基于SNMP的網(wǎng)絡拓撲自動發(fā)現(xiàn)算法的研究和應用

1、第32卷 第11期 2010-11(下 【149】收稿日期:2010-09-23作者簡介:聶明 (1964 -,男,吉林人,副教授,博士,主要研究方向為軟件工程、數(shù)據(jù)庫技術、圖形圖像技術和職業(yè)教育。基于SNMP的網(wǎng)絡拓撲自動發(fā)現(xiàn)算法的研究和應用1The research and application of network topology automatic discoveryalgorithm based on SNMP protocol聶 明NIE Ming(南京信息職業(yè)技術學院,南京 210046摘 要:網(wǎng)絡拓撲結構是網(wǎng)絡中各個節(jié)點之間連接關系的表現(xiàn),是網(wǎng)絡系統(tǒng)高效運行的基礎。本文主要

2、論述了網(wǎng)管系統(tǒng)中一個重要的功能網(wǎng)絡拓撲結構的自動發(fā)現(xiàn)和實現(xiàn)技術。在分析比較了幾種常用網(wǎng)絡拓撲結構的發(fā)現(xiàn)和實現(xiàn)方法的基礎上,提出了一種基于SNMP的網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)現(xiàn)算法,該方法經(jīng)過實際網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的驗證,能夠高效地發(fā)現(xiàn)整個網(wǎng)絡的拓撲結構。關鍵詞:網(wǎng)絡;SNMP;MIB;拓撲發(fā)現(xiàn)0 引言隨著網(wǎng)絡規(guī)模的日益擴大,復雜度的不斷增加,網(wǎng)絡拓撲結構也隨之變得日益復雜。一個好的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)應該反映網(wǎng)絡中所有設備的布局結構,方便用戶全方位地管理網(wǎng)絡,對網(wǎng)絡異常流量、設備告警、網(wǎng)絡攻擊現(xiàn)象等進行快速診斷和定位,以減少網(wǎng)絡異常造成的損失1。網(wǎng)絡拓撲的自動發(fā)現(xiàn),其目的是獲得被管理網(wǎng)絡的拓撲結構,主要指互連設備,如路

3、由器、交換機、PC 設備等的信息以及它們之間的連接關系。網(wǎng)絡拓撲的自動發(fā)現(xiàn)是網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的重要組成部分,是發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障和監(jiān)控設備性能的基礎,更是衡量一個網(wǎng)絡管理系統(tǒng)成敗的重要標準之一2。1 網(wǎng)絡拓撲的自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的自動發(fā)現(xiàn)通過收集網(wǎng)絡拓撲的各種必要信息,確定網(wǎng)絡元素之間的互連關系,并在此基礎上構造網(wǎng)絡拓撲圖,為網(wǎng)絡管理人員提供一個直觀了解全局網(wǎng)絡狀態(tài)的友好界面。網(wǎng)絡拓撲的自動發(fā)現(xiàn)是對大規(guī)模網(wǎng)絡進行有效管理的必不可少的手段,當前常用的網(wǎng)絡拓撲自動發(fā)現(xiàn)方法主要包括基于ARP協(xié)議的拓撲發(fā)現(xiàn)方法、基于ICMP協(xié)議的拓撲發(fā)現(xiàn)方法和基于SNMP協(xié)議的拓撲發(fā)現(xiàn)方法等36。1基于ARP協(xié)議的拓撲發(fā)現(xiàn)方法。

4、每個支持地址協(xié)議的網(wǎng)絡設備中都維護著一張ARP表,該表記錄了該設備連接的網(wǎng)絡設備的IP地址和MAC 地址的對應關系。利用ARP表,可以從一臺已知路由器或交換機的ARP表發(fā)現(xiàn)其連接的其它網(wǎng)絡設備,從這些新發(fā)現(xiàn)設備中區(qū)分出路由器和交換機,并繼續(xù)根據(jù)這些路由器和交換機的ARP表進行設備發(fā)現(xiàn),從而得到整個網(wǎng)絡的拓撲結構。因為ARP表中的網(wǎng)絡設備地址都是最近活動過的有效設備的IP地址,幾乎沒有冗余信息,所以該拓撲發(fā)現(xiàn)方法效率很高。但如果網(wǎng)絡過大,ARP表中可能無法包括網(wǎng)絡中實際存在的所有網(wǎng)絡設備,同時待發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡設備需要支持ARP協(xié)議,所以該方法適合于局域網(wǎng)的拓撲發(fā)現(xiàn)。2基于ICMP協(xié)議的拓撲發(fā)現(xiàn)方法。

5、它通過向網(wǎng)絡設備發(fā)送ICMP報文,測試設備的可達性。該方法對一個網(wǎng)段內所有設備的網(wǎng)絡IP地址依次執(zhí)行ping操作,根據(jù)響應就可以發(fā)現(xiàn)當前該網(wǎng)段內所有活動的網(wǎng)絡設備。根據(jù)給定的IP區(qū)間逐一進行ping操作,根據(jù)結果,再對上一次操作記錄的活動的IP地址逐一進行路由跟蹤,記錄下每一次路由跟蹤的操作結果,根據(jù)前面的操作結果,再分析所得到的信息,從中得到整個拓撲的連接情況。該拓撲發(fā)現(xiàn)方法簡單、可靠、快速,但發(fā)現(xiàn)具【150】 第32卷 第11期 2010-11(下有一定的盲目性,并在一定程度上加重了網(wǎng)絡的負荷等,此方法適用于子網(wǎng)內網(wǎng)絡設備的發(fā)現(xiàn)。3基于SNMP的拓撲發(fā)現(xiàn)方法。每個網(wǎng)絡設備都有路由表,路由信

6、息中包含了完整的網(wǎng)絡拓撲信息,包括路由目的網(wǎng)絡地址、目的網(wǎng)絡的子網(wǎng)掩碼、該路由的下一站IP地址、對應的端口索引和路由協(xié)議類型等。由于路由表中的下一站地址項所標識的必然是具有路由功能的網(wǎng)絡結點,因此從設定路由器開始,讀取路由器的路由表,可以逐漸向下發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中所有基于路由功能的網(wǎng)絡結點。再根據(jù)路由表的本地接口的索引標識項,找到接口表中對應的接口索引,由接口表的接口類型就可以了解到所在子網(wǎng)的類型,從而構建出整個網(wǎng)絡的拓撲關系圖。這種方法的拓撲發(fā)現(xiàn)過程和算法簡單,目標明確,發(fā)現(xiàn)效率高,系統(tǒng)和網(wǎng)絡開銷小,因此得到人們的廣泛應用。但是,該方法也存在不足之處,主要表現(xiàn)在:(1無法發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中沒有配置IP的網(wǎng)絡

7、設備;(2一個路由器往往配置了多個IP地址,并且基于路由表的發(fā)現(xiàn)方法算法是基于IP地址的,所以對于路由器多IP現(xiàn)象,可能導致路由器的發(fā)現(xiàn)與實際情況不合;(3要依次檢測各網(wǎng)絡設備的狀態(tài),導致算法運行時間可能過長,同時設備的發(fā)現(xiàn)受網(wǎng)絡時延等影響,不能完全實時反映網(wǎng)絡狀況;(4路由表中包含了大量冗余信息;(5網(wǎng)絡設備必須支持SNMP協(xié)議。因此,該方法主要用于大型主干網(wǎng)絡的拓撲發(fā)現(xiàn),主要發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的路由設備,反映網(wǎng)絡的整體拓撲結構狀況?？梢?當前各種拓撲方法各有優(yōu)缺點和局限性,在實際應用中需要根據(jù)具體的情況,有選擇或綜合地應用。本文給出了一種基于SNMP的網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)算法,經(jīng)過實際網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的驗證,

8、能夠有效發(fā)現(xiàn)整個網(wǎng)絡的拓撲結構。2 基于SNMP 的網(wǎng)絡拓撲自動發(fā)現(xiàn)算法2.1 算法思想在網(wǎng)絡中路由器之間的鏈路是由其兩端路由器的端口互聯(lián)構成的,根據(jù)TCP/IP的編址原理,鏈路兩端路由器端口的IP地址必然處于同一個子網(wǎng)中。因此,通過一個子網(wǎng)中已知的IP地址和這個IP地址的子網(wǎng)掩碼即可計算出該子網(wǎng)中所有其他的IP地址。根據(jù)以上思路,從某個節(jié)點開始,訪問其MIB庫,得到該節(jié)點所有接口的IP地址和子網(wǎng)掩碼,該節(jié)點稱為種子節(jié)點。通過計算得到與每一接口在同一個子網(wǎng)內的其他IP地址。判斷這些IP地址是否屬于路由器信息,如果是則將此路由器信息記錄到待檢測路由設備鏈表,作為下一層發(fā)現(xiàn)的種子節(jié)點。并同時記錄兩

9、個路由器間的鏈路信息到拓撲信息鏈表。重復以上步驟直到?jīng)]有種子節(jié)點或者達到指定的發(fā)現(xiàn)層數(shù),即可完成相應的拓撲發(fā)現(xiàn)過程。2.2 算法描述算法可具體描述如下:1根據(jù)網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的IP和掩碼,使用路由跟蹤的方法獲取網(wǎng)管終端所在的默認路由器網(wǎng)關地址。訪問該路由器獲取ipAdderssTable地址表信息,將其編號加入AllRouters隊列(元素包括路由器名、接口號、接口IP、接口號和接口IP等,其中接口號與接口IP的多少依據(jù)各個不同路由器而不同和AccessRouters隊列(待訪問路由器,結構跟AllRouters類似;2從AccessRoutes取出一個元素設為當前處理的路由器Rx,依次訪問Rx的

10、路由表ipRouteTable 表項,將目標子網(wǎng)信息編號無重復地放入子網(wǎng)隊列Subnets(元素包括子網(wǎng)號,子網(wǎng)地址,掩碼等;3判斷路由器與子網(wǎng)連接關系:依次對Rx的ipRouteTable表項檢查,如果ipRouteType 項不為4,表示相應子網(wǎng)與Rx直接相連,下一跳地址ipNextHopIpAddress項為空。根據(jù)Rx的ipAddressTable信息確定y端口與該子網(wǎng)z相連接,將連接關系組(Rx,y,Subnets無重復地放入R-links-S隊列(路由器接口與子網(wǎng)相連的接配對的二元組;4判斷路由器之間的連接關系:如果ipRouteType為4,下一跳ipNextHopIpAddre

11、ss地址有效,表明另一個路由器與Rx直接相連。根據(jù)ipNextHopIpAddress地址信息訪問另一個路由器的ipAddressTable,判斷AllRouters隊列中是否己經(jīng)存在該路由器信息,如不存在則把該路由器編號加入隊列AllRouters和AccessRouters中。很容易確定Rx的y端口與另一個路由器Ru的v端口直接連接。因此把元素(Rx,y,Ru,v無重復地放入隊列第32卷 第11期 2010-11(下 【151】R-links-R(路由器接口與路由器接口相連的二元組中。5把隊列R-links-R進行去冗處理。因為在以上的算法實現(xiàn)中,有可能存相同的連接信息加入到隊列中。例如:

12、R1的2端口與R4的3端口直接相連,在算法實現(xiàn)過程中,可能同時在隊列中加入了(R1,2,R4,3和(R4,3,R1,2的元素組,雖然它們在形式上不一樣,但他們表示同一個連接信息。6把Rx的元素組從AccessRouters中刪除,如果AccessRouters不為空,轉到(2,如果為空,程序中止。算法運行結束以后,AllRouters包含了所有活動的路由器,子網(wǎng)隊列Subnets包含了所有活動的子網(wǎng),隊列R-links-S和隊列R-links-R的信息表示路由器與子網(wǎng)、路由器與路山器之間連接關系,最終可以準確而完整地把拓撲結構繪制出來。2.3 拓撲發(fā)現(xiàn)中幾個問題1路由器多IP地址問題路由器的每

13、個接口對應著一個IP地址,一個接口下可以配置多個端口。根據(jù)以上拓撲發(fā)現(xiàn)方法,就會出現(xiàn)重復訪問同一路由器的現(xiàn)象,嚴重影響拓撲發(fā)現(xiàn)算法的準確性和效率。本文采取的具體解決方法是:路由器MIB庫中的ipAddrTable 表中提供了該網(wǎng)絡設備所有的I P 地址信息,ipAddrEntry表中的每一行是一個ipAddrEntry,而一個ipAddrEntry對應一個接口的地址信息。由于ipAddrTable中的對象都是只讀的,所以使用ipAddrTable中的一個IP地址來標識路由器,同時結合ifTable表,可以把接口和其IP地址一一對應起來。在實際應用時選擇ipAddTable中的最大的IP作為路由

14、器的標識IP地址更合理,由此就解決多IP識別問題。2控制拓撲閾值上述算法利用路由表來從內向外發(fā)現(xiàn)路由器,可以發(fā)現(xiàn)的范圍很廣,如果不加以控制,可能造成拓撲發(fā)現(xiàn)時間過長,達不到預期發(fā)現(xiàn)的效果。通過對路由器的向下發(fā)現(xiàn)Hop數(shù)進行控制,并設置閾值,當從某個路由器向下發(fā)現(xiàn)Hop數(shù)達到設定閾值,則停止繼續(xù)向下發(fā)現(xiàn)。這樣得到的拓撲發(fā)現(xiàn)結果是以種子節(jié)點為中心向外輻射的星形樹,同一層次的路由器處于同一樹干上。但有時為簡化程序復雜度,也可以利用限制拓撲發(fā)現(xiàn)時間的辦法來控制發(fā)現(xiàn)的范圍7。3 算法應用依據(jù)上述算法思想,在某公司的網(wǎng)絡綜合管理平臺中成功實現(xiàn)了網(wǎng)絡拓撲結構的自動發(fā)現(xiàn),并驗證了算法的正確性。該平臺以開源OP

15、ENNMS 框架為基礎進行二次開發(fā),主要功能包括拓撲圖管理、設備管理、排程管理、告警管理、報表管理和性能管理等,可以對網(wǎng)絡中的各類設備進行全面管理和監(jiān)控,及時發(fā)現(xiàn)并排除設備故障。在校園網(wǎng)的實驗試驗環(huán)境下,主干網(wǎng)絡由1臺路由器和多臺三層交換機組成,交換機下掛接了若干PC服務器,用本算法對此網(wǎng)絡進行探測,所得到的拓撲圖如圖1所示。 圖1 網(wǎng)絡綜合管理平臺應用本算法繪制的拓撲圖4 結束語網(wǎng)絡的拓撲結構對網(wǎng)絡管理系統(tǒng)非常重要,各個軟件廠商也采用自己的實現(xiàn)方法開發(fā)了一些進行拓撲發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)。本文對SNMP網(wǎng)絡拓撲算法進行了深入研究,并在此基礎進行了改進,提高了算法的發(fā)現(xiàn)效率,增強了網(wǎng)絡拓撲信息顯示的直觀性

16、,為網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡故障定位和網(wǎng)絡設備管理提供了強有力的支持。該方法已成功應用于某【152】 第32卷 第11期 2010-11(下公司的網(wǎng)絡綜合管理平臺,取得了良好的效果。參考文獻:1 Y.Breitbart,M.Garofalakis,B.Jai,C.Martin,R.Rastogi,A.Silberschatz,"Topology Discovery in Heterogeneous IP Networks:The NetInventory System,"IEEE/ACM Transactions on Networking,vol.12,no.3,June 2004

17、,pp.401-414.Tomography Using Striped Unicast Probes,"IEEE/ACM Transactions on Networking,August 2006,vol.14,no.4, 697-710.4 孫德文,高儒振.基于SNMP網(wǎng)絡拓撲圖的自動構造實現(xiàn)J.上海交通大學學報,1997,31(8:97-101.5 楊棉.網(wǎng)絡自動拓撲發(fā)現(xiàn)算法研究D.武漢:華中師范大學,2003.6 李玉鵬,王換招,田海燕,等.基于SNMP和JAVA的網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)J.計算機工程與應用,2004,(5:152-154.7 李子柱,倪春勝等.網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的設計

18、與實現(xiàn)J.計算機工程,2006,1(2:104-106.輸出點。輸入端均為開關量信號,輸出端均接繼電器線圈。其地址分配如表1所示。表1 起升機構地址表3.3 PLC 配置及PLC 外圍接線圖三大機構共有21個輸入點,14個輸出點,所以輸入模塊選用兩塊1746-IV16模塊;輸出模塊選用一塊1746-OW16模塊;CPU模塊選用1747-L531模塊;電源模塊選用1746-P4模塊。整個PLC外圍接線如圖2所示。3.4 起升機構梯形圖的編寫根據(jù)起升電機要實現(xiàn)的控制要求,編寫出對應的起升機構梯形圖。限于版面所限,此處的PLC 梯形圖略去,讀者如有需要,可來信索取。4 結論門機模擬裝置投入培訓以來,經(jīng)過幾個周期的實驗實訓,結果表明,該模擬裝置控制系統(tǒng)較好地模擬了港口門機的吊鉤工況和港務局門機平時培訓環(huán)境,使學生不出校門就可以了解門機的結構、基本原理和工況,學到PLC梯形圖的編寫和變頻器的調試,它的應用大大提高了學生的學習興趣,使抽象的理論學習變得直觀形象,便于學生快速提高知識水平,從而為將來進港工作時快速適應工作崗位打下堅實的基礎。而我們培養(yǎng)的港口電氣專業(yè)畢業(yè)生到就業(yè)崗位參加培訓時果然熟練而高效,考核合格率高達100%,受到企業(yè)領導與工程技術人員的認可,充分體現(xiàn)了校企結合的辦學方針,達到了職業(yè)學校為企業(yè)培養(yǎng)人才的目的。參考文獻:1