TCP宏觀平衡性研究.pdf

1、本論文通過對 TCP 協議交互的過程分析，定義了評價 TCP 宏觀平衡性的測度體系，這些測度集從 TCP 的連接建立、拆除和數據傳輸三個過程對TCP的宏觀平衡性進行了刻畫。通過分析幾種典型的 TCP 宏觀異常行為對測度的影響，證明了這些測度可以作為評價 TCP 宏觀行為的有效工具。 論文通過對 TCP 交互的長度分布模型和到達模型等的分析，得到了TCP 宏觀平衡性在不同時間粒度下的測量誤差模型，發(fā)現時間粒度的選擇與測量誤差間近

2、似符合對數線性關系，另外誤差模型還與網絡里 TCP 流的RTT分布和流內報文到達延時有關。對誤差模型的理論分析、模擬、仿真表明，選擇5-10min作為測量的時間粒度對于大多數測量的精度而言是可以接受的。 根據上述測量誤差模型，選擇恰當的時間粒度，以 TCP 協議標準規(guī)定的超時上限作為正常 TCP 交互的RTT和流內報文到達延時的極限，可以得到各種 TCP 宏觀平衡性測度的正常取值的極限，并以此可確定用于評價 TCP 宏觀平衡性

3、的測度及其正常/異常判斷的閾值。論文針對交互的次數一般不大于2的短流情形，例如路由循環(huán)發(fā)生時TCP的工作狀態(tài)，基于TCP的大規(guī)模掃描，DDoS攻擊和蠕蟲擴散等，定義了對應的短流模型來確定時間粒度和正常/異常判斷的標準。給出的實例分析表明，TCP宏觀平衡性能夠從TCP連接建立到拆除的各個不同的階段宏觀地評價TCP的工作狀態(tài),并能檢測TCP宏觀異常行為的發(fā)生時間。 論文通過對hash函數聚類特征的分析，給出了利用hash函數聚類后

4、TCP宏觀平衡性，發(fā)現對不同的 TCP 控制報文進行相同的聚類變換后， TCP 宏觀平衡性保持不變。特別地，在使用Bloom Filter對TCP五元組進行聚類后，不同 TCP 控制報文在相同hash函數的同-hash串的命中率之間也應該遵循 TCP 宏觀平衡性，此即 TCP 宏觀平衡性的聚類不變性。 論文通過對Bloom Filter的誤差分析，放寬hash函數對映射均勻性的要求，使得hash函數可以使用任意類型的映射。選擇

5、源串的部分比特位作為hash函數的過程讓hash函數帶有源串的語義特征；這種直接比特映射的hash函數(DBSM)由于其hash串的比特來自于源串的比特，從hash串逆向推導源串的過程很直觀。在確定兩個由不同hash函數產生的hash串來自于同一個源串后，這兩個hash串可以組成更長的hash串，反映了源串更多的信息。利用DBSM在hash串間重復上面的過程，可得到源串的所有比特。 論文建立了著色過程的概念，它利用兩個hash

6、函數間具有相同著色的特點來確定兩個不同hash函數產生的hash串是否來自于同一個源串，即確定兩個hash串是否同源，在商集映射的視角下發(fā)現其具有較高的精度。通過hash函數的商集映射和著色過程的分析，論文提出了自然著色的概念，在使用DBSM的聚類過程中，保持兩個hash函數間有一定的比特串直接來自于原始比特串，即讓hash函數保持源串的“自然色”，同時也直觀地反映了源串部分比特的聚類狀態(tài)。在此基礎上論文提出基于自然著色聚類還原法的源串

7、聚類信息還原，充分利用自然著色過程的聚類特性和自然著色過程同源性判斷的優(yōu)勢，把具有相同聚類特征的源串的比特串間的關系通過數量和自然色的橋梁，合并為源串的聚類信息，完成從hash串構成的存儲空間對源串的聚類信息的還原。而把‘TCP宏觀平衡性的聚類模型使用自然著色聚類進行分析，利用活躍IP報文的Pareto分布特性，只需對少量Top N的hash串進行自然著色聚類，就可以還原出TCP宏觀平衡性中占主導地位的各種成分的聚類信息。而這些主成份的

8、聚類信息仍然滿足TCP宏觀平衡性的要求，因此對這些主成分的聚類后的TCP宏觀平衡性的分析將反映網絡里主要TCP流量的宏觀平衡性。如果這些主成分被TCP宏觀平衡性測度斷定為異常，則這些聚類的信息就是異?；顒又鳈C的五元組的聚類，可以直接用來進行異常行為阻止。 在實例中進行的檢驗表明，使用自然著色聚類還原的TCP宏觀平衡性能夠有效地揭示出各種TCP控制報文的聚類信息，間接反映網絡里TCP的宏觀狀態(tài)，可以用于網絡管理。對自然著色聚類還

9、原算法的復雜度分析表明，這個算法的時間和空間復雜度都接近于線性，并且由于只需分析Top N的數據，其規(guī)模非常小，適用于對時間和空間復雜度要求非常高的場合。 給出TCP宏觀平衡性和自然著色聚類還原的綜合應用表明，TCP宏觀平衡性的理論和自然著色聚類還原工具對于檢測TCP宏觀異常行為如DDoS、掃描、蠕蟲擴散、病態(tài)路由等非常有效。這些TCP宏觀異常的不同行為特征使得他們在TCP宏觀平衡性和自然著色聚類的框架下非常容易區(qū)分開來。而自