测试多端口IP路由器“边界网关协议”（BGP-4）的并行测试技术研究_研究生学位论文

西 南 交 通大学

研 究 生 学 位 论 文多端口IP路由器“边界网关协议”BGP-4的并行测试技术研究

Classified Index: TP393

Southwest Jiaotong University

Master Degree Thesis

RESEARCH ON PARALLEL TESTINGTECHNIQUES OF BORDER GATEWAYPROTOCOL-4 IN MULTI-PORT IP ROUTERSGrade: 2002

Candidate: Zeng Miao

Academic Degree Appl ied for : Master

Major : Computer Appl ication

Supervisor : Prof. Zeng Huashen

June.2005

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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IP v4、支持IPv6、支持IP v6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-back Test Method和穿越测试法TTMTransverse Test Method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-portDistributed Synchronized Parnell Transverse Te st Method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-Port Router–Distributed Concurrent Test System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-Port Testers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 Border Gateway Protoco l v.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C MP-TD L C o nc urre nt

Multi-Port Test Definition Language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 B GP-4 T TC N-3协议测试一致性测试性能

测试

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Abstract

The technique background of this dissertation is router testing, which has drawnworldwide attention since IPv6 came into view. To enable a smooth transition from IPv4 toIPv6, routers supporting IPv4 only, IPv6, and IPv6 encapsulated in IPv4 will co-exist forsome time, and this complicates router testing.Moreover, existing testing methods such asLoop-back Test Method(LTM)and Transverse Test Method(TTM)are not catered for testingmodern routers with multi-ports.All these considerations have stimulated the research activityon multi-port testing at Sichuan Network Communic ation Key Laboratory(SC-Netc om Lab).

With the new MDSP-TTM(Multi-port Distributed Synchronized Parnell Transverse TestMethod) introduc ed at SC-Netcom Lab, a Multi-Port Router–Distributed Concurrent TestSystem(MPR-DCTS) is under development.An MPR-DCTS takes two-layer architecture:atthe top layer, a PC acts as the Multi-Port Test Manager (MPTM) and at the bottom layer,multiple TPTs (Two-Port Testers) to test a pair of ports with either LTM or TTM.

Testing is governed by a test system through execution of test control data; thereforedefinition of test control data represents an important aspect in router testing. The workpresented in this dissertation focuses on planning and specification of test suites, test groups,and test cases for an important routing protocol -BGP-4 (Border Gateway Protocol v.4).Author‟s c ontribution in this dis s ertation c an be summarized as:

A. A framework for BGP-4 test suite planning is provided with an emphasis onconformance testing.

B. Test case definition techniques are discussed in some detail with an example test casespecified with a standard test definition language–TTCN-3 for TPT.

C. To demonstrate the feasibility of the newly defined Concurrent Multi-Port Test

Definition Language(CMP-TDL),a multi-port test case is presented in this dissertation.

Some experience gained in this practice has resulted in suggestions to improve

CMP-T DL.

Key words:MPR-DCTS, BGP-4, TTCN-3, protocol test, conformance test,performance test

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目 录

摘 要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I

AB S TRAC T. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II

目 录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .III

第1章绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.1本论文的研究背景. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.1.1 IPv6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

2.1.1 BGP与BGP-4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

2.1.2 研究BGP并行测试技术的必要性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

2.2 BGP-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

2.2.3 TTCN-3形式化描述语言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

2.2.4 多端口并行测试描述语言CMP-TDL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

第3章BGP-4测试集总体规划. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

3.1 BGP-4测试集规划的意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

3.2 BGP-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

3.2.2 BGP-4测试集的规划原则. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

3.3 BGP-4一致性协议测试集规划. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

3.3.1 BGP基本信息处理测试组规划. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

3.3.2 BGP协议状态机测试组规划. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

3.3.3 BGP错误处理测试组规划. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

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3.3.4 BGP扩展测试组规划. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

3.4 BGP-4互操作性测试集规划. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

3.5 BGP-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

4.1.1 TTCN-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

4.2 TTCN-3描述的双端口BGP-4协议测试例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

4.2.1 BGP测试集的TTCN-3模块定义部分. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

4.2.2 BGP一致性测试例举例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

4.3 CMP-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

4.3.2 BGP突发量多端口测试例描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

4.4 BGP-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

5.1 BGP与IGP的相互作用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

5.1.1 把BGP注入到IGP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

5.1.2 将IGP注入到BGP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

5.2 BGP与RIP交互联合测试举例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

5.2.1 RIP与RIPng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

5.2.2 BGP-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

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第1章绪论

1.1 本论文的研究背景

1.1.1 IPv6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 Internet Engineering Task Force(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IP v6为基础的Inte rnet被学界和业界广泛地成为下一代Interne t(N GI)。

IPv6的出现一方面使网络设备必须面对从IP v4向IP v6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]、O SPFv3[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(Conformance Test)和互通测试Interop erab il ity Te st。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Conformance Test框架”文本 即ISO IS 9646[7] 对基本观测法、测试定义语言和产品一致性申明等方

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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Inte rnet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–Borde r Gateway P rotoco l。 Interne t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–Auto no mo us S yste m [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B GP [5-6] 。尽管早期还定义有外部网关协议EG P(Exterior gateway protocol)[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Network Layer Reachable Information。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TTC N-3进行的但TTC N-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TTC N-3不具备相关的功能

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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 C onc urre ntMulti-Port Test De finition Language [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University of New Hampshire的互通实验室[8] IO L- Interoperab ility Lab 互通实验室以Moo nv6[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TTC N[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<S p ire nt>[1 1] 。 S p ire nt推出的TRTInterac tive是著名的TeraRo uting Tes ter 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<Agile nt>[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-clip Test Approach” [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。