CN103532741A - 一种接入级网络拓扑管理方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接入级网络拓扑管理方法与系统，其方法包括：网络中的网关网元获取整个网络的网络拓扑和网元之间的连接关系，根据获取到的网络拓扑和网元之间的连接关系生成以网关网元为根节点的拓扑树；网关网元记录和维护拓扑树上所有拓扑节点信息，其中拓扑节点信息至少包括网元级别和网元状态。本发明针对接入层网络设备提出一种基于主控盘的拓扑自动发现和自动管理的拓扑管理方法，很好地实现了对整个网络拓扑的自动收集和维护管理。

Description

一种接入级网络拓扑管理方法与系统

技术领域

本发明涉及一种网络拓扑技术，尤其涉及一种接入级网络拓扑管理方法与系统。

背景技术

随着接入级电信运营商网络的不断扩容升级，网元数量不断增加，传统的SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）网络逐步向分组以太网络转换，新增的以太网设备基本上都做独立网元单独网管。按照现有的网络管理架构，每增加一个新网元运营商都需要对其进行IP配置，网管才能实现对新网元的维护管理。当运营商一次增加的设备较多时，这种配置就显得尤为繁琐。这就要求网络管理系统能最大限度的做到自动化，实现网络拓扑的自动发现和网络设备自动管理，以此简化运维操作，降低运维成本。

拓扑自动发现是指网络管理系统自动挖掘在网网元设备以及网元间的连接关系，形成网络拓扑。当有新网元加入或已有网元脱网时，网络拓扑能自动更新；当脱网网元重新在网后，网络拓扑自动恢复；当已有拓扑网元连接关系变更或原拓扑节点网元设备更换为其他类型网元设备时，网络拓扑自动发生改变，等。

接入级网络一般是由位于网管机房或基站的局端机框和单盘、远端网元设备组成，通常局端机框的主控盘管理着机框中所有单盘及各单盘下挂的所有远端网元设备，而局端机框之间可以通过单盘进行级联。

传统的拓扑自动发现和管理主要有如下两种方法：

一种是网络拓扑自动发现是由开启拓扑发现配置的网元（称之为网关网元，一般是主控盘）收集整个拓扑网络中级联的机框和机框下挂的远端网元设备，完成拓扑自动发现，并上报网元管理软件（简称为网管NMS），再由网管实现对拓扑的IP分配。但这种方法存在两个主要缺陷，一是拓扑自动发现的网元IP分配需要用户干预无法做到真正自动化，二是对没有网管的环境就只能做到拓扑自动发现，但无法实现网元自动管理。

另一种是采用DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机设置协议）技术，选取一个网元做DHCP服务器，其他的均为DHCP客户端。服务器和所有客户端之间，通过DHCP协议，由客户端发起IP申请，服务器经过仲裁后为客户端分配IP。这样一来网络管理的主动权就不在网关网元上，若客户端因故没有发起IP申请，或申请报文因故丢失，网关就无法发现客户端网元更不能进行IP分配了。另外DHCP分配仅能实现IP分配，若要实现网络拓扑收集，还需要额外的协议来支撑，这样一来网络中必然要增加网络报文的传输和交互，增加发生网络拥塞的风险，且浪费了有限的带宽。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中接入层网络拓扑管理的不足，实现网络拓扑的自动发现和自动管理。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种接入级网络拓扑管理方法，所述方法包括：

网络中的网关网元获取整个网络的网络拓扑和网元之间的连接关系，根据获取到的所述网络拓扑和所述网元之间的连接关系生成以所述网关网元为根节点的拓扑树；

所述网关网元记录和维护所述拓扑树上所有拓扑节点信息，其中所述拓扑节点信息至少包括网元级别和网元状态。

其中，所述网元级别是指所述节点距离所述网关网元的层次，所述网关网元为0级，所述网关网元的邻居网元为1级，所述网关网元的邻居网元的邻居网元为2级，依此类推。

其中，所述网元状态包括如下状态：

NONE状态，初始状态；

UNCONFIRMED状态，节点相对基准拓扑有变化，待确认状态；

CONFIRMD状态，认可拓扑节点变化的状态；

IPSETTING状态，等待下发IP配置或已下发但未生效的状态；

ONLINE状态，正常工作状态；

OFFLINE状态，脱网状态。

其中，其中：

所述拓扑节点信息还包括如下信息中的其中一种或任意多种：

节点ID，节点ID记录着从网关网元到该网元的路径，整个拓扑树中的每个网元用节点ID来索引；

类型，为网元设备的类型号；

IP，为网元分配的IP；

网元时间，记录网元在网和脱网时刻；

父节点。

其中，所述方法还包括：

发生如下情形之一时，节点进入CONFIRM状态：

对于非基准拓扑变更的节点，节点直接进入CONFIRM状态，重新为该网元分配IP；

对于基准拓扑变更的节点，经确认后进入CONFIRM状态，否则，进入OFFLINE状态。

其中，所述方法还包括：

发生如下情形之一时，节点进入ONLINE状态：

网元保存了IP配置，脱网之后位置不变重新在网，直接进入ONLINE状态；

网元的IP可直接使用，无需重新分配，直接进入ONLINE状态；

网元的IP不可用、或者网元入网无IP，在分配IP后，网关网元收到IP生效后的网元，进入ONLINE状态。

其中，所述方法还包括：

发生如下情形之一时，节点进入OFFLINE状态：

通过拓扑发现检测到网元脱网；

发现节点类型变更，则先将原节点置为OFFLINE状态，且该节点的子节点也会因父节点变化而进入OFFLINE状态。

其中，所述方法还包括：

通过开启邻居发现的网元设备发送和接收邻居发现查询报文进行相邻网元发现：

网元在接收到邻居发现报文时，判断接收到的邻居发现报文的类型：若为邻居发现查询报文且不是自己发出的，则以本设备的网元信息为报文净荷组织邻居发现应答报文，并将邻居发现应答报文从接收到邻居发现查询报文的端口回复查询的网元；若为邻居发现应答报文且不是自己发出的，则解析该邻居发现应答报文中的网元信息，作为自己的邻居记录在邻居表中；若为自己发出的邻居发现查询报文或者邻居发现应答报文，则直接丢弃。

其中，所述邻居发现查询报文为广播报文，所述邻居发现应答报文为单播报文。

其中，所述开启邻居发现的网元设备周期性地发送所述邻居发现查询报文，若连续多个周期均未收到所述邻居发现应答报文，则将相应的网元从邻居表中删除。

其中，所述方法还包括：

所述网关网元获取整个网络的网络拓扑和网元之间的连接关系，包括：

所述网关网元首先将自己的网元信息添加到拓扑表中，再将自己的邻居网元信息都添加到拓扑表中；并将所述邻居网元都加入拓扑待查询队列中，所述拓扑待查询队列中的网元标识为拓扑已知但未查询其邻居的网元；

所述网关网元依次向所述拓扑待查询队列中的网元发送拓扑发现查询报文，查询指定网元的邻居信息；

接收到拓扑发现报文的网元，判断接收到的拓扑发现报文的类型：若为拓扑发现查询报文且不是自己发出的，则获取所有的邻居网元信息组织拓扑发现应答报文，将拓扑发现应答报文从接收到拓扑发现查询报文的端口回复网关网元；

所述网关网元接收到拓扑发现应答报文时，依次提取该拓扑发现应答报文中的网元信息，然后将网元信息更新到拓扑表中；

所述网关网元再将发现的邻居网元的邻居网元加入所述拓扑待查询队列中，依次向所述拓扑待查询队列中的网元发送拓扑发现查询报文，并依据接收到的拓扑发现应答报文提取其中的网元信息，将网元信息更新到拓扑表中，依此类推，最终依据更新后的拓扑表获取整个网络的拓扑和网元之间的连接关系。

其中，所述网元在接收到自己发出的拓扑发现查询报文或者拓扑发现应答报文时，直接丢弃。

其中，所述网关网元按照以下方式将提取的拓扑发现应答报文中的网元信息更新到所述拓扑表中：

对首次发现的网元创建资源添加到拓扑表，并将该网元信息添加到所述拓扑待查询队列；

对拓扑表中已有的网元信息进行更新，并比较拓扑连接关系，若拓扑连接关系发生变化，则发送拓扑变化告警。

其中，所述网关网元根据获取到的网络拓扑和所述网元之间的连接关系生成以所述网关网元为根节点的拓扑树，包括以下步骤：

节点级别生成：根据网络拓扑和连接关系生成节点级别，一并记录到拓扑表中；

拓扑节点记录：首先根据节点的级别、父节点的ID，生成节点的ID；然后查找该ID在拓扑树中是否存在，如果不存在则认为是新节点，直接添加；如果存在，则判断节点是否有变化，若节点有变化，则将当前拓扑的节点数据都更新为变更后的数据。

其中，所述方法还包括：

根据网络拓扑及网元节点状态的迁移，为网元节点分配IP。

其中，所述根据网络拓扑及网元节点状态的迁移，为网元节点分配IP，包括：

对于IPSETTING状态的网元节点，直接将节点的IP打包下发；

对于拓扑没有变化的网元节点，且该节点已经分配有IP，则仍为网元分配该节点的IP；

对于有变化的节点，网元IP需要重新分配不同于原节点的IP；

如果网元设备IP不可用，则先从IP池的空闲IP中分配；

如果空闲IP已用完，则从OFFLINE状态过期的网元IP中分配。

此外，本发明还提供了一种接入级网络拓扑管理系统，包括拓扑自动发现模块、拓扑自动管理模块，所述拓扑自动发现模块包含相邻网元发现单元和拓扑发现单元，所述拓扑自动管理模块包含拓扑收集单元和网元自动管理单元；其中：

所述相邻网元发现单元，获取邻居网元信息及与邻居网元的连接关系；

所述拓扑发现单元，获取到整个网络的网络拓扑和网元之间的连接关系；

所述拓扑收集单元，根据所述网络拓扑和所述网元之间的连接关系生成以网关网元为根节点的拓扑树，记录和维护所述拓扑树上所有拓扑节点信息，其中所述拓扑节点信息至少包括网元级别和网元状态；

所述网元自动管理单元，根据网络拓扑及网元节点状态的迁移，为网元节点分配IP。

其中，所述网元自动管理单元，记录和维护的所述拓扑节点信息还包括如下信息的其中一种或任意多种：

节点ID，节点ID记录着从网关网元到该网元的路径，整个拓扑树中的每个网元用节点ID来索引；

类型，为网元设备的类型号；

IP，为网元分配的IP；

网元时间，当网元在网时，用于标识网元在网的时刻；当网元脱网时，用于标识网元脱网的时刻；

父节点。

其中，所述相邻网元发现单元，通过发送和接收邻居发现查询报文进行相邻网元发现：

在接收到邻居发现报文时，判断接收到的邻居发现报文的类型：若为邻居发现查询报文且不是自己发出的，则以本设备的网元信息为报文净荷组织邻居发现应答报文，并将邻居发现应答报文从接收到邻居发现查询报文的端口回复查询的网元；若为邻居发现应答报文且不是自己发出的，则解析该邻居发现应答报文中的网元信息，作为自己的邻居记录在邻居表中；若为自己发出的邻居发现查询报文或者邻居发现应答报文，则直接丢弃。

其中，所述拓扑发现单元，按照下述方式获取到整个网络的网络拓扑：

首先网关网元将自己的网元信息添加到拓扑表中，再将自己的邻居网元信息都添加到拓扑表中；并将所述邻居网元信息都加入拓扑待查询队列中，所述拓扑待查询队列中的网元标识为拓扑已知但未查询其邻居的网元；

依次向所述拓扑待查询队列中的网元发送拓扑发现查询报文，查询指定网元的邻居网元信息；接收到拓扑发现应答报文时，依次提取该拓扑发现应答报文中的网元信息，然后将网元信息更新到拓扑表中；

再将发现的邻居网元的邻居网元信息加入所述拓扑待查询队列中，依次向所述拓扑待查询队列中的网元发送拓扑发现查询报文，并依据接收到的拓扑发现应答报文提取其中的网元信息，将网元信息更新到拓扑表中，依此类推，最终依据更新后的拓扑表获取整个网络的拓扑和网元之间的连接关系。

其中，所述拓扑收集单元，根据所述网络拓扑和所述网元之间的连接关系，按照下述方式生成拓扑树：

节点级别生成：根据网络拓扑和连接关系生成节点级别，一并记录到拓扑表中；

拓扑节点记录：首先根据节点的级别、父节点的ID，生成节点的ID；然后查找该ID在拓扑树中是否存在，如果不存在则认为是新节点，直接添加；如果存在，则判断节点是否有变化，若节点有变化，则将当前拓扑的节点数据都更新为变更后的数据。

其中，所述网元自动管理单元，按照下述方式为网元节点分配IP：

对于拓扑没有变化的网元节点，且该节点已经分配有IP，则仍为网元分配该节点的IP；

对于有变化的节点，网元IP需要重新分配不同于原节点的IP；

如果网元设备IP不可用，则先从IP池的空闲IP中分配；

如果空闲IP已用完，则从OFFLINE状态过期的网元IP中分配。

综上所述，本发明针对接入层网络设备提出一种基于主控盘的拓扑自动发现和自动管理的拓扑管理方法，很好地实现了对整个网络拓扑的自动收集和维护管理。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

1、本发明至少一个实施例中，打破了传统接入网由网关网元实现拓扑发现，由网管实现网元IP分配的做法，统一在网关网元实现，减少了用户干预，真正做到自动化，并且使得即使在没有网管的情况下，也能实现网元的自动管理，弥补了未上网管拓扑无法自动管理的缺陷；

2、本发明至少一个实施例弥补了基于DHCP的网元IP分配只能实现单一网元管理的缺陷，真正做到了整个拓扑，包括级联机框、级联机框下挂远端网元的拓扑自动发现和自动管理；

3、本发明至少一个实施例中，对网元IP具有记忆功能，有些用户端的远端网元，即使用户下班断电后网元脱网，但网元IP被网关网元记录下来，待网元重新上电后，可以直接使用原IP，减少了重复分配的IP的繁琐，并维护了网络拓扑的稳定性。

综上所述，本发明克服了现有接入网络拓扑管理的不足，仅由局端主控盘就可以实现整个网络包括级联机框和远端网元的拓扑自动发现和管理，且无需网管配合使用；且满足了运营商网络升级扩容或网元设备更换换代时，无需人工干预就能实现网络拓扑的自动发现、自动更新、自动管理的需求，简化为运维操作，降低了运维成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1是本发明实施例的接入级网络拓扑管理方法的示意框图；

图2a和图2b分别是本发明实施例的邻居发现模块的发送和接收处理流程示意图；

图3a和图3b分别是本发明实施例的拓扑发现单元的发送和接收处理流程示意图；

图4是本发明实施例的网元节点状态迁移示意图；

图5是本发明实施例的IP分配原则示意图；

图6是本发明实施例的接入级网络拓扑管理系统的示意框图。

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明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明提出的网络拓扑管理方法由两部分组成，分为两个层次：底层是拓扑自动发现部分，采用基于数据链路层定义的私有拓扑收集协议，包括相邻网元发现协议和拓扑发现协议，其中这两种协议报文均为untag报文使用特定的以太网类型，无需管理VLAN，协议中定义有严格的安全校验机制，本发明不介绍报文格式，仅阐述技术方案；上层是拓扑自动管理部分，包括拓扑收集和网元自动管理，如图1所示。

一、相邻网元发现

相邻网元发现也可以称为邻居发现，使用邻居发现协议，邻居发现的查询报文为广播报文，应答报文为单播报文，报文处理也分为发送和接收两个流程，如图2a和图2b所示。

邻居发现的查询部分见图2a中所示的发送流程，开启邻居发现的网元设备，可以是主控盘，也可以是远端网元，若是主控盘则向机框内所有在位单盘的linkup端口发送邻居发现查询报文，若是远端网元则向本设备linkup的端口发送邻居发现查询报文。邻居发现查询报文的发送是周期性的，且该周期可配，用户可根据拓扑网络的规模，和网元间的距离来调整发送周期。每个端口的查询周期内只允许发送一次邻居发现查询报文，这样可以减少网络中查询报文的数量，降低发生网络拥塞的风险，另外，由于该查询报文是广播报文，通过控制查询次数也降低了发送广播风暴的风险。

邻居发现的接收部分见图2b中所示的接收流程。首先网元判断接收到的邻居发现报文的类型，若为查询报文（非应答报文）并且不是自己发出的，则终结该查询报文并应答，应答信息包括自己的网元信息，例如MAC、IP及拓扑连接关系等，然后组织应答单播报文，将自己的网元信息作为报文净荷，最后将应答报文从收到查询报文的端口回复查询网元；若为应答报文并且不是自己发出的，则处理该应答报文，解析报文中的网元信息，作为自己的邻居记录在邻居表中。只要网元收到了自己发出的无论是查询报文还是应答报文，说明拓扑中有环形成了，报文无需处理直接丢弃。

此外，邻居老化是通过指定周期查询无响应来实现的，每个支持邻居发现的网元都维护一张邻居表，当连续多个（例如可设置成连续3个）查询周期发送的邻居查询报文都没有收到应答时，则认为对应该查询端口的已有邻居网元脱网了，将该网元从邻居表中删除。这样有效避免了传统集群管理靠老化时间认为网元丢失，带来的老化时间很难设定、易造成不能及时发现设备丢失或误认为设备丢失的问题。

由上可知，本发明实施例中的邻居发现是问答式的，即网元先发送查询邻居报文，收到回应则认为有邻居存在。有效避免了传统集群管理采用的限定跳数的层层转发方法中，因网络中存在环网或端口镜像时而发生的邻居误发现问题。

二、拓扑发现

拓扑发现也包括发送和接收两个流程，分别如图3a和图3b所示。配置拓扑发现为使能的网元称为网关网元，网关网元通过发送拓扑查询报文，普通网元应答自己的网元信息和邻居网元信息给网关网元，从而使得网关网元能够获取到整个网络拓扑，其中无论拓扑查询还是拓扑应答报文都是单播报文。故图3a中的发送流程仅针对网关网元，网络拓扑中仅网关网元维护拓扑表。需要说明的是，配置拓扑发现为使能的网关网元可以是网络中任意具备拓扑发现功能的网元。

拓扑发现报文的发送流程见图3a，网关网元首先将自己的网元信息添加到拓扑表中，然后从邻居表中将自己的邻居网元信息都添加到拓扑表中，并将这些网元信息都加入拓扑待查询队列中，该队列中的网元标识为拓扑已知但未查询其邻居的网元。网关网元依次向待查询队列中的网元发送拓扑查询报文，来查询指定网元的邻居信息。

与邻居发现类似，拓扑发现的查询报文发送也可以是周期性的，在一个网元的查询周期内只发送一次查询报文，若查询周期没到，则先不发送查询报文直至查询周期到了再发。若连续多个（例如3个）查询周期，均没有收到对应的查询应答，则将拓扑表中维护的该网元删除。

接收到拓扑查询报文的网元处理流程见图3b中所示，首先网元判断接收到的拓扑报文的类型，若为查询报文（非应答报文）并且不是自己发出的，则终结该查询报文并应答，从自己的邻居表中获取所有的邻居网元信息作为应答信息，然后组织单播应答报文，将该应答报文从收到查询报文的端口回复网关网元；若为应答报文并且不是自己发出的（仅网关网元会收到应答报文），网关网元依次提取报文中的网元信息，将网元信息更新拓扑表中：对首次发现的网元创建资源添加到拓扑表，并将该网元添加到拓扑待查询队列；对拓扑表中已有的网元进行更新，并比较拓扑连接关系，若拓扑连接关系发生变化，则发送拓扑变化告警。只要网元收到了自己发出的无论是查询报文还是应答报文，说明拓扑中有环形成了，报文无需处理直接丢弃。

结合上述拓扑查询的报文发送和接收流程，可以看出网关网元在拓扑发现流程处理中，处于主动地位，无需额外的查询通知，而是周期性的进行查询，既可以减少报文的交互，又能避免因通知机制中网元失效而不能及时发现拓扑变化。网关网元通过拓扑查询自己的邻居网元，获取到了邻居的邻居网元，然后通过向邻居的邻居查询拓扑，又获取到它的邻居网元，依次类推，网关网元可以收集齐整个网络拓扑所有网元设备。

拓扑查询报文仅由网关网元发起，且为单播报文，无需指定跳数，无需层层复制转发，从而降低了发生网络拥塞和广播风暴的风险。一般情况下网络拓扑中有一个网元开启拓扑发现功能就可以获取到整个网络的拓扑了，若多个网元都开启拓扑发现，则网络中拓扑交互报文会比较多，网元对报文的及时处理率会有所下降，故优选网络中选取一个网元开启拓扑发现就可以了。

三、拓扑收集

拓扑收集是在拓扑发现的基础上，定义了拓扑、节点、节点状态等概念，在拓扑收集的过程中，完成拓扑收集，形成拓扑树。

其中，所述的拓扑收集涉及如下几个主要概念：

1）基准拓扑：认可了的稳定的拓扑；

2）当前拓扑：变化的非稳定态的拓扑；

3）节点变化：一是相同拓扑位置网元类型变化；二是网元父节点变化而引起的变化。

拓扑树上的每一个位置称为节点，用来标示网元，并记录网元信息，节点信息包括：网元的级别、ID、类型、IP、网元时间、父节点、网元状态。

需要说明的是，本文所指的节点和网元是一个概念，节点是用于标示网元的，一个节点标示一个网元。只是从拓扑树的角度，将网元称之为节点，或网元节点。

1、节点用ID来标示，记录着从网关到该网元的路径，整个拓扑树中的每个网元均可用节点ID来索引。

2、每个节点根据距离网关网元的层次来划分级别，网关为0级，网关的邻居为1级，依此类推，目前实现的最大为20级。比如网关的slot9-port3级联网元2，网元2的slot5-port7下挂一个远端网元A，则网元2的级别为1，节点ID可以设置为93；远端网元A的级别为2，节点ID可以设置为9357。

3、类型，为网元设备的类型号，节点类型变化则标识了拓扑变化。

4、IP，为网元管理使用的IP地址。

5、网元时间，用于记录网元在网和脱网的时刻，并可结合网元状态使用，当网元在网时，该时间标识在网的时刻；当网元脱网时，该时间标识脱网的时刻。

6、每个节点只需关心自己的父节点，无需关心子节点，在拓扑比较时，如果父节点变化，那么它下联的所有层次子节点都要发生变化。

7、网元状态记录着拓扑中的网元从发现到消失的各种状态，贯穿整个网络和自动管理的始终，拓扑中的节点一旦创建就不会自动删除。只有用户手动将某个节点删除时，该节点才会从拓扑中消失，这样处理的目的是当网元重新在网时，无需重新创建节点，直接进行状态迁移，能较快的实现拓扑收集和后续处理。各状态节点说明如下：

1）NONE状态：初始状态。

节点刚创建时为该状态，该状态时间很短暂，新加入的节点无需用户确认直接进入CONFIRM状态。

2）UNCONFIRMED状态：待确认状态，节点相对基准拓扑有变化。

基准拓扑中节点有变化，等待用户确认。可能是本节点类型变化，也可能是父节点变化。需要用户确认变化的节点才会更新到基准拓扑，并重新分配IP；否则该变化的节点将不可被网管。

3）CONFIRMD状态：认可拓扑节点变化的状态。

状态为CONFIRM的节点，才有机会被分配IP。有三种进入CONFIRM状态的情况：

a)是新加入的节点直接由NONE进入CONFIRM状态

b)是非基准拓扑变更的节点，无需确认，无论节点的当前状态是什么均要进入CONFIRM状态，重新分配IP。

c)是基准拓扑变更的节点，需要用户确认方可进入CONFIRM状态，否则将为OFFLINE状态，节点将不可网管。

4）IPSETTING状态：等待下发IP配置或已下发但未生效的状态。

5）ONLINE状态：网元节点IP有效，正常工作状态。

网关收到IP生效的网元，设置IP成功，该网元节点允许网管。有几种情况网元节点进入ONLINE：

a)网元保存了IP配置，脱网之后位置不变重新在网，直接进入ONLINE。

b)网元的IP可直接使用，无需重新分配，直接进入ONLINE。

c)网元的IP不可用（有冲突），或网元上来无IP，分配IP后，网关收到IP生效后的网元，进入ONLINE。

6）OFFLINE状态：脱网状态。

除NONE外其他任意状态都可迁入OFFLINE状态。当网元脱网，无论当前什么状态，节点均进入OFFLINE。有两种情况：

a)拓扑发现检测到网元脱网。

b)网元迅速变更，拓扑发现没有察觉原网元变化。拓扑维护阶段发现节点类型变更，先将原节点置为OFFLINE状态。该节点的子节点也会因父节点变化而进入OFFLINE状态。

拓扑中的节点一旦创建就不会自动消失了，脱网的网元节点只会记为OFFLINE状态，不会自动删除。只有用户手动将某个节点删除时，该节点才会从拓扑中消失，基准拓扑节点也可手动删除。

拓扑收集流程是在拓扑自动发现基础上，在网关网元记录网元信息到拓扑表中时开始的。拓扑收集具体可包括：

1、网关网元从网元信息中获取其连接关系，根据网元与网关的距离和生成节点级别。

2、根据节点的级别、父节点的ID，生成节点的ID。

3、查找该ID在拓扑树中是否存在：

如果不存在则是新节点，直接将网元信息添加到拓扑树；

如果存在则不是新节点，更新当前拓扑中该节点的数据。

如上概述的拓扑收集无需额外的查询报文，减少了网络报文的交互、转发，节约了带宽；且无收敛跳数的限制，可以最大范围的收集网络拓扑。

四、网元自动管理

本发明实施例中提供的网元自动管理无需额外的协议来支撑，且主动权在网关网元，在拓扑收集基础上进行拓扑维护，拓扑收集根据获取的节点信息，产生状态切换事件，推动节点状态更新和事件处理操作，最终为每个网元配置管理可用的IP，实现网元的自动管理。

1、拓扑维护

各拓扑节点的状态形成状态机，拓扑维护就是通过拓扑节点操作事件，触发状态机的切换，从而实现节点状态的转换，达到拓扑维护的目的。图4很好的展示了节点在拓扑中所有的状态、触发状态间切换的事件。下面结合拓扑收集，分别对各状态切换的处理流程进行阐述：

1）发现新节点：

1a)拓扑收集触发新网元节点加入拓扑树事件，新节点由初始态NONE迁移到CONFIRMED状态，该节点被加入IP待分配队列，等待分配IP。

1b)接下来加入IP待分配队列的节点，根据IP分配原则被配置IP，触发IP配置下发事件，节点状态更新为IPSETTING状态，等待IP配置生效。

1c)拓扑收集环节对收到的网元IP进行检查，若配置的IP生效了，则触发IP配置完成事件，此时网元节点状态迁移到正常工作的ONLINE状态；若配置的IP没有生效，则节点状态保持IPSETTING直到生效为止。

2）老节点变化且相对于基准拓扑发生变化：

2a)拓扑收集触发基准拓扑节点变更事件，节点状态迁移到UNCONFIRMED状态，等待确认。若此时拓扑处于测试阶段，该变更不被认可，则维持UNCONFIRMED状态不变。

2b)若该节点变化被认可，则触发用户确认事件，节点状态迁移到CONFIRMED状态，并将网元加入IP待分配队列，等待分配IP。

2c)后续的处理与1b）和1c）完全相同。

3）老节点变化但相对于基准拓扑无变化：

3a)拓扑收集触发基准节点没变但IP变更事件，节点状态迁移到CONFIRMED状态。

3b)后续的处理与1b）和1c）完全相同。

4）网元脱网：

4a)拓扑收集发现网元脱网触发脱网事件，处于任何状态的网元均因脱网可能从当前状态被迁移到OFFLINE状态。

4b)网元脱网，拓扑自动发现形成的拓扑表中的网元信息被删除，但拓扑收集的拓扑树中网元节点不会被自动删除，只是状态进行了迁移，目的是当网元再次在网后，拓扑数中记录的节点IP还可以重新使用，无需重新分配，节省管理时间，提高管理效率。

5）脱网的网元重新在网：

5a)重新在网后的IP与原来配置的相同，则网元节点直接由OFFLINE状态迁移到正常工作的ONLINE。

5b)重新在网后IP丢失、网元IP与节点IP不同或相对于当前拓扑发生变化，而相对于基准拓扑无变化，节点状态移到CONFIRMED状态，并将网元加入IP待分配队列，等待分配IP。后续处理与1）的b）和c）完全相同。

5c)重新在网后IP丢失、网元IP与节点IP不同或相对于当前拓扑发生变化，且相对于基准拓扑无变化，则节点状态迁移到CONFIRMED等待确认，后续处理与2b）和2c）完全相同。

2、IP分配

IP分配主要结合拓扑节点的拓扑收集以及节点状态迁移来阐述网关网元对进入IP待分配队列的网元分配IP的算法，见图5。涉及的节点状态主要是IPSETTING状态和CONFIRM状态：

1）对于IPSETING状态的网元节点，表示已经分过IP但没有生效的网元，无需重新分配，直接将节点的IP打包下发。

2）对于CONFIRM状态的网元节点，需要从IP池中分配。

目前IP地址池深度为1024，该深度可以根据需要进行调整，IP分配需遵循一定的原则，尽量使网元IP保持稳定，从而达到整个网络拓扑管理的稳定性。

其中，IP分配遵循尽量使用已有IP的原则，尽量减少报文交互，节省网络维护时间。处理流程如下：

1）老节点无变化，IP分配原则是尽量使用已有IP：

a)节点已经分配有IP，直接为网元分配该节点的IP，维持网络的稳定性。

b)节点无IP，需分配新的IP。

c)若网元设备有IP，且该IP没有被其他网元使用，则允许网元继续使用该IP，加快拓扑更新和网元在网时间，提供管理效率。

d)若该IP已经被其他网元占用，则网元不能继续使用，否则会造成IP冲突，另外若该网元设备无IP，这两种情况下，将IP池的第一个idle（空闲）IP中分配给网元。

e)如果idle（空闲）IP用完，需要从offline（脱网节点）IP中分配。当网元脱网offline时间超过1天时，可以认为该网元短时间内不会在网了，则该IP回收，可以重新分给其他网元。

2）老节点有变化，拓扑发生变化，网元IP需重新分配，但优先考虑网元设备自己的IP。处理流程同1）中的c）-e）。

此外，本发明实施例中还提供了一种接入级网络拓扑管理系统，如图6所示，该系统主要包括拓扑自动发现模块、拓扑自动管理模块，拓扑自动发现模块包含相邻网元发现单元和拓扑发现单元，拓扑自动管理模块包含拓扑收集单元和网元自动管理单元；其中：

相邻网元发现单元，获取邻居网元信息及与邻居网元的连接关系；

拓扑发现单元，获取到整个网络的网络拓扑和网元之间的连接关系；

拓扑收集单元，根据网络拓扑和网元之间的连接关系生成以网关网元为根节点的拓扑树，记录和维护拓扑树上所有拓扑节点信息，其中拓扑节点信息至少包括网元级别和网元状态；

网元自动管理单元，根据网络拓扑及网元节点状态的迁移，为网元节点分配IP。

其中，网元自动管理单元，记录和维护的拓扑节点信息还包括如下信息的其中一种或任意多种：

节点ID，节点ID记录着从网关网元到该网元的路径，整个拓扑树中的每个网元用节点ID来索引；

类型，为网元设备的类型号；

IP，为网元分配的IP；

网元时间，当网元在网时，用于标识网元在网的时刻；当网元脱网时，用于标识网元脱网的时刻；

父节点。

其中，相邻网元发现单元，通过发送和接收邻居发现查询报文进行相邻网元发现：

在接收到邻居发现报文时，判断接收到的邻居发现报文的类型：若为邻居发现查询报文且不是自己发出的，则以本设备的网元信息为报文净荷组织邻居发现应答报文，并将邻居发现应答报文从接收到邻居发现查询报文的端口回复查询的网元；若为邻居发现应答报文且不是自己发出的，则解析该邻居发现应答报文中的网元信息，作为自己的邻居记录在邻居表中；若为自己发出的邻居发现查询报文或者邻居发现应答报文，则直接丢弃。

其中，拓扑发现单元，按照下述方式获取到整个网络的网络拓扑：

首先网关网元将自己的网元信息添加到拓扑表中，再将自己的邻居网元信息都添加到拓扑表中；并将邻居网元信息都加入拓扑待查询队列中，拓扑待查询队列中的网元标识为拓扑已知但未查询其邻居的网元；

依次向拓扑待查询队列中的网元发送拓扑发现查询报文，查询指定网元的邻居网元信息；接收到拓扑发现应答报文时，依次提取该拓扑发现应答报文中的网元信息，然后将网元信息更新到拓扑表中；

再将发现的邻居网元的邻居网元信息加入拓扑待查询队列中，依次向拓扑待查询队列中的网元发送拓扑发现查询报文，并依据接收到的拓扑发现应答报文提取其中的网元信息，将网元信息更新到拓扑表中，依此类推，最终依据更新后的拓扑表获取整个网络的拓扑和网元之间的连接关系。

其中，拓扑收集单元，根据网络拓扑和网元之间的连接关系，按照下述方式生成拓扑树：

节点级别生成：根据网络拓扑和连接关系生成节点级别，一并记录到拓扑表中；

拓扑节点记录：首先根据节点的级别、父节点的ID，生成节点的ID；然后查找该ID在拓扑树中是否存在，如果不存在则认为是新节点，直接添加；如果存在，则判断节点是否有变化，若节点有变化，则将当前拓扑的节点数据都更新为变更后的数据。

其中，网元自动管理单元，按照下述方式为网元节点分配IP：

对于拓扑没有变化的网元节点，且该节点已经分配有IP，则仍为网元分配该节点的IP；

对于有变化的节点，网元IP需要重新分配不同于原节点的IP；

如果网元设备IP不可用，则先从IP池的空闲IP中分配；

如果空闲IP已用完，则从OFFLINE状态过期的网元IP中分配。

综上所述，本发明的优点在于：

1、本发明仅通过邻居发现和拓扑发现两种协议，就完成了所有拓扑收集和自动IP分配工作，实现了拓扑的自动维护管理，减少了网络报文的交互，节省了网络带宽，提高了管理效率。并且这两种协议都是在接收者处直接终结，禁止报文继续转发，降低了发生广播风暴和网络拥塞的风险。

2、本发明所涉及的协议报文均为untag报文，无需管理VLAN，用户的网络规划不受拓扑报文影响，节省了用户VLAN，提高了用户网络规划的灵活性。协议中定义有严格的校验机制，即使无无管理VLAN限定，报文解析也不失安全性。

3、本发明打破了传统接入网由网关网元实现拓扑发现，由网管实现网元IP分配的做法，统一在网关网元实现。减少了用户干预,真正做到自动化，并且使得即使在没有网管的情况下，也能实现网元的自动管理，弥补了未上网管拓扑无法管理的缺陷。

4、本发明摒弃了DHCP定义的主从概念由从发起IP申请，将管理的主动权完全交给网关网元，突出了网关网元在整个网络中的领导地位，有利于接入网实现全面集中网管。

5、拓扑树中拓扑节点对网元IP具有记忆功能，有些用户端的远端网元，即使用户下班断电后网元脱网，但网元IP被网关网元记录下来，待网元重新上电后，直接使用原IP，减少了重复分配的IP的繁琐，提高了网络拓扑的稳定性。

本领域的技术人员应该明白，上述的本申请实施例所提供的装置和/或系统的各组成部分，以及方法中的各步骤，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上。可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现。从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (22)

1.一种接入级网络拓扑管理方法，其特征在于，所述方法包括：

网络中的网关网元获取整个网络的网络拓扑和网元之间的连接关系，根据获取到的所述网络拓扑和所述网元之间的连接关系生成以所述网关网元为根节点的拓扑树；

所述网关网元记录和维护所述拓扑树上所有拓扑节点信息，其中所述拓扑节点信息至少包括网元级别和网元状态。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

所述网元级别是指所述节点距离所述网关网元的层次，所述网关网元为0级，所述网关网元的邻居网元为1级，所述网关网元的邻居网元的邻居网元为2级，依此类推。

3.如权利要求1所述的方法，其中：

所述网元状态包括如下状态：

NONE状态，初始状态；

UNCONFIRMED状态，节点相对基准拓扑有变化，待确认状态；

CONFIRMD状态，认可拓扑节点变化的状态；

IPSETTING状态，等待下发IP配置或已下发但未生效的状态；

ONLINE状态，正常工作状态；

OFFLINE状态，脱网状态。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中：

所述拓扑节点信息还包括如下信息中的其中一种或任意多种：

节点ID，节点ID记录着从网关网元到该网元的路径，整个拓扑树中的每个网元用节点ID来索引；

类型，为网元设备的类型号；

IP，为网元分配的IP；

网元时间，记录网元在网和脱网时刻；

父节点。

5.如权利要求3所述的方法，所述方法还包括：

发生如下情形之一时，节点进入CONFIRM状态：

对于非基准拓扑变更的节点，节点直接进入CONFIRM状态，重新为该网元分配IP；

对于基准拓扑变更的节点，经确认后进入CONFIRM状态，否则，进入OFFLINE状态。

6.如权利要求3所述的方法，所述方法还包括：

发生如下情形之一时，节点进入ONLINE状态：

网元保存了IP配置，脱网之后位置不变重新在网，直接进入ONLINE状态；

网元的IP可直接使用，无需重新分配，直接进入ONLINE状态；

网元的IP不可用、或者网元入网无IP，在分配IP后，网关网元收到IP生效后的网元，进入ONLINE状态。

7.如权利要求3所述的方法，所述方法还包括：

发生如下情形之一时，节点进入OFFLINE状态：

通过拓扑发现检测到网元脱网；

发现节点类型变更，则先将原节点置为OFFLINE状态，且该节点的子节点也会因父节点变化而进入OFFLINE状态。

8.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

通过开启邻居发现的网元设备发送和接收邻居发现查询报文进行相邻网元发现：

网元在接收到邻居发现报文时，判断接收到的邻居发现报文的类型：若为邻居发现查询报文且不是自己发出的，则以本设备的网元信息为报文净荷组织邻居发现应答报文，并将邻居发现应答报文从接收到邻居发现查询报文的端口回复查询的网元；若为邻居发现应答报文且不是自己发出的，则解析该邻居发现应答报文中的网元信息，作为自己的邻居记录在邻居表中；若为自己发出的邻居发现查询报文或者邻居发现应答报文，则直接丢弃。

9.如权利要求8所述的方法，其中：

所述邻居发现查询报文为广播报文，所述邻居发现应答报文为单播报文。

10.如权利要求8所述的方法，其中：

所述开启邻居发现的网元设备周期性地发送所述邻居发现查询报文，若连续多个周期均未收到所述邻居发现应答报文，则将相应的网元从邻居表中删除。

11.如权利要求1、3、8、9或10之任一项所述的方法，所述方法还包括：

所述网关网元获取整个网络的网络拓扑和网元之间的连接关系，包括：

所述网关网元首先将自己的网元信息添加到拓扑表中，再将自己的邻居网元信息都添加到拓扑表中；并将所述邻居网元都加入拓扑待查询队列中，所述拓扑待查询队列中的网元标识为拓扑已知但未查询其邻居的网元；

所述网关网元依次向所述拓扑待查询队列中的网元发送拓扑发现查询报文，查询指定网元的邻居信息；

接收到拓扑发现报文的网元，判断接收到的拓扑发现报文的类型：若为拓扑发现查询报文且不是自己发出的，则获取所有的邻居网元信息组织拓扑发现应答报文，将拓扑发现应答报文从接收到拓扑发现查询报文的端口回复网关网元；

所述网关网元接收到拓扑发现应答报文时，依次提取该拓扑发现应答报文中的网元信息，然后将网元信息更新到拓扑表中；

所述网关网元再将发现的邻居网元的邻居网元加入所述拓扑待查询队列中，依次向所述拓扑待查询队列中的网元发送拓扑发现查询报文，并依据接收到的拓扑发现应答报文提取其中的网元信息，将网元信息更新到拓扑表中，依此类推，最终依据更新后的拓扑表获取整个网络的拓扑和网元之间的连接关系。

12.如权利要求11所述的方法，其中：

所述网元在接收到自己发出的拓扑发现查询报文或者拓扑发现应答报文时，直接丢弃。

13.如权利要求11所述的方法，其中：

所述网关网元按照以下方式将提取的拓扑发现应答报文中的网元信息更新到所述拓扑表中：

对首次发现的网元创建资源添加到拓扑表，并将该网元信息添加到所述拓扑待查询队列；

对拓扑表中已有的网元信息进行更新，并比较拓扑连接关系，若拓扑连接关系发生变化，则发送拓扑变化告警。

14.如权利要求11所述的方法，其中：

所述网关网元根据获取到的网络拓扑和所述网元之间的连接关系生成以所述网关网元为根节点的拓扑树，包括以下步骤：

节点级别生成：根据网络拓扑和连接关系生成节点级别，一并记录到拓扑表中；

拓扑节点记录：首先根据节点的级别、父节点的ID，生成节点的ID；然后查找该ID在拓扑树中是否存在，如果不存在则认为是新节点，直接添加；如果存在，则判断节点是否有变化，若节点有变化，则将当前拓扑的节点数据都更新为变更后的数据。

15.如权利要求4所述的方法，所述方法还包括：

根据网络拓扑及网元节点状态的迁移，为网元节点分配IP。

16.如权利要求15所述的方法，其中：

所述根据网络拓扑及网元节点状态的迁移，为网元节点分配IP，包括：

对于IPSETTING状态的网元节点，直接将节点的IP打包下发；

对于拓扑没有变化的网元节点，且该节点已经分配有IP，则仍为网元分配该节点的IP；

对于有变化的节点，网元IP需要重新分配不同于原节点的IP；

如果网元设备IP不可用，则先从IP池的空闲IP中分配；

如果空闲IP已用完，则从OFFLINE状态过期的网元IP中分配。

17.一种接入级网络拓扑管理系统，其特征在于，包括拓扑自动发现模块、拓扑自动管理模块，所述拓扑自动发现模块包含相邻网元发现单元和拓扑发现单元，所述拓扑自动管理模块包含拓扑收集单元和网元自动管理单元；其中：

所述相邻网元发现单元，获取邻居网元信息及与邻居网元的连接关系；

所述拓扑发现单元，获取到整个网络的网络拓扑和网元之间的连接关系；

所述拓扑收集单元，根据所述网络拓扑和所述网元之间的连接关系生成以网关网元为根节点的拓扑树，记录和维护所述拓扑树上所有拓扑节点信息，其中所述拓扑节点信息至少包括网元级别和网元状态；

所述网元自动管理单元，根据网络拓扑及网元节点状态的迁移，为网元节点分配IP。

18.如权利要求17所述的系统，其中：

所述网元自动管理单元，记录和维护的所述拓扑节点信息还包括如下信息的其中一种或任意多种：

节点ID，节点ID记录着从网关网元到该网元的路径，整个拓扑树中的每个网元用节点ID来索引；

类型，为网元设备的类型号；

IP，为网元分配的IP；

网元时间，当网元在网时，用于标识网元在网的时刻；当网元脱网时，用于标识网元脱网的时刻；

父节点。

19.如权利要求17所述的系统，其中：

所述相邻网元发现单元，通过发送和接收邻居发现查询报文进行相邻网元发现：

在接收到邻居发现报文时，判断接收到的邻居发现报文的类型：若为邻居发现查询报文且不是自己发出的，则以本设备的网元信息为报文净荷组织邻居发现应答报文，并将邻居发现应答报文从接收到邻居发现查询报文的端口回复查询的网元；若为邻居发现应答报文且不是自己发出的，则解析该邻居发现应答报文中的网元信息，作为自己的邻居记录在邻居表中；若为自己发出的邻居发现查询报文或者邻居发现应答报文，则直接丢弃。

20.如权利要求17或19所述的系统，其中：

所述拓扑发现单元，按照下述方式获取到整个网络的网络拓扑：

首先网关网元将自己的网元信息添加到拓扑表中，再将自己的邻居网元信息都添加到拓扑表中；并将所述邻居网元信息都加入拓扑待查询队列中，所述拓扑待查询队列中的网元标识为拓扑已知但未查询其邻居的网元；

依次向所述拓扑待查询队列中的网元发送拓扑发现查询报文，查询指定网元的邻居网元信息；接收到拓扑发现应答报文时，依次提取该拓扑发现应答报文中的网元信息，然后将网元信息更新到拓扑表中；

再将发现的邻居网元的邻居网元信息加入所述拓扑待查询队列中，依次向所述拓扑待查询队列中的网元发送拓扑发现查询报文，并依据接收到的拓扑发现应答报文提取其中的网元信息，将网元信息更新到拓扑表中，依此类推，最终依据更新后的拓扑表获取整个网络的拓扑和网元之间的连接关系。

21.如权利要求20所述的系统，其中：

所述拓扑收集单元，根据所述网络拓扑和所述网元之间的连接关系，按照下述方式生成拓扑树：

节点级别生成：根据网络拓扑和连接关系生成节点级别，一并记录到拓扑表中；

拓扑节点记录：首先根据节点的级别、父节点的ID，生成节点的ID；然后查找该ID在拓扑树中是否存在，如果不存在则认为是新节点，直接添加；如果存在，则判断节点是否有变化，若节点有变化，则将当前拓扑的节点数据都更新为变更后的数据。

22.如权利要求17、18或19所述的系统，其中：

所述网元自动管理单元，按照下述方式为网元节点分配IP：

对于拓扑没有变化的网元节点，且该节点已经分配有IP，则仍为网元分配该节点的IP；

对于有变化的节点，网元IP需要重新分配不同于原节点的IP；

如果网元设备IP不可用，则先从IP池的空闲IP中分配；

如果空闲IP已用完，则从OFFLINE状态过期的网元IP中分配。

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