CN101228744B - 一种以太网交换机自动拓扑发现方法 - Google Patents

一种以太网交换机自动拓扑发现方法 Download PDF

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Abstract

一种以太网交换机自动拓扑发现方法，首先，网络中交换机建立和维护邻居设备信息表；拓扑收集交换机创建待发现和已发现设备的数据库，在指定VLAN内向其邻居交换机发送拓扑请求报文，将自身设备信息加入已发现设备数据库，将邻居交换机加入待发现设备数据库；被发现交换机提取报文中的信息并回复响应报文，携带其邻居信息表、发送设备信息和跳数；拓扑收集交换机根据响应报文中的信息更新已发现和待发现设备数据库，向指定跳数内，向邻居设备表中未发现的交换机发送拓扑请求报文，并加入该数据库；在待发现设备数据库为空时，结束信息收集过程，分析得到指定VLAN的树状拓扑结构。本发明方法能够发现任意指定VLAN内的交换机拓扑结构。

Description

一种以太网交换机自动拓扑发现方法
技术领域
本发明涉及局域网内以太网交换机的拓扑发现方法，特别是一种基于二层协议的能够自动发现不同虚拟局域网(VLAN)内以太网交换机拓扑结构的方法。
背景技术
随着Internet的大规模发展，作为计算机网络关键设备之一的交换机的管理和优化越来越得到足够的重视。交换机的网络拓扑信息不仅包括网络中的交换机实体，而且包括交换机间互相连接的方式，这使得网络管理员对当前的网络状况有一个清晰、直观的了解，对定位网络故障、分析流量瓶颈、进行错误相关性分析等具有重要的辅助参考作用。网络拓扑信息对于行之有效的网络管理和合理的网络规划具有极其重要的意义，是建立交换机集群的基础。
目前的网络设备的拓扑发现方法主要有基于二层协议的拓扑发现和基于三层协议的拓扑发现。传统的基于三层协议的拓扑发现主要是针对IP(互联网协议)，基于路由协议的拓扑发现，发现路由器和子网的连接，这种技术显然不适合一些不具备路由功能的交换机的拓扑发现。
基于二层协议的拓扑发现是指实现拓扑发现的报文承载于二层协议之上，根据一定拓扑发现算法，完成网络设备的拓扑发现。中国发明专利1449158A公布了“一种网络拓扑信息收集方法”，即属于此类拓扑发现的方法，但是该方法的拓扑发现只能局限在不打VLAN标记的缺省VLAN中，不能发现任意指定VLAN内的设备，这给实际组网应用带来了很大局限性，由于不同的VLAN隔离了不同的广播域，具有不同的数据通道，更加上交换机MSTP(多生成树协议)的应用，使得交换机在不同VLAN内拓扑结构具有一定的多样性。而且，该方法中设备的发现缺乏有效的安全认证机制，无法防止非法设备的欺骗。
美国专利6636499公布的“一种集群网络设备发现的仪器和方法”，公开了一个需要人为逐级确定加入集群，再获得下一跳交换机邻居设备信息表，建立完整的交换机拓扑结构的过程，该方法对如何实现发现不同VLAN内的拓扑结构没有提及，虽然实现了邻居设备的发现，但获得完整的交换机拓扑结构需要将被发现交换机(候选交换机)加入本集群和发起拓扑请求的命令机的支持，无法实现在被发现交换机在不支持集群的情况下自动发现完整的交换机拓扑结构，无法实现在中间交换机加入非本命令交换机集群的情况下自动发现外围交换机的拓扑结构，也无法在非命令交换机获得完整的交换机拓扑结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种以太网交换机自动拓扑发现方法，该方法能够发现任意指定VLAN内的交换机拓扑结构。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种以太网交换机自动拓扑发现方法，包括以下步骤：
(a)网络中的交换机各自完成邻居交换机的发现，建立和维护邻居设备信息表；
(b)拓扑收集交换机创建待发现设备数据库和已发现设备数据库，在指定虚拟局域网VLAN内向其邻居交换机发送拓扑请求报文，携带跳数和拓扑收集交换机设备信息，并将自身设备信息加入已发现设备数据库，将报文发送的目的邻居交换机加入待发现设备数据库；
(c)被发现交换机收到拓扑请求报文后，提取其中的跳数和拓扑收集交换机设备信息，在报文的接收VLAN内向拓扑收集交换机回复拓扑响应报文，携带其邻居信息表、发送设备信息和跳数；
(d)拓扑收集交换机收到拓扑响应报文后，提取出其携带的所述信息，更新已发现设备数据库和待发现设备数据库，如果提取的跳数未达到指定跳数，再向提取的邻居设备表中不存在于已发现设备数据库中的交换机在指定VLAN内发送拓扑请求报文，携带新的跳数以及拓扑收集交换机的设备信息，在该交换机不存在于待发现设备数据库时还将其加入该数据库；
(e)判断待发现设备数据库是否为空，如果不是，返回步骤(c)，否则结束拓扑发现的信息收集过程，对已发现设备数据库进行整理、分析，得到在指定VLAN内以拓扑收集交换机为根的树状拓扑结构。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：该方法中所有报文的发送、接收和处理都是基于二层协议来实现的。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(a)通过以下步骤完成邻居交换机的发现和保存：
(a1)网络中的交换机各自定时发送邻居发现报文；
(a2)网络中的交换机收到邻居设备发来的邻居发现报文后，进行校验和检查，如能通过，执行下一步，否则，直接丢弃该报文，结束；
(a3)该收到报文的交换机提取报文中相关的邻居设备信息，建立或更新邻居设备信息表中的记录，结束。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(a1)中，交换机发送邻居发现报文时，使用组播地址，不进行任何的802.1q标记，并且不受多生成树协议端口阻塞的限制。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(a2)中，网络中的交换机接收到邻居设备发来的邻居发现报文后，还对该报文进行MD5认证，认证通过再执行步骤(a3)，否则丢弃该报文。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述拓扑请求报文中还包含上一跳设备信息，所述步骤(b)拓扑收集交换机向其邻居交换机单播发送的该报文中，跳数为1，上一跳设备为该拓扑收集交换机；所述步骤(d)拓扑收集交换机向响应报文中的邻居交换机发送的该报文中，跳数为响应报文中的跳数加1，上一跳设备为发送响应报文的交换机。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(c)中，被发现交换机还从拓扑请求报文中提取出该上一跳设备信息，如果该上一跳设备不在本机的邻居设备信息表中或者连接该上一跳设备的端口在请求报文VLAN的多生成树协议状态为阻塞端口，则丢弃该拓扑请求报文。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(b)和步骤(d)拓扑收集交换机发送拓扑请求报文时，根据发送端口的指定VLAN的Tag情况决定是否对报文进行802.1q Tag标记，所述步骤(c)被发现交换机在收到拓扑请求报文后，是根据该报文中的802.1q Tag情况和接收端口的默认局域网标识来确定该请求报文的接收VLAN，且在回复拓扑响应报文时，根据发送端口在请求报文的接收VLAN的Tag情况决定是否对报文进行802.1q Tag标记；所述步骤(d)拓扑收集交换机根据响应报文的802.1q Tag情况和接收端口的默认局域网标识确定该响应报文的VLAN，如果该VLAN不是指定VLAN，则丢弃该响应报文。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(b)拓扑收集交换机只向互联端口在指定VLAN内的多生成树协议状态为非阻塞端口的邻居交换机发送拓扑请求报文；所述步骤(c)被发现交换机回复的拓扑响应报文中还包含与邻居设备的互联端口在指定VLAN内的多生成树协议状态，所述步骤(d)拓扑收集交换机只向响应报文中的互联端口在指定VLAN内的多生成树协议状态为非阻塞端口的邻居交换机发送拓扑请求报文。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(d)中更新已发现设备数据库和待发现设备数据库是先判断响应报文中的发送设备是否存在于待发现设备数据库中，如果不存在，丢弃该报文，如果存在，再将其从待发现设备数据库中删除，并将报文中的该发送设备信息及其相关的邻居设备信息表、与邻居设备互联端口在VLAN内的MSTP状态以及跳数信息保存到已发现设备数据库中。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(b)中，拓扑收集交换机将报文发送的目的邻居交换机加入待发现设备数据库之后，还为每个交换机启动一个定时器，该定时器超时则删除库中与其对应的交换机的相关信息；所述步骤(d)中，在向响应报文提取的邻居设备表中的交换机发送拓扑请求后，还在待发现设备数据库搜索该交换机，如果找到则更新其对应的定时器，否则将其加入到待发现设备数据库中并为其启动一个定时器，如果定时器超时，则删除待发现设备数据库中与其对应的交换机的相关信息。
由上可知，本发明是一种具有安全认证机制邻居设备发现、基于二层协议的以太网交换机自动拓扑发现方法，拓扑收集交换机根据其邻居信息表和收集到的其它交换机的邻居信息表，进行整理、分析就能得到在指定VLAN内以拓扑收集交换机为根的树状拓扑机构，不受被发现的交换机是否加入集群和发起拓扑请求的交换机是否是命令交换机的限制。网管台就可以根据相应的拓扑结构得到发现设备和设备间的互联方式，将一幅生动的交换机设备物理拓扑图直接展现在网络管理员的面前，便于其定位网络故障、网络管理和网络优化。
附图概述
图1是本发明实施例交换机自动拓扑发现总体流程图。
图2是本发明实施例交换机发送和接收邻居发现报文的处理流程图。
图3是本发明实施例交换机接收拓扑请求报文的处理流程图。
图4是本发明实施例交换机接收拓扑响应报文的处理流程图。
图5是本发明实施例以拓扑收集交换机为根的网络完整拓扑图。
图6是本发明实施例在VLAN 100内发现的树状拓扑图。
图7是本发明实施例在VLAN 200内发现的树状拓扑图。
本发明的最佳实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的介绍，但不作为对本发明的限定。
本发明提出的交换机自动拓扑发现方法包括邻居发现过程和拓扑发现过程，邻居发现过程用于实现交换机的邻居设备(也称为邻居交换机)的发现，建立相应的邻居设备信息表，是拓扑发现的基础。拓扑发现过程用于实现对VLAN内交换机的邻居设备信息表的收集，建立拓扑信息表。
图1所示是本实施例方法的总体流程图，包括以下步骤：
步骤10，网络中的交换机各自独立完成邻居交换机的发现，建立和维护相应的邻居设备信息表，对该表进行状态更新和老化；
步骤20，拓扑收集交换机创建待发现设备数据库和已发现设备数据库，将自身设备信息、邻居设备信息表、与邻居设备互联端口在VLAN内的MSTP状态及拓扑请求跳数(也简称为跳数)加入已发现设备数据库，相应的跳数为零；
步骤30，拓扑收集交换机从其邻居信息表提取出互联端口(本地端口)在指定VLAN内的MSTP状态为非阻塞端口的邻居交换机，向其单播发送拓扑请求报文，报文中包含拓扑收集交换机的设备信息(如源MAC地址，设备ID等)，跳数为1，上一跳为该拓扑收集交换机；发送时根据发送端口在指定VLAN内的Tag情况决定报文是否进行802.1q Tag标记；发送后，将目的邻居交换机加入到待发现设备数据库中并为每个交换机启动一个定时器，该定时器超时则删除库中与其对应的交换机设备的相关信息；
步骤40，被发现交换机接收到拓扑请求报文后，提取其中的跳数、拓扑收集交换机设备信息和上一跳设备信息，在报文的接收VLAN内向拓扑收集交换机回复拓扑响应报文，报文中携带其邻居信息表、与邻居设备互联端口在指定VLAN内的MSTP状态、发送设备及跳数等信息；
步骤50，拓扑收集交换机收到拓扑响应报文后，提取出其中携带的所述信息，更新已发现设备数据库和待发现设备数据库，如提取的跳数未达到指定跳数，再向提取的邻居设备表中不存在于已发现设备数据库中的交换机在指定VLAN内发送拓扑请求报文，携带新的跳数、拓扑收集交换机设备信息和上一跳设备信息，在该交换机不存在于待发现设备数据库时还将其加入该数据库，并启动定时器；
步骤60，判断待发现设备数据库是否为空，如果是，执行下一步，否则，返回步骤40；
步骤70，此次拓扑发现的信息收集过程结束，记录从发起拓扑收集到收集结束的时间，即为此次拓扑收集的收敛时间。拓扑收集交换机对已发现设备数据库进行整理、分析，得到在指定VLAN内以拓扑收集交换机为根的树状拓扑结构。
上述步骤10是通过图2中交换机发送和接收邻居发现报文的处理流程来实现的，包括以下步骤：
步骤110，网络中的交换机各自定时发送邻居发现报文；
该报文使用组播地址，不进行任何的802.1q标记，定时向物理链路Up的端口进行发送，并且不受多生成树协议(MSTP)端口阻塞的限制，目的是获得与设备直接相连的其它设备的相关信息。
步骤120，交换机接收到邻居设备发来的邻居发现报文后，对该报文进行校验和检查，如能通过，则继续执行下一步，否则，执行步骤150；
步骤130，该交换机对该报文进行MD5认证，以此确立邻居设备的信任关系，如果认证通过，执行下一步，否则执行步骤150；
步骤140，该交换机提取该报文中包含的相关邻居设备信息，建立或更新邻居设备信息表中的记录，结束；
步骤150，直接丢弃报文，结束。
由此，各个交换机可以建立起相应的邻居设备信息表，并完成邻居设备信息表的状态更新和老化。本发明邻居设备的发现并不局限于以上方法，可以采用现有的其它方法。
上述步骤40是通过图3中被发现交换机接收到拓扑请求报文后的处理流程来实现的包括以下步骤：
步骤310，被发现交换机收到拓扑请求报文，进行校验和检查；
步骤320，根据报文中的802.1q Tag情况和接收端口的PVID(默认局域网标识)确定该报文的VLAN ID；
步骤330，提取该报文中的拓扑请求跳数、拓扑收集交换机的设备信息和上一跳设备信息；
步骤340，判断提取出的上一跳设备是否存在于邻居设备信息表中，如果是，执行下一步，否则丢弃该请求报文，结束此次处理；
步骤350，判断连接上一跳设备的端口在请求报文VLAN的MSTP状态是否为阻塞端口，如果是，丢弃该请求报文，否则执行下一步；
步骤360，被发现交换机在拓扑请求报文的VLAN内直接单播回复拓扑响应报文，发送时根据发送端口在该VLAN内的Tag情况决定报文是否进行802.1q Tag标记，报文中携带其邻居设备信息表，与邻居设备互联端口在指定VLAN内的MSTP状态，跳数(即拓扑请求报文中的跳数)以及发送设备(即该被发现交换机)信息，结束。
上述步骤50是通过图4中交换机接收到拓扑响应报文后的处理流程来实现的，包括以下步骤：
步骤410，拓扑收集的交换机接收到被发现设备的拓扑响应报文；
步骤420，根据报文的802.1q Tag情况和接收端口的PVID确定该响应报文的接收VLAN ID；
步骤430，判断该报文的VLAN ID和拓扑请求指定的VLAN ID是否相同，如果是，执行下一步，如果，将该响应报文丢弃，结束；
步骤440，提取该响应报文中的发送设备信息、跳数、邻居设备信息表和邻居设备互联端口在VLAN内的MSTP状态；
步骤450，判断该响应报文的发送设备是否存在于待发现设备数据库中，如果是，执行下一步，否则，将该响应报文丢弃，结束对该报文的处理；
步骤460，将该响应报文中的发送设备从待发现设备数据库删除，将该发送设备信息及其相关的邻居设备信息表、与邻居设备互联端口在VLAN内的MSTP状态以及跳数等信息加入到已发现设备数据库中；
步骤470，判断提取的跳数是否已经达到了收集范围指定的跳数，如果是，不进行后续任何操作，结束对该响应报文的处理，否则执行下一步；
步骤480，对于该报文的邻居设备表中的邻居交换机，如果已存在于已发现设备数据库中，则不再向其发送拓扑请求报文，如果不存在于已发现设备数据库中且报文中该邻居设备互联端口在指定VLAN内的MSTP状态为非阻塞端口，则在指定VLAN内向该邻居设备单播发送拓扑请求报文，报文包含拓扑收集交换机设备信息，跳数为响应报文中的跳数加1，上一跳的设备为发送响应报文的设备，发送报文时根据端口在VLAN内的Tag情况决定报文是否进行802.1q Tag标记；
步骤490，在待发现设备数据库搜索该邻居交换机，如果找到则更新其对应的定时器，否则将其加入到待发现设备数据库中并为其启动一个定时器，完成对响应报文的处理，如果启动的定时器超时，则删除待发现设备数据库中与其对应的设备的相关信息。
图5给出了待发现交换机的以拓扑收集交换机为根的网络完整拓扑图，图6、7给出了采用本发明方法在VLAN 100和VLAN 200内进行拓扑发现得到的树状拓扑图。可以看出，由于配置的不同，在这两个VLAN内进行拓扑发现会得到完全不相同的交换机拓扑图，由此可见基于VLAN的交换机拓扑发现是十分必要和重要的。拓扑发现结果对于网络管理和网络优化具有重要的指导作用，使得交换机的集群管理有章可循。
工业实用性
本发明方法可用于得到在指定VLAN内以拓扑收集交换机为根的树状拓扑机构，以便于其定位网络故障、网络管理和网络优化。

Claims (11)

1.一种以太网交换机自动拓扑发现方法，包括以下步骤：
(a)网络中的交换机各自完成邻居交换机的发现，建立和维护邻居设备信息表；
(b)拓扑收集交换机创建待发现设备数据库和已发现设备数据库，在指定虚拟局域网VLAN内向其邻居交换机发送拓扑请求报文，携带跳数和拓扑收集交换机设备信息，并将自身设备信息加入已发现设备数据库，将报文发送的目的邻居交换机加入待发现设备数据库；
(c)被发现交换机收到拓扑请求报文后，提取其中的跳数和拓扑收集交换机设备信息，在报文的接收VLAN内向拓扑收集交换机回复拓扑响应报文，携带其邻居信息表、发送设备信息和跳数；
(d)拓扑收集交换机收到拓扑响应报文后，提取出其携带的所述信息，更新已发现设备数据库和待发现设备数据库，如果提取的跳数未达到指定跳数，再向提取的邻居设备表中不存在于已发现设备数据库中的交换机在指定VLAN内发送拓扑请求报文，携带新的跳数以及拓扑收集交换机的设备信息，在该交换机不存在于待发现设备数据库时还将其加入该数据库；
(e)判断待发现设备数据库是否为空，如果不是，返回步骤(c)，否则结束拓扑发现的信息收集过程，对已发现设备数据库进行整理、分析，得到在指定VLAN内以拓扑收集交换机为根的树状拓扑结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法中所有报文的发送、接收和处理都是基于二层协议来实现的。
3.如权利要求1所述的自动拓扑发现方法，其特征在于，所述步骤(a)通过以下步骤完成邻居交换机的发现和保存：
(a1)网络中的交换机各自定时发送邻居发现报文；
(a2)网络中的交换机收到邻居设备发来的邻居发现报文后，进行校验和检查，如能通过，执行下一步，否则，直接丢弃该报文，结束；
(a3)该收到报文的交换机提取报文中相关的邻居设备信息，建立或更新邻居设备信息表中的记录，结束。
4.如权利要求3所述的自动拓扑发现方法，其特征在于，所述步骤(a1)中，交换机发送邻居发现报文时，使用组播地址，不进行任何的802.1q标记，并且不受多生成树协议端口阻塞的限制。
5.如权利要求3所述的自动拓扑发现方法，其特征在于，所述步骤(a2)中，网络中的交换机接收到邻居设备发来的邻居发现报文后，还对该报文进行MD5认证，认证通过再执行步骤(a3)，否则丢弃该报文。
6.如权利要求1所述的自动拓扑发现方法，其特征在于，所述拓扑请求报文中还包含上一跳设备信息，所述步骤(b)拓扑收集交换机向其邻居交换机单播发送的该报文中，跳数为1，上一跳设备为该拓扑收集交换机；所述步骤(d)拓扑收集交换机向响应报文中的提取的邻居设备表中不存在于已发现设备数据库中的交换机发送的该报文中，跳数为响应报文中的跳数加1，上一跳设备为发送响应报文的交换机。
7.如权利要求6所述的自动拓扑发现方法，其特征在于，所述步骤(c)中，被发现交换机还从拓扑请求报文中提取出该上一跳设备信息，如果该上一跳设备不在本机的邻居设备信息表中或者连接该上一跳设备的端口在请求报文VLAN的多生成树协议状态为阻塞端口，则丢弃该拓扑请求报文。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)和步骤(d)拓扑收集交换机发送拓扑请求报文时，根据发送端口的指定VLAN的Tag情况决定是否对报文进行802.1q Tag标记，所述步骤(c)被发现交换机在收到拓扑请求报文后，是根据该报文中的802.1q Tag情况和接收端口的默认局域网标识来确定该请求报文的接收VLAN，且在回复拓扑响应报文时，根据发送端口在请求报文的接收VLAN的Tag情况决定是否对报文进行802.1qTag标记；所述步骤(d)拓扑收集交换机根据响应报文的802.1q Tag情况和接收端口的默认局域网标识确定该响应报文的VLAN，如果该VLAN不是指定VLAN，则丢弃该响应报文。
9.如权利要求1所述的自动拓扑发现方法，其特征在于，所述步骤(b)拓扑收集交换机只向互联端口在指定VLAN内的多生成树协议状态为非阻塞端口的邻居交换机发送拓扑请求报文；所述步骤(c)被发现交换机回复的拓扑响应报文中还包含与邻居设备的互联端口在指定VLAN内的多生成树协议状态，所述步骤(d)拓扑收集交换机只向响应报文中的互联端口在指定VLAN内的多生成树协议状态为非阻塞端口的邻居交换机发送拓扑请求报文。
10.如权利要求1所述的自动拓扑发现方法，其特征在于，所述步骤(d)中更新已发现设备数据库和待发现设备数据库是先判断响应报文中的发送设备是否存在于待发现设备数据库中，如果不存在，丢弃该报文，如果存在，再将其从待发现设备数据库中删除，并将报文中的该发送设备信息及其相关的邻居设备信息表、与邻居设备互联端口在VLAN内的MSTP状态以及跳数信息保存到已发现设备数据库中。
11.如权利要求1所述的自动拓扑发现方法，其特征在于，所述步骤(b)中，拓扑收集交换机将报文发送的目的邻居交换机加入待发现设备数据库之后，还为每个交换机启动一个定时器，该定时器超时则删除库中与其对应的交换机的相关信息；所述步骤(d)中，在向响应报文提取的邻居设备表中的交换机发送拓扑请求后，还在待发现设备数据库搜索该交换机，如果找到则更新其对应的定时器，否则将其加入到待发现设备数据库中并为其启动一个定时器，如果定时器超时，则删除待发现设备数据库中与其对应的交换机的相关信息。
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