嵌入式設備中IPv6地址自動配置的實現方法

歐潔云

(中國移動通信集團廣東有限公司 中山分公司，中山 528400)

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嵌入式設備中IPv6地址自動配置的實現方法

歐潔云

(中國移動通信集團廣東有限公司 中山分公司，中山 528400)

在嵌入式技術領域中，支持IPv6的嵌入式設備將是一個嶄新的發展方向，地址自動配置是嵌入式設備基于IPv6網絡互聯的關鍵方式之一。本文探討了無狀態和有狀態兩種自動配置方式的運作機理和過程，在嵌入式協議棧中設計并實現了兩種地址的自動配置。

IPv6；無狀態地址自動配置；有狀態地址自動配置

引 言

隨著網絡的不斷發展，IPv4已經不能滿足IP地址的大量需求，IPv6的128位地址空間解決了這一問題，任何一個設備都可以獲得全球唯一IPv6地址，使所有的電子產品連接到Internet成為可能。同時，隨著嵌入式技術的不斷發展，嵌入式設備的網絡互聯將成為IPv6新的研究和發展方向。其中，地址的自動配置是嵌入式IPv6的關鍵技術之一，每個嵌入式設備網絡的通信都是基于IP地址的，配置方式有手工和自動兩種。手工配置IP，地址配置后一般固定，因此當網絡中增加設備或設備從一個子網移動到另一個子網的時候，容易發生地址重復或地址不屬于該子網問題。自動配置IP則根據網絡實際情況為設備動態分配地址，具有靈活的網絡拓撲結構和即插即用的特點，是IPv6地址配置研究的重點。

1 地址自動配置方案

IPv6的地址自動配置有兩種方式：無狀態地址自動配置和有狀態地址自動配置。

1.1 無狀態地址自動配置

在無狀態地址自動配置的方式下，網絡接口接收路由器發出的路由前綴宣告報文，從報文中取出前綴，結合接口ID得到一個可聚集全局單播地址。接口ID長度為64位，由48位的以太網MAC地址根據EUI-64轉換得到[1]。其算法如圖1所示。

圖1 EUI-64算法

1.2 有狀態地址自動配置

有狀態地址自動配置是通過DHCPv6(Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6)[2]，即動態主機配置協議實現的。DHCPv6系統包括DHCP服務器、DHCP客戶端和DHCP中繼三部分組成。客戶端、服務器、中繼之間通過UDP協議來交換消息。地址獲取的消息交換過程如下：為了請求分配一個或多個IPv6地址，客戶端會向服務器多播地址發送一個Solicit消息來尋找可用的DHCP服務器，任何符合請求的服務器會返回一個Advertise消息應答。客戶端選擇其中一個并向其發送Request消息來請求分配IP地址和其他網絡配置信息，服務器以Reply消息應答，消息中將包含分配給客戶端的確認地址和網絡配置信息。當客戶端與服務器不在同一鏈路上時，他們之間的初始化信息轉發將由DHCP中繼完成。每一個分配給客戶端的地址都有服務器指定的更新和有效時間，完成上述的初始化工作后，為了延長地址的租用時間，到了更新時間，客戶端需向服務器發送一個Renew消息來延長地址租期。服務器將返回一個Reply消息應答，消息包含地址的更新時間，以允許客戶端不中斷地使用此地址。若過了有效時間而客戶端沒有更新地址時間，客戶端需向服務器重新申請地址分配。

1.3 兩種自動配置方式的比較

兩種地址自動配置都能實現節點的即插即用功能，對IP的移動性提供了支持。他們的主要區別是：通過無狀態自動配置，設備可以直接從路由器宣告前綴和接口ID直接構造地址，無需配置界面，實現簡單，但不能獲取其他的網絡配置信息(如DNS)，而有狀態地址自動配置必須有相應的DHCPv6服務器提供支持，除了申請到全局的IPv6地址外，還可以得到DNS、SIP等配置。對于網絡的安全性問題，在無狀態配置中，任意節點都可以通過本地鏈路連接路由器獲取網絡和子網信息，并構造IP地址達到偽地址攻擊的目的，因此安全性比較低。而通過有狀態配置，網絡管理員可通過對DHCPv6進行配置，只有合法的節點才能通過配置，同時可以對節點進行更好的管理。

2 嵌入式地址自動配置的設計與實現

嵌入式設備嵌入了裁剪的IPv6協議棧，在此基礎上分別實現了無狀態和有狀態地址自動配置的功能。

2.1 無狀態地址自動配置的實現

在無狀態地址自動配置中，協議棧主要進行兩種報文的處理: Router Solicitation(路由請求)和Router Advertisement(路由宣告)[3]。RS報文用于促使和節點同一鏈路的路由器發送RA報文，RA報文包含有宣告的前綴信息和可用時間。兩種報文的包格式如圖2和圖3所示。

圖2 Router Solicitation報文結構

圖3 Router Advertisement報文結構

協議棧接收RA報文后取出前綴和可用時間，判斷前綴合法性，合法則使用前綴和接口ID構造IP地址，若該全球IP地址在地址鏈中沒有，把該地址和可用時間保存在接口地址鏈中，同時構造該地址的組播地址，方法為：前綴ff02:01::，后24位為接口ID的后24位，然后發送Multicast Listener Discovery(MLD，多播監聽發現)報文，該報文作用是向路由器通告加入組，以接收發送該組的報文。報文中的組播地址為上述所構造的組播地址，若地址已存在，則更新地址時間。工作流程如圖4所示。

圖4 工作流程圖

2.2 有狀態地址自動配置的實現

嵌入式設備實現有狀態地址自動配置時，協議棧需要實現DHCPv6客戶端協議[4]。DHCPv6客戶端系統組成如圖5所示。其中：

圖5 系統結構圖

① 配置信息文件,主要提供配置客戶端工作模式選項。配置文件形式為：

iface number{

interface options

IA option

address options

}

其中，number為需配置的接口號(即說明配置哪個接口)，里面的內容分別配置不同范圍的選項信息;interface options主要說明接口需要服務器提供哪些網絡信息，如DNS等；IA 為邏輯接口地址域，主要說明每個邏輯接口地址信息配置要求；address options主要向服務器說明分配地址的要求，例如需要IP地址210.29.98.104，則在address options選項中說明。

② 網絡接收發送處理模塊,負責發送和接收來自網絡上層的DHCP消息包，并存放在消息隊列中。

③ 消息隊列，存放接收和將要發送的消息，等待處理。

④ 控制模塊，負責DHCP消息的交換和協調上下模塊，其中DHCP消息接收模塊由2個子模塊組成，DHCP消息發送模塊由6個子模塊組成，負責處理不同的消息。

⑤ 定時器模塊，客戶端從DHCP服務器獲得分配地址的同時將得到該地址的更新期和有效期，定時器根據這些時間對地址作相應處理，主要操作有：分配地址后開啟定時器；更新期到向DHCP服務器發送Renew消息續租地址；若有效期到而地址沒有續租，則發送Release消息釋放地址，并向新DHCP服務器發送地址請求消息。

實現過程為：系統啟動后，根據dhcpflag標志量決定是否執行有狀態地址自動配置，若dhcpflay為1，則進入配置模塊，根據配置信息產生消息。系統先由隨機數產生消息ID，填寫到Solicit包頭的transaction-id，發送消息同時開啟定時器。在RT(retransmit timeout)時間內，若收到服務器相應回復的Advertise消息，則關閉RT計時并產生Request消息，否則重新發送Solicit消息并重啟RT定時器。在嵌入式系統中為了簡化實現，系統不采取選擇最優服務器策略，而轉為選擇最先回復的服務器，然后向該服務器發送Request消息，消息包含一個或多個IA的配置要求信息。服務器根據接收到的Request消息里的配置需求信息回復Reply消息，消息包含分配的地址和網絡信息。

結 語

[1] 華為3Com技術有限公司.IPv6技術[M].北京:清華大學出版社,2004.

[2] RFC3315,DHCPv6,2003.

[3] RFC2463,IPv6,1998.

[4] 王平,黃惟一.在智能儀器網絡中實現DHCP動態IP地址分配[J].工業儀表與自動化裝置,2004(1):39-41.

歐潔云(高級技師)，主要研究方向為本地傳輸網、寬帶接入網、IP城域網。

Method of Address Auto-configuration of IPv6 in Embedded Device

Ou Jieyun

(Zhongshan Branch,Guangdong Mobile Communication Co.,Ltd.,Zhongshan 528400,China)

The embedded device supporting IPv6 will be a new direction of development,and the address auto-configuration is one key problem in the network connection of embedded devices based on IPv6.After researching the operating mechanism and processing of the stateless and state address auto-configuration,the design and implementation of them are presented in this paper.

IPv6;stateless address auto-configuration;state address auto-configuration

TP315

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2016-07-18)