本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)拓撲分析技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種衛(wèi)星通信網(wǎng)中，基于網(wǎng)絡(luò)層報頭壓縮的拓撲分析方法。

背景技術(shù)：

地面因特爾網(wǎng)的蓬勃發(fā)展促使衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)由以前的通信網(wǎng)絡(luò)向著寬帶網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，因其寬覆蓋范圍，優(yōu)良的傳播能力，可靠的抗災(zāi)性和不受地域條件限制等其他通信方式無法替代的優(yōu)點成為無線Internet接入的重要途徑，將地面網(wǎng)絡(luò)與空間網(wǎng)絡(luò)融合互聯(lián)是寬帶衛(wèi)星發(fā)展重要趨勢之一。

當(dāng)然，空間網(wǎng)絡(luò)也有著其固有的缺陷，如存在鏈路的高時延，高誤碼率，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲等。地面的TCP/IP協(xié)議的高效應(yīng)用是以網(wǎng)絡(luò)接口層的高可靠服務(wù)為前提的，如果直接將地面廣泛應(yīng)用的TCP/IP協(xié)議體系直接應(yīng)用到空間網(wǎng)絡(luò)，其通信效率相對地面網(wǎng)絡(luò)嚴重下降。為此，CCSDS(Consultative Committee for Space Data System，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會)規(guī)范了一套空間通信協(xié)議SCPS(Space Communication Protocol Specification)，在局部兼容Internet的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)空間網(wǎng)絡(luò)特性而進行了適當(dāng)?shù)牟眉粲驍U充，保證了與地面網(wǎng)絡(luò)的融合與高效通信。

SCPS協(xié)議體系是以TCP/IP為參考指定，包含了SCPS-NP,SCPS-SP,SCPS-TP和SCPS-FP四個部分，在空間通信的協(xié)議棧中，除了傳輸層協(xié)議規(guī)范SCPS-TP是必須的以外，其他層協(xié)議都是可選的，也就是出傳輸層協(xié)議必須使用SCPS-TP，其他層即可用TCP/IP相應(yīng)層次協(xié)議也可用SCPS相應(yīng)層協(xié)議。

由于空間帶寬資源的珍貴性，SCPS采用很多減少信息冗余的措施，其中網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的包頭可壓縮性就是其中之一，這里主要介紹網(wǎng)絡(luò)層的報頭壓縮情況。在地面與空間通信的數(shù)據(jù)流中，網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)既可能有按SCPS-NP協(xié)議封裝的報文，也可能有按IP協(xié)議封裝的報文，其中，按SCPS-NP協(xié)議封裝的報文又可能采用了包頭壓縮，按TCP/IP體系的網(wǎng)絡(luò)拓撲分析方法很難處理這些情況。本文主要提出一種基于網(wǎng)絡(luò)層報頭壓縮的拓撲分析方法，用以分析基于SCPS協(xié)議的衛(wèi)星通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的分析，對于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的監(jiān)測、故障的排除和防范一些惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊具有重要意義。

下面就拓撲常用分析方法和本文涉及的SCPS-NP報文和PCAP文件等相關(guān)知識作一定介紹。

拓撲結(jié)構(gòu)的分析需要從網(wǎng)絡(luò)里偵察獲取一定的源數(shù)據(jù)來進行，獲取的方式一般分為被動監(jiān)測和主動探測兩類。被動監(jiān)測技術(shù)是通過在所觀測的網(wǎng)絡(luò)加入一個探測器，由它來采集信息，并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)管理主機來形成網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)的優(yōu)點是本身除了向管理主機遞交各個網(wǎng)絡(luò)的拓撲信息，不產(chǎn)生額外的流量。所以產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)流量比較小，網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)小。由于沒有中間路由的返回信息，這種方式適合端到端的拓撲分析。主動探測技術(shù)是通過網(wǎng)絡(luò)管理主機主動向所有管理網(wǎng)絡(luò)發(fā)送探測包，并采集返回的信息，進行分析最終形成網(wǎng)絡(luò)的拓撲。由于采用向網(wǎng)絡(luò)里灌入探測數(shù)據(jù)，這種方式收到的反饋更多，但是需要的權(quán)限也更多，且占用一定網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。鑒于我們的分析對象是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，帶寬資源珍貴，故這里采用被動式監(jiān)測對基于SCPS協(xié)議體系的衛(wèi)星通信網(wǎng)進行端到端的拓撲分析。

這里有必要對SCPS-NP報文的報文頭進行一些介紹。SCPS-NP的報頭格式如圖1所示。其中前三比特為版本號/協(xié)議標識域，第20比特開始的控制域可選長度為4bite，12比特或20比特。具體長度由控制域相應(yīng)的特征字段控制。相應(yīng)特征及含義如圖2所示。

除了前面版本號/協(xié)議標識域，數(shù)據(jù)長度，傳輸協(xié)議，控制域和目的地址5個特征以外，后續(xù)的特征字段都是可選的(可壓縮的)，前5個特征最小長度為4個字節(jié)，故SCPS-NP最短的報頭長度僅有4字節(jié)。相比IP報文最少的20字節(jié)報頭減少了80％。

SCPS-NP地址包括4字節(jié)，w.x.y.z形式，每字節(jié)范圍為0-255。包含兩種格式:

擴展格式地址(Extended):w.x.y.z形式；

基本格式地址(Basic):z形式，忽略w.x.y(此w＝10)

當(dāng)數(shù)據(jù)報在傳輸過程中w.x.y被每個節(jié)點清楚的確定時，使用基本格式地址。

z為分配給每個進程(program)的地址字節(jié)。低位0-6bit用來構(gòu)成終端系統(tǒng)標示符(End System Identifier(ES-ID))或者路徑標示符(Path Identifier(P-ID))。范圍為126,127保留給廣播地址。高位第7bit標識多播地址/單播地址，稱為M-Flag:‘1’表示多播，‘0’表示單播。0-127表示單播地址，128-254表示多播地址，255表示廣播地址。

在一個衛(wèi)星鏈路間傳播的數(shù)據(jù)，第一個SCPS-NP報文源IP和目的IP具有完整的4個字節(jié)，及采用擴展地址格式，其他的都采用基本地址格式且只有一個字節(jié)以減少網(wǎng)絡(luò)開銷。

本文后續(xù)程序處理的數(shù)據(jù)是以PCAP文件保存的，PCAP文件的格式如圖3所示。PCAP文件是網(wǎng)絡(luò)抓包軟件生成的一般文件格式。其中文件頭有24字節(jié)，包含時間戳和文件長度等信息。文件頭后面是數(shù)據(jù)報頭，再后面是數(shù)據(jù)包，如此反復(fù)，數(shù)據(jù)包頭包含鄰接下一個數(shù)據(jù)包長度等信息，數(shù)據(jù)包里是從網(wǎng)絡(luò)中抓取的數(shù)據(jù)幀信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要提出一種基于網(wǎng)絡(luò)層報頭壓縮的網(wǎng)絡(luò)拓撲分析方法，用于解決基于SCPS協(xié)議體系的空間網(wǎng)絡(luò)拓撲分析。網(wǎng)絡(luò)層以下的網(wǎng)絡(luò)接口層默認已解封。

不同于地面網(wǎng)絡(luò)只有單一網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報文的拓撲分析數(shù)據(jù)處理，這里我們需要分析每個連接里的網(wǎng)絡(luò)層報文為IP報文或者SCPS-NP報文，如果是IP報文，則按IP報文格式進行解析，提取源IP和目的IP地址對；如果是SCPS-NP報文，有壓縮的SCPS-NP報文和非壓縮的SCPS-NP報文兩種情況，對非壓縮的SCPS-NP報文，按相應(yīng)報頭格式讀取報文頭里的源IP地址和目的IP地址。對壓縮的SCPS-NP報文，先提取報頭中的目的地址信息，這里一般為一個字節(jié)，字節(jié)里低7位為用戶連接的P-ID(Path-ID，路徑標識符)，再根據(jù)P-ID信息到衛(wèi)星終端映射表中找到對應(yīng)的源IP和目的IP地址對并存儲，再對三類報文獲得IP地址進行綜合分析，得到網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對應(yīng)的鄰接矩陣，最后得出拓撲結(jié)構(gòu)。

一種基于報頭壓縮的網(wǎng)絡(luò)拓撲分析方法，具體步驟如下：

Step1：獲取分析的源數(shù)據(jù)，這里采用wireshark抓包修改生成。

Step2：解析每對連接的網(wǎng)絡(luò)層報文，讀取網(wǎng)絡(luò)層報文的協(xié)議版本，版本號為4的是IP報文，版本號為1的為SCPS-NP報文。

Step3：對IP報文按IP協(xié)議進行報文頭解析，提取每個數(shù)據(jù)包的源IP地址和目的IP地址對。

Step4：對SCPS-NP報文處理，如果一個SCPS-NP報文的源IP地址存在，則其為非壓縮的SCPS-NP報文，如果源IP地址不存在，則為壓縮的SCPS-NP報文，據(jù)此找出SCPS-NP報文中，所有非壓縮的SCPS-NP報文。

Step5：對非壓縮的SCPS-NP報文進行分析，提取報文頭中的源IP地址和目的IP地址并存儲。

Step6：對每個壓縮的SCPS-NP報文進行處理，由于終端里存有源IP和目的IP對與路徑標識符(P-ID)映射，依據(jù)P-ID號信息找出此報文對應(yīng)的源IP地址和目的IP地址對并存儲。

Step7：對三類報文獲得IP地址進行綜合統(tǒng)計分析，獲得整個網(wǎng)絡(luò)通信的鄰接矩陣。

Step8：由鄰接矩陣生成網(wǎng)絡(luò)拓撲圖并返回。

本發(fā)明的有益效果是：

本方法在數(shù)據(jù)監(jiān)聽時間足夠的情況下，能夠針對混合型數(shù)據(jù)包進行處理得出網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，適應(yīng)單雙衛(wèi)星或星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是SCPS-NP報文格式示意圖；

圖2是SCPS-NP報文頭控制欲示意圖；

圖3是PCAP文件格式示意圖；

圖4是wireshark抓取源數(shù)據(jù)示意圖；

圖5是UltraEdit打開pcap文件數(shù)據(jù)注釋圖；

圖6是連接對與對應(yīng)P-ID符號的映射圖；

圖7是修改完的源數(shù)據(jù)示意圖(UltraEdit打開)

圖8是修改完的源數(shù)據(jù)示意圖(wireshark打開)

圖9是網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)鄰接矩陣示意圖

圖10是網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細描述。

限于硬件條件的限制無法獲得真實的衛(wèi)星通信原始數(shù)據(jù)，按照SCPS協(xié)議標準來生成后續(xù)分析的源數(shù)據(jù)，一方面由于SCPS協(xié)議體系不涉及網(wǎng)絡(luò)接口層，其次我們的拓撲分析也集中在網(wǎng)絡(luò)層信息的處理，這里我們生成的數(shù)據(jù)是按網(wǎng)絡(luò)接口層解封完成形成的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)文件。先從具有一定拓撲結(jié)構(gòu)的真實因特網(wǎng)中利用wireshark抓包工具抓取一定數(shù)據(jù)包作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按照SCPS-NP一些標準進行修改得到我們的拓撲分析源數(shù)據(jù)。即衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。由于wireshark抓取的pacp文件具有鏈路層信息，這里我們在數(shù)據(jù)修改時要先刪除鏈路層相關(guān)數(shù)據(jù)得到只有網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其次，由于基于SCPS協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)可能包含壓縮的SCPS-NP報文，非壓縮的SCPS-NP報文和IP報文三種，這里將pcap文件中奇數(shù)位置的報文保留原來的IP報文格式。將偶數(shù)位置的報文按SCPS-NP格式修改，其中，對第一次出現(xiàn)的IP地址對(源IP地址和目的IP地址)賦予一個P-ID(范圍0-127)并存入映射表，并將這個報文改為非壓縮的SCPS-NP報文作為一對用戶回話的第一個報文，非第一次出現(xiàn)的報文修改為壓縮報文格式，沒有源地址，目的地址的只有一個字節(jié)，最高位設(shè)為‘0’代表單播報文，剩下7位設(shè)為第一個報文對應(yīng)的P-ID號。

結(jié)合本發(fā)明提到的方法，整個拓撲分析的過程分為以下幾個步驟進行：

Step1：如圖4所示，用wireshark對固定通信網(wǎng)路抓包共220.7s，抓得數(shù)據(jù)包共62827個，濾除無數(shù)據(jù)的含控制管理信息的包后，得到數(shù)據(jù)包10224個。命名為basedata.pcap。文件用十六進制閱讀器UltraEdit打開如圖5所示。

Step2：源數(shù)據(jù)生成程序打開basedata.pcap文件，依次遍歷每個pcap包，刪除數(shù)據(jù)的鏈路幀的幀頭和幀尾，并修改每個pcap包頭的包長度信息，生成pro_data.pcap文件。

Step3：pro_data.pcap文件，從第一個數(shù)據(jù)包開始，所有奇數(shù)位置上的數(shù)據(jù)包不做處理跳過，即保留原有IP報文格式不變。

Step4：pro_data.pcap文件中，依次讀取偶數(shù)位置上數(shù)據(jù)包報頭，如果這個IP地址對第一次出現(xiàn)，則給這個IP地址對賦予一個路徑標識符(P-ID)并記錄這個映射，并將第一次出現(xiàn)的報文按非壓縮的SCPS-NP報文進行修改，整個文件共產(chǎn)生11對映射，如圖6所示。

Step5：對pro_data.pcap文件偶數(shù)位置上非第一次出現(xiàn)的IP地址對，這些報文按壓縮的SCPS-NP報文格式修改，即報頭無源IP地址，目的IP地址只有一個字節(jié)，高位第一位設(shè)為‘0’代表單播報文，剩余7位是路徑標識符P-ID號。P-ID號依據(jù)此報文的IP地址到映射表中尋找得到，整個文件共處理報文5101個。

Step6：分別處理完數(shù)據(jù)包后，生成修改后的數(shù)據(jù)文件為sourcedata.pcap。此時用十六進制閱讀器打開sourcedata.pcap文件如圖7所示。用wireshark打開sourcedata.pcap文件如圖8所示。

Step7：拓撲分析程序打開sourcedata.pcap文件。跳過24字節(jié)文件頭，解析報文版本號，按版本號為4或者為1將網(wǎng)絡(luò)層報文分為IP報文和SCPS-NP報文兩類。

Step8：對IP報文，按IP報文格式讀取IP報文頭，存儲其中的源IP地址和目的IP地址。

Step9：對SCPS-NP數(shù)據(jù)包，若為非壓縮的完整的SCPS-NP報文，即源IP地址字段存在，跳過包頭，按SCPS-NP報文格式讀取源IP地址和目的IP地址并存儲。

Step10：對壓縮的SCPS-NP報文，讀取報文頭部目的IP地址字段，得到P-ID號，依據(jù)P-ID號在映射表中找到對應(yīng)的源IP地址和目的IP地址對并存儲。

Step11：對所有得到的IP地址對進行統(tǒng)計分析，得到網(wǎng)絡(luò)拓撲對應(yīng)的鄰接矩陣，結(jié)果如圖9所示。

Step12：根據(jù)鄰接矩陣畫出網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，結(jié)果如圖10所示。