衡。但是此方案灵活性较差，对移动节点速度估 计的精确度也不太理想。本文提出一种移动锚点选择新方案。新方案在基于移动节点速度 估计的移动锚点选择方案基础上，引入动态移动锚点负载平衡算法，较好地保证了网络的 负载平衡性，同时对移动节点速度估计方法作出了改进，提高了估计结果的精确度。 本文以后的章节组织如下： 、 第二章介绍了i e t f 标准移动i p v 6 协议，包括移动t p v 6 的报文消息格式，各种消息 的交换和移动i p v 6 的关键技术，并且把其与移动i p v 4 协议进行了分析比较。第三章介绍 了层次型移动i p v 6 协议( h m i p v 6 ) ，重点描述了h m i p v 6 协议的操作及移动节点的两种 切换方式，详细分析了h m i p v 6 对m i p v 6 所做出的改进。第四章提出了一种新的移动锚 点选择方案，这种方案是在基于移动节点速度估计的m a p 选择方案基础上引入负载平衡 算法，有效的维护了网络的负载平衡性。第五章通过实验对新的算法进行了性能分析，并 评价了各参数对算法的影响。最后，第六章对本文研究的工作进行了总结，并对后续工作 做了展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p v 6 技术 第二章移动i p v 6 技术 移动i p v 4 存在着诸如“三角路由”、安全认证等很多问题，并且i p v 4 对于移动性的 支持是非本质的、附加性的功能，因此实现起来比较复杂，效率不高。i p v 6 的出现是移 动计算的一个重要里程碑，由于i p v 6 是完全重新设计的，它预见到必须有效满足移动性 计算的要求，因此在协议设计方面提供多种对移动用户的支持。移动i p v 6 作为i p v 6 协议 不可分割的一部分，成为i p v 6 本质性的功能之一。3 g p p 2 已经采纳移动i p v 6 作为未来全 口网络的移动管理协议【1 0 1 。在本章，我们首先介绍移动i p v 6 协议，然后讨论移动i p v 6 的工作机制以及移动i p v 6 相对于移动i p v 4 的改进。 2 1 移动i p v 6 简介 2 1 1 移动i p v 6 功能实体及关键术语 ( 1 ) 移动节点( m o b i l en o d e ，m n ) ：一种能够从一条链路移动到另外一条链路，在 移动的过程中仍然可以通过其家乡地址与外界保持通信的节点。 ( 2 ) 家乡代理( h o m e a g e n t ，h a ) ：移动节点家乡链路上的一个路由器，移动节点 向其注册了当前的转交地址。当移动节点不在家乡时，家乡代理截获家乡链路上发往移动 节点的数据包，进行封装后，通过隧道发送给移动节点注册的转交地址。 ( 3 ) 通信对端( c o r r e s p o n d e n t n o d e ，c n ) ：指所有与移动节点通信的对等节点。 ( 4 ) 家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ：指分配给移动节点的永久的i p 地址，它属于移动 节点的家乡链路。标准的i p 路由机制会把发给移动节点家乡地址的分组发送到其家乡链 路。当移动节点在家乡链路上有多个家乡子网前缀时其可以有多个家乡地址。 ( 5 ) 转交地址( c a r e o f a d d r e s s ，c o a ) ：指移动节点访问外地链路时获得的i p 地址。 这个i p 地址的子网前缀是外地子网前缀。移动节点同时可得到多个转交地址，其中注册 到家乡代理的转交地址称为主转交地址。 ( 6 ) 家乡链路( h o m el i n k ) ：指对应于移动节点家乡子网前缀的链路。 ( 7 ) 外地链路( f o r e i g nl i n k ) ：指除了其家乡链路之外的任何链路。 ( 8 ) 家乡子网前缀( h o m es u b n e tp r e f i x ) ：指对应于移动节点家乡地址的i p 子网前 缀。 ( 9 ) 外地子网前缀( f o r e i g ns u b n e tp r e f i x ) ：对于一个移动节点而言，指除了其家乡 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二苹移动i p v 6 技术 子网前缀之外的任何i p 子网前缀。 ( 1 0 ) 绑定( b i n d i n g ) ：指移动节点家乡地址和转交地址之间的关联。 ( 1 1 ) l 2 切换( l a y e r2h a n d o v e r ) ：移动节点从一个链路层切换到另一个链路层的 过程。例如，移动节点改变无线接入点( a p ) 的过程就是l 2 切换。 ( 1 2 ) l 3 切换( l a y e r3h a n d o v e r ) ：通常发生在l 2 切换之后，移动节点检测到子网 前缀的改变，需要改变其转交地址时。例如，改变无线接入点后，移动节点改变接入路由 器的过程就是l 3 切换。 2 1 2 移动i p v 6 基本操作 不管移动节点是在家乡网络还是在外地网络，移动节点总是保持着家乡地址的可达 性。当移动节点在家乡链路时，目的地为移动节点家乡地址的数据包被按照传统的 i n t e m e t 路由机制发送到移动节点的家乡网络。当移动节点移动到外地时，将不再能够收 到其它节点发向家乡网络的数据包。为了解决这个问题，我们下面介绍一下移动i p v 6 机 制如何传送数据包。 移动i p v 6 的工作原理简述如下： 家乡地址移动节点 对端节点 图2 1 移动i p v 6 工作原理示意图 ( 1 ) 家乡网络和外地网络中的代理和路由器周期性地在链路中广播路由器通告 ( r o u t e r a d v e r t i s e m e n t ，r a ) 。r a 为i c m p v 6 报文。 ( 2 ) m n 根据接收到的r a 来确定它当前是连接在家乡链路上还是在外地链路上。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二苹移动i p v 6 技术 如果连接在家乡链路上，它就和任何固定主机和路由器一样工作。 ( 3 ) 当m n 连接在外地链路上，则根据接收到的r a 报文中m 位的置位情况，来决 定采用无状态地址自动配置( s t a t e l e s sa d d r e s sa u t o c o n f i g u r a t i o n ) 方法【l l 】或者有状态地址 自动配置( s t a t e f u la d d r e s sa u t o c o n f i g u r a t i o n ) 方法【1 2 1 来获得转交地址。 ( 4 ) m n 在获得转交地址后，向h a 发送绑定更新b u ( b i n d i n gu p d a t e ) 消息，为 的家乡地址和转交地址在h a 上建立绑定。 ( 5 ) m n 同时也会将转交地址通知给正在进行通信的c n ，过程与( 4 ) 类似。 ( 6 ) c n 发送分组给m n 时，首先根据分组的目的i p 地址查询它的绑定缓存，如果 在绑定缓存中存在匹配，则直接发送分组给移动节点。如果不存在这样的匹配，则将分组 发送到其家乡地址。发向家乡地址的分组被路由到m n 的家乡链路，然后经过h a 的隧 道转发到达m n ，m n 根据收到h a 转发的i p v 6 分组判断c n 的绑定缓存中没有自己的匹 配，因而向c n 发送绑定消息建立绑定，c n 就可以直接把分组发送到m n 的转交地址。 这样就可以避免移动i p v 4 中存在的“三角路由 ，实现路由优化【1 0 】。 ( 7 ) m n 可以直接发送分组给c n ，设置分组的源地址为m n 的当前转交地址，家 乡地址选项中是m n 的家乡地址。当分组到达后，c n 从家乡地址选项中取出家乡地址， 互换转交地址和家乡地址的位置再交给上层，从而隐藏了转交地址的使用，保证了操作对 于上层协议的透明性。 2 2 移动i p v 6 新增内容 移动i p v 6 的设计借鉴了开发移动i p v 4 的经验，并且利用了i p v 6 协议提供的新特性， 加强了对移动性的支持，但和移动i p v 4 作为i p 协议的补充不同，移动i p v 6 协议正在成 为i p v 6 协议不可缺少的部分，而且对移动i p v 4 有很多显著的改进。下面对这些情况进 行简单的介绍： 2 2 1 新的移动i p v 6 消息及选项格式 1 移动报头： 移动报头( m o b i l i t yh e a d e r ) 是i p v 6 的一个新的扩展报头，用于移动节点、通信对 端和家乡代理中绑定信息的创建和管理。移动报头的类型为1 3 5 ，具有以下格式： 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动l p v 6 技术 o81 62 43 1 净荷协议报头长度 移动报头类型保留 校验和 消息数据 图2 2 移动报头格式 其中，移动报头类型字段( m ht y p e ) 指示了移动报头中所带的消息类型，目前移动 报头共定义了8 种消息类型： 绑定更新请求消息( b i n d i n gr e f r e s hr e q u e s tm e s s a g e ，b r r ) ，类型值= o ，仅可以由 通信对端发送给移动节点，用于要求移动节点更新其地址绑定。当移动节点的地址绑定生 命期快要结束时，如移动节点和通信对端仍在通信，通信对端可以发送该消息给移动节点 要求更新其地址绑定。移动节点收到该消息后，可以决定是否重新发送地址绑定更新消息。 绑定更新请求消息的格式如下： 0 81 6 2 4 3 l 保留 l j移动选项 图2 3 绑定更新请求消息格式 家乡测试初始消息( h o m et e s ti n i t i a t em e s s a g e ，h o t i ) ，类型值= 1 ，该消息用于初 始化返回路由可达过程，由移动节点经家乡链路发送给通信对端。消息的格式如下： -0 81 62 43 l 保留 家乡初始c o o k i e 移动选项 图2 4 家乡测试初始消息格式 转交测试初始消息( c a r e o f t e s ti n i t i a t em e s s a g e ，c o t i ) ，类型值= 2 ，该消息用于初 始化返回路由可达过程，由移动节点直接发送给通信对端。消息的格式如下： 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p v 6 技术 0 81 6 2 43 l 保留 转交初始c o o k i e 移动选项 图2 5 转交测试初始消息格式 家乡测试消息( h o m e t e s t m e s s a g e ；h o t ) ，类型值= 3 ，该消息由通信对端发送给移 动节点的家乡地址，作为对家乡测试初始化消息的回应。消息的格式如下： o 81 62 43 l 家乡随机数索引 家乡初始c o o k i e 家乡密钥生成令牌 移动选项 图2 6 家乡测试消息格式 转交测试消息( c a r e o f t e s tm e s s a g e ，c o t ) ，类型值- - 4 ，该消息由通信对端发送给 移动节点的转交地址，作为对转交测试初始化消息的回应。消息的格式如下： 081 62 43 l 转交随机数索引 转交初始c o o k i e 转交密钥生成令牌 移动选项 图2 7 转交测试消息格式 绑定更新消息( b i n d i n gu p d a t em e s s a g e ，b u ) ，类型值= 5 ，用于移动节点转交地址 的绑定注册，由移动节点发送给家乡代理或通信对端，以请求它们将移动节点的家乡地址 与转交地址进行绑定。消息的格式p n t ： 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动l p v 6 技术 081 6 2 43 l 序列号 ahlk 保留 生存周期 移动选项 图2 8 绑定更新消息格式 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 tm e s s a g e ，b a ) ，类型值- - 6 ，用于确认对 收到了绑定更新消息，由家乡代理或通信对端发送给移动节点。消息的格式如下： 081 6 2 43 l 状态k保留 序列号生存周期 移动选项 图2 9 绑定确认消息格式 绑定出错消息( b i n d i n ge r r o rm e s s a g e ，b e ) ，类型值三7 ，用于通信对端通知移动节 点有关绑定错误的信息，如未知的家乡地址选项或未知的移动报头格式等等。消息的格式 如下： 081 62 43 1 状态保留 家乡地址 移动选项 图2 1 0 绑定错误消息格式 2 移动选项 移动报头可以包含零个或多个移动选项( m o b i l i t yo p t i o n s ) ，移动选项位于移动报头 的消息数据( m e s s a g ed a t a ) 部分，用于扩展移动报头中不同消息类型的功能。移动选项 的通用格式及类型如下： 081 6 2 4 3 1 j 选项类型选项长度选项数据 图2 1 1 移动选项格式 填充选项，包含填充1 ( 类型o ) 和填充n ( 类型1 ) 选项，用于移动报头数据的对 齐，分别在移动报头的移动选项区域中插入一个或多个字节。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p v 6 技术 绑定更新建议选项( b i n d i n gr e 舶s ha d v i c eo p t i o n ) ，类型为2 ，仅用于家乡代理对移 动节点的绑定应答消息中，要求移动节点更新其地址绑定。 备用转交地址选项( a l t e r n a t ec a r e o f a d d r e s so p t i o n ) ，类型为3 ，仅用于绑定更新消 息中，其中包含了移动节点新的转交地址。当移动节点改变了转交地址后可以通过该选项 告知家乡代理或通信对端。 随机数索引选项( n o n c ei n d i c e so p t i o n ) ，类型为4 ，用于移动节点发往通信对端的 绑定更新消息中，且必须与绑定授权数据选项一起出现时有效，该选项的目的是为了增强 绑定更新的安全性。 绑定授权数据选项( b i n d i n ga u t h o r i z a t i o nd a t ao p t i o n ) ，类型为5 ，用于移动节点和 通信对端之间的绑定更新和绑定应答消息中，其中包含了绑定所需的认证数据( 9 6b i t s ) ， 该选项的目的也是为了增强绑定更新的安全性。 3 第2 类路由报头 移动i p v 6 定义了一个新的扩展报头类型，即第2 类路由报头，它允许通信对端发送 的数据包直接路由到移动节点的转交地址，实现移动节点和通信对端之间通信的路由优 化。移动节点的转交地址被插入至数据包的目的地址字段，而移动节点的家乡地址则被放 进第2 类路由报头中。第2 类路由报头与正常的i p v 6 源路由报头( 类型0 路由报头) 不 同，它仅包含一个路由地址，即移动节点的家乡地址，而且它仅可以被移动节点处理。防 火墙可以区分这两种不同的路由报头，从而采取不同的策略。类型2 路由报头的格式如下： 081 62 4 3 l 下一个报头路由报头长度= 2路由类型= 2 剩余段= 1 保留 家乡地址 图2 1 2 第2 类路由报头格式 4 家乡地址选项 家乡地址选项是一种新的目的地址选项扩展报头，选项类型值为2 0 1 ，用于移动节点 在离开家乡时发送的数据包中，用来告知接收方移动节点的家乡地址。格式如下： l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动1 1 6 技术 o81 62 4 3 1 选项类型选项长度 l 家乡地址 图2 1 3 家乡地址选项格式 5 新的i c m p 报文 移动i p v 6 还定义了4 种新的i c m p 报文类型，用于移动节点家乡代理地址的动态发 现和家乡网络前缀信息的获得。它们分别为： 家乡代理地址发现请求消息( h o m e a g e n t a d d r e s sd i s c o v e r yr e q u e s tm e s s a g e ) ：移动 节点发送该消息到家乡代理的任播地址，请求家乡代理返回它的全球单播i p 地址。 家乡代理地址发现应答消息( h o m e a g e n t a d d r e s sd i s c o v e r yr e p l ym e s s a g e ) ：家乡代 理收到请求消息后，返回该消息给移动节点，其中包含了家乡链路上的家乡代理的i p 地 址列表。 移动前缀请求消息( m o b i l ep r e f i xs o l i c i t a t i o nm e s s a g e ) ：当家乡网络重新配置前缀后， 移动节点发送该请求给家乡代理来获得新的前缀信息，以便配置和更新自己的家乡地址。 移动前缀广告消息( m o b i l ep r e f i x a d v e r t i s e m e n tm e s s a g e ) ：家乡代理发送此消息至移 动节点，分发移动节点家乡网络新的前缀信息。 2 2 2 新定义的数据结构 为了实现移动i p v 6 协议的基本操作，除了定义新的消息和选项结构之外，移动i p v 6 还定义了三种概念性数据结构。 ( 1 ) 绑定缓存( b i n d i n gc a c h e ) ：绑定缓存用于保存关于其他节点的绑定信息，包括 与移动节点“家乡注册”或者“通信对端注册 相关的表项。每个家乡代理和通信对端都 要维护绑定缓存。 ( 2 ) 绑定更新列表( b i n d i n gu p d m el i s t ) 每个移动节点都应该维护绑定更新列表， 记录与它所发送的每个尚未过期的绑定更新相关的信息，包括移动节点发向通信对端及其 家乡代理的所有绑定更新。 ( 3 ) 家乡代理列表( h o m e a g e n tl i s t ) ：家乡代理为它所服务的每个链路都单独维护 一个家乡代理列表，记录通过设置家乡代理( h ) 位的路由器通告所探测到的每个家乡代 理的信息。家乡代理列表用于动态家乡代理地址发现期间通知移动节点。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p v 6 技术 2 3 移动i p v 6 的关键技术 2 3 1 移动i p v 6 的切换问题 移动节点从一个子网移动到另一个子网就会发生移动切换( h a n d o v e r ) 。移动节点在 新的子网获得新的转交地址，因此，移动节点需要向家乡代理重新注册，以及向通信对端 重新绑定。在移动i p v 6 切换过程中，由于消息传输和协议处理都需要时间，加上无线链 路的高误码率、无线链路的高强度动态变化等多方面的原因，切换可能导致移动节点在一 定时间内不能发送和接收数据分组，从而引起通信对端与移动节点之间的通信暂时中断。 这种中断引起的切换时延及丢包对实时业务，如v o l p 等来说是不可接受的【1 3 1 。为了减少 切换对服务质量的影响，目前主要有以下几种主要的切换方法： 层次化管理 低延迟切换 快速切换 平滑切换 目前研究较多并且比较成熟的方法一个是移动i p v 6 快速切换，另个是层次型移动 i p v 6 。 2 3 1 1 移动i p v 6 快速切换 快速切换可以看作是采用一种基于链路层移动触发的预先切换技术【1 4 】。在移动节点 移动到新的链路之前，先启动一个切换过程，预先获取新链路上的转交地址。切换过程通 过在新旧接入路由器之间以及接入路由器与移动节点之间交换注册的消息来实现。具体是 指当移动节点和旧接入路由器( p r e v i o u s a c c e s sr o u t e r ，p a r ) 还保持着第二层的连接时， 移动节点或者p a r 能预测移动节点将会进入到一个新的网络，从而发起移动节点和新接 入路由器( n e w a c c e s sr o u t e r ，n a r ) 之间的第三层的切换。这种方法需要移动节点预先 知道自己即将移动到新链路，因此需要第二层的支持。 2 3 1 2 层次型移动i p v 6 层次型移动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 ) 的目的是，通过采用层次型路 由结构，减少移动节点与家乡代理和通信对端的信令交互量，减少切换引起通信中断的时 间。在h m i p v 6 中，引入一个新的实体，称为移动锚点( m o b i l i t ya n c h o rp o i n t ，m a p ) 。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二苹移动i p v 6 技术 可以把网络划分为多个区域，每个区域包含多个子网，每个子网都包含接入路由器，每个 区域中可以包含一个或多个m a p 。m a p 本质上是一个本地家乡代理，移动节点通过m a p 获得区域地址( r e g i o n a lc a r e - o fa d d r e s s ，r c o a ) ，并且将它的链路转交地址( o n - l i n k c a r e - o fa d d r e s s ，l c o a ) 与之绑定。移动节点使用r c o a 向家乡代理和通信对端进行绑 定。当移动节点在m a p 的区域内通信时，就可以不需要向家乡代理和通信对端重新建立 绑定，只需要向m a p 重新注册l c o a ，从而减少了在区域内子网间切换引起的通信中断 时间。此外，h m i p v 6 的实现与底层的接入技术无关，它允许移动节点在不同类型的接入 网中或在不同类型接入网之间进行移动。 需要注意的是，h m i p v 6 的概念仅仅是对移动i p v 6 协议的一个扩充。如果在访问的 网络中发现网络具有这样的扩充功能的时候，我们应该选择使用m a p 对移动节点进行定 位。而在没有这样扩充功能的网络内或我们访问的网络不适合这种功能的时候，仍然可以 使用标准移动i p v 6 协议中的家乡代理对移动节点进行定位。 2 3 2 移动i p v 6 的安全机制 移动婵在网络层实现移动互动，主要由于移动环境的开放和移动节点本身不断切换 到不同链路带来了潜在的安全问题。在移动i p v 6 中，潜在的安全问题多数来自错误的绑 定更新消息。对于移动节点给通信对端发送绑定更新消息，攻击者可能向通信对端发送伪 装的注册消息，使得通信对端发送的分组重定向到攻击者指定的地方，而不是到达目的地。 同样，如果攻击者重放移动节点曾经发送过的绑定更新消息，则发向移动节点的分组将被 发送到移动节点以前的转交地址。 移动i p v 6 提供了许多安全机制，把i p s e c 协议集成到i p v 6 标准中，利用认证头( a h ) 和封装安全净荷( e s p ) 来对绑定更新消息进行安全保护。但是在移动节点和通信对端进 行通信之前，需要在它们之间维护一种安全关联( s a ) ，同时在安全策略数据库中创建合 适的表项。此外，对于与移动节点交互的数据分组，可以采用与静止节点类似的方法进行 保护。 2 4 移动i p v 6 与移动i p v 4 的比较 从技术上对移动i p v 6 与移动i p v 4 进行比较，移动i p v 6 的优势非常明显，主要体现 在以下方面： ( 1 ) 地址空间i p v 4 地址空间为3 2 位，而i p v 6 为1 2 8 位，因此i p v 6 有着巨大的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p v 6 技术 地址空间，这对于充满生机的移动市场来说是非常诱人的。采用i p v 6 之后，i p v 4 中的网 络地址翻译( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n ，n a t ) 技术将不再需要，这将使移动i p v 6 的 部署更加简单直接。由于不再需要管理内部地址与公网地址之间的网络地址翻译和地址映 射，使得网络的部署工作只需要管理比i p v 4 少的网络元素和协议即可。 ( 2 ) 端到端的对等通信今天的互联网上n a t 被广泛使用，绝大多数的应用都是 基于客户端服务器的方式，这种状况完全无法满足人们对未来移动网络的要求，因为移 动手机之间以及与其它网络设备之间的通信绝大部分都要求是对等的，因此需要有全球地 址而不是内部地址，去掉n a t 将使通信真正实现全球可达、任意点到任意点的连接、网 络发起( n e t w o r k i n i t i a t e d ) 的p 业务等，这对于未来蜂窝网络和互联网之间的互通 ( i n t e r w o r k i n g ) 来说是最有益的，对这些网络的持续成功发展是至关重要的。 ( 3 ) 结构层次i p v 6 不仅能提供大量的i p 地址以满足移动通信的飞速发展，而 且可以根据地区注册机构的政策来定义i p v 6 地址的层次结构，从而减小路由表的大小， 并且可以通过地区本地地址和选路控制来定义某个组织的内部网络