CN103905276A - 一种快速的网络拓扑探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速的网络拓扑探测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：从源节点向目的节点序列R中的各个目的节点发送单探测包，收集TTL信息；步骤二：根据收集的TTL信息，选择参考节点，向参考节点与剩余节点发送背靠背包对，计算共享路径加性特征量；步骤三：按照共享路径加性特征量对目的节点序列R进行排序，得到序列位置向量；步骤四：寻找分割点；步骤五：在分割点中寻找最优二分节点；步骤六：得到符合DFS排序的目的节点的序列。本发明有效地解决了在网络拓扑发现过程中探测包数量过多，效率低下的问题。

Description

一种快速的网络拓扑探测方法

技术领域

本发明涉及一种快速的网络拓扑探测方法，具体涉及一种用于解决网络拓扑结构发现过程中所需的探测包数量大、效率低的网络拓扑探测方法，本发明属于网络测量领域。

背景技术

当前随着网络规模的不断扩大，管理网络，链路监控，网络服务都受到了极大的挑战。通过对网络进行探测，对性能参数进行分析，不仅能够找到网络瓶颈、发现网络中潜在的危险，还能够优化网络，提高服务质量。网络测量的目的是通过监视和控制复杂的计算机网络,最大限度地保证其正常运行,并且要提高效率、降低成本。而网络拓扑发现则是网络测量的核心,是故障和性能管理的基础。因此设计拓扑发现方法在整个网管系统的开发中有着举足轻重的地位。

目前网络拓扑发现主要有两种方法：一种是通过网络的内部节点获取信息推断拓扑，这种方法需要网络内部节点的支持；另一种是通过研究发送端和接收端的测量信息来推断拓扑结构，它无需内部节点信息。由于现今网络规模越来越大、越来越复杂，出于某些商业利益，很多网络不会透露内部节点信息。这使得第一种方法获得拓扑结构越来越难。而第二种方法通过端到端的测量的方法，在拓扑的推断过程中不需要内部节点的协作，近年来受到更多的关注。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种快速的网络拓扑探测方法，通过本发明提出的方法可以极大地减少探测包的数量，从而提高拓扑发现效率。。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种快速的网络拓扑探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：从源节点向目的节点序列R中的各个目的节点发送单探测包，收集TTL信息；

步骤二：根据收集的TTL信息，选择参考节点，向参考节点与剩余节点发送背靠背包对，计算共享路径加性特征量；

步骤三：按照共享路径加性特征量对目的节点序列R进行排序，得到序列位置向量；

步骤四：寻找分割点；

步骤五：在分割点中寻找最优二分节点；

步骤六：得到符合DFS排序的目的节点的序列。

前述的一种快速的网络拓扑探测方法，其特征在于，所述目的节点序列R为：R={r₁,r₂,r₃,……,r_|T|}，其中T为目的节点的个数，T为大于1的整数，所述目的节点序列R的阙值为δ。

前述的一种快速的网络拓扑探测方法，其特征在于，所述步骤一中，单探测包从源节点到目的节点经过的路由个数由IP包中的TTL域得到。

前述的一种快速的网络拓扑探测方法，其特征在于，所述步骤五包括：

步骤5a:在分割点中寻找最优二分节点，将节点序列划分为目的序列R1和目的序列R2；

步骤5b：若|R1|>2，则在目的序列R1中，以阙值δ进行二分深度优先搜索，得到序列位置向量I1；若|R2|>2，则在R2序列中，以阙值δ进行二分深度优先搜索，得到序列位置向量I2。

前述的一种快速的网络拓扑探测方法，其特征在于，所述步骤六中，通过分别使用I1和I2对序列R1和R2进行排序，从而得到符合DFS排序的目的节点的序列。

本发明的有益之处在于：本发明有效地解决了在网络拓扑发现过程中探测包数量过多，效率低下的问题。

附图说明

图1是本发明的一个优选实施的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

已知目的节点序列R为：R={r₁,r₂,r₃,……,r_|T|}，其中T为网络逻辑拓扑图中目的节点的个数，T为大于1的整数，目的节点序列R的阙值为δ。

本发明针对一般的大型网络环境，采用断层扫描技术，进行网络探测，参照图1所示，本发明包括如下步骤：

步骤一：从源节点向目的节点序列R中的各个目的节点发送单探测包，收集TTL信息；源节点向随机目的节点序列R中各个目的节点发送单探测包，单探测包从源节点到目的节点经过的路由个数（包含的链路个数）可由IP包中的TTL域得到。

步骤二：根据收集的TTL信息，从目的结点序列中选择参考节点，向参考节点与目的结点中的剩余节点发送背靠背包对，计算共享路径加性特征量；

下面给出一种具体的二分深度优先搜索排序过程所需的背靠背包对数量计算方法。

假设T=（V，E）（其中V为节点集合，E为链路集合），T为具有N个目的节点的树型逻辑拓扑，每层拓扑具有M个目的节点，（M≥1,N≥1）则二分深度优先搜索排序过程所需的背靠背包对数量在[C-low，C-high]之间。

$C-\mathrm{low}=N-1+\underset{i=2}{\overset{{\log }_{2}N/M}{\mathrm{\Σ}}}(N/2^{i-1}-1)*2^{i-2}+\frac{N}{M}*\underset{j=3}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(j-1)$

其中i表示对所有目的节点按层次二分过程的次数（1＜i≤log₂N/M），

j表示对各层结点聚类二分过程的次数（1＜j＜M），

$C-\mathrm{high}=\underset{i=3}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(i-1).$

在二分深度优先搜索排序算法中，若选定的参考节点与源节点之间路径所包含的链路越多，则在计算过程中能够获取的分割点数越多，递归过程中的二分次数越少，对应需要的背靠背包对数量也就越少；反之需要的包对数量就越多。

若每次二分过程中所选的参考节点为最底层节点，所需要的背靠背包对数量最少。反之，若每次二分过程中所选的参考节点为最顶层节点，所需要的背靠背包对数量最多。

所以，选择TTL域中跳数较大的目的节点作为参考节点，参照断层扫描单播测量方法向参考节点和剩余节点发送背靠背包对。

假设一个背靠背包对中的两个探测包从源节点分别发送到节点r_m（探测包b1）和r_n（探测包b2），则基于丢包率的链路加性特征量为：

其中，α_e为链路e的丢包率，E为网络逻辑拓扑图T中的链路集合，路径Prm，Prn和Prmrn的加性特征量分别为：

路径Pr_m的加性特征量 $\mathrm{\φ}\left(r_m\right)=-\mathrm{lgP}(X_{r_m}^{b_1}=1)$

路径Pr_n的加性特征量 $\mathrm{\φ}\left(r_n\right)=-\mathrm{lgP}(X_{r_n}^{b_2}=1)$

路径Pr_mr_n的加性特征量 $\mathrm{\φ}\left(r_m{r}_n\right)=-\lg \frac{P(X_{r_m}^{b_1}=1)P(X_{r_n}^{b_2}=1)}{P(X_{r_m}^{b_1}=1{\∩X}_{r_n}^{b_2}=1)}$

其中，若目的节点r_m接收到探测包b1，则

否则

其中P()为数学中通用的概率计算形式，

表示目的结点rm是否收到探测包b1，

表示目的结点是否收到探测包的概率，类似的，若目的节点rn接收到探测包b2，则

否则

其中

表示目的结点rn是否收到探测包b1，

表示目的结点rn是否收到探测包的概率。

步骤三：按照共享路径加性特征量对目的节点序列R进行排序，得到序列位置向量；

根据步骤二的背靠背包对中节点间的共享路径加性特征量对目的节点进行排序，得到序列位置向量I。

步骤四：寻找分割点；

按照公式I_δ＝{k,φ(r_1(k+1)r_1(k))-φ(r_1(k)r_1(k-1))＞δ/2}求出目的结点序列中的分割点。k为T中非根叶子节点，I_δ表示在k和满足φ(r_1(k+1)r_1(k))-φ(r_1(k)r_1(k-1))＞δ/2这样的结点间找出所有的分割点。根据路径Prmrn的加性特征量公式可以计算出φ(r_1(k+1)r_1(k))-φ(r_1(k)r_1(k-1))＞δ/2

步骤五：在分割点中寻找最优二分节点；

通过公式

其中T为目的节点的个数，寻找最优二分点，通过最优二分点能将序列分成两部分：R₁和R₂。

若|R₁|>2，那么在R₁序列中，序列位置向量I₁＝bisect(R₁,δ)，bisect表示：在目的节点序列R中以阙值进行二分搜索，对目的节点序列进行排序，从而得到新的目的节点序列。

若|R2|>2，那么在R2序列中，序列位置向量I₂＝bisect(R₂,δ)。

在目的序列R₁中，以阙值δ进行二分深度优先搜索，得到I₁，I₁为序列位置向量，表示按照共享路径加性特征量对目的序列R1排序后得到的序列位置向量；若|R2|>2，则在R2序列中，以阙值δ进行二分深度优先搜索，得到I₂，I₂是由目的序列R2得到的序列位置向量。

5.根据权利要求4所述的一种快速的网络拓扑探测方法，

步骤六：得到符合DFS排序的目的节点的序列。具体来说，分别使用I₁和I₂对序列R₁和R₂进行排序，从而得到符合DFS排序的目的节点的序列。

本发明利用断层扫描技术，根据收集发送给节点的数据包的TTL信息，得出共享路径加性特征量，通过共享路径加性特征量对目的节点进行排序，找出分割点和最优二分点。这种探测方法有效地解决了在网络拓扑发现过程中探测包数量过多，效率低下的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种快速的网络拓扑探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：从源节点向目的节点序列R中的各个目的节点发送单探测包，收集TTL信息；

步骤二：根据收集的TTL信息，选择参考节点，向参考节点与剩余节点发送背靠背包对，计算共享路径加性特征量；

步骤三：按照共享路径加性特征量对目的节点序列R进行排序，得到序列位置向量；

步骤四：寻找分割点；

步骤五：在分割点中寻找最优二分节点；

步骤六：得到符合DFS排序的目的节点的序列。

2.根据权利要求1所述的一种快速的网络拓扑探测方法，其特征在于，所述目的节点序列R为：R={r₁,r₂,r₃,……,r_|T|}，其中T为目的节点的个数，T为大于1的整数，所述目的节点序列R的阙值为δ。

3.根据权利要求2所述的一种快速的网络拓扑探测方法，其特征在于，所述步骤一中，单探测包从源节点到目的节点经过的路由个数由IP包中的TTL域得到。

4.根据权利要求3所述的一种快速的网络拓扑探测方法，其特征在于，所述步骤五包括：

步骤5a:在分割点中寻找最优二分节点，将节点序列划分为目的序列R1和目的序列R2；

步骤5b：若|R1|>2，则在目的序列R1中，以阙值δ进行二分深度优先搜索，得到序列位置向量I₁；若|R2|>2，则在R2序列中，以阙值δ进行二分深度优先搜索，得到序列位置向量I₂。

5.根据权利要求4所述的一种快速的网络拓扑探测方法，其特征在于，所述步骤六中，通过分别使用I₁和I₂对序列R₁和R₂进行排序，从而得到符合DFS排序的目的节点的序列。

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