（計算機系統(tǒng)結構專業(yè)論文）ipv6拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設計與實現(xiàn).pdf

摘要 過去的三十年中 i n t e r n e t 已經(jīng)從一個小型的實驗性研究性的網(wǎng)絡發(fā)展壯大為一個 以路由器 交換機和主機組成的復雜網(wǎng)絡 如今維護一個準確的網(wǎng)絡拓撲關系對所有網(wǎng) 絡管理系統(tǒng)都是最基本的要求 是得到良好網(wǎng)絡設計構架的關鍵 研究人員已經(jīng)不僅注重 i n t e r n e t 性能測量 也越來越注重對i n t e r n e t 拓撲進行探測 使得拓撲探測發(fā)展成為 一個非常有挑戰(zhàn)性的研究方向 多年來 很多組織和研究人員關注于i n t e r n e t 自治系統(tǒng)級和路由器級的拓撲測量和 分析 網(wǎng)絡管理系統(tǒng)及其研發(fā)和使用單位往往更關注于管理域內路由器級拓撲發(fā)現(xiàn)技術 并要求部署的拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有一定的網(wǎng)絡拓撲監(jiān)控能力 如今已經(jīng)存在很多針對i p v 4 網(wǎng)絡的拓撲發(fā)現(xiàn)技術 其中基于i c m p 的探測方式對路 由器級公共網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)最為有效 并且較小的地址空間為ip 4 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)提供了良 好的性能基礎 i p v 6 巨大地址空間給以上方法帶來性能上的挑戰(zhàn) 嚴重影響拓撲發(fā)現(xiàn)系 統(tǒng)性能和對目標網(wǎng)絡的覆蓋 并且由于i p 和i c m p 協(xié)議上的變化 已有的i p v 4 網(wǎng)絡拓撲 發(fā)現(xiàn)技術無法直接移植到i p v 6 網(wǎng)絡環(huán)境中 本文介紹了一種i p v 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 擴展了基于i c m p 探測方式的適用 范圍 系統(tǒng)解決了i p v 6 路由器級拓撲探測中的實際網(wǎng)絡環(huán)境問題 其中包括中間路由報 文限制 別名解析 匿名端口 路由循環(huán) 不穩(wěn)定路由等 i p v 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能的提 高和對目標網(wǎng)絡的覆蓋也是本文的關注重要點 系統(tǒng)提供了種子節(jié)點 構造地址和i p v 6 地址管理模塊作為目標地址集合來源 w e bs e r v i c e s 技術的應用提高了i e v 6 拓撲發(fā)現(xiàn) 系統(tǒng)部署 配置和管理的靈活性 本文系統(tǒng)對中國移動c n g i 骨干網(wǎng)和c e r n e t 2 進行了實際拓撲 在此基礎上對獲取的 i p v 6 拓撲數(shù)據(jù)進行了分析和總結 關鍵詞 網(wǎng)絡探測 拓撲發(fā)現(xiàn) 1 c m p v 6 p v 6 網(wǎng)絡測量 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t o p o l o g yd i s c o v e r ys y s t e mf o ri p v 6 n e t w o r k s a l e nh a n l i n d i r e c t e db yz h a n g g u o q i n g i nj u s tt h r e ed e c a d e s t h ei n t e r a c th a sg r o w nf r o mas m a l l e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hn e t w o r k i n t o ac o m p l e xn e t w o r ko f r o u t e r s s w i t c h e s a n dh o s t s n o wm a i n t a i n i n ga na c c u r a t em a po f t h e n e t w o r k t o p o l o g y i s o n e o f t h e b a s i cr e q u i r e m e n t s o f a n y m a n a g e m e n ts o l u t i o na n d i se s s e n t i a l t o t h ep r o c u r e m e n to f g o o da r c h i t e c t u r a ld e s i g nd e c i s i o n s r e s e a r c h e r sh a v ep a i dm u c ha t t e n t i o nn o t o n l yt oi n t e m e tp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n tb a ta l s ot oi n t e m e tt o p o l o g ym e a s u r e m e n tt h a th a s h e n e eb e e l lg r o w i n gi n t oan o v e la n d c h a l l e n g i n gr e s e a r c ha r e a t h et o p o l o g ym e a s u r e m e n ta n d a n a l y s i so f i n t e m e ta s l e v e la n dr o u t e r l e v e la r e c o n c e r n e db ym a n yo r g a n i z a t i o n sa n dr e s e a r c h e r si nt h e s ey e a r s b u tn e t w o r km a n a g e m e n t s y s t e m sa n dd e v e l o p i n g d e p l o r i n gd e p a r t m e n t sa l w a y sp a ym o r ea t t e n t i o n so nt h et e c h n o l o g i e s o f i n t r e d o m a i n t o p o l o g y d i s c o v e r y a n dr e q u i r e s o m es c o u t f u n c t i o n o f t h e d e p l o y e ds y s t e m a n u m b e r o f t e c h n i q u e s f o r i p v 4 n e t w o r k t o p o l o g ya l r e a d ye x i s t o f t h e s e i c m p b a s e d p r o b i n gh a ss h o w nt ob em o s tu s e f u li nd e t e r m i n i n gr o u t e r l e v e lt o p o l o g i e so f p u b l i cn e t w o r k s a n di p v 4 sl i m i t e d a d d r e s ss p a c eo f f e r sa g o o db a s e6 阿h i 曲p e r f o r m a n c eo f i p v 4t o p o l o g y d i s c o v e r ys y s t e m s b e c a u s eo ft h ei p v 6 sh u g ea d d r e s ss p a c e t h es y s t e mc o n f r o n t sc h a l l e n g e so f t h ep e r f o r m a n c ea n d c o v e t i n go nt h et a r g e tn e t w o r k s d u et ot h ec h a n g e si np r o t o c o l so fi pa n d l c m p t h ee x i s t e dt e c h n i q u e sf o r 4n e t w o r kt o p o l o g yd i s c o v e r yc a n tb ed i r e c t l yp o r t e dt o l p v 6n e t w o r k s d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f at o p o l o g yd i s c o v e r ys y s t e mf o ri p l v 6n e t w o r k si si n t r o d u c e d w h i c he n l a r g e st h ea p p l i c a b i l i t yo fi c m p b a s e dp r o b i n g 1 1 l i ss y s t e mo v e r c o m e st h ek e yi s s u e si n r o u t e r l e v e lt o p o l o g yd i s c o v e r y i n c l u d i n gi n t e r m i t t e n tr o u t e rl i m i t a t i o n a l i a sr e s o l u t i o n a n o n y m o u si n t e r f a c e s r o u t i n gl o o p i n s t a b l er o u t i n ga n ds oo n t h ep e r f o r m a n c ea n dn e t w o r k s c o v e t i n go ft o p o l o g yd i s c o v e r ys y s t e ma r ca l s oo u rk e yi s s u e s 1 n h es y s t e ms u p p o r t ss e e d s i p c o n s t m d i n ga n di p 6a d d r e s ss p a c em a n a g e m e n ta st h er e s o u r c eo fp r o b i n gw a n du s i n g e b s e r v i c e sp r o m o t e sf l e x i b i l i t i e so nd e p l o y m e n t c o n f i g u r a t i o na n dm a n a g e m e n t 1 p r 6 n e t w o r k ss u c ha s c e m e t 2 a n d c l l i a n m o b i l e s b a c k b o n e o f c n g l i s p r o b e d a t t h ee n d t h et o p o l o g yd a t ec o l l e n t e df r o mt h e mw i l lb es h o w na n d a n a l y s e d k e y w o r d s n e t w o r kp r o b i n g t o p o l o g yd i s c o v e r y i c m p v 6 i p v 6 n e t w o r km e a s u r e m e n t 1 1 1 圖目錄 圖1基于t r a c e x o u t e 的拓撲探測機制 圖2t r a e e r o u t e 示例 圖3 c r o s sl i n k 問題 圖4種子列表探測目標網(wǎng)絡 圖5基于種子列表探測得到的拓撲關系圖 圖6添加種子列表記錄 圖7基于種子列表探測得到的最終拓撲關系圖 圖8匿名端口膨脹示例 圖9路由器報文處理模型 圖1 0 圖1 1 不穩(wěn)定路由示例 4 8 位子網(wǎng)前綴地址空問示例 圖1 2地址空間初始化的層次 圖1 3 圖1 4 關鍵字空間選擇順序示例 關鍵字分配示例 圖1 5優(yōu)先級分配示例 圖1 6地址空間合并 1 4 1 7 1 8 1 9 1 9 3 3 圖1 7從l p v 6 地址空間分配中獲取目標地址 圖1 8系統(tǒng)架構 圖1 9 多點并行探測示例 3 4 3 4 圖2 0 利用源路由選項進行路徑探測示例 圖2 l中國移動c n g i 骨干網(wǎng)拓撲圖 圖2 2中國教育網(wǎng)c e m e t 2 主干網(wǎng)拓撲結構 4 4 4 8 加 加 拼 刀 勰 孔 表1 表2 表3 表4 c n g i 拓撲發(fā)現(xiàn)結果 北京節(jié)點設備一配置 北京節(jié)點設備二配罨 北京節(jié)點設備三配置 表目錄 表5北京節(jié)點設備四配置 表6北京研發(fā)中心設備一配置 表7 表8 表9 表1 0 表1 1 表1 2 表1 3 表1 4 表1 5 表1 6 表1 7 北京研發(fā)中心設備二配置 上海節(jié)點設備一配置 上海節(jié)點設備二配置 上海節(jié)點設備三配置 武漢節(jié)點設備一配置 武漢節(jié)點設備二配置 沈陽節(jié)點設備一配置 沈陽節(jié)點設備二配置 南京節(jié)點設備一配置 南京節(jié)點設備二配置 成都節(jié)點設備一配置 表1 8成都節(jié)點設備二配置 表1 9深圳節(jié)點設備一配置 表2 0深圳節(jié)點設備二配置 表2 1c e r n e t 2 拓撲發(fā)現(xiàn)結果 4 3 4 4 4 5 4 5 4 5 4 5 4 6 4 7 4 7 4 7 v n l 4 8 牾 稻 鉑 舶 拍 聲明 我聲明本論文是我本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成 果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 本論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 作者簽名 儒群枕日期 2 一r 7 一千 心 論文版權使用授權書 本人授權中國科學院計算技術研究所可以保留并向國家有關部門或機 構送交本論文的復印件和電子文檔 允許本論文被查閱和借閱 可以將本 論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮印或 掃描等復制手段保存 匯編本論文 保密論文在解密后適用本授權書 作者簽名 啊包諱糾 導師簽名 f 古l 葫滯日期 三 一7 一年一f 5 第一章引言 隨著i p v 6 技術的日益成熟 許多國家都在下一代互聯(lián)網(wǎng)的建設方面投入大量資金 構筑本國的i p v 6 試驗網(wǎng) 根據(jù)以往網(wǎng)絡的經(jīng)驗 隨著i p v 6 網(wǎng)絡的快速擴張 接入的隨 機性和業(yè)務的多樣性使網(wǎng)絡速度 容量以及底層拓撲結構都發(fā)生了巨大變化 隨著i p v 6 網(wǎng)絡重要性的日益提高和網(wǎng)絡結構的日益復雜 了解其結構和特性對于l p v 6 網(wǎng)絡的應 用 擴展 優(yōu)化 增強網(wǎng)絡安全性等方面能夠發(fā)揮重要作用 互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展早已超越了互聯(lián)互通的基本要求 加速了高端網(wǎng)絡應用的不斷提 出與普及 當前互聯(lián)網(wǎng)正面臨來自本身技術 管理運營方面的挑戰(zhàn) 諸如網(wǎng)絡的可擴展 性 i p v 4 網(wǎng)絡的地址空間問題 路由表爆炸問題等 網(wǎng)絡系統(tǒng)的維護和安全 端到端 的高性能通信和服務質量等問題 在現(xiàn)有框架中 對上述問題的解決主要依賴于在現(xiàn)有 協(xié)議基礎上的不斷修補 無法在統(tǒng)一環(huán)境中得到完善的解決 籍此i p v 6 實驗網(wǎng)正在全球 范圍擴展 兩獲彳尋一個精確的飚絡拓撲關系圖是任何一今鼴絡管理解決方案的基本要求 拓撲信息對網(wǎng)絡管理的其他領域 故障管理 配置管理 用戶管理 性能與安全等等 有著相當重要的作用 但由于i p v 6 協(xié)議體系與i p v 4 的巨大差別 給i p v 6 網(wǎng)絡的自動拓 撲發(fā)現(xiàn)帶來了新的困難與挑戰(zhàn) 1 1 網(wǎng)絡管理介紹 廣義上的網(wǎng)絡管理是對資源的管理 是指調度和協(xié)調資源 以便在所有時間都能使 計劃 營運 管理 分析 評估 設計和擴充網(wǎng)絡以合理的成本和最佳的能力滿足服務 等級的目標 網(wǎng)絡管理包括運行 管理 維護和供給功能 這些功能提供了管理網(wǎng)絡資 源的有效方法 而從狹義上入手 網(wǎng)絡管理是指對網(wǎng)絡狀態(tài)進行監(jiān)控 當網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時能及時做 出報告和處理 調整網(wǎng)絡資源 使網(wǎng)絡能正常 高效地運行 一般而言 網(wǎng)絡管理有五 大功能 配冠管理 性能管理 故障管理 安全管理 計費管理 這五大功能是保證一 個網(wǎng)絡系統(tǒng)能夠正常運行的基本功能集合 配置管理可細分為拓 p 管理和參數(shù)管理 拓撲管理是指自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡內的所有設備 以及設備之問的連接情況 對發(fā)現(xiàn)的結果能夠自動更新以保證和實際網(wǎng)絡的 致性 能 夠以圖形化的方式表現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲結構 網(wǎng)絡狀態(tài) 設備信息 參數(shù)管理是保證設備配置 信息的完整性 對配黃信息的正確性檢查 配置數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計 性能管理主要提供性能監(jiān)測功能 性能分析功能 性能監(jiān)測功能是對網(wǎng)絡流量 設 中國科學院碩士學位論文 i p v 5 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 備資源使用情況 如c t u 占有率 內存占有率等 等性能數(shù)據(jù)進行連續(xù)地采集 性能分 析功能主要是根據(jù)監(jiān)測到的性能數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和計算 獲得網(wǎng)絡及其主要成分的性能指 標 定期或在必要時生成性能報表和圖表 故障管理的目的是迅速發(fā)現(xiàn)和糾正網(wǎng)絡故障 動態(tài)維護網(wǎng)絡的有效性 故障管理的 主要功能包括告警監(jiān)視 故障定位 告警過濾 告警監(jiān)視用來監(jiān)視網(wǎng)絡設備出現(xiàn)的故障 故障定位用來確定故障產生的位置或者產生故障的設備 告警過濾用來過濾大量告警中 不重要的信息從而突出網(wǎng)絡的故障所在 當網(wǎng)絡中的某個地方出現(xiàn)故障以后 往往會引 發(fā)很多告警信息 這就需要通過告警過濾扶這些告警信息中找出根本閩題 安全管理的目的是提供信息的隱私 認證和完整性保護機制 使網(wǎng)絡中的服務 數(shù) 據(jù)以及系統(tǒng)免受侵擾和破壞 計費管理主要是正確的計算和收取用戶使用網(wǎng)絡服務的費 用 同時進行網(wǎng)絡資源利用率的統(tǒng)計和網(wǎng)絡的成本效益核算 在以上管理功能中 配置管理是整個網(wǎng)絡管理的基礎 因為它提供了網(wǎng)絡管理所需 的基礎數(shù)據(jù) 也是網(wǎng)絡管理的基本對象的集合 而其中 網(wǎng)絡拓撲信息以及拓撲節(jié)點信 息是配置數(shù)據(jù)中的最基本數(shù)據(jù) 因此網(wǎng)絡拓撲以及節(jié)點的數(shù)據(jù)獲取和更新成為網(wǎng)絡配置 管理的基礎功能 也是整個網(wǎng)絡管理的基礎功能 而這一過程即網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)和拓撲更 新過程 面對一個大規(guī)模的網(wǎng)絡 采用人工方式進行網(wǎng)絡拓撲管理工作量太大 同時準確性 無法保證 這就需要網(wǎng)管系統(tǒng)能夠自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡的拓撲結構 并以圖形化的方式呈現(xiàn) 網(wǎng)絡拓撲管理是網(wǎng)管系統(tǒng)的基礎 能夠為性能 告警 配置數(shù)據(jù)的處理提供支持 這些 數(shù)據(jù)的監(jiān)測和處理需要在已知網(wǎng)絡拓撲的基礎上進行 從而全面 動態(tài)地反映網(wǎng)絡的運 行狀況 為用戶監(jiān)視整個網(wǎng)絡提供強有力手段 網(wǎng)絡拓撲自動發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)就是要識別網(wǎng)絡中各種類型的設備 設備之間的連接關系 并獲取各類型設備的配置信息 目前最常用的方法包括利用s n m p s i m p l en e t w o r k m a n a g e m e n tp r o t o c o l 簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議 l p 協(xié)議族命令和系統(tǒng)探測技術等手段發(fā)現(xiàn)給 定范圍內的網(wǎng)絡設備及它們之間的互連關系 拓撲自動發(fā)現(xiàn)的結果通常存放于數(shù)據(jù)庫中 供網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的其它功能模塊使用 1 2i n t e r n e t 拓撲測量相關工作 現(xiàn)實的需要推動了i n t e r n e t 拓撲測量研究領域的形成和發(fā)展 對i n t e r n e t 拓撲結 構進行動態(tài)描述具體有以下幾個方面的應用 1 i n t e r n e t 拓撲測量可以輔助宏觀網(wǎng)絡發(fā)展布局和網(wǎng)絡管理 例如確定在哪罩 增加新路由器 網(wǎng)絡擴容等 通過了解網(wǎng)絡地理分布狀況 既可以從宏觀層次管理規(guī)劃 2 第一章引言 大范圍內的網(wǎng)絡發(fā)展布局 也可以生產隱含地理模型的綜合拓撲 3 3 l 為仿真模擬 網(wǎng)絡管理等服務 了解網(wǎng)絡拓撲結構等信息是進行有效網(wǎng)絡管理的基礎之一 雖然測量 得到的i n t e r n e t 拓撲不是物理拓撲 但它反映了實際的路由拓撲情況 這對于網(wǎng)絡可達 性研究 網(wǎng)絡存活性分析 優(yōu)化網(wǎng)絡配置等具有重要的參考意義 2 i n t e r n e t 拓撲測量能夠為仿真模擬i n t e r n e t 環(huán)境1 3 2 1 協(xié)議設計與評價提 供研究基礎 3 4 3 5 只有在類似于i n t e r n e t 的拓撲上進行仿真模擬研究 其結果 才具有現(xiàn)實可用性 只有通過對實際i n t e r n e t 拓撲結構進行分析 得到相應的特征參數(shù) 指導構造更符合實際網(wǎng)絡的拓撲生成器 3 6 3 7 才有可能進一步對網(wǎng)絡進行準確 建模 3 拓撲測量選路拓撲結構 可以分析研究i n t e r n e t 選路的動態(tài)性質 例如發(fā)現(xiàn) 迂回路由 轉發(fā)環(huán)路 路由黑洞 中間的連通性發(fā)生變化的路由 無規(guī)則動態(tài)路由等病 態(tài)路由 和路由配置策略 研究路由的收斂性質 3 8 3 9 1 4 0 或用于域問路由錯 誤管理 4 1 為進一步選路 升級改進設計利用拓撲性質的更有效的路由協(xié)議 提高 網(wǎng)絡路由性能提供可行性 4 i n t e r n e t 拓撲測量可以為與拓撲機構相關的協(xié)議和算法的性能改進提供依據(jù) 此外 拓撲結構信息還有助于幫助選擇多鏡像服務器的位置 幫助i s p 確定與那個a s 相連能夠具有更好的i n t e r n e t 連通性 3 2 4 2 4 3 等 5 以拓撲結構信息為基礎 結合性能測量 有助于準確定位并實施故障隔離 f a u l t i s o l a t i o n 4 4 以及為遏制蠕蟲病毒和防范大規(guī)模網(wǎng)絡攻擊提供研究平臺和預警手段 從而能夠對整個網(wǎng)絡更具宏觀控制力 并且實際上 控制蠕蟲擴散范圍和阻斷d d o s 攻擊 本身是一種故障隔離 也是拓撲測量在網(wǎng)絡安全研究中的應用 6 i n t e r n e t 拓撲測量技術可用來觀察災難發(fā)生對網(wǎng)絡連通性的影響 3 0 1 例 如c h e s w i c k 等人所進行的i n t e r n e tm a p p i n g 項目1 3 1 采用單點測量 曾成功描述了 科索沃戰(zhàn)爭期問 由于網(wǎng)絡設施或電力供應設施被破壞而使南斯拉夫地區(qū)的網(wǎng)絡拓撲結 構發(fā)生顯著變化的情況 1 9 9 9 年5 月 這從一個側面反映了轟炸效果 也是網(wǎng)絡拓撲 測量在軍事領域中應用的典范 路由器拓撲 是網(wǎng)絡抗攻擊能力 4 5 和可生存性 4 6 1 研究的基礎之一 7 i n t e r n e t 拓撲測量可以為i n t e r n e t 流量工程和網(wǎng)絡行為學研究提供基礎輔助 依據(jù) 隨著i p v 6 網(wǎng)絡近年來的廣泛部屬 對于i p v 6 網(wǎng)絡進行拓撲發(fā)現(xiàn)的研究也開始興起 i p v 6 協(xié)議體系的改變使得傳統(tǒng)的i p v 4 網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)方法不能直接移植到i p v 6 網(wǎng)絡中 來 同時i p v 6 協(xié)議的許多新特征 如地址結構的變化以及i p v 4 一i p v 6 隧道的存在 也對 i p v 6 網(wǎng)絡的拓撲發(fā)現(xiàn)提出了全新的挑戰(zhàn) 在國際上 c a i d a 組織主要關注全球i p v 6 網(wǎng)絡 信息的采集和拓撲發(fā)現(xiàn) l 它的工作重點在于對全球范圍的i p v 6 網(wǎng)絡發(fā)展狀況進行 檢測和分析 在相關文獻中 貝爾實驗室的d a n i e lg 等人提出了一種基于源路由的拓 撲發(fā)現(xiàn)思想 對目前的6 b o n e 網(wǎng)絡進行了大規(guī)模的探測 并對i p v 6 匿名路由器的問題提 3 中國科學院碩士學位論文 h 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 出了解決方案 2 1 法國l o r i a 實驗室的a s t i ci 等人提出了一種基于分級結構的拓撲 發(fā)現(xiàn)思想 3 1 文獻 1 8 給出了i p v 6 和i p v 4 混合網(wǎng)絡中隧道的發(fā)現(xiàn)方法 1 3 拓撲發(fā)現(xiàn)工具及其分析 1 p i n g p i n g 命令是i p 網(wǎng)上最古老的一種工具 用來監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點是否活著 或用于監(jiān) 測到網(wǎng)絡節(jié)點問的往返時延 i r i t 通常p i n g 只涉及網(wǎng)絡上的源和目的兩節(jié)點 而忽略網(wǎng)絡細節(jié) 另外我們可以使用廣播p i n g 其p i n g 的地址不是一個單一的地址 而是子網(wǎng)的廣播地址 所有位于該子網(wǎng)的主機均對此p i n g 包進行響應 從而一次 就可得到子網(wǎng)內的全部活動主機 2 t r a c c r o u t e t m c e r o u t e 命令是t c p i p 家族內另一個比較早的工具 它可用來發(fā)現(xiàn)測試點和 目標主機之間的路由器 路由器在轉發(fā)包之前總是將其j r r l 值減1 如果r r r l 降為 0 則路由器向源地址發(fā)送1 1 l 廣e p i r e di c m p 消息 t m c e m u t e 實現(xiàn)的原理就是應 用路由器的這個特性 通過發(fā)送t 幾逐漸增大的探測包 由測試點到目標間這條路 經(jīng)上所有的路由器依次向測試點發(fā)送t 1 1 e x p i r e di c m p 包 從而發(fā)現(xiàn)所有路由器 因為幾乎所有的路由器設計時都實現(xiàn)了發(fā)送t i l e x p i r e di c m p 消息的功能 所以 大多數(shù)情況下t r a c e r o u t e 的結果是準確可信的 由于采用逐漸增大1 1 乙值的方法 每探測一個目標需要依次發(fā)送不同1 吼值的多個包 因此用t r a c e r o u t e 獲取結果比 p i n g 要慢的多 可以設計一種并發(fā)式的t r a c e r o u t e 命令 一次發(fā)送不同t r l 值的多 個包 從而加速路由器的發(fā)現(xiàn)速度 3 d n s 地址是為網(wǎng)絡上的路由器或主機等機器設計的 它不符合人類的記憶習慣 d n s d o m a i nn a m es y s t e m 就是為了解決這個問題而開發(fā)的 d n s 系統(tǒng)主要用于 網(wǎng)絡設備口地址到名字的映射 同時也維護一些其他信息如設備的硬件平臺及操作 系統(tǒng)等 4 s n m p s n m p 簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議 的基本思想是所有的網(wǎng)絡設備維護一個m i b 管 理信息庫 保存其所有運行進程的相關信息 并對管理工作站的查詢進行響應 s n m p 協(xié)議描述了一種從m l b 庫中獲取信息的方法 對設備唯一的要求是支持 s n m p 并且m m 中的信息足夠豐富 5 其它工具或技術 除了上面介紹的幾種常用工具外 我們還可利用節(jié)點的a r p 表查詢它直連的設 備 利用路由協(xié)議 如o s p f b g p 發(fā)現(xiàn)所有子網(wǎng)或網(wǎng)絡 發(fā)現(xiàn)所有的路由器 在b g p 下還可發(fā)現(xiàn)一條路徑經(jīng)過的自治域 a u t o n o m o u ss y s t e m s 對于非l p 網(wǎng)絡 4 第一章引言 可利用專門的技術 對i p x 網(wǎng)絡可采用s a p 發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲信息 此外 一些廠家 專有的技術如c i s c o 的c d p 思科發(fā)現(xiàn)協(xié)議 僅用于c i s c o 設備 n c t f l o w 技術等 也可用于拓撲發(fā)現(xiàn) 互聯(lián)網(wǎng)拓撲發(fā)現(xiàn)的研究由來已久 按照被發(fā)現(xiàn)實體的粒度不同 可以分為三類 旨 在發(fā)現(xiàn)自治系統(tǒng)問互連關系和商業(yè)關系的 s 層次的拓撲發(fā)現(xiàn) 旨在發(fā)現(xiàn)路由器間連接關 系的路由器級拓撲發(fā)現(xiàn)和旨在發(fā)現(xiàn)局域網(wǎng)內物理設備 包括路由器 交換機 h u b 和主 機 之間互連關系的物理網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn) 7 5 0 1 本文主要研究的是路由器級的拓撲發(fā) 現(xiàn) 下面將對以上相關拓撲發(fā)現(xiàn)工具進行討論 1 p i n g 工具分析 使用p i n g 的最大問題是 當p i n g 一個活著的主機時 其往返時延往往在幾 十毫秒左右 但p i n g 一個不存在的或宕著的主機 一般比較常用的超時通常為 2 0 秒 再加上為了減少丟包對測量結果的影響而采取發(fā)2 3 個p i n g 包 這樣 對這類主機的監(jiān)測代價就非常大 這個問題最直接的解決方案是減少超時值 但是必須注意不要小于網(wǎng)絡實際的往返時延 通過精心設計超時和重發(fā)策略 隨 著跳數(shù)的增多 超時相應增大 可以有效減少等待時間同時又減少誤判 而使 用廣播p i n g 的問題是 現(xiàn)在實際網(wǎng)絡中廣播p i n g 很少得到完全支持 部分網(wǎng)絡 由路由器代替子網(wǎng)內的主機響應 在另外一些網(wǎng)絡中主機根本就不對廣播p i n g 進行響應 甚至路由器根本不轉發(fā)能引起廣播的包 這是基于網(wǎng)絡安全的考慮 因為可以利用這個特性進行拒絕服務攻擊 例如向幾個大的子網(wǎng)進行廣播p i n g 并把源地址設置為受害者的地址 這樣受害者就會淹沒于大量i c m pp i n g 的響 應包 從而拒絕提供任何服務 對該問題的一個解決方案是設計一個專門的 b r o a d c a s tp i n g 程序 其內部實現(xiàn)是直接將子網(wǎng)的廣播地址轉變?yōu)槎鄠€主機地址 然后啟動多個線程或進程來分別向主機發(fā)送p i n g 包 從而獲取子網(wǎng)內的全部主 機地址 v 6 擁有巨大網(wǎng)址空間 協(xié)議地址空間由i p v 4 的3 2 位擴大到1 2 8 位 2 的 1 2 8 次方形成了一個巨大的地址空間 即使6 4 位前綴子網(wǎng)的地址空間理論上允 許地址相當與現(xiàn)有口v 4 地址空間的總和 使用p i n g 命令來監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點是否存 活顯得不可行 使用i p v 6 組播技術可以解決以上問題 組播是否被支持是個不 確定因素 而且即使可行此方法只能得到網(wǎng)絡節(jié)點的狀態(tài) 無法進一步提供網(wǎng) 絡節(jié)點間的鏈接信息 另一方面組播技術的應用限制了拓撲發(fā)現(xiàn)的應用的范圍 無法適用公共網(wǎng)絡的拓撲發(fā)現(xiàn) 因此我們在i p v 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)放棄p i n g 工具的 使用 2 d n s 工具分析 使用d n s 服務器提供的區(qū)域傳輸功能可以一次獲取域內許多主機和路由 器 快捷方便 這是它的優(yōu)點 但如果主機的地址通過d h c p 獲得 則d n s 對 此就無能為力 此外 d n s 服務器提供的信息可能與實際情況不一致 甚至有 5 中國科學院碩士學位論文 l p v 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 些d n s 服務器沒有提供區(qū)域傳輸功能 盡管有諸多缺點 d n s 在拓撲發(fā)現(xiàn)中還 是很重要的 我們可以把d n s 返回的信息作為其他算法的起點 我們還可以在 不知道網(wǎng)絡具體結構的情況下 使用不同時間返回來的信息直接用來估算網(wǎng)絡 的增長速度 因為d n st 具較低的準確性和有限的使用范圍 因此也未被采用 3 s n m p 工具 使用s n m p 的最大優(yōu)點是信息自動隨網(wǎng)絡的狀況更新 這樣通過s n m p 獲 取的拓撲信息總是反映網(wǎng)絡最新的狀況 其缺點是并不是所有設備都支持 s n m p 協(xié)議 而且除了標準的m i b 信息外 各廠家都為自己的設備開發(fā)了專 門的m i b 如果在拓撲自動發(fā)現(xiàn)程序中使用了這些m 1 b 其處理上可能不得不 隨廠家的不同而作特殊的處理 拓撲發(fā)現(xiàn)中用到的m i b 組有s y s t e m 組 i n t e r f a c e s 組 口組 它們均為當前m l b i i 下的標準組 如今 r 6 網(wǎng)絡下s n m p 的標準化工作尚未完成 相對于i p v 4 目前支持i p v 的m m 庫和庫中被管理對象都還很少 特別是在最重要的r f c 2 4 6 5 中規(guī)定的 很多字段訪坷還有困難 以上問題給管理域內拓手卜發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)造成較大困難 1 4 1 如果拓撲發(fā)現(xiàn)的執(zhí)行者是整個待發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡的管理者并擁有相應路由器的管 理權限 則可以應用s n m p 來進行拓撲發(fā)現(xiàn) 這種方法簡單易行且準確 但當 該前提無法保證時 將導致拓撲信息的不完整 s n m p 協(xié)議本身的特點限制了 其使用范圍 使其無法作為一種通用的廣范圍的拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng) 因此本系統(tǒng)沒 有采用s n m p 作為主要的探測手段 4 路由協(xié)議工具分析 網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)可以使用域問的路由協(xié)議b g p 和域內路由協(xié)議o s f p 關注于 不同的網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)層次 但是這就要求對不同網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)層次的關注需要 在不同路由協(xié)議間進行切換 路由信息的獲取需要事先獲取相應路由器的地址 和管理權限 單個路由器只能描述部分網(wǎng)絡 因此不完備的路由器列表也將導 致拓撲信息的不完整 另一方面對于不支持以上路由協(xié)議的網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng) 將遇到極大的挑戰(zhàn) 雖然本系統(tǒng)沒有采用路由協(xié)議作為探測手段 但我們對此將進一步關注 因 為路由協(xié)議為特定范圍網(wǎng)絡提供了準確的拓撲關系描述 并有很好的實時性為 網(wǎng)絡拓撲監(jiān)控提供了良好的基礎 5 t r a c e r o u t e 工具分析 t r a c e r o u t e 應用程序是v j a c o b s o n 于1 9 8 8 年開發(fā)的 2 7 其初衷是用 于觀察端到端的路由連接狀況和故障位置 目 j i 基于t r a c e r o u t e 機制采集選路 信息是路由器級拓撲測量的主要手段 t r a c e r o u t e 已被廣泛用于檢測和診斷路由 問題 例如路由循環(huán) 不穩(wěn)定路由 匿名接口等 刻畫端到端的路由行為和特 征 網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)等 雖然t r a c e r o u t e 存在一些眾所周知的不足之處 可能會影 6 第一章引言 響其探測的效率和準確性 例如第三方地址問題 匿名端口 探測過程中可能 發(fā)生的路由變化使測量不準確 不穩(wěn)定路由 探測過程產生的額外負載可能會 影響網(wǎng)絡性能 中間路由器可能使用i c m p 報文轉發(fā)限制等 但它是目前唯一 的 不需要從每個管理域獲取專有路由信息的 可有效地觀察報文如何在網(wǎng)絡 中流動的方法 2 5 于前四種拓撲發(fā)現(xiàn)手段比較 t r a c e r o u t e3 具是唯一通用 準確 其準確性 依賴對實際網(wǎng)絡環(huán)境問題的解決 和輸入要求最少的拓撲發(fā)現(xiàn)手段 本文介紹 的i p v 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)將以1 珀嘶o u t e 作為主要的拓撲發(fā)現(xiàn)工具 在傳統(tǒng)的 i 4 網(wǎng)絡中 已經(jīng)有許多路由器級拓撲測量的研究 1 4 6 1 6 1 7 研究的重點主要在于測量目標地址的選擇和測量點的覆蓋對于測量完整性的影響 路由 器的別名解析問題 路由循環(huán)問題和路由不穩(wěn)定性對于測量正確性的影響 1 9 9 6 年 j r i c h a r d 提出了利用t r a c e r o u t e 來反映網(wǎng)絡拓撲結構的設想 2 8 1 此后 人們從不同 角度開展了i n t e r n e t 級拓撲測量的研究 i n t e r n e t 路由器級拓撲測量也經(jīng)歷了從單點 測量到多點測量的發(fā)展過程 拓撲發(fā)現(xiàn)技術的關鍵點在于保證最終拓撲信息的正確性和完整性 并提高拓撲探測 的性能 拓撲信息的正確性是指最終的拓撲關系數(shù)據(jù)反映的節(jié)點和鏈路狀況在對應的實 際網(wǎng)絡中真實存在 拓撲信息的完整性是指實際網(wǎng)絡中的節(jié)點和鏈路狀況在最終的拓撲 關系數(shù)據(jù)中得到表達 拓撲發(fā)現(xiàn)性能關注于探測過程產生的額外負載所影響的網(wǎng)絡性能 和拓撲發(fā)現(xiàn)過程所需要的時間 因為t r a c e r o u t e 工具自身的不足 如今其應用主要停留在對公共網(wǎng)絡和管理域間的 拓撲發(fā)現(xiàn)和測量 本文系統(tǒng)將關注以上拓撲發(fā)現(xiàn)技術關鍵點 解決最終拓撲信息的正確 性 完整性 提高拓撲探測性能 以此擴展基于i c m p 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的適用范圍 1 4w e bs e r v i c e s s 介紹 使用w e bs e r v i c e s s 技術 應用程序可以通過與平臺和編程語言無關的方式相互通 信 w e bs e r v i c e s s 是一個軟件接口 它描述了一組可以在網(wǎng)絡上通過標準化的x m l 消 息傳遞訪問的操作 它使用基于x 札語言的協(xié)議來描述要執(zhí)行的操作或者要與另一個 w e bs e r v i c e s s 交換的數(shù)據(jù) 在面向服務的體系結構 s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e s o a 中 一組以這種方式交互的w e bs e r v i c e s s 定義了特定的w e bs e r v i c e s s 應用程 序 軟件業(yè)最終會接受這樣的事實 跨多個操作系統(tǒng) 編程語言和硬件平臺集成軟件應 用程序不可能由任何一種專門的環(huán)境來解決 傳統(tǒng)上 這個問題一直是一個緊耦合問題 調用遠程網(wǎng)絡的應用程序通過自己發(fā)出的函數(shù)調用和請求的參數(shù)與遠程網(wǎng)絡緊密地聯(lián)系 在一起 在w e bs e r v i c e s s 出現(xiàn)之前 在大多數(shù)系統(tǒng)上 采用的是固定的接口 但對于 不斷變化的環(huán)境或需求 這樣做缺乏靈活性或適用性 7 中國科學院碩士學位論文 i p v 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設計與實現(xiàn) w e bs e r v i c e s s 所使用的x m l 可以用真正與平臺無關的方式來描述任何 所有 數(shù) 據(jù) 以跨系統(tǒng)交換數(shù)據(jù) 因此轉向了松耦合應用程序 而且 w e bs e r v i c e s s 可以在較 抽象的層面上工作 較抽象層面可以按照需要動態(tài)地重新評估 修改或處理數(shù)據(jù)類型 所以 從技術層面上講 w e bs e r v i c e s s 可以更方便地處理數(shù)據(jù) 并且允許軟件更自由 地進行通信 從更高的概念層面上講 我們可以將w e bs e r v i c e s s 視為一些工作單元 每個單元 處理特定的功能任務 再往上一步 可以將這些任務組合成面向業(yè)務的任務 以處理特 定的業(yè)務操作任務 從而使非技術人員可以考慮一些應用程序 這些應用程序能夠在w e b s e r v i c e s s 應用程序工作流中一起處理業(yè)務問題 因此 一旦由技術人員設計并構建好 w e bs e r v i c e s s 之后 業(yè)務流程架構師就可以聚集這些w e bs e r v i c e s s 來解決業(yè)務層面 上的問題 這里借用汽車引擎來作類比 業(yè)務流程架構師考慮將整個汽車引擎與汽車框 架 車身 變速器和其他系統(tǒng)組合在一起 而不是研究每個引擎內的各個部件 而且 動態(tài)平臺意味著引擎可以與其他汽車制造商的變速器或部件一起工作 最后一個方面是 w e bs e r v i c e s s 有助于在組織內的業(yè)務人員和技術人員之間架起 一座橋梁 w e bs e r v i c e s s 使業(yè)務人員更容易理解一些技術上的操作 業(yè)務人員可以描 述一些事件和活動 然后技術人員可以將這些事件和活動與相應的服務相關聯(lián) 有了通用定義的接口和設計良好的任務 重用這些任務就變得更容易了 因而重用 這些任務所代表的應用程序也就變得容易了 應用程序軟件的可重用性意味著在軟件上 的投資有了更好的回報 因為可以從同一資源產生更多收益 可重用性使業(yè)務人員可以 考慮以一種新的方式來使用現(xiàn)有的應用程序 或者以一種新的方式將應用程序提供給合 作伙伴 因此可能增加合作伙伴間的業(yè)務交易 w e bs e r v i c e s 是在i n t e r n e t 上進行分布式計算的基本構造塊 開放的標準以及對 用戶和應用程序之間的通信和協(xié)作的關注產生了這樣一種環(huán)境 在這種環(huán)境下 w e b s e r v i c e s 成為應用程序集成的平臺 應用程序是通過使用多個不同來源w e bs e r v i c e s 構 造而成的 這些服務相互協(xié)同工作 而不管它們位于何處或者如何實現(xiàn) 以w e bs e r v i c e s 方式提供現(xiàn)有應用程序 可以構建新的 更強大的應用程序 并利用w e bs e r v i c e s 作 為構造塊 1 5 本文的貢獻 i p v 6 巨大地址空間給以上方法帶來性能上的挑戰(zhàn) 嚴重影響拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能和對 目標網(wǎng)絡的覆蓋 并且由于i p 和i c m p 協(xié)議上的變化 已有的i p v 4 網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)技術無 法直接移植到ip 6 網(wǎng)絡環(huán)境中 本文介紹了一種i p v 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 擴展 了基于i c m p 探測方式的適用范圍 系統(tǒng)解決了i p v 6 路由器級拓撲探測中的實際網(wǎng)絡環(huán) 境問題 其中包括中間路由報文限制 別名解析 匿名端口 路由循環(huán) 不穩(wěn)定路由等 i p v 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能的提高和對目標網(wǎng)絡的覆蓋也是本文的關注重要點 系統(tǒng)提供了 8 第一章引言 種子節(jié)點 構造地址和i p v 6 地址管理模塊作為目標地址集合來源 w e bs e r v i e e s s 技術 的應用提高了i p v 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)部署 配置和管理的靈活性 本文主要的貢獻包括 1 實際i p v 6 網(wǎng)絡環(huán)境問題的解決 幻散列地給出目標地址 避免短時間內對同一路由器發(fā)送過多的探測報文 并結合小型的自適應過程 避免中間路由報文限制問題 b 利用匿名端口合并方法 避免匿名端口膨脹導致最終拓撲結果的不準確性 0 利用u d p 端口不可達報文并結合源路由技術解決路由器多址問題 d 解決復雜網(wǎng)絡問題同時發(fā)生時 比如路由循環(huán)和中間路由報文限制 的路 由循環(huán)問題 e 在探測和確定路徑過程中加入已探明鏈路 結合i p 層源路由選項迫使探測 報文經(jīng)過指定已知節(jié)點 利用此方法收集不穩(wěn)定路由路徑信息 豐富最終 拓撲關系數(shù)據(jù) 本文的拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對主要網(wǎng)絡現(xiàn)象的處理方法有效得減少了誤差 保證 了最終拓撲數(shù)據(jù)的準確性 2 擴大探測目標地址來源 擴展了i p v 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的應用 本文系統(tǒng)支持多種探測目標地址來源 不僅支持典型種子節(jié)點列表 s e e d s l i s t 和根據(jù)地址空間前綴構造探測地址 而且結合i p v 6 地址管理模塊作為目 標地址集合來源 將i p v 6 地址空間分配模塊作為i p v 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可靠探測 目標地址獲取的途徑 從中得到已分配的地址空間前綴進行目標地址構造 并 對未使用的地址空間根據(jù)i p v 6 地址聚會和現(xiàn)有子網(wǎng)地址前綴長度采取一定隨機 性構造目標地址來確定所探測的空白地址空間是否在實際網(wǎng)絡中被使用 i p v 6 地址空間分配作為探測目標地址獲取途徑 為基于i c m p 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)應用于管 理域內提供了基礎 提高了對目標網(wǎng)絡的探測效率和起到監(jiān)測管理域網(wǎng)絡拓撲 的作用 3 充分利用了i p v 6 源路由選項 系統(tǒng)將源路由選項應用在路徑探測和別名處理過程中 在實際探測過程中對 符合特定前綴的i p v 6 地址利用源路由機制進行路徑探測 比如針對移動c n g i 網(wǎng)絡我們制定的是2 0 0 1 e 8 0 f l t t 針對c e m e t 2 制定的為2 0 0 1 d a 8 l 在別名處 理過程中 用帶有源路由選項的i c m p v 6 探測報文確定路由設備報文處理模型 并用帶有源路由選項的u d p 探測報文確認路由別名現(xiàn)象等 充分利用i p v 6 源路由選項為我們在i p v 6 網(wǎng)絡環(huán)境下解決路由別名和不穩(wěn)定 路由提供了基礎 提高了最終拓撲數(shù)據(jù)的準確性和對目標網(wǎng)絡的覆蓋度 4 基于w e bs e r v k e s 構建了i p v 6 自動拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng) 將w e b s e r v i c e s 作為通訊的基礎 解析了拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的三個主要模塊 降 低了探測 數(shù)據(jù)獲取和管理三者問的耦合度 9 中國科學院碩士學位論文 1 p v 6 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)平臺可使用系統(tǒng)內每個基本單位的探測節(jié)點 利用本單位和次 級單位的探測節(jié)點構成對本層網(wǎng)絡的多點或并行探測 通過合理的布霆并行探 測點 可以大大提高探測效率和準確性 w e bs e r v i c e s 技術的應用 為拓撲數(shù) 據(jù)獲取提供了統(tǒng)一的接口并解決拓撲關系層次屬性的表達 整個系統(tǒng)有較強的 適應性 滿足了不同網(wǎng)絡環(huán)境對管理的需求 例如 對拓撲關系的表示完全可 以脫離探測和拓撲管理平臺 而只采用數(shù)據(jù)獲取模塊 或脫離數(shù)據(jù)獲取或拓撲 管理平臺 而只為其他平臺提供探測點等等 本文系統(tǒng)針對中國移動c n g i 和c e r n e t 2 進行實際的拓撲探測 實驗數(shù)據(jù)表明 系統(tǒng) 很好得