以太网物理拓扑发现方法研究

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摘要：随着计算机网络应用的蓬勃发展，以太网变得越来越复杂，为了方便管理，拓扑自动发现变得越来越重要。物理拓扑主要是对链路层和物理层的设备的发现，设备间的连接关系。该文提出一种用于获取物理拓扑的方法。

关键词：以太网；物理拓扑；自动发现；SNMP；MIB

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）03-0493-04

1 概述

随着计算机网络技术和应用的迅猛发展，网络变得庞大而复杂。单纯依靠人工来绘制拓扑图将变得越来越难。因此，为了能科学有效的管理网络，网络拓扑自动发现变得尤为重要并具有现实意义。网络拓扑又分为逻辑拓扑和物理拓扑，逻辑拓扑主要是对网络层设备的发现以及其逻辑关系的确定；物理拓扑主要是对链路层和物理层的设备的发现，设备间的连接关系，如交换机之间的连接以及主机和交换机的连接。对于网络管理，逻辑拓扑是不够的，要通过物理拓扑来查看网内的设备连接关系。目前获得物理拓扑的技术还不很成熟，本文重点讨论用于获取物理拓扑的方法。

2 研究现状

目前实现的物理拓扑发现方法大致有以下几种方法：基于SNMP协议来采集拓扑数据；基于Bridge-MIB中的地址转发表来确定设备间的连接关系、；基于STP协议来确定；基于Cisco的CDP协议来发现邻居设备（针对Cisco设备）。以上方法，在一定程度上能够完成物理拓扑的发现，但是存在以下缺点：对于地址转发表的要求较高，地址转发表应保持完整；并不是所有的交换机都提供STP MIB；只有Cisco的设备才能使用CDP协议，不适合网络中交换机的多样化的需求；并且SNMP协议对设备的MIB信息进行读取操作时有一定延时，对于一定规模的网络，总延时会比较大。

3 改进的物理拓扑发现方法

本文提出了一种改进的物理拓扑发现方法，这种方法是基于SNMP、MIB来实现的。物理拓扑发现经过以下步骤：节点发现、连接关系计算。现在详细叙述各个模块的实现

3.1节点发现模块的实现

该模块用于发现局域网内所有活动的节点。通常有两种方法：一是通过路由器的MIB中的ipNetToMediaPhysAddress信息获得活动的节点的IP地址；另一个是使用Ping工具，通过将管理机的IP地址与子网掩码与运算得出该网段内所有可用的IP地址，逐个进行Ping操作，能够Ping通的则是活动的主机。这两种方法都存在各自的优点和缺点。

下面主要介绍第一种方法的过程：

1）开始发现；

2）获取网管主机IP以及子网掩码；

3）获取网管主机网关地址；

4）访问网关路由器ipNetToMediaPhysAddre；

5）将活动的IP加入到ActiveNode队列；

6）ActiveNode是否为空 （如果为空直接结束，否则转7））；

7）取出一个队头节点，访问该节点的MIB库（sysServices）；

8）sysServices==2 （如果为真，到9），为假跳到10）；

9）将节点加入到Switch集合中（List）；

10）将节点加入到TerminalNode队列；

11）跳转到6）。

3.2 连接关系的计算

为了说明方便，这里定义几个概念、表示符号、相关的数据库：

叶节点：不具有转发功能的节点称为叶节点，如终端主机、服务器、管理终端等。

交换机端口：一个交换机具有多个物理接口，用Sij交换机Si的j端口

转发模式集合：交换机具有多个端口，有的端口可以转发多个不同的MAC，有的仅能转发单一的MAC，用Ui（端口，转发的MAC）来表示i交换机能转发单一MAC的集合。用Mi来表示i交换机能转发非单一MAC的集合

用{R}表示与交换机直接相连的路由器的接口的MAC

终端主机的MAC：用{T}表示终端主机的MAC

以下就是使用SNMP获取地址转发表的具体步骤：

1）设定SNMP请求PDU，绑定dot1dTpFdAddress（其OID为1.3.6.1.2.1.17.4.3.1.1）这样，收到的应答中能够解析出交换机能够转发的MAC，格式形如：1.3.6.1.2.1.17.4.3.1.1.0.0.12.7.172.8 = Hex： 00 00 0C 07 AC 08

2）根据交换机能够转发的MAC得到转发该MAC的桥端口：设定SNMP请求PDU并绑定dot1dTpFdbPort（其OID为1.3.6.1.2.1.17.4.3.1.2），收到的应答中能够解析出以转发的MAC相对应的桥端口。格式形如：1.3.6.1.2.1.17.4.3.1.2.0.0.12.7.172.8 = 13

3）根据得到的桥端口号能够得到与该桥端口相对应的交换机端口号：设定SNMP请求PDU并绑定dot1dBasePortIfIndex（其OID为1.3.6.1.2.1.17.1.4.1.2），收到的应答中能够解析出与桥端口相对应的交换机的端口号。格式形如：1.3.6.1.2.1.17.1.4.1.2.13 = 2

4）根据以上步骤完成了地址转发表的读取并格式化，最终的格式为[交换机端口，转发的MAC]。

下面针对几种典型的拓扑来说明如何确定连接关系

交换机和路由器相连，并连着终端主机。此时交换机的单一转发集合U中，转发的MAC应包含{R}、{T}，这种情况下很容易确定连接关系以及相应的连接端口。

如图1，交换机S1的单一转发集合U1中应包含{R}、{T1}，由此即可推断交换机S1与路由器相连且有终端主机（叶节点）与之相连，非单一转发集合M1中应包含{T2}、{T3}，由此可以推断交换机S1还连着具有转发功能的设备（如交换机）；交换机S2的单一转发集合U2中应包含{T2}、{T3}，由此可以推断交换机S2有两个终端主机（叶节点）相连，非单一转发集合M2中应包含{R}、{T1}，由此可以判断交换机S2连着一个具有转发功能的设备，综上可知交换机S1和交换机S2的连接关系。

如图2，交换机S1的单一转发集合U1中应包含{R}、{T1}，由此可知交换机S1与路由器直接相连，并且有以终端T1与之相连，非单一转发集合M1中应包含{T2}、{T3}、{T4}、{T5}，由此可知交换机S1还连着两个具有转发功能的设备（M1中含有不同的转发端口）；交换机S2的单一转发集合U2中应包含{T2}、{T3}，由此可知交换机S2连接着两个终端T2和T3，非单一转发集合M2中应包含{R}、{T1}、{T4}、{T5}，由此交换机S2还与一个具有转发功能的设备相连，又由于M1中能转发的MAC与U2中能转发的MAC具有交集，这可判断交换机S1与交换机S2相互连接；交换机S3的单一转发集合U3中应包含{T4}、{T5}，可知交换机S3连接着两个终端T4、T5，非单一转发集合M3中应包含{R}、{T1}、{T2}、{T3}，由此交换机S3还与一个具有转发功能的设备相连，有由于M1中能转发的MAC与U3中能转发的MAC具有交集，故可判断交换机S1还与交换机S3相互连接。

如图3，交换机S1的单一转发集合U1中应包含{R}、{T1}，由此可知交换机S1与路由器直接相连并且有一终端T1与交换机S1相连，非单一转发集合M1中应包含{T2}、{T3}、{T4}，由此可知交换机S1还与另一具有转发功能的设备相连；交换机S2的单一转发集合U2中应包含{T2}，说明有一终端T2与交换机S2相连，非单一转发集合M2中应包含{R}、{T1}、{T3}、{T4}，由此可判断交换机S2连着两个具有转发功能的设备（（M2中含有不同的转发端口）；交换机S3的单一转发集合U3中应包含{T3}、{T4}，可知交换机S3连接着两个终端T3、T4，非单一转发集合M3中应包含{R}、{T1}、{T2}，由此可知道交换机S3还与一个具有转发功能的设备相连，又由于M2与U3有交集，故交换机S2还与交换机S3相互连接。

以上三种拓扑比较简单，但很具有代表性和现实意义，因为现实中的局域网都可以基于以上三种进行扩展。下面将对以上所述的内容进行总结并提出物理拓扑发现的一般过程，定义ActiveNode队列用于存放活动的IP地址以表示活动的节点，定义Switch集合用于存放交换机的IP地址表示交换机节点。

3.3确定连接关系的过程

用流程图详细描述确定连接关系的过程如图4所示。

4 综述

以上所描述的物理拓扑发现过程都是基于现实意义的，当然现实的拓扑可能要复杂的多，但无非是通过各种各样的组合来实现的。本文中所讨论的方法在一定程度上可以降低对地址转发表的要求，改进了现存的方法，当然有些缺点是不可避免的，像是SNMP读取消息的延迟，还有就是由于网络设备IOS版本的不同，读取出来的MIB信息的格式也是不同的，这就要求对信息进行格式化处理，处理成所需要的格式。

总而言之，物理拓扑的发现意义重大，当前需要解决的最重要的问题是：如何使物理拓扑发现的方法规范化、标准化，使之能够适用与不同的拓扑、来自不同厂家的设备。

参考文献：

[1] 李明江.SNMP简单网络管理协议[M].北京：电子工业出版社，2007：1-40.

[2] 李琳，李杰.基于SNMP的网络拓扑发现算法[J].计算机工程与设计，2008，29（6）：1346-1347.

[3] 李玉鹏，王换招.基于SNMP和Java的网络拓扑发现[J].计算机工程与应用，2004，152（3）：152-153.