局域網(wǎng)中交換機(jī)接口連接關(guān)系的查詢

一個(gè)網(wǎng)管在做網(wǎng)絡(luò)維護(hù)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到交換機(jī)設(shè)備的更換、交換機(jī)之間連接關(guān)系的改變以及交換機(jī)所連接終端的改變，也經(jīng)常需要處理各種網(wǎng)絡(luò)故障。

特別是較大的單位往往網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)很復(fù)雜，交換機(jī)的數(shù)量可以達(dá)到幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)，設(shè)備分布范圍可以達(dá)到幾十甚至上百公里。一般在層次上會(huì)將交換機(jī)分為核心層交換機(jī)、匯聚層交換機(jī)和接入層交換機(jī)，各層交換機(jī)下還可能級(jí)聯(lián)交換機(jī)或HUB，每個(gè)交換機(jī)都可能直接連接終端，形成一個(gè)復(fù)雜的樹形網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖1 含有多層交換機(jī)的局域網(wǎng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景

筆者所在單位的應(yīng)用場(chǎng)景即是如此，這種情況下，動(dòng)態(tài)地掌握交換機(jī)之間以及交換機(jī)與終端間的連接關(guān)系，可以大大提高網(wǎng)絡(luò)故障的處理效率，提高網(wǎng)絡(luò)維護(hù)水平。在實(shí)際工作中，筆者編寫了交換機(jī)接口關(guān)系查詢程序，實(shí)現(xiàn)了交換機(jī)接口連接情況的動(dòng)態(tài)掌握。

應(yīng)用場(chǎng)景及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)簡(jiǎn)介

如圖1所示，在較復(fù)雜的局域網(wǎng)中，交換機(jī)之間的連接關(guān)系構(gòu)成一種樹形結(jié)構(gòu)，設(shè)備之間的訪問需要跨越若干個(gè)交換機(jī)。不同的終端或服務(wù)器設(shè)備被劃分到不同的VLAN中，以實(shí)現(xiàn)減少?gòu)V播、隔離應(yīng)用等目的。而要跨VLAN訪問，必須在本機(jī)設(shè)置網(wǎng)關(guān)，在圖1中，終端A、B屬于 VLAN138，服 務(wù) 器屬于VLAN137，終端A若想訪問服務(wù)器A，必須指定網(wǎng)關(guān)10.19.138.1，而該地址是具有路由功能的核心交換機(jī)中定義的VLAN138的地址。

圖中，交換機(jī)之間黑實(shí)線代表Trunk連接，例如交換機(jī)1.2與1.2.2之間的連接。Trunk可以通過(guò)所有VLAN，但需要兩端的交換機(jī)定義該VLAN并應(yīng)用到直接連接終端或服務(wù)器的端口，例如交換機(jī)1.2.2的Fa1/2端口必須指定為VLAN138。所有交換機(jī)都有一個(gè)MAC表，每條記錄記載著所連接設(shè)備的MAC地址和接口的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，也有一個(gè)ARP表，每條記錄記載著設(shè)備IP地址與MAC地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

正常網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用情況下，只要設(shè)備連接到某交換機(jī)，就會(huì)在該交換機(jī)中存在一條MAC記錄；只要設(shè)備設(shè)置了到核心交換機(jī)的默認(rèn)路由，就會(huì)在核心交換機(jī)中存在一條ARP記錄。

在默認(rèn)情況下，除了本地端口外，CISCO交換機(jī)ARP表某條記錄的存活時(shí)間為240分鐘，MAC記錄默認(rèn)的存活時(shí)間為300秒，即若設(shè)備斷線時(shí)間達(dá)到240分鐘時(shí)，就會(huì)清除對(duì)應(yīng)的ARP記錄，若設(shè)備斷線300秒，就會(huì)清除對(duì)應(yīng)的MAC記錄。這種“存活時(shí)間”的機(jī)制是為了不使ARP表和MAC表的記錄數(shù)量過(guò)于龐大而導(dǎo)致訪問時(shí)間變長(zhǎng)或超出分配的存儲(chǔ)空間，而在局域網(wǎng)環(huán)境下，由于設(shè)備數(shù)量的可預(yù)見性和相對(duì)固定的特點(diǎn)，這種“過(guò)期清除”的意義是不大的。

圖2 交換機(jī)間的連接關(guān)系

程序功能

1.根據(jù)核心交換機(jī)的管理地址，自動(dòng)生成所有交換機(jī)的設(shè)備型號(hào)、命名，以樹形結(jié)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱“樹”）展示各層交換機(jī)之間的連接關(guān)系，交換機(jī)通過(guò)哪個(gè)接口上（下）聯(lián)哪個(gè)交換機(jī)的哪個(gè)接口（如圖 2）。圖中，接入層交換機(jī)i_shiyan型號(hào)為 WS-2960S-24TS-L，地 址為192.168.1.22，通過(guò)端口Gi1/0/25上聯(lián)匯聚層交換機(jī)i_dianjianB的端口Gi3/5，通過(guò)端口Gi1/0/26下聯(lián)交換機(jī)i_jingshui的Gi0/1端口。若交換機(jī)的連接關(guān)系發(fā)生變化或IP地址、設(shè)備型號(hào)發(fā)生變化時(shí)需重新生成樹。

圖3 交換機(jī)接口連接的設(shè)備

2.可以查詢某個(gè)交換機(jī)的所有接口的連接設(shè)備（終端、服務(wù)器或交換機(jī)）并動(dòng)態(tài)更新終端設(shè)備的上聯(lián)信息（如圖3）。圖中該交換機(jī)哪個(gè)接口連接什么設(shè)備、沒聯(lián)設(shè)備的端口屬于哪個(gè)VLAN以及端口（如Gi4/48）是否通過(guò)交換機(jī)或HUB連接一組設(shè)備等一目了然。有了這些信息，對(duì)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)中諸如加入設(shè)備或是臨時(shí)用筆記本調(diào)試網(wǎng)絡(luò)會(huì)帶來(lái)很大的方便。

3.可以查詢某個(gè)終端上聯(lián)到哪個(gè)交換機(jī)的哪個(gè)接口并動(dòng)態(tài)更新終端設(shè)備的上聯(lián)信息（如圖4），若該終端不在線，則顯示上一次查詢的信息。

4.生成Excel格式終端設(shè)備上聯(lián)信息表（參見圖2，可執(zhí)行“導(dǎo)出”命令得到該表）。

程序?qū)崿F(xiàn)的思路

限于篇幅，本文所涉及到的原理知識(shí)及命令解釋不在此贅述。

在手工模式下，我們要查詢所有交換機(jī)之間的連接關(guān)系，需要從核心交換機(jī)開始，通過(guò) TELNET（或SSH，下同）登錄到交換機(jī)，執(zhí)行交換機(jī)本身提供的命令（以CISCO交換機(jī)為例，下同，華為交換機(jī)也有對(duì)應(yīng)的命令）show cdp （若是其他交換機(jī)或混合使用各種交換機(jī)可以使用show lldp或display lldp命令，下同），該命令可以顯示出與該交換機(jī)直接相連的交換機(jī)的信息（設(shè)備型號(hào)、IP、連接端口等），然后對(duì)核心交換機(jī)的下一級(jí)（匯聚層）進(jìn)行遍歷（使用show cdp 發(fā)現(xiàn)接入層交換機(jī)），層層深入，以此類推，直到發(fā)現(xiàn)所有交換機(jī)的信息，這時(shí)就可以生成一個(gè)以核心交換機(jī)為根的樹。

圖4 查詢終端設(shè)備連接的交換機(jī)

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，需要使用“樹的遍歷”算法。當(dāng)然，如果限定交換機(jī)的層數(shù)，也可以用其他方法實(shí)現(xiàn)。在此過(guò)程中，最關(guān)鍵的是Telnet返回?cái)?shù)據(jù)的處理，對(duì)于一次返回?cái)?shù)據(jù)超過(guò)winsock限度的，對(duì)返回信息需要做過(guò)濾處理，以減少返回信息的長(zhǎng)度。

而要查詢交換機(jī)所有接口信息（如接口的VLAN號(hào)、是否為Trunk、是否設(shè)置、是否UP等），可以使用命令“show int swi”，對(duì)于狀態(tài)為“UP”的端口應(yīng)該是通過(guò)Trunk連接的交換機(jī)或通過(guò)VLAN連接的終端。

如果是交換機(jī)，可以從以上樹中得到所連接的交換機(jī)；而如果是終端，則可以通過(guò)show mac命令得到終端的MAC地址，再通過(guò)核心交換機(jī)的show arp得到終端的IP地址；對(duì)于狀態(tài)為“DOWN”的，可以從庫(kù)中得到接口信息（每個(gè)連接的終端如果在狀態(tài)為“UP”時(shí)被查詢過(guò)，就會(huì)將上聯(lián)接口信息存在庫(kù)中）。

對(duì)于通過(guò)終端的IP地址查詢上聯(lián)交換機(jī)的接口（以下稱為“IP查詢”），實(shí)現(xiàn)方法是在核心交換機(jī)上運(yùn)行命令show arp 得到該終端的MAC地址，再通過(guò)命令show mac得到端口號(hào)，若該端口號(hào)不在以上樹中，則說(shuō)明該終端連接的是該交換機(jī)；若在樹中出現(xiàn)，則需要沿著樹進(jìn)行遍歷，在每個(gè)“路過(guò)”的交換機(jī)上運(yùn)行show mac得到該MAC對(duì)應(yīng)的端口號(hào)，直到該端口號(hào)不在樹中。

我們查詢交換機(jī)的接口情況或通過(guò)IP地址查詢?cè)撛O(shè)備上聯(lián)哪個(gè)交換機(jī)，都需要用到ARP表和MAC表，而通過(guò)前述的“存活機(jī)制”可知，若因?yàn)樵O(shè)備離線幾個(gè)小時(shí)導(dǎo)致記錄被清除就無(wú)法知道它所連接的交換機(jī)，這顯然不是我們希望看到的。如某人出差幾天，設(shè)備關(guān)機(jī)了，我們?nèi)孕枰獣云浣K端是怎么連接交換機(jī)的。

要解決這一問題，方法是將設(shè)備的連接關(guān)系存儲(chǔ)在參數(shù)文件（或數(shù)據(jù)庫(kù)）中，形成一個(gè)二維表uplink，結(jié)構(gòu)為“UserName，UserIP，UplinkSwitchName，UplinkSwitchIP，UplinkSwitchPort”，其中記錄在ports查詢和IP查詢時(shí)更新。

反之，若在ports查詢或IP查詢時(shí)設(shè)備不在線，則讀取表uplink中的數(shù)據(jù)，即上次的查詢數(shù)據(jù)。IP地址表的生成即依賴于該二維表。

程序的實(shí)現(xiàn)方法和注意事項(xiàng)

顯然，按照上面的思路，要實(shí)現(xiàn)程序功能，需要解決以下問題。

1.實(shí)現(xiàn)TELNET訪問

所有交換機(jī)必須啟動(dòng)TELNET服務(wù)，設(shè)置訪問口令，并確保返回的信息一次全部接收（取消默認(rèn)的按頁(yè)回顯）以簡(jiǎn)化編程。以交換機(jī)i_hexinA為例（”#”后為輸入的命令）需要進(jìn)行如下設(shè)置：

圖5 Telnet流程

本例中，實(shí)現(xiàn)TELNET訪問的方法是通過(guò)WINSOCK控件訪問交換機(jī)，發(fā)出命令，處理回顯信息，過(guò)程如圖5。

2.交換機(jī)命令的使用及返回?cái)?shù)據(jù)的處理

要實(shí)現(xiàn)查詢功能，首先必須了解交換機(jī)命令的功能、使用方法和技巧，使發(fā)給交換機(jī)的命令的返回信息，既能滿足程序功能需要，又要便于程序?qū)Ψ祷財(cái)?shù)據(jù)的處理。

例如使用命令“show cdp nei”可以得到交換機(jī)鄰居的名稱、接口信息，但是卻得不到所連接的交換機(jī)的IP地址，這時(shí)應(yīng)該使用“show cdp nei de”命令，而該命令的返回信息比較復(fù)雜；再比如，命令“show arp”可以返回交換機(jī)的ARP表信息，但是，當(dāng)表的信息過(guò)多時(shí)，就會(huì)超出winsock對(duì)緩沖區(qū)大小的限制，使返回信息不完整，這時(shí)就需要使用命令“show arp | exclude Incom”對(duì)無(wú)用的信息進(jìn)行過(guò)濾。

3.本程序中為了簡(jiǎn)化編程，假定了交換機(jī)的Telnet口令均為“cisco”，實(shí)際在編程中可能會(huì)復(fù)雜得多。

例如，可能使用ssh訪問交換機(jī)，身份驗(yàn)證模式可能是user/password，不同交換機(jī)完成相應(yīng)功能的命令也不一樣，這時(shí)就需要一個(gè)參數(shù)文件進(jìn)行聲明，編程也會(huì)復(fù)雜一些。

總之，編制一個(gè)交換機(jī)接口管理的工具軟件，既需要了解交換機(jī)及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，也需要具備一些編程知識(shí)。有了這個(gè)工具，會(huì)使網(wǎng)管人員的工作效率大大提高。