CN111865684A - 局域网网络拓扑自动发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局域网网络拓扑自动发现方法，包括收集局域网内所有网络设备的地址；建立局域网内部的网络设备‑端口IP地址‑端口MAC地址对应的层级关系池；记录每台设备的路由路径列表；对路由路径列表进行聚类分析得到类内从属关系数据信息；得到通往不同类别的路径；建立三层网状拓扑图；建立物理地址缓存；获取所有类内二层接入设备到达其他设备MAC前10位的接口信息并记录二层设备接口转发信息；绘制二层树形拓扑图；根据三层网状拓扑图和二层树形拓扑图完成当前局域网网络拓扑图的发现。本发明方法针对大型企业级局域网的具体情况，实现了基于TCP/IP协议的信息网络拓扑图的自动发现，可靠性高，实用性好，适用范围广。

Description

局域网网络拓扑自动发现方法

技术领域

本发明属于计算机技术领域，具体涉及一种局域网网络拓扑自动发现方法。

背景技术

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，计算机网络已经广泛应用于人们的生产和生活之中，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。

当前网络拓扑发现的技术主要分软件和硬件两方面，软件的技术方法则是基于网络流量分析，通过探测网络报文的头部信息所包含字段和跳数等信息进行终端节点的关系拓扑定位。其次是基于设备品牌的私有协议进行网络拓扑自动发现(如思科的CDP协议和H3C的NDP协议等)，其只局限于同品牌设备间的关系定位。硬件方法则是基于通信光路的光控制器，控制器向所有的光线路终端发送请求，从而获取光线路终端的路由信息。

基于软件的方法对于信息网络三层链路的拓扑发现有非常广泛的应用市场，通过分析IP网络层报文，即可分析出基于路由协议的三层信息网络互联情况。但对于二层链路而言，该方法则需要通过Flouring的方式对以某个三层节点为核心的下游所有交换机进行高频的网络可达探测，该方法无疑对网络整体的运行造成了负担，尤其对于关乎安全生产企业局域网(比如电力***局域网)的工作造成了极大时间延误。同时，由于网络二层数据链路层协议，只能根据头部协议的头部信息分析出某个终端归属于那个三层设备的某个物理接口，对于下游网路多层结构，无法完全而正确的发现其真实的物理拓扑。

基于硬件的方法则受限于物理线路的光传输方式，对于依赖不同光资源的信息网络环境，其兼容性无法得到完全保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠性高、实用性好且适用范围广的局域网网络拓扑自动发现方法。

本发明提供的这种局域网网络拓扑自动发现方法，包括如下步骤：

S1.收集局域网内所有网络设备的IP地址；

S2.获取局域网内所有网络设备的MAC地址、虚拟端口IP地址、物理端口IP地址和MAC地址；

S3.根据步骤S2获取的地址数据，建立局域网内部的网络设备-端口IP地址-端口MAC地址对应的层级关系池；

S4.根据步骤S3得到的局域网内部的网络设备-端口IP地址-端口MAC地址对应的层级关系池，对每一台局域网终端中的每台设备进行路由追踪定位，操作方法即是选定一台固定的网络设备终端，进入配置模式即可输入traceroute(路由追踪命令)device_ip(设备IP地址)(如命令：traceroute 10.233.143.214)，并记录每台设备的路由路径列表；

S5.针对步骤S4得到的每台设备的路由路径列表进行聚类分析，从而得到类内从属关系数据信息；

S6.根据步骤S5的聚类分析结果，得到通往不同类别的路径；所述路径为该类内三层交换机的路由路径；

S7.根据步骤S6得到的路径数据信息，建立三层网状拓扑图；

S8.根据步骤S5得到的聚类分析结果，对所有类内二层设备在自动绘制拓扑前，使用ping命令建立物理地址缓存；

S9.根据步骤S8建立的物理地址缓存数据，针对网络设备的设备MAC地址和接口MAC地址之间的关系，获取所有类内二层接入设备到达其他设备MAC前10位的接口信息，并记录二层设备接口转发信息；

S10.根据步骤S9得到的数据信息，利用自底向上生成树算法绘制二层树形拓扑图；

S11.根据步骤S7得到的三层网状拓扑图和步骤S10得到的二层树形拓扑图，完成当前局域网网络拓扑图的发现。

所述的局域网网络拓扑自动发现方法，还包括如下步骤：

S12.采用BS架构和SVG+DOM的交互式网页开发技术，将步骤S11得到的当前局域网网络拓扑图进行分层实现；

S13.根据步骤S12得到数据信息，采用JAVASCRIPT+AJAX技术实现局域网内设备的数据交互式查询和操作。

步骤S1所述的收集局域网内所有网络设备的IP地址，具体为搭建Linux+SSH+AAA远程信息获取平台，收集局域网内所有网络设备的IP地址；所述的网络设备包括三层交换机、路由器和二层交换机。

步骤S2所述的获取局域网内所有网络设备的MAC地址、虚拟端口IP地址、物理端口IP地址和MAC地址，具体为在搭建的Linux+SSH+AAA远程信息获取平台上编写脚本，从而批量获取局域网内所有网络设备的MAC地址、虚拟端口IP地址、物理端口IP地址和MAC地址。

步骤S5所述的聚类分析，具体的原理为：同属于一个三层网络设备的二层交换机，其路由追踪路径与其对应的三层设备追踪路径的交集等于该三层设备的路径。

步骤S5所述的类内从属关系数据信息，具体为每个类均由一台三层交换机和N台二层交换机组成；同时将所有二层交换机添加汇聚三层父节点标识，以表明该二层交换机所属的具体类别。

步骤S6所述的根据步骤S5的聚类分析结果，得到通往不同类别的路径；所述路径为该类内三层交换机的路由路径，具体为根据步骤S5的聚类分析结果，得到通往不同类别的路径，该路径为该类内三层交换机的路由路径；同时每个路径列表内的跳转地址为各三层汇聚交换机的接口IP；再根据步骤S3得到的层级关系池找到对应的设备关系。

步骤S7所述的根据步骤S6得到的路径数据信息，建立三层网状拓扑图，具体为根据步骤S6得到的路径数据信息，建立三层网状拓扑图：对于每一条路由路径，router_ip(n)对应device_i，router_ip(n+1)对应device_j，则device_i-device_j即为一条链路；同时，加入三层链路图中，每次加入一条链路时，先查询是否device_i-device_j或者device_j-device_i的链路已经存在：若不存在，则加入链路；若存在，则略过该条链路。

步骤S10所述的根据步骤S9得到的数据信息，利用自底向上生成树算法绘制二层树形拓扑图，具体为采用如下步骤绘制二层树形拓扑图：

初始集合＝{二层节点1,二层节点2,...,二层节点N}

结束标志为：父节点集合＝{三层汇聚父节点}

A.遍历初始集合，找寻叶子节点：

对于每个二层节点，以二层节点为起始端，查找除去Null外所有端口均相等的二层节点，并标记为叶子节点，同时设置为层数为层1；

B.对于每个叶子节点，除该叶子节点和Null节点外所有其他二层节点为该叶子节点的父节点，并以该父节点为新的一个集合，递归执行步骤A，且每找到一个父节点则层级在原基础上加1；

C.对于生成的每一棵子数，计算深度，并按照深度从大到小排序，并将每一层节点的层级层数重新表示为：其所在树深度-原层级，从而得到每个二层节点其相对于树根的真正层级，最终建立节点之间的直接关系；

D.合并子树：自顶相下，从深度最大的树开始绘制；对于子数间有重复节点的情况，则将重复节点合并在深度最大的那一棵树上。

本发明提供的这种局域网网络拓扑自动发现方法，针对大型企业级局域网的具体情况，实现了基于TCP/IP协议的信息网络拓扑图的自动发现，不仅可靠性高，实用性好，而且适用范围广。

附图说明

图1为本发明方法的方法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种局域网网络拓扑自动发现方法，包括如下步骤：

S1.收集局域网内所有网络设备的IP地址；具体为搭建Linux+SSH+AAA远程信息获取平台，收集局域网内所有网络设备的IP地址；所述的网络设备包括三层交换机、路由器和二层交换机；

S2.获取局域网内所有网络设备的MAC地址、虚拟端口IP地址、物理端口IP地址和MAC地址；具体为在搭建的Linux+SSH+AAA远程信息获取平台上编写脚本，从而批量获取局域网内所有网络设备的MAC地址、虚拟端口IP地址、物理端口IP地址和MAC地址；

S3.根据步骤S2获取的地址数据，建立局域网内部的网络设备-端口IP地址-端口MAC地址对应的层级关系池；

S4.根据步骤S3得到的局域网内部的网络设备-端口IP地址-端口MAC地址对应的层级关系池，对每一台局域网终端中的每台设备进行路由追踪定位，操作方法即是选定一台固定的网络设备终端，进入配置模式即可输入traceroute(路由追踪命令)device_ip(设备IP地址)(如命令：traceroute 10.233.143.214)，并记录每台设备的路由路径列表；

S5.针对步骤S4得到的每台设备的路由路径列表进行聚类分析，从而得到类内从属关系数据信息；

其中聚类分析的具体原理为：同属于一个三层网络设备的二层交换机，其路由追踪路径与其对应的三层设备追踪路径的交集等于该三层设备的路径；

同时，类内从属关系数据信息具体为每个类均由一台三层交换机和N台二层交换机组成；同时将所有二层交换机添加汇聚三层父节点标识，以表明该二层交换机所属的具体类别；

S6.根据步骤S5的聚类分析结果，得到通往不同类别的路径；所述路径为该类内三层交换机的路由路径；具体为根据步骤S5的聚类分析结果，得到通往不同类别的路径，该路径为该类内三层交换机的路由路径；同时每个路径列表内的跳转地址为各三层汇聚交换机的接口IP；再根据步骤S3得到的层级关系池找到对应的设备关系；

S7.根据步骤S6得到的路径数据信息，建立三层网状拓扑图；具体为根据步骤S6得到的路径数据信息，建立三层网状拓扑图：对于每一条路由路径，router_ip(n)对应device_i，router_ip(n+1)对应device_j，则device_i-device_j即为一条链路；同时，加入三层链路图中，每次加入一条链路时，先查询是否device_i-device_j或者device_j-device_i的链路已经存在：若不存在，则加入链路；若存在，则略过该条链路；

S8.根据步骤S5得到的聚类分析结果，对所有类内二层设备在自动绘制拓扑前，使用ping命令建立物理地址缓存；

S9.根据步骤S8建立的物理地址缓存数据，针对网络设备的设备MAC地址和接口MAC地址之间的关系，获取所有类内二层接入设备到达其他设备MAC前10位的接口信息，并记录二层设备接口转发信息；

其中，可以将二层设备接口转发信息记录成以下表格：

表1二层设备接口转发信息记录示意表

其中，表格的每一行表示以该节点为起始节点至列的这个方向链路，起始节点其对应的起始端口号；

S10.根据步骤S9得到的数据信息，利用自底向上生成树算法绘制二层树形拓扑图；具体为采用如下步骤绘制二层树形拓扑图：

初始集合＝{二层节点1,二层节点2,...,二层节点N}

结束标志为：父节点集合＝{三层汇聚父节点}

A.遍历初始集合，找寻叶子节点：

对于每个二层节点，以二层节点为起始端，查找除去Null外所有端口均相等的二层节点，并标记为叶子节点，同时设置为层数为层1；

以表1为例，二层节点2和二层节点3均为叶子节点；

B.对于每个叶子节点，除该叶子节点和Null节点外所有其他二层节点为该叶子节点的父节点，并以该父节点为新的一个集合，递归执行步骤A，且每找到一个父节点则层级在原基础上加1；

以表1为例：二层节点3的父节点集合{三层汇聚父节点，二层节点1，二层节点4}，经过递归执行步骤A得到该集合对应的叶子节点即为二层节点1，其层级为2，即作为二层节点3的直接父节点，对应新一轮父节点集合为{三层汇聚父节点，二层节点4}，该集合通过继续执行步骤A得到叶子节点为二层节点4，其层级为3，即作为二层节点1的直接父节点，对应的最后一轮父节点即为{三层汇聚父节点}，递归调用终止，该三层汇聚父节点层级即为二层节点4的直接父节点，层级为4；

C.对于生成的每一棵子数，计算深度，并按照深度从大到小排序，并将每一层节点的层级层数重新表示为：其所在树深度-原层级，从而得到每个二层节点其相对于树根的真正层级，最终建立节点之间的直接关系；

D.合并子树：自顶相下，从深度最大的树开始绘制；对于子数间有重复节点的情况，则将重复节点合并在深度最大的那一棵树上；

S11.根据步骤S7得到的三层网状拓扑图和步骤S10得到的二层树形拓扑图，完成当前局域网网络拓扑图的发现；

S12.采用BS架构和SVG+DOM的交互式网页开发技术，将步骤S11得到的当前局域网网络拓扑图进行分层实现；

具体实施时，为了可视化显示拓扑结构，且针对局域网设备多的情况(原则上大于100台)，即通过利用采用BS架构和SVG+DOM的交互式网页开发技术，分层实现；利用SVG建立两层图层，第一层绘制三层网状拓扑，通过点击某个三层设备，则绘制第二层，即基于该汇聚设备的二层树形拓扑图；

S13.根据步骤S12得到数据信息，采用JAVASCRIPT+AJAX技术实现局域网内设备的数据交互式查询和操作。

本发明方法可以应用于电力***局域网，工厂局域网等局域网网络。

Claims (9)

1.一种局域网网络拓扑自动发现方法，包括如下步骤：

S1.收集局域网内所有网络设备的IP地址；

S2.获取局域网内所有网络设备的MAC地址、虚拟端口IP地址、物理端口IP地址和MAC地址；

S3.根据步骤S2获取的地址数据，建立局域网内部的网络设备-端口IP地址-端口MAC地址对应的层级关系池；

S4.根据步骤S3得到的局域网内部的网络设备-端口IP地址-端口MAC地址对应的层级关系池，对每一台局域网终端中的每台设备进行路由追踪定位，并记录每台设备的路由路径列表；

S5.针对步骤S4得到的每台设备的路由路径列表进行聚类分析，从而得到类内从属关系数据信息；

S6.根据步骤S5的聚类分析结果，得到通往不同类别的路径；所述路径为该类内三层交换机的路由路径；

S7.根据步骤S6得到的路径数据信息，建立三层网状拓扑图；

S8.根据步骤S5得到的聚类分析结果，对所有类内二层设备在自动绘制拓扑前，使用ping命令建立物理地址缓存；

S9.根据步骤S8建立的物理地址缓存数据，针对网络设备的设备MAC地址和接口MAC地址之间的关系，获取所有类内二层接入设备到达其他设备MAC前10位的接口信息，并记录二层设备接口转发信息；

S10.根据步骤S9得到的数据信息，利用自底向上生成树算法绘制二层树形拓扑图；

S11.根据步骤S7得到的三层网状拓扑图和步骤S10得到的二层树形拓扑图，完成当前局域网网络拓扑图的发现。

2.根据权利要求1所述的局域网网络拓扑自动发现方法，其特征在于还包括如下步骤：

S12.采用BS架构和SVG+DOM的交互式网页开发技术，将步骤S11得到的当前局域网网络拓扑图进行分层实现；

S13.根据步骤S12得到数据信息，采用JAVASCRIPT+AJAX技术实现局域网内设备的数据交互式查询和操作。

3.根据权利要求1或2所述的局域网网络拓扑自动发现方法，其特征在于步骤S1所述的收集局域网内所有网络设备的IP地址，具体为搭建Linux+SSH+AAA远程信息获取平台，收集局域网内所有网络设备的IP地址；所述的网络设备包括三层交换机、路由器和二层交换机。

4.根据权利要求3所述的局域网网络拓扑自动发现方法，其特征在于步骤S2所述的获取局域网内所有网络设备的MAC地址、虚拟端口IP地址、物理端口IP地址和MAC地址，具体为在搭建的Linux+SSH+AAA远程信息获取平台上编写脚本，从而批量获取局域网内所有网络设备的MAC地址、虚拟端口IP地址、物理端口IP地址和MAC地址。

5.根据权利要求4所述的局域网网络拓扑自动发现方法，其特征在于步骤S5所述的聚类分析，具体的原理为：同属于一个三层网络设备的二层交换机，其路由追踪路径与其对应的三层设备追踪路径的交集等于该三层设备的路径。

6.根据权利要求5所述的局域网网络拓扑自动发现方法，其特征在于步骤S5所述的类内从属关系数据信息，具体为每个类均由一台三层交换机和N台二层交换机组成；同时将所有二层交换机添加汇聚三层父节点标识，以表明该二层交换机所属的具体类别。

7.根据权利要求6所述的局域网网络拓扑自动发现方法，其特征在于步骤S6所述的根据步骤S5的聚类分析结果，得到通往不同类别的路径；所述路径为该类内三层交换机的路由路径，具体为根据步骤S5的聚类分析结果，得到通往不同类别的路径，该路径为该类内三层交换机的路由路径；同时每个路径列表内的跳转地址为各三层汇聚交换机的接口IP；再根据步骤S3得到的层级关系池找到对应的设备关系。

8.根据权利要求7所述的局域网网络拓扑自动发现方法，其特征在于步骤S7所述的根据步骤S6得到的路径数据信息，建立三层网状拓扑图，具体为根据步骤S6得到的路径数据信息，建立三层网状拓扑图：对于每一条路由路径，router_ip(n)对应device_i，router_ip(n+1)对应device_j，则device_i-device_j即为一条链路；同时，加入三层链路图中，每次加入一条链路时，先查询是否device_i-device_j或者device_j-device_i的链路已经存在：若不存在，则加入链路；若存在，则略过该条链路。

9.根据权利要求8所述的局域网网络拓扑自动发现方法，其特征在于步骤S10所述的根据步骤S9得到的数据信息，利用自底向上生成树算法绘制二层树形拓扑图，具体为采用如下步骤绘制二层树形拓扑图：

初始集合＝{二层节点1,二层节点2,...,二层节点N}

结束标志为：父节点集合＝{三层汇聚父节点}

A.遍历初始集合，找寻叶子节点：

对于每个二层节点，以二层节点为起始端，查找除去Null外所有端口均相等的二层节点，并标记为叶子节点，同时设置为层数为层1；

B.对于每个叶子节点，除该叶子节点和Null节点外所有其他二层节点为该叶子节点的父节点，并以该父节点为新的一个集合，递归执行步骤A，且每找到一个父节点则层级在原基础上加1；

C.对于生成的每一棵子数，计算深度，并按照深度从大到小排序，并将每一层节点的层级层数重新表示为：其所在树深度-原层级，从而得到每个二层节点其相对于树根的真正层级，最终建立节点之间的直接关系；

D.合并子树：自顶相下，从深度最大的树开始绘制；对于子数间有重复节点的情况，则将重复节点合并在深度最大的那一棵树上。

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