多端口IP路由器边界网关协议BGP4的并行测试技术研究研究生学位论文 精品文档格式.docx
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June.2005
摘要
本文的技术背景是自IPV6出现以来就引起全球关注的路由器测试技术。
为了保证互联网平稳的从IPv4向IPv6过渡,支持IPv4、支持IPv6、支持IPv6封装在IPv4或者同时支持IPv4和IPv6的路由器将在一段时间内并存。
这种状况使得路由器的测试变得更加复杂,而且现有的测试方法回绕测试法(LTM,Loop-backTestMethod)和穿越测试法(TTM,TransverseTestMethod)无法适应现代多端口路由器的测试。
因此,四川省网络通信技术重点实验室开展了多端口测试技术的研究。
自提出多端口分布式并行同步穿越测试法(MDSP-TTM,Multi-portDistributedSynchronizedParnellTransverseTestMethod)以来,四川省网络通信技术重点实验室正投入到多端口路由器分布式并行测试系统(MPR-DCTS,Multi-PortRouter–DistributedConcurrentTestSystem)的研发工作当中。
该系统采用两层的体系结构,上层是一个作为多端口测试管理器的终端,下层由很多的双端口测试器(TPTs,Two-PortTesters)构成,TPT采用穿越测试法或者回绕测试法。
测试系统通过执行测试控制数据来管理测试的进行,因此,测试控制数据的定义是路由器测试当中的一个重要的环节,本论文反映的工作是对重要的路由协议-边界网关协议(BGP,BorderGatewayProtocolv.4)的测试集、测试组、测试例的规划与描述。
笔者的贡献总结如下:
A.对BGP-4协议进行了测试集的总体规划,重点是一致性测试集的规划。
B.文章给出了一个运行于TPT的TTCN-3描述的测试例来探讨了测试例的定义技术。
C.为论证新定义的并发多端口测试语言(CMP-TDL,ConcurrentMulti-PortTestDefinitionLanguage)的可行性,本文给出了一个多端口的测试例,并在实践中得出了一些改进、完善CMP-TDL的建议。
关键词:
并发多端口测试;
BGP-4;
TTCN-3;
协议测试;
一致性测试;
性能测试
Abstract
Thetechniquebackgroundofthisdissertationisroutertesting,whichhasdrawnworldwideattentionsinceIPv6cameintoview.ToenableasmoothtransitionfromIPv4toIPv6,routerssupportingIPv4only,IPv6,andIPv6encapsulatedinIPv4willco-existforsometime,andthiscomplicatesroutertesting.Moreover,existingtestingmethodssuchasLoop-backTestMethod(LTM)andTransverseTestMethod(TTM)arenotcateredfortestingmodernrouterswithmulti-ports.Alltheseconsiderationshavestimulatedtheresearchactivityonmulti-porttestingatSichuanNetworkCommunicationKeyLaboratory(SC-NetcomLab).
WiththenewMDSP-TTM(Multi-portDistributedSynchronizedParnellTransverseTestMethod)introducedatSC-NetcomLab,aMulti-PortRouter–DistributedConcurrentTestSystem(MPR-DCTS)isunderdevelopment.AnMPR-DCTStakestwo-layerarchitecture:
atthetoplayer,aPCactsastheMulti-PortTestManager(MPTM)andatthebottomlayer,multipleTPTs(Two-PortTesters)totestapairofportswitheitherLTMorTTM.
Testingisgovernedbyatestsystemthroughexecutionoftestcontroldata;
thereforedefinitionoftestcontroldatarepresentsanimportantaspectinroutertesting.Theworkpresentedinthisdissertationfocusesonplanningandspecificationoftestsuites,testgroups,andtestcasesforanimportantroutingprotocol-BGP-4(BorderGatewayProtocolv.4).Author’scontributioninthisdissertationcanbesummarizedas:
A.AframeworkforBGP-4testsuiteplanningisprovidedwithanemphasisonconformancetesting.
B.Testcasedefinitiontechniquesarediscussedinsomedetailwithanexampletestcasespecifiedwithastandardtestdefinitionlanguage–TTCN-3forTPT.
C.TodemonstratethefeasibilityofthenewlydefinedConcurrentMulti-PortTestDefinitionLanguage(CMP-TDL),amulti-porttestcaseispresentedinthisdissertation.SomeexperiencegainedinthispracticehasresultedinsuggestionstoimproveCMP-TDL.
Keywords:
MPR-DCTS,BGP-4,TTCN-3,protocoltest,conformancetest,performancetest
目录
摘要I
AbstractII
目录III
第1章绪论1
1.1本论文的研究背景1
1.1.1IPv6路由器多端口并行测试技术的研究背景1
1.1.2路由器BGP并行测试研究的背景2
1.2多端口路由器BGP-4并行测试技术研究现状3
1.3论文结构组织4
1.4作者的工作与论文的贡献4
第2章BGP-4及其并行测试技术5
2.1边界网关协议BGP及其并行测试的必要性5
2.1.1BGP与BGP-45
2.1.2研究BGP并行测试技术的必要性7
2.2BGP-4并行测试技术9
2.2.1并行测试目的与测试方法9
2.2.2并行测试系统与测试支撑环境9
2.2.3TTCN-3形式化描述语言10
2.2.4多端口并行测试描述语言CMP-TDL11
第3章BGP-4测试集总体规划14
3.1BGP-4测试集规划的意义14
3.2BGP-4测试集规划原则14
3.2.1抽象测试集规划的基本原则14
3.2.2BGP-4测试集的规划原则16
3.3BGP-4一致性协议测试集规划18
3.3.1BGP基本信息处理测试组规划18
3.3.2BGP协议状态机测试组规划21
3.3.3BGP错误处理测试组规划22
3.3.4BGP扩展测试组规划22
3.4BGP-4互操作性测试集规划23
3.5BGP-4路由器性能测试集规划24
第4章BGP-4协议测试集描述26
4.1双端口协议测试系统26
4.1.1TTCN-3协议测试系统26
4.1.2双端口协议测试环境及BGP双端口测试实现27
4.2TTCN-3描述的双端口BGP-4协议测试例29
4.2.1BGP测试集的TTCN-3模块定义部分30
4.2.2BGP一致性测试例举例35
4.3CMP-TDL描述的并发多端口BGP-4测试例举例41
4.3.1路由器突发量定义、网络流量产生模型41
4.3.2BGP突发量多端口测试例描述43
4.4BGP-4测试例的语法、语义检测46
第5章BGP与其它协议的联合测试48
5.1BGP与IGP的相互作用48
5.1.1把BGP注入到IGP48
5.1.2将IGP注入到BGP49
5.2BGP与RIP交互联合测试举例50
5.2.1RIP与RIPng50
5.2.2BGP-4路由重分布到RIP测试过程51
第6章总结与展望53
6.1论文工作总结53
6.2后续工作展望53
致谢55
参考文献56
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果59
附录60
第1章绪论
1.1本论文的研究背景
1.1.1IPv6路由器多端口并行测试技术的研究背景
基于IPv4[1]的第一代互联网已经取得了巨大的成功,以互联网为代表的信息网络已经渗透到社会生活的各个领域,成为现代信息社会最重要的基础设施之一。
然而,随着网络规模的持续膨胀和新型网络应用需求的不断增长,目前的互联网在可扩展性、IP地址空间、安全、服务质量控制等诸多方面面临着挑战。
IP地址空间匮乏、IP报头处理复杂、不能适应面向流的应用数据传输等问题严重制约了互联网的发展,为此,InternetEngineeringTaskForce(IETF)定义了新的网络层协议IPv6[2]。
IPv6通过采用128位的地址空间替代IPv4的32位地址空间来扩充互联网的地址容量,使得IP地址在可以预见的时期内不再成为限制网络规模的一个因素;
IP报头的简化有利于提高IP处理效率,报头中增加流标识字段,有利于针对应用数据流提供不同的服务;
在安全性、服务质量及移动性等方面也收到更多的重视。
因此,为以IPv6为基础的Internet被学界和业界广泛地成为下一代Internet(NGI)。
IPv6的出现一方面使网络设备必须面对从IPv4向IPv6过渡整个阶段两种IP并存的局面;
另一方面也使IP之上的协议面临更新升级的问题。
例如,与路径信息交换和网络管理相关的应用层协议等也需要定义升级版本。
支持IPv6的域内动态路由协议已经有:
RIPng[3]、OSPFv3[4]等协议;
支持IPv6的域间路由协议主要是BGP-4+[5-6]等。
网络工程经验与运行实践表明,由于多方面原因,实现同一协议或协议集的设备并不一定能完全符合相关的协议,也不一定能够完全能够互通或互操作,因此需要对协议进行是否符合相关标准的测试(ConformanceTest)和互通测试(InteroperabilityTest)。
对于重要的网络设备如路由器等,还需要对其可量化的性能指标进行测试。
从上世纪80年代初期,国际上就开展了对网络协议实现是否符合相关协议标准的测试的技术研究,国际标准化组织ISO于80年代中期制订了“OSI协议一致性测试(ConformanceTest)框架”文本,即ISOIS9646[7],对基本观测法、测试定义语言和产品一致性申明等方面的技术内容进行了规定。
我国网络建设的发展需要大量的网络产品,特别是路由器和交换机产品,而过去由于我国自身缺少检测手段,对外国产品只能全盘接受。
目前我国正进行下一代Internet的建设,并进行了大量的基于IPv6的产品开发工作,迫切需要对相关IPv6网络产品的检验手段、网络检测以及维护手段。
因此,研究相关的协议测试技术、独立开发网络产品测试系统以及建立相应的网络产品测试中心,就具有十分重要的意义。
1.1.2路由器BGP并行测试研究的背景
本课题的研究对象是IPv6路由器中的一类特定协议——边界网关协议(BGP–BorderGatewayProtocol)。
Internet作为全球性的网络,它根据管理域的不同将整个网络划分为若干各自治系统(AS–AutonomousSystem)[52]。
在自治域内路径信息交换和路径选择算法通常由路径信息协议(RIP)[41-43]或开放式最短通路优先(OSPF)协议[4]确定;
而在自治域之间采用的最典型的协议则为边界网关协议(BGP)[5-6]。
尽管早期还定义有外部网关协议EGP(Exteriorgatewayprotocol)[37],但目前已逐渐被BGP所取代。
由于BGP是自治系统之间的路由协议,因此它关心的是网络间的可达性,它的主要功能就是在运行相同或不同内部路径信息交换协议的自治网络之间交换网络层可达性信息(NLRI,NetworkLayerReachableInformation)。
因此,它采用的算法既不是基于纯粹的链路状态算法,也不是基于纯粹的距离向量算法。
实现BGP的边界路由器系统所交换的网络层可达性信息(NLRI)中,包含了可达性信息所经过的自治系统列表,从而构造了一个自治系统连接图,以避免路由环路,以便实现基于自治系统的策略控制。
单个边界网关(边界路由器)可能是两个或两个以上的自治网络间的路由设备,对它的测试可能涉及多个端口间并行工作的状态和性能。
因此,对它的测试系统应当具有在多个跨网端口间同步并行测试的功能。
这正是实验室研究分布式同步并行测试技术和开发多端口同步并行测试技术的主要着眼点和研究价值之所在。
网络测试系统通过运行可执行测试控制数据来进行测试过程控制的,因此,对BGP的测试必须定义相关的测试控制数据(测试集、测试组和测试例)。
实验室开发的系统的测试控制数据的定义是基于TTCN-3进行的,但TTCN-3的同步机制尚不能满足分布式同步并行测试的需要;
对同步并行测试还涉及对网络数据到达率和到达率的统计分布特性,而TTCN-3不具备相关的功能,需要对之进行扩展。
为了便于描述同步并行测试和简化测试例的描述难度,实验室定义了“并发多端口测试定义语言”(CMP-TDL,ConcurrentMulti-PortTestDefinitionLanguage)[23],以便将多端口间的同步与协调控制的描述与单口测试控制数据的描述相对分离。
这就是本课题的具体研究背景。
本项目选择了BGP-4[51]作为测试控制数据的具体对象。
1.2多端口路由器BGP-4并行测试技术研究现状
目前国内外有不少的科研机构以及网络设备生产厂商在对BGP协议测试技术进行相关的研究和开发。
国外的研究机构中具有代表性的是美国UniversityofNewHampshire的互通实验室[8](IOL-InteroperabilityLab),互通实验室以Moonv6[9]试验网为背景,在美国和欧洲之间进行合作,对跨地域的网络进行测试。
涉及的路由协议有RIPng、OSPFv3以及BGP-4+,该系统的测试配置比较灵活、自动化程度较高,但该系统的测试数据描述没有采用标准测试定义语言TTCN[10],因此其测试集缺少可比性,也难以移植到其他测试系统之中。
企业当中具有代表性的公司有<
Spirent>
[11]。
Spirent推出的TRTInteractive是著名的TeraRoutingTester(TRT)的第四个版本。
目前TRT支持的路由及组播协议包括:
RIP/RIPng、OSPF/OSPFv3、BGP-4/BGP-4+、IS-IS/IS-ISv6等;
另外还有<
Agilent>
[12]、<
IXIA>
[13]等厂家。
从20世纪80年代中期开始我国也逐步开始涉足网络协议测试技术的研究以及协议测试系统的开发。
中科院成都计算机应用研究所在国内最早着手研究网络协议测试技术和测试系统的开发,主要研究以曾华燊教授提出的“Ferry-clipTestApproach”[14],并以此为基础开发针对OSI传送层协议的测试系统,将之移植到微机中。
目前国内对BGP相关协议开展测试技术研究的其它主要机构有:
清华大学[15]、中国科技大学[16]、中国科学院[17]等。
从国内外对BGP协议测试技术的研究以及相应的协议测试系统开发现状来看,国内外对BGP协议的测试工作主要还是采用对一对端口或多对端口进行穿越测试,几乎没有涉及多端口的并发测试。
为此,笔者进行了针对BGP协议的并发多端口路由器测试技术的研究。
1.3论文结构组织
本论文的后续章节内容与组织结构如下:
第2章在讨论了BGP-4协议以及对BGP-4并行测试的必要性之后,介绍了西南交通大学四川网络通信技术重点实验室研发的分布式并发多端口路由器测试系统,同时对相应的并行测试支撑环境进行了介绍。
第3章主要讨论了测试集规划的意义,在讨论协议测试集的基本规划原则,归纳了BGP-4协议测试集的规划原则,并按照归纳的规划原则对BGP-4协议一致性测试集、互操作性测试集、性能测试集做出了详细的规划。
第4章探讨了采用半形式化语言TTCN-3对BGP-4测试集进行描述的方法以及采用CMP-TDL并发测试语言对BGP测试集进行描述的方法,其中TTCN-3描述主要是针对基于单对端口的测试,而基于并发多端口的测试采用TTCN-3和CMP-TDL两种形式化描述语言。
第5章在分析了BGP协议与其它协议的相互作用的基础了阐述了BGP与其他协议进行联合测试的意义,并针对具体的情况给出了相关的测试例。
最后,第6章在对论文工作进行总结的基础上,对后续研究工作进行了分析和展望。
1.4作者的工作与论文的贡献
作者在西南交通大学网络通信技术省重点实验室承担的主要工作是对BGP-4协议并行测试技术的研究、对BGP-4协议测试集进行规划设计并用TTCN-3形式化语言以及CMPDL测试语言对BGP测试集进行了定义。
作者的主要工作包括以下几个方面:
仔细研究BGP相关的协议;
掌握穿越测试法、回绕测试法以及四川网络通信技术重点实验室的多端口路由器并行测试系统;
学习TTCN-3测试语言以及CMP-TDL测试语言;
对BGP协议测试集进行了完整的规划,完成了测试集中规划的大部分测试例的编写。
首次用CMP-TDL语言进行了BGP-4同步并行测试例的描述,并提出了进一步改进CMP-TDL语言的建议,为实验室进一步完善CMP-TDL语言提供了参考。
第2章BGP-4及其并行测试技术
2.1边界网关协议BGP及其并行测试的必要性
2.1.1BGP与BGP-4
边界网关或边界路由器的基本的功能是:
遵从BGP建立的路径表确定最佳跨网路径并将分组转发到相应的自治网络。
BGP是当今Internet中实现跨网路径选择典型协议。
与BGP相关的RFC文本包括:
RFC1771:
BGP-4的最新版本。
RFC1654:
第一个BGP-4规范。
RFC1105、RFC1163和RFC1267描述了BGP-4之前的BGP版本。
RFC2858、RFC2545分别描述了BGP-4+的多协议扩展以及使用BGP-4的多协议扩展为IPv6网络自治系统之间路由。
BGP-4协议既不是基于纯粹的链路状态算法,也不是基于纯粹的距离向量算法。
它的主要功能就是与其他的BGP系统交换网络层可达性信息(NLRI-NetworkLayerReachableInformation)。
网络层可达性信息NLRI中包含了可达性信息所经过的自治系统列表,从而构造了一个自治系统连接图,以避免路由环路,同时也使得基于自治系统级别的策略控制成为可能。
BGP协议本质上是通信子网中的应用层协议,它利用TCP[18]连接完成相关的BGP报文的传输。
由于传统上把Internet通信子网视为采用带内信令控制技术的网络,而由于通信子网通常为3层结构,难于解释为什么路由器中有需要使用传送层协议TCP或UDP的应用层协议(路径信息交换协议RIP、OSPF、BGP和网络管理协议SNMP等)。
但是,采用带外信令控制的概念来审视Internet,则可以将它视为具有三层用户数据传输平台和五层信控管理平台的网络结构[48],因此,对BGP等协议在通信子网中的位置就容易进行解释了。
图2.1是BGP-4协议的有限状态变迁图[19]。
BGP执行三类路由:
AS间路由、AS内部路由和贯穿AS路由。
AS间路由发生在不同AS的两个或多个BGP路由器之间,这些系统的对等路由器使用BGP来维护一致的网络拓扑视图,AS间通信的BGP邻居必须处于相同的物理网络。
互联网就是使用这种路由的实例,因为它由多个AS(或称管理域)构成,众多的研究机构、公司以域的角色一起构成互联网。
BGP经常用于为互联网域间提供最佳路径而做路由选择。
AS内路由发生在同一AS内的两个或多个BGP路由器间,同一AS内的对等路由器用BGP来维护一致的系统拓扑视图。
BGP也用于决定哪个路由器作为外部AS的连接点。
互联网提供了AS间路由的实例。
一个组织,如大学,可以利用BGP在其自己的管理域(或称AS)内提供最佳路由。
BGP协议既可以提供AS间也可以提供AS内部路由。
贯穿(pass-through)AS路由发生在通过不运行BGP的AS交换数据的两个或多个BGP对等路由器间。
在贯穿AS环境中,BGP通信既不源自AS内,目的也不在该AS内的节点,BGP必须与AS内使用的路由协议交互以成功地通过该AS传输BGP通信。
与EGP相比,BGP有许多不同之处,其最重要的革新就是它采用路径向量的概念和并支持无类域间路由(CIDR-ClasslessInter-DomainRouting)技术。
路径向量记录了所经路径上所有自治系统(AS—Aut
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