互聯(lián)網(wǎng)自治域名體系的構(gòu)造及其自主性研究

刁玉平，廖 銘，刁永平

1)廣東商學(xué)院信息學(xué)院，廣州510320;2)中國移動(dòng)廣州分公司，廣州510630;3)中國電信廣州研究院，廣州510630

互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心之一是其根域名服務(wù)器，現(xiàn)全球共有13 個(gè)根域名服務(wù)器，其中唯一的主根域名服務(wù)器一直由美國控制，可用來監(jiān)控他國網(wǎng)絡(luò)使用情況［1-2］. 作為重要戰(zhàn)略資源的互聯(lián)網(wǎng)日益受到各國重視. 為減少因使用國際域名引起的安全風(fēng)險(xiǎn)，打破互聯(lián)網(wǎng)壟斷勢在必行［3-4］.

1 現(xiàn)有域名體系分析

域名系統(tǒng)(domain name system，DNS)為互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)分配域名和IP 地址. 用戶使用域名，該系統(tǒng)就會(huì)通過DNS 服務(wù)器應(yīng)答域名服務(wù)查詢，自動(dòng)把域名轉(zhuǎn)為IP 地址［5-8］.

現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)域名層次結(jié)構(gòu)如圖1［5］，它是一種由最多255 個(gè)字符128 層組織域組成的有層次結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)命名空間系統(tǒng). 該樹形結(jié)構(gòu)可用森林和樹相互遞歸的定義來描述［9］

其中，Root 是樹的根節(jié)點(diǎn);F 是包含多棵樹的森林，且F = (Ti| i =1，2，…)，Ti= (ri，F(xiàn)i)，Ti為根Root的第i 棵子樹.

由于DNS 的Root 為空，則

在某種意義上，自建根域名服務(wù)器是維護(hù)國家互聯(lián)網(wǎng)安全的唯一辦法，但這既有成本問題，也有技術(shù)可操作性要求，在現(xiàn)有域名體系下難以實(shí)現(xiàn).

圖1 互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有域名層次結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Current Internet domain name hierarchy

2 自治域名體系構(gòu)造

域名解析是控制各網(wǎng)站的核心. 擁有自己的根域名服務(wù)器，域名解析將不再經(jīng)由境外域名服務(wù)器提供服務(wù)，對(duì)國防安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)尤為重要［10］.因此需要在每個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)(autonomous internet protocol network，AIP network)實(shí)現(xiàn)自治的域名體系. 據(jù)此實(shí)現(xiàn)的自治互聯(lián)網(wǎng)(autonomous internet)必須架構(gòu)安全可擴(kuò)展;互聯(lián)網(wǎng)自治的改造盡可能最小;互聯(lián)網(wǎng)自治的過渡平滑可行. AIP 域名主要規(guī)則定義如下:

規(guī)則1 每個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)本身具有完整的域名系統(tǒng)，支持本自治IP 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部域名地址轉(zhuǎn)換;本網(wǎng)內(nèi)域名按傳統(tǒng)方式解釋.

可見，每個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)都有1 個(gè)與本身獨(dú)立域名系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的域名樹，包括1 個(gè)獨(dú)立的根節(jié)點(diǎn)及自主管理和定義的子樹. 對(duì)于自治IP 網(wǎng)絡(luò)A，B，…，其域名樹分別表示為

其中，aTree，aRoot，aF，aTi分別表示自治IP 網(wǎng)絡(luò)A 域名樹的樹、根節(jié)點(diǎn)、森林和子樹;并以此類推.

規(guī)則2 每個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)都具有區(qū)別于其他自治IP 網(wǎng)絡(luò)的名稱編號(hào)，以此作為本網(wǎng)域名被外部引用時(shí)缺省的網(wǎng)絡(luò)域名后綴. 任意網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)內(nèi)域名加上本自治IP 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)域名后綴就形成了該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)際域名.

每個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)的域名體系對(duì)外是可見的，且以虛擬的超級(jí)樹的一個(gè)子樹形式存在. 這樣就為各自治IP 網(wǎng)絡(luò)間互相進(jìn)行域名解釋訪問提供了可能.設(shè)對(duì)于自治IP 網(wǎng)絡(luò)A，B，…，其網(wǎng)絡(luò)域名后綴記為

虛擬的超級(jí)樹記為

其中，Tree'，Root'，aF'，bF' 分別表示虛擬的超級(jí)樹的樹，根節(jié)點(diǎn)，其下的虛擬自治IP 網(wǎng)絡(luò)A 域名樹的森林，虛擬自治IP 網(wǎng)絡(luò)B 域名樹的森林;以此類推. 每棵子樹是各自治IP 網(wǎng)絡(luò)的虛擬網(wǎng)際域名樹

其中，aTree'，Root'，aF'，aTi' 分別表示虛擬超級(jí)樹下自治IP 網(wǎng)絡(luò)A 的虛擬網(wǎng)際域名樹的樹、根節(jié)點(diǎn)、森林和子樹;式(7)變量定義以此類推. 同理

規(guī)則3 跨自治IP 網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，訪問外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)必須使用其網(wǎng)際域名，即在該外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)內(nèi)域名后添加其缺省的網(wǎng)絡(luò)域名后綴.

由規(guī)則1 和規(guī)則3 可知，一個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)完整的域名體系應(yīng)包括內(nèi)部域名解釋及與外部域名解釋互通. 故根據(jù)規(guī)則2，一個(gè)完整的自治域名體系包括各自治IP 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部獨(dú)立域名樹和所有關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)域名體系的整體虛擬超級(jí)樹的集合. 如對(duì)于自治IP網(wǎng)絡(luò)A，其

圖2 為本研究設(shè)計(jì)的自治互聯(lián)網(wǎng)域名層次結(jié)構(gòu)圖. 可見，每個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)如A，B，…，其都具有互不干涉的完整域名系統(tǒng)，不同自治IP 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)域名甚至可重復(fù). 對(duì)于內(nèi)部域名www. yahoo.com，其網(wǎng)際域名如為www.yahoo.com.A 就表示是自治IP 網(wǎng)絡(luò)A 中的域名節(jié)點(diǎn). 在每個(gè)自治域名層次結(jié)構(gòu)樹中都增加一級(jí)域名nx(i)，以映射代表本自治IP 網(wǎng)絡(luò)可訪問的其他自治IP 網(wǎng)絡(luò)域名樹. 如當(dāng)nx(i)= B 時(shí)，表示可訪問其他自治IP 網(wǎng)絡(luò)B.

互聯(lián)網(wǎng)的自治域名體系具有自主性和可擴(kuò)展性. 又因網(wǎng)際域名與內(nèi)部域名(傳統(tǒng)域名)的定義語法一樣，所以用戶使用模式亦不變.

圖2 互聯(lián)網(wǎng)自治域名體系域名層次結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Autonomous Internet domain name hierarchy

3 自治域名體系實(shí)現(xiàn)

3.1 自治域名系統(tǒng)構(gòu)建

由互聯(lián)網(wǎng)自治域名體系，構(gòu)造互聯(lián)網(wǎng)自治的域名系統(tǒng)如圖3. 每個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)都擁有獨(dú)立根域名服務(wù)器，負(fù)責(zé)該自治IP 網(wǎng)絡(luò)所有域名解析工作.人們默認(rèn)自治IP 網(wǎng)絡(luò)中其他合法DNS 服務(wù)器都指向這些根域名服務(wù)器. 這些為實(shí)現(xiàn)自治域名系統(tǒng)而增加的根域名服務(wù)器與現(xiàn)有根域名服務(wù)器，或其他域名服務(wù)器的功能一致.

圖3 互聯(lián)網(wǎng)自治域名系統(tǒng)的構(gòu)建及轉(zhuǎn)換Fig.3 Autonomous Internet DNS construction and transformation

由于每個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)都相當(dāng)于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，其內(nèi)部域名解釋和通信不改變. 唯一改變是跨自治IP 網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，域名需增加目的自治IP 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)域名后綴. 故在每個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)中會(huì)增加一個(gè)AIP DNS GW (自治IP 網(wǎng)絡(luò)DNS 網(wǎng)關(guān))的設(shè)備，用以支持跨自治IP 網(wǎng)絡(luò)的域名解釋. 一方面，它把本網(wǎng)的跨自治IP 網(wǎng)絡(luò)域名解釋請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到目的自治IP 網(wǎng)絡(luò)，并在接收到域名解釋結(jié)果后再返回給請(qǐng)求方;另則，它接受外網(wǎng)對(duì)本自治IP 網(wǎng)絡(luò)的跨網(wǎng)域名解釋請(qǐng)求，在用傳統(tǒng)方式得到本網(wǎng)DNS 域名解釋結(jié)果后反饋給外網(wǎng)請(qǐng)求方.

互聯(lián)網(wǎng)自治域名系統(tǒng)可通過新建、升級(jí)、改造甚至單邊行動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn). 理想情況是全球互聯(lián)網(wǎng)可協(xié)調(diào)一致地進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)自治改造. 若無法達(dá)成一致，各國可獨(dú)立搭建自治IP 網(wǎng)絡(luò)并通過原有鏈路聯(lián)接到互聯(lián)網(wǎng)，或任意兩國之間協(xié)議搭建自治IP網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行互聯(lián). 單邊行動(dòng)工作需在每個(gè)自治IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)(核心部分)之間增加一個(gè)“改造前自治IP 網(wǎng)絡(luò)DNS 網(wǎng)關(guān)”設(shè)備. “改造前自治IP 網(wǎng)絡(luò)DNS 網(wǎng)關(guān)”與普通AIP DNS GW 唯一不同的是，需對(duì)來自現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)(核心部分)的域名主動(dòng)為其添加網(wǎng)際域名后綴.

3.2 AIP DNS GW 的實(shí)現(xiàn)機(jī)理

實(shí)現(xiàn)跨自治IP 網(wǎng)絡(luò)域名解釋的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)AIP DNS GW. AIP DNS GW 本質(zhì)上是一個(gè)域名服務(wù)器.假設(shè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)B 的網(wǎng)絡(luò)域名后綴為CHN，另一自治IP 網(wǎng)絡(luò)A 的網(wǎng)絡(luò)域名后綴為ENG，則AIP DNS GW B 的實(shí)現(xiàn)機(jī)理為

雖然AIP DNS GW 的實(shí)現(xiàn)機(jī)理與普通域名服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)略有不同，但兩者域名查詢的輸入和輸出完全相同，所以自治域名體系中所有域名服務(wù)器都使用現(xiàn)有的域名解釋協(xié)議提供域名解釋服務(wù)，不需改變域名解釋的協(xié)議.

3.3 自治域名系統(tǒng)配置

為實(shí)現(xiàn)自治域名體系，每個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)中的自治域名系統(tǒng)除根據(jù)需要增加本自治IP 網(wǎng)絡(luò)的根域名服務(wù)器和AIP DNS GW 外，其域名服務(wù)器還需進(jìn)行配置調(diào)整.

根域名服務(wù)器除了要有本自治IP 網(wǎng)絡(luò)的一級(jí)域名外，還要提供影射其他自治IP 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)際域名配置，并指向本自治IP 網(wǎng)絡(luò)的AIP DNS GW. 其他域名服務(wù)器(包括AIP DNS GW)的根域名服務(wù)器指向都配置為直接指向本自治IP 網(wǎng)絡(luò)的根域名服務(wù)器. 另外，AIP DNS GW 還要提供針對(duì)其他自治IP 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)際域名配置，用以在跨網(wǎng)域名解釋時(shí)指向其他自治IP 網(wǎng)絡(luò)的AIP DNS GW.

用戶使用時(shí)可區(qū)別地采用自治IP 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部域名訪問內(nèi)部IP 節(jié)點(diǎn)，采用網(wǎng)際域名訪問外部其他自治IP 網(wǎng)絡(luò)的IP 節(jié)點(diǎn);或者統(tǒng)一采用網(wǎng)際域名訪問自治IP 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部/外部的IP 節(jié)點(diǎn).

3.4 自治域名系統(tǒng)運(yùn)行驗(yàn)證

采用文獻(xiàn)［10］開發(fā)的AIP DNS GW 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，按照?qǐng)D3 搭建自治域名系統(tǒng)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)配置，從AIP network A 內(nèi)主機(jī)Na1 發(fā)起域名解釋請(qǐng)求進(jìn)行自治域名系統(tǒng)運(yùn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表1. 由表1 可見，測試結(jié)果符合自治域名體系的設(shè)計(jì)預(yù)期.

表1 自治域名系統(tǒng)域名解釋驗(yàn)證Table 1 Autonomous DNS resolution test

4 自治域名體系的自主性研究

設(shè)網(wǎng)絡(luò)NB發(fā)起的所有域名請(qǐng)求事件B 概率為P(B)，其中需到NB外獲取域名解釋的事件Ex的條件概率為

對(duì)于現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)NA，NB為互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)子網(wǎng)，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)共用一套域名體系，可認(rèn)為是唯一的自治網(wǎng)絡(luò);根域名服務(wù)器為NA唯一擁有，除極少量的本地域名請(qǐng)求可本地解釋外，大部分權(quán)威域名解釋需通過NA根域名服務(wù)器進(jìn)行. 設(shè)網(wǎng)絡(luò)NB到NA的所有域名請(qǐng)求事件為A，故NB域名請(qǐng)求中需要到子網(wǎng)NB外，即NA根域名服務(wù)器獲取域名解釋的概率為

設(shè)根據(jù)自治互聯(lián)網(wǎng)的域名體系，將NB改造為自治IP 網(wǎng)絡(luò)NB，如圖3. 自治IP 網(wǎng)絡(luò)NB的根域名服務(wù)器可負(fù)責(zé)該自治IP 網(wǎng)絡(luò)幾乎所有的域名解析.自治IP 網(wǎng)絡(luò)NB所有域名請(qǐng)求需到NB外(在這里是自治IP 網(wǎng)絡(luò)NA中)獲取跨網(wǎng)域名解釋的事件Ex的條件概率為

其中，ex(i)為網(wǎng)絡(luò)NB到外部其他自治IP 網(wǎng)絡(luò)Nnx(i)的域名請(qǐng)求事件. 同理，對(duì)于有n 個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)的情形，自治IP 網(wǎng)絡(luò)NB所有域名請(qǐng)求中需到NB外獲取跨網(wǎng)域名解釋的事件Ex的條件概率為

式(11)假設(shè)自治互聯(lián)網(wǎng)間跨網(wǎng)域名解釋具有類似的概率分布.

無論外部是一個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)NA，還是改造為n個(gè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)，自治IP 網(wǎng)絡(luò)NB所有域名請(qǐng)求需到NB外獲取跨網(wǎng)域名解釋的事件Ex的條件概率基本可認(rèn)為是不變的. 故由式(10)和式(11)可得

對(duì)于自治IP 網(wǎng)絡(luò)NB，有P2(B)= Pn(B)= 1，ex(a)B = ex(a). 故由式(12)得

P2(ex(a))為只有兩個(gè)自治互聯(lián)網(wǎng)時(shí)所有跨網(wǎng)域名解釋請(qǐng)求概率. 按照經(jīng)驗(yàn)，設(shè)自治IP 網(wǎng)絡(luò)總的域名解釋請(qǐng)求數(shù)與向網(wǎng)外發(fā)起的域名請(qǐng)求數(shù)之比為集線比Tr，則有

根據(jù)式(9)和式(15)，可得網(wǎng)絡(luò)NB到NA的域名解釋請(qǐng)求概率表，如表2. 由表2 可見，在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)(n = 1)中，各網(wǎng)絡(luò)的域名解釋幾乎完全依賴于互聯(lián)網(wǎng)NA;而當(dāng)各自治IP 網(wǎng)絡(luò)采用自治域名體系后，它們對(duì)原有互聯(lián)網(wǎng)NA或其他自治IP 網(wǎng)絡(luò)的依賴程度迅速降低，表明自治IP 網(wǎng)絡(luò)采用自治域名體系后自主性可大幅提高，對(duì)任何其他自治IP 網(wǎng)絡(luò)的依賴也隨之減弱. 圖4 顯示了跨網(wǎng)域名解釋概率對(duì)數(shù)曲面圖.

綜上，我們選取n=1 000 及Tr =1 000 為中間取值，以步長200 向兩邊取值，獲得了合理的自治互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性Pn(ex(a))取值樣例如表3. 同時(shí)給出相應(yīng)的曲面圖如圖5，可清楚了解自治網(wǎng)絡(luò)間的相關(guān)性選項(xiàng)，并根據(jù)需要選取相應(yīng)的Tr 和n，從而獲得合理需要的自治互聯(lián)網(wǎng).

表2 跨網(wǎng)域名解釋概率Table 2 Probability of DNS resolution between AIP networks

圖4 跨網(wǎng)域名解釋概率對(duì)數(shù)曲面圖Fig.4 Logarithmic probability surface of DNS resolution between AIP networks

圖5 自治網(wǎng)絡(luò)間的相關(guān)性曲面圖Fig.5 Correlation surface between AIP networks

表3 放大100 萬倍自治網(wǎng)絡(luò)間的相關(guān)性Table 3 Million times of correlation surface between AIP networks

結(jié) 語

通過現(xiàn)有域名體系的樹形結(jié)構(gòu)，構(gòu)造自主自治的可擴(kuò)展域名體系，提供以自治IP 網(wǎng)絡(luò)為單位的新型可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)架構(gòu). 結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀，嘗試提供一種采用單邊行動(dòng)就可擁有完全獨(dú)立自主的根域名服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)自治的技術(shù). 通過概率分析對(duì)域名體系的自主性進(jìn)行了研究. 研究表明，自治網(wǎng)絡(luò)可降低對(duì)原有互聯(lián)網(wǎng)或其他自治網(wǎng)絡(luò)的依賴，即自治IP 網(wǎng)絡(luò)采用自治域名體系后自主性可大大提高. 該技術(shù)有望打破互聯(lián)網(wǎng)的壟斷控制，有利維護(hù)國家互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略安全.

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