IPv6選播的若干探討

2019-11-03 09:04:52

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供稿：網友

段珊珊　中國礦業大學

　　摘要 Anycast（選播）是一種新型的網絡服務，是ipv6的新特性，Anycast給用戶的期望是通過一個Anycast地址就可以訪問到該地址所表示的對用戶而言是最近的一個服務器，對Anycast最初的研究主要是網絡層，在網絡層路由器自動完成選路的過程，而應用層選播帶來了更多的靈活性和可以規劃性。

　　關鍵詞 IPv6 選播網絡層選播應用層選播無狀態服務

1 引言

　　因特網成指數級的增長，在1999年，每10s就有一個新的PC連接到因特網上去。分布式服務面臨服務器嚴重超載，帶寬浪費和延遲增加的問題。服務器復制和緩存的技術可以有效地改善服務的性能，但是關鍵的問題是客戶機如何找到性能最好成績的服務器？IPv6支持的選播應運而生，是解決類似問題的好辦法。

2 IPv6的選播

　　IPv6是下一代網絡層協議，是用來替換IPv4的，IPv6的地址是用128bit進行標識，極大地擴大了IP地址空間。IPv6的一個比較大的引人注目的變化是提出了一種新的尋址模式——Anycast。Anycast最初的定義是在RFC 1546中，用一個Anycast地址來表示提供某種服務的主機，發送到該Anycas地址的數據包將被投遞到這組服務中的某一臺，RFC 2373中IPv6正式接納了Anycast服務，并定義了IPv6 Anycast地址，規定發送給選播地址的數據包將被投遞到離該地址標識的最近的接口之一，這時，Anycast有了選擇的含義，因此我們在這里把Anycast譯為選播。

　　選播是點對多點中的一點的通信，選播與多播類似，也是多個節點共享一個地址，不同的是多播中每個節點都期待接受發給多播地址的數據報，而選播的數據報將被投遞到離這組主機中最近的任意一臺。

　　為了更好地說明選播的定義，有兩個配置選播地址A的服務器，放置于網絡中的不同位置，客戶機所發出的請求將由路由系統自動地轉發到離客戶機最近的服務器，如客戶機1的請求將由服務器A來提供服務，而客戶機5將由服務器“A”來提供服務。而這個“最近”是按路由協議的距離量度的最近的一個接口。在選播通信中，客戶機不需要知道服務器的具體位置，可以自動地獲得合適的節點來響應相應的服務，這種服務對某些類型的服務特別有效，特別是對于客戶機和服務器之間不需要有特定關系的一些服務，如復制服務器，名字服務器等。

3 網絡層選播與應用層選播

　　問題是客戶機如何在一組服務器中發現一個性能最好的最合適的服務器？如果用路由器的跳數來決定最近的話，對客戶機1而言應該是服務器A來提供相應的服務，選播過程由路由器自動完成，不需要用戶的干預。但是也許服務器的A的性能不好，或者過于繁忙，不一定比服務器“A”提供的服務性能好。選播服務是由一組服務器來提供的，客戶機選擇的服務器不同得到的服務性能可能也不同。目標服務器選擇的標準依賴于不同的尺度，如性能、負載和所使用的選播的體系架構。如果選擇的標準依賴于網絡的拓撲，例如路由器最小的跳數，最小的花費（不同的路由器可能有不同的花費）；依賴路由器選路的算法，這叫網絡層選播。如果選擇的標準依賴于服務器或者應用的尺度，如可以獲得的容量，可以測量的響應時間，激活連接的數量等稱為應用層選播。兩者關鍵的區別在于網絡層選播僅僅依靠網絡自身來選擇服務器；而應用層選播依賴于外部的實體來選擇連接性能最好的服務器。僅僅依靠網絡自己來選擇服務器的問題是客戶機不一定能選擇到性能最好的服務器，而應用層的選播則能帶來更多的靈活性和可規劃性。總之，網絡層選播實現方法簡單，但是需要修改路由器配置，在選擇標準方面缺乏靈活性；而應用層選擇的標準靈活，不需要修改路由器但是需要周期的收集信息。

4 選播的無狀態服務問題

　　TCP是一個面向連接的傳輸層協議，很多服務使用這個協議，它提供客戶機和服務器之間數據包有序可靠的發送，但是選播有可能將同一個客戶的數據包傳送到不同的服務器上去，這樣可能降低TCP的吞吐量甚至丟失TCP 會話。IPv6規定選播地址不能作為源地址，只能作為目標地址，所以選播不能應用在有狀態的服務中，如FTP，為了在有狀態的服務中使用選播，必須完成選播地址到單播地址的轉換。選播地址只是用來在通信的開始前確定合適的節點，在通信的過程當中，必須使用該節點的單播地址。

　　一種方法是TCP客戶向一個Anycast地址發送數據包，一個服務器接受這個數據包并用帶有其單播地址的SYN+ACK 數據包作為響應，客戶機校驗應答包，并用該服務器的單播地址進行以后的通信。這種方法的限制是初始數據包不能分段，并且該方法要修改現有的傳輸層的語義，在TCP 被廣泛使用的今天實施起來比較困難。

　　另外一種方法是在客戶機上運行一個代理，在客戶機和服務器通信之前由代理來完成選播地址到單播地址的轉變過程。該代理的實現是通過發一個ICMP請求信息給一個選播地址，選播地址中的一個服務器接受該請求并用自己的單播地址作為源地址進行回應，代理接受到ICMP響應之后，提取該服務器的單播地址存儲在自己的選播講地址解析庫AARPLIB中。該庫中存放的是服務器的單播地址和選播地址，地址解析庫采用緩存的機制可以有效地減少每次通信時查詢的時間，由代理機制來保證地址解析庫中存放的數據是常用的且是最新的。

　　采用該方法的優點是不需要對應用層做相應的修改，地址解析的完成是在應用層以下，只需要選播地址的主機可以接受ICMP請求包和可以在ICMP響應中在源地址項中放入自己的單播地址。該方法實現起來比較簡單，而且客戶機比較容易設置，如果有新的主機想要支持選播的話只要把地址解析庫中的數據拷貝到響應的目錄下即可，但是這種方法的實現前提是初始數據包不能被分段。

5 選播的應用范圍

　　選播被廣泛應用在最優服務器的選擇上，上面我們已經比較詳細地介紹到，選播還應用在主機的自動配置上。比較典型的是用在域名服務器的解析。名字服務器不管距離遠近，只要能夠完成名字的解析即可，有了選播服務，用戶在進行DNS解析時只要向全球的某個代表DNS的知名選播地址發送查詢請求即可得到地址解析的結果。這樣可以簡化客戶機的配置，即使主機移動到一個新的網絡也不用重新配置本地的DNS服務器的地址。選播的最大特性是可以有效地分攤網絡中的不同鏈路上的負載。

6 選播的應用實例

　　隨著網絡新的應用、新服務的不斷涌現，應用Anycast地方越來越多，下面是應用選播來簡化IPv4 to IPv6 網絡的傳輸機制的實例。IPv4網絡向IPv6的網絡轉變是一個漸進的過程，最初IPv6的網絡被配置成通過IPv4隧道傳輸的孤島，IPv6的包將被封裝在IPv4的包中進行傳輸。6 to 4技術使用特殊的IPv6地址可以在IPv6的孤島之間自動地構造隧道，6 to 4機制允許在采用6 to 4的IPv6站點之間和純IPv6站點通過中繼路由器進行通信，也就是說6 to 4的站點的邊界路由器要通過IPv6中繼路由器連接到純的IPv6的網絡上。

　　目前，6 to 4邊界路由器的管理員必須手工配置穿過IPv4網絡到達中繼路由器的默認路由或者配置復雜的IPv6自治域路由協議。解決這個問題的一個簡單方法是采用選播的方法讓中繼路由器在IPv4的網絡上宣告自己的存在。這樣可以增強網絡的性能，數據包可以通過最短的路徑到達中繼路由器。

7 總結

　　本文介紹了IPv6的新的網絡通信模式選播的定義、分類、無狀態服務問題、應用范圍、應用實例。選播是隨著應用的要求而產生的新的服務模式，關于這方面很多的研究工作正在進行中，關于選播的一些協議和標準還在討論當中。作為一種新的通信模式，Anycast 給研究工作者帶來嶄新的挑戰和難得的機遇。

參考文獻

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段珊珊，女，1975年生，江蘇徐州人，中國礦業大學碩士研究生，主要研究方向為網絡管理和安全技術、IPv6 Anycast技術。

----《中國數據通信》