浅谈移动IPv6技术的应用与发展

陈政然

（1.广西大学计算机与电子信息工程学院，广西 南宁 530004；2.中国电信股份有限公司广西分公司，广西 南宁 530015）

浅谈移动IPv6技术的应用与发展

陈政然1，2

（1.广西大学计算机与电子信息工程学院，广西 南宁 530004；2.中国电信股份有限公司广西分公司，广西 南宁 530015）

随着IPv4地址枯竭的问题日益严重，支持128位大地址空间的IPv6技术被推上了历史舞台，IPv6技术不但能彻底解决目前日益增大的IP地址需求量问题，而且相比于IPv4技术有着更完善的设计理念和更多的技术实现优势。目前，移动IPv6技术尚不成熟，有很多由于实际的应用问题需要解决，因此它仍处于理论研究和实践探索的过渡阶段。

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近年来，互联网给人们的生活带来了翻天覆地的变化，互联网已经成为我们生活中不可或缺的要素。而随着近年来移动业务的不断发展，特别是3G在中国大陆引领的移动通信变革背景下，人们对于移动互联网服务的需求与日俱增。移动互联网业务的来源可追溯至上世纪 90年代，当时的 IETF（Inernet Engineering Task Force）工程任务组就首先提出了最早的基于移动互联应用方式的IP标准化草案。随着近20年来，各国专家对这份移动IP标准化草案的不断更新和完善，移动IP技术也日趋成熟。IETF制订的该份移动IP标准化草案包含了多方面的内容，但它的核心内容就是目前十分流行的移动IPv6协议。IPv6协议在互联网的发展历史上是具有革命性，移动IPv6协议更是领域应用性突破的意义。相对于目前广泛应用于无线网络的IPv4技术，移动IPv6技术极具优势，下面我们主要从以下几个方面来探讨一下IPv6技术的实现与应用：

（一）移动IPv6的技术简介

移动IP技术实际上是在现有IP技术的基础上新引入的一种路由策略，它基于IP地址的上层业务不会因为节点位置的不断变化而出现中断，这种可移动性是建立在第三层基础上的，因而可以完全克服链路层的异质性缺点。

1.移动IPv6组成详解

与移动IPv4相同，移动IPv6也拥有内部链路和外部链路。内部链路就是具有本地子网前缀的链路，移动节点使用本地子网前缀创建内部地址。外部链路就是具有外部子网前缀的链路，移动节点使用外部子网前缀创建转交地址。移动IPv6的内部地址就是移动节点位于内部链路时所使用的地址，无论移动节点位于IPv6互联网中的哪个位置，移动节点的内部地址总是可到达的。移动IPv6的转交地址是移动节点位于外部链路时所使用的地址，它由外部子网前缀和移动节点的接口ID组成。移动节点可以同时具有多个转交地址，但只有一个转交地址可以在移动节点的内部代理中注册成为主转交地址。

与移动IPv4不同，在移动IPv6中只有内部代理的概念，外部代理不再存在。移动节点的内部代理是内部链路上的一台路由器，主要负责维护离开本地链路的移动节点以及这些移动节点所使用的地址信息。如果移动节点位于内部链路，则内部代理的作用与一般的路由器一样，它将目的地为移动节点的数据包正常转发给移动节点；当移动节点离开内部链路时，则内部代理将截取发往移动节点内部地址的数据包，并将这些数据包通过隧道发往移动节点的转交地址。

2.移动IPv6的工作机制

（1）移动节点采用 IPv6版的路由器搜索确定它的转交地址。

移动节点连接在它的内部链路上时与任何固定的主机和路由器一样工作。当移动节点连接在它的外部链路上时，它采用IPv6定义的地址自动配置方法得到外部链路上的转交地址。由于移动IPv6没有外部代理，因此移动IPv6中唯一的一种转交地址是配置转交地址，移动节点用接受的路由器广播报文中的M位来决定采用哪一种方法。如果M位为0，那么移动节点采用被动地址自动配置，否则移动节点采用主动地址自动配置。

（2）移动节点将它的转交地址通知给内部代理。

（3）如果可以保证操作时的安全性，移动节点也将它的转交地址通知几个通信节点。

移动IPv6采用布告过程通知移动节点内部代理或其他节点它当前的转交地址。移动IPv6中的布告和移动IPv4中的注册有很大的不同。在移动 IPv4中，移动节点通过 UDP/IP包中携带的注册信息将它的转交地址告诉内部代理，相反地，移动IPv6中的移动节点用目的地址可选项来通知其他节点它的转交地址。为移动IPv6布告所定义的三条消息为绑定更新、绑定应答和绑定请求。这些消息都被放在目的地可选报头中，这表明这些消息都只被最终目的节点检查。移动IPv6布告过程包括在移动节点和内部代理或通信节点间交换绑定更新和绑定应答。

绑定应答很可能是在移动节点收到一个绑定请求后发出的。有时，通信节点通过向移动节点发送一个绑定请求启动布告过程，移动节点则通过发送绑定更新启动布告过程。在这两种情况中，移动节点都向内部代理或通信节点告知它当前的转交地址。移动节点可以通过绑定更新中的应答位来要求接收者是否通过向移动节点发送绑定应答来响应，绑定应答首先通知移动节点绑定更新已收到，其次还告诉移动节点绑定更新是否被接受。

（4）移动 IPv6中同时采用隧道和源路由技术向连接在外部链路上的移动节点传送数据包。

当知道移动节点的转交地址的通信节点时，可以利用IPv6选路报头直接将数据包发送给移动节点，这些包不需要经过移动节点的内部代理，它们将经过从始发点到移动节点的一条优化路由。如果通信节点不知道移动节点的转交地址，那么它就像向其他任何固定节点发送数据包那样向移动节点发送数据包。这时，通信节点只是将移动节点的内部地址放入目的IPv6地址域中，并将它自己的地址放在源IPv6地址域中，然后将数据包转发到合适的下一跳上。这样发送的一个数据包将被送往移动节点的内部链路，就像移动IPv4中那样。在内部链路上，内部代理截获这个数据包，并将它通过隧道送往移动节点的转交地址。移动节点将送过来的包拆封，发现内层数据包的目的地是它的内部地址，于是将内层数据包交给高层协议处理。

（5）在相反方向，移动节点送出的数据包采用特殊的机制被直接路由到它们的目的地。当存在入口方向的过滤时，移动节点可以将数据包通过隧道送给内部代理，隧道的源地址为移动节点的转交地址。

3.移动IPv6的关键技术简介——切换技术

当移动节点从一个子网移动到另一个子网时，就需要进行切换。由于无线链路的高误码率、信号强度动态变化等原因，切换可能导致移动节点不能接收和发送数据分组。为了减少切换对服务质量的影响，移动IPv6定义了移动检测、转交地址获取和重新绑定等基础过程，并在此基础上提出了几种主要的切换方案。

（1）快速切换所谓快速切换即意味着低延时，是对移动IPv6协议的扩展。它采用预先切换和基于隧道的切换两种机制，通过提前注册，以及在新的外部网络切换未完成时通过与前一个网络保持通信的方法，实现快速切换。预先切换是指当移动节点和旧接入路由器还保持着第二层的连接时，移动节点或者旧接入路由器能预测移动节点将会进入到一个新的网络，从而发起移动节点和新接入路由器之间的第三层的切换。基于隧道的切换是指当移动节点到了新的网络并且建立了第二层的连接后，并不发生第三层的切换。旧接入路由器和新接入路由器通过在二者之间进行第二层的切换，使用切换消息中提供的信息建立双向隧道，移动节点可以通过隧道从前一个网络接收数据，尽量减少实时流的中断时间。

（2）平滑切换所谓平滑切换是针对降低 IP数据包丢失率而提出的一种切换方案。当移动节点移动到一个新的网络还没有完成注册时，由于原先转发的数据包还没有发完，往往会出现大量的IP数据包丢失。因此，移动IPv6提出了一种缓存机制，移动节点要求当前子网的路由器缓存它的数据包，知道移动节点完成向新网络内路由器的注册过程。一旦完成注册，移动节点在新网络中就有了合法的转交地址，缓存的数据包从先前的路由器转发过来，这样，就大大减少了移动过程中数据包丢失的可能性。

4.移动IPv6的发展现状

IPv4地址的短缺是促使 IPv6加速发展的重要原因，而IPv6也被认为是目前唯一能解决IP地址短缺的可行途径，也是未来发展 LTE网络的重要支撑。据互联网名称与数字地址分配机构 ICANN的一项最新数据预计，IPv4地址会在 2011年8月耗尽，目前全球IPv4地址剩余仅为2.52亿，不足6%。随着互联网对于网络要求的提高，IP地址显然已经不够，发展IPv6也可以认为是为未来物联网的发展进行必要的网络准备。

（二）移动IPv6的特点和优点

1.丰富的地址数量

移动IPv6使用的是128位长度的地址，这对于日益蓬勃壮大的互联网和移动通信市场来说无疑是很有诱惑力的。另外，移动IPv6技术不再使用NAT，这使得部署移动IPv6的工程变得更加简单、灵活和方便。移动IPv6不再需要管理公网地址与内部地址之间的网络地址映射和转换，因此，它的网络部署工作比移动 IPv4所涉及的网络元素和协议反而减少了。

2.对等的端到端通信

NAT绝大多数的应用都是通过基于客户端——服务器的方式被广泛地在互联网上应用的，这种情况显然无法满足人们对移动网络日益增长的要求。移动手机终端之间、移动手机终端与其它网络设备间的通讯都要求是对等端到端的，因此，这样的通讯需要全球地址，而不再是内部地址。因此，抛弃传统的 NAT将使通讯实现真正的全球范围内任意点到任意点的端到端连接。

3.先进的地址结构层次

为满足飞速发展的移动通信和互联网应用，移动IPv6不仅能提供更为丰富的IP地址，而且可以根据区域内注册机构的策略来定义移动IPv6地址的层次结构，从而为路由表“瘦身”，并且可以根据指定区域内本地地址和控制选路方式来构造内部网络。

4.安全机制内嵌

移动IPv6将安全列为非常重要的评判指标，其安全部署不同于IPv4那样通过叠加的解决方案来实现，而是建立在更加协调统一的层次之上。移动IPv6通过IPsec对运行在IP层上的所有通信应用提供授权和加解密。通过移动IPv6可以构造真正的企业内部远程网，如企业的远程内部VPN网络等，实现无缝接入和固定连接。

5.自动配置地址

移动 IPv6的主机地址分配方法相比于传统的移动 IPv4更加丰富，任何主机的IPv6地址分配方式包括无状态自动配置、全状态自动配置以及静态锁定等几种。这意味着在移动IPv6环境中的编址方式更加高效，能实现自我管理，网络的管理成本更低廉。

6.高服务质量

服务质量是多种因素的综合问题。从协议的角度来看，移动IPv6的头标增加了一个流标记域，20位长的流标记域使得任何网络的中间点都能够确定并区别对待某个IP地址的数据流。

7.更好的移动性

移动IPv6完全的实现了IP层的移动。在移动终端数量与日俱增的今天，只有移动IPv6技术才能实现为每个设备分配一个全球性永久固定IP地址的能力。由于移动IPv6极易扩展、处理大规模移动性要求的能力强，因此，它将成为解决全球范围移动网络接入技术的不二选择。

8.结构简单且部署容易

由于每个IPv6的终端都具有通信节点功能，当与其它移动IPv6终端进行通信时，每个IPv6终端都可以进行路由的优化计算，从而有效的避免了三角路由问题。另外，IPv6的地址自动配置特性还大大简化了移动节点转交地址的分配过程，与移动IPv4不同，移动IPv6不再需要外部代理，这也使其结构更加趋于简单。

（三）目前移动IPv6存在的问题和未来发展方向

移动IPv6作为IPv6的一个组成部分，提供对节点移动和网络移动支持。它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的部署运行，第一个获得巨大应用的将是移动接入应用。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。这就为移动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中我们依然需要面对，主要有以下几个方面：

1.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。

2.移动主机自身的成本以及供电方式，决定了与有线IP网络相比有更高的造价。

3.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。

4.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。

[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] 阚志刚.移动 IPv6服务质量研究[J].北京:北京邮电大学,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

陈政然（1981-），男，广西大学计算机与电子信息工程学院在读研究生，中国电信股份有限公司广西分公司经济师，从事通信技术。