CN100586079C - 一种面向数据链路层的网络拓扑发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向数据链路层的网络拓扑发现方法，属于计算机网络管理领域。所述方法包括：根据待发现网关的网关地址获取与其对应的当前活动的IP地址，并将所述IP地址按照子网分类；判断当前子网中的所述IP地址对应的设备的类型，找出当前子网中的交换机，按照交换机的各个端口将当前子网中的交换机分组；确定和所述待发现网关相连的根交换机，用树型图的结构保存根交换机与所述待发现网关的连接关系；确定并保存当前子网中其余交换机拓扑位置，将保存在树型图中的拓扑位置转换为树结构。本发明提供的技术方案完全不倚赖于生成树协议，初始要求的约束条件较少、速度快、节省空间占用等。

Description

一种面向数据链路层的网络拓扑发现方法

技术领域

本发明涉及计算机网络管理领域，特别涉及一种面向数据链路层的网络拓扑发现方法。

背景技术

互联网络已经成为当代信息社会的重要基础设施。随着互联网络技术的不断进步，网络行为和体系结构呈现出快速变化、高度复杂、难以管理的趋势。网络规模不断扩大、复杂性持续增加、网络的异构性日趋提高、异构网络操作系统、多元化的网络通信设备、多种多样的网络服务软件和水平相差甚大的使用者与潜在的攻击者使得目前的网络环境相当复杂。同时，层出不穷的应用也使得用户对网络性能的要求越来越高。在这种趋势下，加强对网络的管理，建立和维护可信、可靠、安全、稳定的网络环境变得异常重要。网络管理已成为网络系统正常运行的关键。如何高效快速发现网络设备及其拓扑结构，建立有效的网络拓扑模型，对于网络管理是十分重要的。网络管理系统中网络拓扑发现机制能发现网络的设备和拓扑结构，例如网络中的所有元素，同时还兼有信息搜集功能，例如搜集所发现的系统的ID、描述等。作为网络管理系统功能开发的基础，网络拓扑发现的目的是提供网络运行视图，是网络管理中的配置管理、故障管理的重要手段。网络拓扑发现对配置管理乃至整个网络管理都是十分必要的。在网络管理的最初阶段，网络拓扑和组成是在设计网络时就已经确定，进行网络配置和故障定位等都是人工输入并依赖于管理人员的经验判断。如今随着网络技术的迅速发展，网络规模越来越大，结构也越来越复杂，而其功能也越来越强。网络管理已成为网络系统运行好坏的关键。网络的实时监测和控制需要一种有效的工具，以利于管理人员及时地了解网络的结构和网络设备的运作情况，同时进行管理信息的获取、定位故障等管理操作。这样，网络拓扑发现和网络拓扑生成作为配置管理的核心与故障管理的基础，在整个网络管理系统的开发中占有重要的地位。目前常用的网络拓扑发现方法有：基于SNMP(SimpleNetwork Management Protocol，简单网络管理协议)的网络拓扑发现方法，基于ICMP(InternetControl Message Protocol，互联网控制消息协议)的网络拓扑发现方法和基于DNS(DomainName System，域名系统)、ARP(Address Resolution Protocol，地址解析协议)、RIP(RoutingInformation Protocol，路由选择信息协议)、OSPF(Open Shortest Path First，开放式最短路径优先)等的网络拓扑发现方法。开展拓扑发现的算法的研究很多。但大多数算法都是针对IP网络的第三层即网络层进行拓扑发现，对第二层即数据链路层以下的网络拓扑发现研究很少。如何实现数据链路层网络拓扑发现正是本发明所要解决的问题。

发明内容

为了发现数据链路层的网络拓扑结构，本发明提供了一种面向数据链路层的网络拓扑发现方法。所述技术方案如下：

一种面向数据链路层的网络拓扑发现方法，所述方法包括：

步骤A：应用简单网络管理协议从地址解析协议表中获取与待发现网关的网关地址对应的当前活动的IP地址，并将所述IP地址按照子网分类；

步骤B：根据简单网络管理协议判断当前子网中的所述IP地址对应的设备的类型，找出当前子网中的交换机，按照交换机的各个端口将当前子网中的交换机分组；

步骤C：从所找出的交换机中确定和所述待发现网关相连的根交换机，用树型图的结构保存根交换机与所述待发现网关的连接关系；

步骤D：判断当前子网中所找出的交换机中是否还有没确定拓扑位置的交换机，如果有，执行步骤E，如果没有，执行步骤G；

步骤E：获取这些没有确定拓扑位置的交换机的上行端口，并根据每个交换机的转发表中的介质访问控制地址对应的IP地址确定与已确定拓扑位置的交换机的连接关系；

步骤F：将所确定的连接关系保存在所述树型图中，返回步骤D；

步骤G：将所述树型图转换为树结构；

所述数据链路层是无生成树协议工作的链路层。

所述步骤C中的从所找出的交换机中确定和所述待发现网关相连的根交换机的步骤具体为：

查找所找出的交换机的转发表，比较各转发表中通过所在交换域上行端口转发的转发条目，将所述转发条目最少的转发表对应的交换机确定为根交换机。

所述步骤E中的根据每个交换机的转发表中的介质访问控制地址对应的IP地址确定与已确定拓扑位置的交换机的连接关系的步骤具体为：

根据已确定拓扑位置的交换机的转发表获取该交换机的下行完全集S，然后计算该交换机的下行完全集中的每个交换机的下行完全集S_n，然后用所述下行完全集S减去所述每个交换机的下行完全集S_n，得到所有与所述已确定拓扑位置的交换机直接相连的交换机。

本发明提供的技术方案的有益效果：

解决了无生成树协议工作的情况下数据链路层拓扑发现、主机之间的拓扑构造以及HUB或没有IP地址的交换机等所谓的哑设备的发现问题，并且本发明提供的技术方案完全不倚赖于生成树协议，初始要求的约束条件较少、速度快，节省空间占用等。

附图说明

图1是本发明实施例提供面向数据链路层的网络拓扑发现方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的确定根交换机的原理示意图；

图3是本发明实施例提供的树型图逻辑结构示意图；

图4是本发明实施例提供的树型图的存储结构图；

图5是本发明实施例提供的确定根交换机下交换机集合的示意图；

图6是本发明实施例提供的交换机的拓扑生成树中HUB位置的示意图；

图7是本发明实施例提供的树型图转换为树结构后的树映像示意图；

图8是本发明实施例提供的图3所示的树型图转换成树的存储结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的详细描述。

网络数据链路层包括连接主机构成以太局域网的主要网络设备，包括：交换机、集线器和主机(工作站)等。以太网是目前使用最广泛的局域网架构，因为网桥协议的透明性使其成为网络中最难获取其网络拓扑的一层。本发明实施例提供了无STP(Spanning Tree Protocol，生成树协议)环境下的二层拓扑发现机制、适用于无STP环境下二层网络拓扑描述的树型图数据结构及相关操作，以及面向数据链路层的网络拓扑发现方法。

为了更好地描述本发明实施例中的技术方案，首先介绍以下相关名词：

交换机上行口：与网关连接距离最近的端口；

交换机下行口：除了上行端口外，与下级的级联交换机或主机相连接的端口；

耗费值：与网关连接节点到网关所需的线段数目；

交换域：与一个网关相连接的主机、集线器、交换机等组成的数据链路层以下设备形成的网络；

下行完全集：如果把由交换机设备构成的数据链路层看作是一树型结构，则某一交换机以下所有交换机构成的集合，称其为下行完全集；

下行交换域：由该交换机以下各个设备组成的网络；

上行交换机：通过本交换机的上行端口与本交换机直接相连的交换机；

下行交换机：通过本交换机的下行端口与本交换机直接相连的交换机；

上行交换域：在整个交换域中除了本交换机和本交换机下行交换域之外的交换域；

上行完全集：在上行交换域中交换机的结合；

根交换机：与网关直接相连的交换机；

网关交换域：在网关以下由交换机、主机、集线器组成的交换网络；

在进行拓扑发现过程中，在交换机交换域的下行端口转发信息中存在一个类似于树、但却是图的一种数据结构，称为树型图。

参见图1，本发明实施例提供一种面向数据链路层的网络拓扑发现方法，具体步骤如下：

步骤101：输入待发现网关的IP地址。

步骤102：应用SNMP从ARP表中得到当前活动的IP地址，并将这些IP地址按子网分类。

步骤103：应用SNMP协议判断当前活动的IP地址的设备类型，找出当前子网中的交换机，按照各个端口将当前子网中的交换机分组。

根据如下公式与表1可以确定数据链路层的设备类型：

$\mathrm{sysServices}=\underset{\mathrm{Li}}{\mathrm{\Σ}}{2}^{(\mathrm{Li}-1)}$

表1

设备类型	L值	sysServices值
			物理层设备	1	1
数据链路层/子网(如：网桥)	2	2
			网络层(如：IP网关)	3	4或6
终端(如：IP主机)	4	8
			应用层(如：邮件中继)	7	72

例如网桥：sysServices＝2。

步骤104：找出当前子网的交换组中与网关直接相连的根交换机，并将根交换机与网关的连接关系以树型图结构保存。

先从找出的交换机中判断出根交换机，判断根交换机需要一个基本前提，即在一个交换机端口内的转发表中对应的交换机是一个集合，且在这个集合中的交换机是以树型结构组织的。这个前提成立的根据是：一个交换域中交换机之间的连接关系可能是树或图型结构，但如果是图形结构，则必然存在回路，如果存在回路又没有生成树协议消除冗余路由，则必然造成死循环。

根据上面的假设，可以认为某一交换域中的交换机是一个树型结构。根交换机的判断原理是：

在树型结构中，双亲结点交换机通过上行端口转发的转发表数目一定大于其孩子通过上行端口转发的转发表数目。因此在某一交换域中，根交换机一定是这样的交换机，即在交换机转发表中通过本交换域上行端口转发的转发条目最少的交换机。其中，该上行端口的MAC(Media Access Control，介质访问控制)地址已知。如图2所示，在网关下的交换域中存在任意两个交换机S₁和S₂，其中交换机S₁为S₂的上行交换机，S₂为S₁的下行交换机。从图2中可以看出，交换机S₁的交换域＝S₁₁+S₁₂+S₁₃。其中S₁₃为S1的上行完全集，S₁₁+S₁₂为S₁的下行完全集；交换机S₂的交换域＝S₂₁+S₂₂。其中S₂₁为S₂上行完全集，S₁₂为S₂的下行完全集。据此可以得出：

S₂+S₂₁+S₂₂＝S₁+S₁₁+S₁₂+S₁₃    (1)

由于S₂₂和S₁₂只相差交换机S₂本身，因此可认为S₂₂＝S₁₂，同时也可忽略交换机S₁、S₂。

于是得到：S₂₁＝S₁₁+S₁₃    (2)

有式(1)和式(2)可以推导出：S₂₁≥S₁₃    (3)

根据以上三个公式，可以推出交换机S₁为该网关下交换域的根交换机。

在判断出根交换机后，需要把根交换机与网关的连接关系以树型图的形式保存。其中的树型图是一种既类似于树，却是图的数据结构。类似于树的原因如下：

1)如果不是树型结构则必然存在回路，如果存在回路又没有生成树协议消除冗余路由则必然造成转发死循环；

2)在交换域各个交换机的下行端口的转发表中一定不含其兄弟和祖先结点的转发信息。因为这样的转发信息一定通过上行端口转发。更为重要的是在这个生成树深度相同的各个结点的交换机的向下转发表一定不包含其兄弟结点的信息，从而具有树型结构的明显特点。

3)无论是真实的物理连接还是下行端口转发表均存在唯一的一个根结点。

认为它具有图的特点的原因如下：交换域中任一交换机的下行端口必然包含所有下行交换域交换机的物理地址。

因此，该数据结构是具有树的特点的图，该数据结构逻辑示意图如图3所示。关于树型图结构的抽象数据类型定义如下：

树型图(Treelike Graph，TG)是一个包含n个结点的有限集合，在任意一棵非空树中：

1)有且仅有一个特定的称为根的结点(Root)；

2)当n＞1时，其余结点可分为m(m＞0)个互不相交的有限集T₁，T₂，...T_m，其中每一个集合本身又符合本定义，并且称为根的子树型图(Sub Treelike Graph.，STG)；

3)任意一个结点都有指向其子孙的信息。这一点与普通的树型结构不同。

抽象数据类型ADT Treelike-Graph {

数据对象D：D是具有相同特性的数据元的集合，称为顶点集。

数据关系R：

若D为空集，则称为空树型图；

若D仅含一个数据元素，则R为空集，否则R＝{H}，H是如下二元关系：

1)在D中存在唯一的称为根的数据元素root，它在关系H下无前驱；

2)若D-{root}≠Φ，则存在D-{root}的一个划分D₁，D₂，......，D_m(m＞0)，对任意j≠k(1≤j，k≤m)，有Dj∩Dk＝Φ，且对任意的i(1≤i≤m)，唯一存在数据元素xi∈Di，有<root，Xi>∈H；

3)对应于D-{root}的划分，H-{<root，x₁>，......，<root，x_m>}有唯一的划分H₁，H₂，......，H_m(m＞0)，对任意j≠k(1≤j，k≤m)，有H_j∩H_k＝Φ，且对任意的i(1≤i≤m)，H_i是D_i上的二元关系，(D_i，{H_i})是一棵符合本定义的树型图，称为根root的子树。

4)

v的子孙集合W，

则必然存在关系VR＝{<v，w>|v∈D，w∈W且P(v，w)，其中，<v，w>表示从V到W的弧，谓词P(v，w)定义了弧<v，w>的意义或信息}。

树型图需要以系统能够实现的方式保存，图4为图3的存储结构图。

步骤105：判断当前子网的交换组中是否存在位置不确定的交换机，如果没有，则执行108；如果有，则执行步骤106。

步骤106：获取位置不确定的交换机的上行端口，并根据每个交换机的转发表中的MAC地址对应的IP地址判断与位置确定的交换机的连接关系。

其中，获取位置不确定交换机的原理是：在网关交换域中，任何一个交换机的下行完全集与该交换机下行完全集中所有交换机下行完全集之和的差即该交换机的下行交换机集合。如果已知根交换机，则可以通过根交换机的转发表求得该交换域的下行完全集，进而求得该交换机下行完全集中所有交换机的下行完全集，因此可以得到根交换机的下行交换机。如图5所示：交换机S₁的下行完全集为S₁₁，交换机S₁的下行交换机集合为{S₂、S₃、S₄……}。交换机S₂的下行完全集为S₂₁、S₃的下行完全集为S₃₁、S₄的下行完全集为S₄₁，……Sn的下行完全集为S_n1。可以看出交换机S₁的下行完全集S₁₁＝S₂+S₃+S₄+……+Sn+S₂₁+S₃₁+S₄₁+……+Sn₁。因此，交换机S1的下行交换机集合S₂+S₃+S₄+……+Sn＝S₁₁-{S₂₁+S₃₁+S₄₁+……+Sn₁}。

获取位置不确定的交换机的上行端口的原理是：无生成树协议工作的链路层交换机转发表中目的地址为网关所对应的端口即为该交换机的上行端口，该交换机其余接口为下行端口。

获取转发表则依据SNMP协议，通过地址标识符取得。

在本发明实施例中，如果网络中存在HUB(集线器)或是没有IP地址的交换机，则依据下述规范判断其连接关系：如果能确定若干交换机处于交换机拓扑生成树的同一层次而且具有相同的上行交换机接口，则在这些交换机之上必然存在一个HUB设备。如图6所示，图6是确定图5交换机的拓扑生成树中HUB位置的示意图，并且可以知道交换机S₁的下行交换机的转发端口。从中可以看出S₂与S₃通过HUB接入到上行交换机，则它们在其上行交换机上必然具有相同转发端口。

步骤107：用树型图的结构保存所确定的连接关系，返回步骤105。

步骤108：将上述所有活动的交换机的拓扑连接关系对应的树型图转换为树结构。

将树型图这种数据结构转换成普通的树结构，即完成了无生成树协议工作情况下数据链路层网络拓扑的发现。如图7所示，图7为图3提供的树型图转换为树结构后的树映像示意图，其相应的存储结构图参见图8，具体的转换算法如下：

树型图到树的转换(TG，&T){

    定义结点队列；

    初始化队列；

    定义返回结果队列；

    初始化该队列；

    定义指向结点的指针；

    指向首结点；

    指向下一子结点；

当(结点不空)

    插入新结点；

结点后移；

   }

返回结点队列＝结点队列；

          定义弧；

         子孙ID；

    当(弧不空){

    删除队列头(&TreeQueue，&TGArc)；

    结点后移动；

      指向结点；

 若(TGArc中的某一结点子孙域＝TreeResultQueue的某一结点子孙域){

       从返回结果队列删除该节点；

   将TGArc中的这一结点加入到TreeResultQueue；

     }

     }

   返回结果队列；

    }。

通过本发明实施例所采用的技术方案，重点解决了无生成树协议工作的情况下数据链路层拓扑发现、主机之间的拓扑构造以及HUB或没有IP地址的交换机等所谓的哑设备的发现问题。该方法完全不倚赖于生成树协议、初始要求的约束条件较少、算法时间和空间高效，填补了该领域的空白。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种面向数据链路层的网络拓扑发现方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤A：应用简单网络管理协议，从地址解析协议表中获取与待发现网关的网关地址对应的当前活动的IP地址，并将所述IP地址按照子网分类；

步骤B：根据简单网络管理协议判断当前子网中的所述IP地址对应的设备的类型，找出当前子网中的交换机，按照交换机的各个端口将当前子网中的交换机分组；

步骤C：从所找出的交换机中确定和所述待发现网关相连的根交换机，用树型图的结构保存根交换机与所述待发现网关的连接关系；

步骤D：判断当前子网中所找出的交换机中是否还有没确定拓扑位置的交换机，如果有，执行步骤E，如果没有，执行步骤G；

步骤E：获取这些没有确定拓扑位置的交换机的上行端口，并根据每个交换机的转发表中的介质访问控制地址对应的IP地址确定与已确定拓扑位置的交换机的连接关系；

步骤F：将所确定的连接关系保存在所述树型图中，返回步骤D；

步骤G：将所述树型图转换为树结构；

所述数据链路层是无生成树协议工作的链路层。

2.如权利要求1所述的面向数据链路层的网络拓扑发现方法，其特征在于，所述步骤C中的从所找出的交换机中确定和所述待发现网关相连的根交换机的步骤具体为：

查找所找出的交换机的转发表，比较各转发表中通过所在交换域上行端口转发的转发条目，将所述转发条目最少的转发表对应的交换机确定为根交换机。

3如权利要求1所述的面向数据链路层的网络拓扑发现方法，其特征在于，所述步骤E中的根据每个交换机的转发表中的介质访问控制地址对应的IP地址确定与已确定拓扑位置的交换机的连接关系的步骤具体为：

根据已确定拓扑位置的交换机的转发表获取该交换机的下行完全集S，然后计算该交换机的下行完全集中的每个交换机的下行完全集S_n，然后用所述下行完全集S减去所述每个交换机的下行完全集S_n，得到所有与所述已确定拓扑位置的交换机直接相连的交换机。

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