CN108234202A - 基于生存时间的网络拓扑发现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于生存时间的网络拓扑发现方法，具体步骤包括如下：(1)标记互联网协议报文；(2)选取一组互联网协议报文；(3)生成路由跳数集合；(4)生成源节点类别集合；(5)生成节点关系集合；(6)判断是否选取完所有互联网协议报文；(7)创建邻接矩阵；(8)用邻接矩阵表示网络拓扑结构。本发明采用单项式分组法生成源节点类别集合，通过计算前缀匹配长度确定节点的连接关系，克服了现有技术在生成源节点类别集合时，计算复杂度高和在确定节点的连接关系时增大网络压力的问题，具有计算复杂度低、不增大网络压力的优点。

Description

基于生存时间的网络拓扑发现方法
技术领域
本发明属于信息技术领域，更进一步涉及计算机网络技术领域中的一种基于生存时间的网络拓扑发现方法。本发明可用于发现实际网络的网络拓扑结构，为网络管理员规划和管理网络提供帮助。
背景技术
网络拓扑是指网络中各个网络设备之间的连接关系，它是网络管理和网络规划的基础。清晰，直观的网络拓扑可以帮助管理人员了解网络结构，以便于网络监测和网络故障定位。
目前已有许多利用生存时间来发现网络拓扑的方法。生存时间是互联网协议报文中的一个值，它表示互联网协议报文在网络中可以转发的最大跳数。根据互联网协议报文的生存时间，可以计算互联网协议报文在网络中被转发的次数，即互联网协议报文经过的网络设备数目，进而得到网络拓扑。但现有的利用生存时间来发现网络拓扑的方法存在增大网络压力，计算复杂度高的问题，需要进一步的发展与完善。
中国人民解放军国防科学技术大学申请的专利“网络拓扑确定方法和装置”(专利申请号：201310295638.8，授权公告号：CN 103516615B)，公开了一种基于生存时间的网络拓扑确定方法。该方法首先获取待测网络的前缀列表文件，根据前缀列表文件生成目标节点的互联网协议地址，然后由监测节点发送第一探测报文至目标节点，根据接收的应答报文或超时报文，对该第一探测报文中的第一生存时间执行不断减1或不断加1的操作，并将携带该目标节点的互联网协议地址和每次减1或加1后的第一生存时间的第二探测报文或第三探测报文发送给该目标节点，直至接收到该目标节点的上游节点返回的第一超时报文或该目标节点返回的第一应答报文，监测节点根据第一超时报文或第一应答报文确定该目标节点及其相邻上游节点，并根据各个上述目标节点及其相邻上游节点确定网络拓扑结构。该方法存在的不足之处在于，在确定节点之间连接关系时，需要监测节点主动发送探测报文至目标节点，从而增大网络压力，甚至导致网络出现阻塞。
Eriksson B，Barford P和Nowak R在其发表的论文“Network disco very frompassive measurements”(Acm Sigcomm Conference on Data Communication.Acm，2008:291-302，2008年)中公开了一种基于生存时间的网络拓扑发现方法。该方法首先通过多个监测节点收集待发现网络中的互联网协议报文，提取所有互联网协议报文中的源地址和生存时间，根据互联网协议报文的生存时间，计算互联网协议报文的路由跳数，由源地址和互联网协议报文到各监测节点的路由跳数组成跳数距离向量，然后对跳数距离向量进行线性变换，根据变换后的跳数距离向量，采用K-Means算法将源地址分类，生成源节点类别集合，接着从源节点类别集合中选取部分源地址作为目标节点，向目标节点发送少量探测报文，根据探测信息计算节点之间的连接关系，得到最终的网络拓扑结构。该方法存在的不足之处在于，在生成源节点类别集合时，需要对跳数距离向量进行线性变换，其计算复杂度较高，系统开销较大，不适合大规模网络的网络拓扑发现。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于生存时间的网络拓扑发现方法。本发明采用单项式分组法生成源节点类别集合，结合前缀匹配长度确定节点之间的连接关系，从而发现网络拓扑结构。
实现本发明目的的思路是，首先由监测节点标记其监听的互联网协议报文，从所有被标记的互联网协议报文中选取一组互联网协议报文，提取每个互联网协议报文的源地址和生存时间，计算每个互联网协议报文的路由跳数，根据路由跳数，采用单项式分组法将源地址分类，生成源节点类别集合，将所有相邻两个源节点类别集合中的每个源地址配对，计算每个配对的前缀匹配长度，由前缀匹配长度最大的配对生成节点关系集合，判断所有互联网协议报文是否选取完，若是，则创建邻接矩阵，用邻接矩阵表示网络拓扑结构，否则，选取另一组互联网协议报文，生成源节点类别集合和节点关系集合并进行下一次判断。
本发明的具体步骤包括如下：
(1)标记互联网协议报文：
(1a)监测节点监听待发现网络中的互联网协议报文；
(1b)读取监测节点的设备信息，获得监测节点的互联网协议地址；
(1c)每个监测节点在同一时间段内，用其本身的互联网协议地址标记所监听的每个互联网协议报文，得到在同一时间段内地址标记相同的互联网协议报文，将所有的监测节点标记的地址标记不同的互联网协议报文生成与监测节点的总数相同的互联网协议报文；
(2)从所有互联网协议报文中随机选取一组互联网协议报文；
(3)生成路由跳数集合：
从所选的一组互联网协议报文中提取每个互联网协议报文的生存时间，计算每个互联网协议报文的路由跳数，生成路由跳数集合；
(4)生成源节点类别集合：
(4a)从所选的一组互联网协议报文中，提取每个互联网协议报文的源地址，从路由跳数集合中选取每个互联网协议报文的路由跳数；
(4b)采用单项式分组法，根据每个互联网协议报文的路由跳数对所提取的每个源地址进行分类，生成与路由跳数的总数相同的源节点类别集合；
(5)生成节点关系集合：
(5a)生成一个空的节点关系集合；
(5b)从源节点类别集合中任意选取相邻两个源节点类别集合；
(5c)判断所选的两个集合是否为路由跳数最小的源节点类别集合和路由跳数次小的源节点类别集合，若是，则执行步骤(5d)，否则，执行步骤(5e)；
(5d)计算所选的两个集合的笛卡尔乘积，将笛卡尔乘积中的所有配对加入节点关系集合后执行步骤(5i)；
(5e)从所选的一个集合中选取一个源地址，将所选的源地址与另一个集合中的所有源地址配对；
(5f)对每个配对，逐位比较配对中两个源地址的每个二进制位，从每个不相等的二进制位中选取第一个不相等的二进制位；
(5g)根据每个配对的第一个不相等的二进制位，计算每个配对的前缀匹配长度，将前缀匹配长度最大的配对加入节点关系集合；
(5h)判断所选的一个集合中所有源地址是否选取完，若是，则执行步骤(5i)，否则，执行步骤(5e)；
(5i)判断是否选取完所有相邻两个源节点类别集合，若是，则执行步骤(6)，否则，执行步骤(5b)；
(6)判断是否选取完所有互联网协议报文，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(2)；
(7)创建邻接矩阵：
(7a)根据节点关系集合，计算总关系集合；
(7b)根据源节点类别集合，计算总节点集合；
(7c)计算总节点集合与其自身的笛卡尔乘积，将笛卡尔乘积中的所有配对生成配对集合；
(7d)根据配对集合和总关系集合创建邻接矩阵Dr×r，r表示总节点集合中源地址的总数；
(8)用邻接矩阵Dr×r表示网络拓扑结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明在确定各节点之间连接关系时，计算每个配对的前缀匹配长度，克服了现有技术在确定节点之间连接关系时，需要监测节点主动发送探测报文至目标节点从而增大网络压力甚至导致网络出现阻塞的问题，使得本发明具有在发现网络拓扑时不增大网络压力的优点。
第二，本发明在生成源节点类别集合时，采用单项式分组法对源地址进行分类，克服了现有技术在生成源节点类别集合时，需要对跳数距离向量进行线性变换而导致的计算复杂度较高，系统开销较大的问题，使得本发明具有适用于大规模网络的网络拓扑发现的优点。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明生成源节点类别集合的流程图；
图3为本发明生成节点关系集合的流程图；
图4为本发明配对的第一个不相等的二进制位的示意图；
图5为本发明创建邻接矩阵的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参照附图1，对本发明的具体步骤做进一步的详细描述。
步骤1，标记互联网协议报文。
多个监测节点监听待发现网络中的互联网协议报文。
读取每个监测节点的设备信息，获得每个监测节点的互联网协议地址。
每个监测节点在同一时间段内，用其本身的互联网协议地址标记所监听的每个互联网协议报文，得到在同一时间段内地址标记相同的互联网协议报文，将所有的监测节点标记的地址标记不同的互联网协议报文生成与监测节点的总数相同的互联网协议报文。
步骤2，选取一组互联网协议报文：从所有互联网协议报文中随机选取一组监测节点标记的地址标记相同的互联网协议报文。
步骤3，生成路由跳数集合。
从所选的一组互联网协议报文中提取每个互联网协议报文的生存时间，计算每个互联网协议报文的路由跳数，生成路由跳数集合。
由下式计算每个互联网协议报文的路由跳数：
其中，hk表示第k个互联网协议报文的路由跳数，xk表示第k个互联网协议报文的生存时间。
步骤4，生成源节点类别集合。
结合附图2生成源节点类别集合的流程图，对本发明生成源节点类别集合的具体步骤做进一步的详细描述。
第1步，提取源地址：从所选的一组互联网协议报文中，提取每个互联网协议报文的源地址；
第2步，选取路由跳数：从路由跳数集合中选取每个互联网协议报文的路由跳数；
第3步，对路由跳数排序：按照从小到大的顺序，对所有的路由跳数排序；
第4步，生成多个空的被标记的源节点类别集合：生成与路由跳数的总数相同的空的源节点类别集合，对每个源节点类别集合，用一个路由跳数标记一个源节点类别集合，得到被路由跳数标记的源节点类别集合；
第5步，将源地址加入源节点类别集合：根据路由跳数与源节点类别集合的一一对应关系，将每个源地址加入对应的源节点类别集合中。
步骤5，生成节点关系集合。
结合附图3生成节点关系集合的流程图，对本发明生成节点关系集合的具体步骤做进一步的详细描述。
第1步，生成一个空的节点关系集合；
第2步，选取相邻两个源节点类别集合：从源节点类别集合中任意选取相邻两个源节点类别集合；
第3步，判断所选的两个集合是否为路由跳数最小的源节点类别集合和路由跳数次小的源节点类别集合，若是，则执行本步骤的第4步，否则，执行本步骤的第5步；
第4步，生成配对并将配对加入节点关系集合：计算所选的两个集合的笛卡尔乘积，将笛卡尔乘积中的所有配对加入节点关系集合后执行本步骤的第9步；
其中，由下式计算所选的两个集合的笛卡尔乘积：
G＝A×E＝{(a，e)|a∈A，e∈E}
其中，G表示笛卡尔乘积，A和E均表示源节点类别集合，×表示求笛卡尔乘积操作，a表示源节点类别集合A中的源地址，e表示源节点类别集合E中的源地址，(a，e)表示两个源地址的配对。
第5步，选取一个源地址并生成配对：从所选的一个集合中选取一个源地址，将所选的源地址与另一个集合中的所有源地址配对；
第6步，选取配对的第一个不相等的二进制位：对每个配对，逐位比较配对中两个源地址的每个二进制位，从每个不相等的二进制位中选取第一个不相等的二进制位；
结合附图4配对的第一个不相等的二进制位的示意图，对本发明中步骤5中的第6步选取配对的第一个不相等的二进制位做进一步的详细描述。图4中的两个32位二进制数分别表示配对中的源地址1和源地址2。图4中左边的矩形框为第一个不相等的二进制位，右边的矩形框为第二个不相等的二进制位。
第7步，将前缀匹配长度最大的配对加入节点关系集合：根据每个配对的第一个不相等的二进制位，计算每个配对的前缀匹配长度，将前缀匹配长度最大的配对加入节点关系集合；
其中，由下式计算配对的前缀匹配长度：
L＝32-j
其中，L表示配对的前缀匹配长度，j表示配对的第一个不相等的二进制位。
第8步，判断所选的一个集合中所有源地址是否选取完，若是，则执行本步骤的第9步，否则，执行本步骤的第5步；
第9步，判断是否选取完所有相邻两个源节点类别集合，若是，则执行本步骤的第10步，否则，执行本步骤的第2步；
第10步，节点关系集合生成完毕。
步骤6，判断是否选取完所有互联网协议报文，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤2。
步骤7，创建邻接矩阵。
结合附图5创建邻接矩阵的流程图，对本发明创建邻接矩阵的具体步骤做进一步的详细描述。
第1步，计算总关系集合：根据节点关系集合，由下式计算总关系集合：
其中，W表示总关系集合，M表示互联网协议报文的组数，∪表示求并集操作，Qi表示第i组互联网协议报文的节点关系集合。
第2步，计算总节点集合：根据源节点类别集合，由下式计算总节点集合：
其中，F表示总节点集合，M表示互联网协议报文的组数，∪表示求并集操作，B表示第i组互联网协议报文的源节点类别集合的总数，Vi，c表示第i组互联网协议报文的第c个源节点类别集合。
第3步，生成配对集合：计算总节点集合与其自身的笛卡尔乘积，将笛卡尔乘积中的所有配对生成配对集合；
第4步，创建邻接矩阵：根据配对集合和总关系集合，创建邻接矩阵Dr×r，r表示总节点集合中源地址的总数。
其中，由下式创建邻接矩阵：
其中，q和p均表示总节点集合中的源地址，zp，q表示配对集合中的配对，W表示总关系集合。
步骤8，用邻接矩阵Dr×r表示网络拓扑结构。

Claims (6)

1.一种基于生存时间的网络拓扑发现方法，其特征在于，具体步骤包括如下：
(1)标记互联网协议报文：
(1a)监测节点监听待发现网络中的互联网协议报文；
(1b)读取监测节点的设备信息，获得监测节点的互联网协议地址；
(1c)每个监测节点在同一时间段内，用其本身的互联网协议地址标记所监听的每个互联网协议报文，得到在同一时间段内地址标记相同的互联网协议报文，将所有的监测节点标记的地址标记不同的互联网协议报文生成与监测节点的总数相同的互联网协议报文；
(2)从所有互联网协议报文中随机选取一组互联网协议报文；
(3)生成路由跳数集合：
从所选的一组互联网协议报文中提取每个互联网协议报文的生存时间，计算每个互联网协议报文的路由跳数，生成路由跳数集合；
(4)生成源节点类别集合：
(4a)从所选的一组互联网协议报文中，提取每个互联网协议报文的源地址，从路由跳数集合中选取每个互联网协议报文的路由跳数；
(4b)采用单项式分组法，根据每个互联网协议报文的路由跳数对所提取的每个源地址进行分类，生成与路由跳数的总数相同的源节点类别集合；
(5)生成节点关系集合：
(5a)生成一个空的节点关系集合；
(5b)从源节点类别集合中任意选取相邻两个源节点类别集合；
(5c)判断所选的两个集合是否为路由跳数最小的源节点类别集合和路由跳数次小的源节点类别集合，若是，则执行步骤(5d)，否则，执行步骤(5e)；
(5d)计算所选的两个集合的笛卡尔乘积，将笛卡尔乘积中的所有配对加入节点关系集合后执行步骤(5i)；
(5e)从所选的一个集合中选取一个源地址，将所选的源地址与另一个集合中的所有源地址配对；
(5f)对每个配对，逐位比较配对中两个源地址的每个二进制位，从每个不相等的二进制位中选取第一个不相等的二进制位；
(5g)根据每个配对的第一个不相等的二进制位，计算每个配对的前缀匹配长度，将前缀匹配长度最大的配对加入节点关系集合；
(5h)判断所选的一个集合中所有源地址是否选取完，若是，则执行步骤(5i)，否则，执行步骤(5e)；
(5i)判断是否选取完所有相邻两个源节点类别集合，若是，则执行步骤(6)，否则，执行步骤(5b)；
(6)判断是否选取完所有互联网协议报文，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(2)；
(7)创建邻接矩阵：
(7a)根据节点关系集合，计算总关系集合；
(7b)根据源节点类别集合，计算总节点集合；
(7c)计算总节点集合与其自身的笛卡尔乘积，将笛卡尔乘积中的所有配对生成配对集合；
(7d)根据配对集合和总关系集合创建邻接矩阵Dr×r，r表示总节点集合中源地址的总数；
(8)用邻接矩阵Dr×r表示网络拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的基于生存时间的网络拓扑发现方法，其特征在于，步骤(3)中所述的互联网协议报文的路由跳数是由下式计算得到的：
其中，hk表示第k个互联网协议报文的路由跳数，xk表示第k个互联网协议报文的生存时间。
3.根据权利要求1所述的基于生存时间的网络拓扑发现方法，其特征在于，步骤(4b)中所述的单项式分组法的具体步骤如下：
第一步，按照从小到大的顺序，对所有的路由跳数排序；
第二步，生成与路由跳数的总数相同的空的源节点类别集合，对每个源节点类别集合，用一个路由跳数标记一个源节点类别集合，得到被路由跳数标记的源节点类别集合；
第三步，根据路由跳数与源节点类别集合的一一对应关系，将每个源地址加入对应的源节点类别集合中。
4.根据权利要求1所述的基于生存时间的网络拓扑发现方法，其特征在于，步骤(5g)中所述配对的前缀匹配长度是由下式计算得到的：
L＝32-j
其中，L表示配对的前缀匹配长度，j表示配对的第一个不相等的二进制位。
5.根据权利要求1所述的基于生存时间的网络拓扑发现方法，其特征在于，步骤(7a)中所述的总关系集合是由下式计算得到的：
其中，W表示总关系集合，M表示互联网协议报文的组数，∪表示求并集操作，Qi表示第i组互联网协议报文的节点关系集合。
6.根据权利要求1所述的基于生存时间的网络拓扑发现方法，其特征在于，步骤(7b)中所述的总节点集合是由下式计算得到的：
其中，F表示总节点集合，M表示互联网协议报文的组数，∪表示求并集操作，B表示第i组互联网协议报文的源节点类别集合的总数，Vi，c表示第i组互联网协议报文的第c个源节点类别集合。
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