CN100499489C - 由资源受限设备构成的网络的管理方法 - Google Patents

Abstract

一种由资源受限设备构成的网络的管理方法，包括步骤：a)确定所述网络是树形拓扑；b)在所述网络中，设备之间通过链路层协议报文交互来进行网络拓扑发现，以搜集网络拓扑信息，构造网络拓扑数据信息；以及c)基于所述网络拓扑数据信息，选择指定设备，通过链路层协议报文交互管理信息，来进行配置管理。该方法原理简单，开销极小，额外改动较少，***代价低，远程管理功能获得了有效提高。

Description

由资源受限设备构成的网络的管理方法

技术领域

本发明涉及网络管理方法，具体地，涉及一种对由资源受限设备构成的网络进行管理的网络管理方法。

背景技术

随着技术发展，数据通信设备在通讯运营、工业控制、家庭消费等领域的应用越来越广泛，并提出一些特殊需求。其中很重要的一个需求是：如何为资源受限设备构成的网络提供简单实用、成本低廉的设备管理方法。尤其在，用户驻地网、智能网络家电以及基于网络的分布式控制***中，该需求尤为迫切。例如，用户驻地网中楼道交换机，分布式控制***中智能传感器以及智能家居中智能家电，都需要通过网络进行集中管理，但是相关设备却都具有硬件资源严重受限的特点。由于大量采用低性能CPU或单片机，受硬件资源限制，传统网络管理方法难以应用。

目前针对局域网络设备的管理方式主要有四种方式：控制台、简单网络管理协议(SNMP)、基于TELNET的字符界面和基于Web的图形管理界面。

图1为控制台方式。该种方式将控制台主机(101)通过串口电缆(102)直接连接网络设备(103)的管理串口，通过串口电缆直接传输基于字符的控制命令，并返回基于字符的结果信息，从而完成配置管理。该种方法优点在于简单实用，***要求低；缺点是串口电缆无法远距传输，工作人员只能亲临现场，无法进行远程管理。

图2为简单网络管理协议(SNMP)。该协议中SNMP Manager(201)和网络设备内嵌的SNMP Agent(204)通过Internet云(202)进行SNMP报文(203)传输来完成管理信息交互。SNMP报文(203)包含Set、Get、Get—Next和Trap等多种报文类型，SNMP Agent和SNMPManager各自构造、解析并执行相关配置、查询、报告等功能。SNMP协议基于IP(Internet Protocol)协议，因此设备必须配置IP地址。优点在于遵循IETF RFC标准，便于使用统一网管平台，可以远程管理；缺点为，设备必须支持SNMP协议，软件复杂。

除此之外，还有基于TELNET的字符管理界面。该字符管理界面，包含主机侧TELNET Client和网络设备侧TELNET Server，二者通过Internet云进行TELNET报文传输来完成字符交互。一般TELNET和控制台结合完成远程管理。设备需要支持基于IP协议的TELNET协议，协议复杂，设备需要配置IP地址。

与SNMP、TELNET管理方式相比，基于WEB的图形管理界面人机交互更为友好。但是，网络设备必须内嵌Web服务器，必须支持基于IP协议的HTTP协议，实现复杂，需要配置IP地址。

对于由资源受限设备构成的网络，要求“低成本有效实现设备远程管理”。而现有四种网络管理方式对此需求均存在局限性。

控制台方式，简单、有效、成本低廉，但不能实现有效远程网络管理。

简单网络管理协议、基于TELNET的字符界面和基于Web的图形管理界面三种方法均基于TCP/IP(Transfer Control Protocol/Internet Protocol)协议栈，功能强大，却大大增加设备成本。目前IP地址稀缺，而基于TCP/IP协议栈的管理方式却要求为每个网络节点分配IP地址。实际网络部署中，此三种方法难以有效应用，更不能降低设备成本。图3描述了简单网络管理协议、基于TELNET的字符界面和基于Web的图形管理界面相关协议的网络分层示意图。如图所示，支持这三种方案，除应用层相关协议外，还必须实现传输层、网络层及链路层相关协议。

此外，这四种方式都不能监控网络拓扑变化，实时绘制网络拓扑。实际应用中需要二次开发，这一点将进一步增加设备成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种由资源受限设备构成的网络的管理方法。该方法能够以较低的成本，实现网络任意位置的远程设备管理。本发明方法尤其适于由资源受限设备构成的网络。

为实现上述目的，一种由资源受限设备构成的网络的管理方法，包括步骤：

a)确定所述网络是树形拓扑；

b)在所述网络中，设备之间在数据链路层交互拓扑查询及应答报文，以搜集网络拓扑信息，构造网络拓扑数据信息；以及

c)基于所述网络拓扑数据信息，选择指定设备，在数据链路层交互管理命令及管理应答报文，来进行配置管理。

将步骤b)和步骤c)的机制分别称为“源路径回溯”和“虚拟管理通路”，采用这两种机制实现网络任意位置的远程设备管理，解决了在资源受限设备构成的网络中低成本有效实现设备远程管理这一实际问题。“源路径回溯”算法进行拓扑发现，可以绘制全网拓扑树，并且非管理节点设备只转发协议报文，无需维护信息表。“虚拟管理通路”通过重定向机制直接建立管理节点到被管理节点控制台之间通讯，在管理节点键入的管理命令被中继到被管理节点控制台，被管理节点控制台输出中继返回管理节点控制台。原理简单，开销极小。“虚拟管理通路”机制，使得本地控制台管理才能进行的工作，如“基于Xmodem的远程***软件升级”，能够以远程方式进行。除“虚拟管理通路”实现外，不需要任何额外改动，***代价低，远程管理功能获得有效提高。如此功能包括：命令行、Xmodem/Zmodem文件传输、基于Xmodem的远程***软件升级、全网远程热启动、基于脚本的复杂***配置等。由于在“虚拟管理通路”机制中，管理数据报文传输路径中，中继设备只需转发，不需要解析报文，因此可以基于高级语言(JAVA等)开发网络管理软件NMS(Network Management System)，而NMS和网络设备节点之间按照“虚拟管理通路”机制通讯。因此，网络管理软件中配置管理命令可以基于字符脚本文件进行实现。

附图说明

图1示出了传统的控制台网络管理方式的示意图。

图2示出了传统的SNMP网络管理方式的示意图。

图3示出了简单网络管理协议、基于TELNET的字符界面和基于Web的图形管理界面相关协议的网络分层示意图。

图4示出了一种包含闭环的网络拓扑的示例。

图5示出了一种树形网络拓扑的示例。

图6示出了以图5所示拓扑为例进行拓扑发现的流程图。

图7示出了根据图6所示方法获得的拓扑信息来利用“虚拟管理通路”进行配置管理的流程图。

图8示出了应用本发明方法的用户驻地网的示例。

图9示出了应用本发明方法的智能家电网络的示例。

具体实施方式

现在参考附图，对本发明的实施例进行说明。

“资源受限设备构成的网络”的拓扑结构可能为任意网状拓扑结构，如图4所示，该网络拓扑种含有闭环(401，402)。然而，在大多数情况下，“资源受限设备构成的网络”已为树状拓扑，如图5所示。如果“资源受限设备构成的网络”拓扑中含有闭环，可以采用如“生成树”(IEEE802.1d)等的公知方法形成无闭环的树状拓扑。

本发明在设备间只通过链路层协议报文交互来进行拓扑发现和配置管理。其中“源路径回溯”用于发现拓扑，而“虚拟管理通路”用于配置管理。两者的相关查询、应答报文均为链路层报文。如果物理链路为以太网，则链路层报文标志为以太网链路帧目的MAC域填充指定多播MAC地址，如0x0180cccccc。如果物理链路为并行口或者串行口，也应适当定义帧格式，如此类推。该指定多播MAC地址或者帧格式应被“资源受限设备构成的网络”内所有设备知晓。

下面以图5和图6作为示例来对本发明的方法进行详细说明。实际网络拓扑和节点布置并不局限于示例所示。

图5示出了“单根生成树”拓扑结构网络示例。在本示例中，包含六台设备A—F。图6示出了以图5所示拓扑为例实现根据本发明的”源路径回溯”的流程图。

601管理节点周期性(周期长度可变)通过所有端口发送拓扑查询报文，查询第一跳邻接节点。报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝广播(查询)，跳数＝1。

602第1跳邻接节点应答，应答报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝B，跳数＝1。

603第1跳邻接节点应答，报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝C，跳数＝1。

604管理节点得到跳数＝1时网络拓扑结构数据库。

605管理节点向跳数＝1时网络拓扑中所有设备分别发送拓扑查询报文，报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝B，下一节点＝广播(查询)，跳数＝2。

606管理节点向跳数＝1时网络拓扑中所有设备分别发送拓扑查询报文，报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝C，下一节点＝广播(查询)，跳数＝2。

607中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至除接收报文外所有端口。报文内容不变。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝B，下一节点＝广播(查询)，跳数＝2。

608中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至除接收报文外所有端口。报文内容不变。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝C，下一节点＝广播(查询)，跳数＝2。

609第2跳邻接节点应答，报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数。中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至查询报文接收端口。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝B，下一节点＝D，跳数＝2。

610第2跳邻接节点应答，报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数。中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至查询报文接收端口。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝B，下一节点＝E，跳数＝2。

611第2跳邻接节点应答，报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数。中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至查询报文接收端口。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝C，下一节点＝F，跳数＝2。

612管理节点得到跳数＝2时网络拓扑结构数据库。

613类推，管理节点向跳数＝2时网络拓扑中所有设备分别发送拓扑查询报文。中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至除接收报文外所有端口。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝B，下一节点＝D，下一节点＝广播(查询)，跳数＝3。

614类推，管理节点向跳数＝2时网络拓扑中所有设备分别发送拓扑查询报文。中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至除接收报文外所有端口。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝B，下一节点＝E，下一节点＝广播(查询)，跳数＝3。

615类推，管理节点向跳数＝2时网络拓扑中所有设备分别发送拓扑查询报文。中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至除接收报文外所有端口。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝C，下一节点＝F，下一节点＝广播(查询)，跳数＝3。

616第2跳邻接节点应答，无下一节点，报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数。中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至查询报文接收端口。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝B，下一节点＝D，跳数＝2。

617第2跳邻接节点应答，无下一节点，报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数。中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至查询报文接收端口。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝B，下一节点＝E，跳数＝2。

618第2跳邻接节点应答，无下一节点，报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数。中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至查询报文接收端口。在本示例中：管理节点＝A，下一节点＝C，下一节点＝F，跳数＝2。

619管理节点得到最大跳数＝2信息，网络拓扑结构数据库构造完毕，停止发送拓扑查询报文。

在上述步骤中，由资源受限设备构成的网络中任一设备均可以作为管理节点，发起查询，实时地获得网络拓扑结构。该拓扑结构可以按照图、表等形式显示。

报文内容中的“下一节点”项应该是能够唯一标识网络中特定节点的标识符，节点标识符可以是MAC地址，或产品编号等。当查询跳数是M时，M是大于等于1的正整数，将处于层次M的所有节点称作M跳节点，由于第M跳的设备未知，查询报文中的路径信息中可以包括第1到第M—1跳的信息，也可以用约定的特殊标识符来代替第M跳的节点标识符，如0x0，但该特殊标识符必须被“资源受限设备构成的网络”内所有设备知晓，这两种方式实质上是相同的。

中继节点通过公知方法得到查询报文接收端口号、下一节点所在端口号，例如硬件转发表、软件缓存信息表等。

此外，被查询节点可以在查询应答报文中承载相邻节点的节点标识符。据此信息，管理节点可以在树状拓扑的基础上进一步优化，得到实际网络拓扑。

图7示出了根据图6所示方法获得的拓扑信息来利用“虚拟管理通路”进行配置管理的流程图。

701管理节点配置被管理节点E。查询网络拓扑结构数据库，根据拓扑路径构造管理命令报文。报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数，管理命令。

702中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至下一节点。依次类推，逐跳转发。报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数，管理命令。

703被管理节点收到管理命令报文，读出命令字符串，传递给控制台模块直接执行。得到执行结果。将执行结果字符串流封装后发送管理应答报文。报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数，命令执行结果。

704中继节点按照报文内容中下一节点信息进行报文转发，将报文转发至下一节点。依次类推，逐跳转发。管理节点收到报文后，读出字符串，直接显示在本地控制台上。报文内容包括：管理节点，下一节点(可含多项)，跳数，命令执行结果。

同样，在上述步骤中，在“资源受限设备构成的网络”中任一设备均可以作为管理节点，通过指定路径，向指定节点，发送配置管理命令。配置结果将通过指定路径，反向回溯至管理节点的控制台显示，由此实现了远程配置管理。管理命令和命令执行结果可以基于字符串进行设计。

如上所述，本发明的网络设备管理方法不依赖网络层及网络层以上协议，设备可以不实现网络层及网络层以上协议，上述用于拓扑查询、拓扑应答、管理命令或管理应答的报文均为链路层协议报文，设备间仅通过链路层协议报文交互就可实现上述功能，可以通过报文的类型字段来定义报文类型。由中继节点执行转发，不需要维护状态机、数据库等。由此，降低软件复杂度，减少硬件资源要求，有效降低设备成本。

管理节点可以开发基于本发明的网络管理软件。该软件通过”源路径回溯”发现并显示拓扑结构。通过“虚拟管理通路”实现配置管理。网络管理软件中每一个GUI配置动作，对应一个或多个基于字符的控制台命令。因此，网络管理软件升级，不需要修改网络设备内嵌软件模块。

本发明可以应用于任意类型“资源受限设备构成的网络”中。下面将参考图8和图9，对本发明方法的具体应用进行说明，其中图8和图9分别示出了应用本发明方法的用户驻地网和智能家电网络的示例。

用户驻地网由汇聚交换机(804)、楼道交换机(808)、以太网络(807)构成。根据本发明，需要楼道交换机和汇聚交换机均支持本发明，如此控制台(801)可以直接通过和汇聚交换机(804)的串口电缆连接，直接针对任意一台楼道交换机(808)、汇聚交换机(804)，进行控制台配置管理。如果控制台(801)能够接入Internet，且支持Telnet或基于Web及本发明的设备管理程序等，则控制台(806)可以通过远程网管，查看网络拓扑及配置管理任意一台楼道交换机(808)、汇聚交换机(804)。楼道交换机(808)、汇聚交换机(804)不需支持TCP/IP等高层协议。

智能家电网络由智能家电(901)、家用电脑(902)、家庭网络(905)构成。根据本发明，需要智能家电(901)、家用电脑(902)均支持本发明，由此家用电脑(902)可以直接通过本地控制台或者基于本发明方法的图形管理程序，针对任意一台智能家电(901)，进行配置管理。如果家用电脑(902)能够接入Internet，且支持Telnet或基于Web及本发明的设备管理程序等，则外部主机(904)可以通过远程网管，查看网络拓扑及配置管理任意一台智能家电(901)。智能家电(901)不需支持TCP/IP等高层协议。

Claims (6)

1.一种由资源受限设备构成的网络的管理方法，包括步骤：

a)确定所述网络是树形拓扑；

b)在所述网络中，设备之间在数据链路层交互拓扑查询及应答报文，以搜集网络拓扑信息，构造网络拓扑数据信息；以及

c)基于所述网络拓扑数据信息，选择指定设备，在数据链路层交互管理命令及管理应答报文，来进行配置管理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述拓扑查询及应答报文和管理命令及管理应答报文包括以下内容：

查询跳数M，其中M是大于等于1的正整数、管理节点标识符、源路径第1到第M跳节点标识符；

报文类型标志位，包括类型：拓扑查询、拓扑应答、管理命令或管理应答；

数据载荷长度和数据载荷。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述网络中使用能够被网络内所有设备知晓的节点标识符来唯一地标识一台设备。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述节点标识符是MAC地址、产品编号或约定的其他标识符。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步骤b)包括以下步骤：

管理节点周期性发起拓扑查询；

将所述管理节点作为树形拓扑的根，树的深度是N，按照树的层次，

从1开始递增进行分别对应于第1到第N跳节点的拓扑查询；

对于层次M的查询，1≤M≤N，管理节点构造针对M跳节点的、报文类型标志位是拓扑查询的链路层协议报文，该报文包括从管理节点到达各个节点路径的已知路径信息，管理节点根据所述路径信息选择发送端口，非管理节点收到报文后，进行判断：

如果所述非管理节点不是M跳节点，则当其不是第M—1跳时，将报文转发至下一跳，

当其是第M—1跳时，将查询报文发送至除查询报文接收端口之外的所有端口，如果没有应答，则构造报文类型是拓扑应答的链路层协议报文，回答管理节点，

如果所述非管理节点是M跳节点时，则构造拓扑应答报文，回答管理节点。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤c)包括以下步骤：

管理节点根据利用步骤b)获得的网络拓扑数据，得到到达被管理节点的路径信息，构造标志位是“管理命令”的链路层协议报文，并根据路径信息发送所述报文，报文内容包括到达被管理节点的路径信息，报文数据载荷域承载管理节点发送往被管理节点的管理命令；

收到报文的节点根据报文中的路径信息进行判断：

如果其不是报文中指定的被管理节点，则将报文转发给报文中指定的下一节点，

如果其是报文中指定的被管理节点，则所述被管理节点解析报文数据载荷，执行所述管理命令，并根据执行结果构造标志位是“管理应答”的链路层协议报文进行应答，报文内容包括到达管理节点路径等信息，报文数据载荷域承载发送往管理节点的被管理节点管理命令执行结果。

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