CN110661669A

CN110661669A - 一种基于icmp、tcp、udp协议的网络设备的网络拓扑自动发现方法

Info

Publication number: CN110661669A
Application number: CN201910961321.0A
Authority: CN
Inventors: 李宏梅; 杨天国; 张磊; 杨舒舒; 殷文星; 李文杰; 段勇; 唐涛; 李艳; 张泽; 杨连杰
Original assignee: NANJING UNITED GENERAL INFORMATION; Yunnan Power Grid Co ltd Dehong Power Supply Bureau
Current assignee: Yunnan Power Grid Co ltd Dehong Power Supply Bureau
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2020-01-07
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: CN110661669B

Abstract

一种基于ICMP、TCP、UDP协议的网络设备的网络拓扑自动发现方法，其特征是先通过ICMP和UDP协议对目标网络进行探测，确认目标设备存活性，对存活设备运用tracert/traceroute（windows/linux平台）探测链路连接情况，再根据目标设备活性列表运用简单网络管理协议，ARP协议，NetBIOS协议获取基本的设备信息；最后，基于所获取的信息，运用TCP协议进行深度扫描存活设备，获取更详细指纹信息，用获取到的信息和指纹库进行比对即可确定目标设备的详细信息，综合所获取的所有信息绘制出完整的拓扑图，展示获取到的设备信息。本发明可以准确、全面、快捷地获取网络的拓扑结构和设备详细信息。

Description

一种基于ICMP、TCP、UDP协议的网络设备的网络拓扑自动发现方法

技术领域

本发明涉及一种网络通讯技术，尤其是一种电力***中带通讯功能的网络设备查找技术，具体地说是一种基于ICMP、TCP、UDP协议的网络设备的网络拓扑自动发现方法。

背景技术

电网环境中的自动化运维及调度数据***在多年之前因其网络设备较少，网络结构较为简单，所以产生数据量不是很大，数据处理起来也较为简单。但是随着电力基础设施的建设，原有的运维和调度数据***已经难以满足对当前数量庞大的电力设备的监测和维护，在此种环境之下增加网络设备就变成了最为有效的方式。网络设备的增加切实有效地解决了同时维护大量电力设备正常运行的问题，但是也因此导致了网络结构越来越复杂，使得网络变得难以管理。此问题不仅仅局限于电网环境，同时也困扰着许多公司的网络管理者，因此实现能满足当前网络管理的方法意义重大。

随着网络设备的增加，网络结构日益复杂，数据量也越来越庞大，很多公司和组织需要维护自身的网络却没有找到合适的方式，只能依靠人工采集信息，手动录入，依靠人力去完成拓扑编辑，这个过程繁琐、耗时且效率低下，一旦网络有变动又需要手动去维护，人工维护的准确率也难以保障。因此实现一种可以准确、全面、快速获取网络拓扑信息并能直观，便捷的展示和管理拓扑的方法显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的是针对现有的电力***网络设备主要依靠人工录入维护而存在工作量大，更新不及时的问题，发明一种能自动发现、更新展示网络设备的基于ICMP、TCP、UDP协议的网络设备的网络拓扑自动发现方法。

本发明的技术方案是：

一种基于ICMP、TCP、UDP协议的网络设备的网络拓扑自动发现方法，其特征是通过ICMP和UDP协议对目标网络进行探测，确认目标设备存活性，对存活设备运用tracert/traceroute（windows/linux平台）探测链路连接情况，再根据目标设备活性列表运用简单网络管理协议，ARP协议，NetBIOS协议获取基本的设备信息。基于上述步骤所获取的信息，运用TCP协议进行深度扫描存活设备，获取更详细指纹信息，用获取到的信息和指纹库进行比对即可确定目标设备的详细信息（操作***，设备类型等）。综合所获取的所有信息并绘制出完整的拓扑图，展示获取到的设备信息。具体包括以下步骤：

首先，运用ICMP的Ping命令去探测需检测网段的所有IP，记录并分别存储有回应的设备和没有回应的设备；

其次，针对没有Ping回应的IP设备可能存在禁ping的情况，运用UDP协议向目标IP发送UDP探测报文，监听UDP回应；

第三，如果UDP探测有回应则被探测设备是存活的，若无回应则说明该设备处于离线状态或不存在，同时也可能是出现了报文丢失的情况，所以在没有回应的情况下应进行UDP探测，以提高拓扑设备的发现率；

第四，运用Arp协议的arp命令获取所有在线设备的mac地址信息；

第五，运用NetBIOS协议的nbtstat/nmblookup（windows/linux平台）命令获取目标设备的设备名称和所在的工作组信息；

第六，运用socket技术对目标的指定端口进行连接并检测，探测目标端口是否开放，获取端口开放信息；

第七，通过SNMP协议获取目标设备oid，向目标设备发送SNMP请求获取设备信息，若无回应则说明该设备未开通snmp；

第八，若目标设备未开通snmp，此时需要获取设备操作***信息则需要用到TCP首部报文参数去识别目标设备的操作***类型；向目标设备发送构造好的TCP报文，根据返回报文的首部参数顺序和响应值来判断目标设备的操作***类型；

第九，根据Ping命令和UDP协议获取的存活设备。

第十，根据Ping命令获取的存活设备，使用tracert/traceroute（windows/linux平台）命令，探测通往该设备的网络路径，获取设备间的连接信息，生成网络设备连线；

最后，读取设备模型信息与设备连线信息，使用SVG技术实时展示。

所述的TCP首部报文参数包括TCP报文请求头中手动设置的参数MSS最大报文长度、WS窗口扩大因子和TS时间戳。

如果UDP探测无回应则说明网络设备处于离线状态或不存在，同时也可能是出现了报文丢失的情况，所以在没有回应的情况下应进行UDP探测，以提高拓扑设备的发现率。

上述方法可分为三个层次：

第一层次是网络设备存活性的探知，包括：

运用ICMP协议的Ping命令去逐个的Ping网络中所有的IP，探测所有设备，获取有响应的设备。

运用UDP协议发送探测报文，多次探测经ICMP协议的Ping命令探测无响应的设备，获取其中有UDP响应的设备。

根据ICMP协议和UDP协议探测得到的存活设备结果，完善设备存活列表（当前测试网络所有探测到的存活设备的集合）。

第二层次是网络设备信息的探知，包括：

运用ARP协议的arp命令、NetBIOS协议的nbtstat/nmblookup（windows/linux平台）命令获取网络设备信息（设备的mac地址，主机名，工作组信息）。

运用Snmp协议获取开通Snmp服务设备的基本信息（设备类型，操作***，运行时间，***信息描述）。

运用TCP协议的首部报文规则，向目标设备发送构造好的TCP探测报文，根据不同操作***的设备所返回的报文首部回应的顺序和数值的不同来判断目标设备的操作***信息。运用UDP协议向目标设备端口发送探测报文，探测目标设备的端口开放情况。

综合上述探测结果，完善设备信息列表（存储设备及设备对应的设备类型、操作***、设备名称等信息的集合）。

第三层次是网络拓扑结构的生成和展示，包括：

在linux和windows平台下通过不同的命令（tracert/traceroute）获取设备间的连接信息。

根据获取的连接信息，综合第一方面获取的设备存活列表和上述命令获取的设备连接信息整理生成设备模型以及设备链路连接详情如图4所示。

读取设备模型信息和设备链路连接详情，使用SVG技术根据模型和链路信息动态生成网络拓扑，并自动布局生成层次清晰链路设备完整的网络拓扑用于展示。

本发明的有益效果：

本发明可以准确、全面、快捷地获取网络的拓扑结构和设备详细信息。

附图说明

图1是本发明的设备存活性探知的方法流程示意图。

图2是本发明的设备信息探知的方法流程示意图。

图3是本发明的拓扑生成与展示的方法流程示意图。

图4是本发明的网络拓扑设备链路连接详情关键信息。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-4所示。

一种基于ICMP、TCP、UDP协议的网络设备的网络拓扑自动发现方法，它包括设备存活性探知、设备信息探知和拓扑生成与展示。

其中：

一、设备存活性探知的方法流程示意图如图1所示，它包括：

步骤101：根据要求输入网段/IP范围。

步骤102：运用ICMP协议的Ping命令对整个网段/IP范围进行检测。

步骤103：判断是否能获得Ping回应，是则执行步骤109，否则执行步骤104。

步骤104：运用UDP协议向不能获得Ping回应的目标发送UDP探测报文，第一次检测需设置探测次数k=1（UDP报文存在设备存活但无回应的情况，若一次探测没有回应可多次发送UDP探测报文以提高拓扑发现率，发送报文次数一般不超过三次）。

步骤105：监听网络回应。判断是否能获得UDP报文回应，若能获取则执行步骤110，否则执行步骤106。

步骤106：判断发送UDP报文次数是否超过三次，是则执行108，否则执行步骤107。

步骤107：设置探测次数k=k+1并执行步骤104。

步骤108：设置此目标设备为离线或者不存在。

步骤109：将能获得Ping回应的目标存储到设备存活列表，同时根据Ping的结果截取设备的丢包率和时延信息。

步骤110：整理存活设备并存储。

二、设备信息探知的方法流程示意图如图2所示，具体步骤为：

步骤201：遍历存活设备列表（设备存活性探知的方法中通过ICMP协议和UDP协议获取的存活设备集合）。

步骤202：运用ARP协议获取设备mac地址信息。实现原理：主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。在步骤102中已经对网段中的所有IP进行了ICMP探测，因此使用arp -a命令可以直接查询ARP缓存以获取存活设备的mac地址。

步骤203：判断是否已经获取到目标设备的mac地址。若已获取到则执行步骤219，否则执行步骤204。

步骤204：执行[nbtstat -A IP]（windows平台）/[nmblookup -A IP]（linux平台）,IP为目标设备IP，来获取目标设备的mac地址信息。nbtstat 和nmblookup 分别为windows和linux的本地名称表获取指令。

步骤205：运用简单网络管理协议，即Snmp。根据获取到的网络设备的oid（不同的oid代表通过snmp协议需要获取的不同信息，不同品牌的同一设备oid也可能不同），向所有存活设备发送Snmp请求。

步骤206：根据目标设备有无响应来判断目标设备是否开通Snmp。若有响应说明目标设备开通Snmp服务，则执行步骤207，否则执行步骤208。

步骤207：若ipForwarding的值为1则说明该设备具有路由转发功能，可以判断为路由器或者是交换机。若Bridge-MIB（此为交换机特有的标识）有返回值，则说明该设备为交换机，结合ipForwarding的值可区分该设备是路由器还是交换机。根据返回的mib值和标准的mib库进行比对，以此来判断目标设备的具体设备类型，运行时间，设备名称，操作***，资源使用率等信息。

步骤208：运用NetBIOS协议的nbtstat命令探测目标IP，获取目标设备的设备名称，工作组信息。运用Socket技术和目标IP的指定端口进行连接。判断是否能与目标IP的指定端口连接上，若能连接上则存储该端口到存活端口列表（存储外界可以访问到的端口的集合），否则说明该端口拒绝访问或已关闭。

步骤209：发送6个不同的可选项值TCP数据包给目标设备。

步骤210：监听并接收响应的数据包。

步骤211：判断响应数据包可选项顺序是否为MSS（最大报文长度），WS（窗口扩大因子），TS（时间戳），S（选择确认），是则继而判断响应的数据包中ST(时间戳回显应答)的值是否为(0，0)，是则判断此远程设备为windows操作***，否则判断此远程设备为mac OS操作***。如果数据包可选项顺序不是MSS，WS，TS，S则判断响应的数据包可选项顺序是否为MSS，S，TS，WS，是则判断此远程设备为linux，否则为其他操不常用操作***类型，需要将返回的数据包与标准库进行比对，确定目标设备的操作***类型。

步骤212：综合并分析所获取的设备信息。

步骤213：去除重复信息并提取关键信息（mac地址，设备名称，设备类型，操作***类型时延，丢包率，端口开放情况，工作组等）存储。

三、设备信息探知和拓扑生成与展示的方法流程示意图如图3、4所示，具体包括以下步骤：

步骤301：获取存活设备列表（通过ICMP协议和UDP协议获取的设备存活的集合）。

步骤302：根据存活设备列表生成设备模型信息包含以下参数：设备id（不重复的随机数），坐标信息（x,y对应横纵坐标轴，用随机数表示），模型的样式（不同的设备类型设置相应的样式，如路由器设置成通用的路由样式）。

步骤303：ICMP协议探测到的设备执行tracert（windows平台）/traceroute（linux平台）命令去追踪通往该目标设备的网络路径。

步骤304：根据获取追踪出来的路径信息生成设备之间的连接信息。具体生成方式：通过tracert/traceroute命令获取到的信息标有序号，对应序号后的IP地址就表示本机到目标设备通过的IP，序号则表示通过该设备的先后顺序，通过此种方式就可以分析并整理出设备之间的链路连接详情。链路连接详情的主要参数如图4所示，id表示此条数据的唯一标识不重复即可，parentId表示父设备节点，即连线开始的设备，childIp表示子设备节点，此子设备一定为连线的终点设备，同时也有可能为连线开始的设备需要结合childNum来判断，childNum为经过子设备节点的顺序，结合图4来看192.168.0.2与192.168.0.1即为父节点设备，192.168.0.1只有一个子节点设备，所以连线情况就是从192.168.0.1父节点出发连在192.168.0.201子节点上，192.168.0.2有三个子节点，根据childNum（节点经过的先后顺序，小数表示先经过，大数表示后经过，最后经过的设备只有设备结束连线而没有设备开始连线）判断经过此三个子节点的先后顺序为192.168.0.100->192.168.0.150->192.168.0.200，所以父节点为192.168.0.2设备的链路连接情况是从192.168.0.2先后经过192.168.0.100与192.168.0.150最后到192.168.0.200结束。

步骤305：ICMP协议未探测到但是通过UDP报文探测到存活的设备。

步骤306：由于目标设备禁掉了Ping或因为其他原因而无法使用ICMP协议的相关指令，则无法通过tracert/traceroute命令来获取设备间的连接信息，但是目标设备又是通过UDP探测确定存活的，对于此种情况，默认将该设备连接在与本机最近的路由设备上。

步骤307：根据步骤302，304和306获取的信息生成设备间连接的拓扑关系（设备模型信息已经由步骤302生成，设备连线则是通过综合步骤304和306获取的连接关系并根据连接关系找到连线是从哪一台设备出发到哪一台设备结束，获取出发设备的id和结束设备的id作为连线的起始地点和终止地点，并生成不重复的随机数作为连线的id）并存储。

步骤308：读取步骤302和307生成的设备模型和设备拓扑连线信息。

步骤309：生成的模型信息包含了设备的唯一标识id，设备的样式信息，设备的坐标。拓扑连线信息包含了连线的唯一标识id，连线的起始地点（连线起点所连接的设备id），连线的终点（连线终点所连接的设备id）。上述模型和连线信息为生成拓扑的最基本信息，使用SVG技术，将模型和连线动态生成网络拓扑图，可直观展示网络设备的连接关系。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种基于ICMP、TCP、UDP协议的网络设备的网络拓扑自动发现方法，其特征是先通过ICMP和UDP协议对目标网络进行探测，确认目标设备存活性，对存活设备运用tracert/traceroute（windows/linux平台）探测链路连接情况，再根据目标设备活性列表运用简单网络管理协议，ARP协议，NetBIOS协议获取基本的设备信息；最后，基于所获取的信息，运用TCP协议进行深度扫描存活设备，获取更详细指纹信息，用获取到的信息和指纹库进行比对即可确定目标设备的详细信息，综合所获取的所有信息绘制出完整的拓扑图，展示获取到的设备信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的设备信息包括操作***和设备类型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是它包括以下步骤：

第三，如果UDP探测有回应则被探测设备是存活的，若无回应则说明该设备处于离线状态或不存在，同时也可能是出现了报文丢失的情况，所以在没有回应的情况下应进行多次UDP探测，以提高拓扑设备的发现率；

第九，根据Ping命令和UDP协议获取的存活设备，生成网络设备模型。

第十，根据Ping命令获取的存活设备列表使用tracert/traceroute（windows/linux平台）命令，探测通往该设备的网络路径，获取设备间的连接信息，生成网络设备连线；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述的TCP首部报文参数包括TCP报文请求头中手动设置的参数MSS最大报文长度、WS窗口扩大因子和TS时间戳。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征是如果UDP探测无回应则说明网络设备处于离线状态或不存在，同时也可能是出现了报文丢失的情况，所以在没有回应的情况下应进行最多三次的UDP探测，以提高拓扑设备的发现率。