交换式局域网物理拓扑发现系统的研究与设计

交换式局域网物理拓扑发现系统的研究与设计作者：崔婧昱董小国来源：《现代电子技术》2008年第18期摘要：物理拓扑发现对于网络管理及性能分析具有重要的作用。

给出生成树协议与地址转发表相结合的到主机的物理拓扑发现算法。

并针对大部分网络设备是CISCO产品的网络，提出运用CDP协议和子网内ping技术相结合的开发方法。

此方法既提高开发效率又增强了拓扑发现的完整性，为进一步的网络管理提供详细的可视化物理拓扑结构。

关键词：物理拓扑发现；生成树协议；地址转发表；CDP中图分类号：TP393 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1809703Research and Design of Physical Topology Discovery System in Switched LANCUI Jingyu,DONG Xiaoguo(College of Information Science and Technology,Beijing University of Chemical Technology,Beijing,100029,China)Abstract：Physical topology discovery for network management and performance analysis has an important role to play.This paper proposes hostlevel algorithm combining Spanning Tree Protocol(STP) and Address Forwarding Table(AFT).For the environment mainly networked by CISCO equipments,this paper introduces a development method combining CDP and subnet ping technology.This method not only improves the efficiency of development but also enhances the integrity of topology discovery,for further network management provides detailed visual physical topology.Keywords：physical topology discovery;spanning tree protocol;address forwarding table;CDP1 引言为了提高局域网的性能，以交换机互联和集群技术为支撑的交换式局域网\已经成为当前局域网互连技术的主流，物理拓扑结构也已成为局域网拓扑发现结构的骨干，其目标是建立网络内各种设备之间的物理连接关系，从而为快速、高效的网络管理提供基础。

对物理拓扑发现而言，虽然IETF于2000年推出物理拓扑MIB(Management Information Base)\，试图解决网络层以下拓扑结构的发现问题，但是由于没有确定获取这些MIB对象的机制，因此有待更多的研究。

目前最常用是利用地址转发表和生成树协议(Spanning Tree Protocol)的方法来获取物理拓扑信息，另外很多厂商开发了基于数据链路层的邻居发现协议，如CISCO的CDP(Cisco Discovery Protocol)协议等，在特定设备环境下可以快速高效地进行物理拓扑发现系统的开发。

本文结合地址转发表和生成树协议的特点，给出以生成树协议为主，地址转发表为辅的到主机层次的局域网物理拓扑发现算法。

并根据自身局域网的特点，选取CDP协议，运用SNMP++软件包，借助Visual C++ 6.0开发工具，进行主干网物理拓扑发现系统的快速开发，并结合子网内ping技术，达到主机层次的拓扑发现，为进一步的网络管理提供了详细的可视化物理拓扑结构。

2 物理拓扑发现算法的研究2.1 生成树协议与地址转发表相结合的算法目前对于物理拓扑发现最常用的办法是读取地址转发表信息，通过分析，找出端口与MAC地址的映射。

有冗余连接的网络则使用生成树协议(Spanning Tree Protocol)，使所有位于生成树叶节点位置的交换机仅含有单个网段的端口信息，而它的上一级交换机，则会包含下连交换机的所有MAC信息，配合根端口、根网桥MAC地址等，获得拓扑所需要的信息。

结合地址转发表和生成树协议的特点，下面分别给出了交换机与交换机之间，交换机与路由器之间以及交换机与主机之间的连接关系的确立。

2.1.1 交换机与交换机的连接关系SNMP BRIDGE MIBⅡ\提供实现生成树协议所需的交换机的MIB变量。

算法主要涉及到的MIB变量见表1。

算法的描述如下：(1) 深度优先遍历管理域中所有设备，读取MIB变量sysServices及ipForwarding，若sysServices=2^(2-1)=2并且ipForwarding=2，则判断该设备为交换机，将其加入交换机集合中；(2) 广度优先遍历交换机集合中的每一台交换机，读取MIB变量dotldStpDesignatedRoot （指定根网桥），将值相同的归于同一类，由生成树协议可知，它们处于同一交换域。

然后在每一个交换域里，找出各交换机之间的关系；(3) 遍历交换域中每一台交换机，读取变量dotldStpRootPort的值，得到其根端口号；(4) 读取dotldStpPortDesignatedBridge的值查找根端口对应的指定网桥；(5) 读取变量dotldStpPortDesignatedPort的值，查找与根端口对应的指定端口，从而得到交换机与交换机的连接关系。

2.1.2 交换机与路由器的连接关系(1) 在深度优先遍历管理域中所有设备读取sysServices时，若sysServices=2^(3-1)=4，则判断该设备为路由器，将其加入路由器集合中；(2) 读取路由器ifPhysAddress，获得所有路由器MAC地址；(3) 读取所有交换机端口地址转发表dotldTpFdbAddress；(4) 根据路由器R与交换机的端口直接连接的充要条件是是直连端口，且的地址转发表中包含路由器R的MAC地址，判断交换机和路由器的连接关系。

2.1.3 交换机与主机之间的连接关系(1) 在深度优先遍历管理域中所有设备读取sysServices时，若sysServices=2^(4-1)+2 ^(7- 1)=72，则判断该设备为主机，将其加入主机集合中；(2) 读取交换机dotldTpFdbAddress中关于各端口的地址转发表，经交换机进行数据帧转发和过滤得到端口接入设备物理地址表；(3) 读取交换机的ipNetMediaTable表中保存所有该设备转发数据包的MAC地址；(4) 从上述2表可以导出端口接入设备信息表。

该表包括端口号、IP地址和物理地址，从而得到交换机与主机之间的连接关系。

2.2 基于CDP的算法研究本文基于网络中大部分设备为CISCO设备的特点，运用CDP协议(Cisco Discovery Protocol)进行拓扑发现，它的特点是发现和本设备直接连接的网络设备,并保存相关设备的一些基本信息。

CISCOCDPMIB文件中定义了被管理对象，包含所有可以从命令行得到的关于CDP的信息。

在这个MIB文件中，定义了一个表，表示设备的CDP邻居所有信息。

运行期间，表的每一个行实例表示一台邻居设备。

下面列出几个关键的被管理对象，见表2。

网络中的每一条物理连接，两端的设备保存有2条独立的CDP条目。

而确定一个物理连接，只要一条信息就够了。

约定：任意一个节点，只保存它的父节点的连接信息，不保存它的子节点的连接信息，扫描过程如图1。

3 拓扑发现系统的设计因为本局域网中大部分网络设备是CISCO产品，利用CDP协议，运用SNMP++软件包，借助Visual C++ 6.0开发工具，进行主干网物理拓扑发现系统的快速开发。

根据系统实现的功能，将整个系统分为5个部分：界面、拓扑信息的采集、拓扑信息的处理、拓扑图形的绘制以及图形修正。

3.1 拓扑信息的采集本模块首先实现一个新类MySnmp,利用它完成大部分SNMP操作，其中SNMP++的VC++实现流程如图2所示，同时定义几个主要的数组与函数，它们的名称与功能如下：CStringArray Oid;//保存OID的数组CStringArray Value;//保存值的数组CString err;//定义错误字符串CString GetOid(int index);//获得指定索引处的OID的字符串CString GetValue(int index);//获得指定索引处的值的字符串Void clear();//清除数组3.2 拓扑信息的处理该模块为算法的主要实现模块，其中有一个重要的节点结构体：struct NodeData{CString ip;//节点的IP地址；CString sysDescr;//节点描述；bool link;//表示节点是否已有连接关系；int level;//表示节点在网络拓扑中所处的层次；int position;//表示节点相对于其他兄弟节点的位置；int type;//表示节点的类型，交换机或者路由器；CMyImage *pImage;//指向图形控件的指针，用于可视化显示；};每条CDP条目处理后分配一个NodeData结构类型变量，在Tree Control中增加一个表示该设备的节点，节点data属性指向NodeData结构类型变量，同时在数组中保存该节点的句柄。

在和新增加节点关联的NodeData结构类型变量中,将本次被扫描设备作为一个邻居设备，保存到它的物理连接信息，这样，每次新增加的节点保存到它父节点的连接信息，而父节点中不保存到子节点的连接信息，这样便获得各个节点的连接关系，为后面的图形化显示提供依据。

3.3 拓扑图形的绘制拓扑图形不仅能够静态显示，而且允许设备的移动，因此在头文件中需要定义几个主要变量：bool move;//控制是否移动的逻辑变量；int init_x,init_y;//保存原始坐标位置，设备移动时使用；CPoint Pos;//坐标位置信息，绘制连接线时使用；CString ip;//表示网络设备的IP地址；HTREEITEM HSelf;//表示设备在生成树中节点的句柄；同时定义OnPaint( )函数，在设备图标被拖动、显示窗体被移动后，重新绘制各个图形控件之间的连接线，以保持正确的图形。