朱宗敏

福建星網銳捷網絡有限公司 福建福州 350002

1 現(xiàn)狀

1994 年11 月7 日，IESG 正式將IPv6 作為下一代互聯(lián)網的標準協(xié)議進行研究。

IPv6 協(xié)議考慮了用戶現(xiàn)在和將來應用的需求，對IPv4 采取了吸收和改進的策略。相比于IPv4 協(xié)議，IPv6 不是在原有的協(xié)議上進行小修小補，而是加入了許多全新的機制。雖然協(xié)議本身建立的目的仍然是使應用和物理鏈路實現(xiàn)之間互相獨立，但新的協(xié)議必然會給網絡管理工作提出新的要求。

2 基于IPv4 的的拓撲發(fā)現(xiàn)機制

根據(jù)范圍，拓撲發(fā)現(xiàn)軟件可劃分為兩大類：工作在自治域上的拓撲發(fā)現(xiàn)軟件，依靠BGP 實現(xiàn)；工作在自治域（局域網）之內的拓撲發(fā)現(xiàn)軟件，主要依靠SNMP 和ICMP 實現(xiàn)。下面只討論第二類。

2.1 網絡層拓撲發(fā)現(xiàn)工具

該層的拓撲發(fā)現(xiàn)工具一般使用兩種算法。

1 基于ICMP 和UDP 的算法

先獲得盡可能多的子網內部信息。向地址空間內每個可能的IP 地址發(fā)送ICMP[7]請求報文，然后使用Traceroute 函數(shù)找到連接在設備上的所有路由器，最后發(fā)送ICMP 前綴請求報文得到它們的網絡前綴地址。對于那些具有多個子網前綴的節(jié)點，向它們一個未使用的端口發(fā)送UDP 報文，返回的ICMP 出錯消息可能會返回節(jié)點另一子網內的接口地址。根據(jù)收集到的這些信息來劃分子網，路由器在節(jié)點和不同的網絡鏈路間建立聯(lián)系。

2 基于ICMP 和SNMP 的算法

先從IP 列表中挑出一個處于活動狀態(tài)的IP，探明它是可達的后，通過ICMP 掩碼請求報文獲得子網號，然后使用Traceroute 函數(shù)或SNMP 請求找到該節(jié)點的默認路由器。通過這一路由器，獲得可達的子網和路由器列表。最后在每個子網內通過窮舉發(fā)送ICMP 回聲請求來獲得本子網內所有的可達節(jié)點。

2.2 鏈路層拓撲發(fā)現(xiàn)工具

可以分為兩大模塊：使用SNMP 和ICMP 的部分和利用圖論的數(shù)學特性的部分。鏈路層的拓撲發(fā)現(xiàn)有兩大任務：區(qū)分主機、交換機；發(fā)現(xiàn)節(jié)點鏈路層地址和鏈路之間的連接關系。具體來說：首先，通過類似網絡層拓撲發(fā)現(xiàn)的方法，以SNMP 提供的類和對象為工具，得到鏈路內的所有可達節(jié)點的網絡層和鏈路層信息；然后通過類似于圖論的數(shù)學方法，發(fā)現(xiàn)那些可能存在的物理連接關系。

3 拓撲發(fā)現(xiàn)軟件的設計實現(xiàn)

隨著IPv6 網絡部署規(guī)模的逐步擴大，盡管IPv4 拓撲發(fā)現(xiàn)的某些理論和方法仍然適用，但也不可避免地會出現(xiàn)一些新的問題。

3.1 IPv6 鄰居發(fā)現(xiàn)過程

IPv6 鏈路上節(jié)點的鄰居發(fā)現(xiàn)過程共分兩步[1]∶

第一步：節(jié)點立刻向鏈路發(fā)送路由器請求報文（RS），路由器以路由器宣告報文（RA 回應，其中包含路由器的地址和網絡前綴信息。

第二步：節(jié)點為獲得目標通信節(jié)點的鏈路層地址信息，向鏈路內發(fā)送鄰居請求（NS）報文，該報文中包含源主機的IP地址和MAC 地址信息，鏈路上的所有節(jié)點都能接到這個報文。目標節(jié)點再以鄰居宣告（NA）報文回應，其中包含了目標節(jié)點的MAC 地址與IP 地址的對應信息。這樣通信雙方就能通信了，從而替代了ARP 的功能。

本地鏈路拓撲發(fā)現(xiàn)設計方案

本地鏈路拓撲發(fā)現(xiàn)的主要要實現(xiàn)的功能是，發(fā)現(xiàn)鏈路內所有節(jié)點的本地鏈路地址，鏈路層地址，區(qū)分節(jié)點類型（主機還是路由器），鏈路前綴，并以適當?shù)姆绞秸故境鰜?。參考法國Renate 實驗室所提出的層次化拓撲發(fā)現(xiàn)的方案[2]，決定采用本地代理的方式實現(xiàn)拓撲發(fā)現(xiàn)的功能。以這種方式，以本地代理收集本地鏈路的拓撲信息，而通過對分布式的本地代理所收集的鏈路信息的聚合，最終可以組合成完整的網絡拓撲結構。

本實現(xiàn)方案通過ICMP 方式來收集本地鏈路的拓撲信息。本地代理模塊將主動向本地鏈路主機節(jié)點和本地鏈路路由節(jié)點主動發(fā)送組播的ICMPv6 鄰居請求報文(NS)，由于各個節(jié)點會對接收到的NS 回復鄰居宣告報文（NA），由此可以通過對NA中所包含的信息來獲取各個節(jié)點的連接信息。

3.2 實現(xiàn)過程中的主要困難和解決方案

由于IPv6 的地址機制與IPv4 發(fā)生了重大的變化，因此原來適用于IPv4 的算法在IPv6 環(huán)境下不再適用，以下將描述本項目的實現(xiàn)過程中遇到的困難，并針對各個難點進行分析，同時給出本實現(xiàn)所采取的解決方案。

1）海量“ICMP 回聲請求”

造成這個問題的主要原因是IPv6 的地址空間發(fā)生了巨大的改變。每個IPv6 地址中，子網前綴為64 位，余下的64 位是表示子網內的唯一接口，因此，與IPv4 及其有限的本地鏈路主機數(shù)目相比，要在子網內窮舉主機，就需要發(fā)送2^64 個ICMP 回聲請求，不論以何種方式實現(xiàn)，這種高昂的代價在都是不可接受的。

本實現(xiàn)利用IPv6 的組播機制，解決了海量“ICMP 回聲請求”的問題。IPv6 下定義了新的多播地址，格式為FF＜接口〉＜組標識〉：對于全局范圍，接口號為E；對于本地站點范圍，接口號為5；對于本地鏈路，接口號為2。

協(xié)議預留了一些組播地址：如FF02∶∶1 用來表示本地鏈路上所有IPv6 節(jié)點；FF02∶2 預留來標識本地鏈路上的所有路由器；FF05∶∶2 用來表示本地站點內的所有路由器。本實現(xiàn)利用IPv6 的預留組播地址，向目標地址FF02∶∶1 發(fā)送NS 報文，避免了窮舉鏈路內主機，只需要周期性的一條NS 報文，取代2^64 個NS 報文。

2）無法獲取全局IPv6 地址

本地代理通過向本地鏈路主機節(jié)點和本地鏈路路由節(jié)點發(fā)送目的地為FF02∶∶1 的NS 報文，并根據(jù)各節(jié)的NA 報文的回應來獲取各個節(jié)點的連接信息。但是對NS 進行單播回應的NA 中通常只包含回應接口的鏈路層地址相關的本地鏈路地址。因此僅僅依靠NS 請求，無法獲得目標設備的全局IPv6 地址。

本實現(xiàn)利用監(jiān)聽NA 報文的方式來獲取各個節(jié)點的全局IPv6 地址。通常情況下，各個IPv6 節(jié)點同外界通訊并不使用本地鏈路地址，而是使用全局IPv6 地址。

因此，在實際的通信過程中，必然會發(fā)生通信雙方進行全局IPv6 地址的MAC 解析。這個過程同樣使用了NS 和NA 的報文機制。所不同的是，所監(jiān)聽到的鄰居宣告報文的目標地址至少是鏈路內一臺主機的全局IPv6 地址。因此籍由這種方式，通過一段時間的累積，可以收集本地鏈路的各個節(jié)點的的全局IPv6 地址。但是這種方式依賴于節(jié)點的通信狀況，因此不一定能夠反映當前鏈路內的信息情況。

3）大量IPv6 節(jié)點存在時的性能

由于IPv6 的地址結構比較IPv4 大大擴充，因此與IPv4不同的是，同一個網段內不再僅有有限的設備，可能存在海量的運行著IPv6 的設備。

因此，對于本地鏈路上節(jié)點的維護方法不能像IPv4 的本地鏈路算法那樣，采用2 叉樹，甚至簡單的使用鏈表的方式來維護，這樣在IPv6 節(jié)點增多的情況下，勢必造成整體監(jiān)控軟件性能的下降。

為了讓節(jié)點的插入，檢索更加高效，本實現(xiàn)采用了AVL 平衡二叉樹的方式來維護本地鏈路的IPv6 節(jié)點。使得IPv6 節(jié)點的操作接近于O(logN)的時間復雜度。

3.3 本地鏈路拓撲發(fā)現(xiàn)軟件結構

本地鏈路拓撲發(fā)現(xiàn)軟件框架圖如下所示：

圖2 拓撲發(fā)現(xiàn)軟件子模塊結構圖

以下對模塊一的各個主要部分的功能進行說明：

1）NS 主動探測部分組播發(fā)送目標為ff02∶∶1 以及ff02∶∶2 的ICMPv6 回聲請求(NS)報文，查到鏈路內所有節(jié)點

2）NA 回應監(jiān)聽部分接收到各個IPv6 主機針對NS 主動探測發(fā)出的NS 報文，并以單播的方式回應的NA 報文，這里NA的回應目標地址主要為本機的本地鏈路地址，并對主機節(jié)點，路由節(jié)點進行區(qū)分；

3)主動探測模塊將這個部分收集到的本地鏈路信息登記到節(jié)點數(shù)據(jù)庫，并刷新節(jié)點定時器；

4）NA 全局監(jiān)聽截獲所有的NA 通訊，這里的NA 的回應目標地址主要是各個不同主機的全局IPv6 地址；

5）在節(jié)點數(shù)據(jù)庫中查找捕獲到的NA 所對應的節(jié)點，并將NA 中所攜帶的IPv6 全局地址添加到節(jié)點數(shù)據(jù)庫中的對應節(jié)點上；

6）處于超時狀態(tài)的節(jié)點信息不再保存于節(jié)點數(shù)據(jù)庫中；

7）作為分布式本地代理的一部分，向其上一級代理通告本地鏈路信息。

核心算法流程圖，如圖4.3 所示：

圖3 拓撲軟件后臺程序流程圖

4 結論

在本次具體實踐的過程中，解決了IPv6 下拓撲發(fā)現(xiàn)的一些問題，但是還有部分問題的解決方法依然存在可以改善的地方。比如項目實現(xiàn)中通過對NA 報文的監(jiān)聽來獲取全局IPv6 的做法，要得到完整的拓撲需要花費一定的等待時間。

另外也存在遺漏掉部分實際尚未參與網絡通訊的網段配置的可能。同時，作為完整的IPv6 網絡拓撲管理，僅僅實現(xiàn)在本地鏈路層的拓撲發(fā)現(xiàn)是不夠的。

總之，與IPv4 相比，IPv6 所支持的龐大地址空間和新的路由策略使得拓撲發(fā)現(xiàn)的理論和算法與IPv4 的做法發(fā)生了很大的變化。

本文通過對原理的分析，以本地鏈路作為整個IPv6 網絡的最小單位，由本地代理來管理其拓撲的想法已在本項目中基本實現(xiàn)。

[1]T.Narten, E.Nordmark.Neighbor Discovery for IP Version 6 (IPv6),RFC2461[Z]，1998.

[2]O.Festor.A Hierarchical Topology Discovery Service for IPv6 Networks[M].France：LORIA-INRIA Lorraine 2001.

[3]A.Conta, S.Deering.Internet Control Message Protocol (ICMPv6) for the Internet Protocol Version 6 (IPv6) Specification, RFC2463[Z] 1998.