黑洞路由在星形网络中的应用及效果
2020-11-10尹卫峰
摘要：在网络维护中，有一种常常被技术人员忽视的网络故障叫“路由环路”，路由环路也会跟其它网络故障一样占用网络带宽，消耗设备资源。黑洞路由能很好地解决路由环路问题，而且比用ACL系统负载更小。
关键词：路由环路;黑洞路由
1 前言
中原通信网络结构分二层和三层，二层就是简单的VLAN透传，三层有OSPF动态路由协议和RIP协议。OSPF在宽带数据核心网和传输环网中使用，而大部分专网更多使用的是RIP协议中的静态路由，毕竟网络结构简单，源地址到达目标地址路由跃点数不超过5跳。
在网络维护中，有一种常常被技术人员忽视的网络故障叫“路由环路”，因为宽带数据核心网采用动态路由协议居多，OSPF的链路状态算法不会产生路由环路，只有RIP采用距离向量协议的静态路由才会发生，所以很少有人留意这个问题，但路由环路也会跟其它网络故障一样占用网络带宽，消耗设备资源。
那么路由环路是如何产生的呢？这是一种在网络边界做汇总回程路由的时候出现的现象，有一些网段并不在内网中存在，但是又包含在汇总后的网段中，如果在这个汇总的边界设备上同时还配置了缺省路由，就可能出现这个问题。这时，如果有数据包发向那些不在内网的网段（但是又包含在汇总网段）所在的路由器，根据最长匹配原则，并没有找到对应的路由，只能根据默认路由又回到原来的路由器，这就形成了环路，直到TTL值超时才丢弃，然后如此反复。这样用户的数据包就不停在网络上循环发送，最终造成网络资源的严重浪费。
2 何为黑洞路由？
黑洞路由主要是指指向null接口的路由，null接口是一个虚拟的接口无法被配置IP地址，它是将所有无关路由吸入其中，使它们有来无回的路由，是需要主动建立的路由条目。转发到该接口上的数据包都会被丢掉，所以对于所有可能产生路由回路的路由都加上一条黑洞路由。
如果同样的功能用ACL（地址访问控制列表）实现，则流量增大时CPU利用率会明显增加。所以，设置黑洞路由一直是解决固定DOS攻击的最好办法。相当于洪水来临时，在洪水途经的路上附近挖一个不见底的巨大深坑，然后将洪水引入其中。黑洞路由最大的好处是充分利用了路由器的包转发能力，对系统负载影响非常小。
3 黑洞路由在星形网络中的应用
3.1 配置R1，R2，R3，R4及loopback口
R1：
interface Ethernet0/0/0
ip address13.1.1.1255.255.255.0
#
interface LoopBack0
ip address10.1.1.1255.255.255.0
#
ip route-static10.1.0.0255.255.0.013.1.1.3
ip route-static34.1.1.0255.255.255.013.1.1.3
此外、还有R2、R3、R4
3.2 断开R2和R3之间的链路，用R4路由跟踪R2
在R3的接口断开之后，当R4上ping10.1.2.1，R4上会根据第四条路由去R3，到R3后查询第二条路由表之后是到R4的，如此循环往复就出现了环路。wireshark抓包结果：ping5个包，但是wireshark抓包抓取了1280个包。
3.3 构建静态黑洞路由后的结果
[r3]ip route-static10.1.0.016NULL0
traceroute to10.1.2.1（10.1.2.1），max hops：30，packet length：40，pressCTRL_C
to break
正常黑洞路由的掩碼要比R3上的这条[R3]ip route-static10.1.2.0255.255.255.023.1.1.2的路由的掩码要长，因为根据路由器查看路由表的最长匹配原则，掩码越长越优先匹配。即使R2和R3的断了的接口恢复了，发往10.1.0.0/16的报文也不会再匹配黑洞路由，因为黑洞路由的掩码比R2上的网段的路由掩码要短。
4 黑洞路由在防火墙NAT中的应用
NAT地址池地址是202.1.1.10，防火墙与路由器互联接口地址的掩码是30位，与NAT地址池地址不在同一网段。防火墙上配置了一条缺省路由，下一跳是202.1.1.2，这样就能把私网PC访问公网Server的报文送到路由器。为了保证公网Server的回程报文能够顺利到达防火墙，路由器上还要配置了一条到NAT地址池地址的路由。
正常情况下，私网PC访问公网上的服务器Server，生成会话表，源地址也进行了转换，业务很正常。因为NAT地址池只有在转换私网地址的时候才会用到，也就是说，私网PC必须先发起访问请求，防火墙收到该请求后才会为其转换地址，NAT地址池地址并不对外提供任何单独的服务。所以当公网PC主动访问NAT地址池地址时，报文到达防火墙后，无法匹配会话表，防火墙肯定就会把报文丢弃了。如果在防火墙的GE0/0/1接口抓包，然后再次在公网PC上执行ping202.1.1.10命令发送一个ping报文。
抓到了大量的ICMP报文，而且报文的TTL值逐一递减，直到变为1。TTL是报文的生存时间，每经过一台设备的转发，TTL的值减1，当TTL的值为0时，就会被设备丢弃。这说明公网PC主动访问NAT地址池地址的报文，在防火墙和路由器之间相互转发，直到TTL变成0之后，被最后收到该报文的那台设备丢弃。
（1） 路由器收到公网PC访问NAT地址池地址的报文后，发现目的地址不是自己的直连网段，因此查找路由，发送到防火墙。
（2） 防火墙收到报文后，该报文不属于私网访问公网的回程报文，无法匹配到会话表，同时目的地址也不是自己的直连网段（防火墙没有意识到该报文的目的地址是自己的NAT地址池地址），只能根据缺省路由来转发。因为报文从同一接口入和出，相当于在同一个安全区域流动，缺省情况下也不受安全策略的控制，就这样报文又从GE0/0/1接口送出去了。
（3） 路由器收到报文后，查找路由，还是发送至防火墙，如此反复。
5 总结
如果不处理这种路由环路，无数的报文就会在防火墙和路由器之间循环转发，占用链路带宽资源，同时防火墙和路由器将会消耗大量的系统资源来处理这些报文，就可能导致无法处理正常的业务。当防火墙上NAT地址池地址和公网接口地址不在同一网段时，必须配置黑洞路由，避免在防火墙和路由器之间产生路由环路。
6 结论
路由环路在实际的网络组网和维护中时有出现，通过设备日志通常看不出来，表面上似乎对业务没啥影响，但环路对网络和设备的资源消耗是实实在在存在的。从网络精细化管理的角度，路由环路必须消除，如果遇到大数据量请求或者有人恶意DDOS攻击，势必会造成网络链路拥塞，从而导致业务崩溃。黑洞路由的配置并不复杂，但关键是要搞清网络结构，适时使用，彻底消除网络隐患。
作者简介：
尹卫峰（1972年12月出生），男，工程师，从事油田通信网络技术工作.
