移動IPv6技術(shù)探析

摘要　本文簡要介紹了移動IPv6的背景，在此基礎上給出了IPv6下移動IP的工作流程、“三角路由”問題的解決方案，并探討了相關(guān)的一些關(guān)鍵技術(shù)和安全考慮等。最后，進一步討論了當前研究中存在的困難以及未來可能的研究方向。

1、引言

隨著當今通信、網(wǎng)絡和計算機等各種高新科技的發(fā)展以及人們工作、生活方式的轉(zhuǎn)變，Internet的發(fā)展也隨之出現(xiàn)了兩個重要的方向。

首先，各種設備如手機、PDA、甚至于各種智能家電等，要擺脫各種專用通信網(wǎng)絡之間的相互隔閡，需要接入互聯(lián)網(wǎng)，擁有獨立的IP地址。但現(xiàn)有的IPv4地址已近耗盡，不能滿足要求。IPv6是IPv4的下一個版本，它的最大特點是提供了128bit的海量地址，可以滿足“可預見未來”的IP地址需求。而且，IPv6在運行效率、QoS（服務質(zhì)量）、安全性等方面有著超出IPv4的種種優(yōu)勢。另一方面，人們對網(wǎng)絡的移動性要求越來越高，希望隨時隨地能夠在主機移動的過程中保持如同在靜止中通信一樣的質(zhì)量。但是IP地址是一個網(wǎng)絡接口的標志，受到所在子網(wǎng)的限制，主機一旦移出當前子網(wǎng)，其IP地址必將改變，從而影響了上層進程的通信和對用戶的服務質(zhì)量。為此IETF（Internet Engineering Task Force）給出了移動IP的解決方案，使得主機的移動不對IP層的上層通信造成影響。

移動IP技術(shù)充分利用了IPv6帶來的便利與優(yōu)勢，實現(xiàn)了移動IP，因次被稱為移動IPv6技術(shù)。它是IPv6重要的研究和應用方向之一。

2、移動IPv6的工作過程

2.1　工作原理

IETF制定了Mobile IPv6的草案，提供了相應的機制。這使得IPv6主機在離開家鄉(xiāng)子網(wǎng)后，在Internet的任何地點，仍能使用它的家鄉(xiāng)地址，從而很好地維持原有的通信及連接。這種實現(xiàn)機制對于IP層以上是透明的：通信雙方的IP以上各層是感覺不到移動節(jié)點的移動和IP地址的變化的。

每個移動節(jié)點都有一個對應家鄉(xiāng)鏈路子網(wǎng)前綴的“家鄉(xiāng)地址（Home address）”。移動節(jié)點離開家鄉(xiāng)鏈路時，在新的子網(wǎng)鏈路上使用IPv6網(wǎng)絡的“地址自動配置”機制，從而得到對應新的子網(wǎng)前綴的IPv6地址。如果簡單地將移動主機的IP地址更新，那么發(fā)往其家鄉(xiāng)地址的數(shù)據(jù)包將不能到達主機。從而導致IP以上各層的連接在改變位置之后不能繼續(xù)保持。因此，必須使通信各方同時保持移動節(jié)點“家鄉(xiāng)地址”和新獲得的所謂“轉(zhuǎn)交地址（Care-of address）”。Mobile IPv6協(xié)議使得通信雙方節(jié)點以及家鄉(xiāng)鏈路上的相關(guān)路由器能夠同時緩存移動節(jié)點的家鄉(xiāng)地址以及轉(zhuǎn)交地址，這兩種地址的聯(lián)合稱為一個“綁定（Binding）”。

移動節(jié)點通告家鄉(xiāng)子網(wǎng)上的路由器這種“綁定”，使之成為自己的“家鄉(xiāng)代理（Home agents）”。它幫助移動節(jié)點仍能以“家鄉(xiāng)地址”和別的節(jié)點通信。而且，在通信節(jié)點了解了這種“綁定”之后，它就能繞開家鄉(xiāng)代理，直接以移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址進行通信。

2.2　工作流程

無論移動節(jié)點在家鄉(xiāng)還是外地，它總是保持著家鄉(xiāng)地址作為尋址的一個標志。當移動節(jié)點在家鄉(xiāng)鏈路時，按照一般IPv6協(xié)議規(guī)定而進行通信，這就好像它不是移動節(jié)點，發(fā)往它的IP包被正常路由到它的家鄉(xiāng)鏈路。

1.建立“家鄉(xiāng)代理”

當移動節(jié)點連接在外地鏈路時，它會通過“地址自動配置”機制來獲得一個或者多個由該外地鏈路子網(wǎng)前綴對應的IPv6轉(zhuǎn)交地址。發(fā)往該轉(zhuǎn)交地址的IP包是直接路由到該外地鏈路上由移動節(jié)點收到的。但移動節(jié)點怎樣收到目的地址是其家鄉(xiāng)地址的哪些IP包呢?通信節(jié)點又如何知道移動節(jié)點位置的變化從而直接將包發(fā)往“轉(zhuǎn)交地址”呢?這就需要有“綁定更新消息”和“家鄉(xiāng)代理”路由器的幫助。

移動節(jié)點一旦獲得轉(zhuǎn)交地址，立即向家鄉(xiāng)鏈路上一個具有“家鄉(xiāng)代理”功能的路由器發(fā)送一個“綁定更新”消息，通知該路由器自己位置的改變以及新得到的轉(zhuǎn)交地址，要求該路由器成為自己的“家鄉(xiāng)代理”。（可以使用“家鄉(xiāng)代理發(fā)現(xiàn)機制”來得到具有家鄉(xiāng)代理功能的本地路由器，該機制充分利用了IPv6的新特性：任播（Anycast）地址。）路由器為該移動節(jié)點的“家鄉(xiāng)地址”和“轉(zhuǎn)交地址”建立一個“綁定”緩存條目，然后向移動節(jié)點回復“綁定認可”消息，正式成為它的家鄉(xiāng)代理（見圖1）。

圖1　家鄉(xiāng)代理注冊

此后，一旦有目的地地址是移動節(jié)點家鄉(xiāng)地址的IP包被路由到家鄉(xiāng)鏈路上，家鄉(xiāng)代理路由器就截獲這些包，用IPv6封裝協(xié)議封裝，經(jīng)隧道發(fā)往移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址。

（1）在外移動節(jié)點向本地路由器發(fā)送綁定更新；

（2）該路由器發(fā)送綁定認可，成為家鄉(xiāng)代理。

2.移動主機通信規(guī)程及“三角路由”問題的解決

如果通信雙方的數(shù)據(jù)包都必須經(jīng)過家鄉(xiāng)鏈路的中轉(zhuǎn)，就產(chǎn)生了所謂的“三角路由”。首先，家鄉(xiāng)代理服務器負擔增長；其次，傳輸延時增大，對一些延遲敏感的業(yè)務如音頻、視頻造成極大的損害。在安全性極差的IPv4下此問題難以解決，而在IPv6下實現(xiàn)路由優(yōu)化就容易多了。移動節(jié)點在收到從“家鄉(xiāng)代理”經(jīng)隧道轉(zhuǎn)發(fā)過來的IP包時，應該在應答通信節(jié)點的包擴展頭中加入“綁定更新”選項，告訴該通信節(jié)點，也為它的兩個地址作一個“綁定”以后，將發(fā)往“家鄉(xiāng)地址”的數(shù)據(jù)包直接發(fā)往“轉(zhuǎn)交地址”，從而避免了“三角路由”問題的出現(xiàn)（見圖2）。

圖2　在外移動主機通信規(guī)程及三角路由的消除

（1）發(fā)往家鄉(xiāng)地址的數(shù)據(jù)包；

（2）家鄉(xiāng)代理把包用隧道傳給移動節(jié)點；

（3）移動節(jié)點向通信節(jié)點發(fā)送綁定更新；

（4）數(shù)據(jù)包無須轉(zhuǎn)發(fā)，三角路由消失。

而且，通信節(jié)點發(fā)往移動節(jié)點“轉(zhuǎn)交地址”的數(shù)據(jù)包里包含了有關(guān)“家鄉(xiāng)地址”的信息，從而使得移動節(jié)點能夠理解這些IP包是發(fā)往其家鄉(xiāng)地址的。它會把這些包的目的地地址字段填上自己的家鄉(xiāng)地址，再往上層提交，從而使“轉(zhuǎn)交地址”對上層協(xié)議是透明的，上層連接得以保持。

3.“綁定”的更新和刪除

當移動主機再次移動到另一個新的子網(wǎng)時，會獲得新的轉(zhuǎn)交地址，此時將重新登記綁定更新信息，使家鄉(xiāng)代理及所有通信節(jié)點能夠跟蹤到移動主機位置的變化。當移動主機回到原地子網(wǎng)時，發(fā)送的將是“家鄉(xiāng)地址”與“轉(zhuǎn)交地址”字段同為“家鄉(xiāng)地址”值的“綁定更新”消息。家鄉(xiāng)代理及通信節(jié)點得到這樣的消息，應該從所有已知綁定的列表中將有關(guān)該移動主機的綁定全部刪除，所有通信恢復正常。

上述所有“綁定”都是有其生存時限以避免綁定列表的無限擴張。當家鄉(xiāng)代理路由器或者通信節(jié)點綁定列表中為某個移動主機建立的綁定條目過期，它就應該向移動節(jié)點發(fā)送一個“綁定請求”消息，使之收到后重新發(fā)送新的“綁定更新”消息，更新綁定的生存時間。

2.3　移動IPv6中用到的幾個關(guān)鍵技術(shù)

1.“地址自動配置”機制

為了實現(xiàn)網(wǎng)絡設備的即插即用（PnP），IPv6提供了兩種機制實現(xiàn)主機IP地址及其相關(guān)信息的自動配置。一種是從IPv4繼承來的動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP），又稱之為全狀態(tài)自動配置。IPv6還主要采用了另一種無狀態(tài)自動配置的機制。主機一旦接入網(wǎng)絡，就用自己具有唯一性的接口ID（48bit MAC地址或者由之派生出來的64bit EUI-64地址或者其他具有唯一性的號碼）附加在IPv6鏈路本地地址前綴1111111010和足夠多的零之后，產(chǎn)生一個鏈路本地單播地址。然后主機向鏈路中所有路由器（IPv6中的組播地址FF02:2）組播一個“路由器請求”消息，路由器返回一個全局單播地址前綴及其他相關(guān)配置信息。主機用此全局地址前綴加上自己的接口ID形成全局128bit地址，就可以參與Internet通信了。

在此項主機配置過程之中，沒有人的手動干預或者專門的主機配置服務器，是主機與路由器自動完成的，此即為“無狀態(tài)地址自動配置”機制。在Mobile IPv6中，移動主機移到別的子網(wǎng)時，就是使用這種機制得到自己對應當前鏈路的“轉(zhuǎn)交地址”的。

2.移動檢測

當移動節(jié)點離開家鄉(xiāng)鏈路到其他鏈路時，可以使用任何可用的機制來檢測到自己位置的移動。例如，在無線環(huán)境下，信號的消失可能意味著離開了原服務區(qū)，從而認為已經(jīng)離開家鄉(xiāng)鏈路。但這樣的低層協(xié)議是隨著網(wǎng)絡鏈路層技術(shù)的變化而變化的。要在IP層檢測到節(jié)點位置的移動，移動IPv6應該使用IPv6的“鄰居發(fā)現(xiàn)”技術(shù)，其中包括“路由器發(fā)現(xiàn)”和“鄰居不可達檢測”。

路由器定期在本地鏈路上發(fā)送“路由器宣告”廣播消息，移動節(jié)點接收到這樣的消息，就為該路由器維護一個“缺省路由器”條目，并記錄下相應的子網(wǎng)前綴。“路由器宣告”消息中包含有“宣告間隔”選項，這意味著如果移動節(jié)點在這么長的時間內(nèi)沒有收到該路由器發(fā)來的新的“路由器宣告”消息的話，它就可以確定至少丟失了一個宣告消息。因此移動節(jié)點可以實現(xiàn)自己的策略來決定何時認為該路由器不可達，即自己位置已改變，從而轉(zhuǎn)向別的路由器。

3.“家鄉(xiāng)代理發(fā)現(xiàn)”機制

移動節(jié)點離開本地鏈路時，使用該機制，在其家鄉(xiāng)鏈路上發(fā)現(xiàn)一個或者多個具有家鄉(xiāng)代理功能的路由器。此外，如果節(jié)點在外期間，原來的“家鄉(xiāng)代理”失效或者消失，這種機制也能發(fā)揮作用。

首先，移動節(jié)點要向“移動IPv6家鄉(xiāng)代理”的任意發(fā)送地址（Anycast address）發(fā)送一個“ICMP家鄉(xiāng)代理發(fā)現(xiàn)請求”消息，使用移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址作為該IP包的源地址。有家鄉(xiāng)代理功能的路由器（該路由器某個網(wǎng)絡接口加入了該任意發(fā)送地址）收到該消息后，應該向移動節(jié)點轉(zhuǎn)交地址發(fā)送“ICMP家鄉(xiāng)代理地址發(fā)現(xiàn)應答”消息，返回家鄉(xiāng)代理的一個全球唯一地址，以及本地鏈路上所有別的家鄉(xiāng)代理按優(yōu)先級排序的地址列表。移動節(jié)點收到這些信息之后，即可選擇其一，發(fā)送“綁定更新”消息，得到自己的“家鄉(xiāng)代理”了。

4.“鄰居發(fā)現(xiàn)”機制

當移動節(jié)點離開家鄉(xiāng)時，它的家鄉(xiāng)代理使用IPv6的“鄰居發(fā)現(xiàn)”機制來截獲發(fā)往移動主機“家鄉(xiāng)地址”的數(shù)據(jù)包。

家鄉(xiāng)代理代表移動節(jié)點在家鄉(xiāng)鏈路上廣播“鄰居廣播”消息，將自己的數(shù)據(jù)鏈路層地址與移動節(jié)點在本地的每一個IPv6地址相關(guān)聯(lián)。也就是說，除了鏈路層地址選項填入家鄉(xiāng)代理自己的鏈路層地址，“鄰居宣告”消息中所有字段的設置應該與移動節(jié)點在家時自己設置此消息的過程相同。這樣，收到此消息的任何本地節(jié)點或路由器修改自己的“鄰居緩存”，將移動節(jié)點的家鄉(xiāng)地址與家鄉(xiāng)代理的鏈路層地址進行聯(lián)系。此后本地節(jié)點發(fā)往移動節(jié)點家鄉(xiāng)地址的數(shù)據(jù)包，以及由別的路由器發(fā)來的目的地址是移動節(jié)點家鄉(xiāng)地址的數(shù)據(jù)包被“家鄉(xiāng)代理”截獲。封裝后經(jīng)隧道轉(zhuǎn)發(fā)給在外的移動節(jié)點。

移動IPv6中沒有像移動IPv4那樣使用ARP協(xié)議來截獲數(shù)據(jù)包，所以無須考慮與ARP相關(guān)的特定數(shù)據(jù)鏈路層的性質(zhì)。這種設置提高了協(xié)議的可靠性，簡化了實現(xiàn)的過程。

3、移動IPv6中的安全性考慮

以往的經(jīng)驗證明，許多添加了新功能的新型網(wǎng)絡體系中都不免會引入了各種各樣新的安全隱患。對于移動IP來說，其最大的安全威脅在于移動節(jié)點經(jīng)常要向家鄉(xiāng)代理及通信節(jié)點發(fā)送更新報文，這為攻擊者提供了一些侵入的可能。

比如，黑客有可能冒充移動主機，向通信節(jié)點發(fā)送偽造的綁定更新消息，使得發(fā)往真實移動主機的數(shù)據(jù)包被重新定向至黑客指定的地址。又如，攻擊者不斷發(fā)送無用的包，可以阻塞未受保護的鏈路，也能阻止真正的移動接點正常通信。為此，未來在移動節(jié)點、家鄉(xiāng)代理及通信節(jié)點之間必須要進行身份認證。此外，為了保證被訪問的新的子網(wǎng)的安全性不受移動主機影響，移動主機與接入鏈路的路由器之間也需要認證。

要解決這些問題，移動IPv4必須依賴自己的安全機制，效率很低。而移動IPv6的安全性是建立在IPv6協(xié)議的安全機制之上的，使用網(wǎng)絡層IPSec來滿足更新綁定時的安全需求，省去了很多額外的工作。IPSec是將幾種安全技術(shù)結(jié)合到一起形成的一個較為完整的體系，通過對數(shù)據(jù)加密、認證、完整性檢查來保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性、私有性及保密性。

IETF已經(jīng)給出RFC2977文檔，提供支持移動IP的3A服務，即移動用戶的認證（Authentication）、授權(quán)（Authorization）和記費（Accounting）服務。

此外，防火墻也需要進行相應的升級來支持移動IPv6，使之不受移動IPv6數(shù)據(jù)包中修改過的源地址和目的地址的影響，以正常進行數(shù)據(jù)包的過濾。

4、現(xiàn)存問題和進一步研究方向

1.移動IPv6的服務質(zhì)量

有些應用要求能在網(wǎng)絡上以實時的性能傳輸數(shù)據(jù)，需要得到最小帶寬和最大延遲、甚至是最大延時抖動的保證。所以，IP QoS將成為運營商級IP聯(lián)網(wǎng)解決方案的基礎。

在移動IP中實現(xiàn)QoS有一些新的問題：

（1）網(wǎng)絡中的移動主機隨時更換位置，并可能相應的有正在進行業(yè)務的變化，其業(yè)務量模型動態(tài)、復雜。

（2）IP QoS的一些解決方案，如集成服務模型和區(qū)分服務模型，需要對不同的網(wǎng)絡區(qū)域進行業(yè)務等級的劃分。而網(wǎng)絡的靜止帶寬分配和移動主機的動態(tài)位置相互不能適應。因此，必須引入動態(tài)的業(yè)務等級劃分。

（3）不同的QoS區(qū)域入口服務器要對分組的源地址、目標地址等進行識別，但移動IPv6中數(shù)據(jù)包的源地址和（對移動節(jié)點發(fā)送的包而言）／或者目的地址（對發(fā)往移動節(jié)點的包而言）是移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址，該地址隨節(jié)點的移動作動態(tài)的變化。那么，如何在實現(xiàn)相應的QoS時考慮到這種變化必須加以研究。

最后，移動節(jié)點在切換網(wǎng)絡時會引起一定時間內(nèi)的傳輸延時以及分組丟失（如何盡量減少這種影響在后文提及），這必須加以優(yōu)化解決，否則QoS就很難實現(xiàn)了。

2.移動IPv6的快速切換

移動IP的重要應用環(huán)境是無線鏈路。在新的無線通信系統(tǒng)中，微蜂窩（Micro-cell）應用廣泛，相應的帶來了移動主機的頻繁切換。鏈路切換過程中移動主機要進行移動IP注冊及“三角路由”的優(yōu)化，從而引入了分組的延時及丟失。

為了防止IP包在移動主機切換IP時丟失，有所謂蜂窩IPv6，提出了外地本地代理（FHA）和蜂窩多播（CM）的機制。外地本地代理是位于外地網(wǎng)絡的主機，管理著具有多個子網(wǎng)的網(wǎng)絡區(qū)域。FHA中沒有移動主機的緩存列表，記錄移動到其管理網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的所有移動節(jié)點。由于移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址由其MAC地址加上對應子網(wǎng)前綴形成，那么一旦有發(fā)往移動主機的IP包到達FHA，F(xiàn)HA就向自己管理的網(wǎng)絡區(qū)域中所有該MAC地址可能對應的轉(zhuǎn)交地址進行組播轉(zhuǎn)發(fā)。從而確保無論移動主機移到哪個子網(wǎng)，它都能收到該IP包，避免了數(shù)據(jù)包的丟失。但這樣做有一個明顯的缺點：占用主機及網(wǎng)絡資源過大。

現(xiàn)有的移動主機子網(wǎng)切換的發(fā)現(xiàn)機制是：在切換之后，主機依賴路由器定期發(fā)送的宣告消息來實現(xiàn)，然后還要進行自動配置以得到轉(zhuǎn)交地址。該方法，雖然簡便，但是速度很慢。那么，有一個降低主機切換網(wǎng)絡時數(shù)據(jù)包延時及丟失的思路，即在移動主機移到新鏈路之前，先啟動一個切換規(guī)程，預先獲取新鏈路上的轉(zhuǎn)交地址。主機離開本地網(wǎng)絡之前，經(jīng)過新老子網(wǎng)路由器及主機之間新增的消息報文，提前得到轉(zhuǎn)交地址；家鄉(xiāng)代理及別的通信節(jié)點也可以盡早得到新的轉(zhuǎn)交地址的注冊，從而降低了移動主機子網(wǎng)切換時的分組延時和丟失。但該方案需要移動主機知曉自己即將轉(zhuǎn)到的新的子網(wǎng)及其地址，所以需要數(shù)據(jù)鏈路層的支持。

總的來講，目前提高移動IP切換效率的思路主要有包緩存、組播和預先切換等，各有其優(yōu)缺點，都正處在研究當中。此外，為了實現(xiàn)移動IP QoS的資源預留和保證安全性而引入的注冊消息認證乃至接下來將提到的IPv6頭標壓縮，都是引入移動主機子網(wǎng)切換延時的因素，因此還需要研究更好的移動IP子網(wǎng)切換技術(shù)。

3.移動IPv6的頭標壓縮

移動IPv6的頭標壓縮，主要是從提高移動IPv6運行效率的角度出發(fā)的。將來手機等多媒體移動設備將是移動IPv6的重要應用主體。在相當多的音、視頻數(shù)據(jù)包中，有效載荷（IP層以上的數(shù)據(jù)包）往往在幾十字節(jié)的數(shù)量級上，而移動IPv6協(xié)議中為數(shù)據(jù)包加入的頭標為40字節(jié)IPv6頭標、20字節(jié)的信宿選項頭標、20字節(jié)的家鄉(xiāng)地址選項頭標等�？偟念^標開銷動輒100字節(jié)以上，使得通信效率低下。再者，無線鏈路往往具有高誤碼率的特點。頭標巨大所導致的數(shù)據(jù)包體積巨大也是IPv6包出錯遭到丟棄的原因之一。因此，要從數(shù)據(jù)壓縮的觀點出發(fā)，對移動IPv6頭標進行壓縮。

分析這些頭標可以看到，同一個數(shù)據(jù)流（可能對應上層的一個通信進程）中數(shù)據(jù)包的IPv6頭標里有很多相同的域和選項，比如版本、流標記、下一個頭（Next header）、源地址、目的地址等。其中，只有中繼點數(shù)目等少數(shù)選項是動態(tài)變化的。那么，數(shù)據(jù)傳輸僅在該數(shù)據(jù)流開始時發(fā)送完整的IPv6包及相應的選項頭標，后續(xù)IPv6包只傳送變化的部分以及指出該包屬于哪一個流的標志符，可以有效壓縮數(shù)據(jù)包的大小，提高帶寬的利用效率，降低包出錯和丟失的可能。但這一思想的具體實現(xiàn)還面臨很多困難。移動主機的不斷移動使得有效的壓縮算法、同步規(guī)程等變得比較復雜，值得做進一步的研究。而且，由于頭標壓縮帶來的分組延時對QoS造成的影響也需加以考慮。

5、結(jié)束語

移動IP分為兩個版本——IPv4和IPv6，但IPv6相比前者有著諸多優(yōu)勢。

（1）移動IP需要一定量的IP地址來作為移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址，對于捉襟見肘的IPv4來說相當困難。而IPv6在擁有龐大地址空間的同時，提供了更好的自動配置的支持，生成轉(zhuǎn)交地址相當方便。

（2）移動IPv6解決了所謂的“三角路由”問題。在其工作過程中，在外地的移動節(jié)點會將“綁定更新”消息發(fā)往與之通信的節(jié)點，它們之間IP包的路由無須經(jīng)過家鄉(xiāng)代理，也減輕了IPv4中家鄉(xiāng)代理轉(zhuǎn)發(fā)所有數(shù)據(jù)包帶來的負擔。

另外，移動IPv6無須外地代理，有著更加方便完善的安全機制，再加上IPv6協(xié)議棧本身相對于IPv4的優(yōu)勢，它會有比移動IPv4更為廣闊的發(fā)展前景。當然，正如文中所述，目前的移動IPv6技術(shù)也還存在著不少值得進一步去研究的問題。

作者：苗曉寧　王曉恩 來源：泰爾網(wǎng)