CN104202211A

CN104202211A - 主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法

Info

Publication number: CN104202211A
Application number: CN201410424858.0A
Authority: CN
Inventors: 费高雷; 陈路璐; 胡光岷
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2034-08-25
Also published as: CN104202211B

Abstract

本发明公开了一种主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法。其包括以下步骤：获取IP级拓扑信息、得到路由器级拓扑信息、得到AS级拓扑信息和得到更新后的AS级拓扑信息。本发明的有益效果是：本发明的主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法先将Traceroute数据源获得的IP级拓扑信息映射到路由器级拓扑，再将路由器级拓扑映射到AS级拓扑，最后利用侦听到的BGP路由表对之前利用Traceroute获得的AS级拓扑信息进行补充和修正，得到完整的AS级拓扑信息，实现了高准确性和完整性的AS级拓扑恢复。

Description

主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法

技术领域

本发明属于网络拓扑识别方法技术领域，尤其涉及一种主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法。

背景技术

过去的几十年中，Internet的规模以指数速度高速增长，短短的几十年，网络已经演化成为一个庞大的“生态系统”，该系统作为信息社会的基础设施渗透到了社会的各个方面，使人们的工作方式甚至生活方式发生了巨大的变化。但是这个看似无序的庞大系统的内在特性和形成机理的研究还未能有足够多的能够达到共识的成果。这主要受以下几个因素的制约：首先，Internet发展的迅速超过了人们的预料；其次，人们更倾向于新协议和应用的研究开发；最后，随着互联网规模的不断扩大，其拓扑结构越来越复杂，完整的拓扑测量数据很难获得。网络拓扑是各个网络研究的基础，具有非常重要的作用。其主要意义在于：(1)网络拓扑的结构是网络协议和网络算法设计的基石。高效的网络协议的设计无疑应该考虑底层网络拓扑的特性；(2)网络仿真环境的建立需要拟合实际网络的拓扑结构，网络拓扑结构的研究能为网络仿真环境的建立提供理论基础；(3)对于网络拓扑结构的了解能够对网络的行为进行预测；(4)网络拓扑结构对于网络的安全特性和抗攻击能力的研究具有重要价值；(5)网络拓扑结构的宏观特征能够用于优化网络的应用。所以，对网络拓扑的测量是十分有必要的。网络拓扑一般可分为三层：overlay网络拓扑、链路层网络拓扑、网络层网络拓扑。在这三者中，对网络层网络拓扑的研究最多。对网络层的实体分类，可以得到四个层次的网络拓扑：AS级(自治域)、POP(Point of Presence)级、路由器级、IP接口级。所谓AS(Autonomous System)，即自治系统，一个自治系统是一个有权自主地决定在本系统中应采用何种路由协议的小型单位。而所谓的AS级拓扑，指的是各个自治系统之间的连接关系。拓扑测量是指测量网络的拓扑结构或者逻辑拓扑关系图，以及具有地理信息的拓扑图。自治系统(AS)级拓扑的测量与分析是一项互联网络的基础研究，测量的目的在于寻找包含Internet结构信息的图并探索其内在规律，从而预测网络结构与技术、政策、经济之间的互动。基于BGP的测量主要思想是通过侦听BGP路由表和Update报文或BGP路由表中的AS_PATH属性(BGP-AS-path)获得大量AS级拓扑信息以得到AS级拓扑。BGP的路由信息获得的是控制层的信息，反映在BGP路由层面上期望数据经过的链路，由于所连接的边界网关路由器只会向采集点通告其最佳路由，所以即使其到某一目的地存在多条AS路径，实际也只能捕获其中一条，故以此方法获得的拓扑存在很大的不完整性。基于Traceroute的主动测量主要思想是使用Traceroute进行大规模测量可以直接获得IP级拓扑，再以此为基础推断得到路由器、PoP及AS级拓扑。这种主动探测的方式虽然获得的信息量较大，能够真实反映策略路由路径，但与基于BGP的测量方法相比，后者更完整。原因之一是后者的源AS都来自于路由表，但在相同节点集上，后者比前者发现更多边，特别是p2p的，然后由于前者是可信的，较大差异暗示后者可能含有实际不存在的边，可信度较差，得到的拓扑必然会出现不正确。互联网路由注册(IRR)是一组全球分布的路由策略注册数据库，其注册信息由人们自愿填写，可以查询公布的注册路由的地址信息等，包含了基于BGP和Traceroute测量没有探测到的路径信息。可通过查询IRR数据库获取AS路径，从而获得全球AS级拓扑。由于IRR数据是由ISP直接提供，而不是基于网络的实际状态，因此，这种数据源有一定的限制.其原因有两个：(1)由于安全和管理的原因，这种数据往往不完整；(2)IRR的数据质量是值得怀疑的，同一个对象在不同的注册信息可能不同，甚至有冲突。由于其固有的特性，不能精确反映网络路由的实际状态，因此，该测量方法也是有缺陷的。现有的AS级拓扑测量方法中，均是采用单一的数据源进行拓扑的测量，而Internet的规模庞大、结构复杂，要获取完整的网络拓扑信息单靠单一的数据源是不完整的，甚至是有错误的，比如在利用基于BGP的拓扑测量方法时，我们通过BGP路由表得到的AS级拓扑信息是不完整的，主要原因就是由于边界网关路由器只会向采集点通告最佳路由，即如果到某一个目的地存在多条AS路径时，我们通过该路由表只能获得其中的一条最佳路径。而基于Traceroute的拓扑测量方法本身较基于BGP的测量就存在严重的不完整性，加之该测量方法中间用到的IP-to-AS就会存在不可预知的映射错误，所以该测量方法也是不可靠的。其次，测量技术与数据源的多样性可以改善拓扑完整性的问题，但目前尚未解决。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法。

本发明的技术方案是：一种主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法，包括以下步骤：

S1.利用Traceroute探测节点探测IP路径，得到IP级拓扑信息，具体包括以下步骤：

S11.将可路由的地址空间划分为/24前缀空间，在每一个测量周期内随机选取/24前缀空间内的一个IP地址；

S12.以步骤S11中选取的IP地址构成一个IP地址列表；

S13.将步骤S12中的IP地址列表为此周期内的探测目标，对所有探测节点进行分组；

S14.将探测任务动态的分配给分组内的每个组员，每个分组之间独立完成测量；

S15.根据步骤S14中探测到的IP路径得到IP级拓扑信息；

S2.利用别名解析技术，根据步骤S1中得到的IP级拓扑信息映射得到路由器级拓扑信息；

S3.利用IP-to-AS映射关系和Router-to-AS映射关系，根据步骤S2中得到的路由器级拓扑信息得到AS级拓扑信息；

S4.将步骤S3中得到的AS级拓扑信息与BGP路由表中的AS属性信息进行对比，得到更新后的AS级拓扑信息，具体包括以下步骤：

S41.将BGP路由表中的AS属性信息与步骤S3中得到的AS级拓扑信息进行对比筛选，判断两者是否相同；

S42.若两者没有相同源目的节点信息，则将BGP中的AS属性信息补充进步骤S3中得到的AS级拓扑信息中，得到补充后的AS级拓扑信息；

S43.若两者有相同源目的节点信息，则对比两者中此源目的节点信息是否一致；

S44.若两者中此源目的节点信息一致，则保留步骤S3中得到的AS级拓扑信息；

S45.若两者中此源目的节点信息不一致，则将步骤S3中得到的AS级拓扑信息替换为BGP中的AS属性信息，得到替换后的AS级拓扑信息；

S46.将步骤S42中得打的AS级拓扑信息与步骤S45中得到的AS级拓扑信息进行融合，得到更新后的AS级拓扑信息。

进一步地，上述步骤S2利用别名解析技术，根据步骤S1中得到的IP级拓扑信息映射得到路由器级拓扑信息具体包括以下步骤：

S21.探测主机分别向候选别名IP1和IP2发送目的端口不存在的UDP探测报文，并提取响应报文的IP标识符域，记为x和y；

S22.探测主机向先响应的IP地址发送第三个UDP探测报文，提取端口不可达响应报文中的IP标识符域，记为z；

S23.若x<y<z且|z-x|<200，则IP1和IP2别名；

S24.若|z-x|>200，则别名不正确。

进一步地，上述步骤S3利用IP-to-AS映射关系和Router-to-AS映射关系，根据步骤S2中得到的路由器级拓扑信息得到AS级拓扑信息具体包括以下步骤：

S31.根据步骤S2中得到的路由器级拓扑信息，将每一条记录按照从属关系映射为最佳IP地址前缀；

S32.将步骤S31中的最佳IP地址前缀与BGP路由表进行对比，得到IP地址前缀的源AS号码；

S33.根据策略判断每个路由器对应的AS。

进一步地，上述步骤S33中策略具体包括以下步骤：

S331.若一个路由器的所有接口都映射到一个AS中，则该路由器映射到该AS；

S332.若一个路由器所有接口对应的AS，则选取所有接口映射的AS中出现频率最高的一个AS作为该路由器映射到的AS；

S333.若路由器接口中有出现频率相同的AS，则查询该路由器的邻居路由器，将该路由器的AS映射到邻居路由器，重复步骤S331。

本发明的有益效果是：本发明的主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法先将Traceroute数据源获得的IP级拓扑信息映射到路由器级拓扑，再将路由器级拓扑映射到AS级拓扑，最后利用侦听到的BGP路由表对之前利用Traceroute获得的AS级拓扑信息进行补充和修正，得到完整的AS级拓扑信息，实现了高准确性和完整性的AS级拓扑恢复。

附图说明

图1是本发明的主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法的流程示意图。

图2是本发明的IP标识符域别名解析的示意图。

图3是本发明的路由器级拓扑信息到AS级拓扑信息的映射流程示意图。

图4是本发明的Router-to-AS映射关系策略示意图。

图5是本发明的步骤S4的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明的主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法的流程示意图。一种主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法，包括以下步骤：

S11.将可路由的地址空间划分为/24前缀空间，在每一个测量周期内随机选取/24前缀空间内的一个IP地址。

本发明需要在可路由的地址空间内尽可能多的设置Traceroute探测节点。这里我们将整个可路由的地址空间进行划分，分为/24前缀空间，并在每一个测量周期内随机选取/24前缀中一个IP地址。

S12.以步骤S11中选取的IP地址构成一个IP地址列表。

S13.将步骤S12中的IP地址列表为此周期内的探测目标，对所有探测节点进行分组。

S14.将探测任务动态的分配给分组内的每个组员，每个分组之间独立完成测量。

S15.根据步骤S14中探测到的IP路径得到IP级拓扑信息。

S2.利用别名解析技术，根据步骤S1中得到的IP级拓扑信息映射得到路由器级拓扑信息，具体包括以下步骤：

S23.若x<y<z且|z-x|<200，则IP1和IP2别名；

S24.若|z-x|>200，则别名不正确。

由于IP路由器由众多的IP接口构成，则在IP接口级数据基础上做别名解析，识别属于同一台路由器的接口，再将其映射到路由器，构成路由器拓扑。这里的别名解析(AliasResolution)，就是识别出哪些IP地址属于同一个路由器，然后将别名接口地址合并，以一个节点IP来表示这个路由器。通过这种方式才能将属于同一个路由器的不同IP进行合并，从而得到路由器级的拓扑。本发明的路由器接口别名解析采用主动探测的方法，通过发送UDP探测包引发ICMP通知，并用IP报文首部中的IP标识符字段来检测别名。如图2所示，为本发明的IP标识符域别名解析的示意图。

S3.利用IP-to-AS映射关系和Router-to-AS映射关系，根据步骤S2中得到的路由器级拓扑信息得到AS级拓扑信息，具体包括以下步骤：

S31.根据步骤S2中得到的路由器级拓扑信息，将每一条记录按照从属关系映射为最佳IP地址前缀。

对于每一条Traceroute记录，将每一个IPr按照从属关系映射为最佳的IP地址前缀，其中Traceroute记录分别表示为IP1,IP2,IPr…IPn。由于存在路由聚合或其他一些因素，可能存在多个IP地址前缀匹配同一个地址IPr，这里我们采用最长匹配IPr的IP地址前缀作为映射结果。例如，IP地址前缀202.112.0.0/16和202.116.32.0/19同时匹配IP地址202.112.39.8，则取后者作为202.112.39.8的最佳匹配。

S32.将步骤S31中的最佳IP地址前缀与BGP路由表进行对比，得到IP地址前缀的源AS号码。

在将IP地址映射到最佳的IP地址前缀后，本发明利用BGP表项实现将一个IP地址前缀映射到它的源AS号码。BGP表的表项由Network、Next Hop和Path组成，如表1所示。本过程用到的是Network和Path项，即IP地址前缀和AS路径。于是将一条BGP路由R抽象为一个二元R＝(PREFIX，AS_PATH)。对于每一条BGP表的记录(PREFIX，AS_PATH)，若将AS_PATH表示为(AS1,AS2,…,ASN)，则Origin(AS_PATH)＝ASN，对应下表中，Origin(AS_PATH)分别为9829和10796。

Network	Next Hop	Metric	Path
				6.1.0.0/20	83.88.48.13	0	3292 7018 4755 9829
24.233.128.0/17	209.161.175.4	0	14608 4323 1668 10796

表1

S33.根据策略判断每个路由器对应的AS。

这里的策略具体包括以下步骤：

如图3所示，为本发明的路由器级拓扑信息到AS级拓扑信息的映射流程示意图。如图4所示，为本发明的Router-to-AS映射关系策略示意图。

S4.将步骤S3中得到的AS级拓扑信息与BGP路由表中的AS属性信息进行对比，得到更新后的AS拓扑信息，具体包括以下步骤：

S45.若两者中此源目的节点信息不一致，则将步骤S3中得到的AS级拓扑信息替换为BGP中的AS属性信息，得到替换后的AS拓扑信息；

如图5所示，为步骤S4的流程示意图。更新后的AS级拓扑信息即为本发明的具有高准确性和完整性的AS级拓扑信息。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

S12.以步骤S11中选取的IP地址构成一个IP地址列表；

S14.将探测任务分配给分组内的每个组员，每个分组之间独立完成测量；

S15.根据步骤S14中探测到的IP路径得到IP级拓扑信息；

S42.若两者没有相同源目的节点信息，则将BGP中的AS属性信息补充进步骤S3中得到的AS级拓扑信息中，得到补充后的AS拓扑信息；

S46.将步骤S42中得到的AS级拓扑信息与步骤S45中得到的AS级拓扑信息进行融合，得到更新后的AS拓扑信息。

2.如权利要求1所述的主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法，其特征在于，所述步骤S2利用别名解析技术，根据步骤S1中得到的IP级拓扑信息映射得到路由器级拓扑信息具体包括以下步骤：

S23.若x<y<z且|z-x|<200，则IP1和IP2别名；

S24.若|z-x|>200，则别名不正确。

3.如权利要求1所述的主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法，其特征在于，所述步骤S3利用IP-to-AS映射关系和Router-to-AS映射关系，根据步骤S2中得到的路由器级拓扑信息得到AS级拓扑信息具体包括以下步骤：

S33.根据策略判断每个路由器对应的AS。

4.如权利要求3所述的主动和被动测量结合的自治系统级网络拓扑识别方法，其特征在于，所述步骤S33中策略具体包括以下步骤：