網(wǎng)絡(luò)實體IP地理定位方法研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)實體IP地理定位是指確定一個具有IP標識的網(wǎng)絡(luò)目標節(jié)點在某個粒度層次的地理位置。開展IP定位方法的研究，推進IP定位技術(shù)的實用化，對定向廣告、云服務(wù)持續(xù)性和監(jiān)管、敏感網(wǎng)絡(luò)實體甄別、網(wǎng)絡(luò)欺詐和攻擊等非法行為的網(wǎng)絡(luò)取證等應(yīng)用的發(fā)展，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。然而，由于網(wǎng)絡(luò)實體標識如IP地址及自治系統(tǒng)號等多為邏輯層上的概念，本身不包含直接相關(guān)的地理信息，加之網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復雜、網(wǎng)絡(luò)探測困難等原因，使得準確獲取網(wǎng)絡(luò)實體的地理位置信息是一個困難

2、的問題。本文在給出網(wǎng)絡(luò)實體定位技術(shù)三層體系架構(gòu)和定位方法原理框架的基礎(chǔ)上，著重對基于網(wǎng)絡(luò)測量和網(wǎng)絡(luò)坐標系統(tǒng)的定位方法中若干關(guān)鍵問題展開了研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴網(wǎng)絡(luò)實體定位研究進展與定位框架研究。介紹了網(wǎng)絡(luò)實體IP地理定位技術(shù)的基本概念，從現(xiàn)實應(yīng)用需求和存在的技術(shù)瓶頸等兩個角度出發(fā)，闡述了IP定位技術(shù)研究的現(xiàn)實意義和理論價值；概要闡述了網(wǎng)絡(luò)實體定位目前的研究現(xiàn)狀、總結(jié)了存在的主要技術(shù)問題；在此基礎(chǔ)上，基于網(wǎng)絡(luò)實體定位的條

3、件、涉及的主要技術(shù)和服務(wù)的需求，提出了一個包含探測層、映射層和繪制層的三層網(wǎng)絡(luò)實體定位技術(shù)體系架構(gòu)；給出一個包含地標獲取、拓撲分析、定位算法和可視化等四部分的網(wǎng)絡(luò)實體定位方法原理框架，并闡述了各部分間的關(guān)系。⑵基于網(wǎng)絡(luò)測量的IP定位算法研究。針對現(xiàn)有典型區(qū)域級定位算法 CBG（Constraint-based Geolocation）在實際中難以滿足時延與距離間存在線性關(guān)系的問題，提出了一種基于路徑特征的區(qū)域級 IP定位算法；針對經(jīng)典定

4、位算法 SLG（Street-Level Geolocation）在較小區(qū)域內(nèi)時延難以準確測量的問題，提出了一種基于最近共同路由器的目標IP位置估計算法；針對定位參照信息存在誤差影響定位算法精度的問題，提出了一種誤差容忍的IP定位算法。⑶基于網(wǎng)絡(luò)實體間的路徑較為穩(wěn)定，同一探測源到位于一個區(qū)域內(nèi)多個IP地址途徑的中間路由器接口IP較為相似的特點，提出了一種基于路徑特征的區(qū)域級IP定位算法。該算法首先依據(jù)目標IP的先驗知識，找出目標IP的多

5、個可能區(qū)域并將其作為目的區(qū)域，從地標庫中選出目的區(qū)域內(nèi)的地標，并通過網(wǎng)絡(luò)探測獲取從探測源到所選地標的路徑；接著，依據(jù)所獲取的從探測源到地標的路徑信息，為目的區(qū)域計算區(qū)域網(wǎng)絡(luò)路徑特征；然后，獲取從探測源到目標IP的路徑，計算目標的路徑特征；最后，依據(jù)目標的路徑特征和目的區(qū)域特征，給出目標IP的定位區(qū)域。實驗結(jié)果表明，該算法能夠不依賴于時延給出目標IP的區(qū)域級定位結(jié)果。⑷針對SLG定位算法基于的最短相對時延對應(yīng)最近距離規(guī)則失效問題，提出了一

6、種基于最近共同路由器的目標IP位置估計算法。該算法首先對地標庫中的地標和目標IP進行路徑探測，結(jié)合拓撲分析找出地標與目標的最近共同路由器；接著，利用地標與最近共同路由器間的時延和地標位置，依據(jù)余弦定理計算地標和共同路由器間的時延與轉(zhuǎn)換系數(shù)；然后，將地標視作探測源，定位該路由器的位置；最后，根據(jù)該路由器的位置并結(jié)合定位需求，估計目標IP的位置。算法分析和實驗結(jié)果表明，與SLG定位算法相比，提出的算法可消除相對時延帶來的累計誤差，降低定位結(jié)

7、果的平均誤差和最大誤差。⑸針對當?shù)貥嘶驎r延等參照信息等存在誤差時，基于最近共同路由器的IP定位算法可能無法定位路由器的問題，提出了一種誤差容忍的IP定位算法。該算法將時延、地標及鏈路等可能引入的誤差視作是地標所在位置的偏差，即將部分累計誤差都納入到地標的偏離值；將以偏離值為半徑，聲稱位置為圓心的圓作為地標的可能區(qū)域；在定位共同路由器時，按一定策略從上述區(qū)域中取一個采樣點作為地標的位置，從而依據(jù)該地標與路由器間的時延確定路由器可能的區(qū)域；

8、地標的一組采樣位置，對應(yīng)路由器所在的一組可能區(qū)域，可能區(qū)域的交集部分，作為地標該組采樣點得到的定位區(qū)域；地標不同組位置采樣得到的定位區(qū)域的并集，即為共同路由器所在的定位結(jié)果。⑹針對時延和相對時延易受網(wǎng)絡(luò)負載及路由策略等影響而偏大，難以給出有效距離約束的問題，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)坐標系統(tǒng)的IP定位算法。該算法利用探測源建立網(wǎng)絡(luò)坐標系統(tǒng)，計算地標在該坐標系統(tǒng)中的位置，再依據(jù)地標在坐標系統(tǒng)和地理空間的位置，計算小范圍內(nèi)預測時延與距離間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

9、，最后依據(jù)部分地標與目標間的相對時延，計算目標IP在網(wǎng)絡(luò)坐標系統(tǒng)中的位置，并采用預測時延估計目標IP與地標間的距離約束，從而給出定位結(jié)果。算法分析和驗證結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)坐標系統(tǒng)能夠用于IP定位，且與基于直接測量時延的定位算法相比較，網(wǎng)絡(luò)坐標系統(tǒng)可消除部分實測時延中的誤差，從而使得利用預測時延能夠給出更為有效的定位結(jié)果。⑺針對經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)坐標系統(tǒng)構(gòu)建方法隨機選取鄰居節(jié)點可能引入較大誤差的問題，提出了一種基于最優(yōu)鄰居節(jié)點選取的網(wǎng)絡(luò)坐標系統(tǒng)構(gòu)建算法

10、。該算法認為當鄰居節(jié)點對已知節(jié)點能夠取得較好的預測時延時，則該鄰居節(jié)點對于未知節(jié)點也可以較小的誤差得到其在坐標系統(tǒng)中的位置，首先采用隨機選取鄰居節(jié)點策略為已知節(jié)點建立網(wǎng)絡(luò)坐標系統(tǒng)，并計算不同鄰居節(jié)點對應(yīng)的預測時延；依據(jù)預測時延和實測時延，計算網(wǎng)絡(luò)坐標系統(tǒng)的相對誤差；最后，選取相對誤差最小的鄰居節(jié)點作為最優(yōu)鄰居節(jié)點；依據(jù)最優(yōu)鄰居節(jié)點，將未知節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)坐標系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，與隨機選取相比，依據(jù)提出的算法建立網(wǎng)絡(luò)坐標系統(tǒng)，能夠提高預測時延