CN104579978B - 一种动态网络链路层拓扑发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态网络链路层拓扑发现方法，在目标网络上部署一个管理Agent和若干个探测Agent，获取目标网络中的路由器和交换机。识别共享网段上的探测Agent，并将其从探测Agent集合中移除。测量框架拓扑图，判别框架拓扑中解析的移动主机地址，并将移动主机地址从交换机的FDB中移除，通过发现虚拟交换机内部的线性结构和发现框架拓扑之外的拓扑结构，发现完整拓扑结构。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明方法排除设备移动和共享网段的影响，较快地发现完整大规模链路层拓扑的网络拓扑发现方法，使用网络标准的SNMP协议，通过交换机上的地址转发表信息得到框架拓扑，保证通用性以及可靠性。

Description

一种动态网络链路层拓扑发现方法

技术领域

本发明涉及网络管理技术领域，尤其涉及的是一种动态网络链路层拓扑发现方法。

背景技术

随着计算机网络规模的不断扩大，网络的结构日趋复杂，网络的管理变得日益重要。

网络的故障管理、性能管理和网络升级都需要基于完整准确的网络拓扑。同时网络拓扑也为网络的研究提供了较有价值的参考。因此怎样获得完整准确的网络拓扑一直是网络拓扑研究中的一个热点和难点。

定义：路由器(router)：进行第三层报文转发的网络节点；路由器有多个端口，每个端口使用一个IP地址和一个MAC地址。交换机(switch)：进行第二层报文转发的网络节点；交换机有多个端口，每个端口使用一个MAC地址，同时交换机有一个Base MAC地址，用于STP协议；通常交换机也使用一个IP地址用于管理。主机(host)：泛指网络上的终端设备。通常一台主机使用一个IP地址和一个MAC地址。网络节点(node)：路由器、交换机和主机统称网络节点。网段(segment)：指网络上一段共享的介质，同一网段上的主机可以监听到该网段上传输的所有报文。例如，连接两台交换机的网线是一个网段。交换网络(switchednetwork)：由网络节点集合N和网段集合S构成的网络，并且网络上任意两个节点之间存在一条仅由交换机构成的通路；属于同一交换网络的交换机通过生成树协议(spanning treeprotocol,STP)自动形成一个无环无向的拓扑，即一棵树状拓扑。子网(subnet)：一个最大的IP地址集合，满足集合内任意两个节点之间通信不需要借助路由器即可完成；子网是人为划分的，一个交换网络可以包含多个子网。

交换机通过学习建立地址转发表(Forwarding database，FDB)。当交换机A从端口i收到一个源地址为x的报文，该交换机将地址x添加到端口i的转发表当之后A收到目的地址为x的报文，将该报文从端口i转发出去；如果交换机收到的报文其目的地址不在任何端口的FDB中，则向所有端口转发报文。

SNMP(简单网络管理协议)协议是一种Internet标准协议，用于在IP网络中管理各类设备，包括路由器、交换机、服务器、工作站、打印机等。这些设备被统称为网元。在一个使用SNMP协议的网管系统中，一个管理agent通过SNMP协议定义的消息，查询被管理设备的各类信息，并指示被管理设备改变其配置和工作方式。SNMP消息使用UDP报文在网络中传输。

任何通过SNMP获取的信息都被称为SNMP变量。SNMP变量被多个MIB(管理信息库)规范所定义。目前绝大多数IP网络设备支持的MIB标准是MIB-II。MIB给出了一个网络中所有可能被管理对象集合的数据结构，该结构采用和域名DNS相似的树型结构管理变量。一个完整的变量名包含从根节点到自身节点的所有节点上的变量名，并且每个节点都对应一个整数，例如，变量.iso.org.dod.internet.mgmt.mib2.system.sysUpTime表示设备当前的工作时长，其整数表示为.1.3.6.1.2.1.1.3。

以太网拓扑发现的问题，即在一个运行的交换网络上，通过一定的技术方法，推测网络可能的拓扑结构。理想情况下，所发现的拓扑结构应与交互网络运行STP协议形成的树状拓扑结构一致。

目前网络拓扑发现技术包括:Yuri Breitbart等基于标准的SNMP协议，提出了一种在多子网和异构网络条件下的链路层拓扑发现算法，并基于该算法开发了NetInventory系统。Bruce Lowekamp等在Yuri Breitbart算法的基础上，针对大规模网络中普遍存在的FDB不完备，提出了一种拓扑发现算法，并基于该算法开发了REMOS系统。Richard Black等考虑在缺乏网络设备支持的情况下，提出了一种基于终端主动探测的以太网拓扑结构发现算法，并将其集成到Window操作系统中。近年来，一些企业相继开发了链路层网络拓扑发现技术。例如思科公司提出了思科发现协议(Cisco Discovery Protocol，CDP)，并在思科的路由器、交换机、网桥等产品中集成了该协议。微软公司提出了链路层拓扑发现协议(LinkLayer Topology Discovery Protocol，LLTDP)，并将其集成到Window操作系统中。

NetInventory系统的实现基于标准的SNMP协议，其算法依赖于网络中所有交换机上FDB(Forwarding database)的完备性，这在大规模网络中并不现实。REMOS系统核心算法不要求FDB具有完备性，然而仍然要求FDB具备一些特定条件，在实际的大规模以太网中，这些条件可能仍然无法满足。Richard Black提出的主动探测方法，缺乏网络设备的支持，不能保证发现所有的网络节点及其结构，所得到的拓扑结构可能并不完整。厂商私有的内部协议发现方法，是基于私有的技术方案，其准确性、可靠性特别是可验证性难以保障。同时目前已知的所有方法均假设在运行拓扑发现算法时，网络是静态的。然而随着无线技术的普及，网络中移动终端越来越多，静态网络的假设不再被满足。大量的移动终端使网络上很多地址时刻处于迁移之中，导致在执行拓扑发现算法时，从不同交换机上获得的FDB反映的是网络在不同时刻的视图，从而算法无法获得正确的拓扑结构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种动态网络链路层拓扑发现方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种动态网络链路层拓扑发现方法，包括：

步骤(1)、部署管理Agent和若干个探测Agent：在目标网络中部署一个管理Agent和若干个探测Agent，该管理Agent用于从本地发起主动探测命令，且该管理Agent与以太网树状拓扑的根节点交换机连接，该若干个该探测Agent用于接收该管理Agent指令，发起主动探测。

步骤(2)、获取目标网络中路由器和交换机：查询路由器的路由表，获取路由器集合；并根据目标网络中中的交换机IP地址，获取交换机集合S；查询交换机的FDB获取主机集合H。

步骤(3)、识别共享网段上的探测Agent，并将其从探测Agent集合中移除：一个探测Agent向管理Agent发送探测报文，该管理Agent查询获得FDB中包含的地址，判别该探测Agent是否通过共享网段接入网络，若是，将该探测Agent从探测Agent集合中移除。

步骤(4)、测量框架拓扑图：每个探测Agent使用独特的地址X向管理Agent发送报文，探测Agent向管理Agent发送报文后，管理Agent查询交换机的FDB，若在某交换机的FDB中发现地址X，则称该交换机被探测Agent覆盖且地址X对应探测Agent的面向端口，对探测agentA，所有它所覆盖的交换机及其面向端口形成一个集合，为探测agentA的覆盖集S_A，迭代地，从所有探测Agent覆盖集中寻找最小交集，从各覆盖集中移除虚拟交换机包含的节点，反复迭代直到没有交集产生，并连接相应的探测Agent得到框架拓扑图。

步骤(5)、判别框架拓扑中交换机解析到的移动主机地址，并将其从交换机的FDB中移除。

步骤(6)、发现完整拓扑结构：通过发现虚拟交换机内部的线性结构和发现框架拓扑之外的拓扑结构，发现完整拓扑结构。

作为上述方案的进一步优化，步骤(5)的移动主机地址判别方法为规则1或规则2或规则3。

所述规则1：在步骤(4)获取的框架拓扑中，U是V的下游节点，如果一个地址X出现在虚拟交换机U某个指派端口的FDB中，同时又出现在另一虚拟交换机V某个非面向U端口的FDB中，则X是移动主机地址。

所述规则2：如果一个地址X同时出现在虚拟交换机U和虚拟交换机V的指派端口的FDB中，且U和V是兄弟节点关系，则X是移动主机地址。

所述规则3：如果一个地址X同时出现在虚拟交换机U和框架拓扑以外某个交换机节点V的指派端口的FDB中，则X是移动主机地址。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的一种动态网络链路层拓扑发现方法，排除设备移动和共享网段的影响，较快地发现完整大规模链路层拓扑的网络拓扑发现方法。使用的是网络标准的SNMP协议，通过交换机上的地址转发表信息得到框架拓扑，保证通用性以及可靠性。同时本发明方法不依赖于网络中所有交换机上地址转发表的完备性，并解决了共享网段和移动终端地址迁移问题对拓扑发现算法的影响。

附图说明

图1是本发明的一种动态网络链路层拓扑发现方法的流程图。

图2为本发明实施例的系统部署示意图。

图3为本发明实施例的框架拓扑发现算法执行示意图。

图4为本发明实施例的通过共享网段接入网络的探测Agent的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1，为本发明的优选实施例的一种动态网络链路层拓扑发现方法的流程图。参见图2为本发明的优选实施例的动态网络链路层拓扑结构示意图。

步骤(1)、部署管理Agent和多个探测Agent的测量系统。

本发明的优选实施例的以太网拓扑发现系统由一个管理Agent和多个探测Agent构成，这两类Agent均运行在主机上。不失一般性，假设管理Agent连接以太网树状拓扑的根节点交换机，而多个探测Agent位于网络的其它位置。参见图2，，M代表管理Agent，A-F共6个探测Agent分别连接网络上不同的交换机节点，而网络中多个交换机节点没有连接任何探测Agent。

管理Agent的功能包括：从本地发起主动探测命令；指示探测Agent发起主动探测；对网络节点发起SNMP查询，获得查询结果；运行拓扑发现算法，输出所发现的网络拓扑。

探测Agent的功能包括：接收管理Agent指令，发起主动探测；管理和探测Agent都运行于固定主机上。

步骤(2)、获取目标网络中路由器和交换机。

对未访问路由器集合R，开始时R中仅包含初始的路由器R₀；从R₀开始，查询ipRouteTable变量获取其路由表，对每一条路由，如果其下一跳地址对应的路由器R_i没有被访问过，则将R_i加入到未访问路由器集合R；完成对未访问路由器集合R_i的路由表的访问后，将R_i从未访问路由器集合R移除；从未访问路由器集合R中选取一个未访问过的路由器，重复上述过程；直到完成对目标网络上所有路由器的访问，即未访问路由器集合R成为空集。

对每一个路由器上的每一个接口，查询ipAdEntAddr变量获取其连接的子网，对子网中所有的IP地址，查询system.sysServices变量和ipForwarding变量判定该设备是交换机还是路由器。

对子网中每一个交换机IP地址，查询变量ipNetToMediaTable获取其MAC地址、系统名称、端口数等信息，获得交换机集合S。

对子网中每一个主机IP地址，查询变量ipNetToMediaTable获取其MAC地址，获得主机集合H。

步骤(3)、识别共享网段上的探测Agent，并将其从探测Agent集合中移除。

一个该探测Agent向该管理Agent发送探测报文，该管理Agent查询获得FDB中包含的地址，判别该探测Agent是否通过共享网段接入网络，若是，将该探测Agent从探测Agent集合中移除。

如果某个探测Agent通过共享网段(如hub)接入网络，则算法不再有效。参见图4，agent B的覆盖集合为S_A＝{0,1,2,3,4}，执行框架拓扑发现算法不能获得正确的结果。

本发明提出一种简单的方法判别是否通过共享网段接入网络的探测Agent。方法如下：探测agent A向管理agent M发送探测报文后，M向该探测A发送探测报文，M:X_M→A，其中X_M是M专用的特殊地址。管理Agent查询获得FDB中包含地址X_M集合，如果该集合与S_A不同，则判定A通过共享网段接入网络。参见图4，从管理agent M向探测agent A发送探测报文，则包含地址X_M节点集合可能为{1,2}或者{3,4}，显然此时两个集合不同。

对所有通过共享网段接入网络的探测Agent，我们将其从Agent集合中移出，并不在框架拓扑发现算法中使用它们。

步骤(4)、通过框架拓扑发现算法绘制框架拓扑结构图。

对测量系统中的探测agent A通过主动发送探测报文，获取拓扑结构信息。以下，使用标记A:X-＞B表示agentA以X为源MAC地址，以B为目标MAC地址发送探测报文。显然，如果A≠M，则探测agentA需要伪造探测报文。

管理agentM向主机集合H中每个主机H_i发送探测报文，M:M→H_i，H_i∈H；查询交换机集合S中每台交换机的FDB。显然，对任意交换机S_j∈S，仅存在一个端口i，则我们将该端口成为交换机S_j的根端口，其余端口称为交换机的指派端口。

每个探测Agent使用独特的地址X向管理Agent发送报文，即对探测agentA，A:X_A→M。X_A不存在与网络中的探测专用地址，并且每个探测Agent有不同的探测专用地址。探测agentA发送报文后，管理agentM查询所有交换机FDB。如果在某交换机S的FDB中发现地址X，则称该S被A覆盖且X对应端口A的面向端口。对探测agentA，所有它所覆盖的交换机及其面向端口形成一个集合，被称为A的覆盖集S_A。参见图2，S_A＝{0,2}、S_B＝{0,3,8}、S_C＝{0,2,5,10}、S_D＝{0,2,6,12}、S_E＝{0,3,7,13}、S_F＝{0,3,7,14}。

迭代地，从所有探测Agent覆盖集中寻找最小交集，这个交集被称为一个可能包含多个实际交换机的“虚拟交换机”；从各覆盖集中移除虚拟交换机包含的节点，得到的剩余覆盖集记为其中i是当前的迭代次数。反复迭代直到没有交集产生，将剩下的剩余覆盖集也视为“虚拟交换机”，并连接相应的探测Agent。

对图2所示的网络，每一轮迭代得到的虚拟交换机和剩余覆盖集，参见图3。

从图3可以看出，上述算法产生一个目标网络大致的拓扑结构。框架拓扑存在两个缺陷：

(1)虚拟交换机可能包含多个物理交换机节点，如上例中(5,10)、(6,12)，需要确定虚拟交换机内部的结构；

(2)没有被任何探测Agent覆盖的那些交换机节点及其拓扑结构，如上例中交换机1、4、9、11、15，仍然有待确定。

步骤(5)、判别框架拓扑中交换机解析到的移动主机地址，并将其从交换机的FDB中移除，以避免其对步骤6中完整拓扑的影响。

移动主机的地址随时间迁移，是难以直接应用Lowekamp等算法获取以太网的拓扑结构。基于步骤(4)已获得的框架拓扑结构，可以发现一些存在迁移现象的地址。判断探测Agent的源MAC地址是否为移动主机地址，判别方法如下：

(1)在框架拓扑中，虚拟交换机U是虚拟交换机V的下游节点，如果一个地址X出现在虚拟交换机U某个指派端口的FDB中，同时又出现在另一虚拟交换机V个某个非面向U端口的FDB中，则X是移动主机地址。

(2)如果一个地址X同时出现在虚拟交换机U和虚拟交换机V的指派端口的FDB中，且U和V是兄弟节点关系(存在共同祖先)，则X是移动主机地址。

(3)如果一个地址X同时出现在虚拟交换机U和框架拓扑以外某个交换机节点V的指派端口的FDB中，则X是移动主机地址。

将所有找到的移动主机地址从所有交换机的FDB中移除，以去除移动主机地址迁移对拓扑发现算法带来的影响。

步骤(6)、通过发现虚拟交换机内部的线性结构和发现框架拓扑之外的拓扑结构，发现完整拓扑结构。

在框架拓扑的基础上，进一步确定虚拟交换机内部的线性结构，且确定框架拓扑之外的拓扑结构。

发现虚拟交换机内部的线性结构：对于包含n个物理交换机的虚拟交换机，将其视为一个小型的线性网络，仅需要发现正确的线性顺序V₁-V₂-…-V_n。使用Lowekamp算法，获取拓扑结构。

发现框架拓扑之外的拓扑结构：对于框架拓扑之外的网络节点，首先寻找所有通过同一框架拓扑上交换机和端口连接到网络的交换机节点，将这些节点视为一棵子树，然后使用Lowekamp算法，判定子树的拓扑结构。

本发明方法排除设备移动和共享网段的影响，较快地发现完整大规模链路层拓扑的网络拓扑发现方法，使用网络标准的SNMP协议，通过交换机上的地址转发表信息得到框架拓扑，保证通用性以及可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种动态网络链路层拓扑发现方法，其特征在于：包括

步骤(1)、部署管理Agent和若干个探测Agent：在目标网络中部署一个管理Agent和若干个探测Agent，该管理Agent用于从本地发起主动探测命令，且该管理Agent与以太网树状拓扑的根节点交换机连接，该若干个该探测Agent用于接收该管理Agent指令，发起主动探测；

步骤(2)、获取目标网络中路由器和交换机：查询路由器的路由表，获取路由器集合；并根据目标网络中交换机IP地址，获取交换机集合S；查询交换机的FDB获取主机集合H；

步骤(3)、识别共享网段上的探测Agent，并将其从探测Agent集合中移除：一个探测Agent向管理Agent发送探测报文，该管理Agent查询获得FDB中包含的地址，判别该探测Agent是否通过共享网段接入网络，若是，将该探测Agent从探测Agent集合中移除；

步骤(4)、测量框架拓扑图：每个探测Agent使用独特的地址X向管理Agent发送报文，探测Agent向管理Agent发送报文后，管理Agent查询交换机的FDB，若在某交换机的FDB中发现地址X，则称该交换机被探测Agent覆盖且地址X对应探测Agent的面向端口，对探测agentA，所有它所覆盖的交换机及其面向端口形成一个集合，为探测agentA的覆盖集S_A，迭代地，从所有探测Agent覆盖集中寻找最小交集，从各覆盖集中移除虚拟交换机包含的节点，反复迭代直到没有交集产生，并连接相应的探测Agent得到框架拓扑图；

步骤(5)、判别框架拓扑中交换机解析到的移动主机地址，并将其从交换机的FDB中移除；

步骤(6)、发现完整拓扑结构：通过发现虚拟交换机内部的线性结构和发现框架拓扑之外的拓扑结构，发现完整拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的一种动态网络链路层拓扑发现方法，其特征在于：步骤5)的移动主机地址判别方法为规则1或规则2或规则3，

所述规则1：在步骤(4)获取的框架拓扑中，虚拟交换机U是另一虚拟交换机V的下游节点，如果一个地址X出现在虚拟交换机U某个指派端口的FDB中，同时又出现在另一虚拟交换机V某个非面向U端口的FDB中，则X是移动主机地址；

所述规则2：如果一个地址X同时出现在虚拟交换机U和虚拟交换机V的指派端口的FDB中，且U和V是兄弟节点关系，则X是移动主机地址；

所述规则3：如果一个地址X同时出现在虚拟交换机U和框架拓扑以外某个交换机节点V的指派端口的FDB中，则X是移动主机地址。