CN105245628B - 一种适用于弱连接网络的网络实体地理位置定位方法 - Google Patents
一种适用于弱连接网络的网络实体地理位置定位方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种适用于发展中国家弱连接网络的网络实体地理位置定位方法，包括以下步骤：首先，考察待测国家的地理特征、行政区划和网络运营商，部署探测主机和地标主机；然后，测量探测主机和地标主机之间的往返延迟和直线地理距离，计算目标网络的往返延迟和直线地理距离相关性Corr；最后，当目标网络延迟和距离相关性小于0.7时，采用网络运营商和探测主机、地标主机的地理位置信息对目标网络进行划分，利用划分后的网络进行探测主机部署，测量和定位。本发明提出的方法能够有效降低定位结果的中值误差，提高对目标IP的城市级定位准确度，具有很强的实用性，易操作，误差小，精度高，是目标主机地理位置定位方法上的一大创新。
Description
技术领域
本发明涉及信息安全技术领域，尤其涉及一种适用于弱连接网络的网络实体地理位置定位方法。
背景技术
网络实体地理定位是一种重要的网络应用新技术，能够给出一个网络节点在某个粒度层次的地理位置，也称为IP定位。IP定位技术对于面向位置服务(location-basedservice,LBS)的众多服务具有重大价值。此类应用包括根据用户的地理位置提供针对所在区域人群的定向广告，基于访问者的地理位置限制网站所显示的内容，基于地理位置的信用卡诈骗检测等。特别的，近年来，由于IP定位可以为执法机构等政府部门确定网络攻击来源的地理位置，使得IP定位对发现和预防迅速增长的网络攻击现象有了越来越重要的作用。
IP定位技术可以分为3大类分别为：IP定位数据库技术、基于数据挖掘的IP定位技术和基于网络测量的IP定位技术。IP定位数据库技术包括互联网上常见的提供定位服务的公开工具，如IP2Location、Maxmind、Quova及Geobytes等，这些工具的定位结果通常可靠性差、误差较大，其在国家粒度层次上的定位结果可信，但无法保证在城市级定位结果的准确性。基于数据挖掘的IP定位技术包括STRUCTON和Checkin-Geo等，通常通过大型互联网公司所掌握的用户资料，建立“用户IP-用户地理位置信息”关系，并以此来对IP地址进行定位。但是，这种定位方法仅能对部分IP地址进行定位，对于其他IP地址的定位误差较大。基于网络测量的IP定位技术，通过部署探测主机测量到目标IP的时延、拓扑等信息来对其定位，这类方法对用户资料等信息依赖性小，能够对大多数网络实体进行定位，适合在发展中国家提供城市级定位服务。但由于发展中国家的互联网通常为弱连接网络，此方法在弱连接网络中存在误差大、精度低的问题，满足不了实际的需要。因此，研制适合发展中国家弱连接网络的实体定位方法势在必行。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于弱连接网络的网络实体地理位置定位方法，可有效解决在发展中国家网络定位误差大，精度低等问题。
本发明采用的技术方案为：一种适用于弱连接网络的网络实体地理位置定位方法，包括以下步骤：
A.首先考察待测国家的地理特征、行政区划和网络运营商，然后部署探测主机和地标主机，探测主机和地标主机能够覆盖各省级行政区域以及相应的省会以及各国家级一级网络运营商，进入步骤B；
B.测量探测主机和地标主机之间的往返延迟和直线地理距离，进入步骤C；
C.计算目标网络的往返延迟和直线地理距离相关性Corr，其中，delay为目标网络的往返延迟，distance为目标网络的直线地理距离，cov(delay,distance)为目标网络的往返延迟和直线地理距离的协方差，Vdelay为目标网络的往返延迟的方差，Vdistance为目标网络的直线地理距离的方差，进入步骤D；
D.如果目标网络的往返延迟和直线地理距离相关性Corr小于0.7，那么在此目标网络以所部署的探测主机和地标主机所在的城市级地理位置信息作为一个可靠属性，以网络运营商信息作为另一个可靠属性，将目标网络划分为多个子网，进入步骤E；如果目标网络的往返延迟和直线地理距离相关性Corr大于等于0.7，则进入步骤G；
E.将目标网络划分为若干个子网后，按照步骤B和步骤C中的方法计算各子网的往返延迟和直线地理距离相关性Corr，得到往返延迟和直线地理距离相关性Corr大于等于0.7的强连接子网，进入步骤F；
F.按照各个强连接子网来部署探测主机和地标主机，进入步骤G；
G.使用改进后的基于延迟约束的定位方法或改进后的基于最小延迟的定位方法对目标进行定位。
所述的改进后的基于延迟约束的定位方法依次包括以下步骤：
a1.查询目标主机的网络运营商信息；
b1.查找目标主机所属的所有强连接子网；
c1.利用各强连接子网的所有探测主机测量到目标主机的往返延迟；
d1.各探测主机测量到其所属强连接子网的地标主机的往返延迟和直线地理距离，并计算拟合直线；
e1.各探测主机利用拟合得到的直线和到目标主机的往返延迟，得到探测主机与目标主机之间的直线地理距离；
f1.以各探测主机为圆心，以步骤e1中得到的探测主机与目标主机之间的直线地理距离为半径作圆，所有圆的相交部分为目标主机可能所在区域，取相交部分的中心所在城市，作为目标主机的城市级估计地理位置。
所述的改进后的基于最小延迟的定位方法，需要目标主机主动向定位服务提供者发出请求，依次包括以下步骤：
a2.目标主机访问定位服务器，定位服务器查询目标主机的网络运营商信息；
b2.定位服务器发送给目标主机与目标主机处于同一网络运营商的各省会地标主机的IP；
c2.目标主机测量到各地标主机的往返延迟，选择出往返延迟最小的地标主机的IP，并发送回定位服务器；
d2.定位服务器根据收到的地标主机所属省会，将目标主机所属省份内各市的处于同一个网络运营商的地标主机的IP发送给目标主机；
e2.目标主机测量到各地标主机的往返延迟，选择出往返延迟最小的地标主机的IP，并发送回定位服务器；
f2.定位服务器根据收到的地标主机的IP，查询地标主机IP所在城市，以地标主机IP所在城市作为目标主机的城市级定位估计位置。
所述步骤B中，所述的往返延迟利用基于ICMP、UDP或TCP协议的测量工具获得，每对主机之间需要进行长期多次测量，测量时间为1-3天，每次测量间隔1min-1.5min，取最小往返延迟作为每对主机之间的往返延迟。
所述步骤B中，根据经纬度，计算每对主机之间的直线地理距离。
所述步骤F中部署探测主机和地标主机的原则为对于一台目标主机即需要定位的目标，保证至少有一台探测主机和至少十台地标主机与目标主机在同一个强连接子网中。
所述步骤D中将目标网络划分为多个子网的方法为：按照探测主机和目标主机的运营商信息分为不同运营商的网络，在各个运营商内部再按照所处的城市分为不同城市的子网，其中目标主机即需要定位的目标。
本发明方法易操作，使用方便，效果好，利用影响往返延迟和直线地理距离相关性的属性划分弱连接网络，可以有效发现强连接子网；利用强连接子网部署探测主机和地标主机，减少了现有算法测量延迟时的波动性；利用基于富连接子网的基于延迟约束的定位方法和基于最小延迟的定位方法，减少了现有方法利用延迟转化地理位置约束时的误差，该方法具有有效性，能够提高对目标IP的定位精度。
本发明与经典的基于测量的IP定位算法相比，城市级定位正确率更高，误差更小，尤其是在发展中国家的弱连接网络中，城市级定位的正确率是经典算法的2倍左右。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明基于延迟约束定位方法误差分析图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种适用于弱连接网络的网络实体地理位置定位方法，包括以下步骤：
A.首先考察待测国家的地理特征、行政区划和网络运营商，然后部署探测主机和地标主机，探测主机和地标主机能够覆盖各省级行政区域以及相应的省会等重要城市以及各国家级一级网络运营商，进入步骤B；
B.测量探测主机和地标主机之间的往返延迟和直线地理距离，进入步骤C；
所述的往返延迟利用基于ICMP、UDP或TCP协议的测量工具获得，探测主机和地标主机之间需要进行长期多次测量，测量时间为1-3天，每次测量间隔1min-1.5min，取最小往返延迟作为每对主机之间的往返延迟。根据主机的经纬度，计算每对主机之间的直线地理距离。所用源代码如下所示(java版)，其中，lat1，lat2为两主机各自的纬度，而lon1，lon2为两主机各自的经度，程序返回值为两主机之间的直线地理距离。
C.计算目标网络的往返延迟和直线地理距离相关性Corr，其中，delay为目标网络的往返延迟，distance为目标网络的直线地理距离，cov(delay,distance)为目标网络的往返延迟和直线地理距离的协方差，Vdelay为目标网络的往返延迟的方差，Vdistance为目标网络的直线地理距离的方差，进入步骤D；
往返延迟和直线地理距离相关性Corr的范围为[-1,1]，Corr越接近1，往返延迟和直线地理距离的相关性越强，Corr越接近0，往返延迟和直线地理距离的相关性越弱。此外，在实际计算时，少数情况下也会出现Corr为负的情况，考虑到往返延迟和直线地理距离相关性的物理意义，一般认为此时往返延迟和直线地理距离的相关性极弱，视作Corr＝0。
D.如果目标网络的往返延迟和直线地理距离相关性Corr小于0.7，那么在此目标网络以所部署的探测主机和地标主机所在的城市级地理位置信息作为一个可靠属性，以网络运营商信息作为另一个可靠属性，将目标网络划分为多个子网，划分时先按照探测主机和目标主机的运营商信息分为不同运营商的网络，在各个运营商内部再按照所处的城市分为不同城市的子网，进入步骤E；如果目标网络的往返延迟和直线地理距离相关性Corr大于等于0.7，则进入步骤G；
对于绝大多数发展中国家，网络运营商(ISP，Internet Service Provider)信息和探测主机、地标主机的城市级地理位置信息是可靠且能够有效发现强连接子网的两个属性。在划分目标网络后，我们需要计算各个子网的往返延迟和直线地理距离相关性Corr，这里介绍两种类型的往返延迟和直线地理距离相关性Corr，此两类往返延迟和直线地理距离相关性Corr的计算方法同步骤C。
当计算某组(delay,distance)数据集对应的往返延迟和直线地理距离相关性Corr时，若此组数据集对应的所有探测主机和目标主机属于同一个ISP时，称此往返延迟和直线地理距离相关性Corr为ISP的内部往返延迟和直线地理距离相关性Corr；若此组数据集对应的所有探测主机属于ISP1、而所有目标主机属于ISP2时，称此往返延迟和直线地理距离相关性Corr为ISP1探测主机对ISP2目标主机的跨ISP往返延迟和直线地理距离相关性Corr。之前的测量工作一般不考虑目标主机和探测主机的ISP信息，探测主机或目标主机的集合可能会包括多个ISP，这样的数据集对应的往返延迟和直线地理距离相关性Corr，称之为多ISP往返延迟和直线地理距离相关性Corr。多ISP往返延迟和直线地理距离相关性Corr的值在ISP内部往返延迟和直线地理距离相关性Corr和跨ISP往返延迟和直线地理距离相关性Corr之间，一般较为接近跨ISP往返延迟和直线地理距离相关性Corr。
当计算某组(delay,distance)数据集对应的往返延迟和直线地理距离相关性Corr时，若此组数据集全部由一台探测主机测量得到，称此往返延迟和直线地理距离相关性Corr为此探测主机的往返延迟和直线地理距离相关性Corr；若此组数据集由此地区的全部探测主机测量得到，称此往返延迟和直线地理距离相关性Corr为此地区的往返延迟和直线地理距离相关性Corr。一个地区内部，不同探测主机的往返延迟和直线地理距离相关性Corr有所不同，地区往返延迟和直线地理距离相关性Corr反映了此地区网络联通状况的平均情况，不能代表所有探测主机的往返延迟和直线地理距离相关性Corr。
E.将目标网络划分为若干个子网后，按照步骤B和步骤C中的方法计算各子网的往返延迟和直线地理距离相关性Corr，得到往返延迟和直线地理距离相关性Corr大于等于0.7的强连接子网，进入步骤F；
实验结论表明，采用划分强弱子网的经验值0.7在中国网络环境中可以找到数量较多的0.7以上子网。
F.按照各个强连接子网来部署探测主机和地标主机；部署探测主机和地标主机的原则为对于一台目标主机，即需要定位的目标，保证至少有一台探测主机和至少十台地标主机与目标主机在同一个强连接子网中。基本方法是，根据目标主机的ISP信息，查找其所属的强连接子网，部署属于同一强连接子网的探测主机和地标主机，保证对于一台目标主机至少有一台探测主机和至少十台地标主机与目标主机在同一个强连接子网中，进入步骤G。
G.使用改进后的基于延迟约束的定位方法或改进后的基于最小延迟的定位方法对目标进行定位。
改进过的基于延迟约束的定位方法只需要得到目标主机的IP，不需要目标主机参与定位过程，而基于最小延迟的定位方法需要目标主机参与定位过程，前者的定位误差要高于后者，可根据具体需要选用不同的定位方法或者复合使用。
所述的改进后的基于延迟约束的定位方法，依次包括以下步骤：
a1.查询目标主机的网络运营商信息，根据实验结论，在目标主机所属运营商内部，更容易找到强子网，方便步骤b1进行查询；
b1.查找目标主机所属的所有强连接子网；
c1.利用各强连接子网的所有探测主机测量到目标主机的往返延迟；
d1.各探测主机测量到其所属强连接子网的地标主机的往返延迟和直线地理距离，并计算拟合直线；
拟合直线的计算方法如下——以往返延迟为x轴坐标，以直线地理距离为y轴坐标绘图，绘制低于所有(delay,distance)数据对的直线，取符合条件的直线中到所有(delay,distance)数据对的距离之和最小的一条，即为拟合直线。
e1.各探测主机利用拟合直线和到目标主机的往返延迟，得到探测主机与目标主机之间的直线地理距离；
f1.以各探测主机为圆心，以步骤e1中得到的探测主机与目标主机之间的直线地理距离为半径作圆，所有圆的相交部分为目标主机可能所在区域，取相交部分的中心所在城市，作为目标主机的城市级估计地理位置。
所述的改进后的基于最小延迟的定位方法，需要目标主机主动向定位服务提供者发出请求，依次包括以下步骤：
a2.目标主机访问定位服务器，定位服务器查询目标主机的网络运营商信息，根据实验结论，在目标主机所属运营商内部，更容易找到强子网，方便步骤b2进行查询；
b2.定位服务器发送给目标主机与目标主机处于同一网络运营商的各省会地标主机的IP，即为让目标主机测量目标主机到这些地标主机的延迟；
c2.目标主机测量到各地标主机的往返延迟，选择出往返延迟最小的地标主机IP，并发送回定位服务器；
d2.定位服务器根据收到的地标主机所属省会，将目标主机所属省份内各市的处于同一个网络运营商的地标主机IP发送给目标主机；
e2.目标主机测量到各地标主机的往返延迟，选择出往返延迟最小的地标主机IP，并发送回定位服务器；
f2.定位服务器根据收到的地标主机IP，查询地标主机IP所在城市，以地标主机IP所在城市作为目标主机的城市级定位估计位置。
本发明经实际应用，证明目标主机位置定位误差小，精度高。由于基于测量的定位方法仅在强连接子网中才能取得较好的定位结果，在发展中国家的弱连接网络中，定位精度很差。通过划分弱连接网络，寻找强连接子网，并按照强连接子网部署探测主机，能够有效提高目标主机的定位精度。
本发明的方法在中国互联网中进行过大量测试。中国互联网是典型的弱连接网络，往返延迟和直线地理距离相关性Corr仅为0.2，严重影响定位精度。本发明首先在所有子网中，寻找到份额约为25％的强连接子网，并部署了116台探测主机和近5000台地标主机。
本发明改进后的基于延迟约束的定位方法，对450台分布在30个省的目标主机进行定位的结果如图2所示，图中虚线代表改进后基于延迟约束的定位方法的误差累计曲线，实现代表原始的基于延迟约束的定位方法的误差累计曲线。从图2可以看出，本发明定位精度相对传统定位方法提高50％，中值误差从629.8km减少到315.4km。由于西部地区的测量数据不足，导致误差过大，实际上，若只考虑东部地区，改进后的定位误差能够达到120km以下。本发明改进后的基于最小延迟的定位方法的城市级定位准确度如表1所示，表1中的第一列代表测试的目标主机所在城市，第二列代表相应城市中的目标主机数量第三列代表本发明改进后的基于最小延迟的定位方法所能正确定位出来的目标主机数目，第四列代表原始方法所正确定位出来的目标主机数目。从表中可看出，改进后的方法能够将97％的目标主机定位到正确的城市，而原始方法仅能将38％的目标主机定位到正确的城市。改进后的方法是原始方法准确率的2倍以上，而且接近100％，较为适应于弱连接网络。
表1基于最小延迟定位方法改进前后的准确率比较
由上述可知，现有基于测量的网络实体定位方法在发展中国家的误差过大，其核心技术在于划分弱连接网络获得强连接子网，本发明考虑到在实际互联网环境中不同地区的网络基础设施建设水平不同，在整体呈现弱连接的发展中国家网络内部存在大量的强连接子网可供定位使用，提出了一种适用于发展中国家弱连接网络的网络实体地理位置定位方法。基本思想是：当目标网络延迟和距离相关性小于0.7时，采用网络运营商和探测主机、地标主机的地理位置信息对目标网络进行划分，利用划分后的网络进行探测主机部署，测量和定位。误差分析和实验结果表明，本发明提出的方法能够有效降低定位结果的中值误差，提高对目标IP的城市级定位准确度，具有很强的实用性，易操作，误差小，精度高，是目标主机地理位置定位方法上的一大创新。
Claims (5)
1.一种适用于弱连接网络的网络实体地理位置定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.首先考察待测国家的地理特征、行政区划和网络运营商，然后部署探测主机和地标主机，探测主机和地标主机能够覆盖各省级行政区域以及相应的省会以及各国家级一级网络运营商，进入步骤B；
B.测量探测主机和地标主机之间的往返延迟和直线地理距离，进入步骤C；
C.计算目标网络的往返延迟和直线地理距离相关性Corr，其中，delay为目标网络的往返延迟，distance为目标网络的直线地理距离，cov(delay,distance)为目标网络的往返延迟和直线地理距离的协方差，Vdelay为目标网络的往返延迟的方差，Vdistance为目标网络的直线地理距离的方差，进入步骤D；
D.如果目标网络的往返延迟和直线地理距离相关性Corr小于0.7，那么在此目标网络以所部署的探测主机和地标主机所在的城市级地理位置信息作为一个可靠属性，以网络运营商信息作为另一个可靠属性，将目标网络划分为多个子网，进入步骤E；如果目标网络的往返延迟和直线地理距离相关性Corr大于等于0.7，则进入步骤G；
E.将目标网络划分为若干个子网后，按照步骤B和步骤C中的方法计算各子网的往返延迟和直线地理距离相关性Corr，得到往返延迟和直线地理距离相关性Corr大于等于0.7的强连接子网，进入步骤F；
F.按照各个强连接子网来部署探测主机和地标主机，进入步骤G；
G.使用改进后的基于延迟约束的定位方法或改进后的基于最小延迟的定位方法对目标进行定位；
所述改进后的基于延迟约束的定位方法依次包括以下步骤：
a1.查询目标主机的网络运营商信息；
b1.查找目标主机所属的所有强连接子网；
c1.利用各强连接子网的所有探测主机测量到目标主机的往返延迟；
d1.各探测主机测量到其所属强连接子网的地标主机的往返延迟和直线地理距离，并计算拟合直线；
e1.各探测主机利用拟合得到的直线和到目标主机的往返延迟，得到探测主机与目标主机之间的直线地理距离；
f1.以各探测主机为圆心，以步骤e1中得到的探测主机与目标主机之间的直线地理距离为半径作圆，所有圆的相交部分为目标主机可能所在区域，取相交部分的中心所在城市，作为目标主机的城市级估计地理位置；
所述的改进后的基于最小延迟的定位方法，需要目标主机主动向定位服务提供者发出请求，依次包括以下步骤：
a2.目标主机访问定位服务器，定位服务器查询目标主机的网络运营商信息；
b2.定位服务器发送给目标主机与目标主机处于同一网络运营商的各省会地标主机的IP；
c2.目标主机测量到各地标主机的往返延迟，选择出往返延迟最小的地标主机的IP，并发送回定位服务器；
d2.定位服务器根据收到的地标主机所属省会，将目标主机所属省份内各市的处于同一个网络运营商的地标主机的IP发送给目标主机；
e2.目标主机测量到各地标主机的往返延迟，选择出往返延迟最小的地标主机的IP，并发送回定位服务器；
f2.定位服务器根据收到的地标主机的IP，查询地标主机IP所在城市，以地标主机IP所在城市作为目标主机的城市级定位估计位置。
2.根据权利要求1所述的一种适用于弱连接网络的网络实体地理位置定位方法，其特征在于：所述步骤B中，所述的往返延迟利用基于ICMP、UDP或TCP协议的测量工具获得，每对主机之间需要进行长期多次测量，测量时间为1-3天，每次测量间隔1min-1.5min，取最小往返延迟作为每对主机之间的往返延迟。
3.根据权利要求1所述的一种适用于弱连接网络的网络实体地理位置定位方法，其特征在于：所述步骤B中，根据经纬度，计算每对主机之间的直线地理距离。
4.根据权利要求1所述的一种适用于弱连接网络的网络实体地理位置定位方法，其特征在于：所述步骤F中部署探测主机和地标主机的原则为对于一台目标主机即需要定位的目标，保证至少有一台探测主机和至少十台地标主机与目标主机在同一个强连接子网中。
5.根据权利要求1所述的一种适用于弱连接网络的网络实体地理位置定位方法，其特征在于：所述步骤D中将目标网络划分为多个子网的方法为：按照探测主机和目标主机的运营商信息分为不同运营商的网络，在各个运营商内部再按照所处的城市分为不同城市的子网，其中目标主机即需要定位的目标。
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