网络实体IP地理定位方法研究

摘要

网络实体IP地理定位是指确定一个具有IP标识的网络目标节点在某个粒度层次的地理位置。开展IP定位方法的研究，推进IP定位技术的实用化，对定向广告、云服务持续性和监管、敏感网络实体甄别、网络欺诈和攻击等非法行为的网络取证等应用的发展，具有重要的理论价值和现实意义。然而，由于网络实体标识如IP地址及自治系统号等多为逻辑层上的概念，本身不包含直接相关的地理信息，加之网络环境复杂、网络探测困难等原因，使得准确获取网络实体的地理位置信息是一个困难的问题。本文在给出网络实体定位技术三层体系架构和定位方法原理框架的基础上，着重对基于网络测量和网络坐标系统的定位方法中若干关键问题展开了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴网络实体定位研究进展与定位框架研究。介绍了网络实体IP地理定位技术的基本概念，从现实应用需求和存在的技术瓶颈等两个角度出发，阐述了IP定位技术研究的现实意义和理论价值；概要阐述了网络实体定位目前的研究现状、总结了存在的主要技术问题；在此基础上，基于网络实体定位的条件、涉及的主要技术和服务的需求，提出了一个包含探测层、映射层和绘制层的三层网络实体定位技术体系架构；给出一个包含地标获取、拓扑分析、定位算法和可视化等四部分的网络实体定位方法原理框架，并阐述了各部分间的关系。⑵基于网络测量的IP定位算法研究。针对现有典型区域级定位算法 CBG（Constraint-based Geolocation）在实际中难以满足时延与距离间存在线性关系的问题，提出了一种基于路径特征的区域级 IP定位算法；针对经典定位算法 SLG（Street-Level Geolocation）在较小区域内时延难以准确测量的问题，提出了一种基于最近共同路由器的目标IP位置估计算法；针对定位参照信息存在误差影响定位算法精度的问题，提出了一种误差容忍的IP定位算法。⑶基于网络实体间的路径较为稳定，同一探测源到位于一个区域内多个IP地址途径的中间路由器接口IP较为相似的特点，提出了一种基于路径特征的区域级IP定位算法。该算法首先依据目标IP的先验知识，找出目标IP的多个可能区域并将其作为目的区域，从地标库中选出目的区域内的地标，并通过网络探测获取从探测源到所选地标的路径；接着，依据所获取的从探测源到地标的路径信息，为目的区域计算区域网络路径特征；然后，获取从探测源到目标IP的路径，计算目标的路径特征；最后，依据目标的路径特征和目的区域特征，给出目标IP的定位区域。实验结果表明，该算法能够不依赖于时延给出目标IP的区域级定位结果。⑷针对SLG定位算法基于的最短相对时延对应最近距离规则失效问题，提出了一种基于最近共同路由器的目标IP位置估计算法。该算法首先对地标库中的地标和目标IP进行路径探测，结合拓扑分析找出地标与目标的最近共同路由器；接着，利用地标与最近共同路由器间的时延和地标位置，依据余弦定理计算地标和共同路由器间的时延与转换系数；然后，将地标视作探测源，定位该路由器的位置；最后，根据该路由器的位置并结合定位需求，估计目标IP的位置。算法分析和实验结果表明，与SLG定位算法相比，提出的算法可消除相对时延带来的累计误差，降低定位结果的平均误差和最大误差。⑸针对当地标或时延等参照信息等存在误差时，基于最近共同路由器的IP定位算法可能无法定位路由器的问题，提出了一种误差容忍的IP定位算法。该算法将时延、地标及链路等可能引入的误差视作是地标所在位置的偏差，即将部分累计误差都纳入到地标的偏离值；将以偏离值为半径，声称位置为圆心的圆作为地标的可能区域；在定位共同路由器时，按一定策略从上述区域中取一个采样点作为地标的位置，从而依据该地标与路由器间的时延确定路由器可能的区域；地标的一组采样位置，对应路由器所在的一组可能区域，可能区域的交集部分，作为地标该组采样点得到的定位区域；地标不同组位置采样得到的定位区域的并集，即为共同路由器所在的定位结果。⑹针对时延和相对时延易受网络负载及路由策略等影响而偏大，难以给出有效距离约束的问题，提出了一种基于网络坐标系统的IP定位算法。该算法利用探测源建立网络坐标系统，计算地标在该坐标系统中的位置，再依据地标在坐标系统和地理空间的位置，计算小范围内预测时延与距离间的转换关系，最后依据部分地标与目标间的相对时延，计算目标IP在网络坐标系统中的位置，并采用预测时延估计目标IP与地标间的距离约束，从而给出定位结果。算法分析和验证结果表明，网络坐标系统能够用于IP定位，且与基于直接测量时延的定位算法相比较，网络坐标系统可消除部分实测时延中的误差，从而使得利用预测时延能够给出更为有效的定位结果。⑺针对经典网络坐标系统构建方法随机选取邻居节点可能引入较大误差的问题，提出了一种基于最优邻居节点选取的网络坐标系统构建算法。该算法认为当邻居节点对已知节点能够取得较好的预测时延时，则该邻居节点对于未知节点也可以较小的误差得到其在坐标系统中的位置，首先采用随机选取邻居节点策略为已知节点建立网络坐标系统，并计算不同邻居节点对应的预测时延；依据预测时延和实测时延，计算网络坐标系统的相对误差；最后，选取相对误差最小的邻居节点作为最优邻居节点；依据最优邻居节点，将未知节点加入网络坐标系统。实验结果表明，与随机选取相比，依据提出的算法建立网络坐标系统，能够提高预测时延的准确性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1 .3 IP定位技术中存在的主要问题

1.4 本文主要工作

第二章 网络实体IP地理定位技术框架

2.1 问题描述

2.2 定位技术体系架构

2.3 定位方法原理框架

2.4 本章小结

第三章 基于路径特征的目标IP区域估计

3.1 问题描述

3 .2 基于路径特征的IP定位算法

3.3算法分析

3.4实验结果与分析

3.5本章小节

第四章 基于最近共同路由器的目标IP地理位置估计

4.1 问题描述

4.2 基于最近共同路由器的定位算法

4.3 时延与距离转换系数的获取

4.4 最近共同路由器的定位

4.5 算法分析

4.6 实验结果与分析

4.7 本章小节

第五章 误差容忍的目标IP地理位置估计

5.1 问题描述

5 . 2 误差容忍的IP定位算法

5.3 算法分析

5.4 本章小节

第六章 基于网络坐标系统的目标IP定位

6.1 问题描述

6.2 基于网络坐标系统的定位算法

6.3 算法分析

6.4 实例验证

6.5 本章小节

第七章 基于最优邻居节点选择的网络坐标系统构建

7.1 问题描述

7.2 最优邻居节点选取算法

7.3 IP定位系统中的节点选取

7.4 实验结果与分析

7.5 本章小节

总结与展望

一、论文总结

二、下一步研究展望

致谢

参考文献

附录A

附录B

附录C

作者简历