２０１２年第３ｌ期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ０ ＩＴ论坛Ｏ 科技信息 一种网络拓扑算法的研究和分析 卢红梅 （镇平县培训中心河南镇平４７４２５０） 【摘要】网络拓扑是一种表达网络逻辑连接关系和物理连接关系的方法，对配置管理乃至整个网络管理都是十分必要的 论文首先对基 于ＳＮＭＰ协议的网络拓扑发现算法进行了研究，接着在定义拓扑发现技术衡量指标的基础上．总结了基于ＳＮＭＰ拓扑发现技术的最佳使用 环境。之后提出了具体的基于ＳＮＭＰ拓扑发现技术工具的实现方式，介绍了拓扑发现算法实现．对三层交换机的发现和指定子网内活动主机 的发现作出了算法改进．并对一些关键技术的实现细节进行了分析 【关键词】网络管￣Ｄ，－；Ｋ（．ＳＮＭＰ）；拓扑发现；网络管理；管理信息库 Ａｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｂａｓｅｄ＇ｏｎ ＳＮＭＰ ＬＵ Ｈｏｎｇ－ｍｅｉ （Ｚｈｅｎｐｉｎｇ Ｃｏｕｎｔｙ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｚｈｅｎｐｉｎｇ Ｈｅｎａｎ，４７４２５Ｏ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｉｓ ｌｆ ｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，．ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｃｏｎ— ｉｇｕｒａｔｉｆｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ．Ｐａｐｅｒｓ ｆｉｒｓｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＮＭＰ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｎ ｔｏ ｄｅｆｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，．ｓｕｍｍｅｄ ｕｐ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｕｓｅ ｏｆ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＮＭＰ ．，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｍａｄｅ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｉｃ ｔｆｏｐｏｌｏｇｙ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＮＭＰ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｔｏｏｌｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ，ｌｇｏｒａｉｔｈｍ，，ｏｎ ｔｈｒｅｅ－ｌａｙｅｒ ｓｗｉｔｃｈ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｓｐｅｃｉｆｙ ａｃｔｉｖｅ ｈｏｓｔ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ｍａｄｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｂｎｅｔ ｈａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｄｅｔａｉｌｓ ｏｆ ｓｏｍｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ａｎａｌｙｓｅｄ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｎｅｔｗｏｒｋ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＳＮＭＰ）；Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ；Ｎｅｔｗｏｒｋ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂａｓｅ ０引言 ａｇｃｍｅｎｔ ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＢａｓｅ．简称ＭＩＢ）保存其所有运行进程的相关信息． 并对管理工作站的查询进行响应 每个支持ＳＮＭＰ的被管理设备都维 随着互联网在全世界范围内迅速普及．各种信息系统对计算机网 护了一些ＭＩＢ库。管理信息库（ＭＩＢ）指明了网络元素所维持的变量， 络的依赖性越来越高．网络安全因素已成为一个日益重要的研究课 给出了网络中所有可能的被管理对象的集合的数据结构 通过对这些 题。网络拓扑结构是计算机网络的重要基础信息，它是网络管理、数据 数据项目的存取访问．就可以得到该网关的所有统计内容。ＭＩＢ－．ｔｉ是 模拟和信息收集的基础．同时也是网络安全评估和实施网络攻击的前 ＭＩＢ的第二版．是它的扩充 网络拓扑发现主要是判断路由器及子网 提。网络拓扑是一种表达网络逻辑连接关系和物理连接关系的方法． 的连接关系，其信息来源就是ＳＮＭＰ定义的ＭＩＢ．．－ＩＩ库。 通过它网络管理员可以直观地了解网络当前的运行状况．准确定位网 ＭＩＢ—ＩＩ信息中与路由器级拓扑发现相关的分为３组：系统（ｓｖｓ． 络中的故障以进行隔离．并对整个网络中可能存在的瓶颈进行准确分 ｔｅｒｎ）组、接口（ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ）组和ＩＰ组。分述如下： 析．从而有针对性地改造网络．提高网络的整体性能。网络拓扑的自动 （１）系统组 包括７个简单变量．其中ｓｙｓＳｅｒｖｉｃｅ可用于判断设备 发现技术成为构建网络拓扑图的关键所在 目前拓扑发现主要采用两 类型．从其二进制形式最低位到第７位．如果某位为１则提供ＯＳＩ对 种方案．一是利用ＳＮＭＰ【ｑ实现对于路由表的被动查询：二是利用 应层次服务．第３位为ｌ则说明该节点提供路由功能，是路由器设备。 ＩＣＭＰ实现基于ｐｉｎｇ和ｔｒａｃｅｍｕｂｅ的主动探测。本文讨论的拓扑发现算 （２）接口组。包含关于该实体的物理接口方面的一般信息，包括配 法是基于ＳＮＭＰ实现的 置信息和发生在每个接口的事件的统计信息。其中定义了一个表示本 设备接口数量的简单变量ｉｆＮｕｍｂｅｒ和一个接口表ｉＦＦａｂｌｅ，每个接口 １ 常用拓扑发现方法 行 表的索引项是用ｉｎｄ，ｅｘ．其取值范围是从ｌ到ｉｆＮｕｍｂｅｒ．并为每 使用ＩＣＭＰ协议构造三层拓扑．ＴＣＰ仃Ｐ协议规定．当路由器接收 个接口分配一个唯一的序列号。ｉｆＤｅｓ￣ｃｒ为接口名称，ｉｔＴｙｐｅ表示接口 到１ｒｒＬ字段被减为Ｏ的ＩＰ报文时．路由器从其近端端口向探测源地 类型．亦即本接口所在子网的类型，常见如以太网、８０２．５令牌环、ＦＤ— 址返回ＩｃＭＰ超时报文 Ｔｒａｃｅｒｏｕｔｔ，ｅ应用程序根据此原理来检测点到 ＤＩ 可见．访问路由器接口表ｉｔＴａｂｌｅ值可确定与之相连子网的简单 点之间的路由连接状态．并获取从探测源地址到探测目的地地址之间 拓扑的情况。 所有经过的路由地址序列 使用ｔｒａｃｅｒｏｍ【ｅ技术．可以对整个网络中的 （３）ＩＰ组。ＩＰ组定义了许多简单变量，其中ｉｆＦｏｒｗａｒｄｉｎｇ为１时表 地址空间进行路径探测．从而可以计算出整个网络的网络层拓扑连接 示该节点具有ＩＰ转发功能．可作为路由器的判定依据。本组还定义了 关系 由于ｔｒａｃｅｌｒｏ ｔｔｅ每进行一次探测．实际上都向网络中发送３个 ３个十分有用的表格变量：ＩＰ地址表（ｉｆＡｄｄｒＴａｂｌｅ）、ＩＰ路由表 ＵＤＰ数据包．构造整个网络的拓扑关系会产生很大的网络开销。 （ｉｐＲｏｕｔｅＴａｂｈ ）和ＡＲＰ地址转换表（ｉｐＮｅｔＴ０ＭｅｄｉａＴａｂｌｅ），它们是网络 一２ ＳＮＭＰ算法基础 ２．１ ＳＮＭＰ介绍 拓扑发现的重要信息来源。 ３ ＳＮＭＰ算法实现 简单网络管理协议ｆＳＮＭＰ）是目前ＴＣＰ／ＩＰ网络中应用最为广泛 ３．１主要数据结构 的网络管理协议 １９９０年５月．ＲＦＣｌ１５７定义了ＳＮＭＰ（ｓｉｍｐｌｅ ｎｅｂ． 在链路层拓扑发现中，除了使用网络层拓扑发现的部分数据结构 ｗ，ｏｒｋ ｍａｎａｇｅ￣ｍｅｎｔ ｐｒｏｔｏ（ｃｏ１）的第一个版本ＳＮＭＰｖ１。ＲＦＣ１１５７和另一个 外．还定义了如下的数据结构。同样也是使用二维链表结构来存储节 关于管理信息的文件ＲＦＣ１１５５一起．提供了一种监控和管理计算机 点数据 网络的系统方法 ①ｓｔｍｃｔ Ｄ０ｔｌｄＳ１ＬｐＰ０ｒｔＥｒｉｔｆｌｎｆｏ／／生成树信息 ＳＮＭＰ（简单网络管理协议）由于其简单和易于实现的特性，已经 ｆ ｉｎｔ ｄｏｔｌｄＳｔｌＹＰｏｒｔＳｕｌｔｅ； ／／端口状态 成为网络管理领域事实上的协议标准．且目前主要的网络设备都提供 ｃｈａｒ ｄｅｓｉｇｎ￡￣Ｂｒｉｄｇ，ｅ［２４】；／／端口指定网桥 对ＳＮＭＰ协议的支持．因此基于ＳＮＭＰ协议的网络层拓扑发现技术被 广泛采用。它的基本思想是所有的网络设备维护一个ＭＩＢ（管理信息 １； 库）保存其所有运行进程的相关信息．并对管理工作站的查询进行响 ②ｓｔｒｕｃｔ ＤｏｔｌｄＴｐＦｄｂＥｎｔｒｌｎｆｏ ／／地址转发表 应。ＳＮＭＰ协议描述了一种从ＭＩＢ库中获取信息的方法，对设备唯一 ｆ ｃｈａｒ ｄｏｔ１ｄＴｐＦｄｂＡｄｄｒｅｓｓ［１８］；／／ＭＡＣ地址 的要求是支持ＳＮＭＰ并且ＭＩＢ中的信息足够丰富 使用ＳＮＭＰ的最 ｉｎｔ ｄｏｔｌｄＴｐＦｄｂＰｏｒｔ； ，，对应端口索引 大优点是信息自动随网络的状况更新．这样通过ＳＮＭＰ获取的拓扑信 ｉｎｔ ｄｏｔ１ｄＴｐＦｄｂＳｔａｔｕｓ； ／ＭＡＣ地址状态 息总是反映网络最新的状况 ２．２ ＭＩＢ介绍 】； ＳＮＭＰ的基本思想是所有的网络设备维护一个管理信息库（Ｍａｎ一 ③ｓｔｍｃｔ ＩＥＥＥ８０２１Ｄ ，／网桥节点 １４４ 科技信息 Ｏ ＩＴ ｉ８：ｔ￣ｏ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１２年第３１期 是目前最常用的环境管理协议。 ＳＮＭＰ的最大优点就是信息自动随网络状况更新，而且几乎所有 的网络设备生产厂商都实现了对ＳＮＭＰ的支持。这样通过ＳＮＭＰ获取 的拓扑信息总是能客观准确的反映网络最新的状况。除此之外，ＳＮＭＰ 被设计成与协议无关．所以它可以在ＩＰ，ＩＰＸ，ＡｐｐｌｅＴａｌｋ，ＯＳＩ等其他传 输协议上被使用。大大的提高了网络环境的兼容性以及拓扑发现工具 Ｊ； 的普遍适用性 这些优势最大限度的保证了拓扑信息的准确性与实时 ３Ｉ２算法实现 而且不会带来过多的网络负载。非常符合中小型网络拓扑发现的 首先在算法中定义：ｏｕｔＢｏｕｎｄＡｄｄｒｅｓｓＳｅｔｓ表示与出口路由器直接 性．相连的下一跳路由器地址集合，用它来限制网络层拓扑发现的范围， 实际需求。 对网络拓扑发现来说．由于网络结构本身的复杂性与异构性，任 以避免因该下－－ｔ４￣路由器具有与被管域中设备相同的通信口令字而 出现程序上扩大网络：ｃｏｍｍｕｎｉｔｙＳｎｍｐＲｅａｄＬｉｓｔ表示读口令字链表对 何单一的网络拓扑发现方法都不能具备很好的通用性。只有将多种方 象：ｎｅｘｔｈｏｐＱｕｅｕｅ表示待发现的路由器地址队列；ｓｅｅｄＲｏｕｔｅｒ表示种子 法有机结合．并对所收集信息最大限度的加以分析、挖掘，才能提高拓 路由器：Ｇａｔｈｅｒ－ＲＯＨｔｅｒ｜ｎｆｏＡｌｌ函数用来收集路由器的数据，该函数返 扑结果的准确程度．给基于网络拓扑发现的各种研究提供一个可靠的 回ＲｏｕｔｅｒＮ０ｄｅ类型的节点：ＳｎｍｐＰｉｎｇ函数使用ｓＮＭＰ Ｇｅｔ操作原语． 分析基础 但是．对于一般的研究和应用，尤其是中小型网络，基于 实现测试指定设备对某种组合方式的通信口令字、协议版本能否响 ＳＮＭＰ协议的网络拓扑自动发现过程有其不可比拟的优势。 ｆ ｉｎｔ ｄｏｔ１ｄＳｔｐＲｏｏｔＣｏｓｔ； ，／累计根代价 ｉｎｔ ｄｏｔｌｄＳｔｐＲｏｏｔＰｏｒｔ； ，／根端口号 ＤｏｔｌｄＳｔｐＰｏｒｔＥｎｔｒｌｎｆｏ＊ｉｎｆｏｓｔｐ；｜｛生或树信息 ＤｏｔｉｄＴｐＦｄｂＥｎｔｒＩｎｆｏ ｉｎｆｏ ｆｄｂ；，／地址转发表信息 ＿应。 ４结束语 网络层拓扑发现算法实现的流程如下： （Ｉ）从配置文件中读取拓扑发现配置信息，初始化如下对象：ｏｕｔ— 本文首先介绍了基于ｓＮＩｃＩＰ协议的网络拓扑发现算法所依赖的 ＢｏｕｎｄＡｄｄｒｅｓｓＳｅｔｓ、ｓｅｅｄＲｏｕｔｅｒ、ｃｏｍｍｕｎｉｔｙＳｎｍｐＲｅａｄＬｉｓｔ，将ｓｅｅｄＲｏｕｔｅｒ 理论基础．并对算法本身进行了剖析说明，总结了基于ＳＮＭＰ拓扑发 加入到空队列ｎｅｘｔｈｏｐＱｕｅｕｅ中。 现技术的最佳使用环境 网络拓扑发现是可视化网络管理的基础，本 （２）如果ｎｅｘｔｈｏｐＱｕｅｕｅ为空队列，则转（７）；否则取出ｎｅｘｔｈｏｐＱｕｅｕｅ 算法使用ＳＮＭＰ协议实现了网络层拓扑结构图的快速发现。但是，现 中队头节点．使用ｃ０ｍｍｕｎｉｔｙＳｎｍｐＲｅａｄＬｉｓｔ链表作为输入，调用Ｓｎｍｐ— 在的企业内部网由于网络节点数目不多．网络流量不大，经常采用交 Ｐｉｎｇ测试出响应的通信口令字和协议版本号。 换机完成局域网的组建．而一般的交换机工作于数据链路层，没有路 （３）如果（２）中没有能够找出响应的通信口令字，分两种情况处 由功能．所以上述方法不适合属于链路层的拓扑结构的发现。更遗憾 理：被测试设备地址为ｓｅｅｄＲｏｕｔｅｒ，则转（９）；被测试设备地址不为ｓｅｅ— 的是上述方法只适用于同一个管理机构下的ＩＰ网络的拓扑自动发 ｄＲｏｕｔｅｒ，则转（２）。 现．而对属于不同管理机构的网络（如Ｉｎｔｅ１Ｔｔｅｔ）拓扑自动发现，实现起 （４）使用（２）中测试成功的通信口令字、协议版本和设备地址作为 来要复杂得多 在这两种情况下就需要采用其它技术来实现链路层网 输入参数．调用ＧａｔｈｅｒＲｏｕｔｅｒｌｎｆｏＡｌｌ收集路由器的地址信息ｉｎｆｏ＿ｉｐＡｄ 络拓扑发现和不同管理机构的网络拓扑自动发现方法．这将成为我们 ｉｐＲ 和路由表信息ｉｎｆｏ ０．并将返回的节点作为二维链表的纵向节点串今后努力的方向 接．同时对地址信息等链表作为横向节点进行串接。 （５）分析（４）中收集到的节点的路由表数据。若ｉｐＲｏｕｔｅＴｙｐｅ＝４．则 【参考文献】 记录该路由器与相对应的ｉｐＲｏｕｔｅＮｅｘｔＨｏｐ值所代表的设备直接相连． ［１］胡成松，汪凯．ＳＴＡＬＬＩＮＧＳ Ｗ．ＳＮＭＰ网络管理［Ｍ］．北京：中国电力出版社， 同时检测该值是否存在于集合ｏｕｔＢｏｕｎｄＡｄｄｒｅｓｓＳｅｔｓ（避免程序上扩大 ２００１：８７—１１４ 网络拓扑发现算法的研究与实现 沈阳工业大学学报，２００４，２６ 网络）和横向地址信息链表ｉｎｆｏ＿ｉｐＡｄ（解决不同地址可以代表同一个 ［２］王伟莉，陈雷．（２）：２１１—２１４． 路由器的问题，避免重复访问设备）中；如果都不存在，则将它添加到 网络多层拓扑发现算法的分析［Ｍ］网络信息技术，２００４，１． ｎｅｘｔｈｏｐＯｕｅｕｅ队列中 若ｉｐＲｏｎｔｅＴｙｐｅ＝３．记录该路由器与子网直接相 ［３；Ｎ锋，吴秋峰．连。 （６）重复（２）～（５）的操作 ［４］Ｄａｖｉｄ Ｇ Ａｎｄｅｒｓｅｎ，Ｎｉｃｋ Ｆｅａｍｓｔｅｒ，Ｓｔｅｖｅ Ｂａｕｅｒ，ｅｔ ａ１．Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒｏｍ ＢＧＰ ｒｏｕｔｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃｓ［ＤＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：Ｎｎｍｓ．１ｃｓ．ｍｉｔ．ｅｄｕ／ｐａｐｅｒｓ／ｅｌｕｓｔｅｒｉｎｇ—ｉｍｗ．ｐｄｆ， ２Ｏｏ２． （７）分析横向地址信息链表ｉｎｆｏ＿ｉｐＡｄ，找出运行ＯＳＰＦ等路由协 议后因选择最短路径而可能未被记录到ＭＩＢ中的连接关系：如果两 个接口ＩＰ地址与对应掩码做与运算后所得的网络地址相等．它们之 间是直接连接或者是同一子网间相连 （８）根据横向地址信息链表ｉ￣ｏ＿ｉｐＡｄ计算出整个被管网络中所 有可能存在的主机地址集合．为链路层拓扑发现做准备 （９）算法结束 ３－３算法分析 ［５］杨妮妮，赵新慧．基于Ｗｅｂ的ＳＮＭＰ网络网络管理【Ｊ１．微计算机信息，２００６ （２—３）：１１０—１１２． ［６］李琳，李杰．基于ＳＮＭＰ的网络拓扑发现算法Ｉ Ｊｌ计算机工程与设计，２００８，３，２９ （６）． ［７］Ｉ娟娟．基于ＳＮＭＰ的网络拓扑发现算法研究［Ｄ］武汉：武汉科技大学，２００８． ［８］ＭＥＬＥＮＤＥＺ Ｅ，ＱＡＳＥＭ Ａ．Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｔｏｐｏｌｏ—ｇＹ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ：Ａ ｃｏｎ— ｐａｒｅａｔｉｖｅ ｓｕｒｖｅｙ［ＥＢ／ＯＬ］．【Ｓ．１．】：［Ｓ．Ｂ．】，２０００．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＣＳ．ｒｉｃｅ．ｅｄｕ／ｑａｓｅｒｄｐａｐｅｒｓ／ ｔｏｐｏｌｏｇｙ．ｐｄｆ，２００５－０８－０１． ｄ Ｚｅｈｓｅｒｍａｎ．ＳＮＭＰｖ３与网络管理［Ｍ】．潇湘工作室，译．北京：人民邮电出 网络拓扑发现算法除了应具备正确性及可理解性等～般算法所 ［９］Ｄａｖｉ版社．２０００． 应具备的基本特征外，为了能更好地适应应用需求，这些算法还应具 备下述特征：精确高、速度快、开销低、适用范围广。网络拓扑发现可采 作者简介：卢红梅（１９７５ Ｏ２～），女，河南镇平人，镇平县培训中 ，讲师。 用多种工具或协议，归纳起来有ＳＮＭＰ、ＡＲＰ、ＩＣＭＰ（Ｐｉｎｇ）￣１ ＤＮＳ等。 这些算法各具特点，通过相关数据的分析比较．我们不难看出ＳＮＭＰ ［责任编辑：周娜］ （上接第１２１页）［５］张晨，张宁．３ａＮｉＯＮ络拓扑性质研究ｌ Ｊｌｌ上海理工大学 版，２００７，２８（４）：３１４—３１８． 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