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    LISP與非LISP站點(diǎn)間交互機(jī)制研究

    2017-05-24 14:48:18張勛俊劉亞萍鄧文平
    現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 2017年11期
    關(guān)鍵詞:路由表通告報(bào)文

    張勛俊,劉亞萍,鄧文平

    (1.國(guó)防科學(xué)大學(xué)并行與分布處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410073;2.國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

    LISP與非LISP站點(diǎn)間交互機(jī)制研究

    張勛俊1,劉亞萍1,鄧文平2

    (1.國(guó)防科學(xué)大學(xué)并行與分布處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410073;2.國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

    當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)存在著路由可擴(kuò)展性、多宿主、流量工程及對(duì)移動(dòng)性和安全性支持不足等問(wèn)題。LISP協(xié)議作為一種基于身份與位置分離的解決方案,可在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的基礎(chǔ)上增量式部署,而增量式部署必須實(shí)現(xiàn)LISP站點(diǎn)與傳統(tǒng)的非LISP站點(diǎn)間的交互。對(duì)Proxy-ITR和Proxy-ETR這兩種交互機(jī)制進(jìn)行分析與研究,并實(shí)驗(yàn)?zāi)MProxy-ITR和Proxy-ETR在交互中的作用。結(jié)果表明通過(guò)設(shè)置Proxy-ITR和Proxy-ETR可以很好地解決LISP站點(diǎn)與非LISP站點(diǎn)間正常通信的問(wèn)題。

    身份與位置分離;LISP;非LISP;交互機(jī)制

    0 引言

    近些年隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,全球邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議路由表呈現(xiàn)出“超線性”增長(zhǎng)的勢(shì)態(tài)。數(shù)據(jù)顯示全球BGP路由表已從20世紀(jì)90年代末的5萬(wàn)余條飛速增長(zhǎng)為2011年的約35萬(wàn)條。BGP路由表的高速膨脹導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)路由系統(tǒng)的可擴(kuò)展性面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。產(chǎn)生這一問(wèn)題的關(guān)鍵就在于隨著多宿主站點(diǎn)的普及以及PI地址的分配,大量不可聚合IP地址前綴被通告至核心路由表。

    此外,在傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議中,IP地址既可作為節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)識(shí)用于建立通信連接,同時(shí)又表示節(jié)點(diǎn)的位置用于報(bào)文的尋址和路由。IP地址的語(yǔ)義過(guò)載這一特性使得互聯(lián)網(wǎng)表現(xiàn)出對(duì)移動(dòng)性支持的先天不足。

    思科提出的LISP協(xié)議作為一種基于身份和位置分離的解決方案,它將邊緣網(wǎng)絡(luò)(一般是用戶網(wǎng)絡(luò))與傳輸網(wǎng)絡(luò)(通常指運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行分離,進(jìn)而引入兩類地址:EID(End Identifier)和RLOC(Routing Locator)。EID用于全局唯一標(biāo)識(shí)站點(diǎn)內(nèi)的主機(jī),屬于PI地址,不可全局路由,因此不會(huì)出現(xiàn)在核心路由表中。而RLOC主要用在傳輸網(wǎng)絡(luò)中,可表示邊緣網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)位置,屬于PA地址,須嚴(yán)格按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行分配,因此便于按拓?fù)渚酆?,從而減小了核心路由表的規(guī)模。同時(shí),LISP作為一種“漸變”的方案,無(wú)須對(duì)現(xiàn)有的終端協(xié)議棧做任何修改,并可在目前網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的基礎(chǔ)上增量地部署,開(kāi)銷低。LISP這一優(yōu)點(diǎn)也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題:在部署初期,必須實(shí)現(xiàn)LISP站點(diǎn)與非LISP站點(diǎn)之間的交互,以實(shí)現(xiàn)LISP機(jī)制的增量式部署。

    本文為對(duì)Proxy-ITR和Proxy-ETR這兩種交互機(jī)制進(jìn)行分析與研究,詳細(xì)介紹這兩種機(jī)制的工作原理,并實(shí)驗(yàn)?zāi)M了部署Proxy-ITR和Proxy-ETR的通信環(huán)境。

    1 LISP站點(diǎn)與非LISP站點(diǎn)間的交互

    在LISP部署初期,傳統(tǒng)的非LISP站點(diǎn)與新興的LISP站點(diǎn)并存于互聯(lián)網(wǎng)中。主機(jī)到主機(jī)如何發(fā)送單播報(bào)文有四種基本情形,分別是:傳統(tǒng)非LISP站點(diǎn)間的通信,新興LISP站點(diǎn)間的通信,新興LISP站點(diǎn)與傳統(tǒng)非LISP站點(diǎn)間通信以及傳統(tǒng)非LISP站點(diǎn)與新興LISP站點(diǎn)間通信。如圖1所示。本文重點(diǎn)研究第三種和第四種情形下的交互機(jī)制。

    圖1 LISP與非LISP站點(diǎn)交互的四種基本情形

    傳統(tǒng)非LISP站點(diǎn)中的地址前綴一般是可路由的,所以通常LISP站點(diǎn)根據(jù)目的地址可以正常轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文到傳統(tǒng)非LISP站點(diǎn)中,非LISP站點(diǎn)不需要做任何改變就可以接收?qǐng)?bào)文。而LISP站點(diǎn)唯一要做的是確定何時(shí)無(wú)需LISP封裝即可轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。當(dāng)LISP站點(diǎn)的ITR對(duì)報(bào)文中目的地址進(jìn)行映射查詢,如果所匹配的負(fù)映射緩存項(xiàng)中的action位為Natively-Forward,則意味著目的地址為一個(gè)非LISP地址,因此即可立即轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。

    不過(guò)有兩種情況下,LISP站點(diǎn)所生成的報(bào)文,未經(jīng)LISP封裝,是不能通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到非LISP站點(diǎn)中。第一,為了避免反路徑轉(zhuǎn)發(fā)檢查失敗,某些提供商的接入網(wǎng)要求發(fā)出的報(bào)文,其源地址必須位于接入網(wǎng)的編址范圍內(nèi)。第二,LISP站點(diǎn)與非LISP站點(diǎn)通信路線上的中間網(wǎng)絡(luò)并不支持未封裝報(bào)文所用的特定IP層協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)這兩種情況下LISP站點(diǎn)與非LISP站點(diǎn)間正常通信,本文分析了Proxy-ETR機(jī)制的工作原理,利用LISP協(xié)議的封裝功能,改寫(xiě)源地址,使源地址符合接入網(wǎng)的要求。同時(shí)LISP協(xié)議對(duì)混合協(xié)議封裝的支持,可使報(bào)文“跳過(guò)”中間網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示。

    當(dāng)非LISP站點(diǎn)中的主機(jī)希望發(fā)送報(bào)文到LISP站點(diǎn)中,如果源主機(jī)使用一個(gè)不可路由的EID作為目的地址,數(shù)據(jù)報(bào)文會(huì)在源站點(diǎn)(非LISP站點(diǎn))內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā),直到邊緣路由器因?yàn)槿鄙倌J(rèn)路由而丟棄它。為了實(shí)現(xiàn)非LISP站點(diǎn)能夠向LISP站點(diǎn)發(fā)送報(bào)文,可以采用Proxy-ITR這種機(jī)制。它使得目的EID變得可路由,從而可以轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文到目的LISP站點(diǎn)中。如圖3所示。

    圖2 LISP到non-LISP的傳輸過(guò)程

    圖3 non-LISP到LISP的傳輸過(guò)程

    1.1 Proxy-ITR

    Proxy-ITR是一種新型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,擁有很多LISP ITR的特性。在傳輸網(wǎng)絡(luò)中部署了Proxy-ITR后,非LISP站點(diǎn)無(wú)需做任何協(xié)議上或設(shè)備上的改變,就可以發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文給LISP站點(diǎn)。Proxy-ITR主要實(shí)現(xiàn)兩大基本功能:第一,Proxy-ITR將代表LISP站點(diǎn)通告那些高度聚合過(guò)的EID前綴;第二,Proxy-ITR會(huì)封裝非LISP站點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文,然后轉(zhuǎn)發(fā)到目的LISP站點(diǎn)的ETR上。

    (1)Proxy-ITR對(duì)EID的通告

    實(shí)現(xiàn)Proxy-ITR關(guān)鍵在于如何向全球路由系統(tǒng)的局部區(qū)域通告那些高度聚合EID前綴的路由。一方面,EID前綴的主動(dòng)聚合有利于減少通告路由項(xiàng)的數(shù)目。另一方面,慎重地部署Proxy-ITR的位置可以縮小路由項(xiàng)的通告范圍。出于這個(gè)目的,Proxy-ITR應(yīng)當(dāng)部署在靠近非LISP站點(diǎn)的位置,而不是更接近于LISP站點(diǎn)。這樣的部署安排不僅可以很好地限制EID前綴路由的通告范圍,還可以允許數(shù)據(jù)流負(fù)載分流到多個(gè)Proxy-ITR中去。

    (2)Proxy-ITR機(jī)制下的數(shù)據(jù)流

    使用Proxy-ITR機(jī)制,數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)牧鞒倘鐖D4所示。

    圖4 Proxy-ITR機(jī)制

    ①源主機(jī)查詢DNS,得到目的EID地址192.0.2.1。

    ②源主機(jī)有一條到CE路由器的默認(rèn)路由,于是轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文到CE。

    ③CE也有一條到PE路由器的默認(rèn)路由,再次轉(zhuǎn)發(fā)給PE。

    ④PE有一條到192.0.2.0/24的路由,且下一條就是Proxy-ITR。

    ⑤Proxy-ITR緩存有或從映射系統(tǒng)獲得EID為192.0.2.1的映射項(xiàng),然后LISP封裝報(bào)文。其外IP首部中的目的地址為目的站點(diǎn)ETR的RLOC。外首部中的源地址為Proxy-ITR的RLOC。

    ⑥傳輸網(wǎng)絡(luò)基于目的RLOC查詢路由表,最終轉(zhuǎn)發(fā)到目的站點(diǎn)的ETR上。

    ⑦ETR對(duì)報(bào)文進(jìn)行解封裝,并根據(jù)目的EID在站點(diǎn)內(nèi)路由至目的主機(jī)。

    ⑧主機(jī)192.0.2.1的返回報(bào)文將通過(guò)LISP站點(diǎn)的ITR。ITR通過(guò)查詢映射數(shù)據(jù)庫(kù),知道目的地址不在EID地址空間內(nèi),從而無(wú)需封裝即可本地路由。

    (3)Proxy-ITR的擴(kuò)展性

    通過(guò)通告LISP EID地址前綴,Proxy-ITR吸收那些目的地址為EID的數(shù)據(jù)流。這里,本文介紹兩種方法來(lái)控制數(shù)據(jù)報(bào)文的流向,以防止Proxy-ITR收到超出處理能力的流量。

    第一,Proxy-ITR中的聚合地址路由項(xiàng)可以被選擇性的通告。某些路由的通告范圍因提供商的路由策略而受限,這樣就可以控制Proxy-ITR的接收流量。

    第二,相同的EID地址可能會(huì)被多個(gè)Proxy-ITR通告,這樣目的地址為此EID的數(shù)據(jù)報(bào)文會(huì)流向離自己最近的Proxy-ITR,從而達(dá)到分流的目的。

    1.2 Proxy-ETR

    LISP站點(diǎn)需要發(fā)送報(bào)文到非LISP站點(diǎn),當(dāng)LISP站點(diǎn)的接入網(wǎng)并不接受源地址為L(zhǎng)ISP站點(diǎn)EID的數(shù)據(jù)包時(shí),需要引入Proxy-ETR機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)正常通信。Proxy-ETR也是一種新型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它一般充當(dāng)非LISP站點(diǎn)的ETR,接收發(fā)往此非LISP站點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)文。同時(shí),部署Proxy-ETR可以避免源LISP站點(diǎn)中的ITR決定是否封裝報(bào)文。因?yàn)镮TR總是要封裝報(bào)文,然后轉(zhuǎn)發(fā)到ETR或Proxy-ETR。當(dāng)目的地址為L(zhǎng)ISP EID時(shí),ITR封裝并轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文到目的站點(diǎn)的ETR上。而目的地址為傳統(tǒng)IP的報(bào)文將被ITR封裝并轉(zhuǎn)發(fā)到所配置的Proxy-ETR上。

    通常的情況下,源站點(diǎn)的ITR無(wú)需封裝即可本地轉(zhuǎn)發(fā)目的地址為傳統(tǒng)IP的報(bào)文。在某些時(shí)候接入網(wǎng)限制源地址的范圍或接入網(wǎng)不支持特定協(xié)議,可以配置ITR封裝并轉(zhuǎn)發(fā)非LISP數(shù)據(jù)包到Proxy-ETR上。當(dāng)ITR通過(guò)Map-Resolver來(lái)請(qǐng)求映射信息,映射查找匹配一個(gè)Negative Map-Cache,此時(shí)ITR會(huì)封裝并轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文到所配置的Proxy-ETR。還有一種情況,ITR直接連接到映射數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)上,ITR對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的查找并無(wú)對(duì)應(yīng)的映射項(xiàng),這些報(bào)文也會(huì)被封裝并轉(zhuǎn)發(fā)到所配置的Proxy-ETR上。注意,封裝后報(bào)文使用的IP層協(xié)議可能不同于被封裝的數(shù)據(jù)報(bào)文。路由器將會(huì)根據(jù)LISP首部中的目的地址來(lái)路由報(bào)文至所配置的Proxy-ETR上。Proxy-ETR在對(duì)接收?qǐng)?bào)文進(jìn)行解封裝之前,可能會(huì)檢查源EID是否位于所配置的LISP站點(diǎn)內(nèi)。這是為了防止源站點(diǎn)由于欺騙而封裝并發(fā)送報(bào)文到Proxy-ETR。

    使用Proxy-ETR機(jī)制后,假設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦旅枋?。LISP-NR站點(diǎn)的EID前綴為192.0.2.0/24,目的非LISP站點(diǎn)的IP前綴為198.51.100.0/24。LISP站點(diǎn)希望同非LISP站點(diǎn)內(nèi)主機(jī)交互。核心路由表中存在傳統(tǒng)目的IP地址(198.51.100.0/24)。報(bào)文的具體流程如下:

    ①源主機(jī)查詢DNS,得到目的地址為198.51.100.100。

    ②源主機(jī)有一條到CE路由器的默認(rèn)路由,于是轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文到CE。

    ③CE作為L(zhǎng)ISP站點(diǎn)的ITR,它會(huì)封裝那些目的地址為傳統(tǒng)IP的報(bào)文到所配置的Proxy-ETR。

    ④Proxy-ETR解封裝收到的報(bào)文,隨后根據(jù)目的IP地址198.51.100.100路由到目的主機(jī)。

    注意到返回流不經(jīng)過(guò)Proxy-ETR,這意味著為了返回報(bào)文到源LISP站點(diǎn),目的非LISP站點(diǎn)需要部署Proxy-ITR。

    2 實(shí)驗(yàn)?zāi)MProxy-ITR和Proxy-ETR

    實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下所述。LISP站點(diǎn)與非LISP站點(diǎn)通過(guò)傳統(tǒng)IP網(wǎng)連接起來(lái)。其中LISP站點(diǎn)的EID-Prefix為192.168.1.0/24,而非LISP站點(diǎn)的地址塊為56.56.56.0/ 24。Proxy-ITR與Proxy-ETR合成一臺(tái)設(shè)備PxTR。PxTR和MS/MR都位于傳統(tǒng)IP網(wǎng)中。如圖5所示:

    圖5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

    具體的實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D如圖6所示:

    R1模擬LISP站點(diǎn),其Loopback0接口模擬EID地址塊(192.168.1.0/24)。R5和R6模擬非LISP站點(diǎn),其中R5作為CE,R6模擬非LISP站點(diǎn)內(nèi)的主機(jī)。R2,R3和R4共同模擬傳統(tǒng)IP網(wǎng),R3作為PxTR,R4作為MS/ MR。LISP站點(diǎn)的xTR需定時(shí)向MS/MR注冊(cè)EID信息。網(wǎng)段規(guī)劃如圖所示,路由器的接口地址的最后一位使用設(shè)備名。例如R1的接口地址為12.12.12.1,而R2左接口地址為12.12.12.2。

    為了驗(yàn)證LISP站點(diǎn)與非LISP站點(diǎn)之間能否正常通信,我們從LISP站點(diǎn)中源主機(jī)(192.168.1.1)ping非LISP站點(diǎn)中的Host(56.56.56.6)。結(jié)果如下所示。

    R1#ping 56.56.56.6 source 192.168.1.1

    Type escape sequence to abort.

    Sending 5,100-byte ICMP Echos to 56.56.56.6,timeout is 2 seconds:

    Packet sent with a source address of 192.168.1.1..!!!

    Success rate is 60 percent(3/5),round-trip min/avg/max= 136/157/168 ms

    可以看到源主機(jī)一共發(fā)了5個(gè)報(bào)文,在前兩個(gè)報(bào)文失敗后,后三個(gè)報(bào)文都ping通了。通過(guò)在各條鏈路上抓包分析,可知第一個(gè)ICMP請(qǐng)求報(bào)文引發(fā)了一個(gè)發(fā)往MS/MR的map-request報(bào)文,請(qǐng)求目的地址56.56.56.6的RLOC。MS/MR直接返回給R1一個(gè)negative mapreply報(bào)文,表明目的地址是一個(gè)普通的IP。第二個(gè)ICMP請(qǐng)求報(bào)文在xTR上LISP封裝后,轉(zhuǎn)發(fā)到Proxy-ETR(R3)上。R3解封裝后本地轉(zhuǎn)發(fā)到目的Host。隨后Host構(gòu)造一個(gè)ICMP應(yīng)答報(bào)文,其中源地址為56.56.56.6,目的地址為192.168.1.1。因?yàn)镻roxy-ITR會(huì)生成到達(dá)EID前綴(192.168.1.0/24)的路由,并通告局部網(wǎng)絡(luò),所以R5會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)ICMP應(yīng)答報(bào)文給Proxy-ITR。Proxy-ITR收到ICMP應(yīng)答報(bào)文后,會(huì)向MS/MR請(qǐng)求目的EID(192.168.1.1)的RLOC。MS/MR轉(zhuǎn)發(fā)map-request到R1(xTR),由xTR直接返回map-reply。Proxy-ITR在收到map-reply后緩存這條EID-to-RLOC映射。隨后的三個(gè)報(bào)文都可以根據(jù)map-cache中的信息直接ping通了。

    圖6 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

    這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)表明通過(guò)設(shè)置Proxy-ITR和Proxy-ETR,可以很好地解決LISP站點(diǎn)與非LISP站點(diǎn)之間的通信問(wèn)題。

    3 結(jié)語(yǔ)

    本文為了解決LISP站點(diǎn)與非LISP站點(diǎn)間的交互問(wèn)題,對(duì)Proxy-ITR和Proxy-ETR這兩種機(jī)制的工作原理進(jìn)行分析與研究。Proxy-ITR和Proxy-ETR一般相互配合使用,充當(dāng)LISP站點(diǎn)與非LISP站點(diǎn)之間的代理xTR,從而實(shí)現(xiàn)報(bào)文往返的正常通信。通過(guò)對(duì)ping報(bào)文流程的分析,模擬實(shí)驗(yàn)表明Proxy-ITR和Proxy-ETR可以很好地實(shí)現(xiàn)LISP站點(diǎn)與非LISP站點(diǎn)間的交互。

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    Research on the Interworking Mechanism between LISP and Non-LISP Sites

    ZHANG Xun-jun1,LIU Ya-ping1,DENG Wen-ping2

    (1.Science and Technology on Parallel and distributed Processing Laboratory,National University of Defense Technology, Changsha 410073;2.School of Computer Science,National University of Defense Technology,Changsha 410073)

    The current Internet has been faced with many problems such as routing scalability,multi-homing traffic engineering and lack of support for mobility and security.As a solution based on the identity and location separation,the Location/ID Separation Protocol(LISP)can be incrementally deployed on the basis of the existing network infrastructure,while the interworking between LISP and non-LISP sites must be solved.Investigates the mechanisms on the Proxy Ingress Tunnel Router and the Proxy Egress Tunnel Router,simulates the function of the Proxy-ITR and Proxy-ETR.The results reveal that the Proxy-ITR and Proxy-ETR can solve the normal communication problem between LISP and non-LISP sites well.

    Identity and Location Separation;LISP;Non-LISP;Interworking Mechanism

    973項(xiàng)目資助(No.2012CB315906)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61472438、No.61202486)

    1007-1423(2017)11-0036-06

    10.3969/j.issn.1007-1423.2017.11.007

    張勛?。?989-),男,安徽池州人,研究生,研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)

    2016-12-07

    2017-03-02

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