使用IP选项实现Traceroute程序

1. 现今的Traceroute

　　现在的traceroute的实现是这样的：主机先发出一个TTL（Time To Live，生存时间）为1的数据包。接着数据包经过第一跳之后到达一个路由器，此时路由器将发回一个ICMP错误消息[1]，以说明这个数据包不能继续向前传送，因为其TTL已经过期了。然后traceroute程序又发出一个TTL为2的数据包，这个数据包经过两次跳跃后其TTL过期。这个过程不断重复，直到数据包到达目的主机。此过程的目的就是要记录下所有发出 ICMP超时消息的消息源，据此就可以确定出数据包到达目的主机的路径了。

　　这个算法的优点是所有的路由器都能够发出TTL超时消息，因而不需要特殊的代码以支持此算法。而其缺点在于：发出的数据包的数目（2n个，其中n是数据包跳跃次数）（译注：可能包含了路由器发送的超时消息），花费在用连续的数据包记录较近路由的时间，以及路径在这个检测过程中可能会发生改变这个事实。同时，这个算法并不能跟踪检测数据包返回时的路径，而这个路径很可能与外出路径不同。

2. 将来的Traceroute

　　这个被提议的traceroute实现将使用一种不同的算法来达到相同的目的，即得到到达目的主机的路径。由于新的traceroute实现采用了一种专用的ICMP消息，所以用户还可以得到一些以前（使用老的traceroute）得不到的额外信息。

2.1 基本算法

　　这里，我们将定义一种新的IP选项——Traceroute选项。若此选项存在在一个ICMP应答（或任何其他）数据包中，在下文中称之为“外出数据包”（Outbound Packet），则会使路由器给这个外出数据包的源端发出一个新定义的ICMP Traceroute消息。这样，通过n+1个数据包（而不是2n个），这个外出数据包所经过的路径就可以被其发送端记录下来。路径的改变并不影响这个算法的有效性，同时，该算法还允许对外出数据的应答，下文称之为“返回数据包”（Return Packet），进行跟踪，只要外出数据包的目的主机在发送应答数据时保留原来的 IP Traceroute选项就可以了。

　　这个方法的不足之处在于必须把traceroute功能加到路由器中去。而好处是这种机制能够很容易的加入到新版本的IP协议中去。

2.2 IP Traceroute选项格式

（译注：为方便对比，我将英文和中文的格式都列了出来，下同）

F（复制到分片标志，copy to fragments）：
　　0（不复制到分片）
C（类别，class）：
　　2（调试 & 测量）
数字（Number）：
　　18（F+C+Number = 82）
ID标识号（ID Number）：
　　这是由外出数据包发送者指定的任意一个数值，其目的在于可以让程序识别与自身发出数据包对应的ICMP Traceroute消息。这个数值与IP头部的标识号没有关系。
源IP地址（Originator IP Address）：
　　发送外出数据包的主机地址。这是必须的，因为路由器要根据这个地址发送返回数据包。含有源站选路（Source Route）选项的外出数据包同样需要这个字段。
外出跳跃计数（Outbound Hop Count，简称OHC）：
　　外出数据包已经通过的路由器数目。外出数据包的目的主机不增加这个字段的值。
返回跳跃计数（Return Hop Count，简称RHC）：
　　返回数据包已经通过的路由器数目。返回数据包的目的主机不增加这个字段的值。

2.3 ICMP Traceroute消息格式

类型（Type）：
　　30
代码（Code）：
　　0 - 外出数据包转发成功
　　1 - 前面已没有路由器，数据包被抛弃
校验和（Checksum）：
　　对首部中每个16位字进行二进制反码求和的结果。在计算校验和之前，应当先把此字段填零，然后填入计算结果。
ID标识号（ID Number）：
　　与引起此消息的数据包中的IP Traceroute选项部分的相应字段相同。这同样不与IP首部的ID标识号有任何关系。
外出跳跃计数（Outbound Hop Count）：
　　与引起此消息的数据包中的IP Traceroute选项部分的相应字段相同。
返回跳跃计数（Return Hop Count）：
　　与引起此消息的数据包中的IP Traceroute选项部分的相应字段相同。
输出连接速度（Output Link Speed）：
　　发送“外出/返回数据包”所在连接的速度，以“字节（8位）/秒”计。选择“字节/秒”而不是“位/秒”是考虑到如下事实：网络速度不久即将突破4.3GB/s，同时有些机器处理大于32位字段的效率很低。如果这个值不能确定，那么该字段应该置为零。
输出连接MTU（Output Link MTU）：
　　发送“外出/返回数据包”所在连接的MTU，以“字节”计。MTU所针对的只是数据包中的数据部分，包括IP首部，但不包括链路层所加的首部及尾部封装。如果这个值不能确定，那么该字段应该置为零。

3. 协议

　　带有IP Traceroute选项的外出数据包通常不应该使用特殊的服务类型（Type Of Service，简称TOS）或优先级（Precedence），除非想要跟踪具有特殊服务类型或优先级的数据包路径。

　　外出数据包的TTL值应该设置成“数字分配”[2]一文中所指定的默认值。

3.1 跳跃（Hop）计数

　　跳跃计数提供了有关外出/返回数据包到目的主机所经路径长度的信息。这些计数也提供了判断ICMP Traceroute消息丢失与否的一种方法。举个例子来说，如果一个OHC为6的消息紧跟在一个OHC为4的消息后面，那么我们可以得出结论，那个OHC为5的消息丢失了。这也说明了仅计算 Traceroute消息的数目不能有效判断路径长度的原因。

　　外出数据包的源端应当把数据包中的OHC设成0，而把RHC设成0xFFFF。0xFFFF这个特殊数值用来表示这是一个外出数据包而不是返回数据包，返回数据包的RHC为0。

　　另外要注意的很重要的一点是，这个跳跃计数与与IP的TTL没有任何关联。跳跃计数的步增应该仅在一个ICMP Traceroute消息发出时进行。

3.2 目的主机操作

　　若一主机接收到一个带有IP Traceroute选项的外出数据包，那么在被要求应答的时候（如ICMP Echo服务的请求/应答），返回数据包也应当带有此选项。在返回数据包中必须填入如下内容：ID标识号、OHC和源IP地址。而RHC字段应当被设为0。

　　外出数据包的目的主机不应该再增加跳跃计数或者发送任何的ICMP Traceroute消息。

3.3 路由器操作

　　当路由器转发一个含有IP Traceroute选项的数据包时，它应当给源IP地址字段所指出的主机发送一份ICMP  Traceroute消息。如果接收到的数据包中的RHC字段为0xFFFF，那么这个数据包就是外出数据包，因此路由器应当将OHC字段的值加一；否则路由器应将RHC字段加一。而发回的Traceroute消息应该反映出增加后的跳跃计数。输出连接速度应当设置成发送“外出/返回数据包”所在连接的速度，以“字节（8位）/秒” 计（如一个以太网速度为1,250,000），该字段也可以设成零以表示速度不能确定。输出连接MTU应当设置成发送“外出/返回数据包”所在连接的 MTU，该字段同样可以为零以表示MTU不能确定。

　　当Traceroute选项存在时，外出/返回数据包的转发过程应该像它不存在一样。也就是说，到达目的主机的路径与是否存在Traceroute选项无关。

　　ICMP Traceroute消息应该与外出/返回数据包具有相同的TOS和优先级。TTL值应该设置成“数字分配”[2]一文中所指定的默认值。

　　ICMP Traceroute消息不应该再具有IP Traceroute选项。

　　如果外出数据包不能被转发，那么返回的ICMP Traceroute消息的代码字段应当设为1。但是如果返回数据包由于没有可用的路由器而不能被转发，那么就不需要发回一个Traceroute消息，因为这个消息就算发了也将不能被转发。

4. 参考文献

   [1] Postel, J., "Internet Control Message Protocol", STD 5, RFC 792,
       USC/Information Sciences Institute, September 1981.
   [2] Reynolds, J., and J. Postel, "Assigned Numbers", STD 2, RFC 1340,
       USC/Information Sciences Institute, July 1992.

5. 安全性考虑
　　安全性方面的相关内容不在本文中讨论。

6. 作者的地址
   Gary Scott Malkin
   Xylogics, Inc.
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