董守玲 李佳 張凌

(華南理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510006)

拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)管理的一項基本功能.由于下一代互聯(lián)網(wǎng)IPv6協(xié)議中地址結(jié)構(gòu)等方面的變化以及IPv6網(wǎng)絡(luò)中龐大的節(jié)點數(shù)量，適用于IPv4網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法已不再適用于IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.由于Traceroute6探測方法是利用ICMPv6消息發(fā)現(xiàn)從源地址到目的地址之間通過的路由器來得到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，它獨立于IP的特性使得許多學(xué)者研究采用Traceroute6探測方法對IPv6的骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的拓?fù)溥M(jìn)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn).Astic等［1］提出了一種基于Traceroute6的分級結(jié)構(gòu)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)思想，該方法雖然對局域網(wǎng)的管理收到了良好的效果，但需要在每一個子網(wǎng)內(nèi)安置探測點，系統(tǒng)較為復(fù)雜.Daniel等［2］提出了一種利用源路由選項進(jìn)行改進(jìn)的基于Traceroute6的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)思想，對6Bone網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大規(guī)模的探測，但是目前并不是所有路由器都支持IPv6的源路由選項，而且利用源路由機(jī)制進(jìn)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)會大幅增加探測時間.國內(nèi)在IPv6網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的研究起步較晚，同樣主要研究基于Traceroute6的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法［3-7］，這種方法通用性好，算法容易實現(xiàn)，但存在路由別名的問題(同一路由器的不同接口地址被誤認(rèn)為是多個路由器)，致使準(zhǔn)確性不高;此外，Traceroute6探測方法不能發(fā)現(xiàn)網(wǎng)段信息，而且如果給定的探測目的地址缺少部分邊界路由器，則這些邊界路由器及相連鏈路不能被發(fā)現(xiàn)，或發(fā)現(xiàn)的信息不完整.若增加探測節(jié)點來提升完整性，則會增加探測時間以及出現(xiàn)更多的路由別名問題.針對Traceroute6拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法存在的不足，許多學(xué)者也在使用源路由提高完整性、減少路由別名、減少冗余探測提高性能方面進(jìn)行了探討和研究［8-12］.

開放式最短路徑優(yōu)先(OSPF)協(xié)議是一個內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，用于在單一自治系統(tǒng)內(nèi)決策路由.OSPF域中的每臺路由器上都有一個鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，存放關(guān)于整個路由域的鏈路狀態(tài)信息.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，路由器之間通過交換過程和泛洪過程實現(xiàn)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的動態(tài)同步，從而得到本區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).如果能與網(wǎng)絡(luò)上的路由器交換信息，就可以得到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?曾有學(xué)者利用OSPF協(xié)議進(jìn)行IPv4網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)［13］.這種發(fā)現(xiàn)方法的準(zhǔn)確率令人滿意，而且包含豐富的子網(wǎng)信息，更重要的是，該方法不存在路由別名的問題.但是，該方法只能得到子網(wǎng)信息，不能得到接口信息，而且OSPF從第3版本(OSPFv3，用于IPv6網(wǎng)絡(luò))開始不再用IPv6地址標(biāo)識路由器，雖然OSPFv3協(xié)議在IPv6網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，但該發(fā)現(xiàn)方法在IPv6環(huán)境中的使用受到了限制.

基于Traceroute6的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法和基于OSPF路由協(xié)議發(fā)現(xiàn)方法各有優(yōu)缺點，如果將這兩種拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法結(jié)合，就可以利用OSPFv3發(fā)現(xiàn)的拓?fù)湫畔韺raceroute6發(fā)現(xiàn)的信息進(jìn)行補(bǔ)充和修正，改善拓?fù)浣Y(jié)果的覆蓋率以及解決路由別名的問題，而利用Traceroute6發(fā)現(xiàn)的信息又可以標(biāo)識OSPFv3發(fā)現(xiàn)的路由器的IPv6地址及接口.

這兩種拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法結(jié)合的難點在于，基于Traceroute6的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法是用IPv6地址來標(biāo)識路由器的，而OSPFv3協(xié)議不包含地址信息，它是用RouterID來標(biāo)識路由器的.

筆者曾提出一個名為ANTDBMP的算法［14］.該算法分別使用基于Traceroute6的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法和基于OSPF的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法進(jìn)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，并基于跳數(shù)(hop)成功地將兩種方法發(fā)現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行整合，得到了較好的效果.但這種基于跳數(shù)的整合方法也存在一些不足之處，而且系統(tǒng)效率不高.針對這個問題，文中提出一個新的IPv6網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌恼纤惴―IAITD(Distance-Based Integrated Algorithm for IPv6 Topology Discovery)，并通過實際網(wǎng)絡(luò)對該算法進(jìn)行了測試.

1 DIAITD算法

根據(jù)OSPF協(xié)議，每臺運行OSPF路由協(xié)議的路由器必須用RouterID來唯一標(biāo)識.RouterID通常為一個IPv4地址或者是一個有意義的字符串.若僅僅拿RouterID和基于Traceroute6探測發(fā)現(xiàn)的IPv6地址作對比，很難發(fā)現(xiàn)兩者的直接聯(lián)系.由于OSPF的鏈路狀態(tài)通知中有豐富的子網(wǎng)信息，可以利用子網(wǎng)信息來查找兩種拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法的關(guān)聯(lián)之處.

1.1 相關(guān)工作

ANTDBMP算法［14］首先將利用 Traceroute6發(fā)現(xiàn)的IPv6地址和利用OSPFv3協(xié)議發(fā)現(xiàn)的子網(wǎng)信息進(jìn)行比對，確定地址分布在哪些網(wǎng)段內(nèi);然后采用UDP數(shù)據(jù)包探測法計算IPv6地址以及屬于該子網(wǎng)的OSPF路由器的跳數(shù)，根據(jù)對比跳數(shù)來確定IPv6地址屬于哪一臺OSPF路由器;最后通過其它信息對特殊的情況進(jìn)行分析和修正.

但是，ANTDBMP算法存在一些缺陷.首先，OSPF路由器的跳數(shù)計算是將該路由器的RouterID作為目標(biāo)地址進(jìn)行Traceroute6操作從而得出，如果RouterID不是IPv4地址而是一個有意義的字符串(例如路由器的位置)，則無法計算OSPF路由器的跳數(shù);其次，即使所有RouterID都是IPv4地址，當(dāng)Traceroute6的某IPv4地址出現(xiàn)目的地不可達(dá)時(路由器設(shè)置了不回應(yīng))，就得不到該地址的跳數(shù);再者，即使所有地址都可達(dá)，跳數(shù)都能正確返回，同一路由器的不同地址也會因為路由表規(guī)定的路徑不同而返回不同的跳數(shù).如圖1所示，路由器R1、R2、R3兩兩相連，以R1為探測源點，到達(dá)R3的路徑就有兩條:路徑1(跳數(shù)為2，R1-R3);路徑2(跳數(shù)為3，R1-R2-R3).當(dāng)對 R3上的 RouterID進(jìn)行 Traceroute6操作時，可能路由表選了路徑2，而對R3的一個IPv6地址進(jìn)行Traceroute6操作時，路由表選了路徑1，那么返回的跳數(shù)就不一樣，這時根據(jù)跳數(shù)進(jìn)行判斷就會判斷錯誤.

圖1 不同的傳輸路徑及其返回的跳數(shù)Fig.1 Different transmission paths and their hops

1.2 DIAITD 算法原理

由于基于跳數(shù)結(jié)合的方法在某些情況下變得不可靠，文中提出一種新的結(jié)合方式，不再用跳數(shù)進(jìn)行判斷，而是利用連接關(guān)系表中的信息.

定義D(A)為連接關(guān)系表中節(jié)點A到網(wǎng)關(guān)的最短距離，N1、N2、N3為子網(wǎng)，IPA、IPB、IPC 為 IPv6地址.

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)路由器之間的連接關(guān)系，有如下性質(zhì).

性質(zhì)1 對于任何存根子網(wǎng)，有且只有一臺路由器屬于該存根子網(wǎng).

根據(jù)性質(zhì)1可以得到如下結(jié)論:?N1∈存根子網(wǎng)，?R1∈N1，?IPA∈N1，如果 D(IPA)=D(R1)，那么IPA∈R1.

性質(zhì)2 對于任何路由器間子網(wǎng)，有且只有兩臺路由器屬于該子網(wǎng)，它們有共同的子網(wǎng)前綴.

根據(jù)性質(zhì)2可以得到如下結(jié)論:?N1∈路由器間子網(wǎng)，?R1∈N1，?R2∈N1，?IPA∈N1，如果D(IPA)=D(R1)且 D(IPA)≠D(R2)，那么 IPA∈R1.

性質(zhì)3 一個路由器的不同接口具有不同的子網(wǎng)地址.

根據(jù)上述性質(zhì)和結(jié)論，分別定義基于OSPF路由協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法和基于Traceroute6的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法得到的節(jié)點間的連接關(guān)系為LinkList_OSPF和 LinkList_Traceroute6.以 LinkList_OSPF 為例，以網(wǎng)關(guān)作為根節(jié)點，通過最短路徑算法求出在連接關(guān)系表中其它所有節(jié)點到網(wǎng)關(guān)的最短距離.對LinkList_Traceroute6作同樣的分析，然后以這個距離作為度量值.

取出由Traceroute6拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法得到的一個IPv6地址IPA，從子網(wǎng)集合Subnet_OSPF中進(jìn)行查找，看是否存在與IPA地址前綴匹配的子網(wǎng)N1，若N1對應(yīng)的OSPF路由器有且只有一臺路由器R1(即N1為存根子網(wǎng))，則比較 D(IPA)和D(R1)，若相等，則IPA屬于R1;若存在另外一個路由器R2(即N1為路由器間子網(wǎng))，則分別比較D(IPA)、D(R1)和D(R2)，從而得出IPA屬于哪一臺路由器.

但僅僅用距離來進(jìn)行判斷時，在以下情況下會失效:當(dāng)測試地址(記為IPA)為路由器間網(wǎng)絡(luò)的地址，且兩臺OSPF路由器(記為R1和R2)與網(wǎng)關(guān)的距離相等時，無法判斷IPA是屬于R1還是屬于R2，如圖2所示.

圖2 IPA、R1、R2與網(wǎng)關(guān)的最短距離Fig.2 Shortest distances between gateway and IPA，R1and R2

解決方法1 對于距離相等的情況，取IPA的子網(wǎng)前綴prefixA，根據(jù)prefixA構(gòu)造一個新的該子網(wǎng)下的任意地址IPB.例如，prefixA為2001:da8:250:3001::，可以構(gòu)造一個 IPv6地址2001:da8:250:3001::45.通過網(wǎng)關(guān)對IPB發(fā)ICMP探測包，則該網(wǎng)段的路由器地址通常選擇發(fā)出回應(yīng)包的接口(如圖2中的IPC)返回一個地址不可達(dá)的ICMP回應(yīng)包，若D(IPC)=D(IPA)且IPC≠IPA，則IPC與IPA是同一路由器下的兩個接口地址，接下來只需分別查看R1與R2的子網(wǎng)表，通常有且只有一個路由器包含IPC所在子網(wǎng)的信息，從而認(rèn)定IPA屬于那臺有IPC子網(wǎng)信息的路由器.

解決方法2 查看接口表，看IPA所在路由器是否存在其它接口地址.假設(shè)存在其它地址IPC是IPA所在路由器上的另一接口地址，如圖3所示.既然IPA和IPC是同一路由器的不同接口地址，而只有一個接口會遇到同一個網(wǎng)段距離相等的情況，因此IPC不會出現(xiàn)同一個網(wǎng)段距離相等的問題.對IPC采用上述提到的基于距離的整合方法，可以判斷IPC位于路由器R1上，因此作為同一路由器的接口地址，IPA也屬于路由器R1.

圖3 同一路由器上的接口與網(wǎng)關(guān)的最短距離Fig.3 Shortest distances between gateway and interfaces on the same router

解決方法3 查看子網(wǎng)表和接口表，查看是否存在前綴同樣為prefixA的其它接口地址.如圖3所示，存在與IPA前綴相同的IPD.由于同一路由器間網(wǎng)絡(luò)里有且只有兩個接口地址，因此，若利用解決方法1和2能確定出IPD屬于哪一臺路由器(見圖3，IPD屬于R2)，相應(yīng)地就能確定IPA屬于該網(wǎng)段下的另一臺路由器(即R1).

通過上述3種解決方法，能有效解決基于距離的整合方法出現(xiàn)距離相同時無法判斷的問題.

這種基于距離的DIAITD算法無需發(fā)ICMP包進(jìn)行探測，只需分析連接關(guān)系表，在減少網(wǎng)絡(luò)通信的同時縮短了分析時間;而且，最短路徑算法是一個被廣泛使用的成熟算法，其時間復(fù)雜度不高，只要連接關(guān)系表的數(shù)據(jù)正確，計算出來的距離就是正確的，這樣便保證了DIAITD算法的準(zhǔn)確率;再者，由于無需借用RouterID進(jìn)行判斷，整合方法與路由協(xié)議無關(guān)，因此該結(jié)合方法同樣適用于其它拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法間的結(jié)合，具有很好的通用性.

1.3 DIAITD 算法描述

下面給出DIAITD算法描述，其中RouterList_Traceroute6代表基于Traceroute6獲取的路由器節(jié)點集合，RouterList_OSPF代表基于OSPFv3獲取的路由器節(jié)點集合，LinkList_Traceroute6代表基于Traceroute6獲取的連接關(guān)系，LinkList_OSPF代表基于OSPFv3獲取的連接關(guān)系，Subnet_OSPF代表基于OSPFv3獲取的子網(wǎng)集合，D(A)代表A與網(wǎng)關(guān)之間的距離，CurDistance表示與網(wǎng)關(guān)的最短距離計數(shù)，baseNodeList表示已處理的節(jié)點列表.

首先計算基于所有OSPF路由器到網(wǎng)關(guān)的最短距離，其算法描述如下:

其次計算Traceroute6獲得的IPv6地址到網(wǎng)關(guān)的最短距離，算法與上述算法類似，此處不再贅述.

根據(jù)上述計算的最短距離，對拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行整合.其算法描述如下:

1.4 DIAITD算法的時間復(fù)雜度分析

計算所有路由器到網(wǎng)關(guān)的最短距離時，最壞的情況時要遍歷LinkList才能找到對應(yīng)Ri的記錄，此時時間復(fù)雜度為O(ML)，其中M為RouterList的大小，L為LinkList的大小;在整合時，最壞的情況下要遍歷子網(wǎng)表才能找到對應(yīng)Ri的子網(wǎng)記錄，測試算法的時間復(fù)雜度為O(MS)，S為Subnet_OSPF的大小.因此總的復(fù)雜度為O(ML)+O(MS).

2 測試與結(jié)果分析

基于文中所提出的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)整合算法，使用java語言在Linux環(huán)境中設(shè)計并實現(xiàn)了一個IPv6網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)系統(tǒng).該系統(tǒng)包含5個模塊:2個探測引擎、1個拓?fù)湔夏K、1個拓?fù)浔４嬉约?個拓?fù)滹@示模塊.

2個探測引擎中的一個基于利用源路由改進(jìn)的Traceroute6方法，另一個基于OSPFv3路由協(xié)議.系統(tǒng)利用這兩個探測引擎分別去收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?其中，基于Traceroute6的探測引擎收集信息分為初步探測拓?fù)潆A段、源路由測試階段以及交叉路徑發(fā)現(xiàn)階段.基于OSPFv3路由協(xié)議的發(fā)現(xiàn)方法是將計算機(jī)模擬成路由器，與網(wǎng)絡(luò)上的路由器交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ瑥亩玫酵暾木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ?5］.在整合模塊中，利用DIAITD算法把兩個拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)引擎的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行整合.整合后的拓?fù)浣Y(jié)果可以通過拓?fù)滹@示模塊進(jìn)行顯示，也可以通過拓?fù)浔４婺K保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫.

實驗在華南理工大學(xué)校園網(wǎng)上進(jìn)行，為測試系統(tǒng)的各項指標(biāo)分別進(jìn)行了多項測試，同時比較新舊算法的準(zhǔn)確性、完整性以及效率.

測試1 比較改進(jìn)的基于距離的拓?fù)湫畔⒄纤惴?DIAITD算法)和舊的基于跳數(shù)的整合算法(ANTDBMP算法).

為保證測試的真實性，隨機(jī)采用每臺路由器上的一個接口地址作為探測節(jié)點，共22個.通過OSPF探測引擎發(fā)現(xiàn)OSPF路由器22臺，通過Traceroute6探測引擎發(fā)現(xiàn)31個IPv6地址，結(jié)合情況如表1所示，其中，準(zhǔn)確率為成功結(jié)合的IPv6地址數(shù)與IPv6地址總數(shù)之比.

表1 新舊拓?fù)湫畔⒄纤惴òl(fā)現(xiàn)整合效果對比Table 1 Comparison of integration effect between original and new algorithms for topology information integration

表1的數(shù)據(jù)顯示，基于距離的DIAITD算法向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送了10個ICMP探測包，這是由于測試時程序遇到了第1.2節(jié)中提到的距離相等的問題，而其采用解決方法1來解決問題，因此產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)通信.通過對比發(fā)現(xiàn)，新的基于距離的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)整合算法比基于跳數(shù)的算法更加準(zhǔn)確，分析整合時間和發(fā)包數(shù)也大為減少.

測試2 分別采用基于OSPF的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法、基于Traceroute6的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法和DIAITD整合算法對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示.

表2 3種拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法結(jié)果的比較Table 2 Comparison of results among three topology discovery algorithms

從表2中可以看出，OSPFv3發(fā)現(xiàn)方法只能發(fā)現(xiàn)子網(wǎng)信息，不能得到接口信息，Traceroute6發(fā)現(xiàn)方法可以發(fā)現(xiàn)接口信息，但是不能發(fā)現(xiàn)網(wǎng)段信息，并且存在別名問題，這導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)的路由器和連接關(guān)系個數(shù)與真實情況有出入.另外Traceroute6發(fā)現(xiàn)的接口個數(shù)與探測節(jié)點集合的大小有關(guān)，由于本次探測的探測節(jié)點只有22個，因此只發(fā)現(xiàn)了31個接口，大量的接口信息不能被發(fā)現(xiàn).DIAITD整合算法不僅可以發(fā)現(xiàn)路由器設(shè)備，還可以發(fā)現(xiàn)子網(wǎng)及接口，發(fā)現(xiàn)的信息比單獨的OSPFv3發(fā)現(xiàn)方法或Traceroute6發(fā)現(xiàn)方法更為完整，經(jīng)驗證與真實拓?fù)鋱D更為吻合.由于整合算法的接口信息來源于Traceroute6發(fā)現(xiàn)方法，因此接口數(shù)目與Traceroute6發(fā)現(xiàn)方法發(fā)現(xiàn)的一樣.

測試3 校園網(wǎng)環(huán)境與加入公網(wǎng)環(huán)境拓?fù)浣Y(jié)果的比較.

在原有地址集合里增加了3個公網(wǎng)地址:上海交通大學(xué)的地址(ipv6.sjtu.edu.cn，IP 為 2001:da8:8000:1::80)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的地址(ipv6.scau.edu.cn，IP 為 2001:da8:2004:1000:202:116:160:48)和谷歌的地址(ipv6.google.com，IP 為 2404:6800:8003::69).探測結(jié)果如表3所示.

表3 校園網(wǎng)環(huán)境與公網(wǎng)環(huán)境拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果比較Table 3 Comparison of discovery results between campus network and public network

表3表明，在增加了3個公網(wǎng)地址后，除子網(wǎng)個數(shù)沒有變化外，路由器個數(shù)、連接關(guān)系個數(shù)和接口個數(shù)都有不同程度的增加.子網(wǎng)個數(shù)沒有變化的原因是子網(wǎng)信息是利用OSPF協(xié)議發(fā)現(xiàn)的，而公網(wǎng)和校園網(wǎng)不屬于同一個OSPF域，因此運用OSPF協(xié)議只能獲得華南理工大學(xué)校園網(wǎng)的信息，在校外的網(wǎng)絡(luò)只能用Traceroute來探測.在這種情況下，校外的子網(wǎng)就不能被發(fā)現(xiàn)了.

3 結(jié)語

文中設(shè)計和實現(xiàn)了一個基于距離的IPv6校園網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)整合算法，該算法將兩種不同的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法的拓?fù)浣Y(jié)果進(jìn)行整合.測試結(jié)果證明，該算法能更有效、準(zhǔn)確、迅速地整合拓?fù)湫畔?拓?fù)湫畔⒌恼鲜且粋€相對新的研究領(lǐng)域，雖然文中方法目前只能對Traceroute6和OSPF協(xié)議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，但基于OSPF協(xié)議的廣泛應(yīng)用以及Traceroute6的通用性，整合之后的結(jié)果無論從完整度和精確度來看都比單一拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法更接近實際網(wǎng)絡(luò)情況，這種基于距離的整合方法定能對處于同一個OSPF域的IPv6校園網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)提供有效幫助.

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