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摘要：本文简要介绍了IPv6数据包处理流程，重点阐述了嵌入式IPv6的核心协议：IPv6协议、ICMPv6协议和邻居发现协议的设计与实现。
关键词：IPv6；ICMPv6；邻居发现协议
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：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
随着嵌入式Internet技术的迅猛发展，在嵌入式操作系统中集成TCP/IP协议，使嵌入式设备能够连接Internet，己经成为嵌入式系统发展的重要方向。目前，嵌入式Internet系统主要应用于IPv4网络，但随着互联网规模的不断扩大，尤其在大量的嵌入式网络设备接人Internet网络后，IPv4的问题就逐渐暴露出来：32bit的IP地址空间的匾乏、越来越庞大的路由表、复杂的地址配置、缺乏QoS(Quality of Service)的支持、安全性问题等，严重制约了嵌入式Internet技术的发展。作为下一代网络协议IPv6协议具有128位的IP地址空间、较小的路由表、即插即用的配置、QoS的支持和内建的安全性等，可以更好地满足嵌入式系统对联网功能的需求，在嵌入式系统中实现IPv6
协议有着良好的应用前景。基于这样的背景，着手研究嵌入式IPv6协议栈的设计与实现，具有重要的现实意义。
1 数据处理流程
正确处理数据流程是实现IPv6协议栈设计的基础。图1显示了对收到IPv6数据包和发送IPv6数据包的处理流程。
图1 IPv6数据包处理流程
接收数据时，网络接口层将从网卡接收到的数据存到缓冲区，通过读取数据的以太帧报头，根据以太帧报头的类型字段判断以太类型，若以太类型等于0x86DD，则为IPv6数据包，把IPv6数据包发送给协议栈输入处理模块。输入处理模块先做合法性检测，若不合法就抛弃，同时向源地址发送的差错报文，若合法的话, 根据下一报头的值调用不同的处理函数。
发送数据时，应用程序用UDP或TCP方式发送，按UDP或TCP报文格式封装数据包,然后把数据包传输到IP层，首先要选择下一跳IP地址，根据下一跳IP地址值先搜索存储最近通信信息的目的缓存表以获得对应的MAC地址，若目的缓存表中正好存储所需的下一跳IP地址，则取出对应的MAC地址,填充MAC地址和报头，然后调用IPv6输出函数，发送数据包；若目的缓存表查找失败，即没有所需的信息，则要在邻居缓存表查找，如果邻居缓存中没有对应的物理地址，则发送邻居请求报文，同时将待发送的包放到等待队列中。否则调用IPv6输出函数，直接发送数据包就可以了。
2 IPv6模块设计
IPv6模块主要包括两部分的功能，一是负责从网络接口层收取IPv6数据包，对数据包进行一定的处理后将包发送给不同的处理模块(TCP , UDP或ICMPv6 )。二是从上层接收数据，进行报文的选路，封装IPv6报头后将数据报发送给网络接口层。
2.1 主要数据结构设计
本系统设计的嵌入式IPv6协议栈只支持基本的IPv6报头，而不支持其他扩展选项。因此设计时与IPv4最大的不同集中在地址长度上。
IPv6的地址结构定义为：
struct ip_addr {
uint32 addr[4]；
}；
IPv6头部结构定义为：
typedef struct{
uint8vhlPrio；/*高四位为6，低四位为0 */
uint8Prioflow； /* 默认值为0*/
uint16flow； /*默认值为0*/
uint16payload； /* 有效载荷长度*/
uint8next；/*TCP为6，UDP为17，ICMPv6为58*/
uint8HopLimit；/* 128 */
struct ip_addrsrc；/* 源IP地址 */
struct ip_addrdest；/*目的IP地址 */
} IPHDR6；
2.2 主要函数设计
在IPv6函数设计中，本文所要实现接收数据包处理和发送数据包处理。
2.2.1 接收数据包函数：IPv6_input(ipv6_buf*buf)
当网络设备接收到数据时，以消息的形式发送给TCP/IP线程。TCP/IP线程中的接收函数判断出包的类型为IPv6包，则调用IPv6模块的输入函数对其进行处理。输入函数检测接收数据报文的合法性，将报文传递给下一模块。报文合法性的判断包括检查IP包的版本号是否为6，判断是否是本机的单播地址，是否是相应的组播地址,计算校验和是否为0，检查IPv6头部中的下一头部是否为ICMPv6、TCP或UDP，如果检测的条件中有一个不符合，就会丢弃该报文。对于符合接收条件的报文，应根据IPv6报头中“下一头部”的值，作相应的处理：若“下一头部”值等于17，则交给UDP输入处理，若“下一头部”值等于6，则交给TCP输入处理，若“下一头部”等于58，则交给ICMPv6输入处理。
2.2.2 发送报文函数：IPv6_output(ipv6_buf*buf)
当发送数据时，首先填充以太帧头部和IPv6头部，首先在目的缓存表中查找下一跳IP地址对应的MAC地址，若查找失败，则在邻居缓存表中查找下一跳的IP地址，若在邻居缓存表中查找失败，则把待发送报文放到等待队列，同时发送邻居请求报文以获得对应的下一跳IP地址的物理地址。若查找成功，则填充相应的以太帧头部和IPv6头部，计算出校验和，调用底层发送函数，实现IPv6数据包的发送。
3 ICMPv6模块的设计
ICMPv6是IPv6体系结构总体的一个组成。ICMPv6具备了IPv4中的ICMP所有基本功能，并且抛弃了一些不再使用的过时消息类型，提供了一些简化功能。ICMPv6负责接收、解释、发送ICMPv6报文。本设计主要实现了ICMPv6的echo应答，以及报错信息中的目的不可达。
3.1 主要数据结构设计
ICMPv6回声请求回声应答结构定义为：
typedef struct{
uint8 type； /*类型，回声请求128 回声应答 129 */
uint8 icode； /*编码，置0*/
uint16 chksum； /*校验和字段，计算方法和UDP校验和计算方法类似*/
uint16 id； /*标识， 应答报文应和请求报文相同*/
uint16 seqno； /*序号，应答报文应和请求报文相同*/
uint8icmp6data[32]； /*数据域*/
}icmp6_echo；
ICMPv6目的不可到达消息结构定义为：
typedef struct{
uint8 type； /* 类型 */
uint8 icode； /*编码*/
uint16 chksum； /* 校验和字段，计算方法和UDP校验和计算方法类似 */
uint32 unused； /* 保留*/
uint8icmp6data[32]； /* 数据域*/
}icmp6_dur；
3.2 主要函数设计
3.2.1 void icmp6_input(icmp6_buf*buf)
icmp6_input函数由IPv6_input()函数调用，其功能是处理接收到的ICMPv6报文，处理过程如下:构造IPv6伪报头，然后判断校验和是否有效，如果无效，丢弃该ICMPv6报文;否则，根据“类型字段”值做出响应的处理：如果“类型字段”的值为128, 则ICMPv6报文是Request报文，按照Reply格式封装数据包格式，并调用icmp6_output发送;如果类型字段的值为134，则ICMPv6报文是路由公告报文，调用ipv6_rt_adv函数处理;如果类型字段的值为135，则ICMPv6报文是邻居请求报文，按照邻居宣告格式封装报文，调用ipv6_nb_req函数;如果类型字段的值为136，ICMPv6报文是邻居宣告报文，则更新邻居缓存表，同时检查等待队列，若等待队列中有报文并且报文的IP地址等于刚接受到的邻居宣告报文中的源IP地址，则用刚收到的MAC填充报文，调用ipv6_nb_adv函数；其他情况，丢弃该ICMPv6报文。
3.2.2 void icmp6_output(icmp6_buf*buf)
icmp6_output函数的功能是为将要发送的ICMPv6报文添加ICMPv6基本报头，构造出IPv6伪报头，计算出ICMPv6校验和并且调用ip6_snd函数发送ICMPv6报文。
4 邻居发现模块的设计
IPv6协议中一个重要特征就是IPv6的邻居发现协议，该协议用于地址解析，邻居发现以及路由器及网络参数发现。基本代替了原来IPv4协议中的ARP协议，路由发现协议等。有5种不同的邻居发现报文：路由器请求报文、路由器公告报文、邻居请求报文、邻居公告报文和重定向报文。邻居发现报文选项提供了附加的信息，这些信息用于表示Mac地址、链路上网络前缀、链路上的MTU信息、重定向数据、移动信息和特定的路由。
本设计中只实现了路由器公告报文、邻居请求报文、邻居公告报文，通过这三个报文的交互可以使源节点和目的节点的MAC地址和IPv6地址进行绑定并且保存在对方的地址缓存区中。
4.1 主要数据结构设计
邻居请求报文宣告报文数据结构为：
typedef struct NBFind
{uint8Type； /*类型：请求135，宣告136*/
uint8Code； /*编码：0*/
uint16 Checksum； /*校验和*/
uint32 Reserved； /*保留位*/
struct ip_addr TgAddress；/*目标地址*/
uint8Ctype；/*选项类型*/
uint8Length；/*长度*/
uint8MACAddress[6]； /*物理地址*/
} NBDISCOVERRY；
4.2 主要函数设计
4.2.1 void ipv6_rt_adv(ipv6_buf*buf)
ipv6_rt_adv函数的功能是接收路由公告报文，提取出报文中的路由前缀，并且更新路由前缀缓冲表和重新本机IPv6地址。最后将addr_flag设置成ADDR_INET。
4.2.2 void ipv6_nb_req(ipv6_buf*buf)
ipv6_nb_req函数的功能是接收邻居请求报文，生成邻居公告报文并在邻居公告报文中加入本机的IPv6地址和MAC地址。最后调用icmp6_output函数发送ICMPv6报文。
4.2.3 void ipv6_nb_adv (ipv6_buf*buf)
ipv6_nb_adv函数的功能是接收邻居公告报文，如果addr_flag的值为ADDR_INET|ADDR LNK提取出报文中的信源的IPv6地址和MAC地址更新邻居缓冲表。如果addr_flag的状态是ADDR_CHK，将addr_flaa的值设置为ADDR_UNUSE。
5 小结
本文在现有的开源LwIP协议栈基础上实现了IPv6协议，整个系统代码编译后占用空间小，能够适合大部分嵌入式系统的要求。并且系统ARM μC/OS-II实时操作系统上通过测试, 证明了本方案的基本系统是可行的。
参考文献：
[1]R Braden.RFC 1633 Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview[S].
[2]陈赜,刘振兴,李宗福,等.ARM嵌入式技术实践教程[M].北京航空航天大学出版社,2005.
[3]杜春蕾.ARM体系结构与编程[M].清华大学出版社,2003.
[4]吴永航.嵌入式Internet方案的设计与实现[D].大连理工大学,2003.
收稿日期：2008-01-10
作者简介：李志刚（1971-），男，江苏太仓人，讲师，本科，研究方向为计算机网络。
关键词：IPv6；ICMPv6；邻居发现协议
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：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
随着嵌入式Internet技术的迅猛发展，在嵌入式操作系统中集成TCP/IP协议，使嵌入式设备能够连接Internet，己经成为嵌入式系统发展的重要方向。目前，嵌入式Internet系统主要应用于IPv4网络，但随着互联网规模的不断扩大，尤其在大量的嵌入式网络设备接人Internet网络后，IPv4的问题就逐渐暴露出来：32bit的IP地址空间的匾乏、越来越庞大的路由表、复杂的地址配置、缺乏QoS(Quality of Service)的支持、安全性问题等，严重制约了嵌入式Internet技术的发展。作为下一代网络协议IPv6协议具有128位的IP地址空间、较小的路由表、即插即用的配置、QoS的支持和内建的安全性等，可以更好地满足嵌入式系统对联网功能的需求，在嵌入式系统中实现IPv6
协议有着良好的应用前景。基于这样的背景，着手研究嵌入式IPv6协议栈的设计与实现，具有重要的现实意义。
1 数据处理流程
正确处理数据流程是实现IPv6协议栈设计的基础。图1显示了对收到IPv6数据包和发送IPv6数据包的处理流程。
图1 IPv6数据包处理流程
接收数据时，网络接口层将从网卡接收到的数据存到缓冲区，通过读取数据的以太帧报头，根据以太帧报头的类型字段判断以太类型，若以太类型等于0x86DD，则为IPv6数据包，把IPv6数据包发送给协议栈输入处理模块。输入处理模块先做合法性检测，若不合法就抛弃，同时向源地址发送的差错报文，若合法的话, 根据下一报头的值调用不同的处理函数。
发送数据时，应用程序用UDP或TCP方式发送，按UDP或TCP报文格式封装数据包,然后把数据包传输到IP层，首先要选择下一跳IP地址，根据下一跳IP地址值先搜索存储最近通信信息的目的缓存表以获得对应的MAC地址，若目的缓存表中正好存储所需的下一跳IP地址，则取出对应的MAC地址,填充MAC地址和报头，然后调用IPv6输出函数，发送数据包；若目的缓存表查找失败，即没有所需的信息，则要在邻居缓存表查找，如果邻居缓存中没有对应的物理地址，则发送邻居请求报文，同时将待发送的包放到等待队列中。否则调用IPv6输出函数，直接发送数据包就可以了。
2 IPv6模块设计
IPv6模块主要包括两部分的功能，一是负责从网络接口层收取IPv6数据包，对数据包进行一定的处理后将包发送给不同的处理模块(TCP , UDP或ICMPv6 )。二是从上层接收数据，进行报文的选路，封装IPv6报头后将数据报发送给网络接口层。
2.1 主要数据结构设计
本系统设计的嵌入式IPv6协议栈只支持基本的IPv6报头，而不支持其他扩展选项。因此设计时与IPv4最大的不同集中在地址长度上。
IPv6的地址结构定义为：
struct ip_addr {
uint32 addr[4]；
}；
IPv6头部结构定义为：
typedef struct{
uint8vhlPrio；/*高四位为6，低四位为0 */
uint8Prioflow； /* 默认值为0*/
uint16flow； /*默认值为0*/
uint16payload； /* 有效载荷长度*/
uint8next；/*TCP为6，UDP为17，ICMPv6为58*/
uint8HopLimit；/* 128 */
struct ip_addrsrc；/* 源IP地址 */
struct ip_addrdest；/*目的IP地址 */
} IPHDR6；
2.2 主要函数设计
在IPv6函数设计中，本文所要实现接收数据包处理和发送数据包处理。
2.2.1 接收数据包函数：IPv6_input(ipv6_buf*buf)
当网络设备接收到数据时，以消息的形式发送给TCP/IP线程。TCP/IP线程中的接收函数判断出包的类型为IPv6包，则调用IPv6模块的输入函数对其进行处理。输入函数检测接收数据报文的合法性，将报文传递给下一模块。报文合法性的判断包括检查IP包的版本号是否为6，判断是否是本机的单播地址，是否是相应的组播地址,计算校验和是否为0，检查IPv6头部中的下一头部是否为ICMPv6、TCP或UDP，如果检测的条件中有一个不符合，就会丢弃该报文。对于符合接收条件的报文，应根据IPv6报头中“下一头部”的值，作相应的处理：若“下一头部”值等于17，则交给UDP输入处理，若“下一头部”值等于6，则交给TCP输入处理，若“下一头部”等于58，则交给ICMPv6输入处理。
2.2.2 发送报文函数：IPv6_output(ipv6_buf*buf)
当发送数据时，首先填充以太帧头部和IPv6头部，首先在目的缓存表中查找下一跳IP地址对应的MAC地址，若查找失败，则在邻居缓存表中查找下一跳的IP地址，若在邻居缓存表中查找失败，则把待发送报文放到等待队列，同时发送邻居请求报文以获得对应的下一跳IP地址的物理地址。若查找成功，则填充相应的以太帧头部和IPv6头部，计算出校验和，调用底层发送函数，实现IPv6数据包的发送。
3 ICMPv6模块的设计
ICMPv6是IPv6体系结构总体的一个组成。ICMPv6具备了IPv4中的ICMP所有基本功能，并且抛弃了一些不再使用的过时消息类型，提供了一些简化功能。ICMPv6负责接收、解释、发送ICMPv6报文。本设计主要实现了ICMPv6的echo应答，以及报错信息中的目的不可达。
3.1 主要数据结构设计
ICMPv6回声请求回声应答结构定义为：
typedef struct{
uint8 type； /*类型，回声请求128 回声应答 129 */
uint8 icode； /*编码，置0*/
uint16 chksum； /*校验和字段，计算方法和UDP校验和计算方法类似*/
uint16 id； /*标识， 应答报文应和请求报文相同*/
uint16 seqno； /*序号，应答报文应和请求报文相同*/
uint8icmp6data[32]； /*数据域*/
}icmp6_echo；
ICMPv6目的不可到达消息结构定义为：
typedef struct{
uint8 type； /* 类型 */
uint8 icode； /*编码*/
uint16 chksum； /* 校验和字段，计算方法和UDP校验和计算方法类似 */
uint32 unused； /* 保留*/
uint8icmp6data[32]； /* 数据域*/
}icmp6_dur；
3.2 主要函数设计
3.2.1 void icmp6_input(icmp6_buf*buf)
icmp6_input函数由IPv6_input()函数调用，其功能是处理接收到的ICMPv6报文，处理过程如下:构造IPv6伪报头，然后判断校验和是否有效，如果无效，丢弃该ICMPv6报文;否则，根据“类型字段”值做出响应的处理：如果“类型字段”的值为128, 则ICMPv6报文是Request报文，按照Reply格式封装数据包格式，并调用icmp6_output发送;如果类型字段的值为134，则ICMPv6报文是路由公告报文，调用ipv6_rt_adv函数处理;如果类型字段的值为135，则ICMPv6报文是邻居请求报文，按照邻居宣告格式封装报文，调用ipv6_nb_req函数;如果类型字段的值为136，ICMPv6报文是邻居宣告报文，则更新邻居缓存表，同时检查等待队列，若等待队列中有报文并且报文的IP地址等于刚接受到的邻居宣告报文中的源IP地址，则用刚收到的MAC填充报文，调用ipv6_nb_adv函数；其他情况，丢弃该ICMPv6报文。
3.2.2 void icmp6_output(icmp6_buf*buf)
icmp6_output函数的功能是为将要发送的ICMPv6报文添加ICMPv6基本报头，构造出IPv6伪报头，计算出ICMPv6校验和并且调用ip6_snd函数发送ICMPv6报文。
4 邻居发现模块的设计
IPv6协议中一个重要特征就是IPv6的邻居发现协议，该协议用于地址解析，邻居发现以及路由器及网络参数发现。基本代替了原来IPv4协议中的ARP协议，路由发现协议等。有5种不同的邻居发现报文：路由器请求报文、路由器公告报文、邻居请求报文、邻居公告报文和重定向报文。邻居发现报文选项提供了附加的信息，这些信息用于表示Mac地址、链路上网络前缀、链路上的MTU信息、重定向数据、移动信息和特定的路由。
本设计中只实现了路由器公告报文、邻居请求报文、邻居公告报文，通过这三个报文的交互可以使源节点和目的节点的MAC地址和IPv6地址进行绑定并且保存在对方的地址缓存区中。
4.1 主要数据结构设计
邻居请求报文宣告报文数据结构为：
typedef struct NBFind
{uint8Type； /*类型：请求135，宣告136*/
uint8Code； /*编码：0*/
uint16 Checksum； /*校验和*/
uint32 Reserved； /*保留位*/
struct ip_addr TgAddress；/*目标地址*/
uint8Ctype；/*选项类型*/
uint8Length；/*长度*/
uint8MACAddress[6]； /*物理地址*/
} NBDISCOVERRY；
4.2 主要函数设计
4.2.1 void ipv6_rt_adv(ipv6_buf*buf)
ipv6_rt_adv函数的功能是接收路由公告报文，提取出报文中的路由前缀，并且更新路由前缀缓冲表和重新本机IPv6地址。最后将addr_flag设置成ADDR_INET。
4.2.2 void ipv6_nb_req(ipv6_buf*buf)
ipv6_nb_req函数的功能是接收邻居请求报文，生成邻居公告报文并在邻居公告报文中加入本机的IPv6地址和MAC地址。最后调用icmp6_output函数发送ICMPv6报文。
4.2.3 void ipv6_nb_adv (ipv6_buf*buf)
ipv6_nb_adv函数的功能是接收邻居公告报文，如果addr_flag的值为ADDR_INET|ADDR LNK提取出报文中的信源的IPv6地址和MAC地址更新邻居缓冲表。如果addr_flag的状态是ADDR_CHK，将addr_flaa的值设置为ADDR_UNUSE。
5 小结
本文在现有的开源LwIP协议栈基础上实现了IPv6协议，整个系统代码编译后占用空间小，能够适合大部分嵌入式系统的要求。并且系统ARM μC/OS-II实时操作系统上通过测试, 证明了本方案的基本系统是可行的。
参考文献：
[1]R Braden.RFC 1633 Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview[S].
[2]陈赜,刘振兴,李宗福,等.ARM嵌入式技术实践教程[M].北京航空航天大学出版社,2005.
[3]杜春蕾.ARM体系结构与编程[M].清华大学出版社,2003.
[4]吴永航.嵌入式Internet方案的设计与实现[D].大连理工大学,2003.
收稿日期：2008-01-10
作者简介：李志刚（1971-），男，江苏太仓人，讲师，本科，研究方向为计算机网络。