孫明思，李 斌

（1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，吉林吉林 132101；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引 言

近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，船舶通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能力得到了很大提升。但是，隨著艦載數(shù)據(jù)中心[1]、艦載物聯(lián)網(wǎng)和艦載通信技術(shù)的引入，艦載通信系統(tǒng)具有艦間通信、艦岸通信和艦空通信等三維立體通信能力。艦船具有跨域航行特點(diǎn)[2]，導(dǎo)致艦船與岸基網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，無(wú)法及時(shí)有效地解析IP 地址。

傳統(tǒng)的單調(diào)別名解析方法（Monotonic ID-based Alias Resolution，MIDAR）屬于穩(wěn)定拓?fù)浣馕?，不存在由于艦船跨域或者跨?guó)家行駛，導(dǎo)致被解析地址變更和延遲問(wèn)題。所以，傳統(tǒng)的MIDAR 無(wú)法提供穩(wěn)定的跨域域名解析服務(wù)。艦船網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和行駛范圍越來(lái)越大，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成越來(lái)越復(fù)雜。準(zhǔn)確地描繪網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有助于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸，定位網(wǎng)絡(luò)故障，為艦載數(shù)據(jù)中心和艦載信息系統(tǒng)提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從而進(jìn)一步保障艦船行駛安全。

目前MIDAR 算法[3]在已有的基于IP ID 別名解析算法的基礎(chǔ)上，提高了IP 別名對(duì)的準(zhǔn)確率，增加了探測(cè)的規(guī)模，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)探測(cè)中取得了比較好的效果。本文在MIDAR 算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)大數(shù)據(jù)IP 地址分類(lèi)和IP 別名解析對(duì)的“噪音”過(guò)濾來(lái)降低艦船跨域網(wǎng)絡(luò)解析問(wèn)題，通過(guò)響應(yīng)時(shí)間消除潛在別名解析對(duì)提高解析準(zhǔn)確率。

1 艦船網(wǎng)絡(luò)IP 別名問(wèn)題描述

路由器通常有多個(gè)接口，每個(gè)接口至少配置一個(gè)IP地址，路由級(jí)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)是將路由器的不同接口在網(wǎng)絡(luò)中用一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示的過(guò)程[4]。如果不能將路由器的不同接口合并，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)路由器因?yàn)橛卸鄠€(gè)接口存在而在網(wǎng)絡(luò)中用多個(gè)節(jié)點(diǎn)表示的情況，生成的拓?fù)洳荒芊从痴鎸?shí)的網(wǎng)絡(luò)連接情況[5]。與此同時(shí)，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行探測(cè)的過(guò)程中，難以用唯一的標(biāo)識(shí)來(lái)表示一臺(tái)路由器，這樣就使正確描繪網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r變得非常困難，對(duì)了解真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

在圖1 的艦船網(wǎng)絡(luò)中，艦船A 的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和艦船B的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是探測(cè)源點(diǎn)。艦船A 通過(guò)衛(wèi)星通信連接岸基衛(wèi)星基站登錄互聯(lián)網(wǎng)，艦船B 通過(guò)近岸基站連接互聯(lián)網(wǎng)。R 作為中間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的路由器，其中I1，I2和I3 是路由器R 的不同接口地址，C 是探測(cè)的目的節(jié)點(diǎn)，即遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心。圖2 展示了艦船網(wǎng)絡(luò)的探測(cè)路徑。通過(guò)IP 探測(cè)技術(shù)，船舶A 和B 分別經(jīng)過(guò)兩條單獨(dú)的IP 路徑訪問(wèn)云端數(shù)據(jù)中心。而在實(shí)際的艦船網(wǎng)絡(luò)中，艦船A 和B 經(jīng)過(guò)同一路由器的相同端口訪問(wèn)云端數(shù)據(jù)中心，這樣就產(chǎn)生了IP 別名解析誤差，需要這種符合實(shí)際的物理端口進(jìn)行合并。

圖1 艦船網(wǎng)絡(luò)實(shí)際路由鏈路Fig.1 Real router link in the ship network

圖2 艦船網(wǎng)絡(luò)探測(cè)的IP 鏈路Fig.2 Probed IP link in the ship network

2 艦船網(wǎng)絡(luò)別名解析算法

由于艦船經(jīng)常大范圍跨域移動(dòng)，導(dǎo)致別名解析準(zhǔn)確率低的問(wèn)題，并且在別名解析過(guò)程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量產(chǎn)生很大影響。因此，本文以MIDAR 為基礎(chǔ)，從IP 地址分類(lèi)、別名對(duì)降維和潛在別名對(duì)消除等三個(gè)方面入手，減少別名解析規(guī)模，提高解析的效率和精度。本文使用Caida Ark 項(xiàng)目提供的IP 鏈路探測(cè)數(shù)據(jù)集，并根據(jù)該數(shù)據(jù)集模擬船舶大范圍航行引起的大規(guī)模別名解析環(huán)境。

2.1 IP 地址集分類(lèi)

根據(jù)IP 地址劃分IP 物理位置，可以大大減少后續(xù)別名解析對(duì)的匹配過(guò)程，提高匹配效率和準(zhǔn)確性。屬于同一個(gè)路由器的IP 地址必然具有相同的地理位置，不同路由器的IP 地址可能具有不同的地理位置。因此，基于以上思想建立IP 地址相似性的樹(shù)形聚類(lèi)算法。

具體做法為：首先從收集到的IP 地址中過(guò)濾出所有私有IP 地址，即保留的和適用于局域網(wǎng)內(nèi)的IP 地址；然后采用Geo IP 數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)IP 地理信息，IP 地理信息主要包括洲、國(guó)家、省/州、市和街道，以及相應(yīng)的經(jīng)緯度。依據(jù)地理信息建立樹(shù)形結(jié)構(gòu)，并根據(jù)查詢(xún)結(jié)果將IP地址放入到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。最后，統(tǒng)計(jì)每個(gè)地區(qū)路由器接口地址出現(xiàn)的次數(shù)。

在一個(gè)完整探測(cè)周期內(nèi)探測(cè)到10 918 370 個(gè)不同的IP 地址，按照地理位置劃分了75 606 個(gè)不同的國(guó)家和地區(qū)。這就將原問(wèn)題的求解過(guò)程轉(zhuǎn)換為75 606 個(gè)子問(wèn)題的求解過(guò)程，降低問(wèn)題的規(guī)模。出現(xiàn)路由器接口數(shù)量最多的地區(qū)是美國(guó)，大約有150 萬(wàn)個(gè)不同的IP 地址。如圖3 所示為各地區(qū)IP 地址數(shù)量。

圖3 各地區(qū)IP 地址數(shù)量Fig.3 Number of IP address in diverse areas

2.2 IP 別名解析對(duì)降維

首先收集了分布在世界30 個(gè)探測(cè)點(diǎn)的全球網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行探測(cè)數(shù)據(jù)，探測(cè)空間是IPv4 前24 位所有的地址共生成10 129 123 條探測(cè)路徑[6-7]。在完整探測(cè)周期內(nèi)，共探測(cè)到132 371 209 個(gè)IP 地址，去掉重復(fù)出現(xiàn)的地址以后得到10 918 370 個(gè)各不相同的IP 地址。這種現(xiàn)象從側(cè)面可以反映出探測(cè)過(guò)程中存在大量的探測(cè)冗余。統(tǒng)計(jì)各個(gè)IP 地址在探測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的次數(shù)，可以明顯發(fā)現(xiàn)探測(cè)過(guò)程中只出現(xiàn)1 次的IP 地址占了絕大多數(shù)。通過(guò)分析在一個(gè)完整的探測(cè)周期內(nèi)只出現(xiàn)一次的IP 地址很大可能是網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)，但通過(guò)直觀感覺(jué)網(wǎng)絡(luò)中的邊緣節(jié)點(diǎn)不可能占有那么大的比例。

接下來(lái)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)1 次的IP 地址共有10 266 454 個(gè)，占探測(cè)到的IP 地址數(shù)量的94%。由于探測(cè)過(guò)程中可能引入“噪聲”，所以在探測(cè)周期內(nèi)出現(xiàn)1 次的IP 地址有兩種可能：

1）來(lái)自路由器接口地址，該接口在探測(cè)周期內(nèi)只被探測(cè)到一次；

2）非路由器接口地址，只有一種可能就是該地址來(lái)自探測(cè)的目標(biāo)地址集合。

首先將只出現(xiàn)一次的IP 地址加入一個(gè)集合S1中，從收集到的原始探測(cè)數(shù)據(jù)中找出所有的目的地址，將這些目標(biāo)地址加入到集合S2中，然后從集合S1中去掉S1和S2的交集。通過(guò)計(jì)算得出10 266 454 個(gè)（S1）出現(xiàn)1 次的IP 地址中有307 428 個(gè)IP 地址來(lái)自路由器接口地址，有9 959 026 個(gè)IP 地址是來(lái)自探測(cè)的目標(biāo)地址集合S2。這些來(lái)自探測(cè)目標(biāo)地址集合的IP 地址一部分是未分配的IP 地址，一部分是分配給主機(jī)的IP 地址。所以需要將這9 959 026 個(gè)IP 地址從探測(cè)到的IP 地址集合中去除，這樣就將探測(cè)到的IP 地址空間從千萬(wàn)級(jí)降低到百萬(wàn)級(jí)別，大大降低問(wèn)題的規(guī)模，為后續(xù)階段的處理提供方便。

2.3 潛在IP 別名對(duì)的消除

用MIDAR 算法對(duì)所屬同一個(gè)IP 地址集合進(jìn)行別名解析，將IP 地址集合用具有相似IP ID 的增長(zhǎng)率的IP 地址進(jìn)一步劃分成更小的集合。得到的IP 地址集合是潛在的IP 別名對(duì)，對(duì)這些潛在別名對(duì)用以下基于響應(yīng)時(shí)間的別名解析算法進(jìn)行處理，得到最終處理的IP 別名對(duì)，達(dá)到IP 別名解析的目的。

判斷兩個(gè)候選別名IP ID 值的順序是否一致，也就是說(shuō)，所產(chǎn)生的值的遞增順序應(yīng)該與使用共享計(jì)數(shù)器一致。因?yàn)镮P ID 值的范圍是0～65 535，定義符號(hào)X＜Y表示序列空間的小于關(guān)系。使用下列步驟來(lái)判斷地址A和B是否是別名。首先，發(fā)送一個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)包給A，等待1 ms，然后發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)包給B。假設(shè)響應(yīng)數(shù)據(jù)包的IP ID 值分別為A1和B1。檢查A1和B1順序是否一致，并且彼此靠近，即A1-10＜B1＜A1+200。如果在這個(gè)范圍，等待400 ms，發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)包給B，等待1 ms，然后發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)包給A。隨后檢查B2和A2的IP ID 的值是否在B2-10＜A2＜B2+200 的區(qū)間，并滿(mǎn)足A1＜A2和B1＜B2的條件。如果這些條件都能得到滿(mǎn)足，則判斷A和B是別名，否則判斷A和B不是別名。

由于無(wú)法知道收集到的IP ID 生成的確切時(shí)間，因此在比較值的時(shí)候使用了一個(gè)誤差范圍。間隔1 ms 發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)包，由于網(wǎng)絡(luò)中存在負(fù)載平衡等其他因素，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)路由不一致的現(xiàn)象。但是這并不影響對(duì)兩個(gè)IP 別名對(duì)的判斷。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

使用兩組真實(shí)的數(shù)據(jù)集對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。R&E是由研究和教育網(wǎng)絡(luò)提供的一個(gè)已知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌–Anet，CENIC，GEANT，I-Light，Internet2 和NLR），Tier1 是一個(gè)由一級(jí)ISP 提供的已知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。首先采用隨機(jī)選取不同物理地址的方式模擬艦船大范圍跨域航行，并在該條件下驗(yàn)證算法是否能與已知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭e名情況達(dá)成一致。

本文采用2017 年3 月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，用TCP 的探測(cè)方式對(duì)Tier1 和R&E 數(shù)據(jù)集分別做探測(cè)，分別用時(shí)30.1 s 和13.1 s。請(qǐng)注意，該測(cè)試沒(méi)有針對(duì)整個(gè)MIDAR 系統(tǒng)，特別是沒(méi)有測(cè)試多個(gè)測(cè)量方法、多個(gè)階段或自適應(yīng)探測(cè)間距。本文算法和MIDAR 的運(yùn)行結(jié)果如表1 所示。表1 中，TP 為判斷正確的正確率，F(xiàn)P 為判斷錯(cuò)誤的正確率，PPV 為精確率，即計(jì)算為正確的數(shù)據(jù)中計(jì)算正確的數(shù)量，PPV 由TP（/TP+FP）計(jì)算而得。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 1 Experimental results of different methods

如表1所示，Tier1和R&E 數(shù)據(jù)集的待測(cè)試別名對(duì)數(shù)量分別為62 817和2 307。Tier1是R&E 數(shù)據(jù)量的27倍，說(shuō)明Tier1 解析范圍更大。對(duì)比較大的數(shù)據(jù)集Tier1，本文算法在別名解析的精確率上好于MIDAR 算法，得到的錯(cuò)誤別名對(duì)也少于MIDAR 算法。相比MIDAR 算法，本文提出的算法精度提高了17%。在Tier1 數(shù)據(jù)集上，本文提出的算法與傳統(tǒng)的MIDAR 算法正確判斷的正確率相當(dāng)，解析錯(cuò)誤判斷的正確率優(yōu)于傳統(tǒng)MIDAR。從而，本文提出算法精確率優(yōu)于傳統(tǒng)MIDAR。但是對(duì)于R&E 規(guī)模較小，無(wú)法體現(xiàn)大規(guī)模解析環(huán)境，這兩個(gè)算法沒(méi)有明顯區(qū)別，別名解析的正確率和錯(cuò)誤的別名對(duì)數(shù)量都相差不大。因此可以得出結(jié)論，本文算法在別名解析的精度方面提高顯著。

4 結(jié) 論

艦船網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定對(duì)艦船安全行駛具有重要作用。艦船跨域行駛對(duì)傳統(tǒng)固定IP 別名解析方法提出了挑戰(zhàn)。特別是在跨區(qū)域、跨國(guó)家的行駛過(guò)程中容易產(chǎn)生錯(cuò)誤解析別名對(duì)數(shù)量呈非線性增長(zhǎng)的情況。本文通過(guò)改進(jìn)MIDAR 算法，通過(guò)IP 地理和主機(jī)劃分兩種策略，在解析前縮減解析規(guī)模，并且將問(wèn)題劃分為若干個(gè)互不相關(guān)的子問(wèn)題進(jìn)行別名解析，在準(zhǔn)確性和效率等方面都取得了良好的效果。在后期通過(guò)響應(yīng)時(shí)間對(duì)解析出的潛在別名對(duì)進(jìn)行驗(yàn)證，相較傳統(tǒng)MIDAR 方法，本文方法提高了17%的準(zhǔn)確率。因此，本文提出的方法實(shí)現(xiàn)了艦船跨域行駛中的艦船網(wǎng)絡(luò)別名解析功能，并具有較高的準(zhǔn)確率，為艦船網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定提供了一個(gè)有效的解決思路。