CN101692642A - 基于交换层树形网络的多子网拓扑发现装置及发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于交换层树形网络的多子网拓扑发现装置及发现方法。包括地址转发表收集装置、最大集计算装置和拓扑生成装置。地址转发表收集装置收集交换机上的地址转发表信息；最大集计算装置根据最大集理论和初始的地址转发表信息，计算出每一个交换机各个端口的最大集；拓扑生成装置根据得到的最大集和交换机各端口间的关系，绘制拓扑图。本发明克服了现有技术的不足，采用最大集，最大集利用交换机不完整的地址转发表，通过集合的迭代运算，从而得出完整的拓扑结构。

Description

基于交换层树形网络的多子网拓扑发现装置及发现方法

(一)技术领域

本发明涉及一种利用计算机技术解决交换层树形网络拓扑发现问题的方法。更具体的，采用一种最大集的模型，根据交换机不完整的地址转发表，构造完整唯一的拓扑图。本发明属于计算机网络拓扑发现技术领域。

(二)背景技术

拓扑发现是网络管理的重要组成部分之一，它是定位网络故障，发现网络瓶颈的先决条件。其主要面临的问题有两个，一是拓扑发现的准确性，二是拓扑发现的唯一性。准确性是指能否根据已知信息获取全面准确的拓扑结构；唯一性是指是否能够获得唯一的拓扑结构。而交换式以太网拓扑发现由于其不存在通用标准和设备多样性等特点，成为网络拓扑中的难点，对二层设备的拓扑逐渐成为国内外研究的重点。

目前有关交换式以太网拓扑发现的方法主要有以下几种：Yuri Breitbart于2000年[1]提出一种基于直接连接定理的链路层拓扑发现算法，该方法适用于单子网情况。

2001年Lowekamp提出了最小知识需求(minimal knowledge requirement)的方法[2]，并通过引入通过集(through set)，运用反证法的思想排除交换机间不可能的连接，该方法不需要完整的地址转发表，弱化了拓扑发现的条件。

2006年孙延涛等人提出了基于连接推理技术(connections reasoningtechnique)的拓扑算法[3]，该方法把交换机地址转发表翻译为一组谓词公式，把拓扑发现问题转变为一个谓词逻辑推理的数学问题，借助数学工具对拓扑发现问题进行研究。该方法定义了一组基本推理规则(basic reasoning rules，BRR)，解决了交换机地址转发表不全的缺点。

2007年孙延涛等人提出了一种基于以太网拓扑结构为无环树形结构的拓扑发现算法[4]，该方法主要描述两个节点的关系，利用树形结构的特点，首先确定交换机根端口的信息，然后确定交换机的连接关系。该方法回避了复杂的网状拓扑结构，更加具有实际应用价值，但是该方法只能适用于单一子网的发现，无

法对多子网和VLAN问题进行处理。

本发明相关的对比文件主要包括：

[1]BREITBART Y.，GAROFALAKIS M.，MARTIN C.，RASTOGI R.，SESHADRIS.，SILBERSCHATZ A.，Topology discovery in heterogeneous IP networks，19thAnnual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies-IEEE INFOCOM2000：′Reaching the Promised Land of Communications′，March 26，2000-March 30，2000，2000，pp.265-274；

[2]LOWEKAMP B.，O′HALLARON D.，GROSS T.，Topology discovery for largeethernet networks，ACM SIGCOMM 2001-Applications，Technologies，Architectures，and Protocols for Computers Communications-，August 27，2001-August 31，2001，2001，pp.237-248；

[3]孙延涛，吴志美，石志强..基于地址转发表的交换式以太网拓扑发现方法[Print(0)].软件学报，2006，(12)；

[4]孙延涛，石志强，吴志美..交换式以太网物理拓扑结构的自动发现[Print(0)].计算机研究与发展，2007，(02)。

可以看出，对交换层拓扑的研究趋势是从单子网到多子网，从复杂环形网络到简单的树形网络，从理论研究到实际应用的发展。已有的方法中存在如下几个问题：

1.忽略了实际应用中最为广泛的树形网络的特点，方法的实现比较困难，算法的时间复杂度高，不利于方法的应用。

2.已有的基于树形网络的方法只能处理单子网的情况，无法应用于实际情况中非常普遍的多子网领域。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种拓扑发现速度快，对地址转发表要求低，发现节点全面的基于交换层树形网络的多子网拓扑发现装置。本发明的目的还在于提供基于交换层树形网络的多子网拓扑发现装置的拓扑发现方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于交换层树形网络的多子网拓扑发现装置由地址转发表收集装置、最大集计算装置和拓扑生成装置组成；地址转发表收集装置收集交换机上的地址转发表信息；最大集计算装置根据最大集理论和初始的地址转发表信息，计算出每一个交换机各个端口的最大集；拓扑生成装置根据得到的最大集和交换机各端口间的关系，绘制拓扑图。

本发明的目的基于交换层树形网络的多子网拓扑发现方法为：

1)收集交换机的地址转发表信息；

2)根据地址转发表信息，建立各交换机各端口的最大集；

3)根据交换机地址转发表信息和最大集方法，生成交换机间的直接连接关系二维表；

4)根据交换机关系二维表，构造拓扑图。

本发明的基于交换层树形网络的多子网拓扑发现方法还可以包括：

1、所述的收集地址转发表信息的方法为：从一台初始的路由器开始，首先发现网内所有的交换机节点，然后对交换机节点发送SNMP查询请求获取其地址转发表。

2、所述的建立最大集的方法为：首先给出最大集的定义，

定义1最大集：节点能够到达的全部设备集合。

第一步，将获取的初始转发表信息作为为最大集发现的初始信息。第二步，依次遍历每个交换机各个端口最大集信息。第三步，根据最大集更新方法，依次更新所有交换机的各个端口最大集信息。

3、所述的建立连接关系二维表的方法为：将得到最大集信息进行处理，最大集里包含节点是与该交换机直接相连或者间接相连的节点；如果两个交换机间接相连，则在关系二维表中两个交换机相交的表格填1；如果两个交换机直接相连，则在关系表中填2。

4、所述的构造拓扑图的方法为：查找连接关系二维表，建立对应交换机对应端口的连接关系。

本发明的优点在于：

1)拓扑发现速度快

由于本发明定义为实际使用最多的树形网络，避免了考虑环形网络复杂的拓扑结构，在发现速度上有很大的提高。

2)对地址转发表要求低

最大集的模型能够利用不完整的地址转发表信息获取完整的拓扑图，满足了实际网络中地址转发表不全的客观条件。

3)发现节点全面

本发明根据经过的多次的迭代，将所有存在的节点都收集到最大集中，避免了一次计算带来的节点发现不全的缺点。

本发明克服了现有技术的不足，采用最大集，最大集利用交换机不完整的地址转发表，通过集合的迭代运算，从而得出完整的拓扑结构。

(四)附图说明

图1为本发明的系统结构图。

图2基于交换式树形网络的多子网拓扑发现方法的详细流程图。

图3实施例1的拓扑图。

图4为表1仿真结果。

图5为表2对比结果。

图6为表3实施例1的连接关系二维表。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

图1所示为一种基于交换式树形网络的多子网拓扑发现方法，包括：

地址转发表收集装置：收集交换机上的地址转发表信息。

最大集计算装置：根据最大集理论和初始的地址转发表信息，计算出每一个交换机各个端口的最大集。

拓扑生成装置：根据得到的最大集和交换机各端口间的关系，绘制拓扑图。

1.地址转发表收集装置

1)制定初始的根路由器。2)从根路由器开始查找路由器中的子网转发表。3)对子网转发表中的IP进行SNMP探测，如果发现该设备带有转发功能则将其加入交换机列表。4)对交换机列表里的交换机发送查询地址转发表的SNMP请求。5)将收到的请求回应记录在地址转发表中。

2.最大集计算装置

1)将交换机各端口的地址转发表作为最大集的初始集合。2)查找该交换机最大集，对于在其中的其他交换机，取出其除了与该交换机相连的端口之外的最大集，将其添加在该交换机最大集中。3)反向更新出现在该交换机最大集中的交换机。4)重复1，2，3知道所有交换机所有端口都更新完毕。

3.建立连接关系二维表

1)查找最大集中的这种情况，如果A交换机i端口中出现交换机B的j端口并且交换机B的j端口也出现在交换机，那么将二维表中A交换机i端口与B交换机j端口相交表格标为1，认为它们之间存在链接关系。2)检查二维表中所有的链接关系，如果交换机A的i端口和交换机B的j端口并不同时存在于交换机C的k端口连接关系，那么将连接关系二维表中两端口相交的表格标为2，代表直接连接。

4.拓扑生成

查找二维表中标记为1的表格，将对应交换机对应端口建立间接连接关系。查找二维表中标记为2的表格，将对应交换机对应端口建立直接连接关系。

5.实施例场景与结果描述

为了验证本发明的有效性，我们设计了两个实施例，并于MKR[2]方法进行了对比。方法采用NS2仿真的方法，分为拓扑建立阶段，随机流量生成阶段，地址转发表统计阶段三个阶段。拓扑建立阶段首先随机产生节点数目和位置，然后建立节点间链接形成拓扑；随机流量生成采用NS2的基于UDP代理的Exponential ON/OFF流量发生器，产生任意时刻随机节点间的UDP包，模拟网络中节点间的通信；地址转发表统计阶段通过统计Trace文件，根据反向学习机制构造地址转发表。在实验中在任意时刻采集交换机的转发表信息，来对理论进行实验，原始集取各交换机各端口的平均转发节点个数，最大集为计算后的各端口可达节点个数，实验结果如表1，表2。

实施例1：

我们模拟了这样的一个网络环境，网络内有100个主机7个交换机。第一步获取各交换机的地址转发表，得到了每个交换机平均包含15个主机的结果，其转发表缺失率为85.9％；第二步根据最大集生成连接关系二维表；第三步根据连接关系二维表得到拓扑图。

实施例2：

我们模拟了这样的一个网络环境，网络内有500个主机35个交换机。第一步获取各交换机的地址转发表，得到了每个交换机平均包含15个主机的结果，其转发表缺失率为96.8％；第二步根据最大集生成连接关系二维表，见表3；第三步根据连接关系二维表得到拓扑图，如图3。

表1得出的结论是交换机能够得到完整最大集的极限缺失率情况，模拟得到的所有交换机端口转发表都没有冗余，并且还包括了所有的节点信息，这也是最大集理论工作的极限情况，如果在这种情况下再缺失一个节点的话，那么最终的最大集中也无法得到该节点。这一点也很好理解，如果一个节点在任何交换机里都没有存在，那么这个节点对于拓扑发现来说就是透明的。

表2是与最小知识需求(minimal knowledge requirement)方法进行的对比的结果，可以发现在转发表缺失的极限情况下，运用MKR所能获得的转发表及其有限，仍然有大量的节点没有获取到，而通过最大集则不会丢失任何节点。

Claims (10)

1.一种基于交换层树形网络的多子网拓扑发现装置，由地址转发表收集装置、最大集计算装置和拓扑生成装置组成；其特征是：地址转发表收集装置收集交换机上的地址转发表信息；最大集计算装置根据最大集理论和初始的地址转发表信息，计算出每一个交换机各个端口的最大集；拓扑生成装置根据得到的最大集和交换机各端口间的关系，绘制拓扑图。

2.一种基于交换层树形网络的多子网拓扑发现方法，其特征是包括如下步骤：

1)收集交换机的地址转发表信息；

2)根据地址转发表信息，建立各交换机各端口的最大集；所述最大集为：节点能够到达的全部设备集合；

3)根据交换机地址转发表信息和最大集信息，生成交换机间的直接连接关系二维表；

4)根据交换机关系二维表，构造拓扑图。

3.根据权利要求2所述的基于交换层树形网络的多子网拓扑发现方法，其特征是所述的收集地址转发表信息的方法为：从一台初始的路由器开始，首先发现网内所有的交换机节点，然后对交换机节点发送SNMP查询请求获取其地址转发表。

4.根据权利要求2或3所述的基于交换层树形网络的多子网拓扑发现方法，其特征是所述的建立最大集的方法为：

第一步，将获取的初始转发表信息作为为最大集发现的初始信息；第二步依次遍历每个交换机各个端口最大集信息；第三步，根据最大集更新方法，依次更新所有交换机的各个端口最大集信息。

5.根据权利要求2或3所述的基于交换层树形网络的多子网拓扑发现方法，其特征是所述的建立连接关系二维表的方法为：将得到最大集信息进行处理，最大集里包含节点是与该交换机直接相连或者间接相连的节点；如果两个交换机间接相连，则在关系二维表中两个交换机相交的表格填1；如果两个交换机直接相连，则在关系表中填2。

6.根据权利要求4所述的基于交换层树形网络的多子网拓扑发现方法，其特征是所述的建立连接关系二维表的方法为：将得到最大集信息进行处理，最大集里包含节点是与该交换机直接相连或者间接相连的节点；如果两个交换机间接相连，则在关系二维表中两个交换机相交的表格填1；如果两个交换机直接相连，则在关系表中填2。

7.根据权利要求2或3所述的基于交换层树形网络的多子网拓扑发现方法，其特征是所述的构造拓扑图的方法为：查找连接关系二维表，建立对应交换机对应端口的连接关系。

8.根据权利要求4所述的基于交换层树形网络的多子网拓扑发现方法，其特征是所述的构造拓扑图的方法为：查找连接关系二维表，建立对应交换机对应端口的连接关系。

9.根据权利要求5所述的基于交换层树形网络的多子网拓扑发现方法，其特征是所述的构造拓扑图的方法为：查找连接关系二维表，建立对应交换机对应端口的连接关系。

10.根据权利要求6所述的基于交换层树形网络的多子网拓扑发现方法，其特征是所述的构造拓扑图的方法为：查找连接关系二维表，建立对应交换机对应端口的连接关系。

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