基于拓?fù)浞治龅膮^(qū)域級(jí)網(wǎng)絡(luò)抗毀性研究

安常青，劉玉家，王會(huì)，鄭志延，喻濤，王繼龍,3

（1.清華大學(xué)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)空間研究院北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心，北京 100084；2.鵬城實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518000；3.清華大學(xué)奇安信聯(lián)合研究中心，北京 100084）

1 引言

全球互聯(lián)網(wǎng)的重要性日益提高，已成為人們生活各個(gè)方面所依賴的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一，網(wǎng)絡(luò)的安全性是保證正常通信的基礎(chǔ)。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，目前區(qū)域或地區(qū)受到多方面的安全威脅。首先，各種類型的惡意行為者針對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙觞c(diǎn)破壞、攔截互聯(lián)網(wǎng)流量[1-2]，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊，實(shí)現(xiàn)各種政治、經(jīng)濟(jì)等目標(biāo)。

其次，已有研究發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域或地區(qū)具有與互聯(lián)網(wǎng)斷開(kāi)的可能，Dyn 針對(duì)與國(guó)外互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商（ISP,Internet service provider）有直接聯(lián)系的國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)只有30 個(gè)區(qū)域或地區(qū)沒(méi)有與全球互聯(lián)網(wǎng)脫鉤的風(fēng)險(xiǎn)。目前有專業(yè)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)斷網(wǎng)事件的監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)報(bào)告，如千眼、互聯(lián)網(wǎng)健康報(bào)告。

除上述特定的惡意攻擊外，自然災(zāi)害對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的威脅也是巨大的[3]，通常會(huì)影響特定地理區(qū)域的所有目標(biāo)，即使是很發(fā)達(dá)的區(qū)域，也會(huì)由于自然災(zāi)害的原因受到影響，例如2012 年美國(guó)東海岸桑迪颶風(fēng)導(dǎo)致的斷網(wǎng)[4]。

學(xué)術(shù)界在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸椥?、安全性及抗毀性方面持續(xù)有相關(guān)研究。早期工作大致可總結(jié)為兩類，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣２?duì)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)開(kāi)展相關(guān)分析或是基于早期測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行抗毀性分析。Albert 等[5]通過(guò)隨機(jī)性刪除網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，分析了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的錯(cuò)誤和攻擊容忍度，發(fā)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)具有“意外程度的穩(wěn)健性”，甚至不切實(shí)際的高故障率也不會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的通信能力。一些有關(guān)互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)鋸椥缘墓ぷ鱗6]基于簡(jiǎn)化的拓?fù)鋱D，沒(méi)有加入路由策略的限制，從圖論的角度對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行分析。

之后研究擴(kuò)展到具有路由策略的實(shí)際拓?fù)?，進(jìn)一步分析鏈路故障的位置如何影響互聯(lián)網(wǎng)。Wu 等[7]和Dolev 等[8]從破壞性角度分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹椥?。Dombrowski 等[9]從圖論的角度分析云服務(wù)的拓?fù)溥B通性，模擬了隨機(jī)和有針對(duì)性的節(jié)點(diǎn)攻擊，并評(píng)估了云服務(wù)的相應(yīng)漏洞。Omer 等[10]提出了用于測(cè)量網(wǎng)絡(luò)彈性的模型，定義了網(wǎng)絡(luò)中斷前后的傳輸價(jià)值來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)的基本彈性，基于現(xiàn)有的容量和流量信息，分析光纜網(wǎng)絡(luò)的全局彈性。

學(xué)術(shù)界逐步由關(guān)注網(wǎng)絡(luò)整體變?yōu)殛P(guān)注于網(wǎng)絡(luò)中區(qū)域本身或某些重要組件的安全性。近期研究工作更多地集中在對(duì)區(qū)域整體以及區(qū)域間直連自治系統(tǒng)（AS,autonomous system）鏈路的分析，即邊界AS 鏈接。Leyba 等[11]定義國(guó)家關(guān)鍵點(diǎn)潛力（NCP,national chokepoint potential），通過(guò)NCP 評(píng)估邊界AS 在區(qū)域拓?fù)涞挠绊懥Αlexander 研究傳輸運(yùn)營(yíng)商在區(qū)域?qū)用娴挠绊懥?，主要是每個(gè)區(qū)域中最具影響力的AS，以及那些嚴(yán)重依賴傳輸AS 的區(qū)域。CAIDA項(xiàng)目MapKit研究互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)鋵?duì)區(qū)域/地區(qū)級(jí)連接中斷的敏感性。項(xiàng)目提案中提出構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的多層拓?fù)鋱D，涵蓋網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、物理層，識(shí)別并量化區(qū)域?qū)舻拿舾行?。針?duì)區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上述研究并未定量分析區(qū)域的抗毀性差異。

本文主要貢獻(xiàn)如下，提出了區(qū)域抗毀性評(píng)估方法，定義了抗毀性度量，分別從內(nèi)部拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)和外部通信拓?fù)? 個(gè)方面對(duì)區(qū)域的抗毀性度量差異進(jìn)行評(píng)估。基于顯著性檢驗(yàn)，分別從網(wǎng)絡(luò)整體水平和網(wǎng)絡(luò)特殊薄弱點(diǎn)2 個(gè)方面對(duì)抗毀性度量排名，該方法具有普適性，能給發(fā)現(xiàn)區(qū)域之間拓?fù)涞谋举|(zhì)差異。數(shù)據(jù)層面考慮到探測(cè)點(diǎn)的局限性，進(jìn)行區(qū)域之間直連鏈路預(yù)測(cè)，完善拓?fù)鋽?shù)據(jù)。

2 定義

本節(jié)描述本文涉及的主要定義及相應(yīng)的含義。

1) AS 抗毀性：一個(gè)事件發(fā)生后AS 與其他節(jié)點(diǎn)間通信情況的變化稱為AS 對(duì)一個(gè)事件的抗毀性。AS針對(duì)多次破壞的抗毀性形成一維向量稱為AS的抗毀性樣本。

2) 區(qū)域抗毀性：區(qū)域抗毀性是對(duì)區(qū)域內(nèi)AS 抗毀性的加權(quán)綜合度量。

3) 路由影響力：描述其他節(jié)點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)該AS進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的依賴程度，即AS 在區(qū)域的路由影響。

4) 資源權(quán)重：描述節(jié)點(diǎn)在區(qū)域中持有的資源比例，即占該區(qū)域所有資源的比例。節(jié)點(diǎn)資源權(quán)重越高，被破壞后對(duì)區(qū)域的影響越大，用于量化破壞事件的影響。本文從用戶數(shù)量、域名等多個(gè)角度分析節(jié)點(diǎn)的資源權(quán)重，形成不同視角下的抗毀力評(píng)估。

6) 邊界AS：與其他區(qū)域有直接的拓?fù)滏溄印?/p>

7) 內(nèi)部AS：沒(méi)有與其他區(qū)域的直接拓?fù)滏溄印?/p>

8) 邊界AS 鏈接：不同區(qū)域邊界AS 之間的鏈接。

下面，詳細(xì)介紹節(jié)點(diǎn)抗毀性、路由影響力和區(qū)域抗毀性度量的含義和計(jì)算方法。

2.1 節(jié)點(diǎn)抗毀性

事件發(fā)生后AS 與其他節(jié)點(diǎn)間連通情況的變化稱為節(jié)點(diǎn)對(duì)一次事件的抗毀性。針對(duì)多次破壞的抗毀性形成一維向量，即節(jié)點(diǎn)的抗毀性樣本，對(duì)樣本的綜合分析形成節(jié)點(diǎn)抗毀性度量。本節(jié)重點(diǎn)介紹節(jié)點(diǎn)抗毀性樣本的定義。

2.1.1 單次事件抗毀性

互聯(lián)網(wǎng)的核心是“互連”，學(xué)術(shù)界定義網(wǎng)絡(luò)破壞的度量中，常用且可解釋性好的就是連通性，可以直觀反映破壞后節(jié)點(diǎn)的通信情況。本文使用連通性來(lái)表征破壞的影響，即發(fā)生破壞性事件后，網(wǎng)絡(luò)間節(jié)點(diǎn)對(duì)的連通性變化程度。

對(duì)于區(qū)域中的某個(gè)AS，一次破壞事件可以使其與某些節(jié)點(diǎn)無(wú)法連通，而區(qū)域內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)所持有資源的比例不同，如對(duì)于AS 節(jié)點(diǎn)，從用戶角度，擁有更多用戶的AS 資源比例更高。

破壞事件影響定義為破壞后該區(qū)域可與其連通的節(jié)點(diǎn)資源之和與該區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)資源之和的比值，即

其中，eix表示對(duì)于節(jié)點(diǎn)i，第x次破壞事件的破壞影響；O表示區(qū)域節(jié)點(diǎn)集合；B表示這次破壞事件后可以與節(jié)點(diǎn)i通信的節(jié)點(diǎn)集合；r表示某個(gè)節(jié)點(diǎn)的資源，如用戶數(shù)量。

本節(jié)從不同角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了多種節(jié)點(diǎn)資源r的定義。在區(qū)域內(nèi)部，關(guān)注各個(gè)AS 節(jié)點(diǎn)的連通，在4.2.1節(jié)定義AS 節(jié)點(diǎn)的資源。在區(qū)域外部，關(guān)注各個(gè)區(qū)域之間是否連通，在4.3.1 節(jié)定義區(qū)域節(jié)點(diǎn)的資源。

2.1.2 抗毀性采樣

對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)i，模擬破壞事件集合為[f i1,fi2,…,fim]，計(jì)算節(jié)點(diǎn)i面對(duì)一次破壞事件fiq對(duì)應(yīng)的單次事件抗毀性為eiq，可以得到節(jié)點(diǎn)i的抗毀性采樣Ei=[ei1,ei2,…,eim]。

下面，只討論破壞節(jié)點(diǎn)的情況，破壞鏈接的情況類似。區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為n，假設(shè)破壞一個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)生概率為p，則破壞x個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率為px?？偸录嗀={A1,A2,…,An}，其中事件Ax為x個(gè)節(jié)點(diǎn)被同時(shí)破壞，事件Ax發(fā)生的期望為y=C(n,x)px，那么對(duì)于總事件A，所有破壞事件發(fā)生的期望為。

圖1 為y=C(n,x)px的分布。從圖1 中可以看到，首先隨著破壞數(shù)量x的增大，實(shí)際破壞事件的發(fā)生期望y也急劇增多，x=5 前就達(dá)到最高點(diǎn)，之后y迅速減小。當(dāng)x≥10 時(shí)，y均小于0.1；當(dāng)x≤6 時(shí)，期望值是所有破壞數(shù)量下總期望值，而x≤8 時(shí)達(dá)到99.9%。

本文用分層概率采樣的方法，破壞節(jié)點(diǎn)數(shù)量x不同時(shí)采樣概率不同，當(dāng)破壞數(shù)量較大時(shí)，實(shí)際發(fā)生次數(shù)y很小，采樣概率設(shè)為0。

2.2 路由影響力

路由影響力衡量具體的AS 節(jié)點(diǎn)在某個(gè)區(qū)域中為其他AS 提供的路由服務(wù)，即其他的路由路徑有多大比例經(jīng)過(guò)該AS。

理想情況下，位于區(qū)域c的ASb對(duì)于內(nèi)部某個(gè)ASo的路由影響力可定義為，其中P(ASb,ASo)計(jì)算ASo路由經(jīng)過(guò)ASb的次數(shù)，r(ASo)為ASo實(shí)際路由的次數(shù)。

但是，BGP 數(shù)據(jù)收集嚴(yán)重偏向探測(cè)點(diǎn)看到的數(shù)據(jù)。由于探測(cè)點(diǎn)在區(qū)域之間分布不均勻，而且許多區(qū)域和大多數(shù)AS 都沒(méi)有設(shè)置探測(cè)點(diǎn)，獲得的數(shù)據(jù)均為通往探測(cè)點(diǎn)的路徑進(jìn)行過(guò)度采樣的結(jié)果。為了度量AS 在區(qū)域內(nèi)部的實(shí)際影響力，需要計(jì)算其在實(shí)際路徑中的出現(xiàn)比例，而探測(cè)點(diǎn)自身的有限性和偏見(jiàn)性對(duì)該結(jié)果有較大影響[12]。

本文設(shè)計(jì)了過(guò)濾器，通過(guò)對(duì)探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行過(guò)濾，減輕計(jì)算結(jié)果受到探測(cè)點(diǎn)自身局限的影響。

位于區(qū)域c的ASb路由影響力wc(ASb)定義為

其中，O表示區(qū)域c內(nèi)所有AS 集合，URc(ASb,ASo)表示ASb對(duì)ASo的用戶影響力，θo表示區(qū)域c中ASo的用戶比例。以用戶比例作為權(quán)重，總路由影響力為ASb對(duì)區(qū)域內(nèi)所有AS用戶影響力的加權(quán)和。式(3)計(jì)算用戶影響力UR，其中R為一維向量，存儲(chǔ)所有探測(cè)點(diǎn)實(shí)際觀測(cè)到ASo經(jīng)過(guò)ASb的比例。式(4)計(jì)算觀測(cè)到經(jīng)過(guò)ASo的所有路徑中，ASb經(jīng)過(guò)ASo的路徑比例，其中Pi(ASb,ASo)為探測(cè)點(diǎn)i觀測(cè)到的ASo經(jīng)過(guò)ASb的路徑數(shù)量，ri(ASo)為探測(cè)點(diǎn)i觀測(cè)到ASo的數(shù)量。式(5)中，R存儲(chǔ)所有探測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并按照ri(ASo)排序，函數(shù)fvp(R) 為探測(cè)點(diǎn)過(guò)濾器，過(guò)濾距離ASb過(guò)近和過(guò)遠(yuǎn)的探測(cè)點(diǎn)。

2.3 區(qū)域抗毀性

本文通過(guò)多次模擬破壞事件，獲得區(qū)域抗毀性采樣。設(shè)計(jì)顯著性檢驗(yàn)器，比較不同區(qū)域抗毀性采樣的差異，得到各個(gè)區(qū)域的抗毀性度量。

圖2 描述了區(qū)域抗毀性的計(jì)算流程。對(duì)于每個(gè)區(qū)域，選擇重要的AS 集合，并計(jì)算每個(gè)AS 的抗毀性采樣，在4.2.2 節(jié)和4.3.2 節(jié)分別說(shuō)明AS 的選擇標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)加權(quán)上采樣，將區(qū)域內(nèi)AS 的抗毀性采樣轉(zhuǎn)換為區(qū)域的抗毀性加權(quán)采樣。最后通過(guò)顯著性檢驗(yàn)器，比較不同區(qū)域抗毀性加權(quán)采樣的差異，得到區(qū)域抗毀性度量。

下面分別講述加權(quán)上采樣和顯著性檢驗(yàn)器的實(shí)現(xiàn)，然后通過(guò)采樣實(shí)驗(yàn)和方法分析說(shuō)明抗毀性計(jì)算方法的合理性。

2.3.1 加權(quán)上采樣

通過(guò)加權(quán)上采樣，獲得區(qū)域的抗毀性采樣，輸入為區(qū)域中AS 的抗毀性采樣，輸出為區(qū)域的抗毀性加權(quán)采樣。

將AS 的路由影響力作為該AS 對(duì)應(yīng)的采樣權(quán)重。AS 的路由影響力越高，區(qū)域內(nèi)依賴其通信的AS 數(shù)量越多，且實(shí)際路由中需要經(jīng)AS 進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)越高，AS 的抗毀性直接影響這些依賴它的AS 的連通性。

加權(quán)上采樣思路如下，對(duì)于每個(gè)區(qū)域，輸入為[E1,E2,…,Em]和[w1,w2,…,wm]，其中Ei和wi分別表示第i個(gè)AS 的抗毀性采樣和采樣權(quán)重，獲得輸入采樣權(quán)重的最小值wmin，抗毀性采樣結(jié)果Ei的采樣次數(shù)為，最后該區(qū)域抗毀性采樣長(zhǎng)度為表示iE的長(zhǎng)度。

2.3.2 顯著性檢驗(yàn)器

顯著性檢驗(yàn)器旨在發(fā)現(xiàn)區(qū)域抗毀性采樣的相對(duì)差異，排除隨機(jī)模擬破壞對(duì)抗毀性采樣結(jié)果造成的波動(dòng)，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域抗毀性度量的真實(shí)差異。

本節(jié)從2 個(gè)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)2 個(gè)顯著性檢驗(yàn)器。第一個(gè)角度是破壞結(jié)果的整體水平，該角度反映多次隨機(jī)破壞下區(qū)域拓?fù)涞氖芷茐那闆r，經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)量有平均值、中位數(shù)。第二個(gè)角度是破壞結(jié)果的波動(dòng)程度，波動(dòng)較大表明存在某些薄弱區(qū)域，經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)量有方差。

顯著性檢驗(yàn)器的輸入輸出定義如下，輸入為n個(gè)一維向量，每個(gè)一維向量代表一個(gè)區(qū)域抗毀性采樣，輸出為 [ravg1,…ravgn,rstd1,…rstdn]，ravgi表示第i個(gè)區(qū)域在整體水平的顯著性評(píng)估結(jié)果，該值也表示區(qū)域i在整體情況下的抗毀性排名，2 個(gè)差異性不顯著的區(qū)域有相同的抗毀性排名；rstdi表示第i個(gè)區(qū)域在波動(dòng)水平的顯著性評(píng)估結(jié)果，同時(shí)也表示區(qū)域i在波動(dòng)水平下的抗毀性排名。區(qū)域抗毀性度量不是確定值，而是經(jīng)過(guò)顯著性檢驗(yàn)器處理后的各個(gè)區(qū)域破壞結(jié)果的比較排名值。

顯著性檢驗(yàn)器實(shí)現(xiàn)思路如下。整體水平下的顯著性檢驗(yàn)器使用Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)[13]，該檢驗(yàn)判斷中位數(shù)是否具有顯著性差異，在有顯著性差異下，通過(guò)Steel-Dwass 事后檢驗(yàn)獲得兩兩比較的結(jié)果。根據(jù)2.3.3 節(jié)的模擬破壞數(shù)據(jù)和后續(xù)區(qū)域破壞數(shù)據(jù)，通過(guò)K-S 正態(tài)檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)抗毀性破壞結(jié)果滿足正態(tài)分布，而不同區(qū)域的破壞結(jié)果不滿足方差齊性，Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)方法適用于破壞數(shù)據(jù)。通過(guò)方差齊性Hartley 檢驗(yàn)進(jìn)行波動(dòng)水平的比較，看兩兩方差的差值是否有顯著性差異。

2.3.3 采樣實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證隨機(jī)模擬采樣以及使用顯著性檢驗(yàn)比較的合理性，模擬分別隨機(jī)生成30、40 個(gè)節(jié)點(diǎn)的有向圖，鏈接的數(shù)量均為100，破壞鏈接數(shù)量設(shè)置為1、2、3，對(duì)應(yīng)的單個(gè)事件發(fā)生概率分別為p、p2、p3。所有破壞組合事件的數(shù)量為 166 750（C(100,3)+C(100,2)+C(100,1)）。根據(jù)連通性計(jì)算所有破壞情況下的破壞影響，即網(wǎng)絡(luò)中無(wú)法連通的節(jié)點(diǎn)對(duì)的比例，計(jì)算每個(gè)破壞的結(jié)果，用破壞影響乘以發(fā)生概率，將所有破壞結(jié)果累積獲得結(jié)果向量。

隨機(jī)從結(jié)果向量中抽取部分樣本，比較樣本和結(jié)果向量在2 個(gè)角度下是否有顯著性差異，圖3 為采樣結(jié)果，縱坐標(biāo)格式為“節(jié)點(diǎn)數(shù)量?邊數(shù)量?檢驗(yàn)方法”，包括2 個(gè)圖的2 種檢驗(yàn)方法的結(jié)果。圖中用符號(hào)“+”表明有顯著性差異，發(fā)現(xiàn)在采樣樣本數(shù)量大于18 000 時(shí)，即采樣概率超過(guò)11%時(shí)，結(jié)果不存在顯著性差異。

該結(jié)果表明，采樣率超過(guò)11%時(shí)能反映完整的破壞結(jié)果的分布，采樣造成的信息損失并不大。

2.3.4 方法評(píng)價(jià)

已有大量工作針對(duì)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的抗毀性進(jìn)行分析。其中部分工作根據(jù)節(jié)點(diǎn)的重要性和網(wǎng)絡(luò)的脆弱點(diǎn)，提出一些量化指標(biāo)。一些工作定義度中心性[14]、介數(shù)中心性[15]來(lái)表征節(jié)點(diǎn)的中心性。許進(jìn)[16]和王梓行[17]分別提出核與核度、冗余度來(lái)表征系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的重要性。指標(biāo)具有可比性，但是僅針對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，并未加入互聯(lián)網(wǎng)的路由策略。

此外，大量工作研究復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的抗毀性。設(shè)計(jì)不同的破壞角度和方法，包括隨機(jī)破壞、有針對(duì)性破壞、基于互聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)破壞等。定義衡量破壞的指標(biāo)主要包括連通度、破壞前后平均路徑長(zhǎng)度等。文獻(xiàn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)在不同破壞模擬下的結(jié)果進(jìn)行分析和討論。但是此類工作并不能給出具體網(wǎng)絡(luò)的抗毀性的量化值，因此可比性較差。

目前也有針對(duì)區(qū)域進(jìn)行橫向比較的工作，但是這些工作均從某些特殊角度進(jìn)行切入。Leyba 定義NCP，通過(guò)NCP 評(píng)估邊界AS 在區(qū)域拓?fù)涞挠绊懥?，橫向?qū)Ρ? 個(gè)區(qū)域，分析NPC 的變化與差異。Alexander 研究傳輸運(yùn)營(yíng)商在區(qū)域?qū)用娴挠绊懥?，發(fā)現(xiàn)哪些區(qū)域的流量更不易被其他區(qū)域的傳輸運(yùn)營(yíng)商觀察和操控流量，具有更高的安全性。

目前尚未調(diào)研到有區(qū)域整體抗毀性定量比較的方法，本文根據(jù)區(qū)域抗毀性度量為區(qū)域進(jìn)行排名，排名方法設(shè)計(jì)的合理性是至關(guān)重要的。本文借鑒經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等領(lǐng)域進(jìn)行量化排名的已有工作的思想，以量化和比較為目的，并增加互聯(lián)網(wǎng)資源的權(quán)重度量等因素，提出區(qū)域抗毀性度量，使排名具有多個(gè)角度和更大的靈活性。以下具體說(shuō)明本文方法考慮的因素及其合理性。

1) 從整體水平和波動(dòng)水平的角度來(lái)共同衡量區(qū)域抗毀性。具體原因如下，已通過(guò)K-S 正態(tài)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)區(qū)域的破壞結(jié)果數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，而正態(tài)分布僅由均值和方差決定，所以整體水平和波動(dòng)水平一起能捕捉到正態(tài)分布數(shù)據(jù)完整特性。此外，均值和方差在統(tǒng)計(jì)學(xué)具有重要地位，也應(yīng)用于各個(gè)方面，如Markowitz 均值?方差模型用來(lái)求解最優(yōu)資產(chǎn)配置的比例，社會(huì)收入也會(huì)從整體水平和波動(dòng)水平（基尼系數(shù)）來(lái)分別討論，此類工作從不同分析角度出發(fā)，評(píng)價(jià)區(qū)域的差異性，對(duì)本文工作具有借鑒意義。

2) 用分層概率破壞模擬破壞結(jié)果性。大量的文獻(xiàn)在研究網(wǎng)絡(luò)抗毀性時(shí)會(huì)使用隨機(jī)破壞的方法，由于隨機(jī)模擬的無(wú)差異性和宏觀性，對(duì)各個(gè)區(qū)域的模擬方法相同，使抗毀性比較更具有客觀性，抗毀性結(jié)果更具有可比性。本文在進(jìn)行破壞時(shí)充分考慮了事件發(fā)生的概率，根據(jù)事件發(fā)生概率模擬破壞事件，符合互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行規(guī)律。

3) 在區(qū)域抗毀性計(jì)算中包含多種權(quán)重的定義。通過(guò)定義區(qū)域節(jié)點(diǎn)的資源權(quán)重（2.1.1 節(jié)），衡量不同節(jié)點(diǎn)被破壞的差異性。多角度定義的權(quán)重支持了模型的可擴(kuò)展性，提供了多個(gè)角度的抗毀性結(jié)果，增加了說(shuō)服力，也讓抗毀性結(jié)果更加豐富。

4) 聚類并進(jìn)行分組分析。利用整體水平和波動(dòng)水平下區(qū)域抗毀性的排名結(jié)果，對(duì)區(qū)域進(jìn)行聚類分組。聚類算法[18]應(yīng)用廣泛，如構(gòu)建用戶畫(huà)像、進(jìn)行惡意流量識(shí)別、搜索引擎流量推薦等。本文通過(guò)聚類發(fā)現(xiàn)組內(nèi)區(qū)域之間的相似性和組間區(qū)域之間的差異性。

3 挑戰(zhàn)與方法

3.1 計(jì)算連通性的高復(fù)雜度

計(jì)算區(qū)域內(nèi)部的抗毀性度量時(shí)，需要知道各個(gè)破壞事件下區(qū)域內(nèi)部所有AS 節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的連通性變化，具有較高的復(fù)雜度O(n3)，n為區(qū)域中AS 的個(gè)數(shù)。表1 列出了各區(qū)域的AS 數(shù)量和AS鏈接數(shù)量，數(shù)據(jù)去掉了沒(méi)有客戶的AS 節(jié)點(diǎn)。其中美國(guó)有2 119 個(gè)AS 節(jié)點(diǎn)，并有25 個(gè)區(qū)域AS 的數(shù)量大于100，降低計(jì)算連通性的時(shí)間復(fù)雜度是很有必要的。

表1 各區(qū)域的AS 數(shù)量和AS 鏈接數(shù)量（除去沒(méi)有客戶的AS）

本文通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理來(lái)降低計(jì)算復(fù)雜度，將區(qū)域的抗毀性采樣轉(zhuǎn)化為區(qū)域中AS 的抗毀性采樣。

已有工作[19]提出了路由樹(shù)的構(gòu)建方法，以AS節(jié)點(diǎn)ASbase為基礎(chǔ)，路由樹(shù)通過(guò)3 個(gè)步驟的廣度優(yōu)先算法，構(gòu)建出具有路由策略的連通關(guān)系樹(shù)，后文稱為ASbase的路由樹(shù)。網(wǎng)絡(luò)中可與ASbase進(jìn)行通信的AS 在且僅在ASbase的路由樹(shù)中。計(jì)算路由樹(shù)破壞的連通性復(fù)雜度最壞情況下為O(m+n)，m為鏈接數(shù)量，n為AS 數(shù)量。本文首先構(gòu)建各個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由樹(shù)，從計(jì)算節(jié)點(diǎn)的兩兩連通性的O(n3)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)路由樹(shù)內(nèi)與其他節(jié)點(diǎn)的連通性，復(fù)雜度為O(n×(m+n))。

考慮到各個(gè)AS 的路由影響力不同，只選取重要AS 來(lái)構(gòu)造路由樹(shù)并模擬破壞，將復(fù)雜度降為O(m+n)，得到更加輕量級(jí)的計(jì)算模型。

3.2 測(cè)量數(shù)據(jù)的缺失

基于探測(cè)點(diǎn)收集的AS 路徑數(shù)據(jù)，很容易缺失關(guān)鍵鏈路的信息。區(qū)域之間邊界AS 的鏈接對(duì)評(píng)估區(qū)域間通信的抗毀性至關(guān)重要。

本文通過(guò)發(fā)現(xiàn)隱藏鏈接之間的內(nèi)在相似性進(jìn)行缺失鏈接推斷。文獻(xiàn)[20]發(fā)現(xiàn)隱藏鏈接的存在，并發(fā)現(xiàn)部分隱藏鏈接的特點(diǎn)。對(duì)于只有一個(gè)探測(cè)點(diǎn)被觀察到的鏈接，將其稱為單例鏈接。如果探測(cè)點(diǎn)發(fā)生更改，則可能觀察不到該鏈接，造成此類鏈接的丟失。比如某個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀察到路由路徑為ASA?ASB1?…ASBn?ASC(n≥ 1)，但是另一觀測(cè)點(diǎn)觀察到ASA和ASC也具有直接相連的鏈接，稱為單例鏈接的繞行路徑，用符號(hào)LAC表示該鏈接。此外該論文觀察到在所有繞行鏈接中，連續(xù)兩跳路徑（n=1)是某個(gè)單例鏈接繞行路徑的概率為80.8%，為大多數(shù)情況。

考慮邊界AS 之間的鏈接，對(duì)n=1 時(shí)繞道而行的單例鏈接進(jìn)行預(yù)測(cè)。為了生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)的負(fù)樣本，當(dāng)A 距離觀測(cè)點(diǎn)的跳數(shù)小于或等于1 時(shí)，如果并未觀測(cè)到鏈接，則表示不存在該鏈接，稱為負(fù)樣本。而實(shí)際觀測(cè)到的單例鏈接則稱為正樣本。

針對(duì)邊界鏈接的特點(diǎn)，表2 列出了輸入特征。本文分別使用K 近鄰回歸器、回歸樹(shù)、提升樹(shù)、隨機(jī)森林、極端森林、XGB 進(jìn)行分類預(yù)測(cè)，通過(guò)交叉驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，所有算法的準(zhǔn)確率均高于91%，其中極端森林效果最好，準(zhǔn)確率高達(dá)98%。

表2 邊界AS 鏈接預(yù)測(cè)特征分類及描述

本文通過(guò)該算法預(yù)測(cè)到261 條隱含邊界AS 鏈接。

3.3 地理定位的準(zhǔn)確性

3.3.1 IP 地理定位

IP 定位數(shù)據(jù)庫(kù)在區(qū)域精度上準(zhǔn)確度相對(duì)較精確，本文基于IP 定位數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)IP 的地理定位。為了提高IP 定位結(jié)果的準(zhǔn)確率，使用Team Cymru、Maxmind、IP2location、RIPE IPmap 這4 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。這4 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)對(duì)某個(gè)IP 地址查詢，可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤結(jié)果的數(shù)量大于正確結(jié)果的數(shù)量的情況，例如3 個(gè)一致的錯(cuò)誤結(jié)果與一個(gè)正確結(jié)果。基于合理的假設(shè)，認(rèn)為該現(xiàn)象的發(fā)生是較少數(shù)，設(shè)計(jì)基于投票的方法將4 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)果進(jìn)行融合?；谕镀钡姆椒ú襟E如下。

步驟1計(jì)算4 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性百分比

1) 對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)Di，對(duì)每個(gè)IPi獲得定位結(jié)果Ci。

2) 用其他3 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)IPi進(jìn)行地理定位，確定4 個(gè)地理定位結(jié)果的多數(shù)，并檢查4 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的定位結(jié)果是否與多數(shù)一致，即是否存在一致性。

3) 計(jì)算一致性出現(xiàn)的比例，獲得數(shù)據(jù)庫(kù)Di的一致性百分比DCRi。

步驟2根據(jù)一致性百分比進(jìn)行定位結(jié)果的投票1) 對(duì)于每個(gè)IPi，4 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)果分別為C1、C2、C3、C4。

2) 每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)Di對(duì)自己的結(jié)果進(jìn)行投票，投票分?jǐn)?shù)為DCRi。

3) 獲得投票總分?jǐn)?shù)最多的結(jié)果即IPi的定位結(jié)果。

3.3.2 AS 地理定位

目前，沒(méi)有直接方法進(jìn)行AS 的地理定位。AS路徑進(jìn)行地理映射的最大難點(diǎn)在于存在跨越數(shù)個(gè)區(qū)域的AS，難以對(duì)其進(jìn)行地理定位。雖然地區(qū)性互聯(lián)網(wǎng)注冊(cè)機(jī)構(gòu)（RIS,regional internet registry）在為每個(gè)區(qū)域分配AS 號(hào)時(shí)登記了每一個(gè)AS 所屬的區(qū)域，但是登記的只是每個(gè)AS 法律意義上的所屬區(qū)域，實(shí)際上的AS 路徑可能實(shí)際經(jīng)過(guò)了其他的區(qū)域。結(jié)合IP 定位數(shù)據(jù)庫(kù)和Traceroute 數(shù)據(jù)，本文提出AS 地理定位的快速方案。

本文處理思路如下。首先獲得AS 在各個(gè)區(qū)域的分布，IP 定位數(shù)據(jù)庫(kù)中將IP 地址定位到AS 和區(qū)域，以IP 為媒介，能夠獲得AS 和區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其次，對(duì)于位于單個(gè)區(qū)域的AS，可以直接實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，僅有6.8%的AS 位于多個(gè)區(qū)域，對(duì)于這部分AS，結(jié)合該AS 的上下文環(huán)境（AS 路徑中該AS 的前后AS）進(jìn)行針對(duì)性計(jì)算。

借鑒Karlin 等[21]提出的區(qū)域路徑推測(cè)算法，本文設(shè)計(jì)了輕量級(jí)的匹配方法，對(duì)位于多個(gè)區(qū)域的AS 進(jìn)行地理定位。Traceroute 主動(dòng)測(cè)量能體現(xiàn)自治域內(nèi)路由的情況，首先將Traceroute 數(shù)據(jù)中IP路徑定位到AS 和區(qū)域，獲得AS 路徑和區(qū)域路徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。特別地，對(duì)于某個(gè)鏈接，其是位于不同區(qū)域的相同AS 之間的鏈接，在AS 路徑中合并為一個(gè)AS，這個(gè)AS 的地理定位是2 個(gè)區(qū)域。圖4 描述了位于多個(gè)區(qū)域的AS 地理定位的4 個(gè)步驟，具體描述如下。

1) 對(duì)于AS 路徑P中需要地理定位的ASα。

2) 提取在Traceroute 數(shù)據(jù)中出現(xiàn)ASα的AS 路徑Q。

3) 對(duì)于每個(gè)AS 路徑iQ，將Qi和P進(jìn)行匹配，具體為，以ASα為起點(diǎn)，向前向后獲得最長(zhǎng)匹配子串Mi。

4) 最長(zhǎng)的子串Mx中ASα的定位即AS 路徑P中ASα的定位。

4 抗毀性計(jì)算

本節(jié)首先介紹數(shù)據(jù)處理，目標(biāo)為構(gòu)建具有區(qū)域定位標(biāo)簽的全球AS 拓?fù)?，之后分別介紹區(qū)域內(nèi)部和外部的抗毀性度量的計(jì)算細(xì)節(jié)，抗毀性計(jì)算的方法已在2.3 節(jié)介紹。

4.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)為從RIPE Atlas 平臺(tái)收集到的Traceroute數(shù)據(jù)以及從Routeview 平臺(tái)收集到的BGP 數(shù)據(jù)，二者均為2020 年3 月平臺(tái)的全部數(shù)據(jù)。此外，由于探測(cè)點(diǎn)的局限，預(yù)測(cè)未發(fā)現(xiàn)的邊界AS 鏈路作為拓?fù)鋱D的補(bǔ)充。

在數(shù)據(jù)處理中，需要構(gòu)建具有區(qū)域標(biāo)簽的AS級(jí)拓?fù)鋱D。AS 拓?fù)鋱D中，以AS 為節(jié)點(diǎn)，AS 間建立付費(fèi)關(guān)系P2C（provider to customer）或?qū)Φ汝P(guān)系P2P（provider to provider）為邊。

這一部分主要包括2 個(gè)步驟：第一，需要分別把Traceroute 和BGP 數(shù)據(jù)中的IP、AS 定位到具體的AS 和區(qū)域，形成拓?fù)鋱D中具有區(qū)域標(biāo)簽的AS節(jié)點(diǎn)；第二，為了在后續(xù)分析中考慮加入路由策略的限制，需要給每個(gè)AS 鏈接打上關(guān)系標(biāo)簽，學(xué)術(shù)界普遍將鏈接的關(guān)系分類為P2C 和P2P。

學(xué)術(shù)界有很多推測(cè)AS 關(guān)系的工作[22-24]，并發(fā)布了對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集。利用已有的4 個(gè)AS 關(guān)系數(shù)據(jù)集（AS Rank、Problink、Toposcope、在Toposcope 中加入發(fā)現(xiàn)的隱藏鏈接后得到的數(shù)據(jù)集h-Toposcope）。

4.2 區(qū)域內(nèi)部抗毀性計(jì)算

區(qū)域內(nèi)部關(guān)注區(qū)域內(nèi)部拓?fù)渲蠥S 之間的連通性。在計(jì)算AS 破壞事件度量時(shí)，關(guān)注該AS 與其余AS 節(jié)點(diǎn)的連通。下面具體描述在區(qū)域內(nèi)部，AS節(jié)點(diǎn)資源的定義，以及區(qū)域內(nèi)需要計(jì)算抗毀性采樣的AS 的選擇。

4.2.1 節(jié)點(diǎn)資源定義

從3 個(gè)角度定義AS 節(jié)點(diǎn)i的資源權(quán)重ri。

1) 從連通性角度，ri恒為1。

2) 從用戶影響力角度，ri為ASi的用戶數(shù)量。

3) 從域名影響力角度，ri為ASi的域名重要性影響。

其中，連通性角度默認(rèn)各個(gè)AS 的資源權(quán)重相同，關(guān)注于連通的AS 數(shù)量?？紤]到網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)AS的用戶數(shù)量并不相同，用戶影響力角度計(jì)算AS 在全區(qū)域用戶數(shù)量。文獻(xiàn)[25]使用前綴頂級(jí)列表，將基于域的頂級(jí)列表聚合到網(wǎng)絡(luò)前綴中，獲得各個(gè)AS 基于域名重要性的影響度量。使用該工作的結(jié)果作為域名重要性影響。

4.2.2 重要AS 集合的選擇

根據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)AS cone 值選擇重要AS，AS cone定義為其直接和間接客戶AS 的數(shù)量。由于只希望選擇對(duì)本區(qū)域抗毀性表征力較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)AS 集合，這里只計(jì)算位于本區(qū)域的直接和間接客戶的AS 數(shù)量。

希望盡可能捕捉到本區(qū)域的整體情況，選擇方式如下，首先選擇AS cone 排名前5 的AS，之后按照AS cone 排名逐步添加AS，直到所有AS 的直接和間接客戶覆蓋區(qū)域90%的AS。

4.3 區(qū)域外部抗毀性計(jì)算

區(qū)域外部抗毀性關(guān)注本區(qū)域和其他區(qū)域的連通性。下面具體描述在區(qū)域外部中，區(qū)域節(jié)點(diǎn)資源的定義，以及需要計(jì)算抗毀性采樣的AS 的選擇。

4.3.1 節(jié)點(diǎn)資源定義

區(qū)域外部抗毀性關(guān)注本區(qū)域和其他區(qū)域的連通性，對(duì)于區(qū)域i，從3 個(gè)角度定義其資源權(quán)重ri。

1) 從連通性角度，ri恒為1。

2) 從區(qū)域經(jīng)濟(jì)影響力角度，ri為區(qū)域i人均GDP 的Zipf 權(quán)重。

3) 從域名影響力角度，ri為區(qū)域i的域名重要性影響。

其中，連通性角度默認(rèn)各個(gè)區(qū)域的資源權(quán)重相同，關(guān)注于連通的區(qū)域數(shù)量。從區(qū)域經(jīng)濟(jì)實(shí)力出發(fā)，用區(qū)域人均GDP 度量區(qū)域資源大小。已知在互聯(lián)網(wǎng)中的大量事件流行遵循Zipf 分布[26-27]，為了防止區(qū)域間人均GDP 數(shù)值差距過(guò)大，用Zipf 分布對(duì)人均GDP 數(shù)據(jù)重新處理，得到的Zipf 權(quán)重為區(qū)域的人均GDP 權(quán)重ri。與AS 資源權(quán)重類似，從域名角度統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)部所有AS 的資源權(quán)重作為ri。

4.3.2 重要AS 集合的選擇

選擇區(qū)域的所有邊界AS 作為重要節(jié)點(diǎn)集合，邊界AS 是本區(qū)域和其他區(qū)域通信的“出入口”，邊界AS 的抗毀性采樣結(jié)果能全面反映本區(qū)域和其他區(qū)域通信的情況。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本節(jié)展示抗毀性評(píng)價(jià)的結(jié)果，由于探測(cè)點(diǎn)地理分布的差異，有部分區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)很少。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，去除AS 鏈接數(shù)量太少的區(qū)域。本文研究48 個(gè)區(qū)域的抗毀性，其中歐洲區(qū)域24 個(gè)，亞洲區(qū)域14 個(gè)，非洲區(qū)域2 個(gè)，北美洲區(qū)域3 個(gè)，南美洲區(qū)域3 個(gè)，大洋洲區(qū)域2 個(gè)。

5.1 區(qū)域內(nèi)部抗毀性

實(shí)驗(yàn)具體設(shè)計(jì)如下，使用4.1 節(jié)提到的4 個(gè)AS關(guān)系數(shù)據(jù)集和算法，使用4.2 節(jié)提到的3 種節(jié)點(diǎn)資源權(quán)重。觀察區(qū)域內(nèi)部抗毀性結(jié)果受AS 關(guān)系和AS資源權(quán)重的影響。模擬破壞節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1～6，破壞后該節(jié)點(diǎn)所有相連的鏈接被斷開(kāi)。

圖5(a)和圖5(b)分別描述整體水平和波動(dòng)水平下，各個(gè)區(qū)域內(nèi)部抗毀性度量的排名值。類別1～類別4 分別表示AS Rank、Problink、Toposcope、h-Toposcope 數(shù)據(jù)，b、u、d 分別表示連通性、用戶數(shù)量、域名重要性。將區(qū)域抗毀性度量結(jié)果用灰度圖顯示，區(qū)域抗毀性度量即相對(duì)排名，排名越高，區(qū)域抗毀性越好，灰度越低?；叶葓D的橫坐標(biāo)表示48 個(gè)區(qū)域，用區(qū)域代碼表示，縱坐標(biāo)表示不同的AS 關(guān)系數(shù)據(jù)集和資源權(quán)重組合，按照第一個(gè)組合下區(qū)域抗毀性排名對(duì)區(qū)域排序展示。

首先分析圖5(a)在整體水平下區(qū)域抗毀性度量排名。在12 種組合下，巴西BR、美國(guó)US、俄羅斯RU 抗毀性度量排名并列第一。此外，德國(guó)DE、英國(guó)GB、荷蘭NL、法國(guó)FR、南非ZA、澳大利亞AU、意大利IT、加拿大CA、日本JP、烏克蘭UA、波蘭PL 抗毀性排名緊隨其后，除了以連通性作為資源權(quán)重的情況，其余組合中排名大多區(qū)域并列第一?？梢园l(fā)現(xiàn)，排名位于前列的區(qū)域大多位于歐洲，南非ZA 在非洲排名第一，日本JP 在亞洲排名第一，澳大利亞AU 在大洋洲排名第一。

圖5(b)展示各個(gè)區(qū)域在波動(dòng)水平下的區(qū)域抗毀性度量的排名。該排序和整體水平下的區(qū)域抗毀性度量排名相差很大，中位數(shù)和方差沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系，這也間接說(shuō)明2 個(gè)指標(biāo)聯(lián)合評(píng)價(jià)的合理性。

綜合2 個(gè)角度下的區(qū)域抗毀性度量，對(duì)區(qū)域進(jìn)行聚類，圖6 展示聚類結(jié)果。

圖6(a)綜合2 個(gè)角度下的區(qū)域抗毀性度量排名（12 個(gè)組合），對(duì)區(qū)域進(jìn)行聚類，將結(jié)果分為六類。橫縱坐標(biāo)分別是整體水平（中位數(shù)）和方差角度在12 個(gè)角度下區(qū)域抗毀性度量的總和，每個(gè)類別按照橫坐標(biāo)由小到大排序。

類別1 在2 個(gè)角度下都表現(xiàn)較好，特別是俄羅斯RU、德國(guó)DE、英國(guó)GB、澳大利亞AU、烏克蘭UA，在整體水平和波動(dòng)水平下都有較高的抗毀性值。類別2 和類別3 有很好的整體水平，但是波動(dòng)水平下的抗毀性度量稍差。其中美國(guó)US 和巴西BR 平均水平最好，但是方差角度下抗毀性稍差，屬于類別3。具體觀察圖6(b)方差結(jié)果，各個(gè)區(qū)域只有在連通性度量下有明顯的差異。這一類的區(qū)域有部分關(guān)鍵鏈路，破壞后會(huì)影響部分節(jié)點(diǎn)的連通，但這些節(jié)點(diǎn)重要程度較小，導(dǎo)致對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)影響很小。類別4、類別5 在48 個(gè)區(qū)域中抗毀性處于中等，其中類別4 在波動(dòng)水平下抗毀性更好。最后類別6表現(xiàn)較差，較之前面類別的區(qū)域，受到破壞后對(duì)本區(qū)域通信的影響較大。

觀察到波動(dòng)水平的結(jié)果中，不同資源權(quán)重下的結(jié)果很不相同，進(jìn)一步用資源權(quán)重劃分結(jié)果。

圖6(b)展示了資源權(quán)重為連通性的聚類結(jié)果，劃分為七類，該結(jié)果與12 個(gè)組合下的聚類結(jié)果很相近。主要原因?yàn)椋诓▌?dòng)水平下，各個(gè)區(qū)域在其他度量下的排名基本相似，而在整體水平中，各個(gè)區(qū)域在其他度量下的差異也小于連通性資源權(quán)重的差異。

圖6(c)和圖6(d)分別展示了資源權(quán)重為用戶數(shù)量和域名重要性的聚類結(jié)果，二者結(jié)果相近，且該結(jié)果與圖6(b)有較大差異。兩張圖中，所有區(qū)域的方差幾乎相同，基本依賴區(qū)域的整體水平進(jìn)行聚類。其中，類別1 表現(xiàn)最好，該集合數(shù)量也很多超過(guò)20 個(gè)。之后是類別2 和類別3，其抗毀性度量也較接近。前3 個(gè)類別共涉及一半以上的區(qū)域，超過(guò)一半的區(qū)域抗毀性情況相近且均很優(yōu)秀。之后類別4和類別5 差異增加，抗毀性變差。

從不同度量下的聚類結(jié)果可以看出，超過(guò)一半的區(qū)域有較優(yōu)秀的抗毀性能力，其中各個(gè)區(qū)域有一些細(xì)微差異而導(dǎo)致波動(dòng)水平下排名的區(qū)別，主要體現(xiàn)在一些區(qū)域有部分較脆弱的節(jié)點(diǎn)集合，在某些破壞事件下無(wú)法連通，但節(jié)點(diǎn)集合的總影響力很小。從多個(gè)資源權(quán)重評(píng)價(jià)結(jié)果是合理且很有意義的，連通性度量更能捕捉網(wǎng)絡(luò)的差異性，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的輕微變化，但也會(huì)導(dǎo)致一些影響結(jié)果的“誤判”，無(wú)法分辨破壞的真實(shí)影響力，將用戶數(shù)量、域名重要性作為資源度量參考有效避免了該問(wèn)題。

下面，講述在內(nèi)部抗毀性結(jié)果中的一些發(fā)現(xiàn)。

部分區(qū)域有抗毀性較差的外圍AS 集群。從圖6(a)發(fā)現(xiàn)，AS 關(guān)系的變化對(duì)區(qū)域抗毀性排名影響很小，而不同資源權(quán)重下區(qū)域的抗毀性具有一定差異。在連通性度量中，各個(gè)區(qū)域差異性更大。其原因?yàn)閰^(qū)域外圍有部分AS 資源權(quán)重很小，被破壞后的影響很小。連通性度量認(rèn)為各個(gè)AS 重要性相同，更加受到該類AS 的影響。從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，意大利IT、加拿大CA、日本JP、烏克蘭UA、波蘭PL、印尼ID、印度IN 這些區(qū)域在用戶數(shù)量、域名重要度量下排名前列，但是在連通性角度下與巴西BR 等排名最前的區(qū)域差異增大，這些區(qū)域都具有抗毀性較高的區(qū)域內(nèi)核AS 集群，同時(shí)區(qū)域外圍一些資源權(quán)重較低的AS 更易被破壞。

資源權(quán)重較高的節(jié)點(diǎn)不會(huì)被某些破壞事件突然摧毀。圖6(b)中，只有在資源權(quán)重為連通性時(shí)，各區(qū)域才出現(xiàn)明顯的差異，在其余的資源權(quán)重指標(biāo)下，各個(gè)區(qū)域排名極其接近。該數(shù)據(jù)說(shuō)明在各個(gè)破壞情況下，被破壞后無(wú)法通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)量相差比較大，但是總體其在用戶數(shù)量和域名重要性角度下，相差很小，間接反映了各個(gè)區(qū)域有較高用戶數(shù)量和域名重要性的節(jié)點(diǎn)很少會(huì)因?yàn)槟承┨貏e的攻擊而受到直接的影響。

所有區(qū)域?qū)e的區(qū)域管理的AS 依賴性很小。對(duì)于每個(gè)區(qū)域，圖7 只破壞區(qū)域內(nèi)部由其他區(qū)域管理的AS，旨在發(fā)現(xiàn)是否有部分區(qū)域內(nèi)部拓?fù)浯蟠笠蕾囉谄渌麉^(qū)域管理的AS。與圖5(a)相比，3 個(gè)資源權(quán)重下區(qū)域之間的差異減小，在資源權(quán)重為用戶數(shù)量和域名重要度下，大約30 個(gè)區(qū)域的排名均處于第一和第二，這些區(qū)域中非本區(qū)域管理的AS 對(duì)區(qū)域核心AS 集群影響很小。多數(shù)區(qū)域的排名均提高，其中澳大利亞AU、南非ZA、瑞士CH、印度IN 在資源權(quán)重為連通性時(shí)排名大大提高，整體排名也隨之得到提高。伊朗IR、馬來(lái)西亞MY 在資源權(quán)重為用戶數(shù)量和域名重要性下的提高很明顯，二者在圖5(a)中3 個(gè)度量下的排名均大于10，但在圖7中用戶數(shù)量和域名重要性中排名均上升到前兩名。說(shuō)明2 個(gè)區(qū)域雖然整體安全抗毀性較差，但其他區(qū)域管理的AS 在該區(qū)域重要性很低，該區(qū)域能較好地抵御其他區(qū)域管理AS 的針對(duì)破壞。

5.2 區(qū)域外部抗毀性

區(qū)域外部抗毀性觀察區(qū)域之間的連通，使用4.3 節(jié)提到的3 種區(qū)域節(jié)點(diǎn)資源權(quán)重。觀察抗毀性結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同AS 數(shù)據(jù)集的結(jié)果差異很小，因此圖中只展示了使用AS Rank 數(shù)據(jù)集的結(jié)果。

從2 個(gè)角度出發(fā)，圖8(a)描述各個(gè)區(qū)域外部抗毀性度量即排名值。灰度圖橫坐標(biāo)表示48 個(gè)區(qū)域，縱坐標(biāo)b、g、d 分別表示連通性、經(jīng)濟(jì)影響力、域名重要性度量，var 表示方差角度，無(wú)標(biāo)注表示中位數(shù)角度。按照6 個(gè)組合下區(qū)域抗毀性排名的均值對(duì)區(qū)域排序。與區(qū)域內(nèi)部抗毀性結(jié)果圖5 相比，各區(qū)域的抗毀性差距拉大，很少存在并列排名，各區(qū)域的具體排名也有變化。從圖8 中可以發(fā)現(xiàn)，不同資源權(quán)重下結(jié)果差距很小，分析原因是各區(qū)域邊界AS 數(shù)量有較大差異，所以資源權(quán)重對(duì)結(jié)果影響很小。

圖9 展示區(qū)域外部抗毀性在整體水平和波動(dòng)水平2 個(gè)角度下的聚類結(jié)果，由于不同資源權(quán)重下結(jié)果差異很小，這里只展示了全部組合的聚類結(jié)果。從聚類結(jié)果可以看到，整體水平和波動(dòng)水平的結(jié)果高度正相關(guān)，將各個(gè)區(qū)域劃分為5 個(gè)類別，其中類別1和類別2 區(qū)域外部抗毀性較好，美國(guó)US、德國(guó)DE、英國(guó)GB、加拿大CA 和俄羅斯RU 屬于類別1，抗毀性最好。不同于區(qū)域內(nèi)部抗毀性結(jié)果中大量區(qū)域集中在較好的類別，區(qū)域外部抗毀性中大量區(qū)域集中在較差的類別，其中超過(guò)80%的區(qū)域都在后3 個(gè)類別中。

下面，講述在外部抗毀性結(jié)果中的一些發(fā)現(xiàn)。

不存在一些區(qū)域大量依靠其他區(qū)域管理的邊界AS 服務(wù)?？紤]到區(qū)域外部抗毀性和邊界AS 抗毀性高度相關(guān)，但是位于本區(qū)域的邊界AS 并不一定由本區(qū)域管理，本文只計(jì)算位于本區(qū)域且由本區(qū)域管理的邊界AS，圖8(b)展示該實(shí)驗(yàn)的抗毀性結(jié)果。和圖8(a)相比較，各個(gè)區(qū)域排名都很類似，差距不大，所以不存在一些區(qū)域大量依靠其他區(qū)域管理的邊界AS 傳輸穩(wěn)定的服務(wù)。

各個(gè)區(qū)域邊界AS 數(shù)量差異明顯。表3 列出了各個(gè)區(qū)域邊界AS 的具體數(shù)量，用Mb表示該區(qū)域管理的邊界AS 集合，用Lb表示位于該區(qū)域的邊界AS 集合。表3 中數(shù)據(jù)證明，各個(gè)區(qū)域邊界AS 數(shù)量差距很大，美國(guó)US 有超過(guò)500 的邊界AS，而有5 個(gè)區(qū)域數(shù)量小于10。Mb&Lb表示二者交集，即位于本區(qū)域且由本區(qū)域管理的邊界AS；Mb?Lb表示二者差集，即位于本區(qū)域且不由本區(qū)域管理的邊界AS。這兩行數(shù)據(jù)可以得到區(qū)域內(nèi)部邊界AS 由本區(qū)域管理的比例，比較各個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，除了邊界AS 數(shù)量較小的區(qū)域，約80%都由本區(qū)域管理，其中俄羅斯RU 的比例特別大，95%的邊界AS 均由自己管理。但是新加坡SG 有44%的AS 由其他區(qū)域管理。

表3 區(qū)域邊界AS 的數(shù)量情況

抗毀性排名和區(qū)域的邊界AS 數(shù)量排名接近。比較抗毀性排名和邊界AS 數(shù)量排名，發(fā)現(xiàn)二者趨勢(shì)相同，但也有部分區(qū)域不太一致，其中加拿大CA、日本JP 邊界AS 數(shù)量較少，但是抗毀性排名高，說(shuō)明該區(qū)域具有抗毀性排名較高的邊界AS，也有波蘭PL、保加利亞BG、印度IN，邊界AS 數(shù)量較多，但是抗毀性排名相對(duì)偏低，說(shuō)明該區(qū)域邊界AS 的通信質(zhì)量拖了后腿。進(jìn)一步探究原因，將所有區(qū)域所有邊界AS 的抗毀性采樣輸入顯著性檢驗(yàn)器，得到區(qū)域邊界AS 的抗毀性排名。圖10 繪制了7 個(gè)區(qū)域的邊界AS 抗毀性度量的排名分布。橫坐標(biāo)為邊界AS 抗毀性排名，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)AS 的路由影響力占比。從圖10 中可以發(fā)現(xiàn)，加拿大CA 和日本JP 在第一名的路由影響力比例是最高的。

5.3 區(qū)域通信服務(wù)影響力與抗毀性的關(guān)系

各個(gè)區(qū)域邊界AS 的抗毀性決定了全球通信的抗毀性，從抗毀性的角度出發(fā)，分析各個(gè)區(qū)域管理的邊界AS 在全球通信服務(wù)的重要性，即該區(qū)域通信服務(wù)的影響力。

思路概括如下。對(duì)于每個(gè)區(qū)域，每次只破壞該區(qū)域管理的邊界AS，模擬破壞區(qū)域邊界AS 的數(shù)量為1～25，破壞一個(gè)邊界AS 即破壞該邊界AS 的全部邊界AS 鏈接。計(jì)算該破壞下全部區(qū)域所有邊界AS 的抗毀性采樣，匯總得到區(qū)域的通信服務(wù)影響力。

通信服務(wù)影響力和抗毀性排名差異很大。圖11繪制區(qū)域通信服務(wù)的影響力排名。橫坐標(biāo)為各個(gè)區(qū)域，縱坐標(biāo)為3 種資源權(quán)重。從圖11 中可以發(fā)現(xiàn)，約一半的區(qū)域影響力都非常小，只破壞這些區(qū)域管理的邊界AS，對(duì)區(qū)域間的通信幾乎不造成任何影響。美國(guó)US 和德國(guó)GB 依舊排名靠前，其余與區(qū)域抗毀性排名很不一致，如法國(guó)FR、烏克蘭UA、奧地利AT 在區(qū)域抗毀性中都排名靠前，但是服務(wù)影響力排名靠后。相反，印尼ID、捷克CZ、新西蘭NZ 抗毀性排名較低，區(qū)域管理的邊界AS 數(shù)量Mb較少，但是服務(wù)影響力排名位于前列。

進(jìn)一步分析原因，表4 列出7 個(gè)區(qū)域的邊界AS 抗毀性度量排名前五級(jí)的數(shù)量。和服務(wù)影響力排名一致，美國(guó)有很強(qiáng)的影響力，抗毀性排名第一級(jí)的邊界AS 數(shù)量很多。法國(guó)FR、烏克蘭UA 和奧地利AT 抗毀性排名前五級(jí)的邊界AS 數(shù)量只有一個(gè)或2 個(gè)，遠(yuǎn)不如其他區(qū)域。印尼ID、捷克CZ、新西蘭NZ 抗毀性排名前兩級(jí)數(shù)量很少，但是前五級(jí)的數(shù)量很多。法國(guó)FR、烏克蘭UA 和奧地利AT 的區(qū)域通信影響力低的原因在于它們的邊界AS 有很豐富的AS 鏈接，且該區(qū)域與周圍區(qū)域也有豐富的AS 鏈接，導(dǎo)致破壞該區(qū)域管理的邊界AS 對(duì)互聯(lián)網(wǎng)破壞力很小。與之對(duì)應(yīng)的印尼ID、捷克CZ、新西蘭NZ 對(duì)一些區(qū)域有較高的通信影響。

表4 通信服務(wù)影響力下部分區(qū)域邊界AS 抗毀性排名數(shù)量

6 結(jié)束語(yǔ)

全球互聯(lián)網(wǎng)的重要性與日俱增，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫腔ヂ?lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)。本文采集多方數(shù)據(jù)，建立了較完善的區(qū)域粒度的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。量化不同區(qū)域網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目箽?，定義顯著性檢驗(yàn)器，從內(nèi)部拓?fù)浜屯獠客ㄐ? 個(gè)方面對(duì)區(qū)域抗毀性進(jìn)行排名并發(fā)現(xiàn)區(qū)域差異。后續(xù)工作將重點(diǎn)考慮發(fā)現(xiàn)并定位拓?fù)渲斜∪觞c(diǎn)，精準(zhǔn)給出區(qū)域拓?fù)鋬?yōu)化建議。