網絡實體IP地理定位方法研究.pdf

1、網絡實體IP地理定位是指確定一個具有IP標識的網絡目標節(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定位技術的實用化，對定向廣告、云服務持續(xù)性和監(jiān)管、敏感網絡實體甄別、網絡欺詐和攻擊等非法行為的網絡取證等應用的發(fā)展，具有重要的理論價值和現實意義。然而，由于網絡實體標識如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的地理信息，加之網絡環(huán)境復雜、網絡探測困難等原因，使得準確獲取網絡實體的地理位置信息是一個困難

2、的問題。本文在給出網絡實體定位技術三層體系架構和定位方法原理框架的基礎上，著重對基于網絡測量和網絡坐標系統(tǒng)的定位方法中若干關鍵問題展開了研究。
　　本研究主要內容包括：⑴網絡實體定位研究進展與定位框架研究。介紹了網絡實體IP地理定位技術的基本概念，從現實應用需求和存在的技術瓶頸等兩個角度出發(fā)，闡述了IP定位技術研究的現實意義和理論價值；概要闡述了網絡實體定位目前的研究現狀、總結了存在的主要技術問題；在此基礎上，基于網絡實體定位的條

3、件、涉及的主要技術和服務的需求，提出了一個包含探測層、映射層和繪制層的三層網絡實體定位技術體系架構；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絡實體定位方法原理框架，并闡述了各部分間的關系。⑵基于網絡測量的IP定位算法研究。針對現有典型區(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；針對經典定

4、位算法 SLG（Street-Level Geolocation）在較小區(qū)域內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基于網絡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)域內的地標，并通過網絡探測獲取從探測源到所選地標的路徑；接著，依據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)域網絡路徑特征；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)域級定位結果。⑷針對SLG定位算法基于的最短相對時延對應最近距離規(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，依據余弦定理計算地標和共同路由器間的時延與轉換系數；然后，將地標視作探測源，定位該路由器的位置；最后，根據該路由器的位置并結合定位需求，估計目標IP的位置。算法分析和實驗結果表明，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

7、果的平均誤差和最大誤差。⑸針對當地標或時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果。⑹針對時延和相對時延易受網絡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，提出了一種基于網絡坐標系統(tǒng)的IP定位算法。該算法利用探測源建立網絡坐標系統(tǒng)，計算地標在該坐標系統(tǒng)中的位置，再依據地標在坐標系統(tǒng)和地理空間的位置，計算小范圍內預測時延與距離間的轉換關系

9、，最后依據部分地標與目標間的相對時延，計算目標IP在網絡坐標系統(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，從而給出定位結果。算法分析和驗證結果表明，網絡坐標系統(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，網絡坐標系統(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果。⑺針對經典網絡坐標系統(tǒng)構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)點選取的網絡坐標系統(tǒng)構建算法

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)點建立網絡坐標系統(tǒng)，并計算不同鄰居節(jié)點對應的預測時延；依據預測時延和實測時延，計算網絡坐標系統(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；依據最優(yōu)鄰居節(jié)點，將未知節(jié)點加入網絡坐標系統(tǒng)。實驗結果表明，與隨機選取相比，依據提出的算法建立網絡坐標系統(tǒng)，能夠提高預測時延