王 磊，馬 亮

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

鐵路信號的集中監(jiān)測（CSM，Centralized Signaling Monitoring) 系統(tǒng)是面向高速鐵路及普速鐵路信號領(lǐng)域的綜合性維護(hù)支持和信息監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)平臺[1]。根據(jù)鐵路部門運營管理結(jié)構(gòu)，CSM系統(tǒng)應(yīng)用“三級四級”的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)部署，鐵路局采用交換機(jī)組網(wǎng)，車站局域網(wǎng)采用交換機(jī)或者集線器組網(wǎng)，電務(wù)段子系統(tǒng)則是整個網(wǎng)絡(luò)信息與服務(wù)的匯集地[2]。這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大多布置在信號機(jī)房內(nèi)，規(guī)模龐大復(fù)雜，設(shè)備之間接口眾多，而信號與通信設(shè)備若各自獨立則不利于進(jìn)行故障診斷，因此，需要對CSM系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)測及管理。在信息系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信狀態(tài)監(jiān)測依賴于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄3]，目的是通過拓?fù)鋱D直觀地反映網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的連接狀況，并且可基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵崿F(xiàn)故障定位、分析和維修[4]，因此，在CSM系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)是關(guān)鍵。文獻(xiàn)[1]中使用CSM平臺對信號設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控和智能分析，為鐵路信號設(shè)備實施“狀態(tài)修”創(chuàng)造了有利條件，但是，需要對CSM平臺本身的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測與維護(hù)。文獻(xiàn)[5]設(shè)計了信息系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺，使用ARP表結(jié)合ping掃描的方法實現(xiàn)信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣影l(fā)現(xiàn)，但是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖蓵r間較長，影響監(jiān)測的實時性和準(zhǔn)確性，而且如果某些設(shè)備關(guān)閉ping掃描功能，可能會導(dǎo)致掃描不完整，影響拓?fù)渖傻耐暾浴?/p>

本文以保障CSM系統(tǒng)運行可靠性，提高自動拓?fù)鋾r效性、完整性和準(zhǔn)確性為目的，基于SNMP協(xié)議，采用網(wǎng)際控制報文協(xié)議（ICMP）結(jié)合端口掃描的方法全面地探測活動節(jié)點，從而能夠更有效地發(fā)現(xiàn)CSM系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的拓?fù)潢P(guān)系，并可依照生成樹原理分析冗余的物理連接，實現(xiàn)自動發(fā)現(xiàn)的拓?fù)渑c實際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟恢拢罱K通過C#語言編程實現(xiàn)拓?fù)渥詣影l(fā)現(xiàn)算法。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣榻B

1.1 SNMP協(xié)議及表單獲取

SNMP稱為簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol）[6]，是最早的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議之一。由于SNMP被設(shè)計成與協(xié)議無關(guān)，因而得到了眾多廠商和網(wǎng)絡(luò)管理平臺的支持，對它進(jìn)行分析具有重要的意義。SNMP是一種基于用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 (User Datagram Protocol，UDP)的協(xié)議[7]，可通過SNMP協(xié)議從路由器中的MIBⅡ信息庫或交換機(jī)、網(wǎng)橋中的VLAN-MIB、Bridge-MIB[8]信息庫中獲取路由設(shè)備列表或主機(jī)列表，從而構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

本文中主要通過SNMP獲取管理信息庫（MIB）變量，目的是通過相關(guān)的MIB對象判斷網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的真實（物理）連接情況，拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)過程中需要獲取的MIB中的對象詳細(xì)見表1～表3。表1主要是得到網(wǎng)絡(luò)中路由器的MAC地址以及IP地址，表2得到交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表中MAC地址及對應(yīng)的端口號，表3是獲得交換機(jī)生成樹協(xié)議中的端口號、根橋等信息。

表1 ipNetToMediaTable表對象及說明

表2 dot1dTpFdbTable表對象及說明

表3 dot1dStpPortTable表對象及說明

為了方便得到MIB變量，在C#中可調(diào)用針對SNMP協(xié)議封裝的類庫SnmpSharpNet.dll，通過GetSNMPTable方法調(diào)用封裝類庫。

關(guān)鍵代碼如下：

//配置設(shè)備的團(tuán)體名，IP地址，版本號等信息。

OctetString community = new OctetString(comm);

IpAddress agent = new IpAddress(ip);

AgentParameters param = new AgentParameters(community);

param.Version = SnmpVersion.Ver1;

UdpTarget target = new UdpTarget((IPAddress)agent, 161, 2000, 1)

//根據(jù)Oid找對應(yīng)的值Oid rootOid = new Oid(oid);

Oid lastOid = (Oid)rootOid.Clone();

//采用GetNext方式獲取，并暫時保存在temp_list中

Pdu Table_pdu_next = new Pdu(PduType.Get-Next);

List＜string> temp_list=new List＜string>();

while(lastOid!=null)

{

temp_list.Add(Table_result.Pdu.VbList[0].Value.ToString());

//找完指定表之后，lastOid賦值null

}

1.2 生成樹協(xié)議介紹

生成樹協(xié)議（STP, Spanning Tree Protocol）是一個網(wǎng)橋到網(wǎng)橋的協(xié)議[9]，它隨后被IEEE802 委員會修訂并發(fā)布在802.1d 規(guī)范[10]中。STP生成樹的使用既保障網(wǎng)橋之間的冗余連接，同時又可避免網(wǎng)絡(luò)環(huán)路在交換鏈路中的出現(xiàn)。STP基本術(shù)語包括：

（1）網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU）：STP中的“hello數(shù)據(jù)包”，間隔一定時間（該時間可配置）發(fā)送，該消息在各網(wǎng)橋之間交換；

（2）網(wǎng)橋號（Bridge ID）：由2字節(jié)優(yōu)先級與6字節(jié)MAC地址組成，為網(wǎng)絡(luò)中每一臺交換機(jī)標(biāo)識身份， 優(yōu)先級為 0–65535，缺省為 32768；

（3）根網(wǎng)橋（RB）：具有最小網(wǎng)橋號，根網(wǎng)橋并且所有端口都處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)；

（4）指定網(wǎng)橋（DB）：指到根網(wǎng)橋的累計路徑花費最小的網(wǎng)橋；

（5）根端口（RP）：網(wǎng)絡(luò)中在非根網(wǎng)橋上，指定連接到根橋路徑最短的端口；

（6）指定端口（DP）：非根網(wǎng)橋為每個需要連接的網(wǎng)段選出一個指定端口，根網(wǎng)橋上的端口都是指定端口；

（7）非指定端口（BP）：非指定端口將處于阻塞狀態(tài)，不轉(zhuǎn)發(fā)任何用戶數(shù)據(jù)。

STP的主要思想是每個網(wǎng)橋定時發(fā)送BPDU，在冗余網(wǎng)絡(luò)連接中維持一個無回路的網(wǎng)絡(luò)，阻塞一個或者多個冗余的接口。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某條鏈接故障或者添加新的鏈接，能夠快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈接變化，按照STP配置交換機(jī)接口，避免丟失鏈接或新的回路出現(xiàn)。

1.2.1 STP工作過程

（1）進(jìn)行根橋的選?。好颗_交換機(jī)定時向鄰接交換機(jī)發(fā)送BPDU，選出Bridge ID最小的網(wǎng)橋作為網(wǎng)絡(luò)中的根橋；

（2） 確定交換機(jī)指定端口及根端口：通過計算非根橋的交換機(jī)到根橋的最小路徑開銷，找出根端口（最小的發(fā)送方網(wǎng)橋ID）和指定端口（最小的端口ID）；

（3） 裁剪冗余端口：阻塞非根網(wǎng)橋上非指定端口以裁剪冗余的環(huán)路，構(gòu)造一個無環(huán)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

如圖1所示，根橋(S1)選作為樹干，在處于穩(wěn)定狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中，BPDU從根橋沿著無環(huán)的樹枝傳送到網(wǎng)絡(luò)的各個網(wǎng)段，沒被裁剪的活動鏈路作為向外輻射的樹枝，原本S2與S3之間有一條鏈接，圖中虛線為阻塞環(huán)路，此時S2的端口4或者S3的端口2為阻塞狀態(tài)。經(jīng)過裁剪冗余之后，生成一顆樹結(jié)構(gòu)，樹結(jié)構(gòu)是沒有環(huán)路的。

圖1 STP協(xié)議得到生成樹示意圖

1.2.2 STP操作規(guī)則

STP操作之后，最終確定唯一的生成樹，如圖2所示，A為根交換機(jī)，每個網(wǎng)絡(luò)中只有一個根橋，根橋上的接口全是指定端口（黃色圈），對于其他非根橋，每個根橋只有一個根端口（黑色圈）；并且每個段只有一個指定端口，其他接口為非指定端口，在圖2中，C交換機(jī)到A交換機(jī)，可以通過C-A鏈路，還可以C-B-A鏈路，STP生成樹之后，C的端口2阻塞，那么就只能C-A，此時該段就只有A交換機(jī)的2端口為指定端口。指定端口才可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，非指定端口（阻塞端口）不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

圖2 STP工作過程示意圖

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞椒ㄔO(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)庫表單構(gòu)造

通常在發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥^程中會涉及到很多表單，甚至有的表單會多次處理使用，由于各個設(shè)備性能也存在差異，如果直接使用SNMP協(xié)議反復(fù)獲取路由器、交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)信息表單就會占用更多的網(wǎng)絡(luò)資源，并且會增加構(gòu)造拓?fù)涞臅r間，雖然我們是在局域網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，但是需要獲取多個設(shè)備表單。針對該情況，本文采用本地表單的形式，在數(shù)據(jù)庫中保存當(dāng)前活動節(jié)點以及所有活動節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)信息。

（1）需要保存已經(jīng)探測到的活動節(jié)點，表項包括：設(shè)備IP、類型及活動節(jié)點標(biāo)志，用于存放已經(jīng)被ICMP探測或端口掃描出的節(jié)點信息；（2）需要一張表存放ICMP沒有探測到的節(jié)點，可用于端口多次掃描使用，表項包括：設(shè)備IP，掃描次數(shù)標(biāo)記。

針對路由器，我們需要獲取表1中的對象，與該路由器設(shè)備ID，IP生成表（設(shè)備ID，路由器IP，節(jié)點IP，節(jié)點MAC地址）。

交換機(jī)需要獲取表2及表3中的對象，構(gòu)造轉(zhuǎn)發(fā)表（設(shè)備ID，交換機(jī)IP，節(jié)點MAC地址，節(jié)點端口號，節(jié)點狀態(tài)）和STP生成樹表（設(shè)備ID，設(shè)備IP，Bridge ID，端口號，端口狀態(tài)，根橋Bridge ID，指定橋Bridge ID，指定端口ID）。

2.2 ICMP探測及端口掃描

系統(tǒng)采用ICMP結(jié)合端口掃描的方式作為拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的探測機(jī)制，避免少數(shù)設(shè)備屏蔽了ICMP功能之后不能被正常發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致拓?fù)洳粔蛲暾膯栴}，所以需要通過端口掃描作為輔助方法，結(jié)合這兩種方式可以更加快速完整地發(fā)現(xiàn)搜索范圍內(nèi)的所有活動節(jié)點。

設(shè)備活動節(jié)點的搜索過程如下：

（1）按照管理員要求配置搜索范圍，接著由程序通過多個線程同時使用基于ICMP的Ping方法，針對此范圍內(nèi)的活動節(jié)點進(jìn)行發(fā)現(xiàn)，把探索到的節(jié)點存入活動節(jié)點表中；

（2）針對不響應(yīng)ICMP的節(jié)點，進(jìn)一步使用端口掃描，按照配置文件中的參數(shù)可以重復(fù)掃描的次數(shù)，如果達(dá)到掃描次數(shù)的上限仍然沒有響應(yīng)就應(yīng)該放棄此節(jié)點，如果在某次掃描中響應(yīng)，則此節(jié)點應(yīng)該當(dāng)作被發(fā)現(xiàn)的活動節(jié)點，加入活動節(jié)點表中，待后續(xù)數(shù)據(jù)處理使用?；顒庸?jié)點的掃描流流程如圖3所示。

圖3 掃描流程圖

采用這樣的方法可以有效地探測活動節(jié)點設(shè)備。端口使用了全TCP連接的掃描方式，與探測主機(jī)搭建一個能夠被識別的對應(yīng)端口的連接，為了節(jié)約搜索等待的時間，搜索子模塊可同時開啟多個線程來進(jìn)行掃描，并且將搜索發(fā)現(xiàn)的活動節(jié)點信息全部保存在活動節(jié)點表中。

2.3 物理連接判斷方法

2.3.1 物理連接判斷

通過 SNMP協(xié)議獲取路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的路由表、轉(zhuǎn)發(fā)表數(shù)據(jù)，雖然轉(zhuǎn)發(fā)表記錄了節(jié)點的 MAC地址，但是若多臺交換機(jī)同在一個交換域內(nèi)，不管節(jié)點是否物理連接此交換機(jī)，整個交換域內(nèi)MAC地址都會被保存在當(dāng)前交換機(jī)中，所以單純地根據(jù)交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)表還無法區(qū)分此交換機(jī)與其他設(shè)備是直連的還是非直連的關(guān)系[11]，所以需要進(jìn)一步通過分析生成樹協(xié)議，按照生成樹的方式來判斷設(shè)備直連關(guān)系。

局域網(wǎng)絡(luò)中活動節(jié)點探測完成后，需要先對各節(jié)點進(jìn)行區(qū)分找出各自的類型，并將類型保存在活動節(jié)點表單類型中。根據(jù)設(shè)備類型，可以直接通過SNMP協(xié)議訪問對應(yīng)需要的MIB信息庫，也就是得到各路由器ARP表及各交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表和STP生成樹表。

從上文1.2.2中已經(jīng)知道STP操作的規(guī)則，可以得出下面幾條結(jié)論。根據(jù)這些STP總結(jié)的結(jié)論，能夠確定出根交換機(jī)、交換機(jī)與交換機(jī)、路由器之間的物理端口連接情況。

結(jié)論1：設(shè)交換機(jī)S1的端口標(biāo)識為S1i，它的指定網(wǎng)橋為S2，若在指定網(wǎng)橋上的端口（指定端口）為S2j，則S2必為交換機(jī)，且交換機(jī)S1、S2 通過接口S1i、S2j設(shè)備直連，并且可以確定S1的端口S1i是根端口。

結(jié)論2：若端口上獲得節(jié)點的MAC地址是通過非根交換機(jī)的指定端口或者根端口獲得，則該MAC地址對應(yīng)的設(shè)備屬于非直連設(shè)備；如果是通過別的端口（處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)）獲取，則屬于直連設(shè)備。因為根交換機(jī)所有端口都是指定端口，所以還需要判斷是不是與交換機(jī)根端口連接，若是，則不是直連，反之則是直連。

結(jié)論3：若阻塞接口的指定網(wǎng)橋是除自身以外的其它交換機(jī)，那么該接口必定與其他交換機(jī)存在作為備份使用的冗余鏈路。

結(jié)論4：設(shè)交換機(jī)S 的接口p的轉(zhuǎn)發(fā)表記為ASp。對于物理直接連接的交換機(jī)S、K 的兩接口a、b，若ASa∩AKb≠φ，則交換機(jī)S與交換機(jī)K是通過集線器間接連接，反之，交換機(jī)S、K 是通過接口a、b直連。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳襟E

使用C#語言開發(fā)程序，在內(nèi)存中使用存儲格式如下。

設(shè)備類：

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳襟E如下：

（1）根據(jù)交換機(jī)STP生成樹表，找到根交換機(jī)，再由結(jié)論1，通過查看表單中的指定網(wǎng)橋，可知道對應(yīng)的根端口，這樣初步找到所有交換機(jī)的直連關(guān)系，再根據(jù)結(jié)論3找到阻塞端口構(gòu)成冗余的連接關(guān)系；

（2）通過步驟（1）已經(jīng)找到所有交換機(jī)之間的物理連接關(guān)系，接下來需要將主機(jī)加入到各交換機(jī)端口上，根據(jù)結(jié)論2，結(jié)合交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表中的端口號和MAC地址，找到直連的主機(jī)，到這里物理拓?fù)浠旧贤瓿桑?/p>

（3）完成步驟（2）之后，可根據(jù)結(jié)論4找到交換機(jī)之間是否存在集線器連接，并在內(nèi)存的設(shè)備信息類中修改設(shè)備直連關(guān)系。

2.4 實現(xiàn)

根據(jù)電務(wù)段生產(chǎn)力的調(diào)整，未來鐵路信息化有著更大的需求，依據(jù)以數(shù)據(jù)為中心、通信為依靠的布局，建立網(wǎng)絡(luò)通信與信號設(shè)備為一體的鐵路信號綜合監(jiān)測系統(tǒng)?？吹贸鼍钟蚓W(wǎng)絡(luò)的正常對各設(shè)備之間的通信是至關(guān)重要，因此需要對網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)、路由器等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑘D4是在該系統(tǒng)中應(yīng)用該方法得到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫Ч故緢D片。用該方法能夠快速有效地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中路由設(shè)備與各交換機(jī)、交換機(jī)與各關(guān)鍵設(shè)備的物理連接關(guān)系，通過拓?fù)鋱D直觀了解網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀況，便于維護(hù)人員對設(shè)備進(jìn)行故障分析。

3 結(jié)束語

本文通過基于SNMP的ICMP探測并結(jié)合端口掃描的方法，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，可減少網(wǎng)絡(luò)開銷，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，完整地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有的活動節(jié)點，結(jié)合STP生成樹協(xié)議能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)設(shè)備之間的物理連接鏈路，包括冗余鏈路的發(fā)現(xiàn)。但是由于項目需求，本文的方法也存在不足，目前可用于局域網(wǎng)內(nèi)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，要想對廣域網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)還需要進(jìn)一步研究，并結(jié)合其他技術(shù)手段來實現(xiàn)。針對目前實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，下一步將基于該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞椒ㄑ芯烤W(wǎng)絡(luò)故障定位，實現(xiàn)綜合監(jiān)測平臺的智能故障診斷。

圖4 在實際中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男Ч故?/p>