CN109617728A - 一种基于多协议的分布式ip级网络拓扑探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法，包括：在待探测网络空间内分布式部署探测节点，所述探测节点支持多协议且参数可调；针对待探测网络的探测目标IP地址，选择探测目标地址列表；根据探测节点和探测目标地址列表，为探测节点分发任务；探测节点按ICMP、UDP和TCP协议分三次进行补充性探测得到待探测网络的网络拓扑图。本发明通过分布式探测与多协议探测相结合的方式，解决了单一协议探测存在的匿名路由器过多及单点探测时间周期长等问题，能够最大限度的减少IP级拓扑探测过程中的匿名节点数量，使获得的拓扑更接近于实际的网络情况。

Description

一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法
技术领域
本发明涉及网络测量技术领域，尤其涉及一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法。
背景技术
随着计算机技术的发展，网络已经成为国家政治、经济、军事等社会系统存在和发展的重要基础，网络空间已经成为继海、陆、空、天之后的“第五维空间”，网络一旦受损，几乎所有的社会系统都将无法正常发挥作用。网络拓扑测量是认识、研究网络空间的根基，因此研究网络拓扑测量技术具有关键意义。网络拓扑可以用分为AS级、路由器级和IP级，而IP级拓扑又是网络拓扑的基础。
Traceroute广泛应用于检测和诊断路由问题，发现P2P路由行为和特征，发现网络拓扑等。它是目前唯一的、不需要从每个管理域获取专有路由信息就能有效地观察报文如何在互联网中流动的方法。目前Windows平台的探测工具为Traceroute，其采用ICMP协议实现，而Linux平台的探测工具为tracert，其采用UDP协议实现。近年来，随着人们安全意识的逐步提高，为了防止网络DDoS攻击，通过防火墙阻止ICMP及探测UDP报文，因此基于ICMP和UDP协议的探测工具，很容易被防火墙过滤掉，导致网络拓扑不完整。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提出了一种基于Traceroute及ICMP、UDP、TCP协议的分布式IP级互联网拓扑探测方法，该方法以Traceroute和ICMP、UDP、TCP协议为根基，尽可能多的发现网络中的路由交换节点，生成可信度较高的IP级网络拓扑。
本发明提供的一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法，包括：
步骤1，在待探测网络空间内分布式部署探测节点，所述探测节点支持多协议且参数可调；
步骤2，针对待探测网络的探测目标IP地址，选择探测目标地址列表；
步骤3，根据探测节点和探测目标地址列表，为探测节点分发任务；
步骤4，探测节点按ICMP、UDP和TCP协议分三次进行补充性探测得到待探测网络的网络拓扑图。
进一步，探测工具采用C/S架构，服务器端负责下发探测任务，客户端负责执行探测任务，并将探测结果回传给服务器端，客户端和服务器端通过SSL进行通信；所述探测节点为探测工具的客户端。
进一步，步骤2具体包括：
步骤21，将主机IP地址数超过256的较大的子网划分为多个/24的子网，主机IP地址少于256的子网不再进行拆分，得到探测目标子网列表；
步骤22，对得到的探测目标子网列表，选择各子网的首地址作为探测目标IP地址，获得待探测网络的探测目标地址列表；对探测目标地址列表中的目标地址进行PING测试，保留存活的IP地址列表，对于无响应的IP地址记录其子网；
步骤23，针对无响应的子网，进行TCP 80/8080/443端口存活性扫描，记录扫描结果，从端口存活性的扫描结果中随机选择端口存活的一个IP地址替换该子网地址，得到最终的探测目标地址列表。
进一步，步骤3具体包括：
步骤31，从开源数据集获取探测目标地址列表中探测目标IP地址的地理信息，将探测目标IP地址按照地理位置进行聚类，得到探测目标IP地址的聚类集合D＝{D1,D2...,Dk}，k为探测节点的个数；
步骤32，计算各探测节点对应每一个聚类探测目标的代价集合取集合中最小元素对应的聚类探测目标为该探测节点的探测任务，其中， 表示探测节点m对应聚类探测目标Di的代价，ω、γ是超参数，size(Di)表示聚类探测目标Di的元素个数，ξ代表探测节点的上一轮探测任务执行剩余的探测目标IP个数，为探测节点m和聚类探测目标Di的聚类中心的距离。
进一步，步骤4具体包括：探测节点首先采用基于ICMP协议的探针进行探测，当ICMP探测结果中出现匿名节点时，则进一步使用基于UDP协议的探针进行补充探测，当UDP探测结果中再次出现匿名节点时，最终使用基于TCP协议的探针进行探测，合并三次的探测结果生成待探测网络的网络拓扑图，其中探测节点探测采用的参数，可通过配置文件进行配置管理。
进一步，对于基于ICMP协议的探针，探测节点发送ICMP Echo Request报文，中间节点以ICMP TTL-expired报文应答，目标节点以ICMP Echo Reply报文应答；对于基于UDP协议的探针，探测节点发送UDP报文，中间节点以ICMP TTL-expired报文应答，目标节点以ICMP port unreachable报文应答；对于基于TCP协议的探针，探测节点发送TCP报文，中间节点以ICMP TTL-expired报文应答，目标节点以ICMP port unreachable报文应答。
本发明通过分布式探测与多协议探测相结合的方式，解决了单一协议探测存在的匿名路由器过多及单点探测时间周期长等问题，能够最大限度的减少IP级拓扑探测过程中的匿名节点数量，使获得的拓扑更接近于实际的网络情况。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明实施例的探测方法流程图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明的整体思路主要包括以下几点：
1.在待探测网络空间内分布式部署探测节点，所述探测节点支持多协议且参数可调；
2.针对待探测网络的探测目标IP地址，选择探测目标地址列表；
3.根据探测节点和探测目标地址列表，为探测节点分发任务，开展分布式探测；
4.探测节点按ICMP、UDP和TCP协议分三次进行补充性探测得到待探测网络的网络拓扑图。
具体方法流程如图1所示，包括：
(1)分布式部署探测节点。探测工具采用C/S架构，服务器端负责下发探测任务，客户端负责执行探测任务，并将探测结果回传给服务器端；客户端和服务器端通信机制采用可靠的SSL；客户端(即探测节点)可以部署在具备互联网接入条件的任何位置，为实现全球化探测的目标，目前使用VPS(Virtual Private Server虚拟专用服务器)是一个比较好的选择。与传统的虚拟主机相比，VPS服务器由于不是采用大量虚拟主机共享同一个主机硬件资源的形势，因此在带宽、速度、网站和邮件的安全性等方面都具有较为明显的优势，并且支持超级管理员实现有效的远程管理，使企业能够更加有效地控制自己购买的互联网资源。
(2)探测目标的选取，将主机IP地址数超过256的较大的子网划分为多个/24的子网，主机IP地址少于256的子网不再进行拆分，这样得到探测目标子网列表。子网拆分的原因是对于同一个子网的IP级拓扑来讲，仅仅表现在最后一跳不同，其他中间节点完全一致，而且对于IPv4空间，地址范围最多可达232(约42亿)，排除保留地址和内网地址后目前分配在用的约36亿，如果完全扫描所有的IP地址将会存在大量的重复性探测，耗时耗力。
(3)对得到的探测目标子网列表，选择各子网的首地址作为探测目标IP地址，从而获得待探测网络的探测目标地址列表，该探测目标地址列表为初定的探测目标地址列表。选择子网首地址是根据人们使用网络的经验，通常会选择首地址作为子网的网关地址，而网关地址是必须时刻在线才能保证网络的畅通。为确保最终得到的IP级网络拓扑的完整性，首先要确保目标IP的存活性。针对探测目标地址列表中的目标地址进行PING测试，保留存活的IP地址列表，对于无响应的IP地址记录其子网。
(4)针对无响应的子网，进行TCP 80/8080/443端口存活性扫描，为提高扫描的效率，端口存活性扫描工具采用速率较高的ZMAP，记录ZMAP的扫描结果。选择TCP 80端口的原因是该端口为web服务端口，TCP 8080为提供web服务代理的端口，TCP 443端口为HTTPS服务端口，防火墙等防护设备通常会允许该协议的端口数据通过。从端口存活性的扫描结果中随机选择端口存活的一个IP地址替换该子网地址，得到最终的探测目标地址列表，这样得到的每一个探测目标都是存活的。
(5)从开源数据集获取探测目标地址列表中探测目标IP地址的地理信息，将探测目标IP地址按照地理位置进行聚类，本发明实施例中的聚类方法选取k-均值聚类方法，该方法是一种无监督学习聚类方法。
首先设定聚类参数k等于探测节点的个数，接着随机创建k个质心,遍历每个探测目标IP计算其到每个质心的欧氏距离，然后把每个目标点都分配到距离最近的质心的那一类，用一个二维数组数据结构保存，第一列是最近质心序号，第二列是距离。根据二维数组保存的数据，重新计算每个聚簇新的质心，迭代上述过程，直到质心不再发生变化。至此得到了探测目标IP的聚类集合D＝{D1,D2...,Dk}，而探测节点为s＝{s1,s2...,sk}。定义b为探测节点网络流量，单位Mb/s，h为可用算力，定义为空闲CPU百分比乘以CPU的效能比，L为综合了探测节点带宽和可用算力的节点效率，那么Lj＝αbj+βhj，α,β是函数的参数通常设置为α＝10,β＝3。定义探测节点和聚类探测目标的聚类中心的距离：其中为探测节点m和聚类探测目标Di的聚类中心的距离，那么探测节点对应每一个聚类探测目标的代价集合为其中：
式中，表示探测节点m对应聚类探测目标Di的代价，ω、γ是超参数，通常可以取ω＝3,γ＝8，size(Di)表示聚类探测目标Di的元素个数，ξ代表探测节点的上一轮探测任务执行剩余的探测目标IP个数。依次计算探测节点s＝{s1,s2...,sk}对应的取集合中最小元素对应的聚类探测目标为该探测节点的探测任务，例如s1节点对应的代价集合取集合中最小元素的下标n，那么分配给探测节点s1的任务为Dn，重复上述过程完成探测策略的制定(si,Dj)。当有新的探测任务加入，可以重复上述过程，制定新的探测策略集合。通过上面提到的C/S分布式探测架构，服务器端通过SSL与客户端通信，实现可靠的任务下发、消息传递和异常处理。
(6)探测工具支持ICMP、UDP、TCP三种协议，探测采用的参数，可通过配置文件进行配置管理。因此，在探测过程中配合使用ICMP、UDP和TCP三种探针，探测节点首先采用基于ICMP协议的探针进行探测，当ICMP探测结果中出现匿名节点时，则进一步使用基于UDP协议的探针进行补充探测，当UDP探测结果中再次出现匿名节点时，最终使用基于TCP协议的探针进行探测，合并三次的探测结果生成待探测网络的网络拓扑图，最大限度减少匿名节点的出现。
对于基于ICMP协议的探针，探测节点发送ICMP Echo Request报文，中间节点以ICMP TTL-expired报文应答，目标节点以ICMP Echo Reply报文应答。探测节点的发送请求报文中TTL字段从1开始的递增，直至到最大的TTL，探针默认设置为30。因此，如果任何一个路由节点不处理ICMP Echo Request报文，在探测结果上则表现为匿名节点；如果中间任何一个路由节点丢弃ICMP Echo Request报文，或者丢弃ICMP TTL-expired报文，那么该ICMPEcho Request就永远不会到达它之后的节点，在探测结果上表现为某跳之后全为匿名节点。对于存在匿名路由器的探测目标，转入下一步执行。
对于基于UDP协议的探针，探测节点发送UDP报文，中间节点以ICMP TTL-expired报文应答，目标节点以ICMP port unreachable报文应答。发送的UDP报文目的端口号字段默认从33434开始，依次递增，直至33463，TTL字段从1开始依次递增，直至30(可配置)。中间的路由节点以ICMP TTL-expired报文响应探测节点，目标节点以ICMP port unreachable报文响应探测节点。其中任何一种类型的数据报被过滤掉，都会导致匿名节点的出现。对于存在匿名路由器的探测目标，转入下一步执行。
对于基于TCP协议的探针，探测节点发送TCP报文，中间节点以ICMP TTL-expired报文应答，目标节点以ICMP port unreachable报文应答。发送的TCP报文目的端口号字段为80。TTL字段从1开始依次递增，直至30(可配置)。中间的路由节点以ICMP TTL-expired报文响应探测节点，目标节点以ICMP port unreachable报文响应探测节点。80是Web服务的端口号，8080为提供web服务代理的端口，443端口为HTTPS服务端口，该类型的报文在网络中易于各路由器之间的转发，以发现更多的节点。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM,Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM,Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法，其特征在于，包括：
步骤1，在待探测网络空间内分布式部署探测节点，所述探测节点支持多协议且参数可调；
步骤2，针对待探测网络的探测目标IP地址，选择探测目标地址列表；
步骤3，根据探测节点和探测目标地址列表，为探测节点分发任务；
步骤4，探测节点按ICMP、UDP和TCP协议分三次进行补充性探测得到待探测网络的网络拓扑图。
2.根据权利要求1所述的一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法，其特征在于，探测工具采用C/S架构，服务器端负责下发探测任务，客户端负责执行探测任务，并将探测结果回传给服务器端，客户端和服务器端通过SSL进行通信；所述探测节点为探测工具的客户端。
3.根据权利要求2所述的一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法，其特征在于，客户端为VPS。
4.根据权利要求1所述的一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法，其特征在于，步骤2具体包括：
步骤21，将主机IP地址数超过256的较大的子网划分为多个/24的子网，主机IP地址少于256的子网不再进行拆分，得到探测目标子网列表；
步骤22，对得到的探测目标子网列表，选择各子网的首地址作为探测目标IP地址，获得待探测网络的探测目标地址列表；对探测目标地址列表中的目标地址进行PING测试，保留存活的IP地址列表，对于无响应的IP地址记录其子网；
步骤23，针对无响应的子网，进行TCP 80/8080/443端口存活性扫描，记录扫描结果，从端口存活性的扫描结果中随机选择端口存活的一个IP地址替换该子网地址，得到最终的探测目标地址列表。
5.根据权利要求4所述的一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法，其特征在于，端口存活性扫描工具采用ZMAP。
6.根据权利要求1所述的一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法，其特征在于，步骤3具体包括：
步骤31，从开源数据集获取探测目标地址列表中探测目标IP地址的地理信息，将探测目标IP地址按照地理位置进行聚类，得到探测目标IP地址的聚类集合D＝{D1,D2...,Dk}，k为探测节点的个数；
步骤32，计算各探测节点对应每一个聚类探测目标的代价集合 取集合中最小元素对应的聚类探测目标为该探测节点的探测任务，其中， 表示探测节点m对应聚类探测目标Di的代价，ω、γ是超参数，size(Di)表示聚类探测目标Di的元素个数，ξ代表探测节点的上一轮探测任务执行剩余的探测目标IP个数，为探测节点m和聚类探测目标Di的聚类中心的距离。
7.根据权利要求6所述的一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法，其特征在于，步骤31采用K-均值聚类方法进行聚类，聚类参数K等于k。
8.根据权利要求6所述的一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法，其特征在于，ω＝3,γ＝8。
9.根据权利要求1所述的一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法，其特征在于，步骤4具体包括：探测节点首先采用基于ICMP协议的探针进行探测，当ICMP探测结果中出现匿名节点时，则进一步使用基于UDP协议的探针进行补充探测，当UDP探测结果中再次出现匿名节点时，最终使用基于TCP协议的探针进行探测，合并三次的探测结果生成待探测网络的网络拓扑图，其中探测节点探测采用的参数，可通过配置文件进行配置管理。
10.根据权利要求9所述的一种基于多协议的分布式IP级网络拓扑探测方法，其特征在于，对于基于ICMP协议的探针，探测节点发送ICMP Echo Request报文，中间节点以ICMPTTL-expired报文应答，目标节点以ICMP Echo Reply报文应答；对于基于UDP协议的探针，探测节点发送UDP报文，中间节点以ICMP TTL-expired报文应答，目标节点以ICMP portunreachable报文应答；对于基于TCP协议的探针，探测节点发送TCP报文，中间节点以ICMPTTL-expired报文应答，目标节点以ICMP port unreachable报文应答。
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