多協(xié)議融合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)研究

潘 爽，蘇亞維

（中國電子科技集團(tuán)公司第十五研究所，北京 100083）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模迅速擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，準(zhǔn)確完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)方法有助于網(wǎng)絡(luò)的高效管理，對(duì)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置、定位網(wǎng)絡(luò)故障、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)漏洞、探測網(wǎng)絡(luò)交流等具有重要意義。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)是一種發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體（例如路由器、交換機(jī)、網(wǎng)橋等）并展示實(shí)體間關(guān)系的技術(shù)，一般來說，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)設(shè)備的不同，通常分為邏輯拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，分別對(duì)應(yīng)于OSI參考模型中的網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。其中，邏輯拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)主要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層IP地址來發(fā)現(xiàn)路由器與路由器之間的連接，路由器與子網(wǎng)之間的連接，使用IP地址建立網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的連接。物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)主要根據(jù)鏈路層的信息發(fā)現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)體（例如交換機(jī)和終端）之間的連接，使用Mac地址建立網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的連接。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)層有許多拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法，這些算法通?；赟NMP、ICMP、RIP、OSPF和ARP路由表[1-3]。

本文融合多協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層構(gòu)建，并對(duì)各層進(jìn)行關(guān)聯(lián)。首先對(duì)現(xiàn)有邏輯拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法和物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法進(jìn)行完善，提出應(yīng)用拓?fù)鋵拥母拍罴皹?gòu)建方法，并進(jìn)一步對(duì)物理拓?fù)?、邏輯拓?fù)?、?yīng)用拓?fù)淙龑油負(fù)溥M(jìn)行關(guān)聯(lián)分析[4-5]。

1 邏輯拓?fù)渲貥?gòu)

1.1 邏輯拓?fù)渲貥?gòu)算法

邏輯拓?fù)渲貥?gòu)的目的是發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的路由器和子網(wǎng)，并顯示路由器與路由器之間、路由器與子網(wǎng)之間的關(guān)系以及子網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。RIP（路由信息協(xié)議）是一種用于建立設(shè)備路由信息的協(xié)議，該協(xié)議主要基于距離矢量算法（Distance Vector Algorithms）完成，核心思想是通過“跳數(shù)”（metric）統(tǒng)計(jì)到達(dá)目的地址的路由距離，計(jì)算路由器間的連接情況。但該算法存在一定的局限性，一方面，要求網(wǎng)絡(luò)中的路由器使用RIP協(xié)議作為路由信息交換協(xié)議，另一方面，路由距離限制在15跳之內(nèi)，不適用于大型網(wǎng)絡(luò)。而大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)均使用了SNMP協(xié)議，因此使用基于SNMP協(xié)議的發(fā)現(xiàn)方法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)不受此限制。

本文使用基于SNMP協(xié)議的發(fā)現(xiàn)方法構(gòu)建拓?fù)?，該方法的主要思想是利用SNMP協(xié)議從路由器數(shù)據(jù)庫中獲取路由信息，然后分析這些信息，獲取網(wǎng)絡(luò)中路由器和子網(wǎng)之間的連接，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。算法流程如下：

（1）根據(jù)SNMP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行掃描，添加路由器到路由器的等待隊(duì)列中。

（2）從隊(duì)列中選擇一個(gè)路由器作為開始路由器，通過其MIB獲得路由信息表。

（3）將路由信息表中最大的IP地址作為當(dāng)前路由器的ID，將此路由器添加到已建立的隊(duì)列中，然后刪除與等待隊(duì)列中當(dāng)前路由器具有相同IP地址的路由器。遍歷當(dāng)前路由器MIB中的ipAddrTable記錄。

（4）如果記錄的ipRouteType為3，則表示當(dāng)前路由器與子網(wǎng)直接連接，根據(jù)ipRouteDest和ipRouteMask獲取直接連接的子網(wǎng)信息，以及路由器和子網(wǎng)的連接情況。

（5）如果記錄的ipRouteType為4，則表示當(dāng)前路由器與子網(wǎng)間接連接，可以查找與當(dāng)前路由器直接連接的下一個(gè)路由器，然后將其添加到等待隊(duì)列。

（6）從等待隊(duì)列中執(zhí)行下一個(gè)路由器，并重復(fù)步驟（2）～步驟（6），直到等待隊(duì)列為空。

1.2 設(shè)備識(shí)別方法

拓?fù)鋮f(xié)議或路由協(xié)議的主要功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的物理連接，并非識(shí)別設(shè)備版本號(hào)和型號(hào)。識(shí)別設(shè)備/軟件類型型號(hào)主要依賴于設(shè)備指紋分析，本文選擇協(xié)議CDP、HTTP、S7、Modbus、Smb、SNMP、MySQL等識(shí)別大部分設(shè)備，對(duì)其他設(shè)備結(jié)合SNMP中MIB信息接口組中的sysServices、IP組的ipforword和Bridge-MIB函數(shù)確定設(shè)備類型。

如圖1所示，CDP協(xié)議識(shí)別思科設(shè)備型號(hào)和軟件版本；HTTP協(xié)議識(shí)別TP-LINK型號(hào)；S7協(xié)議識(shí)別西門子設(shè)備型號(hào)；HTTP協(xié)議識(shí)別火絨殺毒軟件版本號(hào)信息。

圖1 設(shè)備識(shí)別流程

以CDP協(xié)議為例，CDP是一個(gè)二層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，默認(rèn)每60 s向01-00-0C-CC-CC-CC組播地址發(fā)送一次通告，CDP協(xié)議中包含設(shè)備類型信息，字段為Capabilities，其中Switch標(biāo)識(shí)的是交換機(jī)，Route為路由器。CDP數(shù)據(jù)包還包括設(shè)備連接的物理接口信息。通過CDP數(shù)據(jù)包中的Software Version字段獲取軟件版本、設(shè)備平臺(tái)等信息?；诰W(wǎng)絡(luò)通信指紋比對(duì)識(shí)別設(shè)備信息，如設(shè)備廠商、型號(hào)和版本等。

通過融合多協(xié)議，實(shí)現(xiàn)可支持的部分設(shè)備見表1所列。

表1 支持設(shè)備列表

結(jié)合SNMP中MIB信息接口組中的sysServices值可初步判斷其他設(shè)備的類型?？筛鶕?jù)式（1）計(jì)算Li，若值為3，則其屬于第3層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力，根據(jù)表2可知，該設(shè)備可以判斷為路由器。

表2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

將IP組的ipforword數(shù)據(jù)作為輔助值進(jìn)行驗(yàn)證和進(jìn)一步判斷。若ipforword值為1，則表示設(shè)備具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能；若ipforword值為0，則表示設(shè)備不具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能?？紤]到很多3層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)也具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，與路由器ipforword值相同，且均屬于網(wǎng)絡(luò)層，因此進(jìn)一步通過檢查設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)Bridge-MIB功能對(duì)兩者進(jìn)行區(qū)分（路由器無此功能，但交換機(jī)具有此功能）。不同設(shè)備對(duì)應(yīng)各值的情況見表3所列。

表3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)應(yīng)值

2 物理拓?fù)渲貥?gòu)

物理層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)要在網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)任務(wù)之后進(jìn)行，用于進(jìn)一步確定子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)交換機(jī)與路由器，交換機(jī)與主機(jī)之間的物理連接關(guān)系。目前，物理層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)主要有兩類算法，一種基于生成樹協(xié)議（如基于STP協(xié)議、CDP協(xié)議的方法）；另一種基于地址轉(zhuǎn)換表（如基于AFT協(xié)議、SNMP協(xié)議的方法）。其中，基于AFT協(xié)議的方法對(duì)地址轉(zhuǎn)發(fā)表要求高，表必須完好無損；用SNMP協(xié)議讀取設(shè)備的MIB信息會(huì)有一定的延遲，并與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模成正相關(guān)趨勢(shì)；CDP協(xié)議只能在Cisco設(shè)備上使用?？紤]到目前大多數(shù)鏈路層設(shè)備都支持生成樹協(xié)議（STP），因此本文選擇基于STP協(xié)議的方法。

通過STP生成樹協(xié)議可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的所有鏈路，并避免冗余鏈路形成環(huán)路，用來發(fā)現(xiàn)交換機(jī)之間的連接關(guān)系[6-10]。

子網(wǎng)物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 子網(wǎng)物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)流程

（1）獲取子網(wǎng)中所有交換機(jī)的總隊(duì)列。如果交換機(jī)支持生成樹協(xié)議，則根交換機(jī)由生成樹協(xié)議選擇，否則，選擇核心交換機(jī)或網(wǎng)關(guān)交換機(jī)作為根交換機(jī)。

（2）選擇交換機(jī)列表中的上行鏈路端口作為當(dāng)前根交換機(jī)。

（3）從列表中選擇一個(gè)交換機(jī)，然后根據(jù)直接連接規(guī)則判斷所選交換機(jī)與當(dāng)前根交換機(jī)之間的連接。

（4）遍歷所選交換機(jī)的葉端口，在葉端口表中顯示路由設(shè)備和IP地址的主機(jī)，然后將它們連接到所選交換機(jī)。重復(fù)步驟（3），直到交換機(jī)是列表中的最后一個(gè)。

（5）從步驟（2）中建立的交換機(jī)列表中選擇一個(gè)交換機(jī)，將其作為虛擬根交換機(jī)，然后算法將從步驟（2）開始重復(fù)，直到交換機(jī)總隊(duì)列為空。

3 應(yīng)用拓?fù)渲貥?gòu)

目前的研究中，缺乏對(duì)應(yīng)用拓?fù)涞陌l(fā)現(xiàn)，但實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)設(shè)備之間的通信情況具有重要的意義，因此，本文提出應(yīng)用拓?fù)渲貥?gòu)的概念，并以郵件為例進(jìn)行分析。

應(yīng)用拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)主要是基于設(shè)備（IP地址）之間的網(wǎng)絡(luò)通信分析，在設(shè)備（IP地址）的連接關(guān)系上，進(jìn)一步基于協(xié)議識(shí)別與解析，如識(shí)別設(shè)備提供的服務(wù)與連接協(xié)議，以及服務(wù)的詳細(xì)情況等[11-15]。

將 HTTP、HTTPS、SNMP、FTP、SFTP、Telnet、SSH、NTP、SMTP、POP3、IMAP、SMB等協(xié)議通信報(bào)文內(nèi)容與指紋庫軟件指紋進(jìn)行比對(duì)，可以識(shí)別操作系統(tǒng)、安防、應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)信息。支持識(shí)別的應(yīng)用軟件見表4所列。

表4 應(yīng)用軟件

在識(shí)別應(yīng)用服務(wù)的基礎(chǔ)上，對(duì)通信報(bào)文進(jìn)行深度解析，提取業(yè)務(wù)應(yīng)用通信行為和關(guān)鍵字段信息，構(gòu)建詳細(xì)的應(yīng)用拓?fù)潢P(guān)系?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)郵件、語音、傳真、文件傳輸、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)庫訪問和數(shù)字證書認(rèn)證等業(yè)務(wù)的信息識(shí)別與構(gòu)建。以郵件為例，根據(jù)SMTP協(xié)議字段response字段值可判斷是否包含郵件服務(wù)，并通過SMTP、POP3、IMAP協(xié)議中的from、to、subject字段獲取發(fā)送者、接收者、主題等信息。

4 拓?fù)潢P(guān)聯(lián)分析

物理拓?fù)?、邏輯拓?fù)?、?yīng)用拓?fù)浼认嗷オ?dú)立（各表述不同網(wǎng)絡(luò)層關(guān)注的設(shè)備及結(jié)構(gòu)）又相互關(guān)聯(lián)（共同構(gòu)成完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）。研究拓?fù)溟g的聯(lián)系，有利于清晰了解網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，掌握設(shè)備在不同層間的關(guān)系。因此，本文對(duì)物理拓?fù)?、邏輯拓?fù)浜蛻?yīng)用拓?fù)涞年P(guān)聯(lián)方式進(jìn)行研究，提出了一種符合實(shí)際應(yīng)用場景的關(guān)聯(lián)方式。該關(guān)聯(lián)方式的核心為IP，通過IP對(duì)三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行關(guān)聯(lián)，并獲取物理拓?fù)湫畔?、邏輯層信息和?yīng)用層信息。本文發(fā)現(xiàn)，可以通過ARP協(xié)議關(guān)聯(lián)物理拓?fù)鋵雍瓦壿嬐負(fù)鋵?，通過路由器IP間的服務(wù)和服務(wù)信息關(guān)聯(lián)邏輯拓?fù)鋵雍蛻?yīng)用拓?fù)鋵?。其中，ARP（地址解析協(xié)議）是一種計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。用于已知IP地址或網(wǎng)絡(luò)層地址時(shí)可以確定網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的鏈路層或硬件地址，維護(hù)的ARP表中每條記錄都是一個(gè)IP地址和一個(gè)物理地址的綁定，因此可以使用路由設(shè)備或交換設(shè)備的ARP表來關(guān)聯(lián)物理層和邏輯層信息，可通過IP查看IP關(guān)聯(lián)的設(shè)備和設(shè)備之間的應(yīng)用服務(wù)情況[16-19]。

5 結(jié) 語

目前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲋饕前l(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)子網(wǎng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)注較少，這顯然不能適應(yīng)規(guī)模日益擴(kuò)大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此本文分層論述了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法，一是通過改進(jìn)的邏輯拓?fù)渲貥?gòu)算法發(fā)現(xiàn)路由器、子網(wǎng)及其連接關(guān)系；二是通過改進(jìn)的物理拓?fù)渲貥?gòu)算法發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)與交換機(jī)、交換機(jī)與路由器之間的關(guān)系；另外，本文引入的應(yīng)用拓?fù)湔故玖嗽O(shè)備間的應(yīng)用服務(wù)，使得網(wǎng)絡(luò)更加完整。

綜上所述，論文中提出的融合多協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)在發(fā)現(xiàn)完整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中具有較大優(yōu)勢(shì)，但仍存在一些問題，如部分不支持SNMP協(xié)議的設(shè)備難以被發(fā)現(xiàn)，算法未考慮IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，一定程度上依賴設(shè)備指紋庫等。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建的研究，本文認(rèn)為適配IPv6環(huán)境 、完善設(shè)備指紋庫等是未來技術(shù)的改進(jìn)方向[20-22]。