一種自治系統(tǒng)級網(wǎng)絡拓撲識別方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于網(wǎng)絡拓撲技術領域，具體涉及一種自治系統(tǒng)級網(wǎng)絡拓撲識別方法的設 計。
【背景技術】
[0002] 在如今這樣一個信息技術高速發(fā)展的時代，網(wǎng)絡早已滲透于當今社會各行各業(yè)， 并且深深地影響與改變著人們的生活，人們也逐漸有意識地想要對網(wǎng)絡拓撲結構進行識別 與分析。作為實踐與理論網(wǎng)絡研究的基石，互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲分析和建模在如今越來越引 起更廣泛的關注。網(wǎng)絡流量特性、安全特性、性能特性，應用、路由程序和協(xié)議性能評價、網(wǎng) 絡在遭遇攻擊時的健壯性等，都有網(wǎng)絡的拓撲結構決定。所以，學者們都更傾向于研究各 種網(wǎng)絡識別技術從而捕獲網(wǎng)絡拓撲結構，并且希望可以從真實的數(shù)據(jù)中獲取真實的網(wǎng)絡拓 撲。
[0003] 依據(jù)網(wǎng)絡的定義可以將網(wǎng)絡拓撲劃分為三個層次：基于網(wǎng)絡層、基于鏈路層以及 Overlay網(wǎng)絡拓撲。在這三類網(wǎng)絡拓撲中，對網(wǎng)絡層的網(wǎng)絡拓撲研究最多，所以現(xiàn)在已經(jīng)有 很多的研究均是對網(wǎng)絡層的拓撲進行分析與研究。
[0004] 根據(jù)網(wǎng)絡層的實體，可以將網(wǎng)絡拓撲分為四個層次：AS級（自治系統(tǒng)級）、IP級、 PoP(Point of Presence)級、路由器級，由于其構成元素不同，測量方法也有所區(qū)別。而 本專利主要研究的是AS (Autonomous System)級網(wǎng)絡拓撲識別。所謂AS (Autonomous System)，即自治系統(tǒng)，一個自治系統(tǒng)由許多路由器組成，這些路由器有相同的自治系統(tǒng)號 (ASN)，每個路由器有兩個以上的接口，每個接口分配不同的IP地址，該層次結構如圖1所 示。一個自治系統(tǒng)是一個有權自主地決定在本系統(tǒng)中應采用何種路由協(xié)議的小型單位。所 謂的AS級拓撲，指各個自治系統(tǒng)之間的連接關系。AS級（自治系統(tǒng)級）拓撲的測量和分析 是一項關于互聯(lián)網(wǎng)絡的基礎研究，其測量目的在于尋找包含Internet結構信息的圖并探 索其內(nèi)在規(guī)律，從而預測網(wǎng)絡結構與技術、政策、經(jīng)濟之間的互動。
[0005] 網(wǎng)絡拓撲測量是各個網(wǎng)絡行為研究的基礎，具有相當重要的作用，其主要意義在 于：
[0006] (1)網(wǎng)絡拓撲的結構是網(wǎng)絡路由協(xié)議和網(wǎng)絡算法設計的基石，高效的網(wǎng)絡協(xié)議的 設計必須考慮整個底層網(wǎng)絡拓撲的特性；
[0007] (2)網(wǎng)絡中的各種仿真恤建立網(wǎng)絡拓撲的模型來擬合實際的網(wǎng)絡拓撲結構，所以 研究網(wǎng)絡拓撲結構能為仿真環(huán)境的建立提供更堅實的理論基礎；
[0008] (3)對網(wǎng)絡拓撲結構的了解能夠對網(wǎng)絡中的各個行為進行良好的預測和檢測；
[0009] (4)網(wǎng)絡拓撲結構對于網(wǎng)絡的安全特性和抗攻擊能力的研究具有重要價值；
[0010] (5)網(wǎng)絡拓撲結構識別對于網(wǎng)絡安全特性以及對抗網(wǎng)絡外界攻擊能力的研究具有 非常重要的價值。
[0011] 綜上所述，網(wǎng)絡拓撲測量是一項意義重大的研究工作，而隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的不斷 擴大，拓撲結構越來越復雜，如何獲得一個完整而準確的全球互聯(lián)網(wǎng)拓撲成為了一個異常 艱巨的任務。
[0012] 1、基于Traceroute路由信息收集的主動測量
[0013] 在UNIX中的Traceroute，及Windows中的Tracert程序，都是用來追蹤一個分組 從源點到終點的路徑。這個程序很巧妙地使用了兩個ICMP報文（超時報文和終點不可達 報文）來找出一個分組的路由，它是應用級的程序，使用UDP服務。
[0014] 圖2可以說明程序Traceroute的工作原理。給出了這個拓撲，就可以知道分組從 主機A到主機B要經(jīng)過路由器R1和R2,但是在大多數(shù)時間，實際是不知道拓撲的。在A和 B之間可能會有很多路由器。Traceroute使用ICMP報文和IP分組的生存時間（TTL)字段 就可以找到這一條路由。
[0015] Traceroute使用以下步驟找到路由器R1的地址和主機A到路由器R1之間的往返 時間。
[0016] (1)主機A的程序Traceroute使用UDP向終點B發(fā)送一個分組，這個報文被封裝 成IP分組，其TTL為1，這個程序記錄該分組的發(fā)送時間；
[0017] (2)路由器R1收到這個分組，把TTL值減到0,路由器R1丟棄這個分組；但是路由 器R1要發(fā)送一個超時ICMP報文（類型：11，代碼：0)，表示TTL值為0而該分組被丟棄；
[0018] (3)主機A的程序Traceroute收到這個ICMP報文，利用封裝ICMP的IP分組的源 地址找到路由器R1的地址，這個程序記錄下該分組的到達時間；步驟（1)的時間和這個時 間之差就是往返時間。
[0019] Traceroute重復步驟（1)到（3)三次，以便得到往返時間更好的平均值。第一個 往返時間可能會比第二或第三個大得多，因為程序ARP找到路由器R1的物理地址需要花費 時間，對于第二和第三個往返時間，ARP可使用高速緩存中的地址。
[0020] Traceroute重復前面的步驟找出路由器R1的地址，以及主機A和路由器R2之間 的往返時間。但是，這一步設置TTL為2,因此路由器R1轉發(fā)這個報文，而路由器R2丟棄 它，并發(fā)送ICMP超時報文。
[0021] 重復前面的步驟找到主機B的地址，以及主機A和主機B之間的往返時間。當主 機B收到這個分組時，就把TTL值減1，但并不丟棄這個報文，因為現(xiàn)在報文以及到達了它 最后的終點。此時Traceroute采用另一種策略將ICMP報文發(fā)回給主機A，UDP的目的端 口被設置為UDP協(xié)議不支持的一個端口，但主機B收到這個分組時，它找不到可以接收交付 的應用程序，于是它丟棄了這個分組，并向主機A發(fā)送一個ICMP終點不可達報文（類型： 3,代碼：3)，因為路由器不檢查UDP是否接收，所以路由器R1和R2中并沒有發(fā)生此情況。 Traceroute記錄了到達的IP數(shù)據(jù)報的目的地址，并記下往返時間，收到代碼為3的終點不 可達報文就表示整個路由已經(jīng)找到，就不會再發(fā)送更多的分組。
[0022] 2、基于BGP的被動測量
[0023] 邊界網(wǎng)關協(xié)議（BGP)是一個使用路徑向量路由選擇的域間路由選擇協(xié)議，是唯 一一個用來處理Internet大小的網(wǎng)絡協(xié)議，主要用以和自治系統(tǒng)之間交換可達信息和路 由信息。BGP的主要功能是和其他的BGP系統(tǒng)交換網(wǎng)絡可達信息，網(wǎng)絡可達信息包括列出的 自治系統(tǒng)（AS)的信息。這些信息有效地構造了 AS互聯(lián)的拓撲圖并由此清除了路由環(huán)路， 同時在AS級別上可實施策略決策。
[0024] BGP的主旨是提供一種域間路由選擇系統(tǒng)，確保自治系統(tǒng)能夠無環(huán)地交換路由選 擇信息，BGP路由器交換有關前往目標網(wǎng)絡的路徑信息，它是一種基于策略的路由選擇協(xié) 議，BGP在確定最佳路徑時考慮的不是速度，而是讓AS能夠根據(jù)多種BGP屬性來控制數(shù)據(jù) 流的傳輸。
[0025] 每個BGP會話通過不斷向BGP鄰居發(fā)送BGP更新消息來建立AS路徑，每一個BGP 路由更新消息都有一個長度可變的路徑屬性序列（屬性類型，屬性長度，屬性值），第一個 比特如果為0,則屬于公認屬性，如果是1，則屬于任選屬性，第二個比特0表示不可傳遞，1 表示可傳遞。公認屬性總是可傳遞的，屬性標志域中的第三個比特指示任選可傳遞屬性中 的信息是部分的（值為1)還是完整的（值為0)，第四個比特確定該屬性長度是1字節(jié)還是 2字節(jié)，標志域其他4個比特總為0,屬性類型代碼字節(jié)含有屬性代碼。
[0026] BGP路由表的格式和內(nèi)容如下：
[0028] 現(xiàn)有的自治系統(tǒng)級的網(wǎng)絡拓撲識別主要是依靠基于BGP路由信息收集的方法，通 過提取BGP路由表中的關于AS路徑屬性信息從而得到各個AS之間的連接關系，進一步獲 得相應的AS級網(wǎng)絡拓撲。但是在實際應用中，為了獲取全球性的完整的自治系統(tǒng)級網(wǎng)絡拓 撲結構，由于BGP本身的缺陷，其看待問題的視角具有局限性，有BGP提供的信息是控制層 信息，根據(jù)它的路由策略，它反映在BGP路由層面上期望數(shù)據(jù)經(jīng)過的鏈路，所以收集BGP路 由表的數(shù)據(jù)收集器一般是在網(wǎng)絡中比較上層的位置，這就導致無法發(fā)現(xiàn)更多下層的連接， 使得許多下層的網(wǎng)絡連接無法識別。有國際上的學者提出用IRR的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)來補充BGP 路由信息得到的AS拓撲數(shù)據(jù)，該方法的最大優(yōu)點是易于操作，不需要很復雜的數(shù)據(jù)融合過 程，但是由于IRR這一數(shù)據(jù)庫更新速度較慢，得到的數(shù)據(jù)都不是實時的數(shù)據(jù)，不能滿足得到 全球實時網(wǎng)絡拓撲的需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0029] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術中基于BGP路由信息收集的網(wǎng)絡拓撲識別方 法由于BGP本身的缺陷，其看待問題的視角具有局限性，導致無法發(fā)現(xiàn)更多下層的連接，使 得許多下層的網(wǎng)絡連接無法識別的問題，提出了一種自治系統(tǒng)級網(wǎng)絡拓撲識別方法。
[0030] 本發(fā)明的技術方案為：一種自治系統(tǒng)級網(wǎng)絡拓撲識別方法，包括以下步驟：
[0031] S1、測量得到全球Traceroute的IP路徑數(shù)據(jù)；
[0032] S2、將Traceroute的IP路徑數(shù)據(jù)映射為AS路徑數(shù)據(jù)；
[0033] S3、收集全球BGP數(shù)據(jù)收集器的AS路徑數(shù)據(jù)；
[0034] S4、將Traceroute的AS路徑數(shù)據(jù)與BGP的AS路徑數(shù)據(jù)進行對比與合并，得到完 整的AS級網(wǎng)絡拓撲。
[0035] 進一步地，步驟S2包括以下分步驟：
[0036] S21、進行數(shù)據(jù)收集；
[0037] S22、計算IP-to-AS的最佳匹配方式；
[0038] S23、修正IP-to-AS的匹配方式；
[0039] S24、建立 IP-to-AS 映射表。
[0040] 進一步地，步驟S21包括收集BGP路由表信息以及BGP和Traceroute兩種數(shù)據(jù)源 同屬一個AS的連接信息。
[0041] 進一步地，步驟S4中將Traceroute的AS路徑數(shù)據(jù)與BGP的AS路徑數(shù)據(jù)進行對 比與合并時，相同的AS路徑數(shù)據(jù)以BGP的AS路徑數(shù)據(jù)為準。
[0042] 本