采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法及相关拓扑

摘要

采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法及相关拓扑，已有技术的探测报文易被识别为攻击行为而被过滤，破坏了拓扑测量的完整性。本发明的方法包括：确定一个以一组网际协议IP地址块表示的测量范围，并从该测量范围内选取一组路由器接口的IP地址作为测量目标地址集合；针对目标地址集合中每个IP地址，填充封装网际组管理协议IGMP邻居请求类型报文的IP探测报文，然后发出该探测报文；在给定时间内收到响应报文，则根据响应报文类型实施对响应报文的处理；在给定时间内没有收到响应报文，则实施等待时间超时处理；根据测量得到的IP连接以及别名信息，可构造IP级或路由器级网络拓扑图。本发明用于IP网络中抗过滤的测量方法。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法及相关的IP级拓扑和路由器级拓扑。

背景技术：

传统的测量网际协议IP连接和网络拓扑方法主要是采用traceroute机制的测量方法，首先，从测量源点S向某个测量目标D发出TTL＝1的探测报文，收到返回的ICMP超时报文，或者等待预先给定的时间t₀(例如5秒)后，再发出TTL＝2的报文，依此类推，直到收到探测目标返回的表明到达目标的报文，或者TTL增长到预先给定阈值(例如30)。这时针对测量目标D的路径探测过程结束。根据依次返回的报文中所包含的源IP地址，从而得到从测量源点S到测量目标D的IP连接和拓扑路径，然后可以根据图论理论构造IP即拓扑或路由器级拓扑。传统上，单纯采用traceroute机制探测时，容易被检测出测量路径的行为或多点测量时被认为是拒绝服务攻击行为而被过滤，同时，该机制受路由器报文级per packet负载平衡影响，从而破坏了路径和拓扑测量的完整性和准确性。

网际组管理协议IGMP主要是用于多播组管理的协议，它可以与距离向量多播路由协议DVMRP以及协议独立多播PIM路由协议相互作用，专门定义了在网际协议IP数据报中封装IGMP邻居询问和邻居应答报文的类型和代码，主要是用来对多播骨干网Mbone进行检测和调试。本发明将该功能应用于网际层连接和拓扑的测量，并将其与traceroute机制测量方法相结合，提高IP连接和拓扑测量的完整性和准确性。

此外，现有基于traceroute机制测量方法在生成路由器级拓扑图时，主要是基于UDP报文进行别名探测，或者结合IP报文标识符IP_ID以及测量路径进行分析的方法，得到的别名信息不完全或不准确，从而影响网际层路由器级拓扑图的准确性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法及相关拓扑。这种测量方法发送具有特定类型和代码的网际组管理协议IGMP邻居询问报文作为探测报文时，不受路由器流量负载平衡机制的影响，以及将其与traceroute机制测量方法相结合，提高网际层连接和拓扑测量的完全性和准确性。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法，所述的测量方法包括以下步骤：

步骤1，确定一个以一组网际协议IP地址块表示的测量范围IP_blocks；

步骤2，在所确定的测量范围内，选取一组路由器接口的网际协议IP地址作为测量目标地址集合Set_of_dest；

步骤3，测量目标地址集合Set_of_dest为空集时，停止探测；测量目标地址集合Set_of_dest不为空集时，针对测量目标地址集合Set_of_dest中的一个IP地址D，填充封装网际组管理协议IGMP邻居请求类型报文的网际协议IP探测报文，然后发出该探测报文；

步骤4，在给定时间内收到响应报文，根据响应报文类型实施对响应报文的处理；在给定时间内没有收到响应报文，则实施等待时间超时处理。

所述的采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法，所述的确定一个以一组网际协议IP地址块表示的测量范围IP_blocks，是指所确定的测量范围IP_blocks是以一组网际协议IP地址块IP_blocks表示的一个物理网络区域或是一个逻辑网络区域；每个地址块以网络前缀形式，或IP地址范围形式表示。

所述的采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法，所述的在所确定的测量范围内，选取一组路由器接口的网际协议IP地址作为测量目标地址集合Set_of_dest，是指测量目标地址集合Set_of_dest或者是通过选取一组已知的路由器接口的网际协议IP地址所组成；或者是通过先选取一组IP地址作为目标地址，然后采用traceroute机制的IP路径测量方法对选取的这些目标地址进行测量得到一组IP路径，再从这些IP路径中选取部分或全部中间跳、且中间跳在测量范围IP_blocks内的全局IP地址，组成测量目标地址集合Set_of_dest；进行周期性测量时，采用前一轮测量得到的路由器接口的IP地址构成下一轮的测量目标地址集合Set_of_dest。

所述的采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法，所述的针对测量目标地址集合Set_of_dest中的一个IP地址D，填充封装网际组管理协议IGMP邻居请求类型报文的网际协议IP探测报文，然后发出该探测报文，是指在填充封装网际组管理协议IGMP邻居请求类型报文时，网际组管理协议IGMP报文的类型Type字段填写为十进制19，表明是与距离向量多播路由协议DVMRP以及协议独立多播PIM路由协议相互作用；紧随其后的一个字节Octet代码Code字段填写为5或3，表明是邻居询问Ask Neighbors类型报文；封装该IGMP报文的网际协议IP报文首部中的协议号Protocol字段填写为2，表明封装的是网际组管理协议IGMP报文；生存时间TTL字段填写为一个大于1的正整数；其它字段按照协议规定填写。

所述的采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法，所述的在给定时间内收到响应报文则根据响应报文类型实施对响应报文的处理是，测量目标地址所在的路由器称为目标路由器：

a该响应报文是网际组管理协议IGMP邻居应答Neighbors类型报文，包含有目标路由器接口地址及其邻居地址，则从响应报文中根据每个本地地址Local Addr及其后的邻居地址Neighbors，构成一组IP连接，统称为IGMP_IP连接，并将该响应报文中全部全局global地址的本地地址Local Addr构成一个别名alias集合，将有响应的目标地址从测量目标地址集合Set_of_dest删除，将该响应报文中每个在所确定的测量范围IP_blocks内的、同时是全局IP地址的邻居地址Neighbors添加到测量目标地址集合Set_of_dest，以便进行递归测量，然后转权利要求1中的步骤3对测量目标地址集合Set_of_dest中的另一个目标地址继续探测；

b该响应报文是ICMP不可达类型报文，或者是其它不包含目标路由器接口地址及其邻居地址的报文，则将有响应的目标地址从测量目标地址集合Set_of_dest删除，然后转权利要求1中的步骤3对测量目标地址集合Set_of_dest中的另一个目标地址继续探测。

所述的在给定时间内没有收到响应报文则实施等待时间超时处理是：针对同一目标地址D的探测次数不超过预先给定的正整数阈值Kt时，则转权利要求1中的步骤3对该目标地址D继续探测；针对同一目标地址D的探测次数超过预先给定的正整数阈值Kt时，将该目标地址D从测量目标地址集合Set_of_dest删除，然后转权利要求1中的步骤3对测量目标地址集合Set_of_dest中的另一个目标地址继续探测。

一种所述的采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法的IP级网络拓扑，根据测量得到的网际协议IP连接构造网际协议IP级网络拓扑图，将IP地址作为结点，将IP连接作为边；采用了traceroute机制的IP路径测量方法测量得到一组IP路径时，则在IP路径中相邻两跳的全局IP地址构成一个IP连接，统称为traceroute_IP连接；在构造IP级网络拓扑图时，采用IGMP报文测量得到的IGMP_IP连接不是隧道tunnel类型或源路由Source Route类型连接时，则优先选择IGMP_IP连接为边；采用IGMP报文测量得到的IGMP_IP连接是隧道tunnel类型或源路由Source Route类型连接时，则优先选择traceroute_IP连接为边；没有采用traeeroute机制测量方法时，则以IGMP_IP连接为边。

一种所述的采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法的路由器级拓扑，构造路由器级拓扑图时，根据测量得到的网际协议IP连接以及权利要求1的步骤4处理过程中得到的别名alias集合，从每个别名alias集合中选取一个IP地址代表该路由器结点，将相应的IP连接作为边构造路由器级网络拓扑图。

本发明有益效果：

1、本发明的方法不同于已有的基于traceroute机制测量网际层连接和拓扑的方法，而是一种通过构造和发送封装IGMP邻居询问报文的IP报文进行网际层连接和拓扑测量的方法，即，将原本用于对多播骨干网Mbone进行检测和调试、可以与距离向量多播路由协议DVMRP以及协议独立多播PIM路由协议相互作用的IGMP邻居询问报文，应用于网际层拓扑测量，一方面显著降低了所需探测报文的数量，从而显著减少了对网络带宽的占用，同时不会被识别为攻击行为；另一方面，对IGMP邻居询问探测报文进行响应的IGMP邻居应答报文中包含有详尽的目标路由器接口的IP连接信息，能够显著提高相应区域网络拓扑测量的完全性；同时，本方法进一步扩展了网际层拓扑测量方法的测量空间。这些特征保证了本方法具有新颖性、创造性和实用性，具体实施方式也表明本方法切实可行。

2、本发明的方法不同于单纯采用基于traceroute机制测量网际层连接和拓扑的方法，而是一种可以与traceroute机制测量相结合的测量方法，在确定测量范围IP_blocks之后，先选取一组IP地址作为目标地址，然后采用traceroute机制的IP路径测量方法对选取的这些目标地址进行测量得到一组IP路径，再从这些IP路径中选取部分或全部中间跳、且中间跳在测量范围IP_blocks内的全局IP地址，组成测量目标地址集合Set_of_dest，从而避免因初始测量目标地址集合组成不当而影响测量过程的有效进行和测量效果。这些特征保证了本方法具有新颖性、创造性和实用性，具体实施方式也表明本方法切实可行。

3、本发明的方法一方面发送具有特定类型和代码的网际组管理协议IGMP邻居询问报文作为探测报文时，不受路由器报文级per packet负载平衡机制的影响，这是目前traceroute机制测量方法所不具有的特点；另一方面，与traceroute机制测量方法相结合构造网络拓扑图时，当采用IGMP报文测量得到的IP连接不是隧道tunnel类型或源路由Source Route类型连接时，则优先选择IGMP报文测量得到的IP连接为边。上述方法是与traceroute机制测量方法相结合时的一种处理方法，进一步提高网络拓扑测量的准确性和完全性。这些特征保证了本方法具有新颖性、创造性和实用性，具体实施方式也表明本方法切实可行。

4、本发明的方法在获得的相应IGMP邻居应答报文中包含有详尽的目标路由器接口的IP连接信息，因此能够得到相应目标路由器的接口及IP地址情况，由此构成别名alias集合，显著提高了相应别名alias信息的完全性和准确性，有效提高别名解析程度，从而提高路由器级拓扑测量的准确性。这些特征保证了本方法具有新颖性、创造性和实用性，具体实施方式也表明本方法切实可行。

5、本发明的方法首先确定一个以一组网际协议IP地址块表示的测量范围IP_blocks，使后续测量过程反映的是该测量范围内的网际层连接和拓扑，避免因不确定测量范围而选取目标地址进行测量时得到的网际层连接和拓扑不具有代表性。这些特征保证了本方法具有新颖性、创造性和实用性，具体实施方式也表明本方法切实可行。

本发明的具体实施方式：

实施例1：

一种采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法及相关拓扑，确定一个因特网服务供应商ISP的网络为测量范围IP_blocks，以网络前缀形式或IP地址范围形式表示该ISP所拥有的每个IP地址块：从该测量范围IP_blocks的每个桩stub网络中随机选取一组目标地址，然后采用traceroute机制的IP路径测量方法对选取的这些目标地址进行测量得到一组IP路径，再从这些IP路径中选取部分或全部中间跳、且中间跳在测量范围IP_blocks内的全局IP地址，组成测量目标地址集合Set_of_dest；周期性测量时，采用前一轮测量得到的路由器接口的IP地址构成下一轮的测量目标地址集合Set_of_dest；

如果测量目标地址集合Set_of_dest为空集，则停止探测；否则，针对测量目标地址集合Set_of_dest中的一个IP地址D，填充封装网际组管理协议IGMP邻居请求类型报文的网际协议IP探测报文，网际组管理协议IGMP报文的类型Type字段填写为十进制19，表明是与距离向量多播路由协议DVMRP以及协议独立多播PIM路由协议相互作用；紧随其后的一个字节Octet代码Code字段填写为5或3，表明是邻居询问Ask Neighbors类型报文；次版本Minor Version字段填写为255；主版本Major Version字段填写为3；封装该IGMP报文的网际协议IP报文首部中的协议号Protocol字段填写为2，表明封装的是网际组管理协议IGMP报文；网际协议IP报文首部中的服务类型ToS字段填写为192；生存时间TTL字段填写为一个大于1的正整数；其它字段按照协议规定填写；然后发出该探测报文；

在给定时间内如果收到响应报文是网际组管理协议IGMP邻居应答Neighbors类型报文，包含有目标路由器接口地址及其邻居地址，则从响应报文中根据每个本地地址Local Addr及其后的邻居地址Neighbors，构成一组IP连接，统称为IGMP_IP连接，并将该响应报文中全部全局global地址的本地地址Local Addr构成一个别名alias集合，将有响应的目标地址从测量目标地址集合Set_of_dest删除，将该响应报文中每个在所确定的测量范围IP_blocks内的、同时是全局IP地址的邻居地址Neighbors添加到测量目标地址集合Set_of_dest，以便进行递归测量，然后转权利要求1中的步骤3对测量目标地址集合Set_of_dest中的另一个目标地址继续探测；

在给定时间内如果收到响应报文是ICMP不可达类型报文，或者是其它不包含目标路由器接口地址及其邻居地址的报文，则将有响应的目标地址从测量目标地址集合Set_of_dest删除，然后转权利要求1中的步骤3对测量目标地址集合Set_of_dest中的另一个目标地址继续探测；

在给定时间内没有收到响应报文，如果针对同一目标地址D的探测次数不超过预先给定的正整数阈值Kt，例如Kt＝2，则转权利要求1中的步骤3对该目标地址D继续探测；如果针对同一目标地址D的探测次数超过预先给定的正整数阈值Kt，将该目标地址D从测量目标地址集合Set_of_dest删除，然后转权利要求1中的步骤3对测量目标地址集合Set_of_dest中的另一个目标地址继续探测；

构造网际协议IP级拓扑图，根据测量得到的网际协议IP连接，将IP地址作为结点，将IP连接作为边；若采用了traceroute机制的IP路径测量方法测量得到一组IP路径，则如果采用IGMP报文测量得到的IP连接不是隧道tunnel类型或源路由Source Route类型连接，则优先选择IGMP_IP连接为边；如果采用IGMP报文测量得到的IP连接是tunnel类型或Source Route类型连接，则优先选择traceroute机制得到的IP连接为边；没有采用traceroute机制测量方法时，则以IGMP_IP连接为边；

如果构造路由器级拓扑图，则根据测量得到的网际协议IP连接以及对IGMP邻居应答报文处理过程中得到的别名alias集合，从每个别名alias集合中选取一个IP地址代表该路由器结点，将相应的IP连接作为边构造路由器级网络拓扑图。

实施例2：

一种采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法及其拓扑，确定一个自治系统AS网络为测量范围IP_blocks，以网络前缀形式或IP地址范围形式表示该自治系统内的每个IP地址块：从该测量范围IP_blocks的每个桩stub网络中随机选取一组目标地址，然后采用traceroute机制的IP路径测量方法对选取的这些目标地址进行测量得到一组IP路径，再从这些IP路径中选取部分或全部中间跳、且中间跳在测量范围IP_blocks内的全局IP地址，组成测量目标地址集合Set_of_dest；周期性测量时，还可以采用前一轮测量得到的路由器接口的IP地址构成下一轮的测量目标地址集合Set_of_dest；

其它步骤与实施例1相同。

实施例3：

一种采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法及其拓扑，确定因特网为测量范围IP_blocks，以IP地址范围形式或网络前缀形式表示：从该测量范围IP_blocks中选取一组路由器接口的网际协议IP地址作为测量目标地址集合Set_of_dest；周期性测量时，采用前一轮测量得到的路由器接口的IP地址构成下一轮的测量目标地址集合Set_of_dest；

其它步骤与实施例1相同。

实施例4：

一种采用网际组管理协议报文的网际层连接测量法及其拓扑，确定一个城市内的网络为测量范围IP_blocks，以网络前缀形式或IP地址范围形式表示该城市内的每个IP地址块：从该测量范围IP_blocks中选取一组路由器接口的网际协议IP地址作为测量目标地址集合Set_of_dest；周期性测量时，采用前一轮测量得到的路由器接口的IP地址构成下一轮的测量目标地址集合Set_of_dest；

其它步骤与实施例1相同。