◆周林鵬 何錫點

基于多源拓?fù)渥詣影l(fā)現(xiàn)算法研究

◆周林鵬 何錫點

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 江蘇 210000）

經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法中存在節(jié)點冗余發(fā)現(xiàn)、鏈路關(guān)系不全、網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)管理IP無法區(qū)分等問題。本文基于SNMP、OSPF、LLDP和ICMP等協(xié)議，融合多源數(shù)據(jù)分析，提出一種拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)改進(jìn)算法。通過搭建數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵崿F(xiàn)，發(fā)現(xiàn)新算法較傳統(tǒng)算法而言，拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)更全面、更準(zhǔn)確，能夠為全網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)提供支撐。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；SNMP；LLDP；多源分析

拓?fù)渥詣影l(fā)現(xiàn)算法有很多種，但主流主要有兩種：數(shù)據(jù)鏈路層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。從目前研究現(xiàn)狀來看，兩種傳統(tǒng)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法在使用中存在的局限性，較難適配現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。通過搭建實驗研究，發(fā)現(xiàn)其主要存在以下突出問題：（1）由于SNMP協(xié)議[1]是基于TCP/IP協(xié)議，使用交換機(jī)管理IP和網(wǎng)關(guān)分別作為目標(biāo)地址時，采集MIB信息時，兩者返回結(jié)果完全一致，故無法區(qū)分網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)設(shè)備，導(dǎo)致拓?fù)湫畔⑷哂?；?）通過SNMP采集ARP、Route等信息與交換機(jī)系統(tǒng)版本有關(guān)，可能導(dǎo)致拓?fù)涔?jié)點發(fā)現(xiàn)不全；（3）同一節(jié)點信息可能存放于多臺交換機(jī)設(shè)備的ARP、Bridge等信息中，可能導(dǎo)致鏈路重復(fù)發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)不全。本文以SNMP、OSPF、LLDP和ICMP協(xié)議為基礎(chǔ)，對傳統(tǒng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法進(jìn)行改進(jìn)，能夠有效提高拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)能力。

1 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議及算法

1.1 常用拓?fù)鋮f(xié)議

常見的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議有如下幾種，如表1：

表1 常見的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議

1.2 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法基本思路是：從默認(rèn)網(wǎng)關(guān)路由器開始，采用SNMP協(xié)議對網(wǎng)關(guān)IP進(jìn)行掃描，讀取ipRouteTable信息，獲取其ARP表信息，判定設(shè)備當(dāng)前類型（路由、交換機(jī)或主機(jī)）[4]。遍歷當(dāng)前對象ipRouteDest信息，根據(jù) ipRouteType判定其是否為直接路由，獲取掩碼ipRouteMask信息，確定子網(wǎng)范圍。采用ICMP，對子網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行判定。獲取ipRouteNextHop下一跳路由，作為新的入口路由器，直到發(fā)現(xiàn)全網(wǎng)設(shè)備[5]。

經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，此類網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)存在以下不足：

（1）通過SNMP采集到的ipRouteDest可能同時包含交換機(jī)設(shè)備IP、網(wǎng)關(guān)IP等，其分別采集的ipRouteNextHop返回結(jié)果完全一致，在進(jìn)行后續(xù)條件判定會產(chǎn)生節(jié)點發(fā)現(xiàn)冗余；

（2）某些設(shè)備采集不到完整的ipRouteNextHop信息，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)不全；

（3）部分設(shè)備的ipRouteType信息中，存在大量冗余信息，會對后續(xù)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生干擾。

1.3 傳統(tǒng)鏈路層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法

傳統(tǒng)鏈路層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法基本思路為：以入口交換機(jī)為出發(fā)點，首先通過SNMP協(xié)議、ARP協(xié)議，獲取入口交換機(jī)中緩存的地址轉(zhuǎn)發(fā)信息。識別出哪些是有用端口后，通過模糊匹配獲取到連接主機(jī)和交換機(jī)。通過采集交換機(jī)CDP鄰居表信息，將新的交換機(jī)作為入口交換機(jī)，通過采用遞歸算法，直至發(fā)現(xiàn)一個完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄6]。

經(jīng)實驗，此類鏈路層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)存在以下不足：

（1）通過ARP協(xié)議采集的數(shù)據(jù)可能在多臺設(shè)備中均存在，導(dǎo)致拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余、鏈路發(fā)現(xiàn)不準(zhǔn)確；

（2）對于與交換機(jī)邏輯口相連的場景，由于為同一端口接入，MAC地址一致，無法確認(rèn)設(shè)備連接關(guān)系。

2 基于多源分析拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法

為了克服傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法的不足，本文提出一種基于多源分析拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法。其核心思想是基于SNMP協(xié)議，遞歸采集交換機(jī)ARP信息，輔助以LLDP、OSPF、ICMP等多種協(xié)議采集數(shù)據(jù)，綜合多源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。

改進(jìn)算法的前提：用戶需要開啟交換機(jī)SNMP服務(wù)，配置團(tuán)體字。對支持LLDP協(xié)議的交換機(jī)需要開啟LLDP協(xié)議。其核心步驟如下：

（1）獲取設(shè)備IP和MAC映射關(guān)系；

（2）獲取交換機(jī)直連關(guān)系；

（3）分析交換機(jī)管理地址、網(wǎng)關(guān)，獲取子網(wǎng)范圍；

（4）綜合分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本算法中，涉及的主要MIB信息和OID表如表2。

2.1 獲取設(shè)備IP和MAC映射關(guān)系

（1）將入口交換機(jī)作為目的交換機(jī)，使用SNMP協(xié)議獲取該設(shè)備ARP和SYS模塊信息，主要包括： ipNetToMediaIfIndex、ipNetToMediaPhysAdress、ipNetToMediaNetAdress、sysDescr、ipNetToMediaType等屬性；

（2）根據(jù)（1）中獲取的ipNetToMediaType、sysDescr屬性以及SNMP協(xié)議是否有返回值等，綜合判定是否為交換機(jī)或路由設(shè)備。若為交換機(jī)，則執(zhí)行步驟（3）；若不為交換機(jī)，則執(zhí)行（3）步驟；

（3）設(shè)置設(shè)備類型為主機(jī)類型。記錄當(dāng)前相連交換機(jī)IP、ipNetToMediaIfIndex；

（4）將以上信息存儲至ArpInfo_List集合中，便于后續(xù)綜合分析。

表2 SNMP相關(guān)主要MIB信息表

2.2 獲取交換機(jī)之間直連關(guān)系

（1）判定目的交換機(jī)當(dāng)前是否支持LLDP協(xié)議，若支持，則獲取交換機(jī)的NeiPortIndex和NeiMac信息。若不支持，則從遍歷ArpInfo_List，將下一個交換機(jī)作為目的交換機(jī)；

（2）截取NeiMac的前13字節(jié)（如：00：00：00：00：0）作為此交換機(jī)的MAC（實驗發(fā)現(xiàn)，交換機(jī)各端口MAC地址不相同，但主流交換機(jī)中各端口存在MAC前部分字節(jié)重復(fù)，如華為、Cisco等廠商同一設(shè)備端口前14位一致，中興、邁普等設(shè)備端口的前13位一致。故此處采用MAC前13字節(jié)）；

（3）從ArpInfo_List集合中模糊匹配（2）中的交換機(jī)MAC，獲取新發(fā)現(xiàn)的交換機(jī)IP地址；

（4）將（3）中發(fā)現(xiàn)的交換機(jī)作為目的交換機(jī)，遞歸執(zhí)行（1）、（2）、（3）步驟；

（5）將發(fā)現(xiàn)的交換機(jī)記錄至Switches_Queue集合，同時將交換機(jī)之間的直連關(guān)系記錄至Switches_Lines集合。

圖2 獲取交換機(jī)之間直連關(guān)系

2.3 區(qū)分交換機(jī)管理地址和網(wǎng)關(guān)，獲取子網(wǎng)范圍

（1）從目的交換機(jī)為入口，采集其IpAdEntAddr、IpAdEntIfIndex等信息；

（2）通過IpAdEntAddr和IpAdEntIfIndex對比匹配，過濾IP為目的交換機(jī)或IP為“127.0.0.1”的IP，獲取網(wǎng)關(guān)IP。同時，設(shè)置ArpInfo_List集合中對應(yīng)IP的設(shè)備類型為網(wǎng)關(guān)；

（3）獲取目的交換機(jī)IpAdEntNetMask掩碼信息，結(jié)合（2）中的目的交換機(jī)網(wǎng)關(guān)，計算目的交換機(jī)對應(yīng)子網(wǎng)IP范圍；

（4）遍歷Switches_Queue集合，將下一個交換機(jī)指定為目的交換機(jī)，遞歸執(zhí)行（1）（2）（3）步驟，直至所有交換機(jī)遍歷結(jié)束為止，將所有子網(wǎng)信息存至ChildNet_List集合。

圖3 區(qū)分交換機(jī)管理地址和網(wǎng)關(guān)，獲取子網(wǎng)范圍

2.4 綜合分析拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（1）分析交換機(jī)直連關(guān)系Switches_Lines集合，若某交換機(jī)節(jié)點出現(xiàn)的次數(shù)最多，則設(shè)定其為根節(jié)點交換機(jī)；

（2）從根節(jié)點交換機(jī)開始，采用深度遍歷算法，分析其直連交換機(jī)。若存在直連交換機(jī)，則執(zhí)行（3）步驟；若不存在則，執(zhí)行（4）步驟；

（3）獲取根節(jié)點交換機(jī)對應(yīng)的Bridge信息，若dot1dTpFdbPort中無重復(fù)，則記錄其對應(yīng)端口的MAC地址dot1dTpFdbAdress。若dot1dTpFdbPort中出現(xiàn)重復(fù)，則根據(jù)ArpInfo_List中端口索引、交換機(jī)直連關(guān)系Switches_Lines、以及dot1dTpFdbPort最小重復(fù)次數(shù)為依據(jù)，確定根節(jié)點直連交換機(jī)MAC和IP。記錄交換機(jī)與交換機(jī)端口連線關(guān)系，并將新發(fā)現(xiàn)的交換機(jī)作為新的根節(jié)點交換機(jī)，遞歸執(zhí)行（1）（2）（3）步驟；

（4）根據(jù)ArpInfo_List集合、ChildNet_List集合，綜合分析與之相連的子網(wǎng)或主機(jī)設(shè)備；

（5）遍歷ARP表中未連接的離散點，獲取其ArpInfo_List集合中的IP、端口索引進(jìn)行匹配，若其交換機(jī)IP、端口索引完全匹配，則記錄其連線關(guān)系；

（6）采用ICMP、OSPF等協(xié)議，驗證拓?fù)浞治龅臏?zhǔn)確性，并加以修正。同時，確定設(shè)備節(jié)點的實時狀態(tài)。

圖4 綜合分析拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 結(jié)果與分析

本實驗環(huán)境主要由9臺交換機(jī)組成，一個核心交換機(jī)，多臺接入交換機(jī)，在接入交換機(jī)上配置網(wǎng)關(guān)，連接各子網(wǎng)。

采用傳統(tǒng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法，其采集拓?fù)潢P(guān)系如下（圖5）。

實驗分析發(fā)現(xiàn)，與核心交換機(jī)直連的還有192.168.9.*的子網(wǎng)，且存在部分交換機(jī)發(fā)現(xiàn)不全等現(xiàn)象。

采用本文改進(jìn)拓?fù)渌惴ǚ治?，其最終發(fā)現(xiàn)的拓?fù)鋱D如下（圖6）。

實驗結(jié)果與實際真實拓?fù)浠疽恢?。?jīng)對比說明，改進(jìn)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法能夠更準(zhǔn)確、全面發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。能夠?qū)θW(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)起到支撐作用。

圖5 傳統(tǒng)算法拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)效果圖

圖6 改進(jìn)算法拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)效果圖

4 結(jié)束語

本文給出了一種基于多源拓?fù)渥詣影l(fā)現(xiàn)算法。能夠基于現(xiàn)有ARP、SNMP等協(xié)議的局限性，盡可能完整發(fā)現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠有效過濾網(wǎng)關(guān)IP，提供更為高效的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和分析手段。在今后工作中，要嘗試對含有防火墻、安全策略的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，相信會有更多的優(yōu)秀成果。

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