基于多協(xié)議的跨VLAN的異構(gòu)多子網(wǎng)物理拓?fù)溲芯?/h1>
2021-06-18 11:23馬曉波蘇依拉仁慶道爾吉
現(xiàn)代電子技術(shù) 2021年11期
馬曉波，蘇依拉，仁慶道爾吉
（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）
0 引 言
異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)主要是指由不同品牌、不同類型的設(shè)備和系統(tǒng)所組建的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)種類繁多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所搭建的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效管理已經(jīng)成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。由于VLAN間的子網(wǎng)不允許直接進(jìn)行通信，需要通過(guò)三層通信才能實(shí)現(xiàn)VLAN間的互相訪問，而且網(wǎng)絡(luò)中存在不同廠商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些設(shè)備具有多樣性且支持不同通信協(xié)議，沒有為物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)直接提供所需的信息。因此，設(shè)計(jì)一種基于異構(gòu)跨VLAN的多子網(wǎng)物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法，具有實(shí)際的工作價(jià)值和進(jìn)一步推廣的意義。
對(duì)現(xiàn)有的幾種物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法做了深入的研究分析：基于AFT的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法要求網(wǎng)絡(luò)中周期性地產(chǎn)生額外流量用以維護(hù)AFT的完整，并且對(duì)于啞設(shè)備的判斷需要單獨(dú)進(jìn)行考慮，而且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，要求在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確獲得設(shè)備的MAC地址會(huì)有一定的困難；基于端口流量的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法雖然簡(jiǎn)單，但仍需要進(jìn)行大量運(yùn)算，一般只能用于對(duì)其他拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法進(jìn)行補(bǔ)充；基于ARP的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法需要三層網(wǎng)絡(luò)支持；基于STP的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法不能夠直接發(fā)現(xiàn)網(wǎng)橋與路由器、主機(jī)等設(shè)備的連接關(guān)系。綜合對(duì)比上述算法，本文提出一種綜合利用STP和AFT信息的組合式拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法，算法借助SNMP取得交換機(jī)所維護(hù)的MIB庫(kù)中生成樹和地址轉(zhuǎn)發(fā)表的相關(guān)信息，經(jīng)過(guò)查找對(duì)比，從而判定出交換機(jī)及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接關(guān)系，在此基礎(chǔ)上根據(jù)獲取到的VLAN的OID信息進(jìn)行判斷，完成VLAN的處理工作，最終獲得跨VLAN的異構(gòu)多子網(wǎng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
1 基于STP和基于AFT的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法
1.1 基于AFT的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法
算法過(guò)程描述如下：
1）定義交換域中所有交換機(jī)的集合；
2）對(duì)于每個(gè)集合，分別取出一臺(tái)交換機(jī)Si，遍歷其每個(gè)端口Si j；
3）若交換機(jī)Si的端口Sij已經(jīng)與其他設(shè)備的端口互聯(lián)，則轉(zhuǎn)到步驟2）執(zhí)行；
4）若Aij∪Akl=U且Aij∩Ak l=?，則交換機(jī)Si的端口Si j與交換機(jī)Sk的端口Skl直連。若Aij中含有主機(jī)或者路由器的MAC地址，則交換機(jī)Si的端口Si j與路由器或者交換機(jī)直連。
該算法主要利用Bridge MIB?Ⅱ的地址轉(zhuǎn)發(fā)表中二層設(shè)備間的物理連接關(guān)系以及特殊場(chǎng)景下的共享網(wǎng)絡(luò)。由于所有交換機(jī)都基于AFT轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此能夠訪問其所需的AFT。但要求交換機(jī)都能夠支持SNMP協(xié)議，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)底層的設(shè)備并不能統(tǒng)一地支持SNMP協(xié)議，這在一定程度上產(chǎn)生了局限性。由于該算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有較高的要求，所以在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中難以保證交換機(jī)的地址轉(zhuǎn)發(fā)表AFT始終完整。
1.2 基于STP的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法
算法過(guò)程描述如下：
1）分配內(nèi)存并初始化；
2）對(duì)網(wǎng)絡(luò)中臨時(shí)交換機(jī)集合所包含的各個(gè)交換機(jī)進(jìn)行信息探測(cè)，獲取其IP及MAC地址；
3）根據(jù)交換機(jī)的IP地址，通過(guò)SNMP訪問臨時(shí)集合所包含交換機(jī)的MIB庫(kù)；
4）采用廣度優(yōu)先遍歷的方法，將根交換機(jī)的信息加入到交換機(jī)集合中，并創(chuàng)建搜索指針指向根交換機(jī)；
5）以根交換機(jī)MAC地址為索引，將根端口為索引的MAC地址處于臨時(shí)集合中的交換機(jī)依次查找出來(lái)，然后加入到交換機(jī)集合；
6）重復(fù)搜索直到所有的交換機(jī)均加入到交換機(jī)集合中；
7）若臨時(shí)集合中還有未按索引查找到的交換機(jī)，則查詢交換機(jī)的指定網(wǎng)橋，如網(wǎng)橋不存在則將該交換機(jī)加入至交換機(jī)集合，然后將指針指向該交換機(jī)，重復(fù)步驟4）~步驟6），如存在指定網(wǎng)橋則說(shuō)明有集線器等共享網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連；
8）遍歷數(shù)據(jù)，查詢交換機(jī)的端口信息；
9）排除指定網(wǎng)橋；
10）查詢交換機(jī)的阻塞端口所對(duì)應(yīng)的指定網(wǎng)橋，將其連接信息填入到相應(yīng)的端口信息中；
11）Ping網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有設(shè)備，并訪問交換機(jī)的地址轉(zhuǎn)發(fā)表，填入信息。
該算法可以得到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理連接關(guān)系，也可以發(fā)現(xiàn)大部分的啞交換機(jī)及其MAC地址與所連端口的關(guān)系，還可以發(fā)現(xiàn)局域網(wǎng)中的備用鏈路，發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確率較高。由于端口的STP信息少于端口的AFT信息，所以該算法擁有較低的時(shí)間復(fù)雜度，該算法不能夠直接發(fā)現(xiàn)網(wǎng)橋與路由器、主機(jī)等設(shè)備的連接關(guān)系，同時(shí)也有可能使部分設(shè)備不支持STP協(xié)議，因此，可考慮在STP發(fā)現(xiàn)算法的基礎(chǔ)上應(yīng)用基于AFT的發(fā)現(xiàn)算法，進(jìn)一步完成對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。
2 改進(jìn)的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法
2.1 改進(jìn)基于STP的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法
網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)通過(guò)定期交互BPDU（網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元）完成生成樹的計(jì)算，選出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)端口和阻塞端口，然后將阻塞端口禁用，構(gòu)造一個(gè)無(wú)環(huán)的、邏輯上的樹，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，交換機(jī)會(huì)再次根據(jù)BPDU信息重新計(jì)算并生成無(wú)環(huán)網(wǎng)絡(luò)。
本文所用到的定義：擁有最小橋ID的交換機(jī)被稱為根橋；除根橋外，其他交換機(jī)稱為非根橋；在非根橋設(shè)備上負(fù)責(zé)向根橋轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的端口稱為根端口；指定交換機(jī)也稱為指定網(wǎng)橋，由處于同一子網(wǎng)下（即相同網(wǎng)段）的交換機(jī)選舉得出；指定交換機(jī)向本網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)配置消息的端口即為指定端口；轉(zhuǎn)發(fā)端口包括根端口和指定端口，用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流量；除轉(zhuǎn)發(fā)端口外的其他端口都處于阻塞狀態(tài)，稱為阻塞端口。
推論1：在STP網(wǎng)絡(luò)中，如果兩個(gè)有直接關(guān)系的端口都為根端口，說(shuō)明兩個(gè)端口必定處于同一條物理鏈路，由此可推出必處于同一網(wǎng)段，這樣就會(huì)在同一網(wǎng)段內(nèi)存在兩條路徑到達(dá)根橋設(shè)備，從而形成環(huán)路，該推論與STP的定義矛盾。
推論2：在STP網(wǎng)絡(luò)中，如果兩個(gè)有直連關(guān)系的端口都為非根端口，首先說(shuō)明兩端口必定處于同一條物理鏈路，由此可推出它們必定處于同一網(wǎng)段，并對(duì)該網(wǎng)段的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，無(wú)根端口，同一網(wǎng)段下無(wú)根端口與根橋設(shè)備相連和前置條件相矛盾。
由上述兩個(gè)推論過(guò)程可知，當(dāng)兩交換機(jī)的端口間存在物理連接時(shí)，有可能是一個(gè)端口發(fā)送的BPDU消息被另一個(gè)端口接收，則可推斷出這兩個(gè)端口中必定有一個(gè)為根端口。由此可以得出，存在直連關(guān)系的兩個(gè)端口不可能同時(shí)為非根端口，如果兩個(gè)非根端口處于同一網(wǎng)段，則必有一個(gè)端口無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，即為阻塞端口。就單臺(tái)設(shè)備而言，非根橋設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)端口的指定交換機(jī)都是該設(shè)備本身。
根據(jù)上述推論結(jié)合MIB庫(kù)中dot1dStp Port Table表的對(duì)象值可推導(dǎo)出如下判斷規(guī)則：
設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則1：設(shè)交換機(jī)Si的某個(gè)根端口為Sij，Si j的指定交換機(jī)為Sk，當(dāng)交換機(jī)的非根端口Sk l與Si j的指定端口信息相等時(shí)，可知端口Skl發(fā)送的BPDU被端口Sij接收，所以可以推斷出交換機(jī)Si與Sk之間必定存在物理鏈接，即端口Sij與端口Sk l直連。
設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則2：設(shè)交換機(jī)Si的某個(gè)非根端口為Si j，交換機(jī)Sk的某個(gè)非根端口為Skl，當(dāng)Sij的指定交換機(jī)為Sk且Si j與Sk l的指定交換機(jī)相同時(shí)，即端口Sk l的指定交換機(jī)為設(shè)備本身，如果端口Sij為阻塞端口，則其阻塞端口的指定交換機(jī)不是設(shè)備本身，可以判斷出端口Si j與端口Sk l直連，且該端口用于連接備份鏈路。
設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則3：設(shè)交換機(jī)的某個(gè)非根端口為Sij，若Sij與子網(wǎng)內(nèi)邊緣設(shè)備（例如主機(jī)、路由器等）直接連接，可獲取MIB?Ⅱ中的sysService變量判斷該設(shè)備是否提供二層服務(wù)，根據(jù)OID信息區(qū)分出主機(jī)設(shè)備為路由器或主機(jī)之后，可知端口Ai j內(nèi)必定含有直連主機(jī)MAC地址信息。
將上述設(shè)備連接關(guān)系的判斷規(guī)則在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，只需將規(guī)則與dot1dStpPortTable表中的對(duì)應(yīng)信息結(jié)合，根據(jù)生成樹協(xié)議的特點(diǎn)，便可判定出相應(yīng)設(shè)備間的連接關(guān)系。利用規(guī)則1可以準(zhǔn)確獲取交換機(jī)間的連接關(guān)系；利用規(guī)則2可以發(fā)現(xiàn)交換機(jī)的冗余鏈路。
2.2 改進(jìn)基于AFT的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法
先將交換域構(gòu)建成一棵無(wú)向樹，若某交換域中只含有一個(gè)子網(wǎng)，則Ai j就在交換域所構(gòu)建的無(wú)向樹的路徑中，交換機(jī)端口Sij所能到達(dá)的節(jié)點(diǎn)的集合，如果AFT表是完整的，那么Aij就包含生成樹的路徑中全部節(jié)點(diǎn)的集合。值得注意的是，當(dāng)交換域中不止含有一個(gè)子網(wǎng)時(shí)，上述情況不適用。當(dāng)交換域中有多個(gè)子網(wǎng)時(shí)，盡管該交換域中的所有交換機(jī)端口的地址轉(zhuǎn)發(fā)表都完整也無(wú)法得到唯一的拓?fù)溥B接關(guān)系。本文構(gòu)建的基于AFT的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法主要是對(duì)樹型剪裁算法進(jìn)行改進(jìn)。
定理1：葉交換機(jī)只有一個(gè)端口的AFT含有其他交換機(jī)的地址。
定理2：中間交換機(jī)要么至少有兩個(gè)端口的AFT含有其他交換機(jī)的地址，要么一個(gè)端口的AFT含有其他交換機(jī)的地址并且至少存在一個(gè)端口含有的葉子節(jié)點(diǎn)地址分布在其他交換機(jī)的不同端口上。
樹型剪裁算法的主要思想：如果一棵樹的葉子節(jié)點(diǎn)被摘除，被摘光葉子的樹的分叉就會(huì)變成新的葉子節(jié)點(diǎn)，以此類推直到這棵樹被逐步裁剪完。改進(jìn)的樹型剪裁算法適用于多子網(wǎng)交換域的網(wǎng)絡(luò)，不需要定期發(fā)送數(shù)據(jù)流量來(lái)盡量保持AFT表的完整。下面介紹改進(jìn)算法的核心思想：
1）定義交換機(jī)的集合為H（集合H中包含交換機(jī)的地址以及交換機(jī)端口的地址轉(zhuǎn)發(fā)表）；
2）利用文獻(xiàn)[1]中已經(jīng)證明的基本推理規(guī)則進(jìn)行AFT的擴(kuò)展；
3）確定葉交換機(jī)Sk，找出交換機(jī)Si中只有一個(gè)Aij包含其他交換機(jī)地址的交換機(jī)作為備選的葉交換機(jī)（根據(jù)其是否在H中確定）（定理1），然后再根據(jù)定理2去掉其中的中間交換機(jī)，最后將所有葉交換機(jī)從H中剪掉。若葉交換機(jī)的某個(gè)下行端口中出現(xiàn)了多個(gè)葉子地址，則表示該葉子與HUB等啞設(shè)備相連；
4）更新交換機(jī)集合H中的地址轉(zhuǎn)發(fā)表。在剩余端口的Ai j中，交換機(jī)的地址為剪掉的葉交換機(jī)端口含有的地址全部更新成葉交換機(jī)Sk的地址（該過(guò)程等同于將剪掉的Sk用新的葉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了替換），然后將重復(fù)項(xiàng)進(jìn)行合并，再轉(zhuǎn)到步驟3），直至H中只含有根節(jié)點(diǎn)。
改進(jìn)后的算法復(fù)雜度為O（n2），n表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。算法只需利用交換機(jī)的地址轉(zhuǎn)發(fā)表，對(duì)主機(jī)的地址轉(zhuǎn)發(fā)表沒有要求，而在現(xiàn)今的網(wǎng)絡(luò)中很多主機(jī)是不支持SNMP協(xié)議的。所以，改進(jìn)后的算法能夠適用于現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
2.3 組合STP和AFT的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法
2.3.1 算法理論依據(jù)
組合式算法的合并思想是從STP算法的根節(jié)點(diǎn)開始，先找到AFT算法中所輸出的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，然后把這個(gè)節(jié)點(diǎn)作為AFT算法的新根節(jié)點(diǎn)，以此類推。這樣，就可以每次都從相同的根節(jié)點(diǎn)去進(jìn)行廣度優(yōu)先遍歷，然后再對(duì)節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系進(jìn)行合并。對(duì)任意節(jié)點(diǎn)Si的合并規(guī)則：
1）如果STP算法和AFT算法對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)端口Sij的連接關(guān)系發(fā)現(xiàn)結(jié)果相同，則保留STP算法的發(fā)現(xiàn)結(jié)果，忽略AFT算法的發(fā)現(xiàn)結(jié)果；
2）如果AFT算法發(fā)現(xiàn)了某個(gè)節(jié)點(diǎn)端口Si j和某個(gè)設(shè)備存在直接連接關(guān)系，而在STP算法中沒有相關(guān)的發(fā)現(xiàn)，則對(duì)這個(gè)連接關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)充；
3）如果STP算法和AFT算法對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)端口Sij的連接關(guān)系發(fā)現(xiàn)結(jié)果不同，則認(rèn)為存在啞設(shè)備（比如HUB）連接了該節(jié)點(diǎn)端口Sij與所發(fā)現(xiàn)的不同設(shè)備，即通過(guò)加一個(gè)啞設(shè)備將不同設(shè)備進(jìn)行合并。
廣度優(yōu)先遍歷完成后，就完成了所有節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系合并。這樣，組合式算法中算法合并階段的算法復(fù)雜度就從O（n2）降到了O(nlogn)，節(jié)省了拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的時(shí)間。而且對(duì)于STP算法沒有發(fā)現(xiàn)的相應(yīng)主機(jī)、路由器等設(shè)備的連接關(guān)系，可與AFT算法的相應(yīng)發(fā)現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行合并，這樣就整合了兩種拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法的優(yōu)勢(shì)，不僅對(duì)交換機(jī)之間的拓?fù)溥B接關(guān)系進(jìn)行了補(bǔ)充，又對(duì)非交換設(shè)備的連接關(guān)系進(jìn)行了補(bǔ)充。
合并算法運(yùn)行結(jié)束后，再對(duì)可能出現(xiàn)的共享介質(zhì)做進(jìn)一步判斷，下面對(duì)共享介質(zhì)在網(wǎng)絡(luò)中的場(chǎng)景予以分析：
場(chǎng)景1：當(dāng)共享介質(zhì)位于交換域的邊緣，處在交換機(jī)和主機(jī)設(shè)備間，用來(lái)連接主機(jī)設(shè)備時(shí)，對(duì)設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則并沒有影響，可以正常獲得主機(jī)與交換機(jī)的連接關(guān)系。
場(chǎng)景2：當(dāng)共享介質(zhì)位于兩臺(tái)交換機(jī)之間用以代替兩臺(tái)交換機(jī)之間的直連物理鏈路時(shí)，此時(shí)利用規(guī)則1無(wú)法判斷并獲取共享介質(zhì)信息。
場(chǎng)景3：當(dāng)共享介質(zhì)位于多臺(tái)交換機(jī)之間時(shí)（兩臺(tái)以上），會(huì)有兩個(gè)以上的根端口存在直連關(guān)系，此時(shí)規(guī)則1不成立。
針對(duì)上述場(chǎng)景，推導(dǎo)出如下連接關(guān)系的判斷規(guī)則：
設(shè)交換機(jī)Si的根端口為Si j，Sij的指定交換機(jī)為Sk，當(dāng)交換機(jī)的非根端口Sk l與端口Sij的指定端口信息相等時(shí)，端口Sij與Sk l直連，若此時(shí)還有其他端口Smn與端口Sk l的指定端口信息相等，則在交換機(jī)Si，Sk，Sm之間存在共享介質(zhì)。
根據(jù)設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則1還可以得出，當(dāng)端口Sij和Skl直接連接時(shí)，若Aij∩Akl≠{?}，則這兩個(gè)端口間存在共享介質(zhì)。
共享介質(zhì)連接關(guān)系判斷規(guī)則1：當(dāng)共享介質(zhì)位于網(wǎng)絡(luò)邊緣用以接入主機(jī)設(shè)備的時(shí)候，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響，那么交換機(jī)Aij中所包含的MAC地址均為主機(jī)MAC地址，利用設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則3可得出交換機(jī)、共享介質(zhì)及下聯(lián)所有主機(jī)的連接關(guān)系，從而得出場(chǎng)景1的拓?fù)潢P(guān)系。
共享介質(zhì)連接關(guān)系判斷規(guī)則2：根據(jù)設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則1，如果當(dāng)有Aij∩Akl≠{?}時(shí)，則可得出在交換機(jī)Si與Sk之間存在有共享介質(zhì)，并且通過(guò)Sij端口與Skl端口進(jìn)行連接，從而推出場(chǎng)景2的拓?fù)潢P(guān)系。
共享介質(zhì)連接關(guān)系判斷規(guī)則3：當(dāng)交換機(jī)Si在滿足設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則1的情況下，根端口Sij與多個(gè)端口的指定端口信息相等時(shí)，則說(shuō)明交換機(jī)端口Sij連接有共享介質(zhì)，相等的端口同時(shí)接入共享介質(zhì)，從而推導(dǎo)出場(chǎng)景3的拓?fù)潢P(guān)系。
2.3.2 算法描述
具體算法的實(shí)現(xiàn)步驟簡(jiǎn)述如下：
1）利用SNMP協(xié)議取得交換機(jī)列表與生成樹端口表，并讀取相應(yīng)的地址轉(zhuǎn)發(fā)表信息。
2）根據(jù)設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則得到交換機(jī)的端口之間的連接關(guān)系，從而得出交換機(jī)與交換機(jī)的直連關(guān)系。
3）運(yùn)行改進(jìn)的樹型剪裁算法，得到AFT算法的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果。
4）運(yùn)行廣度優(yōu)先的組合式算法，合并STP算法和AFT算法的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果。
5）將連接關(guān)系中各端口出現(xiàn)的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果某一個(gè)端口出現(xiàn)的頻率多于一次，則該端口與共享介質(zhì)間存在連接，再取得剩余端口的地址轉(zhuǎn)發(fā)表，如果交集為非空，則兩端口間存在共享介質(zhì)。
6）根據(jù)設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則3收集步驟2）推導(dǎo)出的與交換機(jī)相連的主機(jī)的MAC地址信息。如果該端口中主機(jī)數(shù)量大于1，則該端口連有共享介質(zhì)，再根據(jù)共享介質(zhì)連接關(guān)系判斷規(guī)則對(duì)共享介質(zhì)連接關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)。
7）獲取交換機(jī)的VLAN標(biāo)識(shí)dot1qPvid，將取值相同者置于同一集合，dot1qPvid取值即為VLAN號(hào)。
8） 獲 取 索 引 值 dot1qVLANIndex、列 表dot1qVLANCurrentEgressPorts的內(nèi)容，得出每個(gè)VLAN的所有端口信息。值得注意的是，對(duì)VLAN信息進(jìn)行處理時(shí)，dot1qVLANIndex參數(shù)不能直接被讀取，可通過(guò)SNMP提 供 的GetAll List（）方 法（SNMPv1版 本 采 用getnext（）方法）得到對(duì)應(yīng)的OID與Value。然后將條目中的索引值分離出來(lái)即可得到每個(gè)VLAN所包含的交換機(jī)以及端口的信息。
9）根據(jù)獲取到的設(shè)備信息進(jìn)行判別，收集設(shè)備的OID信息。
具體的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)流程如圖1所示。
圖1 拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)流程圖
2.3.3 算法測(cè)試驗(yàn)證
基于實(shí)際情況，選用某公司的網(wǎng)絡(luò)作為測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對(duì)較復(fù)雜，可以滿足本課題研究的異構(gòu)性（滿足廠商的多樣性）。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分了上百個(gè)VLAN，且符合現(xiàn)代較為主流的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，完全可以滿足本課題對(duì)于多子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相對(duì)比較大，系統(tǒng)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)時(shí)間在3 min左右，進(jìn)一步驗(yàn)證了本組合式物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的有效性和可行性。
圖2 是對(duì)該公司的部分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試所得的結(jié)果。
圖2 實(shí)際網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果
3 結(jié) 語(yǔ)
準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)管理、安全管理、性能分析等起著非常重要的作用。本文以基于STP的算法為基礎(chǔ)，利用改進(jìn)后基于AFT的算法進(jìn)行擴(kuò)充，最后根據(jù)合并規(guī)則將兩種算法的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行有效的融合，實(shí)現(xiàn)了跨VLAN的異構(gòu)多子網(wǎng)的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，避開了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議不一致，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多樣性等帶來(lái)的困難，在地址轉(zhuǎn)發(fā)表不完整的情況下能夠準(zhǔn)確、全面、高效地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)表明，算法從完整率、準(zhǔn)確率、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等指標(biāo)的綜合情況來(lái)看，有一定的優(yōu)勢(shì)，并且可以作為一種有效的算法應(yīng)用到實(shí)際的跨VLAN的異構(gòu)多子網(wǎng)環(huán)境中，具備一定的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。
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馬曉波，蘇依拉，仁慶道爾吉
（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）
0 引 言
異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)主要是指由不同品牌、不同類型的設(shè)備和系統(tǒng)所組建的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)種類繁多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所搭建的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效管理已經(jīng)成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。由于VLAN間的子網(wǎng)不允許直接進(jìn)行通信，需要通過(guò)三層通信才能實(shí)現(xiàn)VLAN間的互相訪問，而且網(wǎng)絡(luò)中存在不同廠商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些設(shè)備具有多樣性且支持不同通信協(xié)議，沒有為物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)直接提供所需的信息。因此，設(shè)計(jì)一種基于異構(gòu)跨VLAN的多子網(wǎng)物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法，具有實(shí)際的工作價(jià)值和進(jìn)一步推廣的意義。
對(duì)現(xiàn)有的幾種物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法做了深入的研究分析：基于AFT的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法要求網(wǎng)絡(luò)中周期性地產(chǎn)生額外流量用以維護(hù)AFT的完整，并且對(duì)于啞設(shè)備的判斷需要單獨(dú)進(jìn)行考慮，而且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，要求在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確獲得設(shè)備的MAC地址會(huì)有一定的困難；基于端口流量的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法雖然簡(jiǎn)單，但仍需要進(jìn)行大量運(yùn)算，一般只能用于對(duì)其他拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法進(jìn)行補(bǔ)充；基于ARP的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法需要三層網(wǎng)絡(luò)支持；基于STP的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法不能夠直接發(fā)現(xiàn)網(wǎng)橋與路由器、主機(jī)等設(shè)備的連接關(guān)系。綜合對(duì)比上述算法，本文提出一種綜合利用STP和AFT信息的組合式拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法，算法借助SNMP取得交換機(jī)所維護(hù)的MIB庫(kù)中生成樹和地址轉(zhuǎn)發(fā)表的相關(guān)信息，經(jīng)過(guò)查找對(duì)比，從而判定出交換機(jī)及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接關(guān)系，在此基礎(chǔ)上根據(jù)獲取到的VLAN的OID信息進(jìn)行判斷，完成VLAN的處理工作，最終獲得跨VLAN的異構(gòu)多子網(wǎng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
1 基于STP和基于AFT的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法
1.1 基于AFT的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法
算法過(guò)程描述如下：
1）定義交換域中所有交換機(jī)的集合；
2）對(duì)于每個(gè)集合，分別取出一臺(tái)交換機(jī)Si，遍歷其每個(gè)端口Si j；
3）若交換機(jī)Si的端口Sij已經(jīng)與其他設(shè)備的端口互聯(lián)，則轉(zhuǎn)到步驟2）執(zhí)行；
4）若Aij∪Akl=U且Aij∩Ak l=?，則交換機(jī)Si的端口Si j與交換機(jī)Sk的端口Skl直連。若Aij中含有主機(jī)或者路由器的MAC地址，則交換機(jī)Si的端口Si j與路由器或者交換機(jī)直連。
該算法主要利用Bridge MIB?Ⅱ的地址轉(zhuǎn)發(fā)表中二層設(shè)備間的物理連接關(guān)系以及特殊場(chǎng)景下的共享網(wǎng)絡(luò)。由于所有交換機(jī)都基于AFT轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此能夠訪問其所需的AFT。但要求交換機(jī)都能夠支持SNMP協(xié)議，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)底層的設(shè)備并不能統(tǒng)一地支持SNMP協(xié)議，這在一定程度上產(chǎn)生了局限性。由于該算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有較高的要求，所以在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中難以保證交換機(jī)的地址轉(zhuǎn)發(fā)表AFT始終完整。
1.2 基于STP的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法
算法過(guò)程描述如下：
1）分配內(nèi)存并初始化；
2）對(duì)網(wǎng)絡(luò)中臨時(shí)交換機(jī)集合所包含的各個(gè)交換機(jī)進(jìn)行信息探測(cè)，獲取其IP及MAC地址；
3）根據(jù)交換機(jī)的IP地址，通過(guò)SNMP訪問臨時(shí)集合所包含交換機(jī)的MIB庫(kù)；
4）采用廣度優(yōu)先遍歷的方法，將根交換機(jī)的信息加入到交換機(jī)集合中，并創(chuàng)建搜索指針指向根交換機(jī)；
5）以根交換機(jī)MAC地址為索引，將根端口為索引的MAC地址處于臨時(shí)集合中的交換機(jī)依次查找出來(lái)，然后加入到交換機(jī)集合；
6）重復(fù)搜索直到所有的交換機(jī)均加入到交換機(jī)集合中；
7）若臨時(shí)集合中還有未按索引查找到的交換機(jī)，則查詢交換機(jī)的指定網(wǎng)橋，如網(wǎng)橋不存在則將該交換機(jī)加入至交換機(jī)集合，然后將指針指向該交換機(jī)，重復(fù)步驟4）~步驟6），如存在指定網(wǎng)橋則說(shuō)明有集線器等共享網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連；
8）遍歷數(shù)據(jù)，查詢交換機(jī)的端口信息；
9）排除指定網(wǎng)橋；
10）查詢交換機(jī)的阻塞端口所對(duì)應(yīng)的指定網(wǎng)橋，將其連接信息填入到相應(yīng)的端口信息中；
11）Ping網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有設(shè)備，并訪問交換機(jī)的地址轉(zhuǎn)發(fā)表，填入信息。
該算法可以得到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理連接關(guān)系，也可以發(fā)現(xiàn)大部分的啞交換機(jī)及其MAC地址與所連端口的關(guān)系，還可以發(fā)現(xiàn)局域網(wǎng)中的備用鏈路，發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確率較高。由于端口的STP信息少于端口的AFT信息，所以該算法擁有較低的時(shí)間復(fù)雜度，該算法不能夠直接發(fā)現(xiàn)網(wǎng)橋與路由器、主機(jī)等設(shè)備的連接關(guān)系，同時(shí)也有可能使部分設(shè)備不支持STP協(xié)議，因此，可考慮在STP發(fā)現(xiàn)算法的基礎(chǔ)上應(yīng)用基于AFT的發(fā)現(xiàn)算法，進(jìn)一步完成對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。
2 改進(jìn)的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法
2.1 改進(jìn)基于STP的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法
網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)通過(guò)定期交互BPDU（網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元）完成生成樹的計(jì)算，選出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)端口和阻塞端口，然后將阻塞端口禁用，構(gòu)造一個(gè)無(wú)環(huán)的、邏輯上的樹，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，交換機(jī)會(huì)再次根據(jù)BPDU信息重新計(jì)算并生成無(wú)環(huán)網(wǎng)絡(luò)。
本文所用到的定義：擁有最小橋ID的交換機(jī)被稱為根橋；除根橋外，其他交換機(jī)稱為非根橋；在非根橋設(shè)備上負(fù)責(zé)向根橋轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的端口稱為根端口；指定交換機(jī)也稱為指定網(wǎng)橋，由處于同一子網(wǎng)下（即相同網(wǎng)段）的交換機(jī)選舉得出；指定交換機(jī)向本網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)配置消息的端口即為指定端口；轉(zhuǎn)發(fā)端口包括根端口和指定端口，用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流量；除轉(zhuǎn)發(fā)端口外的其他端口都處于阻塞狀態(tài)，稱為阻塞端口。
推論1：在STP網(wǎng)絡(luò)中，如果兩個(gè)有直接關(guān)系的端口都為根端口，說(shuō)明兩個(gè)端口必定處于同一條物理鏈路，由此可推出必處于同一網(wǎng)段，這樣就會(huì)在同一網(wǎng)段內(nèi)存在兩條路徑到達(dá)根橋設(shè)備，從而形成環(huán)路，該推論與STP的定義矛盾。
推論2：在STP網(wǎng)絡(luò)中，如果兩個(gè)有直連關(guān)系的端口都為非根端口，首先說(shuō)明兩端口必定處于同一條物理鏈路，由此可推出它們必定處于同一網(wǎng)段，并對(duì)該網(wǎng)段的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，無(wú)根端口，同一網(wǎng)段下無(wú)根端口與根橋設(shè)備相連和前置條件相矛盾。
由上述兩個(gè)推論過(guò)程可知，當(dāng)兩交換機(jī)的端口間存在物理連接時(shí)，有可能是一個(gè)端口發(fā)送的BPDU消息被另一個(gè)端口接收，則可推斷出這兩個(gè)端口中必定有一個(gè)為根端口。由此可以得出，存在直連關(guān)系的兩個(gè)端口不可能同時(shí)為非根端口，如果兩個(gè)非根端口處于同一網(wǎng)段，則必有一個(gè)端口無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，即為阻塞端口。就單臺(tái)設(shè)備而言，非根橋設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)端口的指定交換機(jī)都是該設(shè)備本身。
根據(jù)上述推論結(jié)合MIB庫(kù)中dot1dStp Port Table表的對(duì)象值可推導(dǎo)出如下判斷規(guī)則：
設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則1：設(shè)交換機(jī)Si的某個(gè)根端口為Sij，Si j的指定交換機(jī)為Sk，當(dāng)交換機(jī)的非根端口Sk l與Si j的指定端口信息相等時(shí)，可知端口Skl發(fā)送的BPDU被端口Sij接收，所以可以推斷出交換機(jī)Si與Sk之間必定存在物理鏈接，即端口Sij與端口Sk l直連。
設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則2：設(shè)交換機(jī)Si的某個(gè)非根端口為Si j，交換機(jī)Sk的某個(gè)非根端口為Skl，當(dāng)Sij的指定交換機(jī)為Sk且Si j與Sk l的指定交換機(jī)相同時(shí)，即端口Sk l的指定交換機(jī)為設(shè)備本身，如果端口Sij為阻塞端口，則其阻塞端口的指定交換機(jī)不是設(shè)備本身，可以判斷出端口Si j與端口Sk l直連，且該端口用于連接備份鏈路。
設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則3：設(shè)交換機(jī)的某個(gè)非根端口為Sij，若Sij與子網(wǎng)內(nèi)邊緣設(shè)備（例如主機(jī)、路由器等）直接連接，可獲取MIB?Ⅱ中的sysService變量判斷該設(shè)備是否提供二層服務(wù)，根據(jù)OID信息區(qū)分出主機(jī)設(shè)備為路由器或主機(jī)之后，可知端口Ai j內(nèi)必定含有直連主機(jī)MAC地址信息。
將上述設(shè)備連接關(guān)系的判斷規(guī)則在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，只需將規(guī)則與dot1dStpPortTable表中的對(duì)應(yīng)信息結(jié)合，根據(jù)生成樹協(xié)議的特點(diǎn)，便可判定出相應(yīng)設(shè)備間的連接關(guān)系。利用規(guī)則1可以準(zhǔn)確獲取交換機(jī)間的連接關(guān)系；利用規(guī)則2可以發(fā)現(xiàn)交換機(jī)的冗余鏈路。
2.2 改進(jìn)基于AFT的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法
先將交換域構(gòu)建成一棵無(wú)向樹，若某交換域中只含有一個(gè)子網(wǎng)，則Ai j就在交換域所構(gòu)建的無(wú)向樹的路徑中，交換機(jī)端口Sij所能到達(dá)的節(jié)點(diǎn)的集合，如果AFT表是完整的，那么Aij就包含生成樹的路徑中全部節(jié)點(diǎn)的集合。值得注意的是，當(dāng)交換域中不止含有一個(gè)子網(wǎng)時(shí)，上述情況不適用。當(dāng)交換域中有多個(gè)子網(wǎng)時(shí)，盡管該交換域中的所有交換機(jī)端口的地址轉(zhuǎn)發(fā)表都完整也無(wú)法得到唯一的拓?fù)溥B接關(guān)系。本文構(gòu)建的基于AFT的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法主要是對(duì)樹型剪裁算法進(jìn)行改進(jìn)。
定理1：葉交換機(jī)只有一個(gè)端口的AFT含有其他交換機(jī)的地址。
定理2：中間交換機(jī)要么至少有兩個(gè)端口的AFT含有其他交換機(jī)的地址，要么一個(gè)端口的AFT含有其他交換機(jī)的地址并且至少存在一個(gè)端口含有的葉子節(jié)點(diǎn)地址分布在其他交換機(jī)的不同端口上。
樹型剪裁算法的主要思想：如果一棵樹的葉子節(jié)點(diǎn)被摘除，被摘光葉子的樹的分叉就會(huì)變成新的葉子節(jié)點(diǎn)，以此類推直到這棵樹被逐步裁剪完。改進(jìn)的樹型剪裁算法適用于多子網(wǎng)交換域的網(wǎng)絡(luò)，不需要定期發(fā)送數(shù)據(jù)流量來(lái)盡量保持AFT表的完整。下面介紹改進(jìn)算法的核心思想：
1）定義交換機(jī)的集合為H（集合H中包含交換機(jī)的地址以及交換機(jī)端口的地址轉(zhuǎn)發(fā)表）；
2）利用文獻(xiàn)[1]中已經(jīng)證明的基本推理規(guī)則進(jìn)行AFT的擴(kuò)展；
3）確定葉交換機(jī)Sk，找出交換機(jī)Si中只有一個(gè)Aij包含其他交換機(jī)地址的交換機(jī)作為備選的葉交換機(jī)（根據(jù)其是否在H中確定）（定理1），然后再根據(jù)定理2去掉其中的中間交換機(jī)，最后將所有葉交換機(jī)從H中剪掉。若葉交換機(jī)的某個(gè)下行端口中出現(xiàn)了多個(gè)葉子地址，則表示該葉子與HUB等啞設(shè)備相連；
4）更新交換機(jī)集合H中的地址轉(zhuǎn)發(fā)表。在剩余端口的Ai j中，交換機(jī)的地址為剪掉的葉交換機(jī)端口含有的地址全部更新成葉交換機(jī)Sk的地址（該過(guò)程等同于將剪掉的Sk用新的葉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了替換），然后將重復(fù)項(xiàng)進(jìn)行合并，再轉(zhuǎn)到步驟3），直至H中只含有根節(jié)點(diǎn)。
改進(jìn)后的算法復(fù)雜度為O（n2），n表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。算法只需利用交換機(jī)的地址轉(zhuǎn)發(fā)表，對(duì)主機(jī)的地址轉(zhuǎn)發(fā)表沒有要求，而在現(xiàn)今的網(wǎng)絡(luò)中很多主機(jī)是不支持SNMP協(xié)議的。所以，改進(jìn)后的算法能夠適用于現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
2.3 組合STP和AFT的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法
2.3.1 算法理論依據(jù)
組合式算法的合并思想是從STP算法的根節(jié)點(diǎn)開始，先找到AFT算法中所輸出的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，然后把這個(gè)節(jié)點(diǎn)作為AFT算法的新根節(jié)點(diǎn)，以此類推。這樣，就可以每次都從相同的根節(jié)點(diǎn)去進(jìn)行廣度優(yōu)先遍歷，然后再對(duì)節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系進(jìn)行合并。對(duì)任意節(jié)點(diǎn)Si的合并規(guī)則：
1）如果STP算法和AFT算法對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)端口Sij的連接關(guān)系發(fā)現(xiàn)結(jié)果相同，則保留STP算法的發(fā)現(xiàn)結(jié)果，忽略AFT算法的發(fā)現(xiàn)結(jié)果；
2）如果AFT算法發(fā)現(xiàn)了某個(gè)節(jié)點(diǎn)端口Si j和某個(gè)設(shè)備存在直接連接關(guān)系，而在STP算法中沒有相關(guān)的發(fā)現(xiàn)，則對(duì)這個(gè)連接關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)充；
3）如果STP算法和AFT算法對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)端口Sij的連接關(guān)系發(fā)現(xiàn)結(jié)果不同，則認(rèn)為存在啞設(shè)備（比如HUB）連接了該節(jié)點(diǎn)端口Sij與所發(fā)現(xiàn)的不同設(shè)備，即通過(guò)加一個(gè)啞設(shè)備將不同設(shè)備進(jìn)行合并。
廣度優(yōu)先遍歷完成后，就完成了所有節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系合并。這樣，組合式算法中算法合并階段的算法復(fù)雜度就從O（n2）降到了O(nlogn)，節(jié)省了拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的時(shí)間。而且對(duì)于STP算法沒有發(fā)現(xiàn)的相應(yīng)主機(jī)、路由器等設(shè)備的連接關(guān)系，可與AFT算法的相應(yīng)發(fā)現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行合并，這樣就整合了兩種拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法的優(yōu)勢(shì)，不僅對(duì)交換機(jī)之間的拓?fù)溥B接關(guān)系進(jìn)行了補(bǔ)充，又對(duì)非交換設(shè)備的連接關(guān)系進(jìn)行了補(bǔ)充。
合并算法運(yùn)行結(jié)束后，再對(duì)可能出現(xiàn)的共享介質(zhì)做進(jìn)一步判斷，下面對(duì)共享介質(zhì)在網(wǎng)絡(luò)中的場(chǎng)景予以分析：
場(chǎng)景1：當(dāng)共享介質(zhì)位于交換域的邊緣，處在交換機(jī)和主機(jī)設(shè)備間，用來(lái)連接主機(jī)設(shè)備時(shí)，對(duì)設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則并沒有影響，可以正常獲得主機(jī)與交換機(jī)的連接關(guān)系。
場(chǎng)景2：當(dāng)共享介質(zhì)位于兩臺(tái)交換機(jī)之間用以代替兩臺(tái)交換機(jī)之間的直連物理鏈路時(shí)，此時(shí)利用規(guī)則1無(wú)法判斷并獲取共享介質(zhì)信息。
場(chǎng)景3：當(dāng)共享介質(zhì)位于多臺(tái)交換機(jī)之間時(shí)（兩臺(tái)以上），會(huì)有兩個(gè)以上的根端口存在直連關(guān)系，此時(shí)規(guī)則1不成立。
針對(duì)上述場(chǎng)景，推導(dǎo)出如下連接關(guān)系的判斷規(guī)則：
設(shè)交換機(jī)Si的根端口為Si j，Sij的指定交換機(jī)為Sk，當(dāng)交換機(jī)的非根端口Sk l與端口Sij的指定端口信息相等時(shí)，端口Sij與Sk l直連，若此時(shí)還有其他端口Smn與端口Sk l的指定端口信息相等，則在交換機(jī)Si，Sk，Sm之間存在共享介質(zhì)。
根據(jù)設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則1還可以得出，當(dāng)端口Sij和Skl直接連接時(shí)，若Aij∩Akl≠{?}，則這兩個(gè)端口間存在共享介質(zhì)。
共享介質(zhì)連接關(guān)系判斷規(guī)則1：當(dāng)共享介質(zhì)位于網(wǎng)絡(luò)邊緣用以接入主機(jī)設(shè)備的時(shí)候，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響，那么交換機(jī)Aij中所包含的MAC地址均為主機(jī)MAC地址，利用設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則3可得出交換機(jī)、共享介質(zhì)及下聯(lián)所有主機(jī)的連接關(guān)系，從而得出場(chǎng)景1的拓?fù)潢P(guān)系。
共享介質(zhì)連接關(guān)系判斷規(guī)則2：根據(jù)設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則1，如果當(dāng)有Aij∩Akl≠{?}時(shí)，則可得出在交換機(jī)Si與Sk之間存在有共享介質(zhì)，并且通過(guò)Sij端口與Skl端口進(jìn)行連接，從而推出場(chǎng)景2的拓?fù)潢P(guān)系。
共享介質(zhì)連接關(guān)系判斷規(guī)則3：當(dāng)交換機(jī)Si在滿足設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則1的情況下，根端口Sij與多個(gè)端口的指定端口信息相等時(shí)，則說(shuō)明交換機(jī)端口Sij連接有共享介質(zhì)，相等的端口同時(shí)接入共享介質(zhì)，從而推導(dǎo)出場(chǎng)景3的拓?fù)潢P(guān)系。
2.3.2 算法描述
具體算法的實(shí)現(xiàn)步驟簡(jiǎn)述如下：
1）利用SNMP協(xié)議取得交換機(jī)列表與生成樹端口表，并讀取相應(yīng)的地址轉(zhuǎn)發(fā)表信息。
2）根據(jù)設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則得到交換機(jī)的端口之間的連接關(guān)系，從而得出交換機(jī)與交換機(jī)的直連關(guān)系。
3）運(yùn)行改進(jìn)的樹型剪裁算法，得到AFT算法的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果。
4）運(yùn)行廣度優(yōu)先的組合式算法，合并STP算法和AFT算法的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果。
5）將連接關(guān)系中各端口出現(xiàn)的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果某一個(gè)端口出現(xiàn)的頻率多于一次，則該端口與共享介質(zhì)間存在連接，再取得剩余端口的地址轉(zhuǎn)發(fā)表，如果交集為非空，則兩端口間存在共享介質(zhì)。
6）根據(jù)設(shè)備連接關(guān)系判斷規(guī)則3收集步驟2）推導(dǎo)出的與交換機(jī)相連的主機(jī)的MAC地址信息。如果該端口中主機(jī)數(shù)量大于1，則該端口連有共享介質(zhì)，再根據(jù)共享介質(zhì)連接關(guān)系判斷規(guī)則對(duì)共享介質(zhì)連接關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)。
7）獲取交換機(jī)的VLAN標(biāo)識(shí)dot1qPvid，將取值相同者置于同一集合，dot1qPvid取值即為VLAN號(hào)。
8） 獲 取 索 引 值 dot1qVLANIndex、列 表dot1qVLANCurrentEgressPorts的內(nèi)容，得出每個(gè)VLAN的所有端口信息。值得注意的是，對(duì)VLAN信息進(jìn)行處理時(shí)，dot1qVLANIndex參數(shù)不能直接被讀取，可通過(guò)SNMP提 供 的GetAll List（）方 法（SNMPv1版 本 采 用getnext（）方法）得到對(duì)應(yīng)的OID與Value。然后將條目中的索引值分離出來(lái)即可得到每個(gè)VLAN所包含的交換機(jī)以及端口的信息。
9）根據(jù)獲取到的設(shè)備信息進(jìn)行判別，收集設(shè)備的OID信息。
具體的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)流程如圖1所示。
圖1 拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)流程圖
2.3.3 算法測(cè)試驗(yàn)證
基于實(shí)際情況，選用某公司的網(wǎng)絡(luò)作為測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對(duì)較復(fù)雜，可以滿足本課題研究的異構(gòu)性（滿足廠商的多樣性）。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分了上百個(gè)VLAN，且符合現(xiàn)代較為主流的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，完全可以滿足本課題對(duì)于多子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相對(duì)比較大，系統(tǒng)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)時(shí)間在3 min左右，進(jìn)一步驗(yàn)證了本組合式物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的有效性和可行性。
圖2 是對(duì)該公司的部分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試所得的結(jié)果。
圖2 實(shí)際網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果
3 結(jié) 語(yǔ)
準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)管理、安全管理、性能分析等起著非常重要的作用。本文以基于STP的算法為基礎(chǔ)，利用改進(jìn)后基于AFT的算法進(jìn)行擴(kuò)充，最后根據(jù)合并規(guī)則將兩種算法的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行有效的融合，實(shí)現(xiàn)了跨VLAN的異構(gòu)多子網(wǎng)的物理拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，避開了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議不一致，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多樣性等帶來(lái)的困難，在地址轉(zhuǎn)發(fā)表不完整的情況下能夠準(zhǔn)確、全面、高效地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)表明，算法從完整率、準(zhǔn)確率、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等指標(biāo)的綜合情況來(lái)看，有一定的優(yōu)勢(shì)，并且可以作為一種有效的算法應(yīng)用到實(shí)際的跨VLAN的異構(gòu)多子網(wǎng)環(huán)境中，具備一定的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。
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