[计算机]Traceroute的网络拓扑发现及其效率优化措施.doc

Traceroute的网络拓扑发现及其效率优化措施摘要：网络拓扑发现是网络工程的一个重要的研究子分支，是实现网络管理的基础性环节。同时，网络拓扑发现是对宏观网络进行科学布局的基础，也是进行网络建设、网络信息、网络协议设计与评价以及相关网络算法改进的重要依据。本文介绍了网络拓扑发现的概念，重点分析了基于Traceroute的网络拓扑发现原来，探讨了其发现效率优化措施。关键词：拓扑发现；Traceroute；优化措施1 网络拓扑发现 网络拓扑是指网络元素及其之间的连接关系。这里所讲的网络元素，既可以是路由器，也可以是交换机、网桥等，还可以是客户端、服务器，甚至是子网、AS等。这里所讲的网络，既可抑制局域网，也可以使互联网，也可以使互联网的一部分。而网络拓扑发现，就是时发现并确定网络元素及其之间的连接关系。按照发现方法对网络拓扑发现进行分类，可分为主动式网络拓扑发现和被动式网络拓扑发现。所谓主动式网络拓扑发现，是指将一组精心设计的数据注入北探测的网络，通过对网络反馈信息进行分析，得到网络的拓扑连接情况。例如，各种基于Traceroute的网络拓扑发现方法，就是典型的主动式网络拓扑发现。基于SNMP的网络拓扑发现，从原理上也应归类为主动式网络拓扑发现方法。由于主动式网络拓扑发现可以根据探测需要，有探测发起者对探测数据进行专门设计，因此适用情形较广，可以探测网络范围可以很大，并且可通过提高注入数据包的科学性和合理性，不断提高网络拓扑探测的准确度。主动式网络拓扑探测的缺点主要是探测数据报将增大网络的负荷。在大规模多点探测中，诊治有可能导致网络性能的严重降低。在极端的情况下，由于注入数据报严重改变了网络负荷，甚至探测到的网络拓扑与实际情况不相符。而被动式网络拓扑发现，则是指对网络元素间的数据进行侦听，通过对侦听得到的数据进行分析，进而得出网络的拓扑连接情况。例如，通过侦听路由器间的OSPF交换数据包来探测网络拓扑的方法，就是一种被动式的网络拓扑发现方法。被动式的网络拓扑发现方法不像网络注入数据包，因此对网络负荷的影响较小。但由于被侦听的只是局部网络，因此往往通过分析也只能得到局部网络的拓扑情况。另外，侦听得到的数据可能存在很多不真实的数据，如不能对数据进行有效的分析处理，有可能得到不真实的网络拓扑图。2 Traceroute的网络拓扑发展基本的Traceroute程序和经过改进的Traceroute方法有多种，但其基本的原理都是一样的。如图1是一个简单的网络，节点A为探测远点，目标节点D,F是已知的（或仅仅是地址已知的），而中间各节点及其连接关系都是未知的。为了得到网络拓扑，从探测远点A分别向目标节点D,E发送经过设计的探测数据报，并同时记录数据在传送过程中各种间节点B,C,E的回馈信息。通过分析这些回馈信息，就可以得到网络的拓扑结构。虽然基本原理都相同，但不同的基于Traceroute的拓扑发现方法，其具体实现办法也有所不同。EFDCBA 图1 基于Traceroute的网络拓扑发现的基本原理示意图基于Traceroute的网络拓扑发现的主要优点：一是可以不受网络管辖范围的限制。很多的Traceroute方法不依赖于路由器的某一特定功能，而是靠采集网络中可以正常传输的信息来分析拓扑结构，因此可以对跨域的网络拓扑结构进行探测分析。二是主动性强，因此，探测发起人完全可以根据自身的需要和被探测网络的实际情况，合理选择适当的基于Traceroute的拓扑发现方法，甚至重新设计一种新的方法，是探测者具有很大的主动性。基于Traceroute的网络拓扑发现也有其固有的缺点，这主要有：第一i，因为基于Traceroute的网络拓扑发现从其本质上属于一种主动使得网络测量方法，并且方法的基本原理限制了此方法要想网络注入大量的数据报。这一方面会造成网络负荷的增加，可能对网络的正常通信产生影响。另一方面，甚至由于网络负荷的改变产生一种“由于进行测量而产生的测量误差”，造成拓扑发现结果的失真。第二，从目前的研究现状来看，基于Traceroute的网络拓扑发现方法对网络层拓扑发现有比较好的效果，但对链路层发现没有很好的办法。这主要是因为链路层设备对于路由器来讲是透明的，因此靠路由追踪发现链路层设备及其连接关系的难度很高。第三，基于Traceroute的网络拓扑发现的效率一般比较低。进行一次拓扑发现操作，一般情况下只能发现很少数量的网络设备，有时甚至只能发现一个网络设备或连接。因此，此方法一般需要很高的设备资源占用和时间开销。虽然存在明显的缺点，但由于基于Traceroute的网络拓扑发现方法不依赖于路由器的特定功能这一显著优点，使得该方法在跨域的网络拓扑探测中还是得到了广泛的应用。特别是随着网络安全环境变得越来越恶劣，迫使大部分的路由器都关闭了SNMP，基于Traceroute的网络拓扑发现方法受到越来越广泛的重视，已经成为面向大规模互联网络探测的主要方法。3 拓扑发现优化策略分析3.1 改进探测报文发送策略在基于Traceroute的网络拓扑发现中，可以采取各种不同的策略发送探测报文，不同发送策略的发送效率也有很大不同。（1）“packet to packet”：探测源发送一个探测报文，直到收到一个反馈报文或者等待时间超时，在发送下一个探测报文。这是一种传统的探测报文发送策略，因此探测效率很低。特别是当某一跳没有反馈时，由于必须等待超时，更加降低了探测效率。对于packet by packet发送策略的改进，重点在于合理设置超时等待时间。（2）“hop by hop”：设对每一跳的探测次数为k。探测源按照事先预设地一个延时值（通常k为50ms），依次向某一跳发送完毕全部的k个探测报文后，等待收到反馈或超时后，再转向对下一跳的探测。“hop by hop”策略在效率上要优于“packet to packet”策略。（3）“Concurrent”：探测源向依次向所有的探测跳数发送完毕全部的探测报文，相邻探测报文之间的时间间隔是一个预设值（通常也为50ms）。由于不等待反馈,因此“Concurrent”策略的效率比上述两种策略都高。然而，为了实现“Concurrent”策略，探测源必须预知到目标节点的TTL值。一种可能的方法是，喜爱那个目标节点发送Fing探测保温，然后通过解析反馈报文获取到目标节点的TTL值。另一种可能的方法是，以一个很大的TTL值向目标发送Traceroute探测报文，根据目标节点的ICMP反馈报文，估算到目标节点的TTL。3.2 主机可达性筛选和探测停止规则的合理设置当探测报文发送策略选定以后，影响探测效率的主要因素便是路由器反馈ICMP报文的时间或者是等待超时的时间。在上所公布的探测源中，通过选定20个探测源向50个随机的目的节点进行探测试验发现在开始几跳时RTT值很小，随着跳数的增加，RTT值逐渐增大。探测的RTT值一般都在数毫秒到400毫秒之间，实验发现的最大RTT值为504毫秒。而传统Traceroute的超时等待时间默认为3毫秒。可见超时等待时间要大大高于正常的报文反馈往返时间。由于传统的Traceroute在目标主机不可达时，会议是否达到设定的最大TTL值（默认为30）作为探测停止的条