CN101141308A - 一种ip主干网的拓扑发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IP主干网的拓扑发现方法，属于计算机网络管理领域。所述方法包括：预设发现深度的最大值，读取种子路由器的IP地址得到路由器的所有接口地址和子网掩码；根据接口地址和子网掩码计算与所述路由器相连的子网地址；根据计算出的子网地址推断对应子网的IP地址；选取推断出的IP地址对应的设备为路由器的IP地址，进行相应的自适应智能判断和分析；保存已发现的路由器IP地址的连接关系；将发现深度加1，判断发现深度是否大于等于最大值，如果是，结束；否则，将已经发现的IP地址对应的路由器放入待发现队列。本发明通过逐步从待发现路由器向***拓展，能够自适应、高准确度、高效率地发现各类IP主干网的拓扑连接关系。

Description

一种IP主干网的拓扑发现方法

技术领域

本发明涉及计算机网络管理领域，特别涉及一种IP主干网的拓扑发现方法。

背景技术

互联网络已经成为当代信息社会的重要基础设施，随着互联网络技术的不断进步，网络行为和体系结构呈现出快速变化、高度复杂、难以管理的趋势。网络规模不断扩大、复杂性持续增加、网络的异构性日趋提高、异构网络操作***、多元化的网络通信设备、多种多样的网络服务软件和水平相差甚大的使用者与潜在的攻击者使得目前的网络环境相当复杂。同时，层出不穷的应用也使得用户对网络性能的要求越来越高。网络管理成为网络***正常运行的关键。加强对网络的管理，建立和维护可信、可靠、安全、稳定的网络环境变得异常重要。网络管理已成为网络***运行好坏的关键。

按照OSI(Open System Interconnection，开放***互联)的定义，网络管理主要包括五个功能：故障管理、配置管理、性能管理、安全管理和计费管理。其中，配置管理是基础，它的主要功能包括发现网络的拓扑结构、监视和管理网络设备的配置情况，而监视和管理网络设备的基础是已知网络的拓扑结构，所以，网络拓扑发现才是网络管理的基础。网络拓扑发现的主要目的是获取和维护网络节点的存在性信息和它们之间的连接关系信息，并在此基础上绘制出整个网络拓扑图。网络管理人员通过拓扑结构信息还能对网络故障进行定位，发现网络瓶颈，从而优化整个网络。

在网络管理的最初阶段，网络拓扑和组成是在设计网络时就已经确定，进行网络配置和故障定位等都是人工输入并依赖于管理人员的经验判断。随着网络技术的迅速发展，网络规模越来越大，结构也越来越复杂，而其功能也越来越强。网络的实时监测和控制需要一种有效的工具，以利于管理人员及时地了解网络的结构和网络设备的运作情况，同时进行管理信息的获取、定位故障等管理操作。网络拓扑发现和拓扑生成作为配置管理的核心与故障管理的基础，在整个网络管理***的开发中占有重要的地位。

高效快速发现网络设备及其拓扑结构，建立有效的网络拓扑模型，对于网络管理是十分重要的。网络管理***中网络拓扑发现的功能是用于发现网络的设备和拓扑结构，网络中的所有元素，同时还兼有信息搜集功能，例如，搜集所发现的***的标识ID、描述等。作为网络管理***功能开发的基础，网络拓扑发现的目的是提供网络运行视图，提供网络管理中的配置管理、故障管理。网络拓扑发现对配置管理乃至整个网络管理都是十分必要的。

目前常用的网络拓扑发现方法有：基于SNMP(Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议)的网络拓扑发现方法，基于ICMP(Internet Control Message Protocol，互联网控制消息协议)的网络拓扑发现方法和基于DNS(Domain Name System，域名***)、ARP(Address Resolution Protocol，地址解析协议)、RIP(Routing Information Protocol，路由选择信息协议)、OSPF(Open Shortest Path First，开放式最短路径优先)等网络拓扑发现方法。

开展拓扑发现算法的研究很多，但多数算法由于采用路由转发表的方式或者基于ICMP的ping命令或者traceroute命令进行拓扑发现，这类拓扑发现算法在网络规模较大时速度会非常慢。在研究领域得出的算法真正应用到实际中的算法很少。常用的拓扑发现是利用路由转发表中的下一跳信息来进行路由器和子网的拓扑发现，由于一个路由器转发表中的转发条目非常庞大，遍历路由转发表非常耗时，同时路由转发表中存在大量的重复地址，造成工作效率非常低。

发明内容

为了简化网络拓扑发现方法，本发明提供了一种IP主干网的拓扑发现方法。所述技术方案如下：

一种IP主干网的拓扑发现方法，通过预先设置发现深度的最大值，并执行以下步骤：

步骤A：读取待发现路由器的IP地址得到所述路由器的所有接口地址和子网掩码；

步骤B：根据所述路由器的接口地址和子网掩码计算与所述路由器相连的子网地址；

步骤C：根据计算出的子网地址推断对应子网的IP地址；

步骤D：选取推断出的IP地址，通过简单网络管理协议、边界网关协议判断设备的类型，取得连接的具有路由功能的设备IP地址；

步骤E：保存取出的IP地址和所述路由器的IP地址的连接关系；

步骤F：将发现深度加1，判断所述发现深度是否大于等于所述发现深度的最大值，如果是，结束；否则，将所述取出IP地址对应的路由器放入待发现队列，返回步骤A。

所述步骤D具体包括：

步骤D1：根据所述子网地址判断推断出的IP地址是否为所述路由器自身接口对应的IP地址，如果是，执行步骤D2；否则，执行步骤D3；

步骤D2：保存所述路由器自身接口对应的IP地址，然后执行所述步骤E；

步骤D3：判断推断出的IP地址对应的设备是否为路由器，如果是路由器，执行所述步骤E，否则，丢弃该IP地址。

所述步骤D具体包括：

通过简单网络管理协议中的对象识别符、边界网关协议推断出的IP地址对应的设备是否为具有路由功能的设备，如果是，选取该IP地址；否则，丢弃该IP地址。

当所述路由器启动边界网关协议时，所述步骤D具体包括：

通过管理信息库中的信息从推断出的IP地址中选取出与所述路由器直接相连的路由器的IP地址。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供的方法是基于启发式和贪心法的思想，通过智能推测、自治验证逐步从待发现路由器向***拓展，具有IP地址的自动推理和查找范围的自我调整能力，因而具有一定的自适应性，减少了现有技术提供的方法所需要的时间和空间开销，能够自适应、准确、高效地发现各类IP主干网络的拓扑连接关系，并在***的持续运行中对IP网络的拓扑结构进行实时的监控。解决了传统的基于路由器的路由转发表的拓扑发现方法的耗时、低效的缺点，达到了预期的发明目标。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的IP主干网的拓扑发现方法流程图；

图2是本发明实施例1提供的网络地址推断示意图；

图3是本发明实施例1提供的网络拓扑发现的网络连接图；

图4是本发明实施例1提供的网络拓扑发现的网络连接示意图；

图5是本发明实施例2提供的BGP的端点连接示意图；

图6是本发明实施例2提供的IP主干网的拓扑发现方法流程图；

图7是本发明实施例提供的真实网络环境CERNET2的拓扑示意图；

图8是本发明实施例提供的采用本发明的方法得出的CERNET2的实际拓扑示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图1，本发明实施例提供了一种IP主干网的拓扑发现方法，该方法步骤包括：

步骤101：读出待发现路由器的IP地址。

其中，待发现路由器又可以称为种子路由器。

步骤102：设置待发现路由器的发现深度的最大值M。

其中，发现深度最大值M可以根据需要设置为任一正整数。

进一步地，可以设置待发现路由器的访问权限Community，其中，由于地理位置上广域分布的路由器分属于不同的行政组织，因此其Community可能会不同，本发明实施例要解决的是在特定范围内进行交换层拓扑发现的问题，该Community应该是一个可以确定的值，因此，设定若干个Community，通过遍历测试确定某个路由器的Community。

步骤103：将待发现路由器放入待发现队列。

步骤104：通过待发现路由器的IP地址，读出待发现路由器的接口地址和子网掩码。

其中，由于路由器具有多个接口地址，使用路由器的Loopback地址，再采用所有接口中数值最大的接口作为多接口路由器的接口地址标识。

参见图2，本发明实施例提供了网络地址推断示意图。图2中，通过路由器A、B均可以发现路由器C，但却是通过C的两个不同的接口C1和C2完成发现过程的，要将C1和C2两个接口合并标识为同一路由器，因此，首先使用路由器C的Loopback地址，再将其接口C1和C2中数值大的接口C2作为该路由器C的接口地址，即路由器C的标识。

步骤105：计算待发现路由器的子网地址。

其中，通过路由器的各个接口地址和对应的子网掩码求出子网地址，子网地址的个数应该大于1。

步骤106：根据子网地址，猜测子网可能的IP地址。

其中，通过路由器的各个接口地址和对应的子网掩码求出子网地址，通过子网地址采用启发式和贪心算法的思想，猜测推断出该子网中的可能的IP地址。

形式为：

子网1：若干个可能IP地址；

子网2：若干个可能IP地址；

具体方法为：

参见图3，本发明实施例提供了一种网络拓扑发现的网络连接图，图中路由器A，路由器B，路由器C，路由器D以及路由器E分别对应着各自的以太网a，b，c，d，e。

参见图4，本发明实施例提供了一种网络拓扑发现的网络连接示意图，图中R1、R2、R3为路由器，每个路由器可能带若干个子网，路由器之间相互连接，但直接相连的两台路由器之间客观上也形成了只有两个IP地址的子网，例如，路由器R1和路由器R2直接相连，构成子网1，该子网1存在两个IP地址，这两个IP地址分别对应于路由器R1和路由器R2。假设以路由器R1作为种子IP地址开始拓扑发现，可以从路由器R1的MIB(ManagementInformation Base，管理信息库)中取出每个路由器的接口地址和子网掩码，计算出各个子网的子网地址。假设从MIB中取出的路由器的接口地址集合为：

IP_SET＝{X|X_i∈路由器的接口地址}；

从MIB中取出的子网掩码地址集合为：

Mask_SET＝{Y|Y_i∈路由器的子网掩码}；

由于一个接口地址对应一个子网掩码，而且接口地址与其对应的子网掩码两者逻辑相与可以得到网络号。所以，X_i∈IP_SET可以唯一确定一个Y_i∈Mas_SET，即

令：Z＝X_i&Y_i，则有Z_i可以构成一个新的集合，为子网地址的集合，设该集合为Sub_Net。

根据IP地址的规定，可以从子网掩码推测可能的IP地址。例如，设某一接口地址为210.25.129.17，子网掩码为255.255.255.252的接口，相应的子网地址为210.25.129.16。子网掩码对应的二进制形式为1111111.11111111.11111111.11111100，则可能的IP地址由网络号+掩码为0部分的可能值组成，而掩码为0部分的可能值只有四种情况：00，11，10，01。而非子网掩码中的非零部分全零和全1在网络中有特殊的用途，所以所在的子网的可能的IP地址为210.25.129.17和210.25.129.18。而接口本身的地址为210.25.129.17。所以接口地址为210.25.129.17、子网掩码为255.255.255.252的子网可能的IP地址只能为210.25.129.18。而常见的子网掩码地址最后三位为252、248、240、224、192、128，上述子网的可能的IP地址数目为1～253。

一般情况下，两个路由器直接相连接的情况下，子网掩码的范围可以确定为255.255.255.252，但由于各种原因，例如，如果为252未能发现路由器，本发明实施例提供的方法具有一定的自适应性，设备配置时将其配置为248或240。

综上，得出计算可能IP地址的方法：

(1)X_i∈IP_SET可以唯一确定一个Y_i∈Mask_SET，

(2)将两者相与，即Z_i＝X_i&Y_i；

(3)根据子网掩码得到非0部分的可能值与Z_i相加。就可以得到一个可能IP地址的集合，设该集合为Gusee_IP_Set。

多个子网IP地址对应多个下一跳IP地址。因为直接相连的路由器一定在同一个子网内，因此取得的地址一定包含着下一跳路由器的接口地址。

步骤107：判断根据子网地址取得的IP地址是否为自身路由器的一个接口；如果是，则执行步骤108；否则，执行步骤109。

步骤108：保存该路由器自身接口对应的所有可能IP地址，然后执行步骤111。

其中，可以将求出的所有可能IP地址存入临时IP地址链结构。

步骤109：判断该取出的IP地址对应的设备是否是路由器，如果是，则执行步骤111；否则执行步骤110。

其中，根据子网地址，首先要使用SNMP协议中的相应OID(Object Identifier，对象识别符)判断猜测的可能的IP地址的设备类型，从而发现下一跳路由设备。判断方法是首先取得ipForwarding，如果为1，则说明可能是路由器，再通过访问sysServices变量确定网络设备的类型。

步骤110：丢弃该IP地址。

步骤111：保存发现的IP地址和待发现路由器的IP地址之间的连接关系。

其中，可以将该连接关系存入链结构。

步骤112：发现深度加1。

通常，默认待发现路由器的发现深度的初始值为零。

步骤113：判断是否大于等于发现深度的最大值，如果是，则该待发现路由器的发现过程结束；否则，返回执行步骤103。

实施例2

由于在特定的情况下，网络可能会启动BGP(Border Gateway Protocol，边界网关协议)，由于该协议的本身的特点，和该协议进行通信的设备必然是路由器。如果路由器启动了BGP协议，则通过该协议取得和路由器直接交互的端到端的结点信息。通过该信息，可以直接确定设备的类型和连接关系。参见图5，本发明实施例提供了BGP的端点连接示意图，如果种子地址是自治域AS1的Speaker，则可以直接取得和其相连的自治域AS2和AS3的Speaker。

参见图6，本发明实施例提供了一种IP主干网的拓扑发现方法，该方法与实施例1类似，简要叙述其步骤，包括：

步骤201：读出待发现路由器的IP地址。

步骤202：设置待发现路由器的发现深度的最大值M。

步骤203：将待发现路由器放入待发现队列。

步骤204：通过待发现路由器的IP地址，读出待发现路由器的接口地址和子网掩码。

步骤205：计算待发现路由器的子网地址。

步骤206：根据子网地址，猜测子网中可能的IP地址。

步骤207：从MIB中的BGP部分取出最近活动IP地址。

其中，从MIB中的对象标识号为1.3.6.1.2.1.15.3.1.7(bgpPeerRemoteAddr)中取出最近活动的路由器，可以将取出的最近活动IP地址存入链结构。

步骤208：比较子网中可能的IP地址和MIB中取出的最近活动IP地址，选出重合的IP地址。

步骤209：判断选出的IP地址是否为自身路由器的一个接口；如果是，则执行步骤210；否则，执行步骤211。

步骤210：保存该路由器自身接口对应的所有可能IP地址。

其中，可以将求出的所有可能IP地址存入临时IP地址链结构。

步骤211：保存发现的IP地址和待发现路由器的IP地址之间的连接关系。

其中，可以将该连接关系存入链结构。

步骤212：发现深度加1。

通常，默认待发现路由器的发现深度的初始值为零。

步骤213：判断是否大于等于发现深度的最大值，如果是，则该待发现路由器的发现过程结束；否则，返回执行步骤203。

本发明实施例可以通过计算机软件编程语言法实现，然后将其装配成Web Service服务。通过服务发布的内容如下：

1)已经发现的路由器名称的集合；

2)已经发现的路由器名称、接口地址、子网掩码和网络号的集合；

3)拓扑连接关系序偶的集合。

参见图7，本发明实施例提供了真实网络环境CERNET2下的拓扑图，网络拓扑结构为：以位于北京的路由器为例，该路由器连接着分别位于天津，沈阳，北邮，北大，郑州，以及武汉的路由器，其他的连接关系类似。

针对图7提供的网络环境，采用本发明的拓扑发现方法得出的CERNET2的实际拓扑示意图如图8所示，以位于北京的路由器为种子路由器，若设置其发现深度最大值为2，则通过本发明实施例，可以发现到发现深度为1的位于天津边的路由器，位于沈阳边的路由器，位于北京邮电大学的路由器，位于北京大学的路由器，位于郑州的路由器以及位于武汉的路由器，以发现了发现深度为1的位于天津的路由器为例，进一步进行深度发现时，可以发现到位于天津的路由器，满足了发现深度的最大值2，其他网络拓扑支路进一步的深度发现与此类似，不再赘述。

本发明实施例分别在中国教育科研网(CERNET)和下一代教育科研网(CERNET2)上验证，方法高效、智能且准确，达到了预期发明目标。

本发明提供的方法是基于启发式和贪心法的思想，通过智能推测、验证逐步从待发现路由器向***拓展，具有IP地址的自动推理和查找范围的自我调整能力，因而具有一定的自适应性，减少了现有技术提供的方法所需要的时间和空间开销，能够自动、准确、高效地发现各类IP地址主干网络的拓扑连接关系，并在***的持续运行中对IP网络的拓扑结构进行实时的监控。解决了传统的基于路由器的路由转发表的拓扑发现方法的耗时、低效的缺点，达到了预期的发明目标。

由于本发明实施例中大部分为线性结构的查找操作，还有一部分是和网络设备进行通信，还包括简单数学的或逻辑运算。线性结构的查找操作的时间复杂度为O(n)，而本发明实施例规模n的取值非常小，取值在三位数以下。因此，基本可以看出运行时间主要消耗在网络通讯上，所以，本发明实施例的时间效率是非常高的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种IP主干网的拓扑发现方法，其特征在于，通过预先设置发现深度的最大值，并执行以下步骤：

步骤A：读取待发现路由器的IP地址得到所述路由器的所有接口地址和子网掩码；

步骤B：根据所述路由器的接口地址和子网掩码计算与所述路由器相连的子网地址；

步骤C：根据计算出的子网地址推断对应子网的IP地址；

步骤D：选取推断出的IP地址，通过简单网络管理协议、边界网关协议判断设备的类型，取得连接的具有路由功能的设备IP地址；

步骤E：保存取出的IP地址和所述路由器的IP地址的连接关系；

步骤F：将发现深度加1，判断所述发现深度是否大于等于所述发现深度的最大值，如果是，结束；否则，将所述取出IP地址对应的路由器放入待发现队列，返回步骤A。

2.如权利要求1所述的IP主干网的拓扑发现方法，所述步骤D具体包括：

步骤D1：根据所述子网地址判断推断出的IP地址是否为所述路由器自身接口对应的IP地址，如果是，执行步骤D2；否则，执行步骤D3；

步骤D2：保存所述路由器自身接口对应的IP地址，然后执行所述步骤E；

步骤D3：判断推断出的IP地址对应的设备是否为路由器，如果是路由器，执行所述步骤E，否则，丢弃该IP地址。

3.如权利要求1所述的IP主干网的拓扑发现方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

通过简单网络管理协议中的对象识别符、边界网关协议推断出的IP地址对应的设备是否为具有路由功能的设备，如果是，选取该IP地址；否则，丢弃该IP地址。

4.如权利要求1所述的IP主干网的拓扑发现方法，其特征在于，当所述路由器启动边界网关协议时，所述步骤D具体包括：

通过管理信息库中的信息从推断出的IP地址中选取出与所述路由器直接相连的路由器的IP地址。

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