嵌入式ＩＰｖ６協議棧的設計與實現

摘要：本文簡要介紹了IPv6數據包處理流程，重點闡述了嵌入式IPv6的核心協議：IPv6協議、ICMPv6協議和鄰居發現協議的設計與實現。

關鍵詞：IPv6；ICMPv6；鄰居發現協議

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)06-00ppp-0c

The Design and Implementation of Embedded IPv6 Stack

LI Zhi-gang

(Chien-shiung Institute of Technology the Department of Information Engineering，Suzhou 215400，China)

Abstract:This paper introduced the data technological process of IPv6，and placed its importance on the design and implementation of IPv6 core Protocol:IPv6，ICMPv6，Neighbor discovery.

Key words:IPv6;ICMPv6;Neighbor discovery

隨著嵌入式Internet技術的迅猛發展，在嵌入式操作系統中集成TCP/IP協議，使嵌入式設備能夠連接Internet，己經成為嵌入式系統發展的重要方向。目前，嵌入式Internet系統主要應用于IPv4網絡，但隨著互聯網規模的不斷擴大，尤其在大量的嵌入式網絡設備接人Internet網絡后，IPv4的問題就逐漸暴露出來：32bit的IP地址空間的匾乏、越來越龐大的路由表、復雜的地址配置、缺乏QoS(Quality of Service)的支持、安全性問題等，嚴重制約了嵌入式Internet技術的發展。作為下一代網絡協議IPv6協議具有128位的IP地址空間、較小的路由表、即插即用的配置、QoS的支持和內建的安全性等，可以更好地滿足嵌入式系統對聯網功能的需求，在嵌入式系統中實現IPv6

協議有著良好的應用前景。基于這樣的背景，著手研究嵌入式IPv6協議棧的設計與實現，具有重要的現實意義。

1 數據處理流程

正確處理數據流程是實現IPv6協議棧設計的基礎。圖1顯示了對收到IPv6數據包和發送IPv6數據包的處理流程。

圖1 IPv6數據包處理流程

接收數據時，網絡接口層將從網卡接收到的數據存到緩沖區，通過讀取數據的以太幀報頭，根據以太幀報頭的類型字段判斷以太類型，若以太類型等于0x86DD，則為IPv6數據包，把IPv6數據包發送給協議棧輸入處理模塊。輸入處理模塊先做合法性檢測，若不合法就拋棄，同時向源地址發送的差錯報文，若合法的話， 根據下一報頭的值調用不同的處理函數。

發送數據時，應用程序用UDP或TCP方式發送，按UDP或TCP報文格式封裝數據包，然后把數據包傳輸到IP層，首先要選擇下一跳IP地址，根據下一跳IP地址值先搜索存儲最近通信信息的目的緩存表以獲得對應的MAC地址，若目的緩存表中正好存儲所需的下一跳IP地址，則取出對應的MAC地址，填充MAC地址和報頭，然后調用IPv6輸出函數，發送數據包；若目的緩存表查找失敗，即沒有所需的信息，則要在鄰居緩存表查找，如果鄰居緩存中沒有對應的物理地址，則發送鄰居請求報文，同時將待發送的包放到等待隊列中。否則調用IPv6輸出函數，直接發送數據包就可以了。

2 IPv6模塊設計

IPv6模塊主要包括兩部分的功能，一是負責從網絡接口層收取IPv6數據包，對數據包進行一定的處理后將包發送給不同的處理模塊(TCP ， UDP或ICMPv6 )。二是從上層接收數據，進行報文的選路，封裝IPv6報頭后將數據報發送給網絡接口層。

2.1 主要數據結構設計

本系統設計的嵌入式IPv6協議棧只支持基本的IPv6報頭，而不支持其他擴展選項。因此設計時與IPv4最大的不同集中在地址長度上。

IPv6的地址結構定義為：

struct ip_addr {

uint32 addr[4]；

}；

IPv6頭部結構定義為：

typedef struct{

uint8vhlPrio；/*高四位為6，低四位為0 */

uint8Prioflow； /* 默認值為0*/

uint16flow； /*默認值為0*/

uint16payload； /* 有效載荷長度*/

uint8next；/*TCP為6，UDP為17，ICMPv6為58*/

uint8HopLimit；/* 128 */

struct ip_addrsrc；/* 源IP地址 */

struct ip_addrdest；/*目的IP地址 */

} IPHDR6；

2.2 主要函數設計

在IPv6函數設計中，本文所要實現接收數據包處理和發送數據包處理。

2.2.1 接收數據包函數：IPv6_input(ipv6_buf*buf)

當網絡設備接收到數據時，以消息的形式發送給TCP/IP線程。TCP/IP線程中的接收函數判斷出包的類型為IPv6包，則調用IPv6模塊的輸入函數對其進行處理。輸入函數檢測接收數據報文的合法性，將報文傳遞給下一模塊。報文合法性的判斷包括檢查IP包的版本號是否為6，判斷是否是本機的單播地址，是否是相應的組播地址，計算校驗和是否為0，檢查IPv6頭部中的下一頭部是否為ICMPv6、TCP或UDP，如果檢測的條件中有一個不符合，就會丟棄該報文。對于符合接收條件的報文，應根據IPv6報頭中“下一頭部”的值，作相應的處理：若“下一頭部”值等于17，則交給UDP輸入處理，若“下一頭部”值等于6，則交給TCP輸入處理，若“下一頭部”等于58，則交給ICMPv6輸入處理。

2.2.2 發送報文函數：IPv6_output(ipv6_buf*buf)

當發送數據時，首先填充以太幀頭部和IPv6頭部，首先在目的緩存表中查找下一跳IP地址對應的MAC地址，若查找失敗，則在鄰居緩存表中查找下一跳的IP地址，若在鄰居緩存表中查找失敗，則把待發送報文放到等待隊列，同時發送鄰居請求報文以獲得對應的下一跳IP地址的物理地址。若查找成功，則填充相應的以太幀頭部和IPv6頭部，計算出校驗和，調用底層發送函數，實現IPv6數據包的發送。

3 ICMPv6模塊的設計

ICMPv6是IPv6體系結構總體的一個組成。ICMPv6具備了IPv4中的ICMP所有基本功能，并且拋棄了一些不再使用的過時消息類型，提供了一些簡化功能。ICMPv6負責接收、解釋、發送ICMPv6報文。本設計主要實現了ICMPv6的echo應答，以及報錯信息中的目的不可達。

3.1 主要數據結構設計

ICMPv6回聲請求回聲應答結構定義為：

typedef struct{

uint8 type； /*類型，回聲請求128 回聲應答 129 */

uint8 icode； /*編碼，置0*/

uint16 chksum； /*校驗和字段，計算方法和UDP校驗和計算方法類似*/

uint16 id； /*標識， 應答報文應和請求報文相同*/

uint16 seqno； /*序號，應答報文應和請求報文相同*/

uint8icmp6data[32]； /*數據域*/

}icmp6_echo；

ICMPv6目的不可到達消息結構定義為：

typedef struct{

uint8 type； /* 類型 */

uint8 icode； /*編碼*/

uint16 chksum； /* 校驗和字段，計算方法和UDP校驗和計算方法類似 */

uint32 unused； /* 保留*/

uint8icmp6data[32]； /* 數據域*/

}icmp6_dur；

3.2 主要函數設計

3.2.1 void icmp6_input(icmp6_buf*buf)

icmp6_input函數由IPv6_input()函數調用，其功能是處理接收到的ICMPv6報文，處理過程如下:構造IPv6偽報頭，然后判斷校驗和是否有效，如果無效，丟棄該ICMPv6報文;否則，根據“類型字段”值做出響應的處理：如果“類型字段”的值為128， 則ICMPv6報文是Request報文，按照Reply格式封裝數據包格式，并調用icmp6_output發送;如果類型字段的值為134，則ICMPv6報文是路由公告報文，調用ipv6_rt_adv函數處理;如果類型字段的值為135，則ICMPv6報文是鄰居請求報文，按照鄰居宣告格式封裝報文，調用ipv6_nb_req函數;如果類型字段的值為136，ICMPv6報文是鄰居宣告報文，則更新鄰居緩存表，同時檢查等待隊列，若等待隊列中有報文并且報文的IP地址等于剛接受到的鄰居宣告報文中的源IP地址，則用剛收到的MAC填充報文，調用ipv6_nb_adv函數；其他情況，丟棄該ICMPv6報文。

3.2.2 void icmp6_output(icmp6_buf*buf)

icmp6_output函數的功能是為將要發送的ICMPv6報文添加ICMPv6基本報頭，構造出IPv6偽報頭，計算出ICMPv6校驗和并且調用ip6_snd函數發送ICMPv6報文。

4 鄰居發現模塊的設計

IPv6協議中一個重要特征就是IPv6的鄰居發現協議，該協議用于地址解析，鄰居發現以及路由器及網絡參數發現。基本代替了原來IPv4協議中的ARP協議，路由發現協議等。有5種不同的鄰居發現報文：路由器請求報文、路由器公告報文、鄰居請求報文、鄰居公告報文和重定向報文。鄰居發現報文選項提供了附加的信息，這些信息用于表示Mac地址、鏈路上網絡前綴、鏈路上的MTU信息、重定向數據、移動信息和特定的路由。

本設計中只實現了路由器公告報文、鄰居請求報文、鄰居公告報文，通過這三個報文的交互可以使源節點和目的節點的MAC地址和IPv6地址進行綁定并且保存在對方的地址緩存區中。

4.1 主要數據結構設計

鄰居請求報文宣告報文數據結構為：

typedef struct NBFind

{uint8Type； /*類型：請求135，宣告136*/

uint8Code； /*編碼：0*/

uint16 Checksum； /*校驗和*/

uint32 Reserved； /*保留位*/

struct ip_addr TgAddress；/*目標地址*/

uint8Ctype；/*選項類型*/

uint8Length；/*長度*/

uint8MACAddress[6]； /*物理地址*/

} NBDISCOVERRY；

4.2 主要函數設計

4.2.1 void ipv6_rt_adv(ipv6_buf*buf)

ipv6_rt_adv函數的功能是接收路由公告報文，提取出報文中的路由前綴，并且更新路由前綴緩沖表和重新本機IPv6地址。最后將addr_flag設置成ADDR_INET。

4.2.2 void ipv6_nb_req(ipv6_buf*buf)

ipv6_nb_req函數的功能是接收鄰居請求報文，生成鄰居公告報文并在鄰居公告報文中加入本機的IPv6地址和MAC地址。最后調用icmp6_output函數發送ICMPv6報文。

4.2.3 void ipv6_nb_adv (ipv6_buf*buf)

ipv6_nb_adv函數的功能是接收鄰居公告報文，如果addr_flag的值為ADDR_INET|ADDR LNK提取出報文中的信源的IPv6地址和MAC地址更新鄰居緩沖表。如果addr_flag的狀態是ADDR_CHK，將addr_flaa的值設置為ADDR_UNUSE。

5 小結

本文在現有的開源LwIP協議棧基礎上實現了IPv6協議，整個系統代碼編譯后占用空間小，能夠適合大部分嵌入式系統的要求。并且系統ARM+μC/OS-II實時操作系統上通過測試， 證明了本方案的基本系統是可行的。

參考文獻：

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[3]杜春蕾.ARM體系結構與編程[M].清華大學出版社，2003.

[4]吳永航.嵌入式Internet方案的設計與實現[D].大連理工大學，2003.

收稿日期：2008-01-10

作者簡介：李志剛（1971-），男，江蘇太倉人，講師，本科，研究方向為計算機網絡。