（计算机科学与技术专业论文）ipv6网络拓扑发现关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着计算机网络技术的迅速发展，网络规模不断扩大，基于i p v 4 协议的i n t e r n e t 网络逐渐显露出地址空间匮乏、没有提供良好的服务质量等弊端，作为下一代网 络协议的i p v 6 协议随之应运而生。网络拓扑发现一直作为网络管理和网络安全最 基本的功能之一，对其技术的研究具有十分重要的意义。正是由于i p v 6 网络协议 中地址结构和各类协议等方面的变化，使得原本适用于i p v 4 网络的拓扑发现技术 和方法不能很好的应用到i p v 6 网络环境。因此，如何快速准确地实现i p v 6 网络拓 扑发现，成为本文研究的核心内容。 本文重点研究i p v 6 网络骨干网路由器级拓扑发现以及本地链路拓扑发现技 术，主要研究工作有： 1 ) 本文首先分析了i p v 6 网络的地址类型和协议产生的变化，并根据这些变化 提出在i p v 6 网络环境中进行拓扑发现存在的新问题。深入分析了当前典型的i p v 6 骨干网拓扑发现算法，并指出这些算法存在的问题，为展开下步工作打好基础。 2 ) 针对当前集中式拓扑发现技术无法很好地解决路由器接口多地址探测问 题，在分析了路由器多接口产生原因和常用的路由器多地址探测算法的基础上， 提出并实现了t r a c e r o u t e 6 网络工具和源路由技术相结合的路由器多地址探测算 法。 3 ) 分析了集中式拓扑发现技术无法发现路径间的交叉链路拓扑信息的原因， 提出了路径间的有向探测方法及其优化方法。此方法极大地提高了路径间交叉链 路拓扑信息发现的速率，并将路由器接口损失率限定在一个合理的范围内。 4 ) 本文提出了基于多播地址的本地链路拓扑信息发现方法，能够自动发现本 地链路内的所有路由器和主机节点。 5 ) 结合上述工作设计并实现了i p v 6 网络拓扑发现系统。该系统在实验室和 i p v 6 骨干网中进行测试和分析，验证了该系统的准确性和有效性，能够满足骨干 网和本地链路网络拓扑发现的需求。 主题词：i p v 6 ，拓扑发现，源路由，交叉链路，有向探测 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i da d v a n c e m e n ti nc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h en e t w o r ks c a l e h a sb e e n s t e a d i l ye n l a r g e d b a s e do nt h eg r a d u a l l yr e v e a l e dd e f e c t so fi n t e r n e ti p v 4 p r o t o c o l ，s u c ha sl a c k i n go fa d d r e s s ，a n dc o u l dn o tp r o v i d eag o o dq u a l i t yo fs e r v i c e ，e t c i p v 6p r o t o c o l ，a san e wg e n e r a t i o no fi n t e m e tp r o t o c o l ，h a sb e e nr e s u l t n e t w o r k t o p o l o g yd i s c o v e r yi sa l w a y sc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s tb a s i cf u n c t i o n so fn e t w o r k m a n a g e m e n ta n dn e t w o r ks e c u r i t y ，a n dt h er e s e a r c ho nt h i st e c h n o l o g yh a sb e e no fg r e a t s i g n i f i c a n c ea ta l lt i m e s i ni p v 6n e t w o r kp r o t o c o l ，i ti sd u et ot h ec h a n g e so fs t r u c t u r e a d d r e s sa n da l lk i n d so fp r o t o c o l ，t h em e t h o da n dt e c h n i q u eu s e di ni p v 4n e t w o r k t o p o l o g yd i s c o v e r yc a nn o tw o r kw e l li ni p v 6n e t w o r k t h e r e f o r e ，h o wt om a k ei p v 6 n e t w o r kt o p o l o g yd i s c o v e r yr a p i d l ya n da c c u r a t e l yh a sb e c o m et h ec o r eo ft h i st h e s i s t 1 1 i st h e s i sf o c u s e do nt h ei p v 6i n t e r n e tb a c k b o n en e t w o r k l a y e rt o p o l o g y d i s c o v e r y ，a sw e l la st h el i n k l o c a lt o p o l o g yd i s c o v e r yt e c h n o l o g y ，a n dt h em a i n c o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s 1 ) t i l i st h e s i sf i r s t l ya n a l y z e sa l lt y p e so fa d d r e s sa n dt h ec h a n g e so fi p v 6 n e t w o r kp r o t o c 0 1 a n dw i t ht h e s ec h a n g e s ，t h i st h e s i s p r e s e n t st h en e w p r o b l e m si nt h ei p v 6n e t w o r ke n v i r o n m e n tt o p o l o g yd i s c o v e r y ，a n da l s o m a k e sad e e pa n a l y s i so ft h ec u r r e n tt y p i c a la l g o r i t h mo fi p v 6b a c k b o n e n e t w o r kt o p o l o g yd i s c o v e r ya n dp o i n t so u tt h ep r o b l e m si ni t ，l a y sag o o d f o u n d a t i o nf o rt h en e x ts t e p 2 1i nv i e wo fc u r r e n tc e n t r a l i z e dt o p o l o g yd i s c o v e r yt e c h n o l o g yc a nn o tr e s o l v e t h ep r o b l e mo ft h em u l t i - i n t e r f a c eo ft h er o u t e rv e r yw e l l ，m e a n w h i l ea n a l y z e t h ec a u s eo ft h er o u t e rm u l t i - i n t e r f a c ea n dt h ec o m m o n a l g o r i t h mo ft h er o u t e r m u l t i - i n t e r f a c e ，t h i st h e s i sp r o p o s e sa n di m p l e m e n t st h ed e t e c t i o na l g o r i t h mo f t h er o u t e rm u l t i - a d d r e s sw i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h et r a c e r o u t e 6n e t w o r kt o o l a n ds o u r c er o u t i n gt e c h n o l o g y 3 ) t h i st h e s i sa n a l y z e st h er e a s o no ft h a tt h ec e n t r a l i z e dt o p o l o g yd i s c o v e r y t e c h n o l o g yc a nn o tf i n dt h et o p o l o g yi n f o r m a t i o no fc r o s s l i n kb e t w e e nt h e p a t h s ，a n dp r e s e n t st h em e t h o do fd i r e c t i o n a ld e t e c t i o nb e t w e e np a t h sa n di t s o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m t i l i sm e t h o dc a l lf u l l yr a i s et h er a t e so fc r o s s - l i n k t o p o l o g yd i s c o v e r yb e t w e e np a t h s ，a n dl i m i t st h el o s sr a t e so fr o u t e ri n t e r f a c e i n t oa na c c e p t a b l er a n g e 4 ) t h i st h e s i sf i n d so u tt h el o c a l l i n kt o p o l o g yd i s c o v e r ym e t h o d ，a n di tc a n d i s c o v e ra l lr o u t e r sa n dh o s t si nt h el i n k 1 0 c a l 5 ) c o m b i n e dw i t ht h ea b o v e - m e n t i o n e dw o r k ，i td e s i g n sa n di m p l e m e n t sa s y s t e mo fi p v 6t o p o l o g y ，i th a sb e e nt e s t e da n da n a l y z e di nt h el a b o r a t o r ya n d i p v 6b a c k b o n en e t w o r k ，a n dv e r i f i e dt h ea c c u r a c ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 s y s t e m t h es y s t e mc a n b es a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to fb a c k b o n en e t w o r ka n d l i n k 1 0 c a ln e t w o r kt o p o l o g yd i s c o v e r y k e yw o r d s ：i p v 6 ，t o p o l o g yd i s c o v e r y ，s o u r c er o u t i n g ，c r o s s l i n k ，d i r e c t i o n a l d e t e c t i o n 第i “页 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 表目录 表2 1i p v 6 地址空间分配方案7 表3 1g e t a d d r i n f o 和a d d r i n f o 的地址结构。2 8 表5 1s o c k a d d r s o c k a d d ri n 数据结构4 1 表5 2 设备表d e v i c e 4 5 表5 3 链路表l i n k 4 5 表5 4 接口表i n t e r f a c e 4 5 表5 5 源路由信息表s o u r c e r o u t e 4 5 表5 6 路径间有向探测信息表d i r e c t i o n 4 6 表6 1u d p i c m p v 6 与路径间的有向探测结果对比5 1 表6 2 资源消耗对比5 1 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图2 1i p v 6 报头格式5 图2 2i p v 4 报头格式5 图2 3 报头扩展头链6 图2 4i p v 6 全球可集聚单播地址格式8 图2 5 嵌有i p v 4 地址的i p v 6 地址8 图2 6 本地链路和本地站点地址9 图2 7i p v 6 多播地址格式9 图2 8i p v 6 源路由首部格式1 0 图2 9 携带i c m p v 6 报文的i p v 6 数据报1 2 图3 1 路由器多地址产生示意图1 5 ( a ) 实际网络拓扑图( b ) t r a c e r o u t e 6 探测到的拓扑图1 5 图3 2 路由器处理多地址探测报文示意图。1 6 图3 3 常用路由器多地址探测解决方案1 7 图3 4 结合源路由机制探测交叉链路拓扑信息18 ( a ) 基本的t r a c e r o u t e 6 探测结果( b ) 结合源路由后探测结果1 8 图3 5 路由器多地址探测。1 9 图3 6 探测多个路径间的交叉链路拓扑信息图2 0 图3 7 路径间有向探测图2 2 ( a ) 优化前的路径间有向探测( b ) 优化后的路径间有向探测2 2 图3 8 交叉链路拓扑信息探测算法。2 3 图3 9 探测数据与拓扑信息转化示意图2 5 图3 1 0i p v 6 i p v 4 双协议栈的协议结构2 6 图3 1 1双栈路由拓扑示意图2 6 图3 1 2 基于源路由的骨干网拓扑发现结构2 9 图4 1获取本地链路节点信息方案一31 图4 2 本地链路地址和全局地址3 2 图5 1 分布式拓扑发现示意图3 4 图5 2 集中式拓扑发现示意图3 5 图5 3c r o s s 1 i n k 示意图3 5 图5 4 系统结构图3 6 图5 5 路由器节点信息链表。3 9 图5 6 链路信息链表3 9 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 7 拓扑信息探测流程图。3 9 图5 8 接收及处理模块的内部逻辑图4 2 图5 9m y s q l 体系结构和进程概况4 3 图5 1 0 本地链路探测流程图4 7 图5 1 1交叉链路拓扑信息探测流程图4 9 图6 1本地链路网络配置图5 2 图6 2 探测本地链路内所有节点信息5 3 图6 3 探测本地链路内路由器节点信息5 3 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： ! 旦! 圈垒堑主i = 塞丑差熊拯盔砑窥 学位论文作者签名：叠亟 日期：细占年，月侈日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存。汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：b 口口g 年1 ，月，吕日 日期：u p 移年山月伽笨 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 随着信息时代的飞速发展，计算机网络已经渗透到社会的方方面面，包括科 研、教育、军事和商业等许多领域，已逐渐成为人们办公活动和日常生活中不可 或缺的一部分。随着网络的普及以及信息社会对计算机网络的依赖，使得计算机 网络的规模迅速扩大，i p v 4 协议逐渐不能满足网络发展的需要。为此i e t e 在1 9 9 3 年成立了i p n ga r e a 研究下一代互联网协议，即i p v 6 协议【l j 。与i p v 4 相比，i p v 6 协议最显著的特点是地址容量巨大，从i p v 4 的3 2 位地址空间扩充到1 2 8 位，极大 满足了目前网络地址增长的需求。同时在安全性、服务质量及移动性等方面有了 较大的改进，使因特网能承担更多的任务，为以i p 为基础的网络融合奠定了坚实 的基础。 由于i p v 6 网络的产生，使得网络自身的可靠性得到了大幅度的提升，但同时， 也对网络的管理提出了更高的要求。随着网络管理重要性的日益突出，获取网络 的拓扑结构又逐渐成为网络管理中一项具有重要意义的研究内容。网络拓扑是网 络中所有实体间联系情况的图形化表现，而在物理网络拓扑中，由实际物理导线 相连的设备的端口是拓扑图中的实体。一个物理拓扑可以对应不同层面的多种逻 辑拓扑，比如i p 层，网络中主机和路由器是拓扑中的实体，而在工作组层，拓扑 中的实体又成了逻辑相连的工作组。在本文中讨论的网络拓扑是专门指i p 层的逻 辑拓扑，其中将忽略物理层的设备( 包括集线器，网桥等) 。 网络拓扑发现是基于网络管理协议或网络提供的可用工具开发出的一种拓扑 算法或工具。然而由于i p v 6 在协议上的变化而产生的新特性，原本在i p v 4 网络的 拓扑发现技术、方法和结构都必须进行转换，才能应用于i p v 6 网络环境。 1 2 课题目标 本课题的目标是研究大型网络探测系统，重点解决网络拓扑发现技术在 i n t e m e t 复杂网络环境中的适应能力，提高拓扑探测的完整性、准确性和效率。本 文主要采用i c m p v 6 、u d p 和s o u r c er o u t i n g 拓扑探测结合的技术路线，研究i p v 6 网络环境和从i p v 4 向i p v 6 过渡期间的骨干网和本地链路网络的拓扑发现等问题。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 网络拓扑发现研究现状 在i p v 6 网络出现之前，i p v 4 网络的管理中，采用的网络拓扑发现方法主要有 以下几种：基于s n m p 的网络拓扑发现方法、基于通用协议的网络拓扑发现方法 和基于路由协议的网络拓扑发现方法。其中，基于s n m p 的网络拓扑自动发现方 法是种应用比较广泛，对信息获取比较充分的拓扑发现方法。 i p v 4 网络环境下，基于s n m p 的拓扑探测方法要求探测范围内的设备支持 s n m p ，拓扑探测程序通过s n m pm i b 获取路由器的路由表来计算网络拓扑结构。 但是在i p v 6 网络环境下，原有的m i b 已经不能完全满足需要，主要原因是原有的 m i b 定义都只支持3 2 位的i p v 4 地址。虽然r f c 2 4 6 5 和r f c 2 4 6 6 等文档已经定义 了i p v 6 网络中扩展的m i b 标准【2 儿3 1 ，但目前常用的操作系统( 如w i n d o w s 、l i n u x 、 u n i x 等) 都还不能支持这些m i b 标准，因此目前就不能通过基于s n m p 的拓扑 探测方法来发现i p v 6 网络拓扑结构。此外，大部分i p v 6 路由器协议使用本地链路 地址来定义路由表的下一跳对象( i p v 6 r o u t e n e x t h o p ) 【4 】1 5 1 ，所以目前提出的i p v 6 骨干网探测方法，大多是采用基于通用协议的方式来进行拓扑探测。 近年来，在网络拓扑发现的研究领域主要有以下成果： 国外方面，在各种提出的网络拓扑发现设想方法中，比较有代表性的i p v 6 网 络拓扑发现方法是法国洛林( o r i a i n r i a ) 实验室的i a s t i c 和o f e s t o r 提出的 层次化拓扑发现过程【6 j 。具体的作法是：在每个子网内设置本地代理( l o c a la g e n t ， l a ) ，本地代理通过多播发现子网内的所有节点及其链路层地址、每个节点的类 型( 主机还是路由器) 、子网前缀以及各节点的名字和全局地址。设置一个管理 中心( c e n t r a lm a n a g e r ，c m ) ，本地代理知道管理中心的地址，并将发现的本地拓 扑信息发送给管理中心。管理中心集中处理由多个本地代理送来的拓扑信息，综 合分析出全网的拓扑结构。 国内方面，北京航空航天大学的宫晨等人提出了基于隧道接入的分布式探测 方法1 7 j 。此方法可以让在同一域内的不同机器使用不同的隧道链接到i p v 6 骨干网 中，以实现分布式的拓扑发现。虽然在物理上，这些机器都处于同一自治域，但 i p v 6 i n i p v 4 的隧道使它们的探测起始点跨越了i p v 4 的自治域，而从其他的自治域 开始，这在逻辑上相当于从i p v 6 的不同自治域进行拓扑探测，从而实现了分布的 多点探测。 这些研究的优势在于网络设备的信息搜集较完备，而其不足则在于拓扑发现 周期长、针对性较强、部署较困难等。当前，i p v 6 骨干网拓扑发现技术已经取得 了很大的技术性突破，但仍然很难满足要求，面临的主要问题是拓扑手段单一， 获取的信息量小，拓扑发现的准确性和完整性不高。此外，在拓扑发现中，对路 第2 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 由器的多接口识别仍是目前的研究难点。 1 4 课题研究内容和组织结构 课题研究的目标是针对i p v 6 网络带来的新问题，研究i p v 6 网络以及i p v 6 i p v 4 混合网络的拓扑发现的方法和技术，设计并实现一个具有时时探测功能的i p v 6 骨 干网和本地链路拓扑发现系统，课题主要内容如下： 1 ) 根据源路由作为i p v 6 网络中的一项基本的特征，提出了基于源路由探测的 i p v 6 骨干网拓扑发现优化方法。基于此方法，提出了路径间交叉链路拓扑信息的 有向探测方法及其优化方法，弥补了集中式拓扑发现无法快速发现交叉链路拓扑 信息的缺点。 2 ) 分析现有的路由器多地址探测方法，提出了t r a c e r o u t e 6 工具与源路由技术 相结合的i p v 6 骨干网路由器多地址探测的方法，并将发现的路由器的多地址接口 关系转化为路由器之间的关系，提高了骨干网路由器发现的准确率。 3 ) 设计并实现了i p v 6 本地链路的拓扑发现。通过对i p v 6 多播地址发送回声 请求报文实现对本地链路内所有主机和路由器的探测和识别。 4 ) 双栈节点的发现与识别。在i p v 6 i p v 4 网络中有很多路由器是双栈结构， 这些路由器同时支持i p v 4 和i p v 6 两种协议，并大量存在于i p v 6 h p v 4 混合网络的 边缘节点中。针对这种情况，本课题研究双栈路由器协议栈i p 信息的获取和判定 方法。 5 ) 设计并实现了主动探测的基于源路由的i p v 6 拓扑发现原型系统。从而有效 的发现骨干网及本地链路中的网络拓扑结构。 本文从分析i p v 6 骨干网络及本地链路网络拓扑发现所用到的协议出发，介绍 了基于i p v 6 的网络拓扑发现技术，设计并实现了一个基于源路由的i p v 6 网络拓扑 发现系统，并对在拓扑发现中可能遇到的问题做了深入细致的研究。全文共分六 章，各章的组织结构如下： 第一章，诸论。介绍了课题研究的背景、研究目标、i p v 6 网络拓扑发现技术 研究现状以及本文主要研究内容； 第二章，i p v 6 网络拓扑发现技术相关技术。介绍与拓扑发现相关的i p v 6 领域 的基础知识；阐明现有骨干网络拓扑发现的算法和成果；最后介绍了支持i p v 6 网 络拓扑发现的网络协议。 第三章，基于源路由的i p v 6 骨干网拓扑发现技术。介绍了基于t r a c e r o u t e 6 的 骨干网拓扑发现技术；深入分析了当前路由器多地址探测存在的问题，并针对这 些问题提出了基于i p v 6 源路由的路由器多地址探测方法；为解决集中式探测结构 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 无法发现网络交叉位置拓扑信息的问题，本文提出了路径问的有向探测方法及其 优化方法。 第四章，i p v 6 本地链路网络探测技术。介绍了本地链路拓扑发现技术。 第五章，i p v 6 网络拓扑发现系统设计与实现。承接前两章，对于重要模块， 给出了详细的设计思路和实现方案。 第六章，系统测评与分析。对本系统的正确性和效率加以测试，并得出测试 结论。 结论。对论文工作进行总结，并指出今后的研究方向和需要进一步完成的工 作。 1 5 课题的研究成果 本文的研究成果主要是：设计与实现了一个基于源路由i p v 6 网络拓扑发现原 型系统，为有效解决大规模i p v 6 网络拓扑探测提供了技术支持。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章i p v 6 网络拓扑发现相关技术 i p v 6 协议的引入使得互联网有了飞速发展，许多机构和标准化组织开始致力 于i p v 6 协议描述、实现和测试工作。本章节将阐述与网络拓扑发现相关的i p v 6 领 域中所涉及到的概念和应用等内容。 2 1 1i p v 6 产生的变化 2 1i p v 6 网络技术概述 拓扑发现中对路由器地址的发现是形成拓扑信息的重要基础。i p v 6 提供1 2 8 位的地址空间，不仅从根本上解决了i p 地址空间匮乏的问题，而且1 2 8 位的地址 长度也更能适应芯片和c p u 处理方式。但同时，地址的类型和层次也变得更为复 挚f 8 】 ，j 、o i p v 6 中的变化主要体现在以下五个方面： 1 ) 扩展地址。i p v 6 的地址结构中除了把3 2 位地址空间扩展到1 2 8 位外，还 取消了广播地址而代之以任意播地址。 2 ) 简化头格式。与i p v 4 的报头( 如图2 2 所示) 相比，i p v 6 报头( 如图2 1 所示) 要简洁的多。其中，去掉i p 头校验和不会影响可靠性，这主要是因为报头 校验和将由更高层协议( u d p 和t c p ) 负责。 版本优先级 流标识( 2 4 b i t s l 有效数据长度( 1 6 b i t s ) 下一报头( 8 b i t s lh o p 限制( 8 b i t s ) 源地址( 1 2 8 b i t s 、 目的地址( 1 2 8 b i t s l 图2 1i p v 6 报头格式 版本 报头长度服务类型总长度 标识号 标志 分段号 生存时问协议报头校验和 源地址 目的地址 选项 p a d 图2 2i p v 4 报头格式 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 3 ) 增强对于扩展和选项的支持。与i p v 4 中可以在i p 头的尾部加入选项不问， i p v 6 中把选项加在单独的扩展头中。在i p v 6 报头中用“下一报头”指明报头后面 跟的报头类型，它可以是扩展报头，也可以是t c p u d p 报头。如果是扩展报头， 在扩展报头中再指明下一个报头的类型，组成报头扩展头链，如图2 3 所示。 l 下一i p 报v 6 头双：t c p t c p 头+ 数据 i 下一报i p 头v 6 ：双路由报头 路由报头 下一报头= t c p t c p 头+ 数据 i 下一鬈骁报头 路由报头 分段报头 t c p 头+ 数据 下一报头= 分段报头下一报头= t c p 图2 3 报头扩展头链 4 ) 流标签。只用源地址、目的地址和流标签3 个要素来决定数据报的流分类， 这样流分类方式更高效，减少了路由器的处理时间。在i p v 6 规范中对流做如下定 义p j ：流是指从一个特定源发向一个特定( 单播或者是组播) 目的地的包序列，源 点希望中间路由器对这些包进行特殊处理。 5 ) 身份验证和保密。i p v 6 使用了两种安全性扩展：i p 身份验证头( a h ) 和 i p 封装安全性净荷( e s p ) 。 2 1 2i p v 6 地址类型 i p v 6 地址有三种类型：单播、任意播和多播。广播地址已不再有效。r f c 2 3 7 3 中定义了三种i p v 6 地址类型【1 0 l ： 单播：一个单接口的标识符。送往一个单播地址的包将被传送至该地址标识 的接口上。 任意播：一组接口( 一般属于不同节点) 的标识符。送往一个泛播地址的包 将被传送至该地址接口之一( 根据选路协议对于距离的计算方法选择“最近 的 一个) 。 多播：一组接口( 一般属于不同节点) 的标识符。送往一个组播地址的包将 被传送至该地址标识的所有接口上。 在详细介绍三种地址类型之前，首先介绍i p v 6 地址分配。在i p v 6 地址中，不 同的地址前缀代表了不同的地址类型。通过了解i p v 6 地址前缀，可以更有助于理 解上述提到的三种地址类型。i p v 6 地址分配方案如表2 1 所示。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表2 1i p v 6 地址空间分配方案 7 分配 7 。 前缀( = 进制) 所占地址比例7 7 。”。9 ， ? ，“ 保留 0 0 0 0 0 0 0 01 2 5 6 未分配 0 0 0 00 0 0 11 2 5 6 为n s a p 地址保留 0 0 0 00 0 l 1 1 2 8 为i p x 地址保留 0 0 0 00 1 01 1 2 8 未分配 0 0 0 00 1 11 1 2 8 未分配 0 0 0 0l 1 3 2 未分配 0 0 0 11 1 6 可聚集单点传送地址 0 0 l1 8 未分配 0 1 0 1 8 未分配 0 1l1 8 为基于地理位置的地址保留 1 0 01 8 未分配 1 0 11 8 未分配 1 1 01 8 未分配 1 11 01 1 6 未分配 1 11 101 3 2 未分配 11 111 01 6 4 未分配 l1 111 1 01 1 2 8 未分配 1 11 11 11 0o 1 5 1 2 本地链路地址 1 11 11 11 01 01 1 0 2 4 本地站点地址 1 11 11 11 01 11 1 2 0 4 多播地址 1l l1l l1 1 1 2 5 6 1 ) 单播地址i 剐 一个单播地址只能标识一个唯一的接口【8 1 。也就是说，如果存在一个单播地址， 那么向这个单播地址发送的数据报将最终到达唯一的一个节点。i p v 6 单播地址可 以像c i d r 的i p v 4 地址一样，根据前缀进行聚合。单播地址有以下几种形式：全 球单播地址( g l o b a lu n i c a s ta d d r e s s ) 、未指定地址( u n s p e c i f i e da d d r e s s ) 、环回 地址( l o o p b a c ka d d r e s s ) 、嵌入i p v 4 地址的i p v 6 地址、本地链路地址等。 可集聚全球单播地址 可集聚全球单播地址包括地址格式的起始3 位为0 0 1 的所有地址( 此格式可 在将来用于当前尚未分配的其他单播前缀) 。全球单播地址格式如图2 4 所示。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 31 382 41 6 “位 f pr e sn l a i dl s a i d 接口标识符 t l a i d 图2 4i p v 6 全球可集聚单播地址格式 嵌有i p v 4 地址的i p v 6 地址 现阶段，i p v 4 与i p v 6 需要共存，那么，i p v 6 的传输机制包含一项可以在i p v 4 网络上传输i p v 6 数据报的技术，这些路由器既支持i p v 4 ，也支持i p v 6 。要使用这 项技术，就要给i p v 6 节点分配一个嵌入i p v 4 地址的i p v 6 地址，称为i p v 4 兼容地 址。该地址前8 0 位都是0 ，第8 1 9 6 位是0 0 0 0 ，最低3 2 位是i p v 4 地址。其格式 如图2 5 所示。 i p v 4 兼容地址 8 0 位 1 6 位3 2 位 0 0 0 0 - 0 0 0 00 0 0 0接口标识符 i p v 4 映象地址 8 0 位 1 6 位3 2 位 0 0 0 0 0 0 0 0f f f f 接口标识符 图2 5 嵌有i p v 4 地址的i p v 6 地址 需要注意的是，这里使用的i p v 4 地址必须是全球唯一的i p v 4 单播地址。还有 一种嵌入i p v 4 地址的i p v 6 地址，这种地址被称为i p v 4 映射地址，用来把i p v 4 地 址映射为i p v 6 地址。它的链路号较小格式与i p v 4 兼容地址的格式类似，只是第 8 1 9 6 位是f f f f 。 未指定地址与环回地址 未指定地址被定义为0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ( 也可以记做：) 。该地址不能分配给任何 节点接口。在初始状态、即还未分配地址时，可以使用未指定地址，作为它所发 数据报的源地址。环回地址被定义为0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：1 ( 也可以记做：1 ) 。环回地址 就相当于接口本身。当接口向环回地址发送数据报时，只有该接口自己能收到。 本地链路地址 单播地址在本地使用时，可以用作本地链路地址( l i n k l o c a la d d r e s s ) 。本 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 地链路地址f j l o 位是1 1 1 l l l l 0 1 0 ，中间5 4 位全是o ，最后6 4 位是接口标识。所 以本地链路地址是以f e 8 0 开头。其格式如图2 6 所示。 本地链路地址 1 0 位5 4 位6 4 位 1 1 1 1 l l l o l o o o o o o o o o接口标识符 本地站点地址 l 啦 3 8 位1 6 位 6 4 位 l l l l l l l o l l 0 0 0 0 o 0 0 0 子网标识符 接口标识符 图2 6 本地链路和本地站点地址 例如：f e 8 0 ：2 a ：c 9 f f ：f e 9 c ：d 3 7 0 表示的就是一个本地链路地址。本地链路地址在 单一网络内部唯一地标识接口，用于自动地址配置、邻居发现和其他没有路由器 的情况。每个接口至少有一个本地链路地址。需要注意的是：r f c 3 5 1 3 中定义的 本地站点地址( s i t e l o c a la d d r e s s ) 已经在r f c 3 8 7 9 中被废除儿1 2 】。 2 ) 多播地址瞵j 一个多播地址用来标识多个接口，而这些接1 2 1 通常属于不同节点【8 j 。如果向一 个多播地址发送数据报，那么包含在该多播地址中的所有接口( 节点) 都能收到 该数据报。多播地址以1 11 l1 l1 11 开头，即f f 。例如：m 2 ：b 8 8 0 ：6 0 d 4 ：1 8 b 4 ：a f 6 b 表示的就是一个多播地址。多播地址的地址格式如图2 7 所示。 8 位4 位4 位1 1 2 位 l l l l l l l l l l 标志范围组标识符 图2 7i p v 6 多播地址格式 3 ) 任意播地址1 8 】 任意播地址也是用来标识多个接口的，通常这些接1 2 1 也是属于不同节点【8 j 。但 是与多播地址不同，如果向任意播地址发送数据报，那么包含在该任意播地址中 的，与源节点“最近”的一个接口( 节点) 将响应该数据报。如何确定这个“最 近的接口，由路由选择协议确定。任意播地址是从单播地址空间中划分出来的， 所以它与单播地址有相同的形式。因此，当一个单播地址属于多个接口时，它就 是任意播地址。但是，任意播地址不能作为i p v 6 数据报的源地址。它也只能分配 给路由器，而不能分配给主机。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 1 3i p v 6 源路由技术 i p v 6 源路由( s o u r c er o u t i n g ) 技术在i p v 6 协议中保留了由发送方指明一条不 严格的源路由的能力【l 引。与i p v 4 通过选项提供源路由所不同的是，i p v 6 使用了一 个独立的扩展首部。如图2 8 所示，路由选择首部中的前四个字段是固定的。路由 选择类型( r o u t i n gt y p e ) 字段指明路由选择信息的类型，目前有定义的类型 只有类型0 ，对应于不严格的源路由。特定类型数据( t y p e s p e c i f i cd a t a ) 字 段包含的是数据报必须经过的路由器的地址列表。剩余分片( s e gl e f t ) 字段指 明列表中包含的地址总数。最后，首部扩展长度字段( h d re x tl e n ) 指明路由 选择首部的大小哺j 。 081 62 43 l 下一首部首部扩展长度路由选择类型剩余分片 特定类型数据 ； 图2 8i p v 6 源路由首部格式 源路由机制允许探测点指定包到达目的节点的路径，每个被指定的包在到达 目的地址之前必须依次经过其设备接口地址列表中的所有接口。 2 2i p v 6 网络拓扑发现概述 2 - 2 1 网络拓扑及拓扑发现相关概念 网络拓扑是网络中所有实体间相联关系的图形化表现。在物理网络拓扑中， 由实际物理导线相连的设备的端口是拓扑图中的实体。一个物理拓扑可以对应不 同层面的多种逻辑拓扑，比如在网络层，网络中主机和路由器是拓扑中的实体， 而在工作组层，拓扑中的实体又成了逻辑相连的工作组【_ 7 1 。本文讨论的网络拓扑专 指网络层的逻辑拓扑，而并非物理层的设备( 包括集线器，网桥等) 。 准确快速地对网络设备进行拓扑发现，正确生成并维护网络拓扑结构图，是 网络管理中的一项重要功能。网络拓扑自动发现系统就是要识别网络中各种类型 的设备、设备之间的连接关系，并获取各类型设备的配置信息。获取网络拓扑的 最大用处是进行网络管理和网络规划。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 2 网络拓扑发现新特点 随着i p v 6 协议的诞生，许多新的理念和新的观点被引入到了计算机网络中。 综观i p v 6 协议主要有以下几个新的特点：首先，它具有多达2 1 2 8 个地址，极大满 足了地址空间不断扩大的需要。其次，i p v 6 协议还具有高效的i p 包头、服务质量、 主机地址自动配置、认证和加密等许多技术。 正是由于新的网络协议中地址结构等方面的变化，造成了原本在i p v 4 协议中 的拓扑发现技术必须经过一定的修改才能在i p v 6 网络中使用。但