網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)現(xiàn)算法在網(wǎng)管中的應(yīng)用

鞏　延　吳智強　密德莉

[摘要]主要論述網(wǎng)管系統(tǒng)中一個重要的功能網(wǎng)絡(luò)拓撲的自動發(fā)現(xiàn)。闡述相關(guān)的理論知識，并具體討論基于SNMP和基于ICMP的拓撲發(fā)現(xiàn)，最后對算法所適用范圍加以說明。雖然這種方法能夠較好的發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲，但是它需要占用大量的帶寬資源。

[關(guān)鍵詞]簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)網(wǎng)絡(luò)拓撲自動發(fā)現(xiàn)算法網(wǎng)絡(luò)管理

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597(2009)0210053－01

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的普及，人們對計算機網(wǎng)絡(luò)的依賴性大大加強了。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，人們希望有一個更加穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。計算機網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)就是應(yīng)這樣的需求而產(chǎn)生的。它對網(wǎng)絡(luò)上的各種設(shè)備進行管理，通過監(jiān)視和控制這些設(shè)備。及時地向管理人員報告網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并且簡化網(wǎng)絡(luò)故障的處理，減少故障造成的損失，提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量和效率。在我國，人們開始認識到網(wǎng)絡(luò)管理的重要性。

一、網(wǎng)絡(luò)管理中傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)現(xiàn)算法

網(wǎng)絡(luò)拓撲的發(fā)現(xiàn)，實際上就是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點連接情況，構(gòu)造出來一個反映這種連接關(guān)系的圖。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以是網(wǎng)關(guān)，也可以是子網(wǎng)：網(wǎng)關(guān)節(jié)點是與子網(wǎng)和其它網(wǎng)關(guān)節(jié)點相鄰的節(jié)點；子網(wǎng)節(jié)點可被認為只與網(wǎng)關(guān)節(jié)點相鄰，至少與它的缺省網(wǎng)關(guān)相鄰。各子網(wǎng)通過各目的網(wǎng)關(guān)與其他子網(wǎng)通信，這些子網(wǎng)可以是一個局域網(wǎng)，也可以是某個局域網(wǎng)的一部分，它們都連接到網(wǎng)關(guān)的一個端口上。網(wǎng)關(guān)的端口可以連接子網(wǎng)，也可以同其他路由器相連。

主拓撲指的是反映出關(guān)鍵設(shè)備包括路由器，它們的接口和子網(wǎng)的連接關(guān)系，即路由器一路由器、路由器一子網(wǎng)、接口的關(guān)系。這些信息需要對網(wǎng)絡(luò)進行搜索而獲得：一般只需要對連接設(shè)備進行遍歷就可以得到主拓撲結(jié)構(gòu)。當前的網(wǎng)管軟件都是通過對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MIB庫進行訪問，所以這種方法又被稱為基于SNMP的拓撲發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過上述的遍歷過程，可以得到網(wǎng)絡(luò)拓拓撲圖的整體構(gòu)成，知道了網(wǎng)絡(luò)主干通道情況。但是子網(wǎng)內(nèi)部的具體設(shè)備以及連接狀態(tài)尚不可知。這就需要依靠子網(wǎng)發(fā)現(xiàn)來做進一步的工作。子網(wǎng)發(fā)現(xiàn)完成的任務(wù)是確定子網(wǎng)內(nèi)各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)、類型以及網(wǎng)絡(luò)接口。

遍歷的定義是：對于無向圖，以圖中某一點為出發(fā)點，沿著邊依次訪問圖的其余節(jié)點，如果圖是連通的，則從圖的任一點出發(fā)按一定的順序沿著某些邊可以訪問圖中的所有節(jié)點，而且每個節(jié)點僅被訪問一次，這一過程稱為圖的遍歷。在網(wǎng)絡(luò)上，一個節(jié)點可以和很多的節(jié)點連接，所以當進行網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的時候，有可能會訪問已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)過的節(jié)點。因此，在遍歷的時候，必須對每一個節(jié)點設(shè)置一個標志。當節(jié)點未被訪問過時，相應(yīng)的標志為0，否則，就置為1。

二、改進的網(wǎng)絡(luò)拓撲算法

前面基于SNMP的拓撲算法在一定程度上是非常有效的，拓撲的速度也非?？?。但它存在一個缺陷。那就是，在一個特定的域中，所有的子網(wǎng)的信息都依賴于設(shè)備具有SNMP的特性，如果系統(tǒng)不支持SNMP，則這種方法就無能為力了。還有對網(wǎng)絡(luò)管理的不重視，或者考慮到安全方面的原因，人們往往把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的SNMP功能關(guān)閉，這樣就難于取得設(shè)備的MIB值，就出現(xiàn)了拓撲的不完整性，嚴重影響了網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的功能。針對這一的問題，下面討論本文對上述算法的改進一基于ICMP協(xié)議的拓撲發(fā)現(xiàn)。

(一)ICMP報文的格式

ICMP被認為是IP層的一個組成部分。它傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息。網(wǎng)際協(xié)議CIP沒有出錯報告或出錯校正機制，它依靠網(wǎng)際控制報文協(xié)議(ICMP)模塊來報告數(shù)據(jù)處理過程，井提供管理和狀態(tài)信息。ICMP報文在傳送時被封裝在IP數(shù)據(jù)報中，使用IP協(xié)議發(fā)送，但ICEP不看作是高層協(xié)議的內(nèi)容。

回應(yīng)請求與應(yīng)答均以IP數(shù)據(jù)報的形式在網(wǎng)間傳輸，假如成功地收到一個應(yīng)答(應(yīng)答中的數(shù)據(jù)拷貝與請求中的任選數(shù)據(jù)完全一致)，不但說明信宿機可以到達，而且說明數(shù)據(jù)報傳輸系統(tǒng)的相應(yīng)部分工作正常，至少信源機和信宿機的ICMP軟件和IP軟件工作正常，請求與應(yīng)答經(jīng)過中間網(wǎng)關(guān)也在正常工作。在許多TCP/IP實現(xiàn)中，用戶命令Ping便是利用ICMP回應(yīng)請求／應(yīng)答報文測試信宿機的可到達性的。

(二)PING的實現(xiàn)

PING的主要操作是發(fā)送報文，并簡單地等待回答。PING之所以如此命名，是因為它是一個簡單的回顯協(xié)議，使用ICMP響應(yīng)請求與響應(yīng)應(yīng)答報文。PING主要由系統(tǒng)程序員用于診斷和調(diào)試。一般的，PING的功能有：

LOOP BACK PING用于驗證TCP/IP軟件的操作。

PIN G地址確定能否尋址物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

PING遠程IP地址驗證能否尋址網(wǎng)絡(luò)。

PING遠程主機名驗證主機上某個服務(wù)器的操作。

實現(xiàn)PING的過程主要是：首先向目的機器發(fā)送一個響應(yīng)請求的ICMP報文，然后等待目的機器的應(yīng)答，直到超時。如收到應(yīng)答報文，貝以報告目的機器運行正常，程序退出。

(三)traceroute的實現(xiàn)

在IP頭的結(jié)構(gòu)中，存在一個ip_ttl域，即生存時間(time to_live，TTL)。TTL參數(shù)用于測量數(shù)據(jù)報在網(wǎng)際存在多長時間。網(wǎng)絡(luò)中的每個路由器都檢查該域，如果TTL值為0，路由器就拋棄該數(shù)據(jù)報。路由器還必須對它處理的每個數(shù)據(jù)報的該域進行減I操作。在實際執(zhí)行中，TTL域是一個反映跳段的值。所以，當數(shù)據(jù)報穿過一個IP節(jié)點(網(wǎng)關(guān))時。TTL域中的值就減1。

traceroute的功能就是利用IP頭中的TTL域。開始時信源設(shè)置IP頭的TTL值為0，發(fā)送報文給信宿，第一個網(wǎng)關(guān)收到此報文后，發(fā)現(xiàn)TTL值為0，它丟棄此報文，并發(fā)送一個類型為超時的ICMP報文給信源。信源接收到此報文后對它進行解析，這樣就得到了路由中的第一個網(wǎng)關(guān)地址。然后信源發(fā)送TTL值為1的報文給信宿，第一個網(wǎng)關(guān)把它的TTL值減為0后轉(zhuǎn)發(fā)給第二個網(wǎng)關(guān)，第二個網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)報文TTL值為0，丟棄此報文并向信源發(fā)送超時ICMP報文。這樣就得到了路由中和第二個網(wǎng)關(guān)地址。如此循環(huán)下去，直到報文正確到達信宿，這樣就得到了通往信宿的路由。

(四)網(wǎng)絡(luò)拓撲的發(fā)現(xiàn)算法

具體實現(xiàn)的步驟：

1、于給定的IP區(qū)間，利用PING依次檢測每個IP地址，將檢測到的IP地址記錄到IP地址表中。

2、對第一步中查到的每個IP地址進行traceroute操作，記錄到這些IP地址的路由。并把每條路由中的網(wǎng)關(guān)地址也加到IP表中。

3、對IP地址表中的每個IP地址，通過發(fā)送掩碼請求報文與接收掩碼應(yīng)答報文，找到這些IP地址的子網(wǎng)掩碼。

4、根據(jù)子網(wǎng)掩碼，確定對應(yīng)每個IP地址的子網(wǎng)地址，并確定各個子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)類型。把查到的各個子網(wǎng)加入地址表中。

5、試圖得到與IP地址表中每個IP地址對應(yīng)的域名(Domain Name)。如具有相同域名，則說明同一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有多個IP地址，即具有多個網(wǎng)絡(luò)接口。

6、根據(jù)第二步中的路由與第四步中得到的子網(wǎng)，產(chǎn)生連接情況表。