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1、吉林大学硕士学位论文 - - I 论文分类号 TN929 单 位 代 码 10183 密级 内 部 研 究 生 学 号 200832 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 基于IPv6的移动IP协议的研究与实现 吉林大学硕士学位论文 - - II 第1章 The Research and Implementation of Mobile IP Based on IPv6 作者姓名：张迪 专 业：计算机应用技术 导师姓名 王德民 及 职 称：教授 论文起止年月：2001 年 9 月至 2003 年 2 月 吉林大学硕士学位论文 - - III 内容提要 随着移动计算机日益广泛的使用和人们对网络
2、依赖性的增加，如何让人 们能够随时随地的访问 I n t e r n e t ，在移动的过程中保持通信不间断已经成 为当前 I n t e r n e t 技术研究的关键问题。 传统的 I P 技术使用固定的 I P地址和端口号进行通信，不能保证主机在 移动的过程中继续通信。移动 I P协议的出现，使该问题迎刃而解。移动 I P 是可以在 I n t e r n e t 上为移动计算机提供无缝漫游的协议。 本文的主要工作是移动 IPv6 协议的研究与实现。本文深入分析了协议 总体框架及相关细节，实现了基本的绑定过程。设计了在绑定过程中所用到 的四种新的 IPv6 目的地选项的格式，并确定了每种
3、选项的处理方法及其发 送时机；同时制定了三个必须的节点缓存数据结构，并使其在绑定过程中得 以正确维护。本文通过替换数据包的源地址，解决了移动 IPv6 的路由器 “入口过滤”问题；通过对“家乡地址目的选项”的正确处理，实现了移动 IP 的操作透明性；通过查找绑定缓存来修改数据包的目的地址，实现了移 动 IPv6 的“路由优化” 。 关键词 移动 I P v 6 绑定 转交地址 入口过滤 路由优化 吉林大学硕士学位论文 - - I 目录 内容提要I 第 1 章 绪论.1 1.1 移动 IP 产生的背景及必要性.1 1.2 传统 IP 的局限及 IPv6 的提出.3 1.3 移动 IPv6 的国内
4、外研究现状.4 1.4 本文的主要工作.6 第 2 章 移动 IPv6 协议框架的总体分析.8 2.1 协议基本术语 .8 2.2 移动 IPv6 整体框架 .9 2.2.1 基本操作概述9 2.2.2 功能实体分析10 2.3 移动 IPv6 对移动 IPv4 的改进.14 第 3 章 实现移动 IPv6 所涉及的相关协议介绍.16 3.1 IPv6 简介16 3.1.1 IPv6 的包头结构 16 3.1.2 IPv6 的扩展头.17 3.1.3 IPv6 对 IPv4 的改进.19 3.2 IPv6 寻址体系结构 .19 3.2.1 IPv6 的寻址.20 3.2.2 单播地址在移动 I
5、P 中的应用20 3.2.3 组播地址在移动 IP 中的应用21 3.3 邻居发现协议 .22 3.3.1 邻居发现协议简介及其在移动 IP 上的应用.22 3.3.2 IPv6 邻居发现协议与 IPv4 的 ARP 协议的比较.24 3.3.3 实现移动 IPv6 对邻居发现协议的修改 .25 第 4 章 目的地选项格式设计及相关数据结构的制定 28 4.1 目的地选项的格式设计及应用 28 4.1.1 IPv6 目的地选项头 28 4.1.2 绑定请求选项29 4.1.3 绑定更新选项29 吉林大学硕士学位论文 - - II 4.1.4 绑定确认选项31 4.1.5 家乡地址目的选项33
6、4.1.6 目的选项的子选项34 4.2 节点缓存的数据结构设计.35 4.2.1 绑定缓存.35 4.2.2 绑定更新列表36 4.2.3 家乡代理列表38 第 5 章 移动 IPv6 协议关键技术的设计与实现.40 5.1 试验平台及框架的选择.40 5.1.1 在 linux 下实现移动 IPv6 协议 .40 5.1.2 基于 Netfilter 框架实现移动 IPv6 协议 .40 5.2 绑定过程的实现.43 5.2.1 绑定请求的发送 43 5.2.2 处理绑定请求45 5.2.3 绑定更新的发送 46 5.2.4 处理绑定更新50 5.2.5 绑定确认的发送 52 5.2.6
7、处理绑定确认53 5.3 数据包的发送与接收.54 5.3.1 移动 IPv6 数据包的形成54 5.3.2 数据包的发送57 5.3.3 数据包的接收58 第 6 章 总结.61 参 考 文 献.64 致 谢 .68 摘 要 I Abstract IV 吉林大学硕士学位论文 - - 1 第2章 绪论 2.1 移动 IP 产生的背景及必要性 在过去的 1 0年中，无线通信和 I n t e r n e t技术的迅猛发展给人们的生活 方式和生活质量带来了巨大的变化。越来越多的用户希望在移动的过程中高 速接入 I n t e r n e t ，获取信息和享受娱乐生活。因此，如何让人们能够随时 随地
8、的访问 I n t e r n e t 1 ，是当前 I n t e r n e t技术研究的一个热点，也是下一 代真正的个人通信技术的目标。 移动就网络而言就是下面两种不同层次的移动 2 ：链路层移动；网络层 移动。在链路层的移动是指在同一 I P子网内移动。例如，当某台移动主机 从一个小区移动至另一个小区而这两个小区属于同一 I P子网时，该移动主 机仅需完成由原小区至新小区的越区切换。这种在链路层的移动仅涉及到移 动主机、移动前的基站及移动后的基站，称之为散步( W a l k i n g ) 。在网络层 的移动是指移动主机在不同 I P子网之间的移动。典型的例子是移动主机从 甲网移动至
9、乙网，而甲乙网可能在不同的城市或国家，在网络层的移动除了 涉及到有关的移动主机及基站以外，还涉及到移动管理路由器。这种移动即 称为漫游( R o a m i n g ) 。本文所研究的就是基于网络层实现的漫游。 然而，传统的 I n t e r n e t的互联协议、I P的地址结构和路由算法却不能 满足日益增长的移动用户的需要 3 5 。传统的 I P地址分为两层结构：子网 号，用来确定与主机相连的网络；主机号，用来确定这个子网中的特定主 机。主机必须使用固定的 I P地址和端口号相互通信，因此在通信期间二者 必须保持不变。如果一个主机改变了与 I n t e r n e t的连接点，移动到
10、了一个 具有不同网络前缀的子网，那么发向它的数据包将不能正确到达，主机之间 的通信也就无法继续。如图 1 - 1 所示，移动主机初始在链路 B 上，发向它的 数据包始终被路由到链路 B上，因此当主机移动到链路 C后，数据包将丢 失，即无法保持通信的不间断。 吉林大学硕士学位论文 - - 2 图 2- 1 数据包因主机的移动而丢失 因此我们要解决的根本问题是当 I P主机在通信期间需要在网路上移动 时，不能因为 I P地址的变化而导致通信的中断。为了解决这个问题，必须 有一种新的协议即移动 I P 来支持, 它应满足以下设计要求 6 : ?移动节点改变其链路层连接点后，能够保持 I P地址不变，
11、从而可 以继续和其他节点通信； ?移动 I P应与现存的 I P协议兼容，不需要对当前的网络连接、用户 设施和路由器的配置进行更改，不应影响当前对 I P地址的分配方 法，也不需要对协议数据单元进行更改； ?移动节点不应比因特网上的固定节点面临更多的安全威胁； ?移动 I P协议向上层屏蔽主机的移动，使得上层应用程序不受移动 性的影响； 综上，可以看出移动 I P技术可以使得人们一直梦想的无处不在的多媒 体全球网络连接成为可能。它使得用户能够在任何时间，任何地点都可以进 行网络通信。简而言之，移动 I P满足了主机的移动透明性，使得移动 I n t e r n e t 正逐步成为现实。 主机的
12、移动透明性包括两个方面 7 ： ?操作透明性：移动主机移动前后, 用户不需要进行应用软件的重新 配置，或重新启动等特殊的操作； ?性能透明性：通信性能不因主机的移动而受重大影响； 移动透明性是实现移动 I P的重要指标。如果移动透明性得以保证，则 使用移动终端的用户无须顾及自己是否在移动。 同时，为了使移动 I P得到广泛的配置和应用，必须致力实现以下目 标： ?为了使移动 I P能够在无线链路上工作，必须尽量减少路由更新信 吉林大学硕士学位论文 - - 3 息的数量和频率； ?由于移动终端在性能和功耗上的限制，必须尽量简化移动 I P软件 的设计； ?考虑到目前 I P v 4地址短缺的困境
13、，移动 I P的应用不应恶化这个问 题； ?为了能够适应移动主机不断增长的需求，移动 I P必须具有较好的 可扩展性； I E T F等组织已经开始了在移动 I P上的研究，并在移动 I P v 4和移动 I P v 6 方面取得了一定的成绩。 2.2 传统 IP 的局限及 IPv6 的提出 I P协议作为 I n t e r n e t / I n t r a n e t的网络层协议，其简单性和强大的互 联性为 I n t e r n e t的广泛发展作出了重要贡献。目前的 I P协议的第 4版 （I P v 4 ）为 T C P I P族和 I n t e r n e t提供了基本的通信机
14、制。由此可见 I P v 4 的确是非常出色的设计。然而，随着 I n t e r n e t用户的指数增长，互联网的 体系结构由 N S F N E T核心网络演变为由 I S P （I n t e r n e t S e r v i c e P r o v i d e r ， 互联网服务提供商）运营的分散的体系结构，互联网几乎覆盖了全球的每一 个角落。由此而产生的一个严峻问题就是地址的过度消耗，即没有足够的地 址来满足全球的需要。I P v 4的问题逐渐显露出来，3 2位的 I P地址空间枯 竭、网络号码匮乏、路由表急剧膨胀、对网络安全和多媒体应用的支持不够 等。 首先，I P v 4协议
15、规定，每个互联网上的主机和路由器都至少有一个 3 2 位的 I P地址，它包括网络号和主机号，这一编码组合是唯一的，用于 I P 分 组的源地址和目的地址字段。把 I P地址分成两部分的好处是使路由器中的 选路表不致太大。路由器只需为每个网络维护一个路由选择表项，而不必为 每个目的主机维持一个表项。当选路时，只需检查数据包目的 I P地址的网 络部分即可。 实际上 I P v 4地址这种网络号主机号的模式有两个致命的弱点：地址 空间的浪费和过度的路由负担。理论上说，有超过 2 0亿个地址，但实际上 由于分级地址管理，浪费了上千万的地址。 其次，除了地址空间方面的局限外，I P v 4在提供满足
16、新的应用的性能 方面也存在着一些局限性，I P v 4的数据包最大只能是 6 4 k字节，这对一些 吉林大学硕士学位论文 - - 4 需要高速、实时传输的应用，如多媒体应用是不够的。 另外，在安全性方面，I P v 4不能提供路由器级的安全性，这对诸如电 子商务等对安全性要求很高的应用也是不够的。 正是因为原有的 I P v 4自身的局限性不能满足人们对 I P协议的地址空 间、性能、服务质量以及安全性等方面的新需求，I E T F开发设计了 I P协议 的下一版本 I P v 6 ( I n t e r n e t P r o t o c o l V e r s i o n 6 ) 。 ?1 9 9 2 年，I E T F 成立了 I P N G 工作组； ?1 9 9 2 ?1 9 9 4 年，I P N G 工作组收到了若干提案； ?1 9 9 4年夏，I P N G工作组提出了下一代 I P网络协议（I P v 6 ）的推荐 版本； ?1 9 9 5
