張金剛,權義寧，趙守凱

(1.西安電子科技大學計算機學院,陜西 西安 710071;2.湛江師范學院基礎教育學院,廣東 湛江 524300)

0 引 言

從1969年ARPANet投入運行開始計算，互聯(lián)網(wǎng)在短短40年內(nèi)滲入全球各個角落.隨著結點數(shù)急劇增加，網(wǎng)絡結構不斷繁雜化，導致了以IPv4為核心的協(xié)議簇出現(xiàn)很多問題：尤為緊迫的是地址空間瀕臨枯竭——盡管已有NAT、CIDR等策略，但無法從根本上解決問題，其它如配置復雜、沒有好的服務質量機制、在安全性和移動性等方面的不足都迫切要求開發(fā)更好的取代協(xié)議.1993年提出的IPng標準經(jīng)過幾年的修訂,最終于1998年制訂了較為完善的IPv6規(guī)范,較好地解決了這些問題.但直到現(xiàn)在仍在推廣階段,難以普及應用,主要是因為由IPv4過渡到IPv6需要投入大量的資金和設備,同時,相關技術尚待完善也是一個原因.

1 鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議存在的問題

IPv6的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議(Neighbor Discovery Protocol, ND)主要用于取代ARP/RARP、路由器發(fā)現(xiàn)和重定向等協(xié)議，并增加了鄰居可達性檢測機制[1].鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議使用ICMPv6來交換報文，同時ICMPv6還是SNMPv6的下層協(xié)議，所以，ND對網(wǎng)絡管理，特別是SNMPv6網(wǎng)絡管理起著重要作用[2].

由于取消了ARP協(xié)議，在IPv6網(wǎng)絡中,目前嚴重困擾著用戶和網(wǎng)絡管理員的ARP攻擊導致LAN接入用戶不能正常連接Internet問題有望徹底解決.但是,該協(xié)議仍有不足之處:大量頻繁的ICMP廣播包可能導致網(wǎng)絡擁塞,增加超時重傳的比例,而廣播這一機制可能會被攻擊者利用,再次制造類似ARP攻擊機制的病毒[3].使用Network Coding原理改進廣播機制對避免這一不足有著很大優(yōu)勢[4].

2 Ipv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議

IPv6協(xié)議取消了位于Internet層下部的ARP/RARP協(xié)議和IGMP協(xié)議,取而代之的是位于IP層上部的ICMPv6及使用其提供服務的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議ND和多播偵聽者發(fā)現(xiàn)協(xié)議(Multicast Listener Discovery, MLD)[5].底層和高層協(xié)議并沒有質的改變(這是分層體系結構的優(yōu)勢).使用路由器請求、路由器公告、鄰居請求、鄰居公告和重定向共五種報文,通過鄰居緩存、目的緩存、前綴列表、默認路由器列表等數(shù)據(jù)實現(xiàn)了地址解析、鄰居可達性檢測、路由器和前綴發(fā)現(xiàn)及重定向四個主要功能.對于路由器和前綴發(fā)現(xiàn)及重定向兩個功能,由于涉及到與路由協(xié)議的協(xié)同工作(如重定向功能時,應先假設路由選擇算法已經(jīng)有效避免了環(huán)路),本文不作詳細討論.地址解析和可達性檢測是鄰居發(fā)現(xiàn)的重要功能,而且相互影響[6].

地址解析經(jīng)七次報文交互完成：發(fā)送鄰居請求→接收鄰居請求→發(fā)送請求鄰居公告→接收鄰居請求公告，發(fā)送鄰居非請求公告，任播非請求鄰居公告，代理鄰居公告(在使用代理時使用).其流程如圖 1所示.

圖1中處理鄰居緩存條目、更新可達性處理流程可用圖 2所示的狀態(tài)轉換圖表示[7].

圖1 鄰居發(fā)現(xiàn)處理流程

圖2 鄰居可達性檢測狀態(tài)轉換圖

3 Network Coding思想

Network Coding是Rudolf Ahlswede、蔡寧、李碩彥、楊偉豪[8]在2000年提出的一種突破性編碼理論，其基本思想是：在網(wǎng)絡發(fā)送端Sender只發(fā)送信息的相關證據(jù)(evidence about the message)而不是整個信息本身，而接收者Receiver收到證據(jù)后，對其進行重組以還原信息，提高網(wǎng)絡的容量和效率[9].其最大的優(yōu)勢在于多播網(wǎng)絡中，一個發(fā)送源多個接收者時，數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中會有很多路徑并重復傳輸，對于某幾個特定的結點來說，要接收到所有數(shù)據(jù)包可能需要一定時間的排隊[10].典型地，對于如圖 3的網(wǎng)絡[11], 假設每一跳的傳輸能力均為1，數(shù)據(jù)包經(jīng)過一跳所需時間為t，若發(fā)送端S要發(fā)送兩個等長(設為L)的數(shù)據(jù)包給R1和R2，如果按傳統(tǒng)的傳輸模式，最優(yōu)的方案如圖 4所示，數(shù)據(jù)包和在到達節(jié)點N3時，不能立即被轉發(fā)，而是需要排隊，假設以的順序排隊發(fā)送，則發(fā)送兩個包所需的總時間為，到達N4后，也需要按相同的方案排隊發(fā)送，所以，S把兩個包分別發(fā)送到R1和R2所需的最短時間是6t，如果結點N4具有智能選擇功能，在N4→R1線路上按順序發(fā)送兩個包，在N4→R2線路上按順序發(fā)送，則兩個接收結點可以忽略后一個已有的包，則時間縮短為.同時，這一模式還有一個問題存在：結點R1兩次收到數(shù)據(jù)包，結點R2兩次收到數(shù)據(jù)包，這給線路傳輸量增加了壓力，同時，R1和R2還需要判定這兩個包是經(jīng)由不同路徑達到的同一個包，還是重傳的包，甚至是重放攻擊的包[12].

圖3 網(wǎng)絡結構圖

圖4 傳統(tǒng)傳輸模式

由此可見，Network Coding對于廣播包的發(fā)送能顯著地提高效率，降低網(wǎng)絡傳輸流量，節(jié)省網(wǎng)絡帶寬，而付出的代價主要是在節(jié)點中完成簡單的異或運算，而對于目前的計算能力來說，異或運算的延遲可以達到只有一位.然而，在復雜的網(wǎng)絡結構中，需特殊設計和規(guī)劃適合于Network Coding傳輸模式的拓撲結構，以避免收到包后無法恢復出所需數(shù)據(jù)包的情況[13].

圖5 Network Coding傳輸模式

4 改進策略

在IPv6網(wǎng)絡的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議中，存在大量的廣播包，這些廣播包的接收者是所有擁有相應廣播地址的結點，可能是路由器，也可能是主機：對于鄰居請求報文，最終接收者是主機，但可能需要路由器轉發(fā)；對于路由器請求報文，接收者只是路由器，主機不對其進行處理；鄰居公告報文和路由器公告報文都有單播和多播兩種情況[14].以一次完整的地址解析→可達性檢測→數(shù)據(jù)發(fā)送過程為例，若網(wǎng)絡結構如圖 6所示，且所有結點都擁有具備多播能力的多播地址，算法流程為：

(1)結點H0有兩個目的地址分別為IPH3和IPH4的數(shù)據(jù)包需要發(fā)送，但在其鄰居緩存中，沒有該結點的相關信息，于是其創(chuàng)建一個“不完整條目”，并發(fā)送多播鄰居請求a=NSM(IPH3‖MACH0)和b=NSM(IPH4‖MACH0).

(2)路由器收到該多播包后，不斷轉發(fā)，若最終到達H3和H4，并經(jīng)驗證為合法，則返回單播包給H0，地址解析成功，H0修改兩個鄰居的狀態(tài)為“可達”；否則轉(3).

(3)H0重發(fā)該請求，若重發(fā)被成功響應，轉(2)，否則等待再次解析.

(4)H3和H4發(fā)送多播非請求鄰居公告c=NAM(IPH4‖MACH4)和d=NAM(IPH3‖MACH3)，宣布自己的存在，被多播給所有結點，H0, H1,和H2收到后，各自修改自己的鄰居緩存狀態(tài)，若H3，H4成功收到所有鄰居的確認包，則修改到這些結點的狀態(tài)為“可達”；否則，分別處理各個隊列.

(5)H0對H3，H4進行可達性探測，成功則發(fā)送數(shù)據(jù)包，否則轉(3).

圖6 鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議網(wǎng)絡結構

該過程中，兩次進行了多播廣播，盡管實質上，這些多播包需要單個地進行處理，但是，如果在網(wǎng)絡中采用單獨傳輸?shù)姆椒ǎ瑒t網(wǎng)絡中會產(chǎn)生大量重復發(fā)送的包，同時也增加了傳輸延遲.若采用Network Coding傳輸模式，則上述廣播流程可表示如圖 7所示.圖7中a=NSM(IPH3‖MACH0)，b=NSM(IPH4‖MACH0)，實線箭頭表示a和b包，虛線表示a?b包，由于a和b兩個包要廣播給所有的結點，所以a?b包可能有多條路由路徑達到H1和H2，本示例假定路由器R0不進行數(shù)據(jù)包合并，結合路由協(xié)議，可以避免由R5→R1和R6→R2的包傳送(因為這兩個包實質上沒有用)，此時，不計主機與直連路由器的傳輸鏈路開銷，總傳輸時間為4t，總傳輸量為9個包.對于第二次廣播，傳輸方法與此類似.

而此次廣播若采用傳統(tǒng)傳輸模式，其傳輸時間和傳輸量與第三節(jié)中的模型相同，可見，對于類似廣播，采用Network Coding模式具有很大優(yōu)勢.

圖7 多播鄰居請求的Network Coding傳輸模式

5 結 語

在IPv4網(wǎng)絡中，廣播機制被廣泛應用，但通過子網(wǎng)隔離廣播、ARP協(xié)議等機制，抑制了廣播風暴的大量發(fā)生.對于IPv6網(wǎng)絡，為了更好地支持靈活性與移動性，取消了子網(wǎng)劃分機制，而類似于ARP協(xié)議、對拓撲發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡管理起著重要作用的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議卻大量使用了多播包(還有其它一些協(xié)議)，大量的廣播容易引起網(wǎng)絡擁塞、增加延遲，降低了鏈路的傳輸效率.Network Coding思想，既可對鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議進行改進，還可用于其它廣泛使用多播包的協(xié)議中，如P2P應用，路由信息交換等等[15].

本方案的前提是路由器具有編碼能力即網(wǎng)絡能支持Network Coding機制，目前還沒有相關硬件的報道，本文僅就此思想提出一個思路，相關數(shù)據(jù)均為理論值，由于IPv6環(huán)境的特殊性，深入實驗和仿真是下一步研究方向.

參考文獻：

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