Traceroute in OpenFlow based SDN

2020-07-02 00:00:00 设备 路由 目的 数据包 探测

Traceroute是一个非常便利的网络诊断工具。它可以输出以下三个内容：

1 网络数据包的从源地址到目的地址的整个传输路径。

2 传输路径上的路由设备的信息（IP地址或者hostname）

3 网络数据包在路由设备间的延时（Latency）

从这些功能可以看出，traceroute通常可以用于判断网络故障，检测网络传输路径等场合。Traceroute现在基本随linux系统发行，所以使用起来非常方便。在Windows系统下，对应的工具是TRACERT.

Traceroute的一个优点是，它不需要你发送实际的数据到目的地址，就能帮你输出整个网络路径（实际上还是要发送数据，只是发送的不是你的实际数据）。

在基于OpenFlow的SDN中，要实现traceroute功能，实际上就是要在SDN中实现traceroute所依赖的网络功能。那么接下来看看traceroute所依赖的网络功能有哪些？

TTL（hop limit）

在IP协议（Internet Protocol）中，TTL（Time To Live）是一个8bit的字段，IPv4协议中，协议头有20个8bit的字段，TTL占第9个8bit；IPv6协议中，协议头有40个8bit的字段，TTL占第8个8bit。因此，TTL在IP协议中，大值是255，通常的默认值是64。下图是IPv4协议的字段。

TTL存在的意义是什么？我们假设我们的网络系统中，每个路由设备都有默认路由，我们发出一个以不存在的地址作为目的地址的IP数据包，那么这个数据包将永远在我们的网络系统中转发。把网络系统看成Internet，那么随着时间推移，Internet必然会被大量这样的“永生”IP数据包淹没。正是为了避免这个问题，IP协议中提出了TTL，当TTL为0，IP数据包会被丢弃。

TTL被设计为IP数据包在Internet中长的存活时间。但是实际上，每个转发了IP数据包的设备，都需要将TTL减1，也就是说TTL等于IP数据包能经历的大跳（hop）数，而不是时间（秒数）。所以，为了避免误解，在IPv6中，将TTL改名为hop limit。为了省事，我们还是叫它TTL吧。

回过来看前面的描述，有两个问题：

什么是hop？

Hop是指IP数据包传输过程中的一段路径。当IP数据包从一个网络设备传输至另一个网络设备，这可以认为是一个hop（跳）。

IP数据包被谁丢弃了？

被路由设备丢弃了，根据RFC1812，路由设备在转发IP数据包的时候，会将TTL减1，如果减完之后的结果是0，那么IP数据包会被丢弃。所以说，在IP网络中，路由设备需要丢弃TTL为1的数据包。

路由设备在丢弃TTL为1的数据包之后，还会向数据包的源地址发送一个ICMP Time exceeded message（ICMP type 11），在这条信息中，路由设备会将自己的IP地址作为源地址。

总的来说traceroute就是基于TTL和路由设备的特性来实现的。

Traceroute原理

基本实现原理

根据前面的描述，只要发送一个IP数据包，将TTL设为1，就能收到个路由设备返回的ICMP TTL exceeded message。将TTL设为2，就能收到第二个路由设备的。以此类推，当TTL大到一定数的时候……，IP数据包就被目的设备收到，并且目的设备会做出响应。所以traceroute的原理，简单来说，如下图所示：

探测包（UDP）

Traceroute会发送什么样的IP数据包？默认是UDP数据包。除了前面说过的TTL，这个UDP数据包会包含：

  • 源地址
  • 目的地址
  • 一个UDP端口，端口号在33434和33534之间，这个区间的端口号对UDP来说是的端口号。因此目的地址收到了这个UDP数据包，会返回ICMP UDP Port Unreachable（ICMP type 3）的信息。这么一个别致的返回信息，traceroute在收到了它之后，就知道网络路径探测该结束了。

实际的数据流

描述的差不多了，我们来看一个简单拓扑下traceroute背后的数据流吧。网络拓扑：

tcpdump抓包：

paste.ubuntu.com/238034

除了前面已经描述过的，有三点需要注意。

  • 每个TTL都发了三个探测包出来，这是为了对同一个hop获得三次的延时数据，使得结果更加客观。
  • 每次发出的探测包，UDP端口都不一样。这是为了将返回的信息跟发出的信息进行匹配。以计算IP数据包从发出到接收的延时（Latency）。在上面的示例中，这似乎没有必要，因为探测包都是一发一收，串行执行。那是因为我用的是简版的traceroute，在高版本的traceroute中，默认是并行发送16个探测包。来感受一下并行发送的凌乱感吧。

paste.ubuntu.com/237912

Traceroute收到了ICMP信息，都包含有内层信息，内层信息似乎有探测包的大部分信息。

探测包：
IP (tos 0x0, ttl 1, id 2143, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 46)
10.0.0.10.33875 > 10.0.1.10.33435: UDP, length 18

回复包：
IP (tos 0xc0, ttl 64, id 15477, offset 0, flags [none], proto ICMP (1), length 74)
10.0.0.1 > 10.0.0.10: ICMP time exceeded in-transit, length 54
    IP (tos 0x0, ttl 1, id 2143, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 46)
    10.0.0.10.33875 > 10.0.1.10.33435: UDP, length 18

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