IPv6网络拓扑发现方法研究

IPv6 网络拓扑发现方法研究 邓攀 3 　王勇 (桂林电子科技大学　计算机与控制学院 ,广西　桂林　541004) 摘　要　近年来依据 IPv4 定义的有限地址空间正在阻碍互联网的进一步发展 , IPv6 作为下一版本的互联网协议 ,为互 联网的普及与深化发展提供了基本条件 ,其在技术上的日益成熟 ,也在全球范围内开始了实际的应用与部署 , 而获取 IPv6 骨干网络中路由器级别的拓扑信息 ,是对它实施有效管理的基础。论文论述了在通常网络中实 现骨干网络拓扑发现的方法 ,针对当前 IPv6 网络的特性 ,借鉴 IPv4 骨干网络拓扑发现中的基本原理 ,并作了 适当的补充和修改 ,提出了根据 IPv6 网络隧道技术以及 IPv6 网络地理拓扑信息的获取相结合的分布式网络 拓扑发现新方法。论文最后对该方法的实现和结果进行了初步的分析和。 关键词　IPv6 ; Traceroute ;拓扑发现 ;数据探测 ;多隧道 中图分类号 : TP393 　　　　　　文献标识码 :A 　　　　　　文章编号 :1009 —1033 (2008) 02 —0019 —03 　　自 1995 年 IETF 指定了 IPv6 ( Internet Protocol Ver2 sion 6 ,互连网协议第 6 版)核心协议以来 ,众多组织和标准 化机构开始致力于对 IPv6 协议的研究、实现和测试。1998 年后 ,在全世界范围内掀起了对 IPv6 领域研究和讨论的热 潮 , IPv4 (互连网协议第 4 版) 开始向 IPv6 过渡 ,并将最终 取代 IPv4 成为下一代 Internet 的标准协议。如今 IPv6 的 各项技术已经逐步成熟 ,并且进入到全球范围大规模部署 阶段。尽管 IPv6 的网络规模目前与 IPv4 网络还无法相 比 ,但却处在不断的扩大的过程中。在其发展的早期 ,获取 骨干网络中路由器级别的拓扑信息将极大的有利与对 IPv6 网络发展的理解与研究。 在 IPv4 网络中 ,由于网络设备数量惊人 ,其间的连接 也格外复杂 ,获取骨干网络拓扑信息有很高的难度。而在 IPv6 网络中 ,网络设备的数量远没有 IPv4 网络中那么丰 富 ,因而在拓扑发现过程中消耗的时间与空间也降低了。 本文将针对 IPv6 网络当前的特性 ,设计一套可行的骨干网 络拓扑发现的方法 ,该方法借鉴了 IPv4 骨干网络拓扑发现 中的基本原理 ,并针对 IPv6 网络的特性作了创造性的补充 和修改。本文最后还将对根据本方法获得的拓扑信息作初 步的分析。 1 　骨干网络拓扑发现方法 对于网络拓扑发现 ,理想的方法是使用 SNMP ( Simple Network Management Protocol ,简单网络管理协议) 协议。 但是在骨干网络中 ,大部分路由器等设备并不开放 SNMP 访问权限 ,这使得通过 SNMP 进行拓扑发现的方法无法实 现。在骨干网络中 ,最好并且可能是唯一的用来发现网络 中路由器及其连接的方法就是使用 t raceroute 探测的方 法 [1 ] 。 1. 1 　t raceroute 探测 t raceroute 是一种用来进行网络测量的工具 ,它可以将 从本地到一个目的地址所经过的所有路由器地址返回给本 地。对于骨干网络拓扑发现的算法原理如下 : (1) 取一张在 IP 空间内分布广泛的 IP 地址列 (以 下称探测列表) (2) 对于列表中的每一地址 ①向该地址 t raceroute ②将 t raceroute 返回的所有连接和结点进行保存 (3)整理结果 数据探测阶段将得到大量的地址和路径信息 (下称其为 原始数据) ,为使拓扑发现的结果与不断变化的 IPv6 骨干网络 形成实时的对应 ,需要周期性的进行拓扑探测。不同时间段 的探测里 ,将得到不同的原始数据。对于每次探测的数据都 需要进行数据分析 ,并保存在拓扑信息的数据库中。 为了使拓扑发现拥有比较高的效率 ,除了在探测列表 上使数据尽量合理外 ,另一个有效的是使用多个线程 同时进行探测。这样可以更有效的使用机器资源和网络资 源 ,从而缩短拓扑探测的时间。 1. 2 　IP 地址来源 若要获取一个结果丰富的骨干网络拓扑信息 ,探测列 表中的地址就应该丰富 ,而且它的分布要均匀和广泛 ,而且 不能有过多的重复 ,因此探测列表的选择就尤其的重要。 91 2008 年第 2 期 (总第 50 期) 　 桂林航天工业高等专科学校学报 JOU RNAL OF GU IL IN COLL EGE OF A EROSPACE TECHNOLO GY 　计算机技术及应用 3 作者简介 :邓攀 (1976 —) ,男 ,广西桂林人 ,桂林电子科技大学计算机与控制学院计算机技术专业在读工程硕士 , 主要研究方向为网络管理。 在 B GP (Border Gateway Protocol ,边界网关协议 ) routing table (路由表) 中包含了绝大多数连接在骨干网络 中的自治域 (Autonomous System ,AS) 地址 [2 ] 。在每个自 治域中任选一个地址进行探测 ,一定可以发现大量的骨干 网络路由器和链接关系。在 IPv4 骨干网络拓扑发现中 ,一 般都使用 B GP Routing Table 中的地址前缀作为探测列表 中的数据来源。在 IPv6 中本文将继续沿用这一方法。 目前 ,在 IPv6 B GP Routing Table 中地址前缀只有 600 多条 ,而 IPv4 中有几万条。因此除了使用 B GP Routing Table ,本文还将使用其他的数据作为地址列表的来源。而 在 6bone [3 ]上注册的 IPv6 的站点地址列表是一个比较理 想的选择。由于在 6bone 上申请地址的时候 ,大多数机构 都留下几个可以用来与其他站点测试连通情况的 IPv6 地 址或是提供了可通过 IPv6 访问的网址 ,将这些地址都收集 起来将极大的丰富探测列表。 1. 3 　原始数据分析 将原始数据转化成拓扑数据 ,需要经过数据分析和处 理。在这里最主要的工作是将 t raceroute 的路径信息转化 为拓扑网状信息。在 t raceroute 结果中将记录从探测点到 目的地址所经过所有路由器的地址和域名。在探测不同的 目的地址时可能经过同一路由器 ,这就使原始数据产生了 关联 ,分析的过程中就是要将这些路径信息中所经过的同 一点合并起来。其示意图如图 1 : 图 1 　t raceroute 拓扑信息合并过程图 但是在实际网络中 ,路由器经常有多个地址。这可能 使得分析过程中将一个路由器的不同地址当作是不同设备 的地址 ,以至最终的拓扑信息出现错误。对于这一问题可 通过如下方法解决 [4 ] : 当向一台路由器设备发送一个端口 是不可用的 UDP 包时 ,该设备将返回 ICMPv6 端口不可达 错误包。可以判断 ICMPv6 返回包的源地址与发送的 UDP 包的目的地址是否相同 ,如果不同则说明两个地址属 于同一路由器设备的不同端口。 2 　IPv6 中创新方案 2. 1 　多隧道接入 在上节所提出的算法中 ,拓扑发现程序部署在一台机 器上 ,所有的数据探测都从这台机器出发。这台机器被称 为探测点。数据分析也在这台机器上进行。这种体系结构 被称为集中式探测。 但是由于只有一个探测点 ,探测的结果将是以该点为 根的树状结构 ,因此可能造成“cross - link”问题。如图 2 , 从探测点 1 进行探测 ,那么在 A ,B 域之间的 M 点将无法 被发现。 图 2 　cross - link 图 如果在 B 域还有一个探测点 ,那么它在向 A 域的探测 过程中将发现 M 点。因此解决这一问题的方法是使用多 探测点。虽然不能保证使用多探测点就可以发现骨干网络 中的所有设备和链接 ,但如果探测点分布的比较均匀 ,就可 以保证发现的拓扑信息与真实的网络情况足够的接近。 在多探测点结构中 ,拓扑探测在不同的机器上运行 ,它 们与一台专门用来综合数据的机器 (本文称其为综合机)进 行网络级的数据传递。它的优点是可以使拓扑发现的结果 更为丰富和准确。但缺点是实现起来代价比较大 ,尤其要 在网络的不同域中部署系统并不是一件容易的事情。 然而 ,在 IPv6 的网络中由于隧道的存在 ,分布式拓扑 的状况有了新的变化。这意味着可以让在同一域内的不同 机器使用不同的隧道链接到骨干网中来实现分布式的拓扑 发现。不同隧道的出口点可以处在不同的域内 ,这相当于 探测点从隧道出口点所在域发起探测 ,从而实现了分布的 多点探测。 因此 ,本文在拓扑发现方法的实现中使用了这种分布 式的多点探测结构。使用多个探测点进行探测 ,而综合机 同时也是探测点中的一个。探测点将探测的原始数据通过 网络传递给综合机 ,由它来进行数据分析 ,最终形成完整拓 扑信息。 2. 2 　基于其他服务的地理信息定位 除了获取骨干网络路由器的连接情况外 ,获取 AS 域 的连接情况也将极大的有助于对 IPv6 网络部署情况的了 02 2008 年第 2 期 (总第 50 期) 　　 桂林航天工业高等专科学校学报 JOU RNAL OF GU IL IN COLL EGE OF A EROSPACE TECHNOLO GY 　邓攀 　王勇/ 文 解。为此就需要根据 IPv6 地址获取包括地址前缀、该地址 所处 AS 域等信息。这样就可以将设备之间的链接转化为 AS 域之间的链接。另外 ,本文还力图根据 IP 地址获取地 理信息。虽然与电信网络不同 , IP 地址与地理信息没有直 接的关系 (在电话网络中电话号码与地理位置有直接关 系) ,但是信息服务提供商 ( ISP) 在分配地址的时候也提供 了一些地理信息方面的服务 ,这也使得我们可以根据 IP 地 址获取其地理信息。 Ripe 的 RIS(Routing Information Service ,路由信息服 务)项目中 [5 ] ,专门有用于查询 AS 号码的服务 RISwhois。 它通过收集最新的 routing tables 数据 ,并根据 IP 地址报 告 IPv4 或 IPv6 下与该地址匹配的地址前缀和 AS 号码。 RISwhois 在 whois 端口 (port 43)监听客户请求 ,并将结果 返回给用户。 CAIDA 的 Net Geo 工具提供了根据 AS 域名或 IPv4 地址获取地理信息的服务。Net Geo 是一个数据库与 Perl 脚本的组合。用来将 IP 地址和 AS 号码与地理位置进行 匹配。数据库在服务器端 ,用户可以通过 WEB 或 PERL 脚本对它进行访问。它可以提供 IP/ AS 所在国家、城市、 所属机构、经纬度等的信息。 Net Geo 不支持根据 IPv6 地址获取地理信息的查询方 式 ,因此需要先通过 RISwhois 查询到 IPv6 地址对应的 AS 域码 ,再根据该域码通过 Net Geo 获取其地理信息。 3 　试验和发现结果 3. 1 　拓扑发现方法的实现 由于拓扑发现使用的是探测的方法 ,因此并不能发现 网络中路由器的所有端口 ,而只能发现在探测过程中所经 过的端口。经过探测和分析所得到的拓扑信息尽管包含了 网络中大量的路由器设备 ,但是却无法发现完整的网络拓 扑图。 本文实现了所提出的拓扑发现方法 ,并在两台 Linux PC 机上进行了部署。这两台机器均安装了 IPv4 和 IPv6 的双栈协议 ,并分别通过不同的隧道连接到 IPv6 骨干网 中。其中一台通过国际公开的 6to4 隧道接入 ,另一台则与 Cernet 建立了 B GP4 + 连接从而连入 IPv6 骨干网络。 在每台拓扑探测机器上 ,使用 30 个线程进行 t racer2 oute 探测。在此情况下 ,对于探测列表中 1437 个地址进行 一遍探测平均需要 40 分钟。 3. 2 　拓扑发现结果 经过周期性的拓扑发现 ,已经取得了一些初期的数据 , 在这里对这些数据做一简单的总结 (1) 目前已经发现 IPv6 骨干网络中的路由器设备 1900 多个 ,而且该数目还在不停增长过程中。 (2)发现了 IPv6AS 域和地址前缀 306 个 ,目前官方资 料公布的 IPv6 拥有的 AS 域 324 个 ,发现的覆盖率达到 94 %。 (3)经过路由器多址算法的分析 ,有 7 % - - 8 %的地 址来源于同一路由器的不同端口。 (4)在进行第一次拓扑发现时 ,只使用一个探测点进程 探测只能发现约 85 %的设备。通过第二个探测点的发现 数据 ,又增添了新的发现设备。 (5)通过地理定位 ,发现 IPv6 的 AS 域在欧洲分布密 集且数量众多 ,其次在美国和日本也有较多的分布。 4 　结束语 随着 IPv6 的不断发展 ,它将逐步取代 IPv4 成为 Inter2 net 的主流网络成协议。本文继承了现有 IPv4 骨干网络的 拓扑发现方法 ,并引入了新的方法和策略以适应 IPv6 网络 的变化 ,对 IPv6 骨干网络的拓扑发现方法做了有意义的尝 试和试验 ,并取得了一定阶段性成果。 参考文献 [1 ] 　Russ Haynal. Traceroute Overview [ EB/ OL ] . (199708) . http :/ / www. navigators. com/ t raceroute. html. [2 ] 　Paul Traina. Autonomous System Confederations for B GP. RFC 1965 [ EB/ OL ] . (199606) . http :/ / www. faqs. org/ rfcs/ rfc1965. html. [3 ] 　Robert M. Hinden. Legacy Testbed For Deployment Of IPv6 [ EB/ OL ] . (20031206) . http :/ / www. 6bone. net . [4 ] 　杨国正 ,陆余良 ,夏阳. IPv6 网络拓扑发现技术研究[J ] . 计算机工程. 2007 ,33 (2) 99 - 101 ,104. [5 ] 　RIPE NCC . Project - RIS[ EB/ OL ]. (199912) . http :/ / www. ripe. net/ ris/ riswhois. html. (责任编辑 　李卫华) 12 2008 年第 2 期 (总第 50 期) 　　 桂林航天工业高等专科学校学报 JOU RNAL OF GU IL IN COLL EGE OF A EROSPACE TECHNOLO GY 　邓攀 　王勇/ 文