網絡拓撲發現算法在網管中的應用

鞏　延　吳智強　密德莉

[摘要]主要論述網管系統中一個重要的功能網絡拓撲的自動發現。闡述相關的理論知識，并具體討論基于SNMP和基于ICMP的拓撲發現，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現網絡拓撲，但是它需要占用大量的帶寬資源。

[關鍵詞]簡單網絡管理協議(SNMP)網絡拓撲自動發現算法網絡管理

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

隨著計算機網絡的普及，人們對計算機網絡的依賴性大大加強了。在現有的技術條件下，人們希望有一個更加穩定可靠的網絡環境。計算機網絡管理系統就是應這樣的需求而產生的。它對網絡上的各種設備進行管理，通過監視和控制這些設備。及時地向管理人員報告網絡狀態，并且簡化網絡故障的處理，減少故障造成的損失，提高網絡的服務質量和效率。在我國，人們開始認識到網絡管理的重要性。

一、網絡管理中傳統的網絡拓撲發現算法

網絡拓撲的發現，實際上就是根據網絡上節點連接情況，構造出來一個反映這種連接關系的圖。網絡節點可以是網關，也可以是子網：網關節點是與子網和其它網關節點相鄰的節點；子網節點可被認為只與網關節點相鄰，至少與它的缺省網關相鄰。各子網通過各目的網關與其他子網通信，這些子網可以是一個局域網，也可以是某個局域網的一部分，它們都連接到網關的一個端口上。網關的端口可以連接子網，也可以同其他路由器相連。

主拓撲指的是反映出關鍵設備包括路由器，它們的接口和子網的連接關系，即路由器一路由器、路由器一子網、接口的關系。這些信息需要對網絡進行搜索而獲得：一般只需要對連接設備進行遍歷就可以得到主拓撲結構。當前的網管軟件都是通過對網絡設備的MIB庫進行訪問，所以這種方法又被稱為基于SNMP的拓撲發現。經過上述的遍歷過程，可以得到網絡拓拓撲圖的整體構成，知道了網絡主干通道情況。但是子網內部的具體設備以及連接狀態尚不可知。這就需要依靠子網發現來做進一步的工作。子網發現完成的任務是確定子網內各網絡設備的狀態、類型以及網絡接口。

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

二、改進的網絡拓撲算法

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，所有的子網的信息都依賴于設備具有SNMP的特性，如果系統不支持SNMP，則這種方法就無能為力了。還有對網絡管理的不重視，或者考慮到安全方面的原因，人們往往把網絡設備的SNMP功能關閉，這樣就難于取得設備的MIB值，就出現了拓撲的不完整性，嚴重影響了網絡管理系統的功能。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協議的拓撲發現。

(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。網際協議CIP沒有出錯報告或出錯校正機制，它依靠網際控制報文協議(ICMP)模塊來報告數據處理過程，井提供管理和狀態信息。ICMP報文在傳送時被封裝在IP數據報中，使用IP協議發送，但ICEP不看作是高層協議的內容。

回應請求與應答均以IP數據報的形式在網間傳輸，假如成功地收到一個應答(應答中的數據拷貝與請求中的任選數據完全一致)，不但說明信宿機可以到達，而且說明數據報傳輸系統的相應部分工作正常，至少信源機和信宿機的ICMP軟件和IP軟件工作正常，請求與應答經過中間網關也在正常工作。在許多TCP/IP實現中，用戶命令Ping便是利用ICMP回應請求／應答報文測試信宿機的可到達性的。

(二)PING的實現

PING的主要操作是發送報文，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議，使用ICMP響應請求與響應應答報文。PING主要由系統程序員用于診斷和調試。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絡設備。

PING遠程IP地址驗證能否尋址網絡。

PING遠程主機名驗證主機上某個服務器的操作。

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

(三)traceroute的實現

在IP頭的結構中，存在一個ip_ttl域，即生存時間(time to_live，TTL)。TTL參數用于測量數據報在網際存在多長時間。網絡中的每個路由器都檢查該域，如果TTL值為0，路由器就拋棄該數據報。路由器還必須對它處理的每個數據報的該域進行減I操作。在實際執行中，TTL域是一個反映跳段的值。所以，當數據報穿過一個IP節點(網關)時。TTL域中的值就減1。

traceroute的功能就是利用IP頭中的TTL域。開始時信源設置IP頭的TTL值為0，發送報文給信宿，第一個網關收到此報文后，發現TTL值為0，它丟棄此報文，并發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關地址。然后信源發送TTL值為1的報文給信宿，第一個網關把它的TTL值減為0后轉發給第二個網關，第二個網關發現報文TTL值為0，丟棄此報文并向信源發送超時ICMP報文。這樣就得到了路由中和第二個網關地址。如此循環下去，直到報文正確到達信宿，這樣就得到了通往信宿的路由。

(四)網絡拓撲的發現算法

具體實現的步驟：

1、于給定的IP區間，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關地址也加到IP表中。

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

4、根據子網掩碼，確定對應每個IP地址的子網地址，并確定各個子網的網絡類型。把查到的各個子網加入地址表中。

5、試圖得到與IP地址表中每個IP地址對應的域名(Domain Name)。如具有相同域名，則說明同一個網絡設備具有多個IP地址，即具有多個網絡接口。

6、根據第二步中的路由與第四步中得到的子網，產生連接情況表。