摘 要：本文首先介紹了網絡管理中網絡拓撲結構發(fā)現技術的研究現狀，并分析了現有的各種方法的優(yōu)點和不足，然后提出了一種發(fā)現網絡層的拓撲結構的改進的算法，并對基于Web的網絡管理中的拓撲結構的拓撲圖的構造和顯示問題進行了研究，提出了一種方法。實驗結果表明，該方法具有一定的可行性和有效性。

關鍵詞：基于Web的網絡管理；SNMP協議；拓撲結構；拓撲圖構造與顯示

中圖分類號：TP393.07

隨著網絡技術和互聯網的不斷發(fā)展，互聯網的網絡連接結構變得日益復雜。那么就需要有能夠對網絡進行配置、監(jiān)控網絡性能的良好的網絡管理系統(tǒng)來管理網絡，從而使得互聯網絡能夠安全、可靠、穩(wěn)定地運行。

1 主要的網絡拓撲發(fā)現方法

1.1 基于ICMP協議的網絡拓撲探測方法

ICMP（Internet Control Message Protocol）協議作為IP協議的一部分，它是一種差錯報告機制，可以用來向目標主機或設備請求或者報告各種網絡信息。在基于ICMP協議的拓撲發(fā)現中，用到回送請求（Echo Request）和回送應答（Echo Reply）這兩種報文。該種方法主要是利用ICMP協議原理，結合使用ping命令和traceroute命令來實現。通過ping目標主機或設備進行探測，如果能夠收到目標的回送應答報文，則可以判斷目標存在且是活動的，并記錄其IP地址和子網掩碼。通過traceroute命令向目標主機或設備發(fā)送不同TTL值的ICMP報文，根據報文所經過的路由器發(fā)回的回送應答報文，可以確定出從源主機到目標的路由信息。根據得到的這些信息，并使用發(fā)現算法和拓撲結構的構造方法得到拓撲圖。

該種基于ICMP協議的網絡拓撲結構的發(fā)現方法可以應用在幾乎所有的網絡中，因為使用TCP/lP協議的網絡主機和設備都支持ICMP協議，這種方法的優(yōu)點是檢測簡單、快速和可靠。但是這種方法向網絡中的設備發(fā)出了大量的探測報文，這樣會給網絡增加負載，并且也不是所有的目標設備都會回送應答報文，因此發(fā)現的效率也并不高。這種方法適用于局域網內的拓撲發(fā)現。

1.2 基于SNMP協議的網絡拓撲發(fā)現

SNMP網絡管理體系結構主要由三部分組成：管理信息結構、SNMP協議和管理信息庫MIB。其中MIB定義了可以通過網絡管理協議訪問的被管理對象的集合，它描述了網絡主機或設備的重要信息。簡單網絡管理協議SNMP（Simple Network Management Protocol）是由Internet體系結構委員會所制定的，是因特網中應用最廣泛的網絡管理協議，目前大多數網絡設備如交換機、路由器等都支持該協議，它使用的傳輸層協議是面向無連接的UDP協議，無需建立專門的連接，因此這樣就會降低網絡通信的開銷和負載。

基于SNMP協議的拓撲發(fā)現方法的思想就是通過SNMP協議從網絡主機、交換機、網橋、路由器等網絡設備中的MIB信息庫中獲取設備和路由信息，其中主要用到的對象有組對象system、interfaces、ip組和兩個表對象ipAddrTable、ipRouteTable。從指定的網關路由器開始，采用深度或廣度遍歷對網絡中的設備進行逐個遍歷，通過讀取其MIB庫中的信息，確定其設備類型及連接關系。具體來說就是，如果發(fā)現的目標設備中的簡單對象ipForwarding=1且system組中的字段sysService=7，則可判斷該目標是路由器；如果ipForwarding=2且sysService=3，則可判斷該目標是交換機或網橋；如果兩者都不是則可判斷目標是主機。如果是路由器，繼續(xù)查詢其MIB中的interfaces組和表ipAddrTable可以獲得路由器的接口信息，然后查詢表ipRouteTable中的變量ipRouteType，若ipRouteType=4，則判斷該端口相連接的是路由器，并根據其中的ipRouteNextHop來確定下一個發(fā)現的路由設備；若ipRouteType=3，則判斷該端口相連接的是子網。

綜上所述，該算法的優(yōu)點是系統(tǒng)和網絡的開銷少、搜索過程和算法簡單，發(fā)現效率高。雖然現在的大多數主機和設備都支持這個協議，但是也有設備并未啟動SNMP服務，另外，有的網絡設備中的MIB信息庫并不可以隨意訪問的。因此該方法也有一定的局限性。

2 網絡層的拓撲結構發(fā)現算法的改進

2.1 算法的改進思想

本算法綜合了上述兩種方法的優(yōu)缺點，對使用SNMP協議的設備的發(fā)現進行了規(guī)模限制，設置了一個待訪問的路由器總數的閾值，遍歷每一個路由器時，判斷一下已遍歷的路由器數目是否小于此閾值，如果是則繼續(xù)訪問下一個路由器，否則算法退出。對于基于ICMP協議的拓撲發(fā)現中，防火墻或者網絡設備可能會丟棄收到的報文，所以發(fā)送方可能會接收不到被探測設備的響應報文，因此就不能保證發(fā)現的絕對準確性。通過分析TCP/IP協議可知，可以采用向被探測設備發(fā)送錯誤報文的方法來解決這個問題，但是也并不是所有的錯誤報文目標設備都會響應。

2.2 算法的描述

具體算法描述如下：

（1）初始化待搜索路由器隊列、待搜素的IP地址隊列、支持SNMP協議的路由器隊列、不支持SNMP協議的路由器隊列、子網地址隊列、連接關系隊列。并設置要訪問的路由器總數的閾值為N，初始化計數變量n=0。

（2）從待搜素的IP地址隊列中取出一個地址，若n++<=N，向該IP地址發(fā)送一個只有IP頭的數據包，若有響應，則執(zhí)行步驟（3）。若n++>N，則算法結束。

（3）取得該IP地址所屬的子網地址及其缺省路由器地址，將其加入待搜索的路由器隊列。

（4）若待訪問的路由器隊列不為空，從待訪問的路由器隊列中取出一個地址探測，若其支持SNMP協議，將該路由器添加到支持SNMP路由器隊列，執(zhí)行步驟（5）。若其不支持SNMP協議，將該路由器加入到不支持SNMP隊列，采用通用協議算法進行發(fā)現。

（5）對其包含的IP地址進行SNMP探測。訪問其MIB信息庫，使用前面所講述的方法來判斷出設備的類型及連接關系，將發(fā)現的路由器、子網及其連接關系添加到相應的隊列。

（6）重復步驟（4），直到待搜索的路由器隊列為空，重復步驟（2），若待搜素IP地址隊列為空，則算法結束。

3 拓撲圖的構造與顯示

通過網絡拓撲發(fā)現算法確定了網絡設備的分布及其連接關系之后，就要構造出拓撲圖以直觀的方式將網絡設備的位置分布以及它們之間的連接關系顯示出來。在顯示頁面上，按照一定的規(guī)律來分布顯示出拓撲結構，其中使用不同的結點來分別表示不同的網絡設備，以結點間的連線來表示設備之間的連接關系。

要確定網絡設備在拓撲結構圖中的位置，就要計算出路由器、子網在圖形界面中的顯示位置的信息，即結點的坐標（x，y）。對于網絡層拓撲圖的構造，首先將指定的網關路由器（記為R）放置在顯示頁面的某一個固定位置，可以選擇正中心的位置點，坐標記為（x0、y0），將在一定范圍內發(fā)現的與該路由器相連的所有的路由器和子網的總數記為n。而后將其中與之相連的子網分布在以（x0，y0）為圓心，r=（n×c）÷2π（其中c為常數，其中c的取值可以根據網絡的規(guī)模來設定）為半徑的圓周上；將與之相連的路由器分布在以（x0，y0）為圓心，2r為半徑的圓周上，這些路由器和子網交叉均勻分布，并記錄下每個路由器所處的象限。從這里可以看出當n值增大時，r值也會增大，這樣取半徑的目的是在路由器數量較多時，讓圓的半徑大一些，便于結點圖標布局合理，盡量避免重疊。那么這種情況下，與路由器R相連的子網結點在界面上的顯示位置的坐標就可以通過如下的公式計算出來：x=r×cos（（2π÷n）×i）+x0，y=r×sin（（2π÷n）×i）+y0；路由器結點的坐標可以通過如下公式得出：x=2r×cos（（2π÷n）×i）+x0，y=2r×sin（（2π÷n）×i）+y0。

然后再采用廣度優(yōu)先的方式將與路由器R相連的所有路由器（記為R1、R2、…Rn）的連接拓撲圖分別構造與顯示出來，以R1為例來說，將與之相連的所有路由器和子網的個數記為n，R1的坐標記為（x0，y0），r=（n×c）÷（2π）（其中c為常數），分以下三種情況討論：

（1）如果R1在以路由器R為圓心的圓周的第一象限時，將與之相連的子網均勻分布在以（x0，y0）為圓心，r為半徑的圓周的二、三、四象限內，各個子網結點在頁面上的位置的坐標（x，y）可以通過如下公式計算出來：x=r×cos（（3π÷2n1）×i+π/2）+x0，y=r×sin（（3π÷2n1）×i+π/2）+y0，其中n1為子網總數；將與之相連的所有路由器均勻分布在以（x0，y0）為圓心，2r為半徑的圓周的第一象限內，各個路由器結點的坐標可以通過如下公式計算出來：x=2r×cos（（π÷2n2）×i）+x0，y=2r×sin（（π÷2n2）×i）+y0（n2為路由器總數）。

（2）如果R1在以路由器R為圓心的圓周的第三象限時，將與之相連的子網均勻分布在以（x0，y0）為圓心，r為半徑的圓周的一、二、四象限內，各個子網結點在頁面上的顯示位置的坐標（x，y）可以通過如下公式計算出來：x=r×cosθ+x0，y=r×sinθ+y0，θ=（3π÷2n1）×i（n1為子網總數），其中當π≤θ≤3π/2時，θ=（3π÷2n1）×i+π/2；將與之相連的路由器分布在以（x0，y0）為圓心，2r為半徑的圓周的第三象限內，各個路由器結點的坐標可以通過如下公式計算出來：x=2r×cos（（π÷2n2）×i+π）+x0，y=2r×sin（（π÷2n2）×i+π）+y0（n2為路由器總數）。

（3）如果R1在以路由器R為圓心的圓周的第四象限時，將與之相連的子網均勻分布在以（x0，y0）為圓心，r為半徑的圓周的一、二、三象限內，各個子網結點在界面上的顯示位置的坐標（x，y）可以通過如下公式計算出來：x=r×cos（（3π÷2n1）×i）+x0，y=r×sin（（3π÷2n1）×i）+y0（n1為子網總數）；將與之相連的路由器分布在以（x0，y0）為圓心，2r為半徑的圓周的第四象限內，各個路由器結點的坐標可以通過如下公式計算出來：x=2r×cos（（π÷2n2）×i+3π/2）+x0，y=2r×sin（（π÷2n2）×i+3π/2）+y0（n2為路由器總數）。

用同樣的方法將其它路由器的拓撲圖分別構造出來，然后再采用廣度優(yōu)先的策略將下一層路由器的拓撲結構給構造出來，其它的以此類推，重復此工程即可。通過實驗表明，對于一個園區(qū)網內部的網絡管理系統(tǒng)來說，這種網絡拓撲結構圖形構造和顯示方法，具有一定的可行性和有效性。

4 結束語

計算機網絡的拓撲結構對網絡管理是非常重要的，準確的網絡拓撲結構信息對于網絡的管理和監(jiān)控及診斷網絡故障具有重要意義。本文對現在主要的網絡邏輯拓撲發(fā)現算法進行了比較分析，對于存在的問題提出了改進的辦法。實驗結果表明，該改進算法能夠比較準確地發(fā)現網絡拓撲結構的信息，提出的拓撲圖構造和顯示方法也具有一定的可行性和現實意義。

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作者簡介：馮松軍（1983-），男，河南鄭州人，碩士研究生，主要研究方向：軟件工程及其應用、軟件系統(tǒng)形式化、計算機網絡。

作者單位：內江師范學院，四川內江 641112