工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)研究.

1、單位代碼 學(xué) 號 分 類 號 密 級 畢業(yè)設(shè)計(論文)基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)研究學(xué)習(xí)中心名稱專業(yè)名稱計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)生姓名XXX指導(dǎo)教師2017年 X月 X日論文封面書脊基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)研究 獨(dú)創(chuàng)性聲明我在此鄭重申明，本人所提交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是在導(dǎo)師指導(dǎo)下由本人獨(dú)立完成的研究成果，對文中所引用他人的成果，均已進(jìn)行了明確標(biāo)注或得到許可。畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，不包含他人已申請畢業(yè)證書（學(xué)位）或其他用途使用過的成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果，

2、如有不實之處，由本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。學(xué)生簽名： 時 間：2017年X月X日 第 26 頁基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)研究摘 要隨著工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷地擴(kuò)大，復(fù)雜度的增加，工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理的挑戰(zhàn)也越來越多。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)管理中的一項基本工作，是整個網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，所以高效準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)對于工業(yè)以太網(wǎng)的管理至關(guān)重要。而目前該方面的研究仍有待完善，所以本文主要針對工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)做了一些總結(jié)和研究。文章首先總結(jié)歸納了關(guān)于工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)管理方面的基礎(chǔ)理論，并總結(jié)歸納了當(dāng)前主要的一些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的技術(shù)分類。在此基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)在鏈路層的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)方面

3、的不足，本論文分析了當(dāng)前基于STP的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法和基于AFT的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法的各自優(yōu)缺點，并提出了一種基于STP和AFT的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法，并且以具體的實例對于該算法的運(yùn)行進(jìn)行了說明?？梢钥闯?，該算法很好地結(jié)合了STP和AFT的優(yōu)點，運(yùn)行準(zhǔn)確高效。關(guān)鍵詞：拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，SNMP，STP，AFTThe Research on Network Topology Discovery Technology Based on Industrial EthernetAbstractWith the expanding of scale and increasing of complexity in indust

4、rial Ethernet, the challenges from industrial Ethernet network management are becoming more and more. As a basic work in network management, Network topology is the foundation of the efficient network operation. Thus, efficient and accurate network topology discovery is of great demand. However, the

5、 current research remains to be improved, which is the main motivation of the research in this article.This article first summarizes the basic theories about industrial Ethernet and industrial Ethernet management and the technical classification of the major network topology discovery technology. Co

6、nsidering the situation that there remains some flaws and limitations in the topology discovery technology of the current industrial Ethernet in the layer-2, this article concludes the advantages and disadvantages of the STP-based topology discovery algorithm and the AFT-based topology discovery alg

7、orithm firstly. Then, it proposes an algorithm that combines STP and AFT topology discovery algorithm which is shown by a specific example. It can be seen that the algorithm is a good combination of STP and AFT. As it inherits both advantages of STP and AFT, it runs accurately and efficiently.Key wo

8、rds: topology discovery，SNMP，STP，AFT目 錄1 緒論51.1 課題背景及意義51.2 國內(nèi)外研究狀況51.3 課題研究方法61.4 論文主要研究內(nèi)容72 工業(yè)以太網(wǎng)及其相關(guān)概念72.1 工業(yè)以太網(wǎng)72.1.1 工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)生背景及發(fā)展現(xiàn)狀72.1.2 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢82.2 工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理92.3 SNMP（簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）102.3.1 SNMP簡介102.3.2 SNMP中的一些基本概念103 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)綜述103.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)理論基礎(chǔ)103.1.1 常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?13.1.2 拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)與圖論133.2 主要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)1

9、43.2.1 基于SNMP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)143.2.2 基于ARP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)143.2.3 基于ICMP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)153.2.4 基于RIP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)153.2.5 基于DNS的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)153.2.6 基于OSPF協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)154 工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法研究164.1 網(wǎng)絡(luò)層（主網(wǎng)絡(luò)）拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法174.2 數(shù)據(jù)鏈路層（子網(wǎng)）拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法174.3 基于STP和ATF的算法實例184.3.1 算法的主要思想194.3.2 算法的一些基本概念194.3.2 算法的工作流程204.3.2 算法的分析23結(jié) 論23參考文獻(xiàn)24致 謝261 緒論1.1 課題背景及意義工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)在

10、工業(yè)控制領(lǐng)域占據(jù)著重要地位，因其直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能表現(xiàn)。隨著工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制體系遇到了瓶頸。與此同時，計算機(jī)領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，并且在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中得到了很好地應(yīng)用，相應(yīng)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也逐步形成。憑借其表現(xiàn)出來的各方面性能優(yōu)勢， 工業(yè)以太網(wǎng)并且憑借其表現(xiàn)出來的各方面優(yōu)勢，已逐步成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)。該技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)自動化和辦公自動化的融合，極大地促進(jìn)了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的自動化和智能化，方便了工程師們對于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的監(jiān)測和管理。但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，復(fù)雜度的不斷增加， 隨著工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷地擴(kuò)大，使得網(wǎng)絡(luò)上不同廠商、 不同類型的設(shè)備共存

11、， 設(shè)備的數(shù)量急劇增加， 隨之工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性隨之大大增加， 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也經(jīng)常發(fā)生改變， 發(fā)生故障的可能性相應(yīng)跟著增加， 因此必須加強(qiáng)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓芾恚员ＷC網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。 針對上述問題，本論文的分析主要基于工業(yè)以太網(wǎng)，來闡述網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)在工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的重要性，并且特別對于其中的關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步深入的研究。該技術(shù)問題的解決對于工業(yè)以太網(wǎng)在實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層、過程監(jiān)控層和信息層管理的有機(jī)融合，并對該系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理具有重要意義。一個好的工業(yè)管理系統(tǒng)能夠提高企業(yè)管理和生產(chǎn)效率、實現(xiàn)利潤最大化，并進(jìn)一步提高企業(yè)應(yīng)變能力和整體競爭力。所以本課題的研究具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和廣

12、泛的應(yīng)用前景。并且網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的發(fā)展會進(jìn)一步帶動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的進(jìn)一步深入，使其在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮更大的作用，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。1.2 國內(nèi)外研究狀況早期，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單，所以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臋z查和調(diào)節(jié)等工作往往是由工作人員手動完成，但是隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，規(guī)模的擴(kuò)大化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動發(fā)現(xiàn)需求越來越大。在網(wǎng)絡(luò)層中，已經(jīng)有比較公認(rèn)方法用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣影l(fā)現(xiàn)。而物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)研究還不夠成熟，但是其對于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理也是很重要的。在物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣影l(fā)現(xiàn)的結(jié)果大多數(shù)都是基于SNMP，主要有兩類拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的算法，基于生成樹協(xié)議(STP, Spanning

13、Tree Protocol)算法以及基于地址轉(zhuǎn)發(fā)表(AFT，Address Forwarding Table)的算法。生成樹協(xié)議已被寫入IEEE 802.1D標(biāo)準(zhǔn)，是一類可以保證網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路拓?fù)涞膮f(xié)議算法， 文獻(xiàn)1 和文獻(xiàn)2 分別在他們的研究中詳細(xì)給出了基于生成樹的第二層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方案，這些方案可以很好地在支持SNMP和STP的局域網(wǎng)中應(yīng)用。地址轉(zhuǎn)發(fā)表常用于網(wǎng)絡(luò)的橋結(jié)合路由，文獻(xiàn)3提出了一種基于AFT的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法。但是該方法要求所有交換機(jī)的AFT是完整的，該條件使得該算法的應(yīng)用場景比較有限。文獻(xiàn)4則推導(dǎo)出了通過AFT判斷交換機(jī)端口之間的連接關(guān)系的條件。他提出了一種只有下行端口的AFT完成

14、才能確定交換機(jī)連接的方法。該理論為發(fā)現(xiàn)物理拓?fù)涮峁┝艘环N比較有效的方式。許多商家也同樣在自主開發(fā)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)軟件，如Cisco的CDP(Cisco Discovery Protocol)，海灣網(wǎng)絡(luò)的Optivity Enterprise，但是這些方案均為在私有管理信息庫的基礎(chǔ)上開發(fā)的，不利于推廣。目前亟待設(shè)計一個更為合理、高效、兼容性能優(yōu)良的底層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方案。但是現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)模型都尚不是很成熟， 且使用范圍比較窄，比如只適用于單一拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)策略。因此，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)仍然是有待開發(fā)的研究領(lǐng)域。1.3 課題研究方法關(guān)于本課題的研究，本論文用到了以下研究方法：（1）文獻(xiàn)閱讀法：文章首先根據(jù)本課題的研究

15、目的，查閱了當(dāng)前關(guān)于工業(yè)以太網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)等各方面的文獻(xiàn)，并了解和總結(jié)了該問題的研究背景、歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，對于該課題進(jìn)一步的研究打下了基礎(chǔ)。（2）定性分析法：文章總結(jié)歸納了當(dāng)前眾多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)，并通過定性分析各算法的性能，對各算法進(jìn)行綜合比較。1.4 論文主要研究內(nèi)容本文的主要研究內(nèi)容主要分為以下幾部分：（1）工業(yè)以太網(wǎng)以及相關(guān)理論的整理和綜述。（2）工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理的概念以及相關(guān)的技術(shù)理論。（3）工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)常用的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)及其相關(guān)理論。（4）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)算法及其分析。2 工業(yè)以太網(wǎng)及其相關(guān)概念2.1 工業(yè)以太網(wǎng)2.1.1 工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)生背景及發(fā)展現(xiàn)狀隨著工業(yè)

16、的不斷發(fā)展，現(xiàn)代的工業(yè)自動化控制產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備也在地域上表現(xiàn)出了分散性，這極大地提高了系統(tǒng)集中控制和管理的難度，并且原有的集中控制管理方式已不能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的需求5。為了解決該問題，現(xiàn)場總線技術(shù)隨之發(fā)展起來，這是一種類似于計算機(jī)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布集散控制技術(shù)，能夠智能化地實現(xiàn)交互通信和系統(tǒng)設(shè)備的控制和調(diào)度。然而，由于各企業(yè)對于自身利益的維護(hù)，現(xiàn)場總線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)百花齊放，從上世紀(jì)八十年代開始，國際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出臺了有十三種，另外還有各個國家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)6,7，這不同廠商之間的產(chǎn)品不能很好地兼容于同一個網(wǎng)絡(luò)，所以該技術(shù)在開放性方面不不能滿足市場的需求。與此同時，以太網(wǎng)

17、技術(shù)得到了很好的發(fā)展。由于其自身價格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用方便等優(yōu)點，以太網(wǎng)逐漸從眾多的局域網(wǎng)領(lǐng)域中脫穎而出，成為了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。很自然的，為了實現(xiàn)智能化地控制系統(tǒng)，底層的物理設(shè)備必然需要跟上層的管理網(wǎng)絡(luò)相連接，這樣才能將底層的設(shè)備信息統(tǒng)一于上層的管理網(wǎng)絡(luò)中，并且通過上層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置來操作和控制下層的物理設(shè)備，因此，以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場控制上的應(yīng)用很快地得到了發(fā)展，并逐漸形成了當(dāng)前的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，不僅實現(xiàn)了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)的無縫集成，而且實現(xiàn)了不同生產(chǎn)廠商設(shè)備之間的兼容性。上世紀(jì)末，工業(yè)自動化通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(IndustriaI Automation Network AIIiance, IAONO

18、)成立并開始著手建立推廣以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的通信標(biāo)準(zhǔn)和使用指南8。IAONO與ODVA(Open Device Vendor Association)、ModbusIDA等多個組織制定了共同的策略，以開發(fā)基于Ethemet的工業(yè)自動化產(chǎn)品。為適應(yīng)市場趨勢，加快工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用實現(xiàn)，全球眾多組織和自動化廠商紛紛提出了各自具體化的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。目前，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議主要有5個：Ethernet/IP，PROFINET，POWERLINK，Modbus/TCP，EtherCAT，SERCOSIII（據(jù)Modbus/TCP的用戶組織表明，Modbus/TCP協(xié)議將被融合到Ethernet/IP協(xié)議中）

19、。根據(jù)IMS和ARC的調(diào)查，前三者占了將近3/4的市場份額，其次是POWERLINK和EtherCAT9。此外，盡管SERCOSIII協(xié)議的市場份額雖然很小，但是，他在高速運(yùn)動控制領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛以及重要。2.1.2 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)中最廣泛的應(yīng)用方式是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)加上TCPIP通信協(xié)議。TCPIP通信協(xié)議是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸中的標(biāo)準(zhǔn)，而以太網(wǎng)的底層設(shè)置靈活，兩者結(jié)合使得以太網(wǎng)具有傳輸速率快、資源消耗低、安裝方便、兼容性能好等許多優(yōu)點，并廣泛應(yīng)用與各類網(wǎng)絡(luò)之中。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展要求，以太網(wǎng)技術(shù)也被應(yīng)用與工業(yè)控制系統(tǒng)之中，形成了新型的分布化、智能化的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)。換句

20、話說，工業(yè)以太網(wǎng)就是將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制和管理的局域網(wǎng)技術(shù)，所以繼承了很多以太網(wǎng)的優(yōu)勢，總結(jié)如下10：1) 以太網(wǎng)具有很好的開放性，能夠很好的承載不同的設(shè)備，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全數(shù)字化，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠商的設(shè)備可以很容易實現(xiàn)互聯(lián)；以太網(wǎng)支持將近所有的計算機(jī)程序語言，擁有很好的技術(shù)支持，所以也有利于未來的應(yīng)用開發(fā)。2) 以太網(wǎng)能夠很好地實現(xiàn)和Internet等網(wǎng)絡(luò)的連接，所以工業(yè)以太網(wǎng)能夠很好地實現(xiàn)辦公網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)之間無縫結(jié)合，有利于企業(yè)實現(xiàn)一體化、自動化的管理控制全開放網(wǎng)絡(luò)；3) 以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展已趨于成熟，所以以太網(wǎng)的軟硬件成本較低，不同設(shè)備之間的接口十分方便。同時生產(chǎn)廠商們支持高度重視和廣

21、泛支持以太網(wǎng)的軟硬件，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶選擇；4) 以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率在不斷的提高，10G甚至40G/100G的以太網(wǎng)正在逐步進(jìn)入商用和部署。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及信息傳輸要求的提高，對鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率的需求也越來越大，而以太網(wǎng)速率的發(fā)展完全能夠滿足工業(yè)以太網(wǎng)對于傳輸速率的要求5) 提高了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的潛力，在這通信技術(shù)迅速發(fā)展的時代，一個高效快速的通信管理網(wǎng)絡(luò)能夠為企業(yè)的生存和發(fā)展提供保障。同時隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，由于以太網(wǎng)的問題已經(jīng)完全或部分得到解決。將以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，它可將已有的、成熟的采用以太網(wǎng)的信息層，與現(xiàn)在已經(jīng)滲透了以太網(wǎng)的控制層和設(shè)

22、備層進(jìn)行無縫連接，并且能與存在的使用以太網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共同作用，達(dá)到工業(yè)控制、信息共享的目的。實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層、過程監(jiān)控層和信息管理層的有機(jī)融合，降低工程運(yùn)行成本，獲取最大的利潤。2.2 工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)對于工業(yè)控制系統(tǒng)管理需求的滿足，以及其在各方面的良好特性使得該技術(shù)初步成為現(xiàn)代工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，碰撞沖突產(chǎn)生的帶寬問題和排隊時延的不確定性問題，在理論上都得到了不同程度的解決。而如何更好地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理初建成為工業(yè)以太網(wǎng)研究重點之一。從詞面上看，網(wǎng)絡(luò)管理就是通過一定的方式對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，不僅能夠獲知整個系統(tǒng)的全局信息，而且能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中的每一個

23、對象進(jìn)行需要的操作和維護(hù)，同時還能夠保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作，如果網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)必須還能夠?qū)收线M(jìn)行排查、報告以及處理。綜合而言，就是希望通過網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有資源的合理分配和高效利用。ISO(International Organization for Standardization) 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對網(wǎng)絡(luò)管理進(jìn)行了定義，并將其總結(jié)成五項：網(wǎng)絡(luò)配置管理，網(wǎng)絡(luò)故障管理，網(wǎng)絡(luò)性能管理，安全管理以及計費(fèi)管理。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的一項重要基本功能，他能夠通過一定的方法對網(wǎng)絡(luò)中的有用信息進(jìn)行查找，并且搜索到網(wǎng)絡(luò)中的元素，為網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中中國功能開發(fā)的

24、基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)可以為網(wǎng)絡(luò)的管理者提供整個網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，為管理者對于網(wǎng)絡(luò)的配置、故障的排查提供了基礎(chǔ)。2.3 SNMP（簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）2.3.1 SNMP簡介SNMP簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議是當(dāng)前被廣泛使用的基于TCP/IP的網(wǎng)管協(xié)議，該協(xié)議用于在工業(yè)以太網(wǎng)中，對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行監(jiān)測，探測到網(wǎng)絡(luò)故障并且對其進(jìn)行分析和排查，對于系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行配置等。SNMP在網(wǎng)絡(luò)管理中具有兩個重要優(yōu)點：1）可擴(kuò)展。由于，SNMP將協(xié)議和系統(tǒng)管理信息庫之間相互獨(dú)立，所以SNMP的擴(kuò)展升級易于實現(xiàn)，只需要修改協(xié)議的報文格式，而原來的管理庫信息不需要變動。2）操作簡單。SNMP的管理操作簡單，成本低，并且建立起來方便。

25、2.3.2 SNMP中的一些基本概念A(yù)gent：代理，管理系統(tǒng)上的一個軟件模塊，其功能是用于完成網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的信息管理和維護(hù)MO：管理的對象，通常指網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備或者是某設(shè)備的特性。MIB：管理信息庫，存放MO的資源庫，存有關(guān)于每個設(shè)備的各項數(shù)據(jù)。SMI：管理信息結(jié)構(gòu)，指管理信息庫的信息規(guī)則NMS：管理站，實現(xiàn)信息管理的應(yīng)用，管理員用于網(wǎng)絡(luò)管理的工作站。管理協(xié)議：管理站和agent間實現(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。SNMP的協(xié)議實體：一個應(yīng)用程序?qū)嶓w，通過SNMP協(xié)議原語服務(wù)，實現(xiàn)NMS和MO之間的通信。 SNMP共同體(Community)：一個SNMP和任意的SNMP應(yīng)用程序?qū)嶓w(網(wǎng)絡(luò)管理程序)一起，組

26、成為一個SNMP共同體。每個共同體都有一個以字符串形式表示的名字3 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)綜述3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)理論基礎(chǔ)工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的功能是發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如網(wǎng)絡(luò)中的所有元素，同時還兼有信息搜集功能，例如所發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)的ID、描述等。作為網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)功能開發(fā)的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的目的是提供網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行視圖，提供網(wǎng)絡(luò)管理中的配置管理、故障管理的重要手段。適應(yīng)當(dāng)前國內(nèi)管理和國際上網(wǎng)絡(luò)信息安全的需要，研究高效的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌阉鞣椒ǎ瑢﹂_發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)管產(chǎn)品，保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行有效、安全具有重要的意義。目前常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法有：基于SNMP、ICMP、DNS、ARP、RIP

27、、OSPF等的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法，這些方法各有優(yōu)缺點，可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選用。拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)對配置管理乃至整個網(wǎng)絡(luò)管理都是十分必要的。在網(wǎng)絡(luò)管理的最初階段，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒M成是在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時就已經(jīng)確定，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和故障定位等都是人工輸入并依賴于管理人員的經(jīng)驗判斷。如今隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，而其功能也越來越強(qiáng)。網(wǎng)絡(luò)管理已成為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行好壞的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)測和控制需要一種有效的工具，以利于管理人員及時地了解網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)作情況，同時進(jìn)行管理信息的獲取、定位故障等管理操作。這樣，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和拓?fù)渖勺鳛榕渲霉芾淼暮诵呐c故障管理的基礎(chǔ)，在整個網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的

28、開發(fā)中占有重要的地位。這正是本文選題的原因和目的。3.1.1 常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔I(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備和物理媒介通過一定的方式進(jìn)行連接和分布，構(gòu)成了我們計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?。其中，主機(jī)，路由器等物理設(shè)備構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，電纜，網(wǎng)線等媒介則構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)中的連線。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備和介質(zhì)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。在不同的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中，常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3.1所示。1) 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3.1,在總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，看所有的設(shè)備直接連接在同一條總線上，設(shè)備之間通過廣播的方式進(jìn)行通信，即某一設(shè)備發(fā)送的信息將發(fā)送至該總線上的所有設(shè)備。該結(jié)構(gòu)簡單可靠，擴(kuò)展性好，但是節(jié)點某一節(jié)點的

29、故障容易造成整個玩網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。圖 3.1 常見網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖2) 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各節(jié)點之間構(gòu)成一個環(huán)形的閉合回路，并且在該回路中數(shù)據(jù)幀只能單方向傳輸。環(huán)形結(jié)構(gòu)同樣簡單易操作，但是節(jié)點的故障同樣會造成整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。3) 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以某一個節(jié)點為中心節(jié)點，并且其他所有設(shè)備與該設(shè)備相連，該設(shè)備又稱之為中央轉(zhuǎn)接站，并將星系轉(zhuǎn)接至連在它上面的節(jié)點設(shè)備。但是這也造成了中央節(jié)點負(fù)擔(dān)重的確定，中央節(jié)點的故障可能會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。4) 樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的樹，分為根節(jié)點和葉節(jié)點，是一種多層次結(jié)構(gòu)。5) 網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)中，所有的設(shè)備之間都互相聯(lián)通，任意設(shè)備之間

30、能夠直接通信。所以該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性和容錯性都較高。在實際網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目較多，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也比較負(fù)載，一般是上述結(jié)構(gòu)的混合體。根據(jù)節(jié)點的需求，常常會選擇不同的連接方式，以合理化網(wǎng)絡(luò)資源的分配，比如對于網(wǎng)絡(luò)中的主要節(jié)點，則常常采用網(wǎng)狀拓?fù)溥M(jìn)行連接，次要的節(jié)點則采用環(huán)形，樹形等方式進(jìn)行連接。3.1.2 拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)與圖論網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)其實就是圖論中路徑的的搜索和遍歷的過程。在網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相當(dāng)于圖中的節(jié)點，設(shè)備之間的鏈接方式就是圖中的邊，那么網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就可以用圖G=(V,E)表示，V表示圖G的頂點集，L表示邊集，并且圖G是無向圖，即網(wǎng)絡(luò)中的鏈路都是雙向的。圖論中對于圖的遍歷有廣度優(yōu)先和深度

31、優(yōu)先兩種，具體定義為：1)深度優(yōu)先搜索深度優(yōu)先搜索 (DFS)，首先從某個根頂點出發(fā)，并將其標(biāo)記為已訪問，然后搜索頂點的第一個鄰接點，并進(jìn)行訪問，若下一層的領(lǐng)接點下面仍有節(jié)點相連，則繼續(xù)往下搜索，直到訪問至葉節(jié)點。然后再回到頂點的下一個領(lǐng)接點，并重復(fù)上述操作，直到所有節(jié)點都被訪問完為止，這是一個遞歸的過程。如圖3.2中，該圖在經(jīng)過深度優(yōu)先搜索時，節(jié)點的發(fā)現(xiàn)順序為：1,2,3,4,5,6,7,8,9,10。圖3.2 圖例12) 廣度優(yōu)先搜索追歷在廣度優(yōu)先搜索 (BFS)中，按照層次對圖進(jìn)行搜索。首先在圖中選擇一頂點并訪問，然后找到與該頂點相連的所有節(jié)點并進(jìn)行逐一訪問，待訪問結(jié)束后，再分別重復(fù)同樣

32、的方式，訪問這些鄰結(jié)點的下一層鄰結(jié)點，直到所有的節(jié)點被訪問完畢。同樣以圖X為例，應(yīng)用BFS，節(jié)點的發(fā)現(xiàn)順序為：1,2,5,6,9,3,4,7,10,8。3.2 主要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞陌l(fā)現(xiàn)包括三個不同的的層次11：1、底層物理拓?fù)湫畔l(fā)現(xiàn)：主要發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點，如路由器、主機(jī)等的構(gòu)成以及之間的在物理上的鏈接關(guān)系。2、數(shù)據(jù)鏈路層的拓?fù)湫畔l(fā)現(xiàn)：在底層拓?fù)湫畔⒒A(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)交換設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)形式或LAN等局域網(wǎng)絡(luò)，并給出路由器之間的鏈路信息。3、網(wǎng)絡(luò)高層拓?fù)湫畔⒌陌l(fā)現(xiàn)：用于發(fā)現(xiàn)防火墻、VPN、高層交換設(shè)備、server等設(shè)備之間連接形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息。根據(jù)發(fā)現(xiàn)的區(qū)域大小不同，

33、又可以將拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)分為單管理域拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)和多管理域拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)。單管理域限定的范圍較小，限于單一局域網(wǎng)內(nèi)，比如校園網(wǎng)，多管理與可包好多個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如因特網(wǎng)12。此外，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞陌l(fā)現(xiàn)還可以根據(jù)信息收集方式進(jìn)行分類：1）基于簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP的網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⑹占绞剑?）基于通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如DNS，RIP，OSPF的拓?fù)湫畔⑹占绞健６唧w要選用哪一種需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)具體的協(xié)議以及拓?fù)涞囊?guī)模等信息確定。下面將對這幾種發(fā)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行簡單的總結(jié)分析。3.2.1 基于SNMP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)SNMP是運(yùn)行在TCP/IP上的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，它是一個應(yīng)用級協(xié)議。SNMP主要由三部分組成：管理信息結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)

34、管理協(xié)議SNMP和管理信息庫MIB13。其中MIB定義了可以通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行訪問的管理對象的集合，MIB-II(RFC1213)是被設(shè)計用描述所有網(wǎng)絡(luò)元素（主機(jī)、路由器和網(wǎng)橋等）所必需的重要信息。在MIB-中，與拓?fù)湎嚓P(guān)的關(guān)鍵信息有：Iftable包含路由器的接口信息；IfRouteTable包含路由器中的路由表，；IfAddrTable包含了路由器的地址信息。用戶利用報文GetRequest-PDU或GetNextReque-st-PDU與目標(biāo)代理交互，從目標(biāo)代理進(jìn)程MIB-中提取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置信息，通過分析算法，形成拓?fù)鋱D。3.2.2 基于ARP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)任何有以太網(wǎng)接口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都必

35、須支持地址解析協(xié)議(ARP，Address Resolution Protocol)，并在本機(jī)維護(hù)著一張ARP表，用于IP地址與以太網(wǎng)地址間的地址解析和轉(zhuǎn)換。讀取節(jié)點系統(tǒng)上的ARP高速緩存cacheARP表，可以發(fā)現(xiàn)與各以太網(wǎng)端口相連的局域網(wǎng)中的所有設(shè)備，再判斷網(wǎng)絡(luò)中的路由器和交換機(jī)，并繼續(xù)根據(jù)ARP表進(jìn)行發(fā)現(xiàn)，從而得到整個以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)14。3.2.3 基于ICMP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)ICMP協(xié)議作為IP協(xié)議的一部分，用戶通過向給定地址空間內(nèi)所有可能的主機(jī)發(fā)送ICMP“回顯請求”包來確定活動主機(jī)，記錄其IP地址，子網(wǎng)掩碼，利用traceroute來發(fā)現(xiàn)給定的主機(jī)路由信息，根據(jù)這些信息，通過拓?fù)浒l(fā)

36、現(xiàn)算法程序分析，從而得到拓?fù)鋱D15。3.2.4 基于RIP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)RIP是一種距離向量路由協(xié)議，要求路由器每個節(jié)點存放到達(dá)各個目標(biāo)站點的距離，所謂距離即指到達(dá)目標(biāo)節(jié)點所經(jīng)過的跳數(shù)。RIP協(xié)議要求每隔一定的時間（例如30s），各路由器向其相鄰路由器發(fā)送自己存放的、到達(dá)各目標(biāo)主機(jī)的距離信息，即廣播自己的路由表的所有路由表項。同時接收其它相鄰路由器發(fā)送來的路由表項更新報文，將其距離值與其本身的路由表中的信息進(jìn)行比較，不斷根據(jù)這些信息來更新路由表。用戶從路由表中得到所需要的IP地址和路由器的鄰接關(guān)系。3.2.5 基于DNS的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)DNS系統(tǒng)主要用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址到名字的映 射，同時也維護(hù)一些

37、其他信息，例如電子郵件的選路信息，設(shè)備的硬件平臺及操作系統(tǒng)。DNS模塊的主要任務(wù)是向DNS服務(wù)器發(fā)送區(qū)域傳送命令(Zone transfer)，通過從某一結(jié)點開始遞歸下降遍歷DNS樹而返回該區(qū)域內(nèi)的所有域名列表，因此可以用來發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的所有主機(jī)和路由器。3.2.6 基于OSPF協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)OSPF路由協(xié)議是開放最短通路優(yōu)先協(xié)議，也屬于內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，其基本思想非常簡單，每個結(jié)點存放網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)圖，路由器之間通過相互交換路由信息來更新鏈路狀態(tài)圖。利用OSPF路由信息協(xié)議可以從路由設(shè)備中提取通過該設(shè)備的所有IP地址域、IP子網(wǎng)的路由信息表，通過相關(guān)的拓?fù)渌惴?，?gòu)造出拓?fù)溥B接信息表，從而得到拓?fù)鋱D

38、16。以上每一種信息采集方法對應(yīng)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法，它們的性能優(yōu)劣涉及到算法的收斂速度、網(wǎng)絡(luò)開銷、拓?fù)涞耐暾浴⑺惴▽崿F(xiàn)難易程度，分析比較見表3.1。表3.1 拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法比較 可得到以下結(jié)論：1）每一種方法都有一定的優(yōu)勢，但也或多或少存在一些不足。每種方法有其適用的范圍，所以要想對于各種網(wǎng)絡(luò)的各種設(shè)備進(jìn)行搜索，應(yīng)該根據(jù)實際需要有選擇地結(jié)合它們。2）大型網(wǎng)絡(luò)如互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)可以利用OSPF、RIP、BGP等路由協(xié)議獲得路由信息，得到相應(yīng)的IP地址，再用Ping、Traceroute工具探測目的主機(jī)的可達(dá)性和路由器的連接信息。3）一個管理域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)可利用SNMP協(xié)議發(fā)現(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

39、，再利用ARP、ICMP協(xié)議發(fā)現(xiàn)各子網(wǎng)內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。4 工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法研究上一章的每個拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法都有各自的特點以及適用的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)場景，因此拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法需要根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行選取，下面首先將介紹對于主干網(wǎng)絡(luò)和子網(wǎng)絡(luò)的不同的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)常用算法。4.1 網(wǎng)絡(luò)層（主網(wǎng)絡(luò)）拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法一級拓?fù)渌阉髦饕肧NMP的路由表發(fā)現(xiàn)路由器、 路由器間的連接關(guān)系， 同時利用SNMP的地址表得到與路由器直接相連的子網(wǎng)地址及子網(wǎng)掩碼。路由設(shè)備上的路由表為其所知道的每個目的網(wǎng)絡(luò)都建立了表項，給出到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)的路徑中的下一跳，也就是給出了與此路由設(shè)備相鄰的所有其他路由設(shè)備、子網(wǎng)的信息。前面介紹的M

40、IB變量完全提供了這些路由信息。網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法可以通過SNMP獲取這些信息來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；赟NMP的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法，其基本思路是從網(wǎng)絡(luò)管理工作站的缺省路由開始，通過讀取路由器的路由表，可以采用深度優(yōu)先遍歷無向圖的算法對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遍歷，可逐步發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的所有具有路由功能的節(jié)點。這種方法發(fā)現(xiàn)效率較高，系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)開銷小，易于實現(xiàn)。4.2 數(shù)據(jù)鏈路層（子網(wǎng)）拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法鏈路層的設(shè)備即交換機(jī)，其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的透明性。使得鏈路層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫是交換機(jī)所維護(hù)的唯一狀態(tài)信息，它在SNMP Bridge MIB中包含了轉(zhuǎn)發(fā)與過濾數(shù)據(jù)幀的相關(guān)信息?？梢姡l(fā)現(xiàn)交換機(jī)和路由

41、器、交換機(jī)和交換機(jī)、交換機(jī)和終端設(shè)備之間的連接關(guān)系，必須通過對網(wǎng)絡(luò)中各個交換機(jī)AFT進(jìn)行深入的分析。交換機(jī)從某端口接收到一個數(shù)據(jù)幀之后，將對其地址轉(zhuǎn)發(fā)表執(zhí)行兩個操作。首先在轉(zhuǎn)發(fā)表中查找是否有記錄包含此數(shù)據(jù)幀的源MAC地址，如果沒有，則在轉(zhuǎn)發(fā)表中添加一條包含MAC地址與此端口的記錄。然后，檢查數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址在地址表中是否有記錄，如果有，但轉(zhuǎn)發(fā)端口和接收端口一致，就將數(shù)據(jù)幀丟棄，否則將數(shù)據(jù)幀從該轉(zhuǎn)發(fā)端口上轉(zhuǎn)發(fā)出去；如果沒有，則向所有端口(除接收端口)進(jìn)行ARP廣播。擁有目的MAC地址的設(shè)備對此做出應(yīng)答。交換機(jī)收到應(yīng)答后，在地址轉(zhuǎn)發(fā)表中記錄下此MAC地址以及與此對應(yīng)的端口，然后將數(shù)據(jù)幀從此端

42、口轉(zhuǎn)發(fā)出去。在交換機(jī)中，記錄的是設(shè)備的MAC地址，但是數(shù)據(jù)報文經(jīng)過路由器之后，MAC地址會發(fā)生改變。因此，數(shù)據(jù)鏈路層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的范圍限定在交換域中。在交換域中，只包括交換機(jī)、集線器、終端設(shè)備等非路由設(shè)備。在交換域中，交換機(jī)的連接關(guān)系確定了整個交換域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，發(fā)現(xiàn)交換域的拓?fù)涫紫纫l(fā)現(xiàn)交換機(jī)之間的連接關(guān)系。目前的數(shù)據(jù)鏈路層算法依賴于交換機(jī)上FDB中變量的信息，并假設(shè)FDB信息在每個交換機(jī)上都能獲得，且獲得的信息是完全的。由這些信息來判斷交換機(jī)之間的連接關(guān)系，從而建立數(shù)據(jù)鏈路層拓?fù)?。但是在實際網(wǎng)絡(luò)中，由于地址轉(zhuǎn)發(fā)表老化機(jī)制的存在、AFT大小的限制以及由于SM舊協(xié)議第四層采用無連接的UDP進(jìn)行

43、傳輸，不能提供可靠的數(shù)據(jù)通信，使得交換機(jī)的AFT的完整性很難保證，算法的準(zhǔn)確性不高。4.3 基于STP和ATF的算法實例如前面文獻(xiàn)綜述中所述，主網(wǎng)內(nèi)部的算法已經(jīng)比較成熟，所以這里我們只討論子網(wǎng)內(nèi)部的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。并且給出了一個基于STP和ATF的算法實例。4.3.1 算法的主要思想根據(jù)之前的文獻(xiàn)閱讀和介紹，可知基于ATF的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法需要MIB中的完整信息，并且計算的復(fù)雜度較高，計算時間效率較低。而基于STP的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)并不需要那么多的MIB信息，并且計算的復(fù)雜度也比較低，所以算法運(yùn)行效率更高，但是該算法的問題是，網(wǎng)絡(luò)并不能保證所有的設(shè)備都支持STP協(xié)議，所以，這里提出一個算法的思想就是將 STP和

44、ATF技術(shù)結(jié)合，充分利用各自的優(yōu)點，共同應(yīng)用于拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)?；赟TP和ATF方法的各自特點，本算法的主要思想是：首先，我們將所有的交換機(jī)分成兩類，一類是STP交換機(jī)，及同時支持STP和SNMP，所以即可是實現(xiàn)STP，又可以實現(xiàn)AFT；另一類是AFT交換機(jī)，即僅支持SNMP，不支持STP。然后，通過一定的算法將ATF交換機(jī)與STP交換機(jī)相連。所以，該算法的關(guān)鍵就是如何通過交換機(jī)的連接來實現(xiàn)AFT和 STP方法的結(jié)合。4.3.2 算法的一些基本概念Sij: 交換機(jī)Si的j端口。Aij: 從端口Sij學(xué)習(xí)到的所有數(shù)據(jù)的MAC地址。A: AFT中所有的MAC地址。上行端口: Aij中包含源地址的端口。下

45、行端口: Aij中不包含源地址的端口。SAFT: AFT交換機(jī)。SSTP: STP交換機(jī)，一個交換機(jī)屬于SAFT還是SSTP可以用MIB中的相關(guān)信息進(jìn)行判別。葉節(jié)點交換機(jī): 如果某SAFT的A集合中不包含SAFT，則稱之為葉節(jié)點交換機(jī)。非葉節(jié)點交換機(jī): A集合中包含SAFT的交換機(jī)。設(shè)n=1,2,N,N是交換機(jī)的端口數(shù)，并且n不是上行端口的端口號，上行端口號標(biāo)記為l。推論14：對于交換機(jī)Si，Sk。如果Aij=n=0NAknSk那么判定端口Sij和Skl直接相連。推論22：當(dāng)SAFT的端口Sij連接至端口Smn并且端口Smn已經(jīng)連接至SSTP交換機(jī)Sk，我們再檢查交換機(jī)Si的A，如果SkA，并

46、且 SkAia那么Sia將連接至交換機(jī)的上行，并且Smn連接至Sij，如果上述條件不滿足，那么Sij和Skl連接至集線器，并且集線器和Smn相連。4.3.2 算法的工作流程以圖4.1所示的拓?fù)鋱D為例說明我們算法的工作流程。并且管理系統(tǒng)所有MIB中的到的信息如表4.1,4.2,4.3所示。圖4.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型舉例表4.1 SSTP交換機(jī)信息交換機(jī)端口號指定網(wǎng)橋指定端口狀態(tài)SSTP123SSTP1SSTP1S12S13F(forwarding)FSSTP2235SSTP1SSTP2SSTP2S12S23S25FFFSSTP3245SSTP3SSTP1SSTP3S32S13S35FFBSSTP42

47、SSTP2S23FSSTP51SSTP3S32FSSTP62SSTP2S23F表4.2 端口學(xué)習(xí)得到的MAC地址交換機(jī)ASSTP1, , , , SSTP2, ,SSTP3,SSTP4SSTP5SSTP6SAFT7,SAFT8SAFT9表4.2中包含了每個交換機(jī)AFT中包含的所有從端口中學(xué)習(xí)到的MAC地址，表中符號表示S是從端口i學(xué)習(xí)得到的。下面將基于上面這個例子來說明我們算法的具體流程。算法的關(guān)鍵是實現(xiàn)交換機(jī)之間的連接，具體分為以下幾步：第一步：所有的交換機(jī)分為兩類：AFT交換機(jī)和STP交換機(jī)。第二步：將所有的STP交換機(jī)進(jìn)行相連。根據(jù)文獻(xiàn)2的相關(guān)結(jié)論：結(jié)論1：如果端口Sij指定的網(wǎng)橋為Sm

48、,且指定的端口為n,那么Sij將和Smn直接相連。結(jié)論2：如果端口Sij指定的網(wǎng)橋是堵塞的，那么在此處必定會有連接。根據(jù)上述兩個結(jié)論進(jìn)行操作之后，可以得到上述拓?fù)鋱D的連接為：, , , , 。() 是一條冗余鏈路。第三步：將AFT交換機(jī)連接至網(wǎng)絡(luò)。這一部又可以分為幾小步：1）首先將所有的AFT交換機(jī)分為葉節(jié)點交換機(jī)和非葉節(jié)點交換機(jī)。根據(jù)下表4.3來判斷。表4.3 葉節(jié)點交換機(jī)和非葉節(jié)點交換機(jī)的判斷交換機(jī)類型A是否有SAFT 交換機(jī)葉節(jié)點交換機(jī)/非葉節(jié)點交換機(jī)SSTP是非葉節(jié)點交換機(jī)SSTP否都不是SAFT是非葉節(jié)點交換機(jī)SAFT否葉節(jié)點交換機(jī)進(jìn)行一次判斷之后，我們得到(SAFT8, SAFT9

49、) 是葉節(jié)點交換機(jī), (SSTP1, SSTP2, SSTP3,SAFT 7) 是非葉節(jié)點交換機(jī), (SSTP4, SSTP5, SSTP6) 則兩者都不是。2）預(yù)處理。在將交換機(jī)劃分之后，我們將對表格4.2的結(jié)果做一些預(yù)處理，我們將刪掉一些SSTP交換機(jī)，這些交換機(jī)不是葉節(jié)點交換機(jī)并且其A中的沒有葉節(jié)點交換機(jī)。但是為了保留交換機(jī)的一些連接信息，我們不會處理SSTP交換機(jī)的A。在預(yù)處理之后，表4.2轉(zhuǎn)換為表4.4所示結(jié)果。表4.4 預(yù)處理之后相關(guān)信息交換機(jī)ASSTP1, , ,SSTP2,SSTP3SSTP4SSTP5SSTP6SAFT7,SAFT8SAFT93）連接AFT交換機(jī)。根據(jù)推論1以

50、及表4.4，我們可以得到連接, 。在這些交換機(jī)中，S32已經(jīng)連接至S51，而現(xiàn)在為其分配了一個行的連接。根據(jù)推論2，我們需要查閱SAFT9的A，發(fā)現(xiàn)他是空的，所以，我們可以得到另外一個連接：S91和S51連接至一個集線器，并且集線器要跟S32相互連接。在該連接之后，重復(fù)1），2），3）的操作，得到下一組鏈接為, , 。重復(fù)上述步驟，直到不再有非葉節(jié)點交換機(jī)，此事說明所有的設(shè)備都已經(jīng)連接至這個網(wǎng)絡(luò)，路由查找完畢。4.3.2 算法的分析該算法很好地結(jié)合了STP拓?fù)洳檎宜俾矢吆虯FT信息全面的優(yōu)點，互相彌補(bǔ)了STP可能導(dǎo)致路由發(fā)現(xiàn)不完全和AFT運(yùn)行復(fù)雜度高的缺點。所以該算法不僅能夠準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)的拓?fù)洌?/p>

51、并且能有效地提高算法的效率和較低復(fù)雜度。結(jié) 論工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的控制中至關(guān)重要，并且隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也越來越復(fù)雜，對于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方面的要求和挑戰(zhàn)也越來越多。特別是鏈路層上的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，相關(guān)理論上沒有成熟。文章在總結(jié)歸納工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)管理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)等方面的理論的基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)在鏈路層的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)方面的不足，分析了當(dāng)前基于STP的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法和基于AFT的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法的各自優(yōu)缺點，并提出了一種基于STP和AFT的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法，并且以具體的實例對于該算法的運(yùn)行進(jìn)行了說明。從算法的執(zhí)行過程中可以看出，該算法很好地結(jié)合了STP和AFT的優(yōu)點，并且運(yùn)行準(zhǔn)確高效。但是該論文的研究都是基于理論上的分析，比較缺乏實際實驗或者仿真的支持，由于研究時間以及研究篇幅的限制，這一部分將留為未來的工作。參考文獻(xiàn)1 Park S H, Park M S. An efficient transm