基于IP路由識別方法的可行性應(yīng)用分析

◆王海峰

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基于IP路由識別方法的可行性應(yīng)用分析

◆王海峰

（南通師范高等?？茖W(xué)?，F(xiàn)代教育技術(shù)中心 江蘇 226500）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備成為了當(dāng)今社會中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，網(wǎng)絡(luò)路由器作為網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的主要部件已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題。路由器別名識別是構(gòu)建路由器級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹匾襟E之一，基于網(wǎng)絡(luò)層析成像基本原理的IP網(wǎng)絡(luò)路由器，分析了網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器的優(yōu)點及其應(yīng)用，可為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化、管理提供有用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是構(gòu)建可信、安全網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的重要前提。

IP路由器；識別方法；可行性

0 前言

獲取網(wǎng)絡(luò)路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是 Internet 網(wǎng)絡(luò)路由器測量的研究基礎(chǔ)，現(xiàn)有路由器級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)技術(shù)主要采用基于 traceroute 工具的探測結(jié)果構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖1所示，圖1中，h1， h2， h3， h 4是終端主機， r1，r2，是它們之間的路由器，r1 與 r2 之間通過點對點鏈路連接。小寫字母a，b，c，d，e，f，g，h，i，j表示接口 IP 地址。伴隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)在我們的生活中扮演著更加重要的角色[1]。為了確?；ヂ?lián)網(wǎng)通信運行的快速并進(jìn)一步增強互聯(lián)網(wǎng)通信性能，科學(xué)研究者只有詳細(xì)掌握如網(wǎng)路拓?fù)涞韧ㄐ诺幕緟?shù)，才能做進(jìn)一步的更好地研究。網(wǎng)路拓?fù)渚褪蔷W(wǎng)絡(luò)實體間的一種連接關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R別是掌握網(wǎng)絡(luò)通信性能的重要基礎(chǔ)。通過研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時動態(tài)分析和管理，并且有針對地研究高效網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑袆e法包括廣播ping的方法、基于DNS zonetransfer以及基于traceroute的方法[2]。這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑袆e法需要假定所有的中間節(jié)點可協(xié)作，然后進(jìn)行發(fā)包，通過對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行猜測才可以完成整個通信過程，所以要依賴于協(xié)議的允許和路由中間節(jié)點的相互協(xié)作。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R別法就是通過一定的方法和技術(shù)，對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)溥M(jìn)行推測和識別。相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑袆e法，基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器級識別方法可以通過 IP 接口級來對POP 級進(jìn)行映射；但是通過IP 接口級進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，也是在對于路由器級的拓?fù)湓诘幕A(chǔ)上得到別名的。因為 IP 路是由器由非常多的 IP 通信接口所構(gòu)成的，所以最先應(yīng)該識別屬于同一臺路由器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫ㄐ沤涌?，然后再通過其映射到路由器就構(gòu)成了路由器級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。

圖1 路由器與接口之間的關(guān)系

1 IP路由識別方法的基本原理

1.1 網(wǎng)絡(luò)層析成像法

基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R別的通信技術(shù)層析成像方法需要假設(shè)所有的中間節(jié)點均不協(xié)作，這與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R別方法有很大差別[4]。所以從源節(jié)點向目的節(jié)點進(jìn)行探測包的發(fā)送，然后在通信的目的節(jié)點位置來接收數(shù)據(jù)的探測包，通過使用數(shù)據(jù)探測包的資料在通信共享路徑上的相關(guān)關(guān)聯(lián)性質(zhì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的推測，就可以得到發(fā)送包所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。雖然基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R別的層析成像方法具有傳統(tǒng)方法所不具備的優(yōu)點，但是現(xiàn)實中由于匿名路由器的真實客觀存在會導(dǎo)致很多鏈路信息并不完全清楚，無法識別的匿名路由器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其主要缺點是不明白原始資料數(shù)據(jù)中的某一類的匿名路由器完全可以進(jìn)行通信信號合并，需要結(jié)合通信鏈路中的所有的相關(guān)信息來做推導(dǎo)。基于網(wǎng)絡(luò)層析成像法的分類方法，主要分為多播級網(wǎng)絡(luò)層析成像法和單播級網(wǎng)絡(luò)層析成像法[5]，因此，相對單播級網(wǎng)絡(luò)層析成像法而言，多播級網(wǎng)絡(luò)層析成像法可以得到更多的有用的通信測量數(shù)據(jù)。

圖2 基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓硎疽鈭D

1.2 IP匿名路由器識別

從電腦發(fā)明之日起，人們就發(fā)明了很多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將各種設(shè)備以不同的方式連接起來。那么，如何區(qū)分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呢？在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R別中，需要從獲取的數(shù)據(jù)中分析網(wǎng)絡(luò)的邏輯連接，網(wǎng)絡(luò)連接可以理解為在一個物理連接中再劃分的虛擬連接，可以抽象為一條馬路上再劃分出不同的車道，進(jìn)而識別出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來完整地識別出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，識別出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要每個節(jié)點的信息[7]。但是在現(xiàn)實使用環(huán)境中，通信網(wǎng)絡(luò)中因為有部分路由器會因為種種客觀因素，會造成在獲得探測數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)中會存在部分無法識別的通信符號，會給網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識別帶來非常大的識別困難。由于無法確認(rèn)這些識別符號的具體詳細(xì)信息，會造成通信困難。由于存在匿名路由器問題，隨著源節(jié)點探測數(shù)量急劇增多，被探測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度也會急劇增加。

IP 網(wǎng)絡(luò)路由器級拓?fù)渥R別能夠?qū)β酚善鲃e名進(jìn)行動態(tài)解析、綜合形成 IP 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。但是在現(xiàn)實使用環(huán)境中，因為存在匿名路由器的客觀因素，會造成以下兩個問題：第一，通過接受探測包而獲得的網(wǎng)絡(luò)測量數(shù)據(jù)中存在不能識別的通信符號；第二，會產(chǎn)生許多虛假節(jié)點，主要是通過分析得到的匿名路由器通信節(jié)點與實際匿名路由器通信節(jié)點不吻合，從而嚴(yán)重影響了 IP 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的真實性，具體情況如圖3中所示。圖3（a）中S 為源節(jié)點發(fā)送探測數(shù)據(jù)，D1，D2 ，D3 都是接收數(shù)據(jù)的目的節(jié)點。圖3（a）中間的星號就是一個匿名路由器的代表，當(dāng)從發(fā)送任意一個探測數(shù)據(jù)包的時候，測量數(shù)據(jù)中肯定都會得到一個匿名路由器數(shù)據(jù)包。在圖3(b)數(shù)據(jù)在實際運用環(huán)境中缺乏相關(guān)的分析信息，無法法做出是同一個匿名路由器的判斷，所以在圖 3(b)數(shù)據(jù)中匿名路由器的數(shù)量就從1個迅速增加到3 個。因此，識別 IP 網(wǎng)絡(luò)路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在一定意義上其實相當(dāng)于許多重復(fù)匿名路由器的識別問題。

（a）實際匿名路由器節(jié)點（b）分析得到的匿名路由器節(jié)點

1.3 基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器

為了解決前面所述出現(xiàn)的問題，可以通過采取以下辦法來解決。因為網(wǎng)絡(luò)中一個匿名通信路由器可能多次出現(xiàn)在不同的通信鏈路中，而這些鏈路中會包含很多匿名路由器。這樣會使得識別出的 IP 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真實網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)果就會帶來很大的分析誤差。如果把基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的識別方法和IP網(wǎng)絡(luò)路由器識別方法結(jié)合起來，形成一種基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器，就會解決上述問題。但是，這樣同樣會使得識別出的 IP 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真實網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)果就是會帶來很大的分析誤差。所以首先應(yīng)該利用基于網(wǎng)絡(luò)圖模式的方法對匿名路由器進(jìn)行聚類分析；這樣會使得識別出的 IP 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真實網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)果就會減少分析誤差。然后利用網(wǎng)絡(luò)層析成像處理聚類后的匿名路由器得到其樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為識別方法的約束條件。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器對匿名路由器的識別準(zhǔn)則，結(jié)合原始探測數(shù)據(jù)包相關(guān)數(shù)據(jù)就得到一組方程，這樣會使得識別出的 IP 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜度更加接近真實網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大大減少分析誤差。通過求解方程得到樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上具體每條鏈路的匿名路由器的分布情況，工作原理流程圖如圖4所示。

圖4 基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器工作原理流程圖

2 基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器級識別方法的應(yīng)用

2.1 網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器級識別方法的優(yōu)點

基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器級識別方法有以下優(yōu)點：

（1）通過圖模式的匿名路由器對通信信號進(jìn)行聚類，這種聚類方法主要是將在拓?fù)鋱D相鄰位置的匿名路由器通過圖模式識別方法聚集到一起，這將非常利于探測包發(fā)送方案的設(shè)計合理性分析，使發(fā)送的探測包能完全覆蓋需要通過圖識別方法進(jìn)行識別的匿名路由器。

（2）通過對數(shù)據(jù)探測包接收到的原始數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)特點進(jìn)行總結(jié)并對其進(jìn)行分析，可以歸納出與數(shù)據(jù)通信目的節(jié)點相互相交、通信起始節(jié)點相互相交、通信起始節(jié)點相互鄰接這三種情況下通信匿名路由器附近的分布情況，就可以得到相應(yīng)數(shù)據(jù)測量探測包結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)圖模式，通過網(wǎng)絡(luò)圖模式可以最終來確定網(wǎng)絡(luò)匿名路由器的通信分布位置，最后來對通信匿名路由器的分布情況進(jìn)行聚類分析。

（3）基于通信網(wǎng)絡(luò)層析成像的網(wǎng)絡(luò)匿名路由器識別方法由于是通過通信網(wǎng)絡(luò)層析成像作為基本識別方法，所以這種情況下不需要知道通信網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點之間的相互協(xié)作就能夠推測網(wǎng)絡(luò)樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過匿名路由器進(jìn)行聚類主要是與它們相連的已知相關(guān)通信路由器之間的相互聯(lián)系情況來實現(xiàn)的，基于網(wǎng)絡(luò)層析成像可以把這些已知的相關(guān)聯(lián)的通信路由器設(shè)計出的所有數(shù)據(jù)發(fā)包的方法進(jìn)行利用，利用數(shù)學(xué)方法，通過計算時間延遲的協(xié)方差的方法來構(gòu)建不同通信情況下的網(wǎng)絡(luò)樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（4）通過將樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信特點來作為探測數(shù)據(jù)包搜索結(jié)果作為通信約束條件，然后根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)樹狀拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)來進(jìn)行推測粗略的通信網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用數(shù)學(xué)方法，通過數(shù)值迭代的方法可以求解不同通信情況下的方程組，然后就可以獲得每一種通信情況下的具體鏈路上匿名路由器的分布情況。通過將基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的方法引入到基于 IP 網(wǎng)絡(luò)路由器的相關(guān)拓?fù)渥R別的匿名路由器，然后再進(jìn)行相關(guān)的分析識別和聚類問題的研究，在這種情況下就拓寬了網(wǎng)絡(luò)匿名路由器識別的研究思路和研究方法，并且增加了所有通信鏈路上匿名路由器被識別和聚類的概率，提高了 IP 網(wǎng)絡(luò)路由器級拓?fù)渥R別的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器級識別方法的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的匿名路由器相比，基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器級識別方法具有3.1節(jié)所提到的一系列優(yōu)點，因此市場應(yīng)用前景廣闊?；趫D歸納的方法則首先得到一些帶有匿名路由器的典型結(jié)構(gòu)，然后從圖論的角度分析這些結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械木唧w表現(xiàn)，利用典型結(jié)構(gòu)予以替換。基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器級識別方法的應(yīng)用在以下兩個方面：

（1）利用網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器級識別方法可以通過發(fā)包統(tǒng)計得到網(wǎng)絡(luò)鏈路間的延遲、丟包率等通信信息，以此可以推測網(wǎng)絡(luò)樹狀拓?fù)?。因此可以利用網(wǎng)絡(luò)層析成像的方法，就可以得到樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而這種情況下可以作為通信匿名路由器通信識別的第一個約束條件來進(jìn)行分析；然后可以結(jié)合推測出的不同的樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行聚類匿名路由器之間的相互聯(lián)系的分析，然后可以推測出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的重合鏈路，進(jìn)而得到粗略的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這可以作為第二個約束條件來進(jìn)行分析。這樣就可以得到一組匿名路由器的分布方程租，然后利用數(shù)值迭代法來求解該方程就得到匿名路由器的具體分布情況。

（2）目前使用較多的基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的拓?fù)渥R別法，需要利用網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器級相關(guān)識別方法進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的識別，也需要得到從數(shù)據(jù)包的通信源節(jié)點到任何一個通信目的節(jié)點之間的測量數(shù)據(jù)，并且能夠在這些測量數(shù)據(jù)中找到這樣一個通信特征參數(shù)，它必須滿足隨著不同目的節(jié)點間，經(jīng)過的路徑數(shù)目上升而單調(diào)增加。因此可得到從源節(jié)點到目的節(jié)點的時間延遲方差，主要解決的是利用網(wǎng)絡(luò)層析成像獲取已經(jīng)聚類的匿名路由器拓?fù)洹?/p>

3 結(jié)論

本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層析成像法、IP匿名路由器識別提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器級識別方法，詳細(xì)介紹了基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器基本原理及應(yīng)用。利用網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器識別方法通過在網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點之間發(fā)送探測包，然后利用統(tǒng)計學(xué)的方法推斷出路由器級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不需要內(nèi)部節(jié)點協(xié)作，不受網(wǎng)絡(luò)存在大量匿名路由器的限制，不僅能識別出樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也能獲得網(wǎng)狀的路由器級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。基于網(wǎng)絡(luò)層析成像的IP網(wǎng)絡(luò)路由器作為主要的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，具有節(jié)點安全穩(wěn)定、積極響應(yīng)測量工具發(fā)送的探測包、準(zhǔn)確識別出路由器級拓?fù)涞纫幌盗袃?yōu)點。采用傳統(tǒng)匿名路由器識別和網(wǎng)絡(luò)層析成像相結(jié)合，把網(wǎng)絡(luò)層析成像估計所得的樹狀拓?fù)渥鳛榧s束進(jìn)行匿名路由器進(jìn)行識別，進(jìn)而構(gòu)建較為完善的路由器級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是未來的發(fā)展方向。

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