一種面向IPv6的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曾滿江

摘要：作為網(wǎng)絡(luò)管理的基本功能，在IPv6網(wǎng)絡(luò)中研究拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)具有重要意義。首先對(duì)比分析了IPv6與IPv4網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的差異，從地址空間、雙棧共存、隧道網(wǎng)絡(luò)等幾個(gè)方面具體分析了在IPv6網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)需要解決的問(wèn)題，結(jié)合IPv6網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，研究了進(jìn)行IPv6拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)需要掌握的關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)這些差異，給出了相應(yīng)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)解決方案。

關(guān)鍵詞：拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)；隧道；雙棧；IPv6

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）07-1521-03

當(dāng)前使用的IPv4網(wǎng)絡(luò)在可擴(kuò)展性、信息安全、服務(wù)質(zhì)量、物聯(lián)網(wǎng)等端到端通信方面受到諸多制約，隨著全球范圍開展的下一代互聯(lián)網(wǎng)的部署，許多在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)條件下存在的問(wèn)題都將迎刃而解。完全地取代IPv4網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)曲折而漫長(zhǎng)的過(guò)程，中國(guó)雖然在高校部署了全球最大的IPv6實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，在目前的應(yīng)用來(lái)看，它仍然只是IPv4網(wǎng)絡(luò)的一種復(fù)制，并沒(méi)有很精彩的應(yīng)用吸引眼球。無(wú)可否認(rèn)的是，IPv6取代IPv4是大勢(shì)所趨，關(guān)于下一代互聯(lián)網(wǎng)的研究正成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

作為網(wǎng)絡(luò)管理中的一項(xiàng)基本功能，拓?fù)涔芾韺?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣?dòng)發(fā)現(xiàn)，流量監(jiān)控，定期更新，設(shè)備管理等功能。由于IPv6網(wǎng)絡(luò)采用全新的地址空間，子網(wǎng)空間巨大，而且沒(méi)有在IPv4網(wǎng)絡(luò)中定義的ARP、RARP概念。在IPv4下所使用的窮舉法拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法并不適用于IPv6網(wǎng)絡(luò)。

同時(shí)，針對(duì)IPv6的SNMP標(biāo)準(zhǔn)化工作尚未完成，支持IPv6的MIB對(duì)象比較少，許多字段目前還是不可訪問(wèn)的（not-accessible）。針對(duì)這些問(wèn)題，需要探索一種行之有效的針對(duì)IPv6的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)IPv6網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的研究比較少。相關(guān)文獻(xiàn)中，法國(guó)ORIA-INRIA實(shí)驗(yàn)室的I.Astic等提出了分層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。該算法的中心思想是通過(guò)子網(wǎng)代理發(fā)送一組多播地址來(lái)發(fā)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的地址信息和主機(jī)信息，通過(guò)管理中心來(lái)處理本地代理送來(lái)的子網(wǎng)信息，由traceroute6來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)骨干網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)識(shí)別，進(jìn)而分析出全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。貝爾實(shí)驗(yàn)室的Daniel G等人提出了一種基于源路由的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)思想，對(duì)6Bones網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大規(guī)模探測(cè)。Lorenzo Colitti等人提出了采用最大MTU和注入IP欺騙包的方法，該方法通過(guò)IP欺騙包的來(lái)判斷是否存在隧道，判斷隧道兩端節(jié)點(diǎn)信息。

以上方法針對(duì)IPv6拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的普遍問(wèn)題，給出了相應(yīng)的解決辦法，在IPv6拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的探索中具有借鑒意義，但由于研究人員研究的出發(fā)點(diǎn)、側(cè)重點(diǎn)不同，在一定條件下是有效的，但是在當(dāng)前日趨復(fù)雜的IPv4/IPv6混合的網(wǎng)絡(luò)中不具有通用性。分層算法側(cè)重于局域網(wǎng)的管理，但是無(wú)法適用于分布式網(wǎng)絡(luò)，而且在每一個(gè)子網(wǎng)需要配置一個(gè)代理，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜；源路由拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)思想屬于實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，并沒(méi)有發(fā)展為有效的拓?fù)涔芾恚⑶覠o(wú)法管理不支持源路由功能的路由器，不具備通用性；IP欺騙包算法側(cè)重于隧道網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)情況沒(méi)有涉及。

本文以某高校校園網(wǎng)中存在的路由、交換設(shè)備為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分析了IPv6網(wǎng)絡(luò)管理中的實(shí)際問(wèn)題及涉及的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種行之有效的拓?fù)涔芾淼南到y(tǒng)架構(gòu)。

1 IPv6拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 本地節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)技術(shù)

在IPv4 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)一般通過(guò)ping遍歷子網(wǎng)空間，通過(guò)多線程發(fā)送ICMP請(qǐng)求發(fā)現(xiàn)在線的主機(jī)。對(duì)于一個(gè)C類子網(wǎng)來(lái)說(shuō)，采用異步方式探測(cè)只需要幾秒鐘時(shí)間，也不會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)負(fù)擔(dān)。而IPv6網(wǎng)絡(luò)，探測(cè)一個(gè)子網(wǎng)需要發(fā)送264個(gè)ICMP請(qǐng)求，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)和程序本身來(lái)說(shuō)都是不可接受的。

在RFC3513中定義了一組多播地址可以用來(lái)解決子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的探測(cè)問(wèn)題。如表1所示。

[多播地址＼&描述＼&FF01：：1＼&所有本地接口地址＼&FF01：：2＼&本地接口所有路由地址＼&FF02：：1＼&所有本地鏈路地址＼&FF02：：2＼&本地鏈路所有路由地址＼&FF05：：2＼&本地站點(diǎn)所有路由地址＼&]

對(duì)于目標(biāo)地址為FF02：：1的包，本地鏈路內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)（包括路由器、主機(jī)）都會(huì)接收并響應(yīng)；對(duì)于目標(biāo)地址為FF02：：2的包，本地鏈路內(nèi)所有路由器都會(huì)接收并響應(yīng)。通過(guò)對(duì)這兩個(gè)多播地址發(fā)送ping6請(qǐng)求，即可區(qū)分本地鏈路內(nèi)的主機(jī)和路由器。

具體算法描述如下：

1） 向ping6 FF02：：1 發(fā)送ICMPv6 Echo Request報(bào)文；

2） 根據(jù)收到的ICMPv6 Echo Reply 應(yīng)答，將所有節(jié)點(diǎn)存入節(jié)點(diǎn)表中；

3） 向ping6 FF02：：2 發(fā)送ICMPv6 Echo Request報(bào)文；

4） 根據(jù)收到的ICMPv6 Echo Reply 應(yīng)答，將所有節(jié)點(diǎn)存入路由器表中；

5） 從節(jié)點(diǎn)表中取出不屬于路由器表中的項(xiàng)，加入到主機(jī)表中。

6） 對(duì)節(jié)點(diǎn)表中的設(shè)備異步讀取MIB信息，將有響應(yīng)的設(shè)備存入交換機(jī)表。

此時(shí)得到的地址都是本地鏈路地址，本地鏈路地址無(wú)法與其他子網(wǎng)區(qū)分和通信，需要將本地鏈路地址轉(zhuǎn)換為全球單播地址。方法是根據(jù)無(wú)狀態(tài)自動(dòng)分配地址的工作原理進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的全局地址配置。無(wú)狀態(tài)自動(dòng)分配地址通過(guò)路由器定期發(fā)出包含子網(wǎng)前綴宣告，主機(jī)在收到宣告后根據(jù)子網(wǎng)前綴和本身的接口標(biāo)識(shí)完成全局地址的配置過(guò)程。在獲得設(shè)備的本地鏈路地址后，模擬路由器以FF02：：2為目的地址發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，獲得路由器宣告報(bào)文，解析得到的宣告報(bào)文即可獲得本地鏈路的子網(wǎng)前綴，將子網(wǎng)前綴與接口標(biāo)識(shí)進(jìn)行拼接則可得到設(shè)備的全球唯一單播地址。

1.2 骨干網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)主要是對(duì)IPv6網(wǎng)絡(luò)中的路由器連接關(guān)系進(jìn)行判斷，對(duì)存在的匿名路由器進(jìn)行識(shí)別與合并， 從而形成最接近實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

在骨干網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)中，可行的辦法是通過(guò)Traceroute6工具進(jìn)行拓?fù)涮綔y(cè)，traceroute6是一種用來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的工具，利用ICMPv6超時(shí)消息來(lái)發(fā)現(xiàn)從源地址到目的地址之間通過(guò)哪些路由器， traceroute6的結(jié)果中相鄰的兩跳路由器之間肯定是直接相連的。算法描述如下：

1） 讀取路由器IP地址列表

2） 對(duì)于列表中的每一個(gè)地址

①向該地址traceroute

②將traceroute返回的連接關(guān)系存入ConnectList

3） 整理結(jié)果

在實(shí)際的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)過(guò)程中，存在匿名路由器的問(wèn)題，即相同匿名接口被當(dāng)做不同的實(shí)際接口處理，造成拓?fù)涓鼮閺?fù)雜。在一個(gè)校園網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大，匿名路由器現(xiàn)象并不多，在本系統(tǒng)的實(shí)際環(huán)境中簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，忽略了匿名路由器的存在。當(dāng)探測(cè)對(duì)象是大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)，必須考慮匿名路由器的問(wèn)題。

1.3隧道發(fā)現(xiàn)

目前主要使用的隧道方式有6over4和6to4隧道，傳輸過(guò)程中，IPv6數(shù)據(jù)包用隧道源IPv4地址的報(bào)文進(jìn)行二次封裝，經(jīng)過(guò)IPv4骨干網(wǎng)后，由另一端雙棧路由器去掉IPv4報(bào)文，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)IPv6報(bào)文。隧道發(fā)現(xiàn)模塊的功能就是對(duì)這樣的雙棧路由器進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而判斷存在雙棧的路由鏈路上是否為隧道。

1.3.1雙棧識(shí)別

在獲得了骨干網(wǎng)的每一條路徑后，首先對(duì)骨干網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷是否為雙棧節(jié)點(diǎn)，如果是雙棧節(jié)點(diǎn)則繼續(xù)判斷是否存在隧道。

在判斷是否為雙棧的過(guò)程中，可通過(guò)SNMP分別讀取IPv6和IPv4地址下的MAC地址，記為、地址對(duì)的形式。交叉對(duì)比分析出來(lái)的、，如果MAC地址相同，則認(rèn)為該路由器為雙棧。

算法的具體描述如下：

1） 分別讀取路由器鏈表Router4List和Router6List；

2） 依次對(duì)Router6List鏈表中的元素讀取ipv6NetToMediaPhysAddress，記錄地址對(duì)；

3） 依次對(duì)Router4List鏈表中的元素讀取PhysAddress， 記錄地址對(duì)；

4） 交叉比對(duì)、，標(biāo)識(shí)具有相同MAC地址的路由器為雙棧路由器，存入雙棧路由器列表DualRouterList中。

1.3.2 隧道識(shí)別

當(dāng)一個(gè)IPv6數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)隧道時(shí)，IPv6數(shù)據(jù)包會(huì)被封裝到IPv4數(shù)據(jù)包中，封裝后的數(shù)據(jù)包會(huì)附加上IPv4包頭。所以，如果檢測(cè)到數(shù)據(jù)包的這種長(zhǎng)度變化，就能判斷隧道的存在。

一般IPv6隧道將附加20B的IPv4報(bào)頭，GRE隧道附加24B或28B的IPv4報(bào)頭。假設(shè)一條鏈路的兩個(gè)端點(diǎn)分別為R1和R2。如果R1和R2之間不存在隧道，它們之間轉(zhuǎn)發(fā)的最大IPv6數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為默認(rèn)的1280B。如果存在隧道，那么能轉(zhuǎn)發(fā)的IPv6最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度則為{1500-20，1500-24，1500-28}。所以只需向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送超大報(bào)文，導(dǎo)致路由器對(duì)報(bào)文進(jìn)行強(qiáng)制分片，對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行大小分析，當(dāng)MTU∈{1480，1476，1472，1280}中某個(gè)值時(shí)，即可判斷該鏈路為隧道鏈路。

2 結(jié)論

IPv6網(wǎng)絡(luò)將解決IPv4網(wǎng)絡(luò)中暴露的諸多問(wèn)題，但在全面推進(jìn)的過(guò)程中也有重重困難。由于協(xié)議結(jié)構(gòu)的變化，關(guān)于IPv6 SNMP標(biāo)準(zhǔn)化工作沒(méi)有完成，網(wǎng)絡(luò)管理工作在IPv6網(wǎng)絡(luò)中需要重新研究。該文分析了在IPv6網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的新問(wèn)題，根據(jù)IPv6網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，引入了新的思路和方法以適應(yīng)這樣的變化。在某高校的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中能較好地適應(yīng)，但介于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件，以及IPv6 SNMP MIB定義不完整的限制，IPv6的鏈路層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)尚待進(jìn)一步研究。

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