陳政然

（1.廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.中國電信股份有限公司廣西分公司，廣西 南寧 530015）

淺談移動IPv6技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

陳政然1，2

（1.廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.中國電信股份有限公司廣西分公司，廣西 南寧 530015）

隨著IPv4地址枯竭的問題日益嚴(yán)重，支持128位大地址空間的IPv6技術(shù)被推上了歷史舞臺，IPv6技術(shù)不但能徹底解決目前日益增大的IP地址需求量問題，而且相比于IPv4技術(shù)有著更完善的設(shè)計(jì)理念和更多的技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢。目前，移動IPv6技術(shù)尚不成熟，有很多由于實(shí)際的應(yīng)用問題需要解決，因此它仍處于理論研究和實(shí)踐探索的過渡階段。

IPv6；IPv4；移動IPv6；移動IPv4；移動通信

近年來，互聯(lián)網(wǎng)給人們的生活帶來了翻天覆地的變化，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為我們生活中不可或缺的要素。而隨著近年來移動業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，特別是3G在中國大陸引領(lǐng)的移動通信變革背景下，人們對于移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的需求與日俱增。移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的來源可追溯至上世紀(jì) 90年代，當(dāng)時(shí)的 IETF（Inernet Engineering Task Force）工程任務(wù)組就首先提出了最早的基于移動互聯(lián)應(yīng)用方式的IP標(biāo)準(zhǔn)化草案。隨著近20年來，各國專家對這份移動IP標(biāo)準(zhǔn)化草案的不斷更新和完善，移動IP技術(shù)也日趨成熟。IETF制訂的該份移動IP標(biāo)準(zhǔn)化草案包含了多方面的內(nèi)容，但它的核心內(nèi)容就是目前十分流行的移動IPv6協(xié)議。IPv6協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史上是具有革命性，移動IPv6協(xié)議更是領(lǐng)域應(yīng)用性突破的意義。相對于目前廣泛應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)的IPv4技術(shù)，移動IPv6技術(shù)極具優(yōu)勢，下面我們主要從以下幾個(gè)方面來探討一下IPv6技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用：

（一）移動IPv6的技術(shù)簡介

移動IP技術(shù)實(shí)際上是在現(xiàn)有IP技術(shù)的基礎(chǔ)上新引入的一種路由策略，它基于IP地址的上層業(yè)務(wù)不會因?yàn)楣?jié)點(diǎn)位置的不斷變化而出現(xiàn)中斷，這種可移動性是建立在第三層基礎(chǔ)上的，因而可以完全克服鏈路層的異質(zhì)性缺點(diǎn)。

1.移動IPv6組成詳解

與移動IPv4相同，移動IPv6也擁有內(nèi)部鏈路和外部鏈路。內(nèi)部鏈路就是具有本地子網(wǎng)前綴的鏈路，移動節(jié)點(diǎn)使用本地子網(wǎng)前綴創(chuàng)建內(nèi)部地址。外部鏈路就是具有外部子網(wǎng)前綴的鏈路，移動節(jié)點(diǎn)使用外部子網(wǎng)前綴創(chuàng)建轉(zhuǎn)交地址。移動IPv6的內(nèi)部地址就是移動節(jié)點(diǎn)位于內(nèi)部鏈路時(shí)所使用的地址，無論移動節(jié)點(diǎn)位于IPv6互聯(lián)網(wǎng)中的哪個(gè)位置，移動節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部地址總是可到達(dá)的。移動IPv6的轉(zhuǎn)交地址是移動節(jié)點(diǎn)位于外部鏈路時(shí)所使用的地址，它由外部子網(wǎng)前綴和移動節(jié)點(diǎn)的接口ID組成。移動節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)具有多個(gè)轉(zhuǎn)交地址，但只有一個(gè)轉(zhuǎn)交地址可以在移動節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部代理中注冊成為主轉(zhuǎn)交地址。

與移動IPv4不同，在移動IPv6中只有內(nèi)部代理的概念，外部代理不再存在。移動節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部代理是內(nèi)部鏈路上的一臺路由器，主要負(fù)責(zé)維護(hù)離開本地鏈路的移動節(jié)點(diǎn)以及這些移動節(jié)點(diǎn)所使用的地址信息。如果移動節(jié)點(diǎn)位于內(nèi)部鏈路，則內(nèi)部代理的作用與一般的路由器一樣，它將目的地為移動節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包正常轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點(diǎn)；當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)離開內(nèi)部鏈路時(shí)，則內(nèi)部代理將截取發(fā)往移動節(jié)點(diǎn)內(nèi)部地址的數(shù)據(jù)包，并將這些數(shù)據(jù)包通過隧道發(fā)往移動節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址。

2.移動IPv6的工作機(jī)制

（1）移動節(jié)點(diǎn)采用 IPv6版的路由器搜索確定它的轉(zhuǎn)交地址。

移動節(jié)點(diǎn)連接在它的內(nèi)部鏈路上時(shí)與任何固定的主機(jī)和路由器一樣工作。當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)連接在它的外部鏈路上時(shí)，它采用IPv6定義的地址自動配置方法得到外部鏈路上的轉(zhuǎn)交地址。由于移動IPv6沒有外部代理，因此移動IPv6中唯一的一種轉(zhuǎn)交地址是配置轉(zhuǎn)交地址，移動節(jié)點(diǎn)用接受的路由器廣播報(bào)文中的M位來決定采用哪一種方法。如果M位為0，那么移動節(jié)點(diǎn)采用被動地址自動配置，否則移動節(jié)點(diǎn)采用主動地址自動配置。

（2）移動節(jié)點(diǎn)將它的轉(zhuǎn)交地址通知給內(nèi)部代理。

（3）如果可以保證操作時(shí)的安全性，移動節(jié)點(diǎn)也將它的轉(zhuǎn)交地址通知幾個(gè)通信節(jié)點(diǎn)。

移動IPv6采用布告過程通知移動節(jié)點(diǎn)內(nèi)部代理或其他節(jié)點(diǎn)它當(dāng)前的轉(zhuǎn)交地址。移動IPv6中的布告和移動IPv4中的注冊有很大的不同。在移動 IPv4中，移動節(jié)點(diǎn)通過 UDP/IP包中攜帶的注冊信息將它的轉(zhuǎn)交地址告訴內(nèi)部代理，相反地，移動IPv6中的移動節(jié)點(diǎn)用目的地址可選項(xiàng)來通知其他節(jié)點(diǎn)它的轉(zhuǎn)交地址。為移動IPv6布告所定義的三條消息為綁定更新、綁定應(yīng)答和綁定請求。這些消息都被放在目的地可選報(bào)頭中，這表明這些消息都只被最終目的節(jié)點(diǎn)檢查。移動IPv6布告過程包括在移動節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部代理或通信節(jié)點(diǎn)間交換綁定更新和綁定應(yīng)答。

綁定應(yīng)答很可能是在移動節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)綁定請求后發(fā)出的。有時(shí)，通信節(jié)點(diǎn)通過向移動節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)綁定請求啟動布告過程，移動節(jié)點(diǎn)則通過發(fā)送綁定更新啟動布告過程。在這兩種情況中，移動節(jié)點(diǎn)都向內(nèi)部代理或通信節(jié)點(diǎn)告知它當(dāng)前的轉(zhuǎn)交地址。移動節(jié)點(diǎn)可以通過綁定更新中的應(yīng)答位來要求接收者是否通過向移動節(jié)點(diǎn)發(fā)送綁定應(yīng)答來響應(yīng)，綁定應(yīng)答首先通知移動節(jié)點(diǎn)綁定更新已收到，其次還告訴移動節(jié)點(diǎn)綁定更新是否被接受。

（4）移動 IPv6中同時(shí)采用隧道和源路由技術(shù)向連接在外部鏈路上的移動節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)包。

當(dāng)知道移動節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址的通信節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以利用IPv6選路報(bào)頭直接將數(shù)據(jù)包發(fā)送給移動節(jié)點(diǎn)，這些包不需要經(jīng)過移動節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部代理，它們將經(jīng)過從始發(fā)點(diǎn)到移動節(jié)點(diǎn)的一條優(yōu)化路由。如果通信節(jié)點(diǎn)不知道移動節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址，那么它就像向其他任何固定節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包那樣向移動節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。這時(shí)，通信節(jié)點(diǎn)只是將移動節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部地址放入目的IPv6地址域中，并將它自己的地址放在源IPv6地址域中，然后將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到合適的下一跳上。這樣發(fā)送的一個(gè)數(shù)據(jù)包將被送往移動節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部鏈路，就像移動IPv4中那樣。在內(nèi)部鏈路上，內(nèi)部代理截獲這個(gè)數(shù)據(jù)包，并將它通過隧道送往移動節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址。移動節(jié)點(diǎn)將送過來的包拆封，發(fā)現(xiàn)內(nèi)層數(shù)據(jù)包的目的地是它的內(nèi)部地址，于是將內(nèi)層數(shù)據(jù)包交給高層協(xié)議處理。

（5）在相反方向，移動節(jié)點(diǎn)送出的數(shù)據(jù)包采用特殊的機(jī)制被直接路由到它們的目的地。當(dāng)存在入口方向的過濾時(shí)，移動節(jié)點(diǎn)可以將數(shù)據(jù)包通過隧道送給內(nèi)部代理，隧道的源地址為移動節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址。

3.移動IPv6的關(guān)鍵技術(shù)簡介——切換技術(shù)

當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)從一個(gè)子網(wǎng)移動到另一個(gè)子網(wǎng)時(shí)，就需要進(jìn)行切換。由于無線鏈路的高誤碼率、信號強(qiáng)度動態(tài)變化等原因，切換可能導(dǎo)致移動節(jié)點(diǎn)不能接收和發(fā)送數(shù)據(jù)分組。為了減少切換對服務(wù)質(zhì)量的影響，移動IPv6定義了移動檢測、轉(zhuǎn)交地址獲取和重新綁定等基礎(chǔ)過程，并在此基礎(chǔ)上提出了幾種主要的切換方案。

（1）快速切換所謂快速切換即意味著低延時(shí)，是對移動IPv6協(xié)議的擴(kuò)展。它采用預(yù)先切換和基于隧道的切換兩種機(jī)制，通過提前注冊，以及在新的外部網(wǎng)絡(luò)切換未完成時(shí)通過與前一個(gè)網(wǎng)絡(luò)保持通信的方法，實(shí)現(xiàn)快速切換。預(yù)先切換是指當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)和舊接入路由器還保持著第二層的連接時(shí)，移動節(jié)點(diǎn)或者舊接入路由器能預(yù)測移動節(jié)點(diǎn)將會進(jìn)入到一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，從而發(fā)起移動節(jié)點(diǎn)和新接入路由器之間的第三層的切換。基于隧道的切換是指當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)到了新的網(wǎng)絡(luò)并且建立了第二層的連接后，并不發(fā)生第三層的切換。舊接入路由器和新接入路由器通過在二者之間進(jìn)行第二層的切換，使用切換消息中提供的信息建立雙向隧道，移動節(jié)點(diǎn)可以通過隧道從前一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，盡量減少實(shí)時(shí)流的中斷時(shí)間。

（2）平滑切換所謂平滑切換是針對降低 IP數(shù)據(jù)包丟失率而提出的一種切換方案。當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)移動到一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)還沒有完成注冊時(shí)，由于原先轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包還沒有發(fā)完，往往會出現(xiàn)大量的IP數(shù)據(jù)包丟失。因此，移動IPv6提出了一種緩存機(jī)制，移動節(jié)點(diǎn)要求當(dāng)前子網(wǎng)的路由器緩存它的數(shù)據(jù)包，知道移動節(jié)點(diǎn)完成向新網(wǎng)絡(luò)內(nèi)路由器的注冊過程。一旦完成注冊，移動節(jié)點(diǎn)在新網(wǎng)絡(luò)中就有了合法的轉(zhuǎn)交地址，緩存的數(shù)據(jù)包從先前的路由器轉(zhuǎn)發(fā)過來，這樣，就大大減少了移動過程中數(shù)據(jù)包丟失的可能性。

4.移動IPv6的發(fā)展現(xiàn)狀

IPv4地址的短缺是促使 IPv6加速發(fā)展的重要原因，而IPv6也被認(rèn)為是目前唯一能解決IP地址短缺的可行途徑，也是未來發(fā)展 LTE網(wǎng)絡(luò)的重要支撐。據(jù)互聯(lián)網(wǎng)名稱與數(shù)字地址分配機(jī)構(gòu) ICANN的一項(xiàng)最新數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)，IPv4地址會在 2011年8月耗盡，目前全球IPv4地址剩余僅為2.52億，不足6%。隨著互聯(lián)網(wǎng)對于網(wǎng)絡(luò)要求的提高，IP地址顯然已經(jīng)不夠，發(fā)展IPv6也可以認(rèn)為是為未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)行必要的網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備。

（二）移動IPv6的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

1.豐富的地址數(shù)量

移動IPv6使用的是128位長度的地址，這對于日益蓬勃壯大的互聯(lián)網(wǎng)和移動通信市場來說無疑是很有誘惑力的。另外，移動IPv6技術(shù)不再使用NAT，這使得部署移動IPv6的工程變得更加簡單、靈活和方便。移動IPv6不再需要管理公網(wǎng)地址與內(nèi)部地址之間的網(wǎng)絡(luò)地址映射和轉(zhuǎn)換，因此，它的網(wǎng)絡(luò)部署工作比移動 IPv4所涉及的網(wǎng)絡(luò)元素和協(xié)議反而減少了。

2.對等的端到端通信

NAT絕大多數(shù)的應(yīng)用都是通過基于客戶端——服務(wù)器的方式被廣泛地在互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用的，這種情況顯然無法滿足人們對移動網(wǎng)絡(luò)日益增長的要求。移動手機(jī)終端之間、移動手機(jī)終端與其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通訊都要求是對等端到端的，因此，這樣的通訊需要全球地址，而不再是內(nèi)部地址。因此，拋棄傳統(tǒng)的 NAT將使通訊實(shí)現(xiàn)真正的全球范圍內(nèi)任意點(diǎn)到任意點(diǎn)的端到端連接。

3.先進(jìn)的地址結(jié)構(gòu)層次

為滿足飛速發(fā)展的移動通信和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，移動IPv6不僅能提供更為豐富的IP地址，而且可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)注冊機(jī)構(gòu)的策略來定義移動IPv6地址的層次結(jié)構(gòu)，從而為路由表“瘦身”，并且可以根據(jù)指定區(qū)域內(nèi)本地地址和控制選路方式來構(gòu)造內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

4.安全機(jī)制內(nèi)嵌

移動IPv6將安全列為非常重要的評判指標(biāo)，其安全部署不同于IPv4那樣通過疊加的解決方案來實(shí)現(xiàn)，而是建立在更加協(xié)調(diào)統(tǒng)一的層次之上。移動IPv6通過IPsec對運(yùn)行在IP層上的所有通信應(yīng)用提供授權(quán)和加解密。通過移動IPv6可以構(gòu)造真正的企業(yè)內(nèi)部遠(yuǎn)程網(wǎng)，如企業(yè)的遠(yuǎn)程內(nèi)部VPN網(wǎng)絡(luò)等，實(shí)現(xiàn)無縫接入和固定連接。

5.自動配置地址

移動 IPv6的主機(jī)地址分配方法相比于傳統(tǒng)的移動 IPv4更加豐富，任何主機(jī)的IPv6地址分配方式包括無狀態(tài)自動配置、全狀態(tài)自動配置以及靜態(tài)鎖定等幾種。這意味著在移動IPv6環(huán)境中的編址方式更加高效，能實(shí)現(xiàn)自我管理，網(wǎng)絡(luò)的管理成本更低廉。

6.高服務(wù)質(zhì)量

服務(wù)質(zhì)量是多種因素的綜合問題。從協(xié)議的角度來看，移動IPv6的頭標(biāo)增加了一個(gè)流標(biāo)記域，20位長的流標(biāo)記域使得任何網(wǎng)絡(luò)的中間點(diǎn)都能夠確定并區(qū)別對待某個(gè)IP地址的數(shù)據(jù)流。

7.更好的移動性

移動IPv6完全的實(shí)現(xiàn)了IP層的移動。在移動終端數(shù)量與日俱增的今天，只有移動IPv6技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)為每個(gè)設(shè)備分配一個(gè)全球性永久固定IP地址的能力。由于移動IPv6極易擴(kuò)展、處理大規(guī)模移動性要求的能力強(qiáng)，因此，它將成為解決全球范圍移動網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的不二選擇。

8.結(jié)構(gòu)簡單且部署容易

由于每個(gè)IPv6的終端都具有通信節(jié)點(diǎn)功能，當(dāng)與其它移動IPv6終端進(jìn)行通信時(shí)，每個(gè)IPv6終端都可以進(jìn)行路由的優(yōu)化計(jì)算，從而有效的避免了三角路由問題。另外，IPv6的地址自動配置特性還大大簡化了移動節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)交地址的分配過程，與移動IPv4不同，移動IPv6不再需要外部代理，這也使其結(jié)構(gòu)更加趨于簡單。

（三）目前移動IPv6存在的問題和未來發(fā)展方向

移動IPv6作為IPv6的一個(gè)組成部分，提供對節(jié)點(diǎn)移動和網(wǎng)絡(luò)移動支持。它是到目前為止最優(yōu)秀的支持移動接入的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。許多專家認(rèn)為，IPv6的部署運(yùn)行，第一個(gè)獲得巨大應(yīng)用的將是移動接入應(yīng)用。目前的移動設(shè)備所提供的主要是語音服務(wù)，但在移動的基礎(chǔ)上提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)服務(wù)始終是廣大移動用戶的需求。這就為移動IPv6提供了廣闊的市場。但對于移動IPv6的研究，人們當(dāng)前的主要工作還處于對一系列相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的階段，還有許多工作尚未完成。而在國內(nèi)，對于移動IPv6的研究還處于起步階段，因此，對于移動IPv6的研究，相當(dāng)?shù)木o迫。

現(xiàn)在多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在逐步融合，IP協(xié)議將成為統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺，但原來IP協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動性支持不夠，大量移動設(shè)備的用戶希望在移動過程中保持Internet接入和持續(xù)通信，獲得如固定接入一樣的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。這給Internet的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，也帶來了新的技術(shù)難題。盡管IPv6從理論上有諸多的優(yōu)勢，但由于移動IP是一種新興的技術(shù)，目前該技術(shù)尚存在很多不足，有些在 IPv4中無法解決的在IPv6中我們依然需要面對，主要有以下幾個(gè)方面：

1.移動主機(jī)連至Internet的鏈路通常是無線鏈路。這種鏈路與有線網(wǎng)絡(luò)相比，其帶寬明顯低得多，其誤碼率必然明顯高得多。

2.移動主機(jī)自身的成本以及供電方式，決定了與有線IP網(wǎng)絡(luò)相比有更高的造價(jià)。

3.對于某些采用防火墻技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)可能會阻斷IP隧道，因?yàn)樗鼈儥z驗(yàn)每個(gè)數(shù)據(jù)包的源地址域，而移動主機(jī)的數(shù)據(jù)包歸屬地址與外區(qū)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)地址不一樣，從而導(dǎo)致防火墻阻截IP隧道數(shù)據(jù)包。

4.由于目前互聯(lián)網(wǎng)上的大多數(shù)設(shè)備和ISP不支持移動IP業(yè)務(wù)，這極大地限制了IPv6的研究與發(fā)展。

[1] Soliman H,Castelluccia C,Malki K E et al.Hierarchical mobile IPv6 mobility management (HMIPv6).RFC4140,2009.

[2] Koodli R.Fast,handovers for mobile IPv6.RFC4068, 2009.

[3] 闞志剛.移動 IPv6服務(wù)質(zhì)量研究[J].北京:北京郵電大學(xué),2006.

[4] Deering S,Hinden R.Internet Protocol.Version 6 (IPv6)Specification.RFC2460,2008.

TN929.5

A

1008-1151(2011)03-0044-03

2010-12-12

陳政然（1981-），男，廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息工程學(xué)院在讀研究生，中國電信股份有限公司廣西分公司經(jīng)濟(jì)師，從事通信技術(shù)。