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摘 要：随着网络的不断发展,其拓扑结构变得越来越复杂,其获取也变得越来越困难,该文介绍分析了网络拓扑技术的发展现状,分析了现有网络拓扑技术的不足,并且提出了基于STP、SNMP和ICMP三种常见协议的网络拓扑发现算法.
关 键 词：网络拓扑发现STPSNMPICMP
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0046-05
随着网络的不断发展与普及,网络的规模变得越来越大,网络的结构变得越来越复杂,对网络进行有效的管理和控制是保证网络处在正常高效运转的关键.但对网络进行有效的管理首先要获得网络的拓扑结构,而网络的结构复杂、节点数目繁多,靠人工统计往往是行不通的,而目前的网络拓扑发现技术又存在着一定的不足,所以研究更加有效的手段来得到网络的拓扑结构具有重大的意义.
1网络拓扑发现算法研究
在网络拓扑发现技术方面,美国康奈尔大学的CNRG网络研究组、CAIDA组织的Skitter[1]和贝尔实验室在这方面都有了深入的研究,他们设计的算法及其技术都已经具有较好的应用,并且已经进行了商用.
在物理网络拓扑发现算法中,由于交换机转发数据具有透明性的特点,这就给物理层的拓扑结构发现带来了很大的困难.针对物理网络中的拓扑发现问题,中科院计算所的郑海提出了能依赖不完整的交换机AFT来发现物理网络拓扑的算法[2],随后他们在此基础上进一步解决了子网中存在Hub的判定情况[3],但存在的不足在于它们都不能准确判定链路是否为冗余链路.文献[4]和[5]给出了基于端口流量的拓扑发现算法,通过对端口流量数据的分析进而实现了网络拓扑发现,但是该方法的实际数据无法准确获得,并且获得的数据可能存在很大的误差,不具有实际的应用性.文献[6]和[7]中利用交换机地址转发表的数据构建了网络的拓扑结构,是一种数据链路层的拓扑结构发现方法,但是这种方法无法对哑交换机（不能通过SNMP协议访问的交换机）进行有效的发现.文献[8]和[9]同样给出了一种基于生成树协议（SpanningTreeProtocol,STP）的数据链路层网络拓扑发现算法,这种算法具有分析得到哑交换机的连接关系的能力,但是其缺点是无法发现交换机与主机的关系,并且要求交换机支持STP协议才能有效.
IETF于2000年推出物理拓扑MIB（ManagementInformationBase）[10],它IP网络的相关对象如图1所示.IETF试图去解决网络拓扑结构发现的问题,但是IETF并没有具体给出如何获取MIB的具体方法,只能通过一些通用的协议来获取MIB.
2基于STP协议的网络拓扑发现算法
生成树协议（SpanningTreeProtocol,STP）的主要功能有两个：一是创建以某台交换机为跟的网络拓扑生成树,同时能够避免环路的产生.二是在网络拓扑发生改变时,能够达到收敛保护的目的.算法能够实现的基础在于网络中每台交换机都在BridgeMIB中保存了其交换域生成树的一部分,利用SNMP协议来获取MIB中的这些信息,再根据STP协议的特征,通过比较就可以得到整个网络拓扑结构.根据STP协议我们可以推导出以下八条结论[11-12],这几条结论可以帮助我们判断各个端口的关系.
结论一：设交换机的根接口指定网桥为,指定接口为,由于能运行生成树协议的必须是交换机,所以必为交换机,且、通过接口、直连或通过集线器互连（设备级直连）.
结论二：处于转发状态的接口为所在网段内的其他网桥传播信息,所以必须存在连接.若无连接,它不会参与生成树算法,也就不可能有转发状态.
结论三：阻塞接口若无连接存在,则生成树协议不会令其阻塞,它一定是进行冗余备份的线路.所以若阻塞接口的指定网桥非本交换机,其上一定有连接存在.
结论四：对于设备级直连交换机、的两接口、,若,则、通过集线器连接,反之,接口、直连.其中表示交换机通过接口收到数据包的源MAC地址集,表示交换机通过接口收到数据包的源MAC地址集.
结论五：假设交换机接口的地址转发表中仅包含主机设备,若主机数目为1,则该接口与主机直连；若主机数目大于l,则该接口通过集线器连接主机群.
结论六：若交换机接口的地址转发表中无其他交换机的地址信息但包含路由器地址,则该接口与路由器直连.若交换机接口的地址转发表中无其他交换机和路由器的地址信息,则它与转发表中的主机设各级直连,通过结论五进行连接确认.
结论七：若的非根端口的指派网桥为（）,且端口的状态是阻塞的,且的非根端口的指派端口与的指派端口相等,那么与直连,且该链路是备份链路.
结论八：满足规则1的2个端口与,不妨假定是根端口,是非根端口,若存在其他端口（）与满足规则1,那么、与之间必定存在集线器或哑交换机等不支持SNMP的设备.
利用上述的八条结论,可以得出基于STP协议的拓扑发现算法：根据结论一,当发现未知的网桥时,它一定是哑交换机.以根交换机为源地址Ping哑交换机,利用结论二查找拓扑结构生成树的内容,如果其中包含哑交换机的MAC地址,则认为它们之间存在直接相连的关系.其中伪造根交换机为源地址的Ping数据包是为了满足生成树转发下行接口的完备性.STP发现算法利用网络OSI第二层连接信息生成网络拓扑图,按广度优先遍历、先主干后备份的顺序进行,算法流程如图2所示.
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详细描述如下：
（1）对网络中所有的设备进行访问,对交换机进行识别并且存入临时链表A中.
（2）将链表A中的所有交换机IP逐个取出来,并通过SNMP协议访问同时记录根网桥MAC地址、本机的根接口、处于转发和阻塞接口的指定网桥MAC及其指定接口.（3）对网络拓扑生成树进行广度优先遍历.根据STP协议可以得到交换区域的根网桥,而后将根网桥加入到FIFO（先进先出队列）的等待进一步检测的队列B中.
（4）从队列B中取出一个交换机放入链表C中.在临时链表A中找出根接口的指定交换机为的交换机信息逐一添入待检测队列B中.由结论一、三可知它们属于设备级直连,并从临时链表A中去除该交换机信息.
（5）重复4,直到队列B为空.
（6）判断添加交换机连接：查询链表C中每个交换机接口的指定网桥和指定接口,若存在相同的交换机,则说明它们与指定的网桥是相互连接的,但它们是通过集线器等连接设备相连的,否则为设备直连,修改指定网桥的指定接口类型.
（7）若在临时链表A中仍不为空,则说明存在网络中存在哑交换机,如果临时链表A为空,则跳转至10.
（8）在临时链表A中对每个交换机根接口的指定网桥进行查询,若该网桥不存在于临时链表A中,根据结论一,将该网桥加入待检测队列B中.并重复进行4、5、6步骤.
（9）处理哑交换机连接&#
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