CN101163109A - 一种自治系统级网络路由拓扑构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种被动式自治系统级网络路由拓扑实时构建方法。应用本方法，使路由信息采集探针与网络中的BGP边界路由器建立会话，通过被动的方式实时采集BGP路由更新消息，然后基于“一跳式分析”给出网络中自治系统级的完整路由拓扑。这种完整性主要体现在：可以给出任何时刻网络中所有可用的自治系统级路由连接性；可以将上述连接性具体到每个自治系统的边界路由器上。

Description

一种自治系统级网络路由拓扑构建方法

技术领域

本发明总的涉及网络测量和性能分析技术领域，特别地，本发明涉及一种自治系统级网络路由拓扑构建方法。

背景技术

目前，Internet和较大的网络服务提供者(ISP)的网络被分成大量的自治系统(Autonomous System，AS)，自治系统定义管理区域和作用于自治系统范围的路由策略。Internet级的路由结构一般被划分为域内路由和域间路由两种结构。对于域内路由，有多种域内路由协议，包括开放最短路径优先(OSPF)协议、路由信息协议(RIP)、中间系统到中间系统协议(IS-IS)和内部网关路由协议(IGRP)等等。对于域间路由，边界网关协议(BorderGateway Protocol，BGP)是目前的事实标准，BGP是通过运行在各个自治系统的边界路由器上、相互交换AS级的路由可达性信息来完成域间路由的。

网络拓扑是指网络元素之间的一种连接性信息，AS级网络路由拓扑是指网络中自治系统之间的路由连接性信息。目前AS级网络路由拓扑的构建主要有两种技术：基于BGP路由表信息构建技术和基于BGP路由更新报文(BGP Update)信息构建技术。一般来说，在同等情况下，基于BGP路由表信息进行AS级网络路由拓扑的构建比基于BGP路由更新报文信息进行构建拥有更多的信息量，但是，获取BGP路由表信息是通过主动轮询进行网络测量，不可避免地存在会向网络中注入较大流量数据的缺陷，同时，这种方式也无法实现对网络路由拓扑结构的变化实时地发现并更新。对于BGP路由更新报文信息的路由拓扑构建技术，由于BGP协议本身的特性：增量性和策略性，使得很难获得完整的自治系统级网络路由拓扑。目前，基于BGP路由更新报文信息的自治系统级网络路由拓扑构建技术大多只使用BGP路由更新报文中的AS-Path路径属性信息，AS-Path路径属性中相邻的自治系统在路由拓扑中反映为连接关系，同时对这种邻接关系维护权值，表示其上所承载的前缀数量，以监视拓扑中邻接关系的变化。但是这类方法存在着如下的缺陷：第一，需要假设每个自治系统只有一个路由器；第二，将自治系统之间的关系限制在一些标准的、简单的路由策略(如客户-提供商策略关系(customer-provider)、对等策略关系(peer-peer)等)关系下。实践表明，这种方法是对自治系统级路由拓扑发现的一种限制，使得由此构建的自治系统级网络路由拓扑比较粗糙、不完整，甚至与实际吻合相对较差。

发明内容

为了克服现有技术中自治系统级网络路由拓扑构建不完整、吻合度差的缺陷，本发明提出了一种自治系统级网络路由拓扑构建方法。

一种自治系统级网络路由拓扑构建方法，包括：

步骤10)、在自治系统级网络中部署路由信息采集探针，使其参与到所述自治系统的内部边界网关协议全耦合中；

步骤20)、所述路由信息采集探针与网络中的边界网关协议(BGP)边界路由器建立对等关系会话，被动地采集网络中的BGP路由更新报文，记录报文信息；

步骤30)、若步骤20)中所述报文信息类型为BGP路由更新报文中的路由宣告报文信息，提取所述更新报文中的前缀信息，建立或者撤销拓扑中的路由路径；

步骤40)、若步骤20)中所述报文信息类型为BGP路由更新报文中的路由撤销报文信息，提取所述BGP边界路由器所要撤销的前缀信息，并且提取到达所述前缀的原下一跳路由器，在网络自治系统级路由拓扑中将以所述边界路由器的IP地址和所述原下一跳路由器为两个端点的自治系统级边上的权重减一，若该边的权重被减为零，则从网络自治系统级路由拓扑中删除该边；

步骤50)、若步骤20)中所述报文信息类型为邻居丢失控制信息，提取所述BGP边界路由器所能到达的所有前缀以及对应的下一跳路由器，将以所述边界路由器的IP地址和所述下一跳路由器为两个端点的自治系统级边上的权重减一，若该边的权重被减为零，从网络自治系统级路由拓扑中删除该边。

其中，所述路由信息采集探针与所述BGP边界路由器建立起BGP会话后，被动地接受对方发送过来的BGP更新报文，不向网络中注入其他任何报文请求信息。

步骤20)中，所述记录的报文信息包括：与所述路由信息采集探针建立BGP对等关系会话的BGP边界路由器IP地址和自治系统，以及与BGP边界路由器之间的邻居丢失或者邻居建立控制信息。

其中，步骤30)进一步包括：

步骤310)、根据所述前缀信息，检索所述更新报文所对应的BGP边界路由器IP地址的所有前缀，若所述前缀是一全新前缀，则记录所述前缀、到达所述前缀的下一跳路由器和到达所述前缀经过的自治系统路径；

步骤320)、在网络自治系统级路由拓扑中查找以所述边界路由器的IP地址和所述下一跳路由器为两个端点的自治系统级边，若查找到，将此边的权重增一，若未查到，在网络自治系统级路由拓扑中增加一条以所述边界路由器的IP地址和所述下一跳路由器为两个端点的自治系统级边，并将其权重置为一。

其中，步骤30)进一步包括：

步骤330)、根据所述前缀信息，检索所述更新报文所对应的BGP边界路由器Peer IP的所有前缀，若所述前缀不是一全新前缀，则从所述BGP边界路由器IP地址的所有前缀中提取到达所述前缀的原下一跳路由器，在网络自治系统级路由拓扑中将以所述BGP边界路由器的IP地址和所述原下一跳路由器为两个端点的自治系统级边上的权重减一；

步骤340)若所述自治系统级边的权重被减为零，则从网络自治系统级路由拓扑中删除该边，将所述BGP边界路由器Peer IP中的所有前缀关于所述前缀的下一跳路由器改为更新报文中的下一跳路由器，并将到达所述前缀的自治系统路径改为更新报文中的自治系统路径。

通过应用本发明，使路由信息采集探针与网络中的BGP边界路由器建立会话，通过被动式的网络测量方式，可以在不加重网络负载的情况下，实时地采集到BGP路由更新消息，并给出自治系统级网络的完整路由拓扑。

附图说明

图1路由信息采集探针网络部署示意图；

图2本发明一个实施例的自治系统级网络路由拓扑构建方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本实施例对现有技术中的基于BGP路由更新报文信息的路由拓扑构建方法进行改进，无需下述两种假设：第一，每个自治系统只有一个路由器，第二，将自治系统之间的关系限制在一些标准的、简单的路由策略(如客户-提供商策略关系(customer-provider)、对等策略关系(peer-peer)等)关系下；同时，对于路由信息采集探针所发送上来的每个报文，提取报文信息，增加对等BGP边界路由器IP地址(Peer IP)、该边界路由器所属的自治系统(Peer AS)，并提取其中的下一跳路由器(Next-Hop)路径属性和自治系统路径(AS-Path)属性。应该知道，在BGP路由更新报文中，Next-Hop路径属性所表示的边界路由器是在AS-Path路径属性中的第一个自治系统AS1内的。因此，从路由信息采集探针提取的信息就表达了自治系统路由拓扑中自治系统Peer AS与自治系统AS1的路由连接关系，并且此连接关系体现在边界路由器Peer IP和边界路由器Next-Hop上，有别于以往的自治系统级网络路由拓扑分析方法，本实施例中把该分析方法形象地称为“一跳式分析”。因此，基于完整的BGP路由更新报文采集，结合使用BGP路由更新报文中的AS-Path路径属性信息、Next-Hop路由属性信息以及产生改BGP路由更新报文的边界路由器信息进行分析，可以更加完整、准确地给出网络自治系统级路由拓扑。这种完整性不但体现在实时发现网络中所有的可用路由连接性关系，而且可以把这种路由连接性关系具体到各自治系统的运行边界网关路由协议的边界路由器上。

BGP路由更新信息采集

在网络测量技术领域，通常把部署在网络中、通过主动发包或者被动监听方式获取网络中相关报文信息的软件或者硬件称为采集探针。路由信息采集探针模拟实现完整的边界网关协议BGP，运行边界网关协议BGP的状态机，与真实路由器建立BGP会话并交换BGP路由更新报文，可以通过现有的开源路由软件GNU Zebra实现。

首先，对路由信息采集探针进行修改，以达到被动采集的目的：即路由信息采集探针与真实路由器建立起BGP会话之后，只是被动地接受对方发送过来的BGP更新报文，除了按照BGP协议规范，为维持与对方路由器的邻居关系而发送的周期性Keep Alive报文之外，不向网络中注入其他任何报文请求信息，从而不影响网络现有的路由状况，达到被动采集的目的。

进一步，对路由信息采集探针进行修改，以达到与上层分析程序有效结合的目的：制定路由信息采集探针与上层分析程序进行网络通信的应用层协议，该应用层协议主要区分两种类型的报文，第一类报文是路由信息采集探针通过与网络中的BGP路由器建立邻居关系而得到的路由更新报文；第二类报文是路由采集探针所发送的与网络中BGP路由器之间的邻居建立(Neighbor Gain)或者邻居丢失(Neighbor Lost)的应用层控制报文，对于第一类报文，为了满足本实施例所述方法的需求，路由采集探针需要为每个收到并且发送上去的路由更新报文增添该报文的、来自BGP对等体路由器IP地址(Peer IP)和该BGP对等体路由器所属的自治系统(PeerAS)字段，对于第二类报文，需要给出发生本次邻居关系建立或者丢失的BGP对等体路由器IP地址(Peer IP)和该BGP对等体路由器所属的自治系统(Peer AS)信息。

在网络部署时，路由信息采集探针可以物理上分布式地部署到每个自治系统(AS)中，参与到该自治系统的内部BGP全耦合(IBGP Full Mesh)中去，即每一个路由信息采集探针会与其所在的自治系统(AS)中的所有运行BGP的边界路由器或者该自治系统的路由反射器(如果有的话)建立内部BGP(IBGP)对等会话；也可以在网络中集中式地部署一台路由信息采集探针，并在其上启动多个BGP虚拟模拟进程或者多个BGP模拟线程，每个BGP模拟进程或者线程以同样的方式参与到每个自治系统(AS)的内部BGP全耦合(IBGP Full Mesh)中去来采集网络中的路由更新报文。图1是路由信息采集探针在网络中集中式部署的示意图，其中黑色的虚线代表了路由信息采集探针与网络中对等路由器的BGP协议关系。

本实施例中，路由信息采集探针通过对边界网关协议BGP的模拟，与网络中的BGP边界路由器建立对等关系会话，同时通过使路由信息采集探针不发送任何路由更新报文，让路由信息采集探针实时、被动地采集到网络中的BGP路由更新报文(BGP Update)。BGP Update包含两种类型：宣告(Announce)报文和撤销(Withdraw)报文。此外，路由采集探针记录与其建立BGP对等关系会话的BGP边界路由器IP地址(Peer IP)和所属的自治系统(Peer AS)，并将这些信息与所采集到的每一个路由更新报文一同发送给上层进行分析，即下面所述的自治系统级网络拓扑“一跳式分析”。此外，当路由采集探针与BGP边界路由器的对等关系丢失的或者建立的时候，路由采集探针会向上层的分析程序发送邻居丢失(Neighbor Lost)或者邻居建立(Neighbor Gain)的自定义控制消息，以便上层分析程序做相应的处理，保证网络拓扑的实时性。

自治系统级网络路由拓扑实时构建

通过接收BGP路由更新信息采集阶段中所采集到的BGP路由更新报文，进行自治系统级网络拓扑的分析，实时构建自治系统级网络路由拓扑。

在本实施例中，首先，需要为每个与路由信息采集探针建立对等关系会话的BGP边界路由器(Peer IP)维护一个前缀(Prefix)数据库，该数据库中的每条记录代表该BGP边界路由器所能到达的一个前缀(Prefix)，以及到达这个前缀(Prefix)的下一跳路由器(Next-hop)和到达这个前缀(Prefix)所需要经过的自治系统路径(AS-Path)；其次，需要为网络自治系统(AS)级路由拓扑中的每条连接边界路由器的边维护一个权重，该权重代表了目前有多少个前缀经过这条边，或者这条边所承载的前缀数量。

图2示出本实施例的自治系统级网络路由拓扑实时构建方法的详细流程图。如图2所示：

步骤1)、分析路由信息采集探针发送的一条报文信息，如果是BGP路由更新报文，则将其设为Update New，执行步骤2)；如果是邻居丢失(Neighbor Lost)消息，则执行步骤14)。

步骤2)、如果所述Update New是路由宣告(Announce)报文信息，则执行步骤3)；否则，执行步骤12)。

步骤3)、提取所述Update New中的AS-Path属性信息，如果AS-Path为空，表示这是一条宣告本自治系统内部前缀的信息，认为这样的报文对于自治系统级网络拓扑构建没有用处，返回执行步骤1)，否则执行步骤4)。

步骤4)、提取所述Update New中的下一条前缀(Prefix)信息，如果已经取完，返回执行步骤1)；否则执行步骤5)。

步骤5)、根据所述下一条前缀(Prefix)信息，检索该Update New所对应的BGP边界路由器Peer IP的前缀数据库，如果数据库中没有该前缀(Prefix)，则表示这是一条全新的路由，则在数据库中添加所述前缀(Prefix)，以及到达这个前缀(Prefix)的下一跳路由器(Next-hop)和到达这个前缀(Prefix)所需要经过的自治系统路径(AS-Path)，然后执行步骤6)；否则，执行步骤9)。

步骤6)、在网络自治系统级路由拓扑中，查找以Peer IP和Next-hop为两个端点的自治系统级边，如果查找到，执行步骤7)；否则，执行步骤8)。

步骤7)、将所述自治系统级边的权重增一，返回执行步骤4)。

步骤8)、在网络自治系统级路由拓扑中增加一条以Peer IP和Next hop为两个端点的自治系统级边，并将其权重置为一，返回执行步骤4)。

步骤9)、此时表明Update New是在隐式地撤销一条已经存在的路由，则从该BGP边界路由器Peer IP的前缀数据库中提取到达该前缀Prefix的原下一跳路由器，设为Next-hop Old，执行步骤10)。

步骤10)、在网络自治系统级路由拓扑中，将以Peer IP和Next-hop Old为两个端点的自治系统级边的权重减一，若该边的权重被减为零，则从网络自治系统级路由拓扑中删除该边；无论权重是否被减为零，执行步骤11)。

步骤11)、将所述BGP边界路由器Peer IP的前缀数据库中关于该前缀Prefix的下一跳路由器改为Update New中的下一跳路由器，设为Next-hop，以及将到达这个前缀(Prefix)所需经过的自治系统路径AS-Path改为Update New中的自治系统路径AS-Path，返回执行步骤6)。

步骤12)、此时表明Update New是路由撤销(Withdraw)类型的报文，提取Update New中的下一条前缀Prefix信息，如果已经取完，则返回执行步骤1)；否则，执行步骤13)。

步骤13)、从所述BGP边界路由器Peer IP的前缀数据库中提取到达该前缀Prefix的原下一跳路由器，设为Next-hop Old，在网络自治系统级路由拓扑中将以Peer IP和Next-hop Old为两个端点的自治系统级边的权重减一，若该边的权重被减为零，则从网络自治系统级路由拓扑中删除该边，并且，将该BGP边界路由器Peer IP的前缀数据库中关于该前缀Prefix的记录删除；无论权重是否被减为零，返回执行步骤12)。

步骤14)、此时表明采集探针与该BGP边界路由器的邻居关系丢失，则来自该BGP边界路由器的所有路由信息均已失效；从该BGP边界路由器Peer IP的前缀数据库中提取下一条前缀，设为Prefix Current，并且提取到达该前缀的下一跳路由器，设为Next-hop Current，如果已经取完，则返回执行步骤1)；否则，执行步骤15)。

步骤15)、在网络自治系统级路由拓扑中将以Peer IP和Next-hopCurrent为两个端点的自治系统级边的权重减一，若该边的权重被减为零，则从网络自治系统级路由拓扑中删除该边，将该BGP边界路由器Peer IP的前缀数据库中关于该前缀Prefix Current的记录删除；无论权重是否被减为零，返回步骤14)。

本实施例所述的基于“一跳式分析”的完整的自治系统级实时网络路由拓扑构建方法，是一种能够给出在任何给定时刻自治系统级的所有可用的路由连接性关系，并且将这种路由连接性关系具体到各自治系统的运行边界网关路由协议的边界路由器上的方法。

在本实施例中，路由信息采集探针与网络中的BGP边界路由器建立会话，通过被动式的网络测量方式，可以在不加重网络负载的情况下，实时地采集到BGP路由更新消息，然后给出网络中自治系统级的完整路由拓扑。这种完整性主要体现在以下两点：第一，可以给出任何时刻网络中所有可用的自治系统级路由连接性；第二，可以将上述连接性具体到每个自治系统的各边界路由器上。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，并且在应用上可以延伸到其他的修改、变化、应用和实施例，同时认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和范围内。

Claims (5)

1.一种自治系统级网络路由拓扑构建方法，包括：

步骤10)、在自治系统级网络中部署路由信息采集探针，使其参与到所述自治系统的内部边界网关协议全耦合中；

步骤20)、所述路由信息采集探针与网络中的边界网关协议(BGP)边界路由器建立对等关系会话，被动地采集网络中的BGP路由更新报文，记录报文信息；

步骤30)、若步骤20)中所述报文信息类型为BGP路由更新报文中的路由宣告报文信息，提取所述更新报文中的前缀信息，建立或者撤销拓扑中的路由路径；

步骤40)、若步骤20)中所述报文信息类型为BGP路由更新报文中的路由撤销报文信息，提取所述BGP边界路由器所要撤销的前缀信息，并且提取到达所述前缀的原下一跳路由器，在网络自治系统级路由拓扑中将以所述边界路由器的IP地址和所述原下一跳路由器为两个端点的自治系统级边上的权重减一，若该边的权重被减为零，则从网络自治系统级路由拓扑中删除该边；

步骤50)、若步骤20)中所述报文信息类型为邻居丢失控制信息，提取所述BGP边界路由器所能到达的所有前缀以及对应的下一跳路由器，将以所述边界路由器的IP地址和所述下一跳路由器为两个端点的自治系统级边上的权重减一，若该边的权重被减为零，从网络自治系统级路由拓扑中删除该边。

2.权利要求1的方法，其中，所述路由信息采集探针与所述BGP边界路由器建立起BGP会话后，被动地接受对方发送过来的BGP更新报文，不向网络中注入其他任何报文请求信息。

3.权利要求1的方法，步骤20)中，所述记录的报文信息包括：与所述路由信息采集探针建立BGP对等关系会话的BGP边界路由器IP地址和自治系统，以及与BGP边界路由器之间的邻居丢失或者邻居建立控制信息。

4.权利要求1的方法，其中，步骤30)进一步包括：

步骤310)、根据所述前缀信息，检索所述更新报文所对应的BGP边界路由器IP地址的所有前缀，若所述前缀是一全新前缀，则记录所述前缀、到达所述前缀的下一跳路由器和到达所述前缀经过的自治系统路径；

步骤320)、在网络自治系统级路由拓扑中查找以所述边界路由器的IP地址和所述下一跳路由器为两个端点的自治系统级边，若查找到，将此边的权重增一，若未查到，在网络自治系统级路由拓扑中增加一条以所述边界路由器的IP地址和所述下一跳路由器为两个端点的自治系统级边，并将其权重置为一。

5.权利要求1的方法，其中，步骤30)进一步包括：

步骤330)、根据所述前缀信息，检索所述更新报文所对应的BGP边界路由器Peer IP的所有前缀，若所述前缀不是一全新前缀，则从所述BGP边界路由器IP地址的所有前缀中提取到达所述前缀的原下一跳路由器，在网络自治系统级路由拓扑中将以所述BGP边界路由器的IP地址和所述原下一跳路由器为两个端点的自治系统级边上的权重减一；

步骤340)若所述自治系统级边的权重被减为零，则从网络自治系统级路由拓扑中删除该边，将所述BGP边界路由器Peer IP中的所有前缀关于所述前缀的下一跳路由器改为更新报文中的下一跳路由器，并将到达所述前缀的自治系统路径改为更新报文中的自治系统路径。

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