大規(guī)模IP網絡中基于SNMP的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)方法分析

　　摘要:網絡拓撲發(fā)現(xiàn)是網絡工程的一個重要的研究子分支,是實現(xiàn)網絡管理的基礎性環(huán)節(jié)。由于大規(guī)模IP網絡本身所具有的大規(guī)模性、動態(tài)性、異構性等特點,使得面向大規(guī)模IP網絡的拓撲發(fā)現(xiàn)成為一項非常具有挑戰(zhàn)性的課題。為了提高IP網絡拓撲發(fā)現(xiàn)的效率和真實性,人們發(fā)明了多種多樣的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)方法。本文介紹網絡拓撲發(fā)現(xiàn)的分類,重點探討了基于SNMP的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)技術。
　　關鍵詞:大規(guī)模IP網絡;拓撲發(fā)現(xiàn);SNMP
　　
　　一、網絡拓撲發(fā)現(xiàn)概述
　　
　　(一)網絡拓撲發(fā)現(xiàn)的概念
　　網絡拓撲是指網絡元素及其之間的連接關系。這里所講的網絡元素,既可以是路由器,也可以是交換機、網橋等,還可以是客戶端、服務器,甚至是子網、AS等。這里所講的網絡,既可以指局域網,也可以是互聯(lián)網,也可以是互聯(lián)網的一部分。而網絡拓撲發(fā)現(xiàn),就是指發(fā)現(xiàn)并確定網絡元素及其之間的連接關系。
　　
　　(二)互聯(lián)網的拓撲結構抽象
　　網絡技術發(fā)展到今天,除非為某種特殊應用而專門設計的局部網絡,以太網( Ethemet)已經成為事實上通用的網絡組網方式,TCP/IP協(xié)議簇已經成為事實上的網絡通訊協(xié)議標準。從概念上說,互聯(lián)網可以看作是一個個小的局域網絡通過互聯(lián)(互連)而成的。但一方面,組成互聯(lián)網基礎的各個局域網絡的拓撲結構本身可能很不相同,另一方面,各個局域網絡的之間的互聯(lián)(互連)關系也千差萬別。因此,互聯(lián)網的拓撲結構不可能用局域網三種基本的網絡拓撲結構進行抽象。
　　
　　二、網絡拓撲發(fā)現(xiàn)的分類
　　
　　(一)按照網絡拓撲發(fā)現(xiàn)的對象進行分類
　　按照對象的不同對網絡拓撲發(fā)現(xiàn)進行分類,可分為面向域內的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)和跨域的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)。
　　面向域內的拓撲發(fā)現(xiàn),是指面向同一AS或者同一ISP、甚至更小規(guī)模的局部網絡的拓撲發(fā)現(xiàn)技術。跨域的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)則是指面向不同AS(或ISP)網絡的拓撲發(fā)現(xiàn)技術。二者的不同主要在于,面向域內的拓撲發(fā)現(xiàn)網絡管理員一般具有對網絡元素的管理和控制權,而跨域的拓撲發(fā)現(xiàn)網絡管理員一般無法對域外的網絡元素進行管理和控制。由于探測的對象不同,因此所適用的網絡發(fā)現(xiàn)方法以及網絡拓撲發(fā)現(xiàn)的目的等均有很大的不同。由于網絡管理員不能對網絡元素進行管理和控制,因此在一般情況下,跨域的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)比域內的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)困難得多。
　　
　　(二)按照網絡拓撲發(fā)現(xiàn)的方法進行分類
　　按照發(fā)現(xiàn)方法對網絡拓撲發(fā)現(xiàn)進行分類,可分為主動式網絡拓撲發(fā)現(xiàn)和被動式網絡拓撲發(fā)現(xiàn)。
　　所謂主動式的網絡拓撲發(fā)現(xiàn),是指將一組精心設計的數(shù)據(jù)報注入被探測的網絡,通過對網絡反饋信息進行分析,得到網絡的拓撲連接情況。例如,各種基于Traceroute的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)方法,就是典型的主動式網絡拓撲發(fā)現(xiàn)�；�于SNMP的網絡拓撲發(fā)現(xiàn),從原理上也應該歸類為主動式的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)方法。由于主動式網絡拓撲發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)探測需要,由探測發(fā)起者對探測數(shù)據(jù)報進行專門設計,因此適用情形較廣,可以探測網絡范圍可以很大,并且可通過提高注入數(shù)據(jù)包的科學性和合理性,不斷提高網絡拓撲探測的準確度。主動式網絡拓撲探測的缺點主要是探測數(shù)據(jù)報將增大網絡的負荷。在大規(guī)模多點探測中,甚至有可能導致網絡性能的嚴重降低。在極端的情況下,由于注入數(shù)據(jù)報嚴重改變了網絡負荷,甚至使探測到的網絡拓撲與實際情況不相符。
　　而被動式的網絡拓撲發(fā)現(xiàn),則是指對網絡元素間的數(shù)據(jù)進行偵聽,通過對偵聽得到的數(shù)據(jù)進行分析,進而得出網絡的拓撲連接情況。例如,通過偵聽路由器間的OSPF交換數(shù)據(jù)包來探測網絡拓撲的方法,就是一種被動式的拓撲發(fā)現(xiàn)方法。被動式的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)方法不向網絡注入數(shù)據(jù)包,因此對網絡負荷的影響較小。但由于被偵聽的只是局部網絡,因此往往通過分析也只能得到局部網絡的拓撲情況。另外,偵聽得到的數(shù)據(jù)可能存在很多不真實的數(shù)據(jù),如不能對數(shù)據(jù)進行有效的分析處理,有可能得到不真實的網絡拓撲圖。
　　
　　(三)按照網絡拓撲發(fā)現(xiàn)的粒度分類
　　根據(jù)粒度的不同,網絡網拓撲發(fā)現(xiàn)大致可以分為粗粒度、中間粒度、細粒度三個級別。
　　粗粒度是一般指AS級別的拓撲發(fā)現(xiàn)。在粗粒度的拓撲圖中,節(jié)點代表一個域,而邊則代表域間的連接。中間粒度是指集群(路由器集簇)間的拓撲發(fā)現(xiàn)。在中間粒度的拓撲圖中,節(jié)點代表單路由器或主機的特定集群,邊則代表路由器或集群主機之間的連接。細粒度是指路由器級的拓撲發(fā)現(xiàn)。在細粒度的拓撲圖中,節(jié)點代表路由器(子網或主機),邊代表路由器的連結。目前,面向Internet的拓撲發(fā)現(xiàn)的研究主要集中在AS級和路由器級兩個方面。

　　三、基于SNMP的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)分析
　　
　　(一)SNMP協(xié)議簡介
　　SNMP C Simple Network Management Protocol)即簡單網絡管理協(xié)議,目前有SNMPvI、SNMPv2兩個版本。SNMPvl于1990年開始發(fā)布,其規(guī)范文為RFC1157等。SNMPv2于1993年開始發(fā)布,RFC1441對SNMPv2進行了系統(tǒng)地介紹。目前,最新版本SNMPv3的規(guī)范文本為RFC2571。SNMP采用“管理者一代理”的模式,實現(xiàn)對網絡設備的監(jiān)視和控制。采用“輪詢”與“陷阱”兩種方式,實現(xiàn)管理進程與代理進程之間的信息交互,共定義了基本的5種報文:get-request操作:從代理進程處提取一個或多個參數(shù)值;get-next-request操作;從代理進程處提取一個或多個參數(shù)的下一個參數(shù)值;set-request操作:設置代理進程的一個或多個參數(shù)值;get-response操作:返回的一個或多個參數(shù)值。這個操作是由代理進程發(fā)出的。它是前面3種操作的響應操作;trap操作:代理進程主動發(fā)出的報文,通知管理進程有某些事情發(fā)生。
　　SNMP是一個應用層協(xié)議,盡管可以在傳輸層采用各種各樣的協(xié)議,但是在SNMP中,用得最多的傳輸層協(xié)議還是UDP。另外,為了實現(xiàn)對網絡的管理,SNMP又對其它兩個必需的部分進行了定義。一個是管理信息庫MIB(Management Information Base),管理信息庫包含所有代理進程的所有可被查詢和修改的參數(shù)。RFC1213定義了第二版的MIB,叫做MIB-II。另外一部分是關于MIB的一套公用的結構和表示符號,叫做管理信息結構SIB( Structure of Management Information),由RFC1155定義。
　　
　　(二)基于SNMP的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)的基本原理
　　所有的網絡設備維護一個MIB(管理信息庫),保存該設備上與網絡運行相關的全部信息,并對管理工作站的SMMP查詢進行響應。管理工作站通過發(fā)送請求信息,查詢儲存于網絡路由設備中的管理信息庫MIB中的相關信息,從中解析出網絡拓撲相關的信息,就可以構畫出整個網絡的拓撲結構。從原理上看,基于SNMP的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)類似于圖的廣度優(yōu)先搜索。
　　MIB中的路由表ipRouteTable定義了該設備的路由信息,其中與拓撲發(fā)現(xiàn)相關的表項有:ipRouteDest、ipRouteMask、ipRoutelf Index, ipRouteNextHop、ipRouteType等。ipRouteDest記錄以該設備為起點可以到達的目的地址范圍,ipRouteMask記錄的是目的網絡的子網掩碼,ipRouteIf Index記錄ipRouteDest所對應的接口索引號,ipRouteNextHop記錄本接口所對應的下一跳網關地址或者直連子網的網關地址,ipRoute升pe記錄ipRouteNextHop所表示的地址與該設備的連接關系。
　　
　　(三)基于SNMP的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)的優(yōu)缺點及適用范圍
　　基于srrnrn的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點是發(fā)現(xiàn)過程和算法簡單,目標明確,發(fā)現(xiàn)效率高,系統(tǒng)和網絡開銷小。由于入nB的信息可以自動隨著網絡的狀況更新,這樣通過srrNrn獲取的拓撲信息就總是反映網絡最新的狀況。另外,此方法除了可以實現(xiàn)網絡層拓撲探測外,經過對入心B數(shù)據(jù)進行精心分析,還可以實現(xiàn)對鏈路層的拓撲發(fā)現(xiàn)�；�于SNMP的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)的主要缺點是方法受到路由設備訪問權限的限制。隨著網絡安全問題越來越受的人們的重視,因此采用此方法開展跨管理域的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)變得越來越困難。另外,除了標準的MIB信息外,有的廠家為自己的設備開發(fā)了專門的MIB,如果在拓撲自動發(fā)現(xiàn)程序中使用了這些MIB,其處理上就需要隨廠家的不同而作特殊的處理。
　　
　　參考文獻
　　[1] 熊英,基于TCP/IP的網絡拓撲發(fā)現(xiàn)方法的研究.湖北工業(yè)大學學報.2005
　　[2] 宰家斌,大規(guī)模網絡拓撲發(fā)現(xiàn)方法分析研究,計算機仿真.2008
　　[3] 李可,IP網絡拓撲自動發(fā)現(xiàn)研究,計算機工程,2004

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