（通信与信息系统专业论文）freebsd下移动子网协议的研究与实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动子网协议的研究与实现 摘要 随着i n t e m e t 和无线通信技术的迅猛发展，广大用户对于目前i p 网络 支持移动性的需求越来越迫切。i p v 4 网络环境下的移动性支持己经日趋完 善，但由于i p v 4 网络本身的缺陷，对移动性的支持有限，移动i p v 4 已经 不能满足现实的需求。i p v 6 协议簇的研究与实现到目前已经取得了战略性 成果，成为下一代网络的首选，所以研究如何为工p v 6 网络提供有效的移动 性支持迫在眉睫。 基于i p v 6 协议的移动技术充分利用了i p v 6 协议的优点，能够满足人 们提出来的移动性需求，并且解决了移动i p v 4 协议下的三角路由、切换高 延时、安全性差、地址空间不足等问题，使得移动设备能随时随地接入互 联网络。 m i p 6 协议和n e m o 协议分别针对主机移动和网络移动进行了研究。 本文在仔细分析f r e e b s d 操作系统的特性及其网络协议栈组成的基础上， 详细研究了这两种协议的工作原理和机制，在f r e e b s d 操作系统上对两种 协议进行了实现的初探。 论文遵守软件工程的开发流程，对两种协议进行了严格的实现。论文 第四章详细说明了总体设计思想和实现的方法、步骤，重点突出了有限状 态机的设计与实现，在第五章设计了测试用例，进行了功能性测试，得出 测试结果，并与预期目标进行了对比，验证了论文实现的效果。最后对今 后的研究进行了展望，确定了以后工作的方向和重心。 关键词：移动i pn e m o 有限状态机移动路由器 ! ! 塞奎望查兰堡主兰垒笙苎 三! ! ! 里兰里! 堡垫三塑垫塑塑竺茎兰壅翌 a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p i n g o f1 1 1 t e m e ta n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y 恤er e q u i r e m e n to fc u r r e n ti pn e t w o r k st os u p p o 九m o b j l 】t yf o rm e g r e a tm a s so fu s e r sb e c o m e se x i g e n t t h es u p p o no fm o b i l i t yb y1 p v 4 n e t w o r k s e n v i r o m e mh a sb e e na l r e a d yc l o s et op e r f e c t ，b u tt h es u p p o ni s f a i r l y1 i m i t e db e c a u s eo ft h es h o r t c o m i n g so ft h e m s e l v e s ，s oi t c a l l ts a t i s f y u s e r s p r a c t i c a ld e m a n d a tp r e s e n tm er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f i p v 6p r o t o c o l s u i t e sh a sa l r e a d ya c q u i r e ds 廿a t e g i cp r o d u c t i o na i l dm a l ( e si p v 6b et h ef i r s t c h o i c eo ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s w o f l ( i n go v e rh o wt os u p p o r tm o b i l i t y b yi p v 6 n e t w o r k si sj u s ti n 食o n to f p e o p l e m o b i i et e c h n o l o g yb a s e do ni p v 6p r o t o c o l sf u l l yu t i l i z e st h em e r i to f t h e m ， s oi tc a nm e e tu s e r s m o b i l i t yr e q u i r e m e mw h i l er e s o l v i n gp r o b l e m sb a s e do n i p v 4s u c ha sh a n g i l l a rr o u t i n g ，b i gd e l a yh a n d o v e r b a ds e c u n t y ，s h o r to f a d d r e s s e sa n ds oo n i tc o u l dm a k emo _ b j l ed e v i c e sa c q u i r ea c c o s st oi m e m e t a n ”i m ea n y w h e r e m i p 6 p r o t o c o la r n e m op r o t o c o ls t a ns t u d ya n d e s e a r c hs e p a r a t e l yo n h o s tm o b i l i 母a n dn e “，o r km o b i l i t y a tf i r s tt h i sp a p e ra n a t o m i z e sm ec h a r a c t e r s o fo so ff r c e b s da 1 1 di t sn c c o r kp r o t o c o l ss t a c k ，t h e ns t l l d y st h ee r n p l o y m e n t p r i n c i p l e sa i l dm e c h a n i s m so fm e s em op r o t o c o l s ，f i n a l l ys t a r t s a t r y o f r e a l i z a t i o no f t h e m a b i d i n gb yt h ed e v e l o p m e n tp r o c e d u r eo fs 0 f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h i s p a p e rs m c t l yi m p l e m e n t sa c c o r d i n gt om e s et w op r o t o c 0 1 s i td e s c r i b e st h e o v e r a ud e s i g n i n gp l a na n d 印p l y i n gm e t l l o d sa n ds t e p si nc h a p t e r4w i mt h e e m p h a s i so fd e s i g na n dr e a l i z a t i o no ff i n i t es t a t em a c h i n e i nc h a p t e r5 ，t h i s p a p e rp l a n ss o m et e s ts a m p l e sa n dc a r r i e so u tf l l n c t i o n a l i t yt e s t se d u c i n gt e s t r e s u l t s c o h 磷畹l g 忙s et e s t 嗽m l t sw i 血e x p e c t e dg o a l s ，t h ep a p e rv e r m e st h e p r o d u c t i o no f 也er e a l i z a t i o n a tl a s t 也ep 印e ra n a l y z e st h er e s e a r c hi nt h e f u m r ea n dm a k e ss u r et h ew o r k j n gd 抒e c t i o na 1 1 de n l p h a s j sf o rl h ef u t u r e k e y w o r d s ：m o b i l ei p n e t w o r km o b i l i t yf i n i t es t a t em a c h i n e m o b i l er o u t e r i i 北京交通大学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动子网协议的研究与实现 独创性说明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京交通 大学或其他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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j b 京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被套阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论 文中所有创新和成果归北京交通大学i p 网络实验室所有。未经许可，任何 单位和个人不得拷贝。版权所有。违者必究。 签名导师签名 助 卜l 一 北京交通大学硕士学位论文 f r e o b s d 下移动子网协议的研究与实现 1 1 研究背景 第一章绪论 在2 0 世纪最后十年及2 1 世纪以来，特别是1 9 9 5 年以来，移动通信 和互联网成为世界上发展最快、市场潜力最大、前景最诱人的两大业务， 它们的增长速度是任何预测家未曾预料到的。截至2 0 0 5 年1 月5 日，全球 移动通信用户已达到1 7 亿，互联网用户已近l o 亿f 4 ( 5 】。中国移动通信市场 用户数量超过3 2 5 亿，位居世界第，互联网用户已逾l 亿1 6 】【”。在新世 纪，它们仍然呈现蕾赢这增长的趋势。这一历史上从来没有过的高速增长 现象，反映了随着时代与技术的进步，人类对移动性和信息的需求急剧上 升。越来越多的人希望在移动的过程中高速接八互联网，获取急需的信息， 完成所想傲的事情。移动与互联网相结合成为必然的趋势。 目前互联网络采用的协议主要还是i p v 4 协议，但由于其存在地址空间 匮乏、安全性差、对移动性支持差以及q o s 服务质量差等问题，已经无法 满足这些不断产生的新的需求，在这种情况下，i p v 6 就应运两生。 作为i p 网络的新一代协议i p v 6 ，由于能够提供2 ”8 的地址资源而备 受青睐。i p v 6 协议近乎无限的地址空间，自动配置功能，扩展报头机制， 对安全的天然性支持都为互联网、无线上网、信息家电上网以及种种设计 网络的应用开启了广阔的空间【1 【3 瑚 。 正是由于i p v 6 对移动性的天然的支持，在i p v 6 的基础上制定新的移 动i p 协议也就成了非常自然的选择。i e t f 于2 0 0 3 年成立了m i p 6 工作组 和n e m o 工作组，前者对i p v 6 的移动主机进行研究，并于2 0 0 4 年6 月发 布了协议标准r f c 3 7 7 5 ：i p v 6 移动性支持和r f c 3 7 7 6 ：使用i p s e c 北京交通太学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动子网协议的研究与实现 保护移动节点和家乡代理间的i p v 6 通信，n e m o 工作组对i p v 6 网络的移 动性进行研究，并于2 0 0 5 年1 月发布了协议标准r f c 3 9 6 3 ：网络移 动性基本支持。 随着科技的进步，交通工具的迅速发展，日常生活节奏的加快，人们 对交通工具的使用越来越频繁，耗费在交通工具上的时间比例越来越高， 人们在乘坐大型交通工具( 如轮船，飞机，火车等) 的同时也希望接入互 联网络，享受无时无刻不在的网络服务，这就对移动i p 技术赋予了新的含 义，移动i p v 6 协议只是解决了移动主机的移动问题，而不能解决此类整个 网络的移动性问题，于是移动网络协议的标准化和产业化就成了热门话题。 n e m o 工作组就是针对此类移动接入需求而展开标准化研究的。 这些问题主要还是i p v 4 协议自身缺陷导致的，所以升级到移动i p v 6 势在必行。同时由于时代的发展，一些应用对移动i p 技术产生了新的需求， 比如人们在乘坐大型运输工具( 如轮船，飞机，火车等) 的同时也希望接 入网络，享受无时无刻不在的网络服务，这就对移动i p 技术赋予了新的含 义，移动i p v 6 协议只是解决了单一移动节点的移动问题，而不能解决此类 整个网络的移动性问题，于是移动网络协议的标准化和产业化就成了热门 话题。 1 。2 研究意义 由于历史的原因，在i p v 4 时代，中国在技术研究、标准制定、产品开 发等诸多方面落后于发达国家，i p v 6 的出现为我国的互联网事业提供了一 个缩小差距并有可能赶超的良机。 中国意识到了下一代互联网络的重要性及其对中国信息产业的巨大 推动作用，日前国家发改委正式就2 0 0 5 年下一代互联网( i p v 6 ) 的发展做 北京变通大学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动子隔协议的研究与实现 出规划，设备和软件开发、关键技术研究、业务与应用试验及谋求建立国 际标准成为此次规划的四大重点。政府将加大对下一代互联网的扶持力度， 在资金、政策上予以大力支科引。 移动i p 技术作为下一代互联网络技术的重要组成部分，作为用户信息 需求的重要增长部分，在信息时代的意义不言而喻。本论文基于这样的出 发点，紧跟时代的潮流，追随信息的脚步，积极研究跟进移动i p 技术的发 展趋势。2 0 0 4 年8 月，北京交通大学i p 网络实验室已经研制出我国首台 拥有自主知识产权、技术性能达到世界先进水平的高性能i p v 6 无线路由器 一b j t u l p v 6 无线移动路由器，可以不仅可以接入传统的i p v 4 无线局域 网，而且可以连接下一代的i p v 6 无线局域网，填补了国内在这一领域的空 白，达到了国际先进水平。 本论文在这些研究成果的基础上，继续研究移动i p 技术的发展趋势， 着重于移动i p v 6 协议和移动网络协议的研究和实现，进行移动网络的实现 初探，对于论文国家在信息技术领域的技术革新、带动其它学科的发展以 及维护中国在世界信息领域的地位等方面将产生重大和深远的影响，具有 重要的经济和社会意义。 1 3 移动i p 技术的发展历史和现状 世界上第一个移动主机协议c o l u m b i am h p 由哥伦比亚大学的j o h n i o a n n j d i s 设计，主要思想是使用虚拟移动子网和i pi ni p 封装协议。与此同 时，s o n y 公司的f 啪i ot c r q o k a 设计了另一种移动主机协议s o n y m h p ( v i p ) ，v i p 协议使用了特殊的路由器记忆移动主机的位置，并定义了 新的i p 选项头来传递数据。不久后i b m 的c ，p e r k i n g 和y r e c k t e r 也设计 了一种移动主机协议i b mm h p ，这种协议利用了现有i p 协议中的可选功 北京交通大学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动予网协议的研究与实现 能“松散源选径”( l o o s es o u r c e r a u t i n g ) 来支持主机的移动。1 9 9 4 年a m y l e s 和c p e r k i n g s 分析了前三种移动主机协议的优缺点，重新设计了一种协议 m i p ，并将它提交给互联网学会下属的工程技术委员会( i e t f ) ，这就是现 代m o b i l e i p 协议的起源。 在1 9 9 6 年l o 月，i e t f 提出了移动i p 协议标准，主要包括r f c 2 0 0 2 、 r f c 2 0 0 3 、i u 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 l p 协议；r f c 2 0 0 3 、r f c 2 0 0 4 和r f c l 7 0 1 定义了移动i p 中用到的三种隧 道技术；r f c 2 0 0 5 叙述了移动i p 的应用；r f c 2 0 0 6 定义了移动i p 的管理 信息库m i b 1 9 】1 2 0 】。 这些协议文档一经发表，立刻引发了全球范围研究移动i p 技术的高 潮。美国哥伦比亚大学、纽约大学、卡耐基梅隆大学、新加坡国立大学、 日本科学与技术研究所、瑞典皇家学院以及f t ps o 脚a r e 、i b m 、m o t o r o l a 、 卜o k i a 、s u n 等公司都成立了相应的工作组，针对移动i p 进行研究。 i e t f 一直致力于移动i p 技术相关的标准制定方面的工作，目前已经 成立的m o b i l i t ) ro f i p v 6 ( m i p 6 ) 工作组，n e t w o r km o b i l i t y ( n e m o ) 工作 组以及m o b i l ea d - h o cn e t w o r k s ( m a n e t ) 工作组对移动i p 技术进行了研 究。 美国电气电子工程师学会( i e e e ) 对移动i p 的物理层通信协议进行 了标准化，制定了8 0 2 1 l 系列标准，包括无线局域网，蓝牙技术等终端无 线通信技术，对移动i p 技术的发展是一个极大的推动。 另外，国外一些研究团体以公开源代码的方式试验性的实现了移动 i p v 6 协议，如k 枷b 项目组发布的s h i s a 软件包、芬兰赫尔辛基技术大学 发布的m i p l 软件包等，他们对移动i p 技术的发展做着积极的贡献，同时 这些软件包处于试验阶段，在稳定性、可移植性等方面存在着不少的缺陷。 下面是国际上一些主要组织的研究： 4 北京交通大学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动子网协议的研究与实现 m i p l ( m o b i l ei p v 6f o rl i n u x ) ：该系统最早是由芬兰赫尔辛基技术大 学的 玎j ts o f t w a r ep r o j e c t 项目开发现在由赫尔辛基大学的通信与多媒体 实验室的g o c o r e 项目组负责后续的开发工作。m i p l 项目更新速度快， 并且支持最新的l i n u x 内核版本。该项目基于g n ug p l ( 通用公共许可证1 的条款发行最新版本。目前的版本为m i p 6 2 o ，全面支持r f c 3 7 7 5 ，支持 的l i n l l ) 【内核版本为2 6 8 1 。 “v s 沌m o t o m l a 的p a r i s 实验室的一个项目，主要是做1 i n u x 下的移 动平台，可以支持n e m o 协议。但到2 0 0 4 8 2 5 就停止更新了。 k 锄e ：1 9 9 8 年成立，做b s d 系统下的i p v 6 i p s e c 协议栈软件。其中 的m i p v 6 部分一宜使用e r i s s o n 的代码，从2 0 0 4 1 2 一1 3 起m i p v 6 部分的代 码集成了s h i s a ( 后面会提到) 的开发成果。 s h i s a ：隶属于w i d e 项目组，2 0 0 4 年春天成立，主要是研究b s d 下的m i p 6 ，支持n e m o 协议。开发的软件包已经于集成到k a m e 发行的 软件包中。目前全面支持r f c 3 7 7 5 和部分支持r f c 3 7 7 6 ，r f c 3 9 6 3 。本文 的实现就是借鉴s h i s a 软件包的研究成果，进行进一步研究的。 中国在此方面也不甘落后，如前文所言，北京交通大学于2 0 0 4 年研 制出我国首台拥有自主知识产权、技术性能达到世界先进水平的高性能 i p v 6 无线路由器- b j t u i p v 6 无线移动路由器；西安电子科技大学国家重 点实验室的捷通通信公司承接了作为国家8 6 3 项目之一的移动i p 技术的研 究，并成功开发了国内首台移动i p 服务器f r e e n e tb u i l d e r ，在获得国 家级认可后进入了商用通信市场。 本论文的研究是建立在北京交通大学i p 网络实验室多年来在信息技 术领域的积累之上的：2 0 0 0 年下半年，北京交通大学碑网络实验室推出 了国内首家具有自主知识产权的i p v 6 路由器，并将该技术成果转让进行了 产业化；国家8 6 3 项目“高性能i p v 6 路由器协议栈软件”的研究开发； 北京交通大学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动子网协议的研究与实现 b j t u i p v 6 无线移动路由器的研制成功等等。本论文的研究目的是研究和 实现兼容移动i p v 6 协议的移动网络协议，并建立典型性的移动网络环境， 进行功能性测试。 1 4 论文主要工作和结构 本文主要进行了如下几方面的工作： 第一，通过研究i e t f 工作组m i p 6 和n e m o 的工作内容，分析和研 究移动i p v 6 协议和n e m o 协议，了解其总体情况及其相关细节。同时， 研究与移动i p v 6 协议和n e m o 协议密切相关的其它协议( 如i p v 6 的邻居 发现协议、i p v 6 隧道封装协议) ，为实现移动i p v 6 作准备。 第二，详细分析和研究f r e e b s d 系统的i p v 6 协议栈的整个数据进出 流程、熟悉t c p i p 协议在f r e e b s d 操作系统下的具体实现。 第三，在上述两个步骤的基础上，在操作系统f r c e b s d 4 1 0 上实现对 移动i p v 6 协议以及n e m 0 协议的基本支持。 论文的组织结构如下： 第一章阐述了本论文的研究背景和意义，列出了论文的主要工作和结 构组织。 第二章介绍移动i p v 6 ( m i p 6 ) 协议以及移动网络( n e m 0 ) 协议的原 理，分析他们对i p v 6 协议的修改和扩展，对m i p 6 协议和n e m o 协议的构 成以及运行机制进行了简要的分析。 第三章介绍了f r e e b s d 操作系统的组成和特点，剖析了其网络协议栈 的工作原理，说明其有利于实现m i p 6 协议和n e m 0 协议的优点所在。 第四章阐述了m i p 6 协议以及n e m o 协议在f r e e b s d 下的具体实现 机制。 北京交通大学硕士学位论文f r e e b s d 下移动子网协议的研究与实现 第五章介绍协议软件包的配置运行和测试情况 第六章对论文进行总结，并对移动网络技术在安全、组播、q o s 等多 方面的进一步工作进行了展望。 北京交通大学硕士学位论文f 弛e b s d 下移动子网协议的研究与实现 第二章移动网络协议原理 正如绪论中所述，移动i p 技术的出现是一个必然，但在本身不提供任 何移动性支持的i p v 4 中实现对移动性的支持存在着与生俱来的种种缺陷。 l p v 6 的出现是移动i p 技术发展的一个重要里程碑。绪论中已描述的 i p v 6 的那些主要特性，对于移动无线网络的发展非常重要。因此，在i p v 6 的基础上增加对移动性的支持、提出移动i p v 6 协议就水到渠成了。本章将 根据移动i p v 6 协议( r f c 3 7 7 5 ) 和移动网络协议( r f c 3 9 6 3 ) ( 后文分别简 写为m i p 6 和n e m o ) 对移动网络技术进行介绍和分析，为实现移动网络 协议做准备。由于移动网络协议是在移动i p v 6 协议的基础上进行的扩展， 完全兼容了移动i p v 6 协议，所以本文中除特别说明，移动网络协议都包 含了移动i p v 6 协议。 2 1 移动i p v 6 协议概述 移动i p v 6 的设计借鉴了移动i p v 4 的经验，并且利用了i p v 6 提供的新 特性。其中的许多概念和操作与移动l p v 4 相同或相似，同时由于基于的网 络协议从l p v 4 升级成了i p v 6 ，因而在许多地方进行了删减和改动。下面首 先通过图2 1 介绍一下移动i p v 4 的协议原理。【2 2 【2 3 】【2 4 】f 2 5 北京交通大学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动于网协议的研究与实现 图2 - l 移动i p v 4 基本通信原理图 图2 1 中的基本操作流程如下： l ：外地代理通过代理通告消息通知移动节点其存在，或者移动节点 主动向当前访问网络发送代理请求以获得代理。移动节点通过收到的代理 通告消息来判断当前的位置，从而来确定触发何种消息。 2 ；移动节点发现自己在外地网络，于是向外地代理获得转交地址。 3 ：移动节点向家乡代理发送注册请求消息，注册其当前的转交地址。 4 ：家乡代理截获发往移动节点的数据。 5 ：家乡代理通过其和外地代理之间的双向隧道，将截获的数据发送 到移动节点的转交地址。 6 ：隧道的出口端( 可以是外地代理，也可以是移动节点自身) 江收 到的隧道报文拆封，转交给移动节点。 7 ：移动节点通过正常的路由机制将数据发送给通信节点。 移动i p v 4 需要特别的将莱些路由器配置成外地代理来处理移动i p 业 务，这增加了网络的负担：“三角路由”问题，给家乡代理带来的沉重的负 北京交通大学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动子删协议的研究与实现 担等。 下面概述移动l p v 6 协议的原理： 无论移动节点是否连接在家乡链路上，其家乡地址总是可以设定的。 当移动节点在家时，发送给家乡地址的数据包会路由到家乡链路，使用传 统的路由机制。 当移动节点移动到外地链路时，其转交地址也是可设定的。移动节点 可以使用有状态或无状态地址自动配置协议获得转交地址。移动节点通过 向家乡代理发送“绑定更新”报文来注册当前的转交地址。 与移动节点通信的“通信对端”即可以是移动的也可以是固定的。移 动节点与通信对端通过一个返回路由过程来认证绑定的建立。 移动节点与通信对端之间有两种通信模式。第一种模式是双向隧道， 这种模式不需要通信对端支持移动i p v 6 ，而且，即使移动节点没有在通信 对端注册当前的绑定，这种模式仍然可以使用。从通信对端发出的数据包 会被家乡代理截获，再通过隧道发往移动节点。从移动节点发出的数据包 先通过隧道发往家乡代理，再以正常的方式路由到通信对端。在这种模式 中，家乡代理在家乡链路上使用代理邻居发现协议截取指向移动节点家乡 地址的数据包。被截取的数据包通过隧道发送到移动节点当前的转交地址。 该隧道采用i p v 6 封装。 第二种模式是路由优化，需要移动节点向通信对端绑定当前的转交地 址。从通信对端发出的数据包可以直接路由到移动节点的转交地址。当发 送到任意i p v 6 地址的数据包时，通信对端都会检查缓存的绑定条目。若找 到匹配的条目，节点就使用新的i p v 6 路由头，将数据包路由到绑定条目指 定的转交地址。 将数据包直接发送到直接发送到移动节点的转交地址可以得到最短 的通信路径。同时也避免了家乡链路与家乡代理的阻塞。此外，还能减轻 北京交通大学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动子同坍议约研究与实现 家乡代理和相关链路的故障所引起的影响。 当直接向移动节点发送数据包时，通信对端将目的地址设为移动节点 的转交地址。同时在l p v 6 的扩展头中加入新型的路由头，包含所要求的家 乡地址。类似的，移动节点将数据包的源地址设为当前的转交地址，在i p v 6 的扩展头中加入新的目的头，包含要求的家乡地址。在数据包中包含家乡 地址，使得转交地址的使用对于i p 层以上的协议来说是透明的。 协议标准r f c 3 7 7 5 详细指明了移动i p v 6 与移动i p v 4 之问的差别，本 文就不再赘述了。下面说明一下移动i p v 6 协议的基本通信原理。 2 7 】 龉由器 图2 2 移动i p v 6 基本通信原理图 幽2 2 中的操作流程如下： 1 ；移动节点从家乡链路移动到外地链路，获取转交地址： 2 ：移动节点向家乡代理发送绑定更新消息注册当前转交地址 乡代理为移动节点建立绑定缓存项； 2 ：移动节点通过家乡代理向支持i p v 6 的通信节点绑定转交地址 家 通 北京交通大学硕士学位论文f r e e b s d 下移动子网协议的研究与实现 信节点为移动节点建立绑定缓存项： 4 ：移动节点与通信节点经过路由优化后直接进行数据通信。 2 2n e m o 协议概述 移动网络是能移动和连接到互联网络上的子网。一个移动网络只能通 过负责管理其移动的特定网关即m r 来访问。移动网络至少有一个m r ( 以 后简写为m r ) 为其服务，m r 不会把移动网络的路由信息散布到其所连结 的网络上去。但是，它同家乡代理维护一个双向隧道，h a 把移动网络的 综合信息广播到互联网中。 移动网络可以由多个嵌套网络组成，不支持移动性的路由器也可以永 久的连结在移动网络上以获取网络服务。同时，m r 可以连接到其它m r 所拥有的移动网络上，形成一个网络分片。特别的，通过网络移动性基本 支持协议，每个m r 通过单独一个接口连接到另外一个移动网络上，这样 就可以避免了回路的形成，其拓扑图是一个树状结构。 m r 具有一个家乡地址，通过注册到h a ，就可以形成移动网络的可 达性。家乡地址是通过一个由其 执聚集并通告的前缀来配置的。该前缀 可以是在家乡链路上通告的前缀，也可以是代表m r 的前缀。当在家乡链 路上有多个前缀时，m r 就可以有多个家乡地址，这样m r 就可以在其所 代表移动网络上通告一个或者多个前缀。 当m r 从其家乡链路移动然后连接到外地链路上，它就在该链路上获 得一个转交地址。m r 可以作为移动节点或m r 工作，按照r f c 3 7 7 5 中定 义，当拥有自身的通信任务时，就作为一个移动节点存在：当要为连接到 其上的移动网络提供网关服务时，便作为m r 工作。一旦m r 获得了转交 地址，就马上发送一个绑定更新到其h a 。当h a 收到该绑定更新，便建 北京交通大学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动子网协议的研究与实现 立一个绑定缓存项，将m r 的家乡地址与其当前获得的转交地址进行绑定。 如果m r 希望作为一个m r 并为移动网络内的节点提供连接服务，需 要在发送绑定更新给h a 时，将标志位r 置位。也可以通过e x p l j c i t 和 h n p l i c i t 两种模式中的一种来将移动网络前缀信息包含到绑定更新里面，这 样h a 就能截获发往移动网络的数据包，并通过隧道转发到该m r 。如果 移动网络有i p v 6 前缀，并希望h a 为所有这些前缀建立转发关系，它就在 一个绑定更新上包含多个前缀信息选项。h a 为每一个前缀建立到m r 的 转交地址的转发关系。在某些情况下，通过其它替代机制，比如静态配置， h a 已经知道了哪些前缀属于一个m r 。这些情况下，m r 不需要将前缀信 息包含到绑定更新中。当h a 收到r 置位的绑定更新消息时，就为该m r 的所有前缀建立转发关系。 h a 通过给m r 发送个绑定确认来确认绑定更新。一个设置了m r 标志位( r ) 的肯定确认表示h a 已经为移动网络建立了转发关系。一旦绑 定过程完成，一个双向隧道就在h a 和m r 之间建立起来了。该隧道的端 点是m r 的转交地址和h a 地址。如果从移动网络收到的一个包的源地址 属于移动网络前缀，m r 利用隧道，将该包发送到h a 。反向隧道通过利用 i p i n - i p 封装来实现。h a 将该包解封装，然后将其转发到通信节点。对于 由它自身产生的流量，m r 可以使用反向隧道，也可以使用时c 3 7 7 5 中描 述的路由优化。 当一个数据包由通信节点发送到移动网络的节点时，首先路由到m r 当前绑定的h a ，m r 的网络前缀应该在h a 处聚集并通告。这样通过在互 联网中通告移动网络前缀的路由信息，h a 可以截获目的地址是移动网络 的数据包。当h a 收到目的地址是移动嬲络的数据包时，将该包隧道到m r 当前的转交地址。m r 解封装该包并将其转发到移动网络连接的接口上。 m r 在解封装隧道过来的包之前必须检查外部i p v 6 头的源地址是否是h a ， 北京交通大学硕士学位论文f r e e b s d 下移动子网协议的研究与实现 但是如果包在隧道模式传送是收到了i p s e c 保护的话，这种检查就不是必 需的。m r 也必须在将包转发到移动网络之前确保内部i p v 6 头中的目的地 址属于移动网络使用的前缀，否则，就要应该丢弃该包。 移动网络的内部节点不要求必须支持移动性，移动网络内的节点可以 是固定或移动的路由器，这样就保证了网络移动对移动网络内部节点的完 全透明。连接到移动网络的移动节点将它视为普通的i p v 6 接入网络，同时 运行移动i p v 6 协议。 对于m r 和h a ，可以通过双向隧道运行一个路由协议，这样m r 就 不需要在绑定更新中包含前缀信息，取而代之的是h a 使用路由协议更新 来为移动网络建立转发关系。当运行路由协议时，需要把双向隧道当作一 个隧道接口。隧道接口就被包含到接口列表中去，同时设置路由协议为活 动状态。当离开家乡链路，连接到一个访问链路时，就应该将m r 配置为 不在它的外出接口发送任何路由协议消息。 最后，h a 可以通过m r 的家乡地址配置到移动网络前缀的静态路由， 这样路由的设置就和绑定流以及m r 的返回家乡过程完全无关。这样得到 的好处是这种移动在家乡网络形成路由更新时，不会让它产生额外的消息e 这种模型的缺点就是在给定的时间点内即使m r 已不可达( 在家乡或者外 地) 路由仍旧是可用的。 移动网络协议是对移动i p v 6 协议的扩展，完全兼容移动i p v 6 协议 正如前文所述，当m r 作为一个移动节点存在时，m r 运行的就必须是移 动i p v 6 协议。所以论文所进行的移动网络协议的研究和分析，都是建立在 对移动1 p v 6 协议的研究和分析的基础之上的，最后的实现包含了移动i p v 6 协议和移动网络协议的实现，说移动i p v 6 协议是移动网络协议的组成部分 也不为过。吲 图2 3 ，图2 4 描述了m r 从家乡链路移动到外地链路的基本模型图。 北京交通大学硕士学位论文f r c c b s d 下移动子网协议的研究与实现 移 移 移动路由器( m r ) m r h a 图2 3 移动网络模型结构图 图2 4 m r 移动示意图 图2 3 代表了一个典型的移动网络环境，有移动节点的存在，包含通 北京交通大学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动子网协议的研究与实现 信节点，还有移动网络。图中移动网络通过移动路由器( m r ) 连结在家乡 链路上，与通信节点( c n ) 进行通信，此时还没有发生移动。到图2 4 ， m r 移动到互联网中的一个外地链路，通过注册到其家乡代理m rh a ，以 保持同c n 之间通信的连续性。 2 3 协议的报文介绍 2 3 - 1 移动头( m h ) 在移动i p v 6 协议中定义了新的i p v 6 扩展头一移动头( m h ) ，协议代 码为1 3 5 ，格式如表2 1 所示 有效载荷协议报头长度移动头类型保留 校验和 消息数据 表2 1 移动头格式 有效载荷协议：8 b “，与扩展头的n e x th e a d e r 域相同，这里规定的 域值为1 p p r o t on o n e ( 5 9 ) 。 报头长度：8 b i t ，整数，表示m h 的长度，单位为8 字节，不包含 第一个8 字节。 移动头类型：8 b i t 。这是移动i p v 6 协议创建了个新的名字空间， 用来识别特定的移动报文。目前己定义了如下8 类移动报文： 北京交通大学硕士学位论文 f r e e b s d 下移动子网协议的研究与实现 移动头类型代表的消息格式 o 绑定更新请求( b i n d i n gr e f r e s hr e q u e s t ) 1家乡测试初始( h o m et e s ti n i t ) 2 转交测试初始( c a r e ，o f t e s ti n i t ) 3家乡测试( h o m et e s t ) 4 转交测试( c a r c o f t c s t ) 5 绑定更新( b i n d i n gu p d a t e ) 6 绑定确认( b i n d i n ga c l ( 1 1 0 w i e d g e m e n t ) 7 绑定错误( b i n d i n ge r t d r ) 表2 2 移动报文列表 此8 类移动具体报文格式除了5 和6 在n e m o 协议中进行了修改， 其它的参考r f c 3 7 7 5 ，除此之外的的m h 类型值会引起错误的发送。 保留：8 b i t ，保留为将来使用。发送者初始化为o ，接收者忽略。 校验和：1 6 b i t ，无符号整数。移动头的校验和。校验和的计算包括 跟在整个移动头后的“伪头部”。校验和是这些字符串和的】6 位余数。 消息数据：长度可变，应为8 位的整数倍，包含m h 的特定数据。 2 3 2 移动选项 移动报文可以包含o 个或多个移动选项，这允许特定的m h 具有可选 的域，和对报文格式的扩展。这些选项在报文消息数据域中，跟在报文的 固定部分之后。这些选项的存在可以由m h 的报头长度域指明。若包含绑 定认证数据选项，则一定要是最后一个选项，并且之前不能有填充选项 其它选项的顺序任意。 移动选项有对齐要求。依照i p v 6 的惯例，包中的这些选项是对齐的， 北京交通大学硕士学位论文胁b s d 下移动子网协议的研究与实现 这样选项数据域的多字节值可以落在自然边界处( 比如，n 字节长的域可 以放在报头开始的n 整数倍处) 。 移动选项使用t l v ( t y p e l e n g m v a l u e ) 格式，见表2 3 ： 表2 - 3 移动选项格式 选项类型( o p t i o n t 冲e ) ：8 b i i j 指示选项的类型。当处理的m h 中包 含接收端不可识别的选项时，接收端必须忽略并跳过该选项，正确处理接 下来的选项。 目前已经定义了如下表所示的选项类型 类型值名称说明 0 l 填充选项特殊选项，只占一个字符，全0 ，做对齐用 1 n 填充选项填充n 个字节，全0 2绑定更新建议 只在家乡代理响应家乡注册的b a 中出现 3替换转交地址只在b u 中使用 4 现时索引只在发送到通信对端的b u 中有效，并只能 与绑定认证数据( b a d ) 一起出现 5绑定认证数据b a d 必须是最后一个移动选项 6 移动网络前缀用来将移动网络的前缀信息通告给家乡代理 选项 表2 4 移动选项类型定义 选项长度( o p t i o nl e n g t h ) ：8 b i t ，移动选项的长度，不含选项类型和 选项长度两个字段，以字节为单位。 选项数据( o p t i o nd a t e ) ：包含选项特定的数据，长度不定。 北京交通大学硕士学位论文 f 咒e b s d 下移动子网协议的研究与实现 2 3 3 家乡地址选项 家乡地址选项由目的选项扩展头( n e x t h e a d e r 值为6 0 ) 来携带。当移 选项类型选项长度l 家乡地址 表2 5 家乡地址选 动节点离开家乡时，使用该选项来通知接收节点自己的家乡地址。家乡地 址具有如下的t l v 格式： 选项类型：2 0 1 = 0 x c 9 。 选项长度：不含选项长度域和选项类型域的选项总长度，单位为字节， 必须设为1 6 。 家乡地址：发送该报文的m r 或移动节点的家乡地址。该地址必须是 可路由单播地址 在数据包中包含家乡地址目的选项只影响接收节点对这一个包的处 理，接收节点收到这样的包并不会引起状态的建立和修改。特别的，家乡 地址选项的存在必须不去导致接收节点绑定缓存内容的改变，也不能改变 接收节点接下来发送的报文的路由。 2 3 4 类型2 路由头 移动i p v 6 定义了新的路由头变量：类型2 路由头，它允许数据包从通 信对端直接路由到移动节点的转交地址。移动节点的转交地址被置入i p v 6 的目的地址域。当数据包到达转交地址，移动节点从路由头中重新得到家 乡地址，并且作为数据包最终的目的地址。 北京交通大学硕士学位论文f r e e b s d 下移动子网协议的研究与实现 序列号 ahlkmr 保留 生存时间 移动选项 表2 7 绑定更新报文格式 新的路由头使用了与通常i p v 6 源路由不同的类型，使得防火墙对于源 路由和移动i p v 6 可以采取不同的措施。这种路由头被严格限制只能携带一 个i p v 6 地址。为了使数据包不被转发出节点，所有处理路由头的i p v 6 节 点都必须证实，包含的地址是节点自己的家乡地址。 路由头中包含的地址必须是可路由单搔地址，因为它是移动节点的家 乡地址。此外，如果家乡地址的范围小于转交地址的范围，移动节点必须 丢弃该包。 下表为类型2 路由头的格式 下一头 扩展头长度路由类型睐崂；路由片段 保留 家乡地址 表2 - 6 类型2 路由头格式 下一头：下一个扩展头，指示紧跟路由头的下一扩展头的类型。与i p v 6 的n e x t h e a d e r 域