嵌入式设备中IPv6地址自动配置的实现方法
2017-02-09欧洁云
欧洁云
(中国移动通信集团广东有限公司 中山分公司，中山 528400)
嵌入式设备中IPv6地址自动配置的实现方法
欧洁云
(中国移动通信集团广东有限公司 中山分公司，中山 528400)
在嵌入式技术领域中，支持IPv6的嵌入式设备将是一个崭新的发展方向，地址自动配置是嵌入式设备基于IPv6网络互联的关键方式之一。本文探讨了无状态和有状态两种自动配置方式的运作机理和过程，在嵌入式协议栈中设计并实现了两种地址的自动配置。
IPv6；无状态地址自动配置；有状态地址自动配置
引 言
随着网络的不断发展，IPv4已经不能满足IP地址的大量需求，IPv6的128位地址空间解决了这一问题，任何一个设备都可以获得全球唯一IPv6地址，使所有的电子产品连接到Internet成为可能。同时，随着嵌入式技术的不断发展，嵌入式设备的网络互联将成为IPv6新的研究和发展方向。其中，地址的自动配置是嵌入式IPv6的关键技术之一，每个嵌入式设备网络的通信都是基于IP地址的，配置方式有手工和自动两种。手工配置IP，地址配置后一般固定，因此当网络中增加设备或设备从一个子网移动到另一个子网的时候，容易发生地址重复或地址不属于该子网问题。自动配置IP则根据网络实际情况为设备动态分配地址，具有灵活的网络拓扑结构和即插即用的特点，是IPv6地址配置研究的重点。
1 地址自动配置方案
IPv6的地址自动配置有两种方式：无状态地址自动配置和有状态地址自动配置。
1.1 无状态地址自动配置
在无状态地址自动配置的方式下，网络接口接收路由器发出的路由前缀宣告报文，从报文中取出前缀，结合接口ID得到一个可聚集全局单播地址。接口ID长度为64位，由48位的以太网MAC地址根据EUI-64转换得到[1]。其算法如图1所示。
图1 EUI-64算法
1.2 有状态地址自动配置
有状态地址自动配置是通过DHCPv6(Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6)[2]，即动态主机配置协议实现的。DHCPv6系统包括DHCP服务器、DHCP客户端和DHCP中继三部分组成。客户端、服务器、中继之间通过UDP协议来交换消息。地址获取的消息交换过程如下：为了请求分配一个或多个IPv6地址，客户端会向服务器多播地址发送一个Solicit消息来寻找可用的DHCP服务器，任何符合请求的服务器会返回一个Advertise消息应答。客户端选择其中一个并向其发送Request消息来请求分配IP地址和其他网络配置信息，服务器以Reply消息应答，消息中将包含分配给客户端的确认地址和网络配置信息。当客户端与服务器不在同一链路上时，他们之间的初始化信息转发将由DHCP中继完成。每一个分配给客户端的地址都有服务器指定的更新和有效时间，完成上述的初始化工作后，为了延长地址的租用时间，到了更新时间，客户端需向服务器发送一个Renew消息来延长地址租期。服务器将返回一个Reply消息应答，消息包含地址的更新时间，以允许客户端不中断地使用此地址。若过了有效时间而客户端没有更新地址时间，客户端需向服务器重新申请地址分配。
1.3 两种自动配置方式的比较
两种地址自动配置都能实现节点的即插即用功能，对IP的移动性提供了支持。他们的主要区别是：通过无状态自动配置，设备可以直接从路由器宣告前缀和接口ID直接构造地址，无需配置界面，实现简单，但不能获取其他的网络配置信息(如DNS)，而有状态地址自动配置必须有相应的DHCPv6服务器提供支持，除了申请到全局的IPv6地址外，还可以得到DNS、SIP等配置。对于网络的安全性问题，在无状态配置中，任意节点都可以通过本地链路连接路由器获取网络和子网信息，并构造IP地址达到伪地址攻击的目的，因此安全性比较低。而通过有状态配置，网络管理员可通过对DHCPv6进行配置，只有合法的节点才能通过配置，同时可以对节点进行更好的管理。
2 嵌入式地址自动配置的设计与实现
嵌入式设备嵌入了裁剪的IPv6协议栈，在此基础上分别实现了无状态和有状态地址自动配置的功能。
2.1 无状态地址自动配置的实现
在无状态地址自动配置中，协议栈主要进行两种报文的处理: Router Solicitation(路由请求)和Router Advertisement(路由宣告)[3]。RS报文用于促使和节点同一链路的路由器发送RA报文，RA报文包含有宣告的前缀信息和可用时间。两种报文的包格式如图2和图3所示。
图2 Router Solicitation报文结构
图3 Router Advertisement报文结构
协议栈接收RA报文后取出前缀和可用时间，判断前缀合法性，合法则使用前缀和接口ID构造IP地址，若该全球IP地址在地址链中没有，把该地址和可用时间保存在接口地址链中，同时构造该地址的组播地址，方法为：前缀ff02:01::，后24位为接口ID的后24位，然后发送Multicast Listener Discovery(MLD，多播监听发现)报文，该报文作用是向路由器通告加入组，以接收发送该组的报文。报文中的组播地址为上述所构造的组播地址，若地址已存在，则更新地址时间。工作流程如图4所示。
图4 工作流程图
2.2 有状态地址自动配置的实现
嵌入式设备实现有状态地址自动配置时，协议栈需要实现DHCPv6客户端协议[4]。DHCPv6客户端系统组成如图5所示。其中：
图5 系统结构图
① 配置信息文件,主要提供配置客户端工作模式选项。配置文件形式为：
iface number{
interface options
IA option
address options
}
其中，number为需配置的接口号(即说明配置哪个接口)，里面的内容分别配置不同范围的选项信息;interface options主要说明接口需要服务器提供哪些网络信息，如DNS等；IA 为逻辑接口地址域，主要说明每个逻辑接口地址信息配置要求；address options主要向服务器说明分配地址的要求，例如需要IP地址210.29.98.104，则在address options选项中说明。
② 网络接收发送处理模块,负责发送和接收来自网络上层的DHCP消息包，并存放在消息队列中。
③ 消息队列，存放接收和将要发送的消息，等待处理。
④ 控制模块，负责DHCP消息的交换和协调上下模块，其中DHCP消息接收模块由2个子模块组成，DHCP消息发送模块由6个子模块组成，负责处理不同的消息。
⑤ 定时器模块，客户端从DHCP服务器获得分配地址的同时将得到该地址的更新期和有效期，定时器根据这些时间对地址作相应处理，主要操作有：分配地址后开启定时器；更新期到向DHCP服务器发送Renew消息续租地址；若有效期到而地址没有续租，则发送Release消息释放地址，并向新DHCP服务器发送地址请求消息。
实现过程为：系统启动后，根据dhcpflag标志量决定是否执行有状态地址自动配置，若dhcpflay为1，则进入配置模块，根据配置信息产生消息。系统先由随机数产生消息ID，填写到Solicit包头的transaction-id，发送消息同时开启定时器。在RT(retransmit timeout)时间内，若收到服务器相应回复的Advertise消息，则关闭RT计时并产生Request消息，否则重新发送Solicit消息并重启RT定时器。在嵌入式系统中为了简化实现，系统不采取选择最优服务器策略，而转为选择最先回复的服务器，然后向该服务器发送Request消息，消息包含一个或多个IA的配置要求信息。服务器根据接收到的Request消息里的配置需求信息回复Reply消息，消息包含分配的地址和网络信息。
结 语
[1] 华为3Com技术有限公司.IPv6技术[M].北京:清华大学出版社,2004.
[2] RFC3315,DHCPv6,2003.
[3] RFC2463,IPv6,1998.
[4] 王平,黄惟一.在智能仪器网络中实现DHCP动态IP地址分配[J].工业仪表与自动化装置,2004(1):39-41.
欧洁云(高级技师)，主要研究方向为本地传输网、宽带接入网、IP城域网。
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
A
�士然
2016-07-18)
