淺談移動IPv6技術的應用與發展

陳政然

（1.廣西大學計算機與電子信息工程學院，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技術的應用與發展

陳政然1，2

（1.廣西大學計算機與電子信息工程學院，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重，支持128位大地址空間的IPv6技術被推上了歷史舞臺，IPv6技術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技術有著更完善的設計理念和更多的技術實現優勢。目前，移動IPv6技術尚不成熟，有很多由于實際的應用問題需要解決，因此它仍處于理論研究和實踐探索的過渡階段。

IPv6；IPv4；移動IPv6；移動IPv4；移動通信

近年來，互聯網給人們的生活帶來了翻天覆地的變化，互聯網已經成為我們生活中不可或缺的要素。而隨著近年來移動業務的不斷發展，特別是3G在中國大陸引領的移動通信變革背景下，人們對于移動互聯網服務的需求與日俱增。移動互聯網業務的來源可追溯至上世紀 90年代，當時的 IETF（Inernet Engineering Task Force）工程任務組就首先提出了最早的基于移動互聯應用方式的IP標準化草案。隨著近20年來，各國專家對這份移動IP標準化草案的不斷更新和完善，移動IP技術也日趨成熟。IETF制訂的該份移動IP標準化草案包含了多方面的內容，但它的核心內容就是目前十分流行的移動IPv6協議。IPv6協議在互聯網的發展歷史上是具有革命性，移動IPv6協議更是領域應用性突破的意義。相對于目前廣泛應用于無線網絡的IPv4技術，移動IPv6技術極具優勢，下面我們主要從以下幾個方面來探討一下IPv6技術的實現與應用：

（一）移動IPv6的技術簡介

移動IP技術實際上是在現有IP技術的基礎上新引入的一種路由策略，它基于IP地址的上層業務不會因為節點位置的不斷變化而出現中斷，這種可移動性是建立在第三層基礎上的，因而可以完全克服鏈路層的異質性缺點。

1.移動IPv6組成詳解

與移動IPv4相同，移動IPv6也擁有內部鏈路和外部鏈路。內部鏈路就是具有本地子網前綴的鏈路，移動節點使用本地子網前綴創建內部地址。外部鏈路就是具有外部子網前綴的鏈路，移動節點使用外部子網前綴創建轉交地址。移動IPv6的內部地址就是移動節點位于內部鏈路時所使用的地址，無論移動節點位于IPv6互聯網中的哪個位置，移動節點的內部地址總是可到達的。移動IPv6的轉交地址是移動節點位于外部鏈路時所使用的地址，它由外部子網前綴和移動節點的接口ID組成。移動節點可以同時具有多個轉交地址，但只有一個轉交地址可以在移動節點的內部代理中注冊成為主轉交地址。

與移動IPv4不同，在移動IPv6中只有內部代理的概念，外部代理不再存在。移動節點的內部代理是內部鏈路上的一臺路由器，主要負責維護離開本地鏈路的移動節點以及這些移動節點所使用的地址信息。如果移動節點位于內部鏈路，則內部代理的作用與一般的路由器一樣，它將目的地為移動節點的數據包正常轉發給移動節點；當移動節點離開內部鏈路時，則內部代理將截取發往移動節點內部地址的數據包，并將這些數據包通過隧道發往移動節點的轉交地址。

2.移動IPv6的工作機制

（1）移動節點采用 IPv6版的路由器搜索確定它的轉交地址。

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

（2）移動節點將它的轉交地址通知給內部代理。

（3）如果可以保證操作時的安全性，移動節點也將它的轉交地址通知幾個通信節點。

移動IPv6采用布告過程通知移動節點內部代理或其他節點它當前的轉交地址。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，移動節點通過 UDP/IP包中攜帶的注冊信息將它的轉交地址告訴內部代理，相反地，移動IPv6中的移動節點用目的地址可選項來通知其他節點它的轉交地址。為移動IPv6布告所定義的三條消息為綁定更新、綁定應答和綁定請求。這些消息都被放在目的地可選報頭中，這表明這些消息都只被最終目的節點檢查。移動IPv6布告過程包括在移動節點和內部代理或通信節點間交換綁定更新和綁定應答。

綁定應答很可能是在移動節點收到一個綁定請求后發出的。有時，通信節點通過向移動節點發送一個綁定請求啟動布告過程，移動節點則通過發送綁定更新啟動布告過程。在這兩種情況中，移動節點都向內部代理或通信節點告知它當前的轉交地址。移動節點可以通過綁定更新中的應答位來要求接收者是否通過向移動節點發送綁定應答來響應，綁定應答首先通知移動節點綁定更新已收到，其次還告訴移動節點綁定更新是否被接受。

（4）移動 IPv6中同時采用隧道和源路由技術向連接在外部鏈路上的移動節點傳送數據包。

當知道移動節點的轉交地址的通信節點時，可以利用IPv6選路報頭直接將數據包發送給移動節點，這些包不需要經過移動節點的內部代理，它們將經過從始發點到移動節點的一條優化路由。如果通信節點不知道移動節點的轉交地址，那么它就像向其他任何固定節點發送數據包那樣向移動節點發送數據包。這時，通信節點只是將移動節點的內部地址放入目的IPv6地址域中，并將它自己的地址放在源IPv6地址域中，然后將數據包轉發到合適的下一跳上。這樣發送的一個數據包將被送往移動節點的內部鏈路，就像移動IPv4中那樣。在內部鏈路上，內部代理截獲這個數據包，并將它通過隧道送往移動節點的轉交地址。移動節點將送過來的包拆封，發現內層數據包的目的地是它的內部地址，于是將內層數據包交給高層協議處理。

（5）在相反方向，移動節點送出的數據包采用特殊的機制被直接路由到它們的目的地。當存在入口方向的過濾時，移動節點可以將數據包通過隧道送給內部代理，隧道的源地址為移動節點的轉交地址。

3.移動IPv6的關鍵技術簡介——切換技術

當移動節點從一個子網移動到另一個子網時，就需要進行切換。由于無線鏈路的高誤碼率、信號強度動態變化等原因，切換可能導致移動節點不能接收和發送數據分組。為了減少切換對服務質量的影響，移動IPv6定義了移動檢測、轉交地址獲取和重新綁定等基礎過程，并在此基礎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，是對移動IPv6協議的擴展。它采用預先切換和基于隧道的切換兩種機制，通過提前注冊，以及在新的外部網絡切換未完成時通過與前一個網絡保持通信的方法，實現快速切換。預先切換是指當移動節點和舊接入路由器還保持著第二層的連接時，移動節點或者舊接入路由器能預測移動節點將會進入到一個新的網絡，從而發起移動節點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移動節點到了新的網絡并且建立了第二層的連接后，并不發生第三層的切換。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，移動節點可以通過隧道從前一個網絡接收數據，盡量減少實時流的中斷時間。

（2）平滑切換所謂平滑切換是針對降低 IP數據包丟失率而提出的一種切換方案。當移動節點移動到一個新的網絡還沒有完成注冊時，由于原先轉發的數據包還沒有發完，往往會出現大量的IP數據包丟失。因此，移動IPv6提出了一種緩存機制，移動節點要求當前子網的路由器緩存它的數據包，知道移動節點完成向新網絡內路由器的注冊過程。一旦完成注冊，移動節點在新網絡中就有了合法的轉交地址，緩存的數據包從先前的路由器轉發過來，這樣，就大大減少了移動過程中數據包丟失的可能性。

4.移動IPv6的發展現狀

IPv4地址的短缺是促使 IPv6加速發展的重要原因，而IPv6也被認為是目前唯一能解決IP地址短缺的可行途徑，也是未來發展 LTE網絡的重要支撐。據互聯網名稱與數字地址分配機構 ICANN的一項最新數據預計，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%。隨著互聯網對于網絡要求的提高，IP地址顯然已經不夠，發展IPv6也可以認為是為未來物聯網的發展進行必要的網絡準備。

（二）移動IPv6的特點和優點

1.豐富的地址數量

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網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不再需要管理公網地址與內部地址之間的網絡地址映射和轉換，因此，它的網絡部署工作比移動 IPv4所涉及的網絡元素和協議反而減少了。

2.對等的端到端通信

NAT絕大多數的應用都是通過基于客戶端——服務器的方式被廣泛地在互聯網上應用的，這種情況顯然無法滿足人們對移動網絡日益增長的要求。移動手機終端之間、移動手機終端與其它網絡設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，而不再是內部地址。因此，拋棄傳統的 NAT將使通訊實現真正的全球范圍內任意點到任意點的端到端連接。

3.先進的地址結構層次

為滿足飛速發展的移動通信和互聯網應用，移動IPv6不僅能提供更為豐富的IP地址，而且可以根據區域內注冊機構的策略來定義移動IPv6地址的層次結構，從而為路由表“瘦身”，并且可以根據指定區域內本地地址和控制選路方式來構造內部網絡。

4.安全機制內嵌

移動IPv6將安全列為非常重要的評判指標，其安全部署不同于IPv4那樣通過疊加的解決方案來實現，而是建立在更加協調統一的層次之上。移動IPv6通過IPsec對運行在IP層上的所有通信應用提供授權和加解密。通過移動IPv6可以構造真正的企業內部遠程網，如企業的遠程內部VPN網絡等，實現無縫接入和固定連接。

5.自動配置地址

移動 IPv6的主機地址分配方法相比于傳統的移動 IPv4更加豐富，任何主機的IPv6地址分配方式包括無狀態自動配置、全狀態自動配置以及靜態鎖定等幾種。這意味著在移動IPv6環境中的編址方式更加高效，能實現自我管理，網絡的管理成本更低廉。

6.高服務質量

服務質量是多種因素的綜合問題。從協議的角度來看，移動IPv6的頭標增加了一個流標記域，20位長的流標記域使得任何網絡的中間點都能夠確定并區別對待某個IP地址的數據流。

7.更好的移動性

移動IPv6完全的實現了IP層的移動。在移動終端數量與日俱增的今天，只有移動IPv6技術才能實現為每個設備分配一個全球性永久固定IP地址的能力。由于移動IPv6極易擴展、處理大規模移動性要求的能力強，因此，它將成為解決全球范圍移動網絡接入技術的不二選擇。

8.結構簡單且部署容易

由于每個IPv6的終端都具有通信節點功能，當與其它移動IPv6終端進行通信時，每個IPv6終端都可以進行路由的優化計算，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點轉交地址的分配過程，與移動IPv4不同，移動IPv6不再需要外部代理，這也使其結構更加趨于簡單。

（三）目前移動IPv6存在的問題和未來發展方向

移動IPv6作為IPv6的一個組成部分，提供對節點移動和網絡移動支持。它是到目前為止最優秀的支持移動接入的網絡協議。許多專家認為，IPv6的部署運行，第一個獲得巨大應用的將是移動接入應用。目前的移動設備所提供的主要是語音服務，但在移動的基礎上提供優質的數據服務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，人們當前的主要工作還處于對一系列相關協議標準化的階段，還有許多工作尚未完成。而在國內，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，相當的緊迫。

現在多種網絡技術正在逐步融合，IP協議將成為統一的網絡平臺，但原來IP協議對網絡節點的移動性支持不夠，大量移動設備的用戶希望在移動過程中保持Internet接入和持續通信，獲得如固定接入一樣的網絡服務質量。這給Internet的發展帶來了新的機遇，也帶來了新的技術難題。盡管IPv6從理論上有諸多的優勢，但由于移動IP是一種新興的技術，目前該技術尚存在很多不足，有些在 IPv4中無法解決的在IPv6中我們依然需要面對，主要有以下幾個方面：

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

2.移動主機自身的成本以及供電方式，決定了與有線IP網絡相比有更高的造價。

3.對于某些采用防火墻技術的網絡可能會阻斷IP隧道，因為它們檢驗每個數據包的源地址域，而移動主機的數據包歸屬地址與外區網的網絡地址不一樣，從而導致防火墻阻截IP隧道數據包。

4.由于目前互聯網上的大多數設備和ISP不支持移動IP業務，這極大地限制了IPv6的研究與發展。

[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服務質量研究[J].北京:北京郵電大學,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，廣西大學計算機與電子信息工程學院在讀研究生，中國電信股份有限公司廣西分公司經濟師，從事通信技術。