基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)發(fā)現(xiàn)算法的研究和應(yīng)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?yàn)檐浖こ獭?shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形圖像技術(shù)和職業(yè)教育。基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)發(fā)現(xiàn)算法的研究和應(yīng)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(shù)學(xué)院,南京 210046摘 要:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連接關(guān)系的表現(xiàn),是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。本文主要

2、論述了網(wǎng)管系統(tǒng)中一個(gè)重要的功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。在分析比較了幾種常用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上,提出了一種基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)算法,該方法經(jīng)過實(shí)際網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的驗(yàn)證,能夠高效地發(fā)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò);SNMP;MIB;拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)0 引言隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益擴(kuò)大,復(fù)雜度的不斷增加,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也隨之變得日益復(fù)雜。一個(gè)好的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)應(yīng)該反映網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的布局結(jié)構(gòu),方便用戶全方位地管理網(wǎng)絡(luò),對網(wǎng)絡(luò)異常流量、設(shè)備告警、網(wǎng)絡(luò)攻擊現(xiàn)象等進(jìn)行快速診斷和定位,以減少網(wǎng)絡(luò)異常造成的損失1。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣?dòng)發(fā)現(xiàn),其目的是獲得被管理網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),主要指互連設(shè)備,如路

3、由器、交換機(jī)、PC 設(shè)備等的信息以及它們之間的連接關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣?dòng)發(fā)現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)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(shè)備性能的基礎(chǔ),更是衡量一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)成敗的重要標(biāo)準(zhǔn)之一2。1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣?dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣?dòng)發(fā)現(xiàn)通過收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母鞣N必要信息,確定網(wǎng)絡(luò)元素之間的互連關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,為網(wǎng)絡(luò)管理人員提供一個(gè)直觀了解全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的友好界面。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣?dòng)發(fā)現(xiàn)是對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效管理的必不可少的手段,當(dāng)前常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)發(fā)現(xiàn)方法主要包括基于ARP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法、基于ICMP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法和基于SNMP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法等36。1基于ARP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法。

4、每個(gè)支持地址協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中都維護(hù)著一張ARP表,該表記錄了該設(shè)備連接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址和MAC 地址的對應(yīng)關(guān)系。利用ARP表,可以從一臺已知路由器或交換機(jī)的ARP表發(fā)現(xiàn)其連接的其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,從這些新發(fā)現(xiàn)設(shè)備中區(qū)分出路由器和交換機(jī),并繼續(xù)根據(jù)這些路由器和交換機(jī)的ARP表進(jìn)行設(shè)備發(fā)現(xiàn),從而得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因?yàn)锳RP表中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址都是最近活動(dòng)過的有效設(shè)備的IP地址,幾乎沒有冗余信息,所以該拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法效率很高。但如果網(wǎng)絡(luò)過大,ARP表中可能無法包括網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際存在的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,同時(shí)待發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要支持ARP協(xié)議,所以該方法適合于局域網(wǎng)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。2基于ICMP協(xié)議的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法。

5、它通過向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送ICMP報(bào)文,測試設(shè)備的可達(dá)性。該方法對一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)所有設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)IP地址依次執(zhí)行ping操作,根據(jù)響應(yīng)就可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前該網(wǎng)段內(nèi)所有活動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。根據(jù)給定的IP區(qū)間逐一進(jìn)行ping操作,根據(jù)結(jié)果,再對上一次操作記錄的活動(dòng)的IP地址逐一進(jìn)行路由跟蹤,記錄下每一次路由跟蹤的操作結(jié)果,根據(jù)前面的操作結(jié)果,再分析所得到的信息,從中得到整個(gè)拓?fù)涞倪B接情況。該拓?fù)浒l(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(luò)的負(fù)荷等,此方法適用于子網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)。3基于SNMP的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都有路由表,路由信

6、息中包含了完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?包括路由目的網(wǎng)絡(luò)地址、目的網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼、該路由的下一站IP地址、對應(yīng)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(xiàng)所標(biāo)識的必然是具有路由功能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn),因此從設(shè)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(luò)中所有基于路由功能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)。再根據(jù)路由表的本地接口的索引標(biāo)識項(xiàng),找到接口表中對應(yīng)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(gòu)建出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系圖。這種方法的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)過程和算法簡單,目標(biāo)明確,發(fā)現(xiàn)效率高,系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)開銷小,因此得到人們的廣泛應(yīng)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(luò)中沒有配置IP的網(wǎng)絡(luò)

7、設(shè)備;(2一個(gè)路由器往往配置了多個(gè)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(dǎo)致路由器的發(fā)現(xiàn)與實(shí)際情況不合;(3要依次檢測各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài),導(dǎo)致算法運(yùn)行時(shí)間可能過長,同時(shí)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)受網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等影響,不能完全實(shí)時(shí)反映網(wǎng)絡(luò)狀況;(4路由表中包含了大量冗余信息;(5網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(luò)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn),主要發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)備,反映網(wǎng)絡(luò)的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)狀況?？梢?當(dāng)前各種拓?fù)浞椒ǜ饔袃?yōu)缺點(diǎn)和局限性,在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的情況,有選擇或綜合地應(yīng)用。本文給出了一種基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法,經(jīng)過實(shí)際網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的驗(yàn)證,

8、能夠有效發(fā)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2 基于SNMP 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)發(fā)現(xiàn)算法2.1 算法思想在網(wǎng)絡(luò)中路由器之間的鏈路是由其兩端路由器的端口互聯(lián)構(gòu)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(gè)子網(wǎng)中。因此,通過一個(gè)子網(wǎng)中已知的IP地址和這個(gè)IP地址的子網(wǎng)掩碼即可計(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)開始,訪問其MIB庫,得到該節(jié)點(diǎn)所有接口的IP地址和子網(wǎng)掩碼,該節(jié)點(diǎn)稱為種子節(jié)點(diǎn)。通過計(jì)算得到與每一接口在同一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)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(shè)備鏈表,作為下一層發(fā)現(xiàn)的種子節(jié)點(diǎn)。并同時(shí)記錄兩

9、個(gè)路由器間的鏈路信息到拓?fù)湫畔㈡湵?。重?fù)以上步驟直到?jīng)]有種子節(jié)點(diǎn)或者達(dá)到指定的發(fā)現(xiàn)層數(shù),即可完成相應(yīng)的拓?fù)浒l(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(luò)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(rèn)路由器網(wǎng)關(guān)地址。訪問該路由器獲取ipAdderssTable地址表信息,將其編號加入AllRouters隊(duì)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(gè)不同路由器而不同和AccessRouters隊(duì)列(待訪問路由器,結(jié)構(gòu)跟AllRouters類似;2從AccessRoutes取出一個(gè)元素設(shè)為當(dāng)前處理的路由器Rx,依次訪問Rx的

10、路由表ipRouteTable 表項(xiàng),將目標(biāo)子網(wǎng)信息編號無重復(fù)地放入子網(wǎng)隊(duì)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(guān)系:依次對Rx的ipRouteTable表項(xiàng)檢查,如果ipRouteType 項(xiàng)不為4,表示相應(yīng)子網(wǎng)與Rx直接相連,下一跳地址ipNextHopIpAddress項(xiàng)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(guān)系組(Rx,y,Subnets無重復(fù)地放入R-links-S隊(duì)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(guān)系:如果ipRouteType為4,下一跳ipNextHopIpAddre

11、ss地址有效,表明另一個(gè)路由器與Rx直接相連。根據(jù)ipNextHopIpAddress地址信息訪問另一個(gè)路由器的ipAddressTable,判斷AllRouters隊(duì)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(duì)列AllRouters和AccessRouters中。很容易確定Rx的y端口與另一個(gè)路由器Ru的v端口直接連接。因此把元素(Rx,y,Ru,v無重復(fù)地放入隊(duì)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(duì)列R-links-R進(jìn)行去冗處理。因?yàn)樵谝陨系乃惴▽?shí)現(xiàn)中,有可能存相同的連接信息加入到隊(duì)列中。例如:

12、R1的2端口與R4的3端口直接相連,在算法實(shí)現(xiàn)過程中,可能同時(shí)在隊(duì)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(gè)連接信息。6把Rx的元素組從AccessRouters中刪除,如果AccessRouters不為空,轉(zhuǎn)到(2,如果為空,程序中止。算法運(yùn)行結(jié)束以后,AllRouters包含了所有活動(dòng)的路由器,子網(wǎng)隊(duì)列Subnets包含了所有活動(dòng)的子網(wǎng),隊(duì)列R-links-S和隊(duì)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(guān)系,最終可以準(zhǔn)確而完整地把拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繪制出來。2.3 拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)中幾個(gè)問題1路由器多IP地址問題路由器的每

13、個(gè)接口對應(yīng)著一個(gè)IP地址,一個(gè)接口下可以配置多個(gè)端口。根據(jù)以上拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法,就會(huì)出現(xiàn)重復(fù)訪問同一路由器的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法的準(zhǔn)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(luò)設(shè)備所有的I P 地址信息,ipAddrEntry表中的每一行是一個(gè)ipAddrEntry,而一個(gè)ipAddrEntry對應(yīng)一個(gè)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(gè)IP地址來標(biāo)識路由器,同時(shí)結(jié)合ifTable表,可以把接口和其IP地址一一對應(yīng)起來。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)選擇ipAddTable中的最大的IP作為路由

14、器的標(biāo)識IP地址更合理,由此就解決多IP識別問題。2控制拓?fù)溟撝瞪鲜鏊惴ɡ寐酚杀韥韽膬?nèi)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?fù)浒l(fā)現(xiàn)時(shí)間過長,達(dá)不到預(yù)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(jìn)行控制,并設(shè)置閾值,當(dāng)從某個(gè)路由器向下發(fā)現(xiàn)Hop數(shù)達(dá)到設(shè)定閾值,則停止繼續(xù)向下發(fā)現(xiàn)。這樣得到的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果是以種子節(jié)點(diǎn)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(shí)為簡化程序復(fù)雜度,也可以利用限制拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)時(shí)間的辦法來控制發(fā)現(xiàn)的范圍7。3 算法應(yīng)用依據(jù)上述算法思想,在某公司的網(wǎng)絡(luò)綜合管理平臺中成功實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn),并驗(yàn)證了算法的正確性。該平臺以開源OP

15、ENNMS 框架為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開發(fā),主要功能包括拓?fù)鋱D管理、設(shè)備管理、排程管理、告警管理、報(bào)表管理和性能管理等,可以對網(wǎng)絡(luò)中的各類設(shè)備進(jìn)行全面管理和監(jiān)控,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除設(shè)備故障。在校園網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)環(huán)境下,主干網(wǎng)絡(luò)由1臺路由器和多臺三層交換機(jī)組成,交換機(jī)下掛接了若干PC服務(wù)器,用本算法對此網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行探測,所得到的拓?fù)鋱D如圖1所示。 圖1 網(wǎng)絡(luò)綜合管理平臺應(yīng)用本算法繪制的拓?fù)鋱D4 結(jié)束語網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)非常重要,各個(gè)軟件廠商也采用自己的實(shí)現(xiàn)方法開發(fā)了一些進(jìn)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)。本文對SNMP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴ㄟM(jìn)行了深入研究,并在此基礎(chǔ)進(jìn)行了改進(jìn),提高了算法的發(fā)現(xiàn)效率,增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔@示的直觀性

16、,為網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)故障定位和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理提供了強(qiáng)有力的支持。該方法已成功應(yīng)用于某【152】 第32卷 第11期 2010-11(下公司的網(wǎng)絡(luò)綜合管理平臺,取得了良好的效果。參考文獻(xiàn):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(luò)拓?fù)鋱D的自動(dòng)構(gòu)造實(shí)現(xiàn)J.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1997,31(8:97-101.5 楊棉.網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法研究D.武漢:華中師范大學(xué),2003.6 李玉鵬,王換招,田海燕,等.基于SNMP和JAVA的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)J.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2004,(5:152-154.7 李子柱,倪春勝等.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

18、與實(shí)現(xiàn)J.計(jì)算機(jī)工程,2006,1(2:104-106.輸出點(diǎn)。輸入端均為開關(guān)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(jī)構(gòu)地址表3.3 PLC 配置及PLC 外圍接線圖三大機(jī)構(gòu)共有21個(gè)輸入點(diǎn),14個(gè)輸出點(diǎn),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(gè)PLC外圍接線如圖2所示。3.4 起升機(jī)構(gòu)梯形圖的編寫根據(jù)起升電機(jī)要實(shí)現(xiàn)的控制要求,編寫出對應(yīng)的起升機(jī)構(gòu)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(jié)論門機(jī)模擬裝置投入培訓(xùn)以來,經(jīng)過幾個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn),結(jié)果表明,該模擬裝置控制系統(tǒng)較好地模擬了港口門機(jī)的吊鉤工況和港務(wù)局門機(jī)平時(shí)培訓(xùn)環(huán)境,使學(xué)生不出校門就可以了解門機(jī)的結(jié)構(gòu)、基本原理和工況,學(xué)到PLC梯形圖的編寫和變頻器的調(diào)試,它的應(yīng)用大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使抽象的理論學(xué)習(xí)變得直觀形象,便于學(xué)生快速提高知識水平,從而為將來進(jìn)港工作時(shí)快速適應(yīng)工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。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(xùn)時(shí)果然熟練而高效,考核合格率高達(dá)100%,受到企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)與工程技術(shù)人員的認(rèn)可,充分體現(xiàn)了校企結(jié)合的辦學(xué)方針,達(dá)到了職業(yè)學(xué)校為企業(yè)培養(yǎng)人才的目的。參考文獻(xiàn):1