基于IP路由识别方法的可行性应用分析

◆王海峰



基于IP路由识别方法的可行性应用分析

◆王海峰

（南通师范高等专科学校现代教育技术中心 江苏 226500）

随着网络技术的飞速发展，网络通信设备成为了当今社会中最重要的基础设施之一，网络路由器作为网络通信设备的主要部件已成为国内外学者研究的热点问题。路由器别名识别是构建路由器级网络拓扑的重要步骤之一，基于网络层析成像基本原理的IP网络路由器，分析了网络层析成像的IP网络路由器的优点及其应用，可为网络规划、优化、管理提供有用基础数据，也是构建可信、安全网络环境的重要前提。

IP路由器；识别方法；可行性

0 前言

获取网络路由器的拓扑结构是 Internet 网络路由器测量的研究基础，现有路由器级网络拓扑结构发现技术主要采用基于 traceroute 工具的探测结果构建网络拓扑图，如图1所示，图1中，h1， h2， h3， h 4是终端主机， r1，r2，是它们之间的路由器，r1 与 r2 之间通过点对点链路连接。小写字母a，b，c，d，e，f，g，h，i，j表示接口 IP 地址。伴随着现代信息技术的快速发展，互联网通信技术在我们的生活中扮演着更加重要的角色[1]。为了确保互联网通信运行的快速并进一步增强互联网通信性能，科学研究者只有详细掌握如网路拓扑等通信的基本参数，才能做进一步的更好地研究。网路拓扑就是网络实体间的一种连接关系。网络拓扑识别是掌握网络通信性能的重要基础。通过研究网络拓扑对网络进行实时动态分析和管理，并且有针对地研究高效网络协议。

传统的网络拓扑判别法包括广播ping的方法、基于DNS zonetransfer以及基于traceroute的方法[2]。这些网络拓扑判别法需要假定所有的中间节点可协作，然后进行发包，通过对网络的拓扑结构进行猜测才可以完成整个通信过程，所以要依赖于协议的允许和路由中间节点的相互协作。网络拓扑识别法就是通过一定的方法和技术，对目标网络的逻辑拓扑进行推测和识别。相比于传统的网络拓扑判别法，基于网络层析成像的IP网络路由器级识别方法可以通过 IP 接口级来对POP 级进行映射；但是通过IP 接口级进行数据分析，也是在对于路由器级的拓扑在的基础上得到别名的。因为 IP 路是由器由非常多的 IP 通信接口所构成的，所以最先应该识别属于同一台路由器的网络拓扑通信接口，然后再通过其映射到路由器就构成了路由器级拓扑结构[3]。

图1 路由器与接口之间的关系

1 IP路由识别方法的基本原理

1.1 网络层析成像法

基于网络拓扑识别的通信技术层析成像方法需要假设所有的中间节点均不协作，这与传统的网络拓扑识别方法有很大差别[4]。所以从源节点向目的节点进行探测包的发送，然后在通信的目的节点位置来接收数据的探测包，通过使用数据探测包的资料在通信共享路径上的相关关联性质进行网络拓扑结构的推测，就可以得到发送包所对应的网络拓扑结构，如图2所示。虽然基于网络拓扑识别的层析成像方法具有传统方法所不具备的优点，但是现实中由于匿名路由器的真实客观存在会导致很多链路信息并不完全清楚，无法识别的匿名路由器网络拓扑结构，其主要缺点是不明白原始资料数据中的某一类的匿名路由器完全可以进行通信信号合并，需要结合通信链路中的所有的相关信息来做推导。基于网络层析成像法的分类方法，主要分为多播级网络层析成像法和单播级网络层析成像法[5]，因此，相对单播级网络层析成像法而言，多播级网络层析成像法可以得到更多的有用的通信测量数据。

图2 基于网络层析成像的网络拓扑原理示意图

1.2 IP匿名路由器识别

从电脑发明之日起，人们就发明了很多种拓扑结构，将各种设备以不同的方式连接起来。那么，如何区分网络拓扑结构呢？在网络拓扑识别中，需要从获取的数据中分析网络的逻辑连接，网络连接可以理解为在一个物理连接中再划分的虚拟连接，可以抽象为一条马路上再划分出不同的车道，进而识别出网络拓扑结构来完整地识别出网络拓扑结构，识别出网络拓扑结构需要每个节点的信息[7]。但是在现实使用环境中，通信网络中因为有部分路由器会因为种种客观因素，会造成在获得探测数据包的数据中会存在部分无法识别的通信符号，会给网络拓扑结构识别带来非常大的识别困难。由于无法确认这些识别符号的具体详细信息，会造成通信困难。由于存在匿名路由器问题，随着源节点探测数量急剧增多，被探测网络结构的复杂度也会急剧增加。

IP 网络路由器级拓扑识别能够对路由器别名进行动态解析、综合形成 IP 网络拓扑结构图。但是在现实使用环境中，因为存在匿名路由器的客观因素，会造成以下两个问题：第一，通过接受探测包而获得的网络测量数据中存在不能识别的通信符号；第二，会产生许多虚假节点，主要是通过分析得到的匿名路由器通信节点与实际匿名路由器通信节点不吻合，从而严重影响了 IP 网络拓扑结构的真实性，具体情况如图3中所示。图3（a）中S 为源节点发送探测数据，D1，D2 ，D3 都是接收数据的目的节点。图3（a）中间的星号就是一个匿名路由器的代表，当从发送任意一个探测数据包的时候，测量数据中肯定都会得到一个匿名路由器数据包。在图3(b)数据在实际运用环境中缺乏相关的分析信息，无法法做出是同一个匿名路由器的判断，所以在图 3(b)数据中匿名路由器的数量就从1个迅速增加到3 个。因此，识别 IP 网络路由器拓扑结构在一定意义上其实相当于许多重复匿名路由器的识别问题。

（a）实际匿名路由器节点（b）分析得到的匿名路由器节点

1.3 基于网络层析成像的IP网络路由器

为了解决前面所述出现的问题，可以通过采取以下办法来解决。因为网络中一个匿名通信路由器可能多次出现在不同的通信链路中，而这些链路中会包含很多匿名路由器。这样会使得识别出的 IP 网络拓扑结构复杂度远远大于真实网络拓扑结构，这样的结果就会带来很大的分析误差。如果把基于网络层析成像的识别方法和IP网络路由器识别方法结合起来，形成一种基于网络层析成像的IP网络路由器，就会解决上述问题。但是，这样同样会使得识别出的 IP 网络拓扑结构复杂度远远大于真实网络拓扑结构，这样的结果就是会带来很大的分析误差。所以首先应该利用基于网络图模式的方法对匿名路由器进行聚类分析；这样会使得识别出的 IP 网络拓扑结构复杂度远远小于真实网络拓扑结构，这样的结果就会减少分析误差。然后利用网络层析成像处理聚类后的匿名路由器得到其树状拓扑结构作为识别方法的约束条件。根据网络层析成像的IP网络路由器对匿名路由器的识别准则，结合原始探测数据包相关数据就得到一组方程，这样会使得识别出的 IP 网络拓扑结构复杂度更加接近真实网络拓扑结构，大大减少分析误差。通过求解方程得到树状拓扑结构上具体每条链路的匿名路由器的分布情况，工作原理流程图如图4所示。

图4 基于网络层析成像的IP网络路由器工作原理流程图

2 基于网络层析成像的IP网络路由器级识别方法的应用

2.1 网络层析成像的IP网络路由器级识别方法的优点

基于网络层析成像的IP网络路由器级识别方法有以下优点：

（1）通过图模式的匿名路由器对通信信号进行聚类，这种聚类方法主要是将在拓扑图相邻位置的匿名路由器通过图模式识别方法聚集到一起，这将非常利于探测包发送方案的设计合理性分析，使发送的探测包能完全覆盖需要通过图识别方法进行识别的匿名路由器。

（2）通过对数据探测包接收到的原始数据包的数据特点进行总结并对其进行分析，可以归纳出与数据通信目的节点相互相交、通信起始节点相互相交、通信起始节点相互邻接这三种情况下通信匿名路由器附近的分布情况，就可以得到相应数据测量探测包结果的网络图模式，通过网络图模式可以最终来确定网络匿名路由器的通信分布位置，最后来对通信匿名路由器的分布情况进行聚类分析。

（3）基于通信网络层析成像的网络匿名路由器识别方法由于是通过通信网络层析成像作为基本识别方法，所以这种情况下不需要知道通信网络的中间节点之间的相互协作就能够推测网络树状拓扑结构。通过匿名路由器进行聚类主要是与它们相连的已知相关通信路由器之间的相互联系情况来实现的，基于网络层析成像可以把这些已知的相关联的通信路由器设计出的所有数据发包的方法进行利用，利用数学方法，通过计算时间延迟的协方差的方法来构建不同通信情况下的网络树状拓扑结构。

（4）通过将树状网络拓扑结构的通信特点来作为探测数据包搜索结果作为通信约束条件，然后根据不同的网络树状拓扑的结构来进行推测粗略的通信网状拓扑结构。利用数学方法，通过数值迭代的方法可以求解不同通信情况下的方程组，然后就可以获得每一种通信情况下的具体链路上匿名路由器的分布情况。通过将基于网络层析成像的方法引入到基于 IP 网络路由器的相关拓扑识别的匿名路由器，然后再进行相关的分析识别和聚类问题的研究，在这种情况下就拓宽了网络匿名路由器识别的研究思路和研究方法，并且增加了所有通信链路上匿名路由器被识别和聚类的概率，提高了 IP 网络路由器级拓扑识别的可靠性和稳定性。

2.2 网络层析成像的IP网络路由器级识别方法的应用

与传统的匿名路由器相比，基于网络层析成像的IP网络路由器级识别方法具有3.1节所提到的一系列优点，因此市场应用前景广阔。基于图归纳的方法则首先得到一些带有匿名路由器的典型结构，然后从图论的角度分析这些结构在网络拓扑中的具体表现，利用典型结构予以替换。基于网络层析成像的IP网络路由器级识别方法的应用在以下两个方面：

（1）利用网络层析成像的IP网络路由器级识别方法可以通过发包统计得到网络链路间的延迟、丢包率等通信信息，以此可以推测网络树状拓扑。因此可以利用网络层析成像的方法，就可以得到树状网络拓扑结构，而这种情况下可以作为通信匿名路由器通信识别的第一个约束条件来进行分析；然后可以结合推测出的不同的树状网络拓扑结构，进行聚类匿名路由器之间的相互联系的分析，然后可以推测出网络拓扑结构之间的重合链路，进而得到粗略的网状拓扑结构，这可以作为第二个约束条件来进行分析。这样就可以得到一组匿名路由器的分布方程租，然后利用数值迭代法来求解该方程就得到匿名路由器的具体分布情况。

（2）目前使用较多的基于网络层析成像的拓扑识别法，需要利用网络层析成像的IP网络路由器级相关识别方法进行通信网络拓扑结构的识别，也需要得到从数据包的通信源节点到任何一个通信目的节点之间的测量数据，并且能够在这些测量数据中找到这样一个通信特征参数，它必须满足随着不同目的节点间，经过的路径数目上升而单调增加。因此可得到从源节点到目的节点的时间延迟方差，主要解决的是利用网络层析成像获取已经聚类的匿名路由器拓扑。

3 结论

本文结合网络层析成像法、IP匿名路由器识别提出了一种基于网络层析成像的IP网络路由器级识别方法，详细介绍了基于网络层析成像的IP网络路由器基本原理及应用。利用网络层析成像的IP网络路由器识别方法通过在网络边缘节点之间发送探测包，然后利用统计学的方法推断出路由器级拓扑结构，不需要内部节点协作，不受网络存在大量匿名路由器的限制，不仅能识别出树状拓扑结构，也能获得网状的路由器级拓扑结构。基于网络层析成像的IP网络路由器作为主要的网络通信设备，具有节点安全稳定、积极响应测量工具发送的探测包、准确识别出路由器级拓扑等一系列优点。采用传统匿名路由器识别和网络层析成像相结合，把网络层析成像估计所得的树状拓扑作为约束进行匿名路由器进行识别，进而构建较为完善的路由器级拓扑结构是未来的发展方向。

[1]田慧,裴昌幸.网络拓扑发现综述与展望[J].电信快报,2002.

[2]李勇军,蔡皖东,王伟.基于端到端链路利用的网络拓扑发现算法研究[J],系统仿真学报,2006.

[3]李贵山,蔡皖东.基于网络断层扫描技术的网络拓扑推测方法研究[J],计算机应用研究2008.

[4]赵涛,蔡皖东,李慧贤.基于汉明距离的传感器网络分层拓扑发现算法[J],华中科技大学学报(自然科学版), 2008.

[5]B.Eriksson, G.Dasarathy.Toward the Practical Use of Network Tomography for InternetTopology Discovery[C], in proceeding of IEEE INFOCOM 2010.