（计算机应用技术专业论文）ipv6下网络服务性能的主动测量.pdf

太原理工大学硕十研究生学位论文 y 7 8 8 5 ( j 7 i p v 6 下网络服务性能的主动测量 摘要 i n t e r n e t 的应用已经渗透到人们生产和生活的各个领域，改 变着人们的生活方式，成为人类社会的基础设施。但人们对 i n t e r n e t 网络行为的了解还非常肤浅，研究尚处于初期阶段。开 展i n t e r n e t 行为测量与分析研究的目的是提供定量描述网络行 为的方法、手段和工具，为i n t e r n e t 的定期、持久、大规模的 测量与分析和实时动态监控奠定基础，为i n t e r n e t 的科学管理、 有效控制和科学规划下代i n t e r n e t 提供依据。 用以支持互联网运行的i p 协议，取得了难以置信的成功， 它将成千上万台主机以网络的方式连在一起。然而，随着互联 网节点数目的激增及各种应用的推陈出新，i p v 4 开始暴露出它 所具有的缺陷，这些缺陷阻碍了互联网的进一步发展，在这种 情况下，开始了l p n g ( i pn e x tg e n e r a t i o n ) 的研究，也就是现 在的i p v 6 。i p v 6 由于其近乎无限的地址空间、层次化的地址结 构、高速的路由、更强的安全性、对移动性和服务质量的更好 支持等特性，被认为是替代1 p v 4 协议、解决目前i n t e r n e t 面临 的困境、为下一代i n t e r n e t 提供更好服务和发展的最佳协议。随 着支持i p v 6 的网络产品日渐增多，保障和提高各种i p v 6 服务的 性能显得越来越重要，对i p v 6 服务性能进行评测的需求也越来 越强烈。开展i p v 6 下的网络测量具有极其重要的理论和现实意 义。 本论文对i n t e r n e t 钡j 量的作用、测量实体和测量方式进行了 深入研究，详细探讨了主动测量，在此基础上把主动测量和基 于业务测量的概念结合起来，在i p v 6 下对特定应用进行监测， 并以w w w 业务和e m a r l 业务为例展开论述。主动业务测量将主 动测量和基于业务测量的概念结合起来，采用主动测量的方式 对用户业务状况进行探测，弥补了传统网管系统以网络设备为 主要管理对象，无法对用户业务进行监测和管理的局限性。同 太原理t 大学硕十研究生学位论文 时还避免了其它监测方式给用户网络安全性和用户隐私权带来 的影响。基于主动业务测量模式，选取互联网上最有代表性的 两种服务，w w w 和e m a i l ，设计和实现了在i p v 6 下对w w w g 艮 务进行主动探测的工具h t t p p e n e t r a t i n 9 6 矛d 对e m a i l 服务进行主动 探测的工具m a i l p e n e t r a t i n 9 6 ，以实现对用户端到端业务的监测， 并达到举一反三的作用。该工具嵌入到中科院计算所开发的大 型网络测量系统f o x 中，已通过8 6 3 项目组专家的验收，将在国 民生产的多个方面起作用。除以上工作外，本文还研究并实现 了f o x 系统的安全模块，采用m d 5 和r s a 算法，使整个系统达到 了秘密性、鉴别性、完整性和不可否认性。 实验证明，将主动测量和基于业务的测量结合起来的主动 业务测量模式能够很好地解决现在网管软件中存在的一系列问 题。这种测量模式不仅可用于w w w ) 报务的测量和e m a i l ) 艮务的 测量，它还可用其它多种服务，比如对f t p 、t e u 咂t 、流媒体 等服务的测量，应用前景相当广阔。 关键词：i p v 6 ，网络测量，主动测量，h t t p ，s m t p ，p o p 3 太原理，r 大学硕十研究生学位论文 a c t i v em e a s u r e m e n to f n e t w o r ks e r v i c e sp e r f o r l a n c e u n d e ri p v 6 a b s t r a c t t h ev a r i o u sa p p l i c a t i o n so fi n t e r n e tn o to n l yh a v ec o m ei n t o a l m o s te v e r yf i e l do fh u m a nl i f e ，b u ta l s oh a v eb e e nc h a n g i n gt h e w a yo fp e o p l e sl i f e u n d e r s t a n d i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ei n t e r n e t i sr e m a r k a b l yi m p o r t a n tb e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n g l ys i g n i f i c a n tr o l e t h ei n t e r n e th a s p l a y e d i n s o c i e t y t h e r e s e a r c ho nn e t w o r k p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ti s ap r o j e c tt h a tm u s tb ed e v e l o p e ds i n c e i ti st h eb a s eo fp r o p e rm a n a g e m e n ta n de f f i c i e n tc o n t r o lo ft h e i n t e r n e ta n di so fg r e a tv a l u et oc o n s t r u c tt h en e x tg e n e r a t i o n i n t e r n e t t h ei n t e m e tp r o t o c o lh a sg o ti n c r e d i b l es u c c e s s h u n d r e d sa n d t h o u s a n d so fc o m p u t e r sa r ec o n n e c t e db a s e do ni t b u t ，w i t ht h e e x p l o s i v e l ye x p a n s i o no ft h ei n t e r n e ta n dt h ee m e r g e n c eo fm a n y n o v e la p p l i c a t i o n s ，i p v 4i sn ol o n g e rc o m p e t e n t i no r d e rn o tt o i m p e d et h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e t ，t h er e s e a r c ho ni pn e x t g e n e r a t i o nw a sc a r r i e do u t ，t h a ti s ，i p v 6 i ti sb e c a u s ei p v 6 sv e r y l a r g ea d d r e s sf a m i l y , i t sh i e r a r c h i c a la d d r e s sa r c h i t e c t u r e ，i t sf a s t e r r o u t i n g ，i t ss t r e n g t h e n e ds e c u r i t y , i t sb e t t e rs u p p o r tf o rm o b i l i t ya n d q o st h a ti ti st a k e na st h eb e s tp r o t o c 0 1t os u b s t i t u t ef o ri p v 4 w i t h t h ei n c r e a s i n go fn e t w o r kp r o d u c t so fd i f i e r e n tt y p e su n d e ri p v 6 ， t h ee f f i c i e n c yo fi p v 6s e r v i c e sb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t s oi ti so fg r e a tm e a n i n gt od e p l o yn e t w o r km e a s u r e m e n tu n d e r i p v 6 i i i 太原理1 = 大学硕士研究生学位论文 1 nt h i sp a p e r t h ep u r p o s e so fn e t w o r km e a s u r e m e n t ，t h e m e a s u r e m e n te n t i t i e sa n dt h em e a s u r e m e n tm e t h o d sa r es t u d i e d a c t i v em e a s u r e m e n ti se l a b o r a t e d w h i c hi su s e dt om o n i t o rt h e e n d t o e n du s e ra p p l i c a t i o nu n d e ri p v 6 t h ee f f i c i e n c yo ft h i s m e t h o dw i t h 、v w wa p p l i c a t i o na n de - m a i la p p l i c a t i o na r ep r o v e d u s i n ga c t i v e m e a s u r e m e n tt op r o b et h eu s e ra p p l i c a t i o n sc a n c o m p e n s a t ef o rt h ed e f i c i e n c yo fp a s s i v em e a s u r e m e n ta n dd e v i c e b a s e dm a n a g e m e n tu s e di nt r a d i t i o n a ln e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m u s i n gw h i c h i ti sd i f f i c u l tt om o n i t o rt h eu s e r se n d t o e n d a p p l i c a t i o n sa n dt og u a r a n t e et h eq u a l i t yo fn e t w o r ka p p l i c a t i o n s p e r f o r m a n c e p u tt h ea b o v et h e o r yi n t op r a c t i c e ，h t t p p e n e t r a t i n 9 6 a n dm a i l p e n e t r a t i n 9 6a r ed e v e l o p e dt om o n i t o rt h ep e r f o r m a n c eo f w w ws e r v i c ea n de m a i ls e r v i c er e s p e c t i v e l y b e i n gi m b e d d e d i n t oal a r g e s c a l en e t w o r kp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mf o x ， d e v e l o p e db ym e m b e r so fi c t , c a s t h et w om e a s u r e m e n tt o o l s h a v ep a s s e dt h ei n s p e c t i o no fe x p e r t sf r o mn a t i o n a l8 6 3p r o j e c t t e a ma n dw i l ls u r e l yb eo fg r e a tb s ei nn a t i o n a li n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t b e s i d e s t h es e c u r i t ym o d u l eo ff o xi s r e a l i z e d m d 5a n dr s a a l g o r i t h ma r ea d o p t e dt oa s s u r et h ep r i v a c y , a u t h e n t i c a t i o n ，w h o l e n e s sa n du n d e n i a b l i l i t yo ft h ef o xs y s t e m t h i sm e a s u r e m e n tm e t h o dc o u l db eu s e dn o to n l yi n 、) l ，w w a n de - m a i l ，b u ta l s oi nal o to fo t h e ra p p l i c a t i o n ss u c ha sf r p t e l n e t , s t r e a m i n gm e d i a ，e t c i tc e r t a i n l yw i l lh a v e ab r i g h t f u t u r e k e yw o r d s ： i p v 6 ，n e t w o r km e a s u r e m e n t ，a c t i v e m e a s u r e m e n t ，h ，n 卫s m t p , p o p 3 i v 太原理一r 大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 本章首先介t g l p v 6 的重要性，接着讲述在i p v 6 下对网络服务的性能进 行评测的意义，最后是本课题的研究内容。 1 1 i p v 6 协议的重要性 i p 协议是数据通信的主流。随着i p 应用的更加广泛和深入，i p 网络出 现了多样化的局面，它已经成为个综合数据、语音、视讯等多媒体服务 的平台。 传统的i p ，b p l p v 4 ( i pv e r s i o n4 ) 定义i p 地址的长度为3 2 位，i n t e r n e t 上每台主机都分配了一个( 或多个) 3 2 位的l p 地址j ：0 1 。3 2 位的地址在d a r p a 时代的互联网看来是足够的，同时网络地址的分类( a 、b 、c 、d 、e 类) 和聚集也提高了路由的效率。但随着各种网络应用的飞速发展，随着移动 互联网、语音数据的集成以及嵌入式互联设备的快速发展，以互联网为核 心的未来通信模式j 下在形成。i n t e r n e t 的设计者们没有想到今天的i n t e r n e t 会发展到如此大的规模，更没有预测到今天i n t e r n e t 因为规模庞大所陷入的 困境。1 9 8 7 年统计表明可能将来需要分配多达1 0 0 ，0 0 0 个网络，然而早在 1 9 9 6 年这个记录已经被打破。自从1 9 9 2 年以来，网络节点的数目开始以几 何级数增长。网络增长不仅导致地址总数量的不足，也导致路由表的迅速 膨胀。 地址即将耗尽和路由表的过度膨胀是促使i p v 6 产生的直接原因。同时 i p v 6 还试图解决i n t e m e t 发展中遇到的所有问题。i p v 4 协议是在十几年前设 计的，当时的互联网远远没有达到今天的规模，网络连接的速度十分有限， 网络应用的类型也比较单一，以文本数据的传输为主。互联网商业化，特 别是w w w 发明以来，互联网在规模和应用上发生了革命性的变化。声音、 图像、甚至触觉都已经或者即将进入互联网络，在分组交换网络中传输这 太原理t 大学硕士研究生学位论文 些业务希望具有实时特性，纯粹的“b e s te f f o r t ”的传输已经很难满足要求； 其次，可连接规模的扩大，导致安全成为日益重要的问题，人们希望能够 确认信息的确发给了正确的节点，同时还不希望在传输的中途被截留或者 监听；再者，人们一直幻想“在任何时间( w h e n e v e r ) 任何地点( w h e r e v e r ) 同任何人( w h o e v e r ) ”进行通信。随着通信技术的迅速发展，移动性成 为对未来互联网的重要期望。因此需要设计一个全新的互连网络协议来支 持i n t e r n e t 的迅猛发展。9 0 年代初，人们丌始讨论新的互联网络协议。i e l f f l i p n g t 作组在1 9 9 4 年9 月提出了一个正式的草案“t h er e c o m m e n d a t i o n f o rt h ei pn e x tg e n e r a t i o np r o t o c o l 州i ， 1 9 9 5 年底确定了i p n g ( i pn e x t g e n e r a t i o n ) 的协议规范，分配了版本号6 ，称为“1 pv e r s i o n6 ( i p v 6 ) ”， 1 9 9 8 年又作了较大的改动【0 = i 】。 迄今为止，作为下一代i n t e r n e t 基础的i p v 6 经过几年的开发，终于开始由试验阶段向实用阶段过渡，而且已经在国外、 国内高速网上试运行起来。 i p v 6 并没有完全推翻i p v 4 ，它的设计继承了许多i p v 4 成功的特征，如， 允许发送者选择数据报的长度并指定最大跳限，仍然支持无连接传输等。 它还保留了许多i p v 4 提供的选项，包括分片和源路由功能。但针对i p v 4 协 议已经暴露出的一些不足，i p v 6 协议还是改变了大多数的协议细节，并增 加了一些新的特征。 相对于i p v 4 来说，i p v 6 的最大改进在于将i p 地址从3 2 位改为1 2 8 位，这 一改进从根本上改变t i p 地址短缺的问题。1 2 8 位的地址允许i p v 6 定义更多 的地址层次结构，地址空间按照不同的地址前缀来划分，以利于骨干网路 由器对数据包的快速转发。i p v 6 还对数据报头作了简化，原i p v 4 报头中的 某些字段被删除或者成为可选字段，减少了一般情况下包的处理开销以及 i p v 6 报头占用的带宽。i p v 6 改进了i p 报头选项的编码方式，删除了i p v 4 中 的选项字段，使i p v 6 的报头长度成为固定的4 0 个字节，同时定义了多种扩 展报头，使得i p v 6 变得极其灵活，不仅能提供对多种应用的强有力支持， 还为以后支持新的应用提供了更强的适应性。i p v 6 的数据包具有标记以说 明它从属的信息流类型，使得那些发送者要求特殊处理的属于特别的传输 流的包能够贴上标签，以提供相应的通信服务质量。i p v 6 提供了对数据确 认和完整性的支持，并可通过对数据加密来提高可靠性。i p v 6 的即插即用 2 太原理1 i 大学硕十研究生学位论文 功能使整个i n t e r n e t 网的管理变得相当容易，也为移动业务的发展提供了最 大支持1 0 4 1 。 由于i p v 6 克服了l p v 4 的不足，现在已经从试验阶段走向实际应用，支 持i p v 6 的产品也大量涌现。要保证一个i p v 6 产品所提供的服务高效运行， 网络测量是最重要、最基本的手段。 1 2 在i p v 6 下开展网络测量的意义 以i n t e m e t 为代表的信息网络已成为现代社会最重要的基础设施之一， 它逐渐渗透到社会的各个领域，影响着人们的生产和生活方式，成为信息 时代知识的载体，并在人类社会发展的政治、军事、经济、文化等各个领 域产生者日渐深远的影响。i n t e r n e t 的可靠运行、高效利用、科学管理和有 效控制也因此变得越来越重要。但人们对i n t e r n e t 网络行为的研究尚处于初 级阶段，随着网络规模的不断膨胀、多媒体业务的不断发展，对网络速度 及网络性能提出了更高的要求，开展网络测量也就越来越有必要。 美国从1 9 9 2 年开始着手进行对i n t e r n e t 特征的研究。在美国国家科学基 金会( n s f ：n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ) 和美国能源部的支持下，u c b e r k e l e y 的科学家们丌始了对i n t e r n e t 特征的研究工作。1 9 9 4 年和1 9 9 5 年， 经过精心准备，科学家们对i n t e r n e t 展丌了两次共长达三个月的大规模测 量，并对测量结果进行了详尽的分析，指出了i n t e r n e t 当时的运行状况及其 存在的问题，对美国i n t e m e t 的发展提出了很好的建议。该报告引起了美国 政府的极大关注，美国国防部于1 9 9 7 年决定采用该测量平台及其测量方 法，并将其进行改进，对美国的i n t e r n e t 状况进行长期、大规模的测量和分 析。浚改进平台被美国国防部命名为n i m i ( n a t i o n a li n t e r n e tm e a s u r e m e n t i n f r a s t r u c t u r e ，国家因特网测量基础设施1 1 0 5 1 “1 。到1 9 9 8 年，n 1 m i 已经设置 安装了包括英国、法国、荷兰、瑞典、以色列、韩国、澳大利亚等囤在内 的近加个监测站点，可以进行互测的路径达到了千多条，这包括了美国 的几乎所有链路和欧洲的大部分链路。目前n i m i 的许多研究成果已经被整 理成为i n t e m e t 的草案或标准。 接下来的几年里，美国又有许多研究机构对i n t e r n e t 展开了大规模的测 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 量和分析。其中比较有名的项目主要包括：i e p m ( i n t e m e te n d t o e n d p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ，i n t e r n e t 端到端性能测量1 0 7 1 1 0 8 】：主要用来监视 i n t e m e t 上的端到端性能，i e p m 使用p i n g 来测量包丢失、双向延迟和是否可 达等链路特征。i p m a ( i n t e r n e tp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s i n t e r n e t 性能测量和分析) ：主要研究局域网和广域网环境中的网络性能和 网络协议。该项目编写了一个在广域网下配置的测量后台程序，作为路由 协议收集器。i p m a 中的测量后台程序主要用于跟踪路由协议的更新信息， 以便理解i n t e r n e t 上的路由特征。s u r v e y o r ( 一种目前能够在i n t e r n e t 路径上 测量单向延迟、包丢失和路由信息的测量体系结构) 1 0 9 】：目前已配置在世 界范围内的4 1 个高等教育和研究站点上，主要包括大学、美国国家实验室 和国际站点。该项目的目标是丌发相应的技术和体系结构，允许用户和服 务提供商对整个i n t e m e t 上路径的性能和可靠性有一个准确的、共同的了 解。其它项目还包括n l a n r l ”蝽口s k i t t e r ( c a r d a ) “j 。 除美国外，其它国家也对i n t e m e t 开展了大规模的测量和研究，如加拿 大的t r i u m f 网络监视f 主要目的是对国家i n t e r n e t 路径上的丢包情况和路 由特征进行测量1 和新西兰的w a n d ( w a i k a t oa p p l i e dn e t w o r kd y n a m i c s ) w i t s ( w a i k a t oi n t e r n e tt r a f f i cs t o r a g e ) f 主要目的是创建用于统计分析和 创建模拟模型的i n t e r n e t 流量模型1 等。 欧洲于1 9 9 5 年也开始开展对i n t e m e t 的测量工作，其中p p n c g ( 粒子物 理网络协作组) 是在这方面做得较为成功的一个组织。p p n c g 在欧洲范 围内一些站点的机器上运行网络监视程序，并于1 9 9 6 年开始测量网络的可 达性、服务质量以及延迟分布等特点。目前p p n c g 有1 0 个左右的下属成员， 分别负责网络的端到端监测、国际链路监测、w w w 服务、视频会议以及 主干网监测等工作。 尽管欧美一些国家已开展i n t e m e t 狈, 0 量方面的研究工作，但i e t f 只有很 少几个标准化的基础测量参数1 1 2 鹏】1 1 4 】1 1 5 】，目前，在i n t e m e t 的整体性能方 面目前还没有比较系统、全面的参数描述以及测量方法。 i p v 4 受网络发展规模的影响暴露出越来越多的问题，i p v 6 是取代i p v 4 的下一代网络协议，了解其网络行为对于网络性能的提高、网络安全性的 增强、网络的科学管理等都有着不可低估的作用，所以在i p v 6 下开展网络 4 太原理一l ：人学硕十研究生学位论文 测量是目前急需开展的项目。浚项目的开展主要具有以下几方面的意义： 1 ) 为i n t e r n e t 的科学管理、有效控制和合理利用提供科学依据。 为了使i n t e m e t , 能够更好地服务于人类，必须要对i n t e r n e t 的行为有足够 的理解。理解i n t e r n e t 的行为是一个具有挑战性的问题。通过对i n t e r n e t 的全 面测量和分析，就可以较好地掌握i n t e r n e t 的运行状况和运行规律，并在此 基础上对i n t e m e t 的各种行为进行模型化。然后，利用模型x t i n t e r n e t 建立有 效的控制机制，继而对其提出优化策略【1 6 】【1 7 】。 2 ) 为同后i n t e r n e t 的长期大规模的测量与分析和实时动态监控系统的 建立奠定基础。 为了科学合理地利用i n t e m e t ，必须随时掌握整个i n t e m e t 的运行动态。 而掌握其运行动态的前提则是对i n t e m e t 长期大规模的测量与分析，建立对 i n t e r n e l 的实时动态监控系统。在这种情况下，测量指标和测量方法就成为 实现上述目标的基础。 3 ) 是科学规划下一代i n t e m e t 自o 重要基础。 随着人们对i n t e r n e t 需求的不断增加，网络连接和网络设备的不断复 杂，目前的i n t e m e t 逐渐变得越来越脆弱，科学规划下一代i n t e m e t 已成为 i n t e r n e t 发展的一个重要内容和方向。对i n t e r n e t 的测量和分析则是我们了解 目前i n t e m e t 不合理之处、为下- - 代i n t e r n e t 建设提供良好建议的重要手段起 到未雨绸缪的作用。 1 3 本课题的主要工作概述 本文首先讲述了i p v 6 区别于i p v 4 的新特性，然后从测量作用、测量实 体、测量方式等方面介绍了网络测量技术，在此基础上提出在i p v 6 下开展 网络测量。分析了各种网络测量方式的利弊，结合实际需求，将主动测量 和基于业务测量的概念结合起来。采用这种方式，可以有效克服传统网关 以网络设备为管理对象、无法对用户业务进行监测和管理的局限性。 将以上理论应用到实践中，经过对人们最常用的w w w 业务和e m a i l 业务及其相关协议进行深入了解和研究后，结合i p v 6 的通讯特点，丌发出 了i p v 6 下对w w w 业务进行监测的测量工具h t t p p e n e t r a t i n 9 6 和对e m a i l 5 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 业务进行监测的测量工具m a i l p e n e t r a t i n 9 6 ，以实现端到端用户业务的监 测。这两个测量工具均在r e dh a t8 0l i n u x 操作系统下开发，可以以多种 方式周期性地进行测量，并且采用命令行触发的工作方式，有很好的扩展 性，易于嵌入到很多大型测量平台中。选取国内外i p v 6 下的w e b 站点和 e m a i l 站点开展实验，实验结果表明，这两个工具可以准确实时地反映业 务的性能，利于网络管理员对业务进行瓶颈定位。该工具已嵌入到中国科 学院计算技术研究所信息网络室丌发的大型网络测量系统f o x 和n i p m a s 中进行长期测量，并通过国家8 6 3 项目组专家的验收，有一定的理论和实 用价值，为我国在i p v 6 下丌展下一步网络测量的研究奠定了基础。 1 4 论文的整体结构和章节安排 本论文的其余部分可以分为四章。 第二章对i p v 6 做一讲解，并概述i n t e m e t 行为测量和分析方法，重在 为研究i p v 6 下的网络测量作铺垫。共分为- - d , 节。其中，2 1 重点讲述下 一代i n t e m e t 协议i p v 6 ：2 2 从作用、实体和方式三方面介绍网络测量和 分析技术；2 _ 3 在前两小节的基础上引出在1 p v 6 下开展网络测量。 第三章具体阐述将主动测量和基于业务测量的概念结合起来，并将其 用于对i p v 6 下服务性能的监测。其中，3 1 从理论上剖析主动业务测量的 原理；3 2 把主动业务测量理论用于实践，重点讲述了两个测量工具 h t t p p e n e t r a t i n 9 6 和m a i l p e n e t r a t i n 9 6 的实现，并指出此理论还可用于对其它 多种业务的测量。 第四章通过实验来验证丌发的两个测量工具，并进一步论证了主动业 务测量的优点。4 1 介绍了开展实验的网络软硬件环境；4 2 说明实验所 依托的测量基础设施；4 3 对介绍了实验模型：4 4 是用h t t p p e n e t r a t i n 9 6 测量i p v 6 下的w w w 业务的运行情况及运行结果：4 5 是用 m a i l p e n e t r a t i n 9 6 测量i p v 6 下的e - m a i l 业务的运行情况及运行结果。 最后一章是对所做工作的总结和对下一步研究工作的展望。 6 太原理 ：人学硕十研究生学位论文 第二章在i p v 6 下开展网络测量 本章首先介绍下一代i n t e r n e t 协议i p v 6 的发展及其特点，然后从网络 测量的作用、测量实体和测量方式三方面概述i n t e r n e t 的测量与分析技术， 最后在前两部分知识的基础上引出在i p v 6 下开展网络测量。 2 1 下一代i n t e r n e t 协议i p v 6 2 1 1 i p v 6 的产生背景 早在6 0 年代初，许多科技工作者就考虑搭建计算机网络来实现参 加研究的科学家和课题组之间的资源共享和交流。a r p a 网( a r p a n e t ) 可 以作为计算机网络的最早和最著名的例子，到八十年代初，美国国家科学 基金会n s f 又建立了n s f n e t 。以后，其他联邦部门的计算机网相继并入 i n t e r n e t ，如能源科学网e s n e t ，航天技术网n a s a n e t ，商业网c o m n e t 等。 i n t e m e t 采用统一协议t c p i p 协议，易于互联网络的扩展，使计算机工 具、网络技术和信息资源不仅被科学家、工程师和计算机专业人员使用， 同时也能为一般民众服务，进入非技术领域，进入商业，进入家庭。 i p 地址用来标识一个节点在i n t e r n e t 中所在的位黄，是网络中数据包寻 径的依掘。i p 地址的全球唯一性是保证i n t e r n e t 端到端通信的根本。i p 协议 丌发者将i p 地址的长度设定为3 2 个二进制数位，从理论上讲，有2 ”约4 0 亿 个不同的地址，目前和近期不会有如此多的网络节点，从表面上看，不会 存在地址不够的问题。但是3 2 位的地址实际上分为两部分：网络号和主机 号。为了保证地址的唯一性，有一个统一的机构i a n a 负责对申请组织分 配唯一的网络号，在网络内部由组织自行分配主机号。i p v 4 地址采用这 种网络号主机号的模式引起了地址空f b j 的浪费和过度的路由负担。一个机 构即使只有8 0 0 台主机，仍将获得完整的b 类地址，占用6 5 5 3 4 个i p 地址。 虽然可以将一类地址划分成几个子网来增加地址的使用效率，但由于每个 7 太原理一l ：火学硕十研究生学位论文 子网内的全0 和全1 地址不可用，还是形成浪费。无类域问路由( c l a s s l e s s i n t e r d o m a i nr o u t i n g ，c i d r ) 和网络地址翻译( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n ， n a t ) 是在定程度上可以起到延缓i p v 4 地址耗尽的作用，但他们在一定 程度上会增加网络的负担，并且不可能解决随着网络飞速发展而带来的实 际地址短缺的问题。 此外，随着语音、视频等实时业务的出现的普及，对服务质量的要求 也越来越高，而i p v 4 的“b e s te f f o r t ”的服务机制是无法适应这种q o s 要求 的。 i p v 4 网络对安全的处理通常在应用层或传输层处理，这样即使应用层 数据本身是加密的，封装它的i p 数掘包仍可能泄露一些信息。虽然随着v p n 的出现，安全隧道协议和机制有所扩展，但又为一个统一的标准而困扰。 总之，i p v 4 本身不能提供网络层的安全性，给许多应用留下了一定的安全 隐患。 为解决因为网络发展规模而使l p v 4 陷入的困境及i p v 4 本身存在的一些 问题，为人类的生产和生活提供更便利、更高效、更安全的互连网络，i p v 6 应运而生。 2 1 2 i p v 6 的特点 2 1 2 1 层次化的地址结构 i p v 6 将现有的i p 地址长度由当前i i p v 4 的3 2 位扩充n 1 2 8 位，以支持更大 规模的网络节点。这样i p v 6 的地址总数就有2 1 2 8 个，平均到地球表面上来说， 每平方米将获得6 5 1 0 2 3 个t - g 址 ”】。i p v 6 支持更多级别的地址层次，i p v 6 的设计者把其地址空间按不同的地址f ； 缀来划分，采用层次化的地址结 构，利于骨干网路出器对数掘包的快速转发f 1 ”。 i p v 6 定义了三种不同的地址类型。分别为单点传送地址( u n i c a s t a d d r e s s ) ，多点传送地址( m u l t i c a s ta d d r e s s ) 和任意点传送地址( a n y c a s t a d d r e s s ) 。所有类型的i p v 6 地址都是属于接口( i n t e r f a c e ) 而不是节点 ( n o d e ) 的。一个i p v 6 单点传送地址被赋给某一个接口，而一个接口又只 能属于某一个特定的节点，因此一个节点的任意一个接口的单点传送地址 8 太原理。i = 大学硕十研究生学位论文 都可以用来标示该节点。i p v 6 多点传送地址用于表示一组节点。一个节点 可能会属于几个多点传送地址。在i n t e r n e t 上进行多播是在1 9 8 8 年随着d 类 i p v 4 地址的出现而发展起来的。这个功能被多媒体应用程序所广泛使用， 它们需要一个节点到多个节点的传输。r f c 2 3 7 3 2 0 】对于多点传送地址进行 了更为详细的 兑明，并给出了一系列预先定义的多点传送地址。任意点传 送地址也是一个标识符对应多个接口的情况。如果一个报文要求被传送到 一个任意点传送地址，则它将被传送到由该地址标识的一组接口中的最近 一个( 根据路由选择协议距离度量方式决定) 。 2 1 2 2 层次化的地址结构 i p v 6 对数据报头作了简化，以减少处理器开销并节省网络带宽。i p v 6 的报头由一个基本报头和多个扩展报头( e x t e n s i o nh e a d e r ) 构成，基本报头 的长度固定，为4 0 字节，存放所有路由器都需要处理的信息。由于i n t e r n e t 上的大部分数据包都只是被路由器简单地转发，固定的报头长度将有助于 加快路出速度。同时i p v 6 定义的多种扩展报头使得i p v 6 变得极其灵活，不 仅能提供对多种应用的强有力支持，也为以后支持新的应用提供了可能。 这些报头被放置在i p v 6 报头和上层报头之间，每一个可以通过独特的“下 一报头”的值来确认。除了逐个路程段选项报头( 它携带了在传输路径上 每一个节点都必须进行处理的信息) 外，扩展报头只有在它到达i p v 6 的报 头中所指定的目标节点时才会得到处理。在目标节点，先处理第一个扩展 报头f 如果没有扩展报头，则处理上层报头) ，每一个扩展报头的内容和语 义决定了是否去处理下一个报头。一个完整的i p v 6 的实现包括下面这些扩 展报头的实现：逐个路程段选项报头，目的选项报头，路由报头，分段报 头，身份认证报头，有效载荷安全封装报头，最终目的报头【4 1 。 2 ，1 2 3 服务质量的满足 l p v 4 采用“b e s te f f o r t ”传输，从原理上不对服务质量q o s 提供保证。 随着网络多媒体业务增加，如i p 电话、v o d 、电视会议等实时应用，对传 输延时和延时抖动均有严格的要求。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 i p v 6 数据包的格式包含一个8 位的业务流类别( c l a s s ) 和一个新的2 0 位的流标签( f l o wl a b e l ) 。其目的是允许发送业务流的源节点和转发业 务流的路由器在数据包上加上标记，并进行除默认处理之外的不同处理。 一般来说，在所选择的链路上，可以根据丌销、带宽、延时或其他特性对 数据包进行特殊的处理。 一个流是以某种方式相关的一系列信息包，i p 层必须以相关的方式对 待它们。决定信息包属于同一流的参数包括：源地址，目的地址，q o s ， 身份认证及安全性。i p v 6 中流的概念的引入仍然是在无连接协议的基础上 的，一个流可以包含几个t c p 连接，一个流的目的地址可以是单个节点也 可以是一组节点。i p v 6 的中间节点接收到一个信息包时，通过验证他的流 标签，可以判断它属于哪个流，从而能够知道信息包的q o s 需求，进行快 速转发。 2 l 2 4 网络层的认证与加密 安全问题始终是与i n t e r n e t 相关的一个重要话题。为加强i n t e r o e t 的安全 性，从1 9 9 5 年开始，i e t f 着手研究制定了一套用于保护口通信的i p 安全 ( i p s e c ) 协议。i p s e c 是i p v 4 的一个可选扩展协议，是i p v 6 的一个必须的 组成部分。 i p s e c 的主要功能是在网络层对数据分组提供规密和鉴别等安全服务， 它提供了两种安全机制：认证和加密。认证机制使i p 通信的数据接收方能 够确认数据发送方的真实身份以及数据在传输过程中是否遭到改动。加密 机制通过对数据进行编码来保证数据的机密性，以防数据在传输过程中被 他人截获而失密。i p s e c 的认证报头( a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ，a h ) 协议定 义了认证的应用方法，安全负载封装( e n c a p s u l a t i n g s e c u r i t y p a y l o a d ，e s p ) 协议定义了加密和可选认证的应用方法。在实际进行i p 通信时，可以根据 安全需求同时使用这两种协议或选择使用其中的种。a h 和e s p 都可以提 供认证服务，不过，a i i 提供的认证服务要强于e s p 。 作为i p v 6 的一个组成部分，i p s e c 是一个网络层协议。它只负责其下层 的网络安全，并不负责其上层应用的安全，如、v e b 、电子邮件和文件传输 等。也就是说，验证一个w e b 会话，依然需要使用s s l t b 议。不过，t c p i p v 6 1 0 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 协c 义簇中的协议可以从1 p s e c q o 受益，例如，用- j ：i p v 6 的o s p f v 6 路由协议 就去掉了用于i p v 4 的o s p f 中的认证机制。 2 1 2 5 即插即用的连网方式 i p v 6 提供即插即用的联网方式，具体来讲，只要机器一连接上网络便 可自动设定地址。这样做有两个优点：一是最终用户在设定地址时省了很 多精力，二是可以大大减轻网络管理者的负