（通信与信息系统专业论文）移动ipv6服务质量协商信令的研究和实现.pdf

摘要 随着互联网和移动通信技术的高速发展 越来越多的用户采用无线连接作 为他们的互联网接入方式 i p v 6 协议对主机移动性的良好支持使移动i p v 6 协议 成为了下一代移动环境的解决方案 然而 无线信道的多变性 高丢包率和移 动节点的频繁切换等因素给移动环境服务质量的研究带来许多新问题 其中最 关键的是主机移动性以及移动i p 协议对传统意义服务质量的影响 适合移动环 境的服务质量协商机制的出现 将在很大程度上改善移动用户的使用感受 进 一步推动移动技术的普及 本文主要针对移动环境服务质量协商的其中一种方案展开讨论 即基于 q o s 选项的移动i p v 6 服务质量协商机制 这种方案的设计思想是在移动切换发 生的同时在新传输路径上进行资源预留 并释放旧传输路径的资源 力求把原 有业务流的服务质量 中断 时间减至最短 这种方案与移动i p v 6 的信令机制 紧密结合 与其他解决方案相比 具有非常小的协商时延 移动节点切换所造 成的服务质量影响也被大大减小 同时 由于此方案建立在原有的移动i p v 6 管 理信令的基础上 对移动i p v 6 协议改动较小 相对而言容易实现 本文详细介绍了移动i p v 6 的服务质量支持草案提出的服务质量协商框架 并对之进行了修改 最后 在分析m i p l 开源移动i p v 6 实现的基础上 介绍了 我们基于l i n u x 平台的q o s 选项服务质量协商实现 关键词 移动i p v 6 切换 服务质量协商 q o s 选项 中图分类号 t p 3 9 3 4 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n m o r ea n d m o r ep e o p l eu s ew i r e l e s sc o n n e c t i o nt oa c c e s si n t e r n e t d u et ot h ei n t r i n c s i cs u p p o r t f o rm o b i l i t yo fi p v 6p r o t o c o l m o b i l ei p v 6i sr e g a r d e da st h en e x tg e n e r a t i o no f s o l u t i o nf o rm o b i l ee n v i r o n m e n t h o w e v e r t h eu n r e l i a b i l i t ya n dh i g hp a c k e tl o s so f w i r e l e s sc h a n n e l t o g e t h e rw i t ht h ef r e q u e n t l yh a n d o f fo fm o b i l en o d e sh a v er a i s e d p l e n t yo fn e wp r o b l e m sf o rt h er e s e a r c ho fq o si nm o b i l ee n v i r o n m e n t t h ei n v e n t i o n o fs u i t a b l eq o sn e g o t i m i o nm e c h a n i s mf o rm o b i l en e t w o r kw i l ls u r e l yi m p r o v et h e e x p e r i e n c eo fm o b i l eu s e r sa n dp o p u l a r i z et h em o b i l et e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s w ef o c u so nt h em o b i l ei p v 6q o ss o l u t i o nb a s e do nq o so p t i o n t h i ss o l u t i o nm a k e si tp o s s i b l et or e s e r v en e t w o r kr e s o u r c e so nt h en e wn e t w o r k p a t h a n dr e l e a s eu n n e c e s s a r yr e s o u r c e so nt h eo l dn e t w o r kp a t ha tt h es a m et i m eo f h a n d o f t t h ei n t r i n s i ci n t e g r a t i o nw i t hm o b i l ei p v 6b e n e f i t st h i ss o l u t i o nas m a l l e rd e l a yo f n e g o t i a t i o nw h e nc o m p a r e dw i t ho t h e rs o l u t i o n s w h i c hh i g h l yr e l i e v e st h eq o s i m p a c tb r o u g h tb yh a n d o f f m o r e o v e gb a s e do nm a t u r et e c h n o l o g ys u c ha sm o b i l e i p v 6s i g n a l i n g i t se a s i e rt oi m p l e m e n tt h i ss o l u t i o nb e c a u s eo ft h el i t t l em o d i f i c a t i o n i tn e e d sf o rt h em o b i l ei p v 6p r o t o c o l w ew i l ld i s c u s si nd e t a i lt h eq o sf r a m e w o r ki n t r o d u c e db yt h ei e t fd r a f t a f r a m e w o r kf o rq o ss u p p o r ti nm o b i l ei p v 6 a n do u rs u g g e s t i o nf o rm o d i f i c a t i o no f t h i sf r a m e w o r k w i t ha n a l y s i so ft h es o u r c ec o d eo fm i p l i m p l e m e n t a t i o no fm o b i l e i p v 6 w ee x p l a i no u rd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nf o rt h i sq o ss o l u t i o no v e ro u rl i n u x m o b i l ei p v 6t e s t b e d k e y w o r d sm o b i l ei p v 6 h a n d o f f q o sn e g o t i a t i o n q o so p t i o n t p 3 9 3 4 v i i 移动i p v 6 服务质最协商信令的研究和实现 1 1 移动i p v 6 协议 第1 章绪论 在互联网的前身a r p a n e t 首次引入i p 协议的时候 网络只支持7 5 0 台计 算机的互连 然而随着网络发展到今天 互联网连接着数以千万计的计算机 网络节点数量的爆炸性增长使传统的互联网协议i p v 4 面临着巨大的挑战 i p v 4 在设计上的诸多不足之处日益明显 如地址空间危机 i p v 4 的安全性问题和网 络的配置问题等等 互联网正在成为其自身成长的牺牲品 下一代的互联网协议 殍v 6 是为了解决现有i p v 4 协议的不足而应运而生 的 i p v 6 从根本上解决了在i p v 4 中几乎无法根本解决的问题 如地址资源的匮 乏 网络地址的自动配置 与网络安全性协议的无缝结合 目前业界对于 i p v 6 的研究已经比较成熟 到2 0 0 2 年 i p v 6 试验网络6 b o n e 的规模已经扩展 到包括我国在内的5 7 个国家和地区 连接了近千个站点 成为i p v 6 研究者 开发者和实践者的主要平台 由于i p v 6 与生俱来对主机移动性提供了良好支持 移动i p v 6 协议的研究 迅速展开 移动i p 协议的设计初衷是使移动设备能在动态改变访问互联网的接 入点的同时保持正在进行的数据通信 诺基亚研究中心的d e a rs i ro rm a d a m j o h n s o n 和爱立信的j a r k k o 共同向i e t f 提出了i p v 6 的移动支持标准草案 并最终由2 4 版草案演变成r f c 3 7 7 5 移动i p v 6 利用了i p v 6 提供的新特性 比 移动i p v 4 有很多显著的改进 以下是一些主要的区别 夺由于i p v 6 的邻居发现和地址自动配置等功能 移动i p v 6 不再象移动 i p v 4 那样需要把某些路由器配置成外地代理 夺移动i p v 6 允许通信节点发出的分组直接路由到移动节点 不需通过家 乡代理进行封装和转发 解决了移动i p v 4 中的三角路由问题 夺移动i p v 6 的移动检测机制 提供了移动节点和路由器之间双向通信能 力的确认 夺家乡代理截取发往离开家乡网络的移动节点的分组时 使用的邻居发 现机制而不是如移动i p v 4 中的a r p 协议 简化了移动i p 的实现 夺除了被家乡代理截取的分组外 多数分组都使用i p v 6 路由扩展头直接 发送到移动节点 不需要进行隧道封装 减少了分组的传输开销 移动i p v 6 服务质量协商信令的研究和实现 1 2 移动i p v 6 服务质量协商信令研究背景 移动计算给服务质量的研究带来了许多问题 影响移动环境服务质量的因 素包括无线链路质量 主机的移动性 移动i p 协议的实现 移动设备的特性等 等 在移动环境中主机可以随意切换网络接入点 造成业务流传输路径的改 变 业务流经过的新中间节点并没有为该业务流预留网络资源 因此我们需要 一种服务质量的协商机制 把业务流需要的网络资源和服务质量参数转移到新 的传输路径 另外 移动节点的切换会导致转交地址的改变 即使传输路径没 有因切换而改变 转交地址的改变也会引起传输路径上某些使用1 p 地址作为转 发参数的中间节点无法正确转发原业务流 如果考虑到切换可能在不同管理域 的子网间进行 这些管理域很可能采用不同的服务质量机制 协商机制还应该 和不同的服务质量机制都有较好的互操作性 为实现移动环境下的服务质量协商 业界提出了多种实现方案 其中包括 设计全新的协商信令 修改资源预留协议 r s v p 使之适用于移动环境 以及 扩展现有的移动i p v 6 管理信令以携带服务质量需求信息等等 第一种方案的代 价较大 需要对现有的服务质量框架作出较大的改动 第二种方案有一定的局 限性 首先r s v p 协议只能适用于集成业务 t n t s e r v 刚络 而我们必须考虑 业务流的传输路径跨越使用不同服务质量机制的网络的情况 另外 r s v p 协 议的o p w a 0 n ep a s sw i t ha d v e r t i s e m e n t 模型决定了新传输路径的服务质量 协商会带来相当于 次信令往返时间 o n er o u n d t r i pt i m e 的延迟 而服务质 量的中断时延是衡量服务质量协商方案的重要指标 相比前两种方案 第三种方案有着明显的优点 此方案的设计思想是把服 务质量的需求信息存放于被称为q o s 选项的i p v 6 每跳扩展报头 h o p b y h o p 并在移动i p v 6 的管理信令消息中携带该选项 中间节点分析q o s 选项 并进行相应的服务质量操作 这种方案使服务质量的协商能在移动i p v 6 处理移 动节点切换的同时进行 相比第二种方案 基于q o s 选项的协商并不会带来相 当于一次信令往返时间的延迟 其协商的时延仅取决于中间节点处理q o s 选项 的时间开销 基于q o s 选项的方案由诺基亚研究中心的h e m a n tc h a s k a r 和r a j e e vk o o d l i 在提出 经过修改 这一技术框架演变成i e t f 移动工作组的草案 q o s s u p p o r ti nm o b i l ei p v 6 d r a f t e h a s k a r m o b i l e i p q o s 一0 1 t x t 在这份草案中 c h a s k a r 和k o o d l i 对如何扩展移动i p v 6 信令 使用q o s 对象进行服务质量协 商进行了阐述 为了讨论方便 我们把该草案简称为q s m i p 6 草案 移动i p v 6 服务质量协商信令的研究和实现 1 3 论文作者的工作 作者在研究q s m i p 6 草案的基础上 对q o s 选项格式进行了适当的修改 使中间节点能更加灵活有效地使用q o s 选项进行服务质量协商 由于中间节点能根据本节点的资源情况修改q o s 选项的内容 我们把服务 质量需求细化为两类 理想服务质量需求和可接受服务质量需求 前者表示业 务流发送方期望得到的服务质量 后者表示此业务流能接受的最低服务质量 中间节点在处理q o s 选项的时候 应最大可能地提供不低于可接收服务质量需 求的服务质量水平 因为一个q o s 选项能包含多个q o s 对象 我们把数据包分类参数从q o s 对象移至q o s 选项的固定部分以减小每跳拶展报头的长度 另外 我们在服务 质量参数部分加入了新的字段以表示业务流所需的带宽 作者分析了赫尔辛基技术大学的m i p l m o b i l ei p v 6f o rl i n u x 开源软 件 对m i p l 的源代码进行了修改 在l i n u x 平台上实现了基于q o s 选项的服 务质量协商 1 4 论文结构 本文共分五章 在接下来的章节中 作者循序渐进地介绍移动i p v 6 服务质 量协商信令的研究情况和实现原理 第二章首先介绍了i p v 6 协议对主机移动性的支持 然后详细介绍了移动 i p v 6 协议的工作原理 引入的新报头和信令 以及业界对移动i p v 6 协议的研究 和实现情况 第三章是在第二章的基础上介绍移动环境下的各种服务质量协商实现方 案 其中着重讨论了基于o o s 选项的协商方案 详细介绍了这一方案的设计框 架 新扩展报头 工作原理以及与其他协商方案的性能比较 另外 作者对移 动i p v 6 服务质量支持框架草案 af r a m e w o r kf o rq o ss u p p o r ti nm o b i l ei p v 6 中提出的框架进行了适当的修改并最终实现在l i r t u x 平台上 第四章根据第三章介绍的方案原理 给出了这一方案在l i n u x 平台上的实 现 包括实现环境概况 设计框架 使用的数据结构以及各个实现模块的具体 流程 第五章总结了全文 指出了当前实现的不足以及下一步的工作 最后展望 了移动i p v 6 服务质量的未来 垒垫 坠 矍墼堡兰竺堑重全墼至塞竺童堡 第2 章移动i p v 6 协议研究 近年来 以i n t e m e t 为代表的信息网络给人们的生活带来巨大的变化 政府 上网 企业上网 家庭上网 电子商务等成为了当今的热门话题 i n m e t 己经 成为很多人日常生活不可缺少的部分 然而 固定接八方式还是人们使用 i n t e r n e t 的主要方式 随着人们的生活节奏加快 更多的计算机用户不总是在固 定的办公室内 需要在任何地点任何时候都能获得i n t e m e t 服务 笔记本计算机 和一些无线移动终端设备数量的迅速增加使越来越多的用户希望在日常生活和 商务环境中使用这些设备方便地上网 不断增加的移动办公人群 对网络计算越来越强的依赖和移动计算技术的 发展 这些一起推动着移动计算机 移动通信设备与其他计算机的互连的需 求 包括与固定的和移动的计算机的连接 移动性计算 问题成为网络上必须 面对的最麻烦 最复杂的挑战之 移动i p 技术就在这种环境中应运而生 但 i p v 4 自身设计的缺陷使得基于i p v 4 的移动i p 技术很难让人们觉德这是一个满 意的移动计算解决方案 i p v 6 成为移动计算的一个真正的转折点 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 这些对于移动i p v 6 设计都具有很重要的作用 移动i p v 6 协议是一种在i n t e m e t 提供移动功能的方案 提供了一种i p 路由 机制 使移动节点可以以一个永久的i p 地址连接到任何链路上 并使节点切换 链路时仍保持正在进行的通信 它具有可扩展性 高可靠性和高安全性等优 点 2 1i p v 6 的移动性 i p v 6 是下一代的互联网协议 它最终将代替i p v 4 成为互联网的主要网络层 协议 i p v 6 在协议设计时就考虑到对移动性的支持 移动i p v 6 充分利用了这些 优点 提供了比移动i p v 4 更好的性能 2 1 1i p v 6 协议简介 2 1 1 1i p v 4 面临的问题 i p v 4 主要是通过下面两个主要特征的服务来实现其功能的 移动1 p v 6 服务质量协商信令的研究和实现 统一寻址 每个l p v 4 接口 i n t e r f a c e 都具有一个全球唯一的3 2 位地 址 最大努力 b e s t e f f o r t i p v 4 尽它最大的努力来传送数据报 但是它不 会保证上层的任何事情 i p v 4 不提供服务质量q o s q u a l i t yo f s e r v i c e 这两个主要特征在互联网迅猛发展的今天成为了i p v 4 的薄弱环节和主要局 限 使得我们必须寻求方法来改进 由此引入下 代互联网协议一一i p v 6 协 议 总体来说 i p v 4 的不足主要体现在以下几个方面 i 地址空间危机 传统的i p v 4 地址长度为3 2 位 i n t e m e t 上每一个主机都要分配一个或者多 个i p 地址 由于i p v 4 地址分配和使用方式的不合理 造成i p v 4 地址空间的极 大浪费 另外 随着互联网的快速发展 越来越多的主机被连入互联网 对地 址分配要求的增长比预期要迅速的多 3 2 位的i p 地址所能提供的数量将远远 满足不了需要 为解决地址空间危机 人们想出了各种暂时性的方法 如无类 域间选路 c l d r 网络地址翻译 n a t 等 i i 路由成为网络上新的瓶颈 网络数目的增长不仅导致地址不够使用 同时也导致了路由表的迅速膨 胀 给路由选择带来了沉重的负担 最终的结果会使得路由器不堪重负 i n t e r n e t 的路由选择机制因而崩溃 另外 i p v 4 协议的报头组织也不是很理想 选路信息 分组长度 校验和其他控制信息混杂在一起 增加了中间路由器处 理的复杂度 尽管目前已经提出了一些地址解决方案 譬如无类域问路由技 术 虽然在一定程度上可以得到缓和 但是仍然无法从根本上解决这个问题 i i i 无法提供多样的q o s i p v 4 是 个无连接的网络层协议 它的 最大努力 的特性只是尽其最大 的努力以最短的时间来传送分组 但是它不能保证发送工作是否进行以及何时 进行 随着i n t e m e t 的成功和迅速发展 商家们已经把更多的关注投向了 i n t e m e t 现在乃至将来 有很多的商业应用都希望在互联网上进行 在这些业 务中包括对透明性和带宽要求很高的实时多媒体业务如视频点播等 包括对安 全性要求很高的电子商务业务以及发展越来越迅猛的移动i p 业务等等 这些业 务对网络的服务质量 q o s 的要求各不相同 但是 i p v 4 在设计时没有引入 移动i p v 6 服务质量协商信令的研究和实现 服务质量的概念 设计上的不足使得它难以提供丰富的 灵活的q o s 选项 i v 安全性问题 i p v 4 最初设计时 网络层协议只负责网络互连 安全性则由网络层以上的 协议负责 i p v 4 协议本身缺少安全性机制 网络安全性只能依赖端到端来实 现 1 p s e e 协议虽然已经标准化 但并非网络中所有节点都支持该协议 v 网络配置问题 随着网络规模的扩大 网络管理是一个关键问题 目前i p v 4 网络配置主要 通过手工完成 繁琐并且容易出错 当网络中 些设置发生改变 网络中所有 主机都需要重新配置 另外 与日俱增的移动性要求计算机改变网络接入位置 后仍然能使用网络服务 这要求计算机具有网络自动配置的能力 i p v 4 虽然可 通过d h c p 协议完成i p 网络配置 但对移动性的支持并不完善 在上述的原因之中 地址空间不足的矛盾是最迫切需要解决的问题 是 i p v 6 协议产生的最直接的原因和动力 互联网标准制定组织i e t f t h ei n t e m e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e h 笪p w w w i e t f o r g 专门成立1 i p n g i 作组进行协议的制 定和标准化工作 2 1 1 2i p v 6 对i p v 4 的改变 e t f 的i p n g 工作组在1 9 9 4 年9 月提出了正式的草案 t h c r e c o m m e n d a t i o nf o rt h ei pn e x tg e n e r a t i o np r o t o e o l 1 9 9 5 年确定了i p n g 的协 议规范 i p v 6 的设计是在i p v 4 的基础上建立起来的 它保留了许多i p v 4 的优点 但是i p v 6 并不是简单的在i p v 4 上修修补补 而是决定性的改进版本 由i p v 4 到i p v 6 的改变主要集中在以下几个方面 1 地址容量的扩展 i p v 6 把i p 地址的大小从3 2 位增至1 2 8 位 可以支持 更多的地址层次 更大数量的节点 以及更简单的地址自动配置 2 报头格式的简化 一些t p v 4 首部字段被删除或者成为可选字段 3 支持扩展报头选项 增加了多种扩展报头选项 有利于更加高效的传输 4 网络管理简单化 它通过实现一系列的自动发现和自动配置功能 简化了网 络节点的管理和维护 减轻了网络管理员的负担 当前典型的技术包括 最大 传输单元发现 m t ud i s c o v e r y 邻居节点发现 n e i g h b o rd i s c o v e r y 路由 移动i p v 6 服务质量挤商信令的研究和实现 器通告 r o u t e ra d v e r t i s e m e n t 节点地址的自动配置 a u t o c o n f i g u r a t i o n 等 等 i c m p v 6 协议涵盖了原i p v 4 中地址解析协议 a r p 和互联网组管理协议 i g m p 的功能 5 安全性 认证和保密的能力 把i p s e c 集成到协议之中 增加了a h 和e s p 扩展报头 增强了数据的安全性 6 q o s 能力 增加 流标签 f t o wl a b e l 字段 提供服务质量的功能 7 对移动性的支持 i p v 6 协议中的很多新的技术都有利于移动计算的实现 使得移动i p v 6 具有比移动i p v 4 更好的性能 我们将在下面详细进行介绍 2 1 1 3i p v 6 协议基本报头和扩展报头 在i p v 6 中 数据报的格式和以往的i p v 4 是不同的 每个数据报是包含了一 个固定长度的基本报头 其后可以跟随零个或者多个扩展报头 其中基本报头 是必须的 而所有的扩展报头都是可选的 下面我们来介绍一下i p v 6 协议的基本报头 它在i p v 4 报头的基础上进行了 修改 以更加适合网络传输的需要 i p v 6 和i p v 4 的报头结构的一些主要差别 对齐 a l i g n m e n t 已经从3 2 b i t 的整数倍改为6 4 b i t 的整数倍 取消了报头长度字段 因为i p v 6 的基本报头长度固定为4 0 个8 b i t 组 数据报长度字段被有效载荷长度 p a y l o a dl e n g t h 字段取代 夺源地址和目的地址的大小都增加到1 2 8 b i t 1 6 个8 b i t 组 分段信息已经从基本报头的固定字段移到一个扩展报头中 t t l 字段改为跳数极限 h o p 1 i m i 0 字段 业务类型 s e r v i c et y p e 改为数据流标号 n o wl a b e l 字段 协议字段改为下一个报头字段 用来指明下一个报头类型 移动i p v 6 服务质量协商信 的研究和实现 081 62 43 1o 41 21 62 43 i 版 i h l 业务全部长度 本 类型 标识标志位分段信息 q i 存时间协议校验码 源地址 目的地址 选项和填充 i p v 4 头部 版本j 类 流标号 负荷长度 百一 跳限制 头部 1 2 8 位源地址 1 2 8 位目的地址 i p v 6 头部 图21i p v 4 报头和i p v 6 基本报头格式的比较 在i p v 6 中 可选的网络层信息存在一个独立的头部编码 放在i p v 6 基本头 部和上层协议头部之间 有这样几个为数不多的扩展头部 每个首部由不同的 下一个头部 的值来标识 一个i p v 6 头部可以携带零个 一个或者更多的扩 展头部 每个扩展头部由前一个头部中的 下一个头部 字段标识 形成一个链 式的结构 如下图所示 图2 2i p v 6 链式扩展报头 图中第一个数据包是只有基本报头 不含扩展报头的一个i p v 6 输据包 第 二个是含有一个基本报头 六个扩展报头的数据包 每一个报头的n e x th e a d e r 字段指明了接下去的报头类型 i p v 6 的主要扩展头部有下面几种 每跳 h o p b y h o p 选项报头 目的选项 报头 路由报头 分段报头 认证报头 封装安全载苟 e s p 报头等 其中 与移动i p v 6 有意义的扩展报头主要是 目的选项报头 路由报头和认证报头 另外 我们后面将会介绍到的基于移动i p v 6 管理信令的q o s 协商还利用了每 跳报头选项来存放需要协商的q o s 对象 这些报头的使用使得i p v 6 更加具有 灵活性和扩展性 提高了网络处理的速度和性能 移动i p v 6 服务质量协商信令的研究和实现 2 1 1 4 i p v 6 地址类型 i p v 6 是1 2 8 位地址 主要分成两部分 前缀 p r e f i x 和接口标志符 i n t e r f a c e i d 前缀是用来标志嘲络地址的 接口标志符一般采用e u i 一6 4 格式 3t 33 21 66 4b i t s 一一地址前缀 一 i 凰231 p v 6 单播地址结构 i p v 6 地址结构 r f c1 8 8 4 中主要定义了下面三种主要的地址类型 1 单播地t l k u n i c a s ta d d r e s s 目的地址指明一个单一的计算机 数据包将 选择一条最短的路径到达目的站 2 组播地址 m u l t i c a s ta d d r e s s 目的站是一组由此地址标识的计算机 数据包将通过硬件组播或广播投递给每一个成员 3 泛播地址 a n y c a s ta d d r e s s 目的站是共享一个地址前缀的计算机的集 合 数据包将被发送到其中任一个节点 通常是最近的一个节点 在i p v 6 中没有广播地址 因为它把广播当作组播的特例 在i p v 6 中 还定 义了一些特殊的本地使用地址 下面介绍一下单播地址所具有的三个子类 链路 局部地址 l i n k l o c a la d d r e s s 有路由器 主机之间可以用它进行通信 转发 此地址用于单条链路 如果链路上没 包含此类地址的数据包不会被路由器 区域一局部地址 s i t e l o c a la d d r e s s 被互联网上任意一个区域内部使用 包 含此类地址的数据包不能使用区域以外的路由器转发 全球单播地址 g l o b a lu n i c a s ta d d r e s s 在全球范围内唯一确定的i p 地址 可与其他网络进行通信 包含此地址的数据包可被路由器转发 在大多数情况下 我们考虑的都是全球单播地址 i p v 6 是一个全新的网络协议 要详细了解相关协议规范和细节 参看 r f c 2 4 6 0 2 3 7 3 2 3 7 4 2 3 7 5 2 4 6 1 2 4 6 2 2 4 6 3 2 4 6 4 等 同时可以到i e t f 的官方 网站 h t t p w w w i e t f o r g h t m l c h a r t e r s i p v 6 c h a r t e r h t m l 查看i p v 6 相关的标准和 草案 移动i p v 6 服务质量协商信令的研究和实现 2 1 2i p v 6 的移动性支持 i p v 6 中提供的各种扩展报头及邻居发现等机制提供了重要的移动支持 2 1 2 1 目的报头 d e s t i n a t i o nh e a d e r i p v 6 中提供了目的报头扩展选项 这个选项在目的节点进行检查 在移动 i p v 6 中 此选项可以用于携带家乡地址 也可以用于携带各种绑定信息 如果 携带绑定信息的话 同时可以使用i p v 6 提供的i p s e c 功能进行加密和认证 以 保证安全性 2 1 2 2 每跳头部 h o p b y h o ph e a d e r 每跳扩展头部用于携带分组健输过程中每跳节点都需要处理的选项信息 我们后面将会介绍的基于移动i p v 6 管理信令的q o s 协商正是使用了每跳头部 存放需要协商的服务质量信息 每跳头部一旦存在 必须紧跟i p v 6 基本头部 由于我们的移动i p v 6 服务质量协商信令需要使用这一扩展头部 下面介绍一下 每跳头部的格式 图2 4 每跳扩展头 2 1 2 3 路由报头 r o u t i n gh e a d e r i p v 6 中提供了路由报头 可以根据报头中的内容进行选路 这个报头用于 移动i p v 6 中提供路由的优化 另外 路由报头的使用保证了移动节点的移动对 上层协议透明 2 1 2 4 不再需要外地代理 与移动i p v 4 相比 移动i p v 6 中不需要外地代理 外地代理的用处是为了 节省i p 地址而为多个移动节点提供一个共享的转交地址 而在i p v 6 具有足够 大的地址空间 每一个节点都可以在外地网络中获得一个新的转交地址 不再 需要外逾代理 2 1 2 5 泛播地址 a n y c a s ta d d r e s s 可以用于动态家乡代理发现中 家乡链路上所有家乡代理共同拥有一个泛 播地址 移动节点在发现当前家乡代理不再有效时 可以向这个泛播地址发送 移动1 1 6 服务质量协商信令的研究和实现 i c m p 家乡代理请求消息 消息到达家乡链路后 其中一个家乡代理返回应答 信息给出家乡代理的地址列表 2 1 2 6 邻居发现机制 n e i g h b o u rd i s c o v e r y 邻居发现机制中的路由发现 前缀发现 参数发现 m t u t t l 等 地址自 动配置 地址解析 下一跳决定 重复地址检测等等在移动i p v 6 协议过程中都 起到了重要的作用 2 2 传统i p 路由机制面临的问题 计算机移动性的提高和移动设备的大量出现使原有的i p 路由机制受到较大 的挑战 根据现有i n t e m e t 采用的路由机制 路由器基于i p 数据包中目的i p 地 址的网络前缀部分来对数据进行转发 同一链路上的节点i p 具有相同的网络前 缀 当节点从原有链路切换到新的链路上时 它的地址前缀很可能不再与新链 路的网络前缀相同 如果节点没有改变i p 地址而移动到新链路 它的网络地址 上显示不出新链路的任何信息 已经存在的路由协议将无法把数据包正确的发 送到此节点 现有的i p 路由机制使移动设备进行网间漫游时面临着许多问题 如图2 4 所示 目的地址的子网前缀为b 的数据包将总被路由到b 链路中 如 果此节点移动到其他网络 它将不再接收到数据包 目的地址为此节点的数据 包仍然被跆由到b 链路中 由此造成当前通信连接的中断 无法为移动主机提 供各种服务 用户为了连接其他网络 必须切断现有移动设备的网络连接 不 能够继续进行当前的通信 图2 4 移动节点不改变i p 地址 前缀为b 的包必然路由到b 网络中 人们参经提出以下几种方案以解决i p 节点的移动性问题 但它们在不同程 度上都受到了一定的限制 移动i p v 6 服务质量协商信令的研究利实现 2 2 1 移动节点每次切换接入点时改变其i p 地址 采用网络前缀路由要求同一链路上所有节点的i p 地址具有相同的网络前 缀 因此当 个节点从 条链路切换到另一条链路时 如果该节点能改变i p 地 址中的网络前缀部分 这样就可以通过新链路进行通信了 但这种做法存在了一个很大的缺点 就是这种方法对上层协议不能提供移 动的透明性和通信的连续性 互联网普遍采用的两个传输层协议 t c p 和 u d p 都是使用i p 地址作为节点标识 在t c p 和u d p 的连接过程中节点标识是 保持不变的 因此 如果在连接过程中 i p 地址发生了变化 这个连接将被迫 中断 若想恢复通信 移动节点只能以新的i p 地址重新建立一条新的连接 同 时 移动节点切换链路时 必须对d n s 中自己的i p 地址进行更新 这样的结 果就是对d n s 服务器的更新和检索的次数大大增加 同时 d n s 服务器在接 收动态更新信息时也应该对其进行认证 防止伪造更新信息的恶意破坏 2 2 2 使用特定主机地址进行路由选择 路由器在进行选路的时候总是特定主机路由优先于网络前缀路由的 因此 我们可以采用在相关链路上的路由器增加特定主机路由使得数据能够到达节点 的最新位置 从而使节点具有可移动性 但是下面几点使得这种方法失去了可行性 夺必须至少向从移动节点的旧链路到新链路沿途的所有路由器传送特 定主机路由 每次切换路由时 这些路由中一部分甚至全部都要进 行更新 令互联网的移动节点数量巨大 解决移动性会使所需路由更新信息数 目要乘上巨大的倍数 夺采用最小数目的特定主机路由实现节点移动性会破坏互联网协议检 测和绕过网络故障的能力 夺如果黑客发出一个恶意的路由更新信息 错误报告节点位置 会导 致这个节点再也收不到数据 因为特定主机路由方案存在着严重的可扩展性 可靠性和安全性问题 所 以用这种方案解决全球互联网节点的可移动性是不可行的 2 2 3 在移动链路层解决问题 对于节点移动问题 存在着一些数据链路层的解决方案 譬如蜂窝数字分 移动i p v 6 服务质量协商信令的研究和实现 组数据 c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a 标准和i e e e 8 0 2 1 1 协议 设备的移动对i p 层是不可见的 但是 只依靠链路层方案不足以解决在全球互联网上提供可移动性 首 先 所有这些数据链路层的解决方案只能在某种链路介质之上提供移动性 如 果切换到另外一种介质时 就需要改变i p 地址 而如果从网络层进行解决移动 性问题 将适用于各种传输介质 另外数据链路层方案需要新的网络基础设施 和大量管理维护费用 2 3 移动i p v 6 协议 为了使移动设备能够在动态改变访问互联网的接入点的同时保持正在进行 的数据通信 互联网工程任务组i e t f i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e 专门成 立了移动i p 工作组 i pr o u t i n gf o rw i r e l e s s m o b i l eh o s t s 于1 9 9 2 年制定了移 动i p 的标准草案 1 9 9 6 年互联网工程指导组i e s g i m e m e te n g i n e e r i n g s t e e r i n gg r o u p 通过了移动i p 标准草案 并于1 1 月将其公布为建议标准 r f c 2 0 0 2 p r o p o s e ds t a l l d a r d 此标准基于1 p v 4 的 后来又几经修改 目前被 r f c 3 3 4 4 所代替 在研究移动i p v 4 的基础上 人们对移动i p v 6 进行研究 诺 基亚研究中心的d e a rs i ro rm a d a m j o h n s o n 和爱立信的j a r k k o 共同向i e t f 提出了i p v 6 的移动支持 m o b i l i t ys u p p o r ti ni p v 6 标准草案 并最终由2 4 版 d r a f t i e t f m o b i l e i p i p v 6 2 4 t x t 演变成r f c 3 7 7 5 移动i p v 6 技术已经逐渐发 展成为比较成熟的技术解决方案 下面列出移动i p 方面的相关建议标准和草 案 r f c 3 3 4 4 定义了对i p v 4 的移动支持 代替了最初的r f c 2 0 0 2 r f c 3 7 7 5 定义了对i p v 6 的移动支持 争r f c 2 0 0 3 2 0 0 4 和3 0 2 4 替代2 3 4 4 定义了i p 封装技术和反向隧道技 术 r f c 2 0 0 5 叙述了移动i p 的应用 r f c 3 1 1 5 设备厂商对移动i p 的扩展支持 r f c 2 9 7 7 定义了移动i p 的a a a 需求 解决安全方面的部分问题 一些相关草案 i p v 6 下的移动支持 移动i p v 6 的快速切换 以及一些移动 i p 安全和q o s 方面的需求 要具体浏览移动i p 方面的相关草案和标准 可以直接访问下面的i e t f 的官 方网站 h t t p l w w w i e t f o r g h t m l c h a r t e r s m o b i l e i p e h a r t e r h t m l 移动i p v 6 服务质量协商信令的研究和实现 移动i p v 6 解决方案提供了第三层上的宏观移动 m a c r om o v e m e m 的处理 方法 主要目标如下 当移动节点从一个i p 子网移动到另外一个i p 子网时 仍然能够保持移动节 点与其他通信节点之间的连接 移动i p v 6 适合不同网络介质间的漫游 譬 如从以太网移动到无线局域网 并且这种机制尽可能做到无缝切换 无论移动节点连接到哪一个网络 都可以使用一个永久的家乡网络的i p 地 址进行通信 而不用改变其地址 移动i p v 6 允许一个i p v 6 主机离开家乡子网仍然能够维持所有当前的连接 能够继续同互联网的其他部分进行通信 并且这一切对上层协议 t c p u d p 等 是透明的 移动i p v 6 通过静态家乡地址来标识节点 与当前互联网接入点 无关 2 3 1 移动i p v 6 的术语和功能实体 2 3 1 1 移动i p v 6 术语 r f c 3 7 7 5 主要定义了下面一些常用的术语 家乡地址 h o m ea d d r e s s 指定给移动节点的一个永久的位于家乡链路 上的可路由单播地址 当移动节点切换到其他链路时 家乡地址并不改变 家乡链路 h o m el i n k 移动节点家乡地址网络前缀所定义的那个网 络 标准的i p 路由机制会把发往移动节点家乡地址的数据包路由到这个链路 上 转交地址c o a c a r e o f a d r e s s 移动节点访问外地网络时得到的一个 可路由单播地址 这个地址的网络前缀就是外地子网的前缀 在任何指定时 刻 移动节点可能有多个转交地址 其中向家乡代理注册的那个称作 主转交 地址 外地链路 f o r e i g nl i n k 除家乡链路以外其他任何链路都称作外地链 路 移动绑定 m o b i l i t yb i n d i n g 移动节点的家乡地址和转交地址之闯的关 联 还包括关于关联的剩余生存期等其他信息 具体表现为家乡代理和通信节 点上维持的数据结构b i n d i n gt a b l e 注册 r e g i s t r a t i o n 移动节点向家乡代理或者通信节点发送绑定更新信 移动i p v 6 服务质量协商信令的研究和实现 息 称作绑定注册 移动 m o v e m e n t 移动节点在互联网上接入点的改变 叫做移动 如 果当一个节点不再连接到家乡链路上 就称作 离开家乡网络 2 3 1 2 移动i p v 6 功能实体 下面介绍一下移动i p v 6 中主要的功能实体 移动节点m n m o b i l en o d e 指可以将互联网的接入点从一条链路切 换到另外一条链路 而仍然能够使用家乡地址保持所有正在进行通信的节点 家乡代理h a h o m ea g e n t 位于移动节点家乡链路上的一台主机 移 动节点向其注册转交地址 当移动节点远离家乡链路时 家乡代理将截取目的 地址为移动节点家乡地址的数据包 然后通过隧道技术把它们传送到移动节点 的注册的转交地址 通信节点c n c o r r e s p o n d e n tn o d e 与移动节点进行通信的对等节点 移动i p v 6 中的通信节点需要能够处理移动节点发送的绑定更新信息以实现优化 路由 c n 可能为静态的 也可能是移动的节点 在以下的叙述中 为了方便起见 我们使用m n 代表移动节点