ＴＣＰ／ＩＰ　網(wǎng)絡(luò)中故障節(jié)點(diǎn)的診斷方法

于長(zhǎng)虹　張偉鋒

摘要：本文描述了一種在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行故障節(jié)點(diǎn)診斷的程序?qū)崿F(xiàn)，該方法基于VxWorks操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀環(huán)境，但此程序算法的實(shí)現(xiàn)，并不依賴于底層的操作系統(tǒng)及硬件環(huán)境，經(jīng)過少量修改可以在任何提供TCP/IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，比如Linux，Windows等。

關(guān)鍵詞：ICMP；TCP；UDP；路由追蹤

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)18-2pppp-0c

1 背景

網(wǎng)路故障的一般表現(xiàn)是網(wǎng)速變慢或者無法訪問互聯(lián)網(wǎng)或內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)故障診斷時(shí)，往往需要借助各種工具軟件如Sniffer、ping、traceroute等進(jìn)行逐步排查，最后經(jīng)過分析，選擇懷疑的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，然后在局端或現(xiàn)場(chǎng)對(duì)懷疑的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行各種連通性、替代性測(cè)試，方法步驟繁雜，而且往往無法準(zhǔn)確診斷。

經(jīng)過分析，故障診斷的過程，可以使用專用的設(shè)備，并編寫相應(yīng)的診斷程序，自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)故障節(jié)點(diǎn)的測(cè)試和判斷。

2 算法和設(shè)計(jì)

當(dāng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)位置的鏈路存在問題時(shí)，一般可能是：物理鏈路斷開（線纜或節(jié)點(diǎn)設(shè)備故障）；目的地址的相應(yīng)端口沒有開放，或者中間鏈路經(jīng)過的設(shè)備（交換機(jī)，路由器等）禁止了協(xié)議或端口；終端設(shè)備故障。故，處理流程首先是找到測(cè)試節(jié)點(diǎn)到達(dá)連接服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的路徑，確定經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置，然后對(duì)節(jié)點(diǎn)中的各個(gè)位置實(shí)施連通性測(cè)試，最后根據(jù)測(cè)試結(jié)果判斷故障節(jié)點(diǎn)位置和原因。

2.1 網(wǎng)絡(luò)路由的查詢

該部分的功能類似于Linux系統(tǒng)中提供的命令traceroute，不同的是，該部分功能進(jìn)行路由診斷依賴的協(xié)議不僅僅是ICMP。

ICMP的原理是鏈路上的節(jié)點(diǎn)設(shè)備都要在轉(zhuǎn)發(fā)該 ICMP 回顯請(qǐng)求報(bào)文之前將報(bào)文頭部的 TTL 值減 1，當(dāng)報(bào)文的 TTL 值減少到 0 時(shí)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備向源發(fā)回 ICMP 超時(shí)信息。該診斷實(shí)用程序通過向目的地發(fā)送具有不同生存時(shí)間 (TTL) 的 ICMP報(bào)文，確定至目的地的路由。通過發(fā)送 TTL 為 1 的第一個(gè)回顯報(bào)文并且在隨后的發(fā)送中每次將 TTL 值加 1，直到目標(biāo)響應(yīng)或達(dá)到最大 TTL 值，可以確定鏈路經(jīng)過的路由。通過檢查鏈路中間節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)回的 ICMP 超時(shí)信息，可以確定故障節(jié)點(diǎn)。

如果使用ICMP協(xié)議無法完成測(cè)試，則改為使用UDP協(xié)議和TCP協(xié)議分別進(jìn)行路由偵測(cè)。源發(fā)出UDP數(shù)據(jù)包，源端口使用隨機(jī)的大于32768的高段端口號(hào)，目的端口從33434開始依此遞增，直至33434+29，同時(shí)TTL從1開始依此遞增，直至1+29=30。節(jié)點(diǎn)設(shè)備送回的 ICMP超時(shí)報(bào)文，使得源可以偵測(cè)到鏈路上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)診斷

向節(jié)點(diǎn)發(fā)送TCP握手信號(hào)，如果該節(jié)點(diǎn)可以通過connect連接成功，表示節(jié)點(diǎn)可以正常連接，如果回應(yīng)RST，表示該節(jié)點(diǎn)禁止了該端口的訪問，如果該節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間不回復(fù)SYN，也可以認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)禁止端口。

因此，依據(jù)上述現(xiàn)象可以很容易判斷當(dāng)前故障節(jié)點(diǎn)——離測(cè)試者最近的故障點(diǎn)，可以被認(rèn)定為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)。

2.3 故障節(jié)點(diǎn)位置的判斷策略

如果路由尋找完整，一般能夠找到節(jié)點(diǎn)。在所有不回應(yīng)SYN包或者回應(yīng)RST包的

節(jié)點(diǎn)中，應(yīng)該是離源最近跳數(shù)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備將端口關(guān)閉。

如果路由尋找不完整，有可能找不到所找的故障點(diǎn)。如果在找到的n個(gè)節(jié)點(diǎn)中，只有非最遠(yuǎn)離源的一個(gè)節(jié)點(diǎn)不回應(yīng)，或回應(yīng)RST包，則不能確定故障節(jié)點(diǎn)；如果是包括最遠(yuǎn)離源在內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)不回應(yīng)或回應(yīng)RST包，則最右端節(jié)點(diǎn)可能為故障節(jié)點(diǎn)，但并不能確定在整個(gè)路由中的故障節(jié)點(diǎn)所在，因?yàn)槁酚刹煌暾?/p>

2.4 不能覆蓋的異常情況

如果使用ICMP和UDP都無法尋找到完整路由，則有可能找不到故障節(jié)點(diǎn)，但這種情況非常少，因?yàn)楦鶕?jù)UDP的測(cè)試原理，除非中間節(jié)點(diǎn)將大于32768的端口全部封掉，否則都可以得到完整的路由路徑。

3 代碼片段和程序流程

3.1 整體框架代碼

int f_procon_scan_showerr(char *re_info)

{char err_node[16];

inet_ntoa_b(info_scan.node[info_scan.err_num],err_node);

if(err_tcpscan == ERR_PORTSCAN_ROUTE_HALF){

sprintf(re_info,"路由信息不完整，故障點(diǎn)可能是：%s",err_node);

}else if(err_tcpscan == ERR_PORTSCAN_ROUTE_NO){

sprintf(re_info,"未找到達(dá)到目的地址的路徑，無法診斷故障");

}else{

sprintf(re_info,"路由信息完整，故障點(diǎn)是：%s",err_node);

}

return OK;

}

static int quitflag=0;

int f_procon_scan_tcp(void)

{char * re_info; /* 測(cè)試完后返回的信息 */

int re_find;

int i,rv;

char buf[512];

int numBytes,count;

int on,len;

int ctrlSock;

struct sockaddr_in ctrlAddr;

struct router_node bak_router_node;

sprintf(buf,"正在使用ICMP獲取路由信息...");

server_virtual_display_output(buf,0);

bzero((char *)&info_scan,sizeof(info_scan));

re_find = find_node(0);/*使用ICMP協(xié)議*/

if(info_scan.number == 0){/* 沒有正確找到到目的地址的路由信息,嘗試使用udp協(xié)議查找*/

sprintf(buf,"正在使用UDP獲取路由信息...");

server_virtual_display_output(buf,0);

bzero((char *)&info_scan,sizeof(info_scan));

re_find = find_node(1);/*使用UDP協(xié)議*/

if(info_scan.number == 0){

err_tcpscan = ERR_PORTSCAN_ROUTE_NO;

return OK;

}

}else if(re_find == ERROR){/*獲取不完整路徑，嘗試用udp獲取*/

sprintf(buf,"正在使用UDP獲取路由信息...");

server_virtual_display_output(buf,0);

memcpy(&bak_router_node,&info_scan,sizeof(info_scan));

bzero((char *)&info_scan,sizeof(info_scan));

re_find = find_node(1);/*使用UDP協(xié)議*/

if(info_scan.number == 0){/*udp沒有獲取到路徑，則恢復(fù)icmp的路徑*/

memcpy(&info_scan,&bak_router_node,sizeof(bak_router_node));

re_find=ERROR;

}else if(re_find == ERROR){/*udp獲取的也是不完整路徑，則進(jìn)行比較，選最多的*/

if(info_scan.number

memcpy(&info_scan,&bak_router_node,sizeof(bak_router_node));

}

}

}

if(re_find == ERROR){

err_tcpscan = ERR_PORTSCAN_ROUTE_HALF;

}else{

err_tcpscan = ERR_PORTSCAN_ROUTE_OK;

}

quitflag=1;

info_scan.node[info_scan.number].s_addr=self_ip;

for(i=info_scan.number-1;i>=0;i--){

/*創(chuàng)建socket*/

ctrlSock = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

if (ctrlSock < 0){

sprintf(buf,"無法創(chuàng)建socket");

server_virtual_display_output(buf,0);

return (ERROR);

}

/*設(shè)置socket為非阻塞模式*/

on=TRUE;

if(ioctl(ctrlSock,FIONBIO,(int)&on)<0){

printf("set socket to no block is error ");

}

ctrlAddr.sin_family= AF_INET;

ctrlAddr.sin_addr.s_addr = info_scan.node[i].s_addr;

ctrlAddr.sin_port= htons(s_procon_info.port);

if(connect(ctrlSock,(struct sockaddr *)&ctrlAddr, sizeof (ctrlAddr))< 0){

if(!((errno==EINPROGRESS) || (errno==EALREADY))){

shutdown(ctrlSock,2);

close(ctrlSock);

continue;

}

}

rv=server_wait_for_write_timeout(ctrlSock,&quitflag);

if(rv!=0){

shutdown(ctrlSock,2);

close(ctrlSock);

break;

}

shutdown(ctrlSock,2);

close(ctrlSock);

}

if(i<0){/*沒有一個(gè)通的，或最近的也不通，則認(rèn)為是最近的有問題*/

i=0;

}else if(i!=info_scan.number-1){/*不是最后一個(gè)不同，則認(rèn)為就是他了*/

i++;

}else if(err_tcpscan == ERR_PORTSCAN_ROUTE_OK){/*最后一個(gè)竟然也是通的，則認(rèn)為是服務(wù)器本身了*/

i++;

}

info_scan.err_num=i;

return OK;

}

3.2 查找路由節(jié)點(diǎn)函數(shù)

static int find_node(int flag)

{int dst_ip, gateway;

int i,num;

int result = OK;

S_TRACERT_INTERFACES info_tracert;

S_TRACERT_INTERS *intrs;

struct in_addr ip_tra;

dst_ip = s_procon_info.ip_remote.s_addr; /* tracert ip is test ip */

switch(s_netcon_info.mode){

case D_NETCON_MODE_STATIC_IP:

gateway = s_netcon_info.sta_ip.ip_router.s_addr;

self_ip = s_netcon_info.sta_ip.ip_local.s_addr;

break;

case D_NETCON_MODE_DHCPC:

gateway = s_netcon_info.dhcpc.ip_router[0].s_addr;

self_ip = s_netcon_info.dhcpc.ip_local.s_addr;

break;

case D_NETCON_MODE_PPPOEH:

gateway = s_netcon_info.pppoeh.ip_remote.s_addr;

self_ip = s_netcon_info.pppoeh.ip_local.s_addr;

break;

}

f_tracert_routine(dst_ip,gateway,flag); /* exec tracert for find node */

/* 如果tracert未結(jié)束，查看是否出現(xiàn)超時(shí)找不到路由情況，如果是，終止測(cè)試 */

/* 如果tracert停止，看是否追蹤到最終的路由 */

while(!v_tracert_end){

f_tracert_show((char *)&info_tracert); /* 取信息，判斷 */

for(i=0;i

intrs=&info_tracert.tracert_info[i];

ip_tra.s_addr = intrs->ip;

if(intrs->ip == 0){

info_tracert.number -= 1;

f_tracert_end();

result = ERROR;

}

}

taskDelay(sysClkRateGet()/2);

}

f_tracert_show((char *)&info_tracert);

info_scan.number = info_tracert.number;

/* save the node infomation to my struct */

for(i=0;i

intrs=&info_tracert.tracert_info[i];

info_scan.node[i].s_addr = intrs->ip;

}

num = info_scan.number - 1;

if(info_scan.node[num].s_addr == 0){

info_scan.number -= 1;

}

return result;

}

3.3 涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

保存狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體。

static struct router_node{

int number; /* 到目的地址能找到的節(jié)點(diǎn)總數(shù) 如果為0，表示未找到路由*/

int err_num; /* 詢查所有節(jié)點(diǎn)，最后一個(gè)對(duì)端口無回應(yīng)的節(jié)點(diǎn)序號(hào)*/

struct in_addr node[31]; /* 用Tracert查到的路由節(jié)點(diǎn)地址 */

char f_send[30]; /* 向相應(yīng)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送TCP SYN包標(biāo)志 ，成功置 1*/

charf_recv[30]; /* 成功接收各節(jié)點(diǎn)回復(fù)包標(biāo)志，接收到置 1 */

int send_seq[30]; /* 發(fā)送的各SYN包的SEQ號(hào)，用來判斷接收包 */

unsigned char flag[30]; /* 如果接收返回包，保存返回包的TCP FLAG字段 */

}info_scan;

錯(cuò)誤狀態(tài)如下：

#define ERR_PORTSCAN_ROUTE_NO 0x01

#define ERR_PORTSCAN_ROUTE_OK 0x02

#define ERR_PORTSCAN_ROUTE_HALF 0x03

#define ERR_PORTSCAN_SEND_SYN 0x11 //向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送SYN同步包出錯(cuò)

4 應(yīng)用案例

現(xiàn)有一計(jì)算機(jī)終端，無法登錄其開通的網(wǎng)絡(luò)多媒體點(diǎn)播服務(wù)系統(tǒng)，但可以登錄其它網(wǎng)站，使用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的網(wǎng)絡(luò)故障診斷軟件來診斷該案例。

首先，通過用戶界面，填入多媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的IP地址（如202.102.249.174）極其端口號(hào)（1026），然后點(diǎn)擊測(cè)試，診斷軟件首先查找從局域網(wǎng)絡(luò)到達(dá)202.102.249.174的路由如下：

1<1 ms<1 ms<1 ms192.168.15.1

2 *** Request timed out.

3 2 ms 1 ms 1 mshn.kd.ny.adsl [125.42.110.1]

4<1 ms<1 ms<1 mspc17.zz.ha.cn [61.168.254.17]

5<1 ms<1 ms<1 mspc58.zz.ha.cn [61.168.252.58]

6<1 ms<1 ms<1 ms202.102.249.174

然后，軟件將根據(jù)算法，從最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)開始診斷，發(fā)現(xiàn)直到hn.kd.ny.adsl時(shí)，1026端口的連接測(cè)試不能通過，從而確定，問題是因?yàn)閔n.kd.ny.adsl設(shè)備禁止了1026端口。向局端工程師確認(rèn)，并修改多媒體登錄系統(tǒng)的端口為其它端口（8080）,可以登錄，問題解決。

5 后記

使用該算法的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀產(chǎn)品已經(jīng)研制成功，該產(chǎn)品同時(shí)具備了ping、sniffer等更多的網(wǎng)絡(luò)功能，可以更好的替代網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員隨聲攜帶的筆記本電腦和其它設(shè)備，簡(jiǎn)便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)故障的診斷。

參考文獻(xiàn)：

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[4]（美）史蒂文斯,（美）芬納,（美）魯?shù)婪?楊繼張,譯. UNIX網(wǎng)絡(luò)編程.北京:清華大學(xué)出版社,2006,1.

收稿日期：2008-03-10

作者簡(jiǎn)介：于長(zhǎng)虹（1982-），男，網(wǎng)絡(luò)工程師，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)；張偉鋒，洛陽師范學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院。