关于移动IPv6技术的研究与探索
摘要: IPv6技术支持的128位大地址空间不但能彻底解决移动IPv4地址枯竭的问题，而且比目前的移动IPv4有着更大的优越性和更为完善的设计理念，它的出现使移动通信有了更加广阔的发展空间，但该技术目前仍处于理论研究和实践探索阶段，原因是移动IPv6技术还有很多实际问题有待解决。
关键词: 移动IPv6 移动IPv4 移动通信
Technical Research of Mobile Based on Mobile IPv6
XuGang WeiQin
(Army Aviation Institute Infirmation Technology ,Beijing 101123, China)
Abstract: IPv6 would allow a lot of byte addresses．IPv6 not only solves the problem of the imminent address space exhaustion，it holds built—in advantages and perfect design theory also．IPv6 would allow a lot of addresses for mobile communications．But there are a lot of practical problems to be solved．
Key words: mobile IPv6 mobile IPv4 mobile communications
引言
近年来，以internet为代表的信息网络给人们的生活带来了巨大的变化。通过Internet上网己经成为人们生活中不可缺少的一部分，而且现在人们还要求在移动中获得Internet服务。为此Internet I程任务组IETF (Internet Engineering Task Force)下属的移动IP工作组在1992年制定了移动IP的最初标准草案。在过去的多年中，随着人们对移动IP标准草案的不断补充和完善，使得无线局域网技术已经比较成熟，当移动主机在一个接入路由器区域内移动时对数据分组的接收几乎没有影响。
1 IETF组建的工作组提出的移动主机解决方案必须达到的目标
1)每个移动主机必须能在任何地方使用其原地IP地址；2)固定主机的软件不得修改；3)路由器的软件不得修改；4)发给移动主机的大部分包不得绕道传送；5)当移动主机位于原地时，开销不得增加。[1]
2 IETF提出的IPv6的目标
1)即使地址空间分配数率不高，也能支持几百亿台主机；2)减小路由表的长度；3)简化协议，使路由器处理包更迅速；4)提供比当前IP更好的安全性(身份验证和保密)；5)更加关注服务类型，特别是实时数据；6)通过指定允许范围帮助实现组播；7)允许主机不改变其地址实现漫游；8)协议未来有发展余地；9)允许新旧协议共存若干年。
3 IPv6主要优点
1)16字节(128位)的地址能为地球表面每平米提供7×10 地址；2)对报头进行了简化。它只有7个字段，而IPv4则有13个。这一改变使路由器可以更快地处理包，从而提高了吞吐量；3)第3个主要改进是对选项的更好支持。最重要的改变在报头，以前必须的字段，现在只是选项。而且，选项表示的方法也不同。这样，路由器就可以简单地略过那些非指本身的选项。这一特性加速了包的处理过程；4)IPv6表现很大进步的第4个方面是安全性。身份验证和保密是IPv6的关键特性；5)最后，对服务类型比以前给予了更多注意。IPv4只有8位字段的服务类型，但多媒体通信预期未来会有增长，位数应大为增加；6)IPv6和IPv4不兼容，但与其他所有互联网协议兼容，包括TCP(传输控制协议)、UDP(用户数据报协议)、ICMP(网间控制报文协议)、IGMP( 联网组管理协议)、OSPF(开放最短路径优先协议)、BGP(边界网关协议)和DNS(域名系统)。有时需要做小量修改(大多用于处理更长的地址)。[4]
4 IPv6基础报头
IPv6基础报头如图1所示。
图1：IPv6基础报头
从IPv4到IPv6的过渡期可能会持续10年，路由器可通过检查此字段以确定包的类别。进行此项测试在关键路径上会浪费几个指令，所以有许多手段很可能尝试利用数据链路报头某些字段把IPv4包和IPv6包区别开来，以避免浪费指令。这样，包就可以直接传送给正确的网络层处理程序。不过，让数据链路层知悉网络包类型，完全违反了每层不应知悉上层给它的各位含意的设计原则。毫无疑问，“做很好”和“做得快”两个阵营间的争论，会漫长而激烈优先权字段用于区分哪些源的包可以进行流量控制，哪些不能。用于拥塞时可以慢下来的传输。用于实时信息量，其发送速率为一常数，即使所有包都丢失，也在所不惜。音频和视频就属于后一范畴。这些区别当发生拥塞时可使路由器能更好地处理包。在每一组中，低号码包没有高号码包重要。流量标识字段仍处于实验阶段，但将用于在源端和目的端之间建立一条有特殊属性和条件的伪连接。比如，从某一源主机的一个进程到某一目的主机的某一进程的包流可能有严格的延迟要求，因此需要预留带宽。这时可事先创建一个流量并给予一个标识符。当有一非零流量标识的包出现时，所有路由器均可在其内部表中查到它要求的是哪种特殊处理。实际上，流量试图使两种方法都取得成功：数据报子网的灵活性和虚电路子网的保证。每一流量由源地址、目的地址和流量编号定义，这样，在给定一对IP地址之间，在同一时刻可以存在许多流量。同样，用这种方法，即使来自不同主机具有同一流量编号的两个流量经过同一路由器，此路由器也能用源地址和目的地址把它们区分开来。流量编号要求随机选取，而不是从1开始顺序给定，以便路由器对其进行散列。有效负荷长度字段说明图1中4字节报头后有多少字节。这一名字由IPv4总长字段改变而来，因为意义稍有改变：头4字节不再像IPv4那样作为长度的一部分。报头简化的原因是可以有附加(可选)的扩展报头。此字段说明，如果有的话，那么在此基础报头后，接着的是(目前)6种扩展报头的哪一种。如果此报头是最后一个IP报头，则下一报头字段说明把包传给哪一传输协议处理程序(比如TCP、UDP)跳跃限制字段使包不能永存。实际上，它就是IPv4里的生命期字段，此字段每跳一次，其数就减1。理论上，在IPv4里它是以S计算的时间值，不过没有路由器是这样做的，所以把名称改为跳跃限制(包经过的最大路由器个数)，以反映其实际用法。[2]
5 扩展报头
目前定义了6种扩展报头，如图2所示。
图2：IPv6扩展报头
每种扩展报头都是可选的，但如果有多于一种报头出现，它们必须紧接基础报头之后，并最好按图2次序排列。有些报头具有固定格式，另一些则包含数目可变的不定长字段。对于后者，每项都编码成(类型，长度，数值)的元组。类型为1字节字段，说明它是哪种扩展报头(选项)。类型数值的头2位告诉不知如何处理此选项的路由器如何操作。其可选操作有：跳过该选项，删除该包，删除该包并返回一个ICMP(网际控制报文协议)包，和前者相同，但对组播不发送ICMP包(以防组播生成无数ICMP报告)。长度也是1字节字段。它指出值的长度(O～255字节)。值是需要的一些信息，最多255字节。连续跳跃扩展报头用于说明沿其所有路由器都要检查的信息。
到目前为止，只定义了一个选项：支持大于64 KB的数据报。这个报头的格式如图3所示。
图3：用于大型数据报的连续跳跃扩展字头
与所有扩展报头一样，该报头的第一个字节用来说明紧跟着的是什么类型的报头。该字节之后的一个字节用来说明连续跳跃扩展报头有多少个字节，不包括头8个字节，这头8个字节是强制性的。接着的2字节表明该报头以1个4字节数定义数据报的长度(代码194)。最后4字节给出数据报的长度。长度不允许小于65 536，否则第一个路由器就要删除该包，并返回一个ICMP错误消息。使用这种扩展报头的数据报称作巨报。对于必须在互联网上传送吉字节数据的巨型计算机，使用巨报很重要。路由选择报头列出了到达目的地必须经过的一个或多个路由器，严路由(提供完整路径)和松路由(仅提供选中的路由器)都支持，但它们结合到了一起。[3]
路由选择报头的格式如图4所示。
图4：路由扩展报头
路由扩展报头的4个字节包括4个1字节的整数：下一报头类型、路由类型(当前是0)、本报头中的地址数(1～24)和下一访问地址的索引。最后一个字段从0开始，每访问一个地址递增一次。然后是一个保留字节，保留字节后是可能出现的IPv6地址的位图。这些位图说明，在访问前面一个地址后是紧接着访问它后面的地址(紧路由)，还是其它路由器可插入其间(松路由)。分段报头处理分段的方法和IPv4类似。报头中包含数据报标识符、分段号和一个说明后面是否还有更多分段的标志位。IPv6和IPv4不同的是，只有源主机可以将包分段。沿途的路由器不能分段。虽然这一变化只是对过去的主要而理性的变动，但它简化了路由器的工作，使路选择更迅速。如上所述，路由器如果遇到一个过大的包，它会删除该包，并向源端发送一个ICMP包。源主机收到此信息后，可把该包分段成更小的段，并用此报头重发一次。[2]
6切换
切换是移动IP中一个研究热点，它所要解决的问题是怎样使正在进行的网络服务、通信或计算在移动主机移动过程中不被中断，使服务能够在基站之间进行平滑的过渡。由于无线网络的带宽非常有限，为了满足当前网络的带宽需求，基站的服务半径变的越来越小，增加了用户在基站之间进行的切换频率。因此，进行合理、有效的切换成为降低网络负担的一个重要途径，并且设计一种合理的切换算法来满足低延迟，服务质量抖动小、呼叫阻塞率低、可靠性高等要求己成为无线网络研究的一个热点。
切换评价的标准很多，主要有延迟，呼叫阻塞率、网络资源利用率、服务中断时间、丢包率、可扩展性、可靠性和简单性等方面。针对这些评价标准，可以开展很多有趣的研究课题。[5]
7 IPv6存在的主要问题
由于目前主要以固定接入方式使用Internet，这在很多方面限制了Internet的应用。随着人类生活节奏的加快，需要在任何地方、任何时候都能获得Internet服务，这使得提供移动的Internet接入成为当前Internet技术研究的热点之一。
移动IPv6作为I Pv6的一个组成部分，提供对节点移动和网络移动支持，是到目前为止最优秀的支持移动接入的网络协议。许多专家认为，IPv6的投入部署运行，第一个获得巨大应用的将是移动接入应用。由于目前的移动设备所提供的主要是语音服务，但在移动的基础上提供优质的数据服务始终是广大移动用户的需求，它为移动IPv6提供了广阔的市场。但对于移动IPv6的研究，人们当前的主要工作还处于对一系列相关协议标准化的阶段，还有许多工作尚未完成。而在国内，对于移动IPv6的研究还处于起步阶段，因此，对于移动IPv6的研究，相当的紧迫。
现在多种网络技术正在逐步融合，IP协议将成为统一的网络平台，但原来IP协议对网络节点的移动性支持不够，大量移动设备的用户希望在移动过程中保持Internet接入和持续通信，获得如固定接入一样的网络服务质量。这给Internet的发展带来了新的机遇，也带来了新的技术难题。尽管IPv6从理论上有诸多的优势，但由于移动IP是一种新兴的技术，目前该技术尚存在很多不足，有些在IPv4中无法解决的在IPv6中仍然必须面对，具体表现在以下几个方面：
a．移动主机连至Internet的链路通常是无线链路。这种链路与有线网络相比，其带宽明显低得多，其误码率必然明显高得多。
b．移动主机自身的成本以及供电方式，决定了与有线IP网相比有更高的造价。
c．对于某些采用防火墙技术的网络可能会阻断IP隧道，因为它们检验每个数据包的源地址域，而移动主机的数据包归属地址与外区网的网络地址不一样，从而导致防火墙阻截IP隧道数据包。
d．由于目前互联网上的大多数设备和ISP不支持移动IP业务，这极大地限制了IPv6的研究与发展。[6]
参考文献:
[1] 叶朝辉.计算机应用研究[M]．2005.
[2] Johnson D and Perkins C．Mobility Support in IPv6[M].2004
[3] 孙利民，单志刚，郑健平等.移动IP技术[M].北京:电子工业出版社，2003.
[4] 李静，程时端.移动IPv6环境下平滑切换对TCP性能的影响[M].计算机应用.2004
徐雷鸣，庞博，赵耀,NS与网络模拟[M].北京:人民邮电出版社2003.
[5] Marcia Robinson .The technology of mobile commerce[M],2003
