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含v l a n 网络物理拓扑发现方法的研究与实现 含v l a n 网络物理拓扑发现方法的研究与实现 摘要 很多重要的网络管理任务，比如网络资源管理、服务器部署、事件关联以及 故障分析等都是以网络的拓扑结构为前提的。由于现代网络具有的动态特性， 要想通过手动的方式来跟踪不断变化的网络，获得网络拓扑信息是不可想象的。 网络拓扑的自动发现就是为了解决这个问题而提出的。准确、有效地完成符合 现代网络组建方式的含v l a n 网络物理拓扑自动发现有极大的需求和应用前 景。目前，中型企业以及其它各行业网络组建中的流行网络框架为：路由器负 责外网( 广域网) 接入；防火墙是内外网的边界，隔开内外网；主交换机有三 层交换功能，主要的v l a n 划分和v l a n 间的路由在这里进行，并且它也是二 层交换机的主干汇聚点；二层快速以太网交换机负责客户机、工作组服务器的 接入。 本文对已有的物理拓扑发现算法进行比较研究，在此基础上提出了全新的运 算速率高、实用性好的含v l a n 网络物理拓扑发现方法，并实现了原型系统。 含v l a n 网络物理拓扑发现算法基于s n m pm i b i i ( r f c l 2 1 3 ) 、s n m pb r i d g e m i b i i ( r f c1 4 9 3 ) 以及q b r i d g e m i b ( r f c2 6 7 4 ) 。它能够发现网络中的冗 余链路、找出v l a n 以及v l a n 的划分情况，同时可处理不支持s n m pm i b 的设备。新算法提出了利用t r u n k 技术发现物理拓扑结构以及对不支持s n m p 设备的处理方法。在所搭建的试验环境中新算法能够得到正确的试验数据。 关键词：v l a n ，以太网，物理拓扑发现，s n m p m i b 内蒙古人学硕士学位论文 r e s e a r c ha n di 田l e a 伍n t 芦汀1 0 no fp h y s i c a lt o p o l o g y d i s c o v e r y 匝t h o di nv l a nb a s e dn e t w o r k a b s t r a c t t o p o l o g yo f an e t w o r ki si m p o r t a n tt oan u m b e ro fc r i t i c a ln e t w o r km a n a g e m e n t t a s k s , i n c l u d i n gr e s o u r c em a n a g e m e n t ，s e r v e rd e p l o y m e n t ，e v e n tc o r r e l a t i o n ，a n d t r o u b l e s h o o t i n g g i v e nt h ed y n a m i cn a t u r eo ft o d a y sn e t w o r k ，k e e p i n gt r a c ko f t o p o l o g yi n f o r m a t i o nm a n u a l l yi sad a u n t i n gt a s k a u t o m a t i cd i s c o v e r yo fn e t w o r k t o p o l o g yi sp r o p o s e dt os o l v et h i sp r o b l e m t od i s c o v e rt h ep h y s i c a lt o p o l o g yi n m o r d e nv l a nb a s e dn e t w o r ka u t o m a t i c a l l y , a c c u r a t e l ya n de f f e c t i v e l yh a sg r e a t r e q u i r e m e n t sa n da p p l i c a b l ef o r e g r o u n d n o w , t h ep o p u l a rf r a m e w o r ko ft h en e t w o r k e s t a b l i s h m e ti ne n t e r p r i s e sa n do t h e ri n d u s t r i e si sa sf o l l o w s r o u t e rc o n n e t st h e w a n ；f i r e w a l li st h eb o r d e ro fl a n a n dw a n ；t h ec o r es w i t c hh a s3l a y e rs w i t c h i n g a n di tr o u t e sb e t w e e nv l a n s ；t h e2l a y e rs w i t c hc o n n e t ss e r v e r sa n dh o s t sp r i m a r i l y i nt h i st h e s i s ，w es t u d i e dt h ea l g o r i t h m so fp h y s i c a lt o p o l o g yd i s c o v e r ya n d c o m p a r e dt h e m a n dw eg a v ean o v e lp h y s i c a lt o p o l o g yd i s c o v e r ym e t h o di nv l a n b a s e dn e t w o r k ，w h i c hi sm o r ee f f e c t i v ea n dm o r ep r a c t i c a l w ea l s oi m p l e m e n t e dt h e p h y s i c a lt o p o l o g yd i s c o v e r ys y s t e mi nv l a n b a s e dn e w o r k t h ep h y s i c a lt o p o l o g y d i s c o v e r ya l g o r i t h mi n v l a nb a s e dn e t w o r ki sb a s e do nt h es n m pm i b - i i ( r f c l 2 1 3 ) ，s n m pb r i d g em i b i i ( r f c1 4 9 3 ) a n dq b r i d g e - m i b ( r f c2 6 7 4 ) i t a l s oc a nd i s c o v e rr e d u n d a n tc o n n e a i o n s ，t h ev l a ni nt h en e t w o r ka n dc a nd e a lw i t h l l 含v l a n 网络物理拓扑发现方法的研究与实现 t h ed e v i c e s ，w h i c hc a n n o ts u p p o r ts n m pp r o t o c 0 1 t h en e wa l g o r i t h mp r o p o s e d d i s c o v e r i n gt h ep h y s i c a lt o p o l o g yo fn e t w o r kt h r o u g ht r u n k i n ga n dt h en e wm e t h o d t od e a lw i t ht h ed e v i c e s ，w h i c hd o n ts u p p o r ts n m p n e wa l g o r i t h mc a ng e tt h e c o r r e c td a t ai nt h el a be x p e r i m e n t k e y w o r d s ：v l a n ，e t h e m e t ，p h y s i c a lt o p o l o g yd i s c o v e r y , s n m pm i b ! i i 内蒙古大学硕士学位论文 表2 1i s l 头 图表目录 图2 1 带有8 0 2 1 q 标签头的以太网帧 图2 28 0 2 i q 标签头 图2 3m i b 对象标识码树结构 图2 4 回送请求和应答报文格式 图2 5i c m p 地址掩码请求应答报文格式 表2 2 拓扑发现主要j 亡具的比较 图3 1m i b 库、被管对象的关系 图3 2 改进的基于a f t 的物理拓扑发现算法 图3 3s t p 协议 图3 4 生成树协议剪裁 表3 1 网桥m i b 中的生成树信息 表3 2 符号定义 1 6 1 7 2 0 2 9 4 1 图3 5 含v l a n 网络物理拓扑发现算法流程图4 2 图3 6 试验拓扑图 图4 1 系统体系结构4 8 表4 1 服务设备类型对照表4 9 图4 2c i s c oc 3 5 6 0a 兀表。4 9 图4 3h u a w e i q u i d w a y2 1 2 6a f t 表4 9 图4 4 主机个数与发现时间的关系。5 5 图4 5 交换机个数与发现时间的关系5 5 图4 6h u a w e i q u i d w a y2 1 2 6v l a n 配置一5 7 图4 7h u a w e i q u i d w a y2 1 2 6v l a n p o r t c o n f i g 表5 7 图4 8 用e t h e r e a l 获取数据包内容5 7 v i 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得白墓直太堂及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：望! ! 堂 指导教师签名： e l 期：鲤：五：垡 日期： 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古犬学有权将 学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部| j 送交学位论文的复印件和磁盘，允 许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文： 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属丁：内蒙古大学。作者今后 使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用 于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 含v l a n 网络物理拓扑发现方法的研究与实现 第一章引言 1 1 研究背景 、 随着信息时代的到来，人们对于通信方式、通信效率的要求也越来越高。计算机网络已经 渗透到了社会的各个方面，包括政府、商业、军事、教育和科研等领域，逐渐成为企业和个 人商业活动以及日常生活中不可缺少的工具。信息社会对计算机网络的依赖，使得计算机网 络本身运行的可靠性变得至关重要，同时，也对网络的管理提出了更高的要求【1 1 。 很多重要的网络管理任务，如网络资源管理、服务器部署、事件关联以及故障分析等都是 以网络的拓扑结构为前提的。一个典型的例子是，当网络中发生一个故障时，该故障可能使 相关的网络设备发出大量的告警信息，使网络管理员无从得知故障的真正位置。如果知道了 网络拓扑结构，就可以定位故障的原始位置。拓扑结构还可以使网络管理员预先发现那些容 易引发单点故障的不合理结构，防止故障的发生。可是，对于小型网络，网络管理员还可以 手工管理网络的拓扑；然而，对于结构复杂的大型网络，比如网络划分了v l a n ( v i r t u a ll o c a l a r e a n e t w o r k ) ，并包含成千上万的设备，它们之间的连接关系非常复杂，此时手工管理网络 拓扑就变成一件非常繁琐甚至不可能完成的任务。网络拓扑的自动发现就是为了解决这个问 题而提出的。网络拓扑自动发现是指通过计算机程序自动地发现网络的物理布局以及网络结 点间的相互连接关系。它能自动探测整个网络，发现网络设备以及之间的连接关系，最后绘 制出网络拓扑图。 网络拓扑发现主要分为网络层( 三层) ( t g 称逻辑) 拓扑发现和链路层( 二层) ( t i z 称物理) 拓扑发现两种。根据标准的i s o 七层网络模型，网络层拓扑发现对应于七层模型的第三层， 反映的是路由器到路由器、路由器接口到子网的连接关系。物理拓扑发现对应于i s o 七层模 型中的第二层，反映的是交换机与交换机、交换机与路由器、交换机与主机之间的互连关系， 物理拓扑真实地反映了网络结点使用网线连接的具体形式。拓扑发现的不同层次中，人们研 究最多的是网络层的拓扑发现，算法比较成熟 2 1 。当前，网络层拓扑发现的研究热点是如何 高速、准确地发现大规模网络( 例如整个i n t e r a c t ) 的拓扑结构，人们开始从路由协议入手， 而不再局限于传统的路由表信息。和网络层的拓扑发现相比，链路层的拓扑发现方面所作的 工作很少。目前，市场上流行的网络拓扑发现软件( 包括惠普公司的o p e n v i e w 和i b m 公司 的t i v o l i ) 都只是着重发现m 网络层的拓扑结构，构建路由器和路由器以及路由器与子网之 间的连接关系。但是，网络层拓扑信息仅仅是整个i p 网络拓扑结构的一小部分，它不能反映 堕茎查查兰堕：! 堂竺丝壅 子网内的网络设备之间的( 比如交换机和集线器) 复杂的连接关系。随着人们对桌面带宽的 要求越来越高，大量的交换机被部署到网络中，网络层拓扑发现所不能发现的部分越来越多。 并且，因为缺乏链路层拓扑信息，一定程度上导致网络管理员查找、排除交换网故障的能力 下降。链路层拓扑自动发现工具的缺乏使得网络管理员只能手工输入相应的信息。不过幸运 的是，很多厂商开始意识到链路层拓扑的重要性，纷纷开始开发相关的工具和协议来发现链 路层的拓扑结构，其中有c i s c o 开发的发现协议( d i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 以及n o r t e l 开发的o p t i v i t y e n t e r p r i s e 。但是，这些工具都是基于设备的私有s n m pm i b 扩展实现的，对于异构的网络环 境是无能为力的。 现实中，在组建局域网时，人们普遍采用包括核心层、汇聚层、接入层的三层交换网络模 型框架。许多大中型规模的网络建设以千兆三层交换机为核心，构成所谓“千兆主干跑、百 兆到桌面”的主流网络模型框架。这种流行的网络模型框架为：路由器负责外网( 广域网) 接入；防火墙是内外网的边界，隔开内外网；主交换机有三层交换功能，主要的v l a n 划分 和v l a n 间的路由在这里进行，并且它也是二层交换机的主干汇聚点；二层快速以太网交换 机负责客户机、工作组服务器的接入。随着网络硬件产品性能的不断提高和成本的不断降低， 目前新建立的局域网基本上都采用了这种流行网络框架模型。其中v l a n 技术的使用非常普 遍，但由于标准的不同，使v l a n 的拓扑发现成为拓扑发现的盲点。基于c i s c o 设备的v l a n 的拓扑发现虽然有一些算法研究，但还不能解决跨厂家的问题。针对上述拓扑发现中存在的 问题，本文给出了一种新的含v l a n 网络物理拓扑发现方法。 1 2 研究内容 本课题的研究目的是对已有的物理拓扑发现算法进行比较研究，在此基础上提出全新的含 v l a n 网络物理拓扑发现方法，并实现原型系统。具体内容如下： 1 1 分析网络拓扑自动发现的研究现状，指出造成管理困难问题的一个重要原因是缺乏拓扑自 动发现能力。研究现有的拓扑发现基本工具，比较它们之自j 的优缺点，并分析它们各自适用 的网络环境。 2 ) 研究比较已有的拓扑发现算法，指出其各自存在的问题与不足，在此基础上提出一种运算 速率高、实用性好的含v l a n 网络物理拓扑发现算法。新算法基于s n m pm i b i i ( r f c l 2 1 3 ) 【4 】、s n m p b r i d g e m i b i i ( r f c1 4 9 3 ) 【5 】以及q b r i d g e m i b ( r f c2 6 7 4 ) 【6 】( 各个厂家设备 都支持) ，能够发现网络中的冗余链路、找出v l a n 以及v l a n 的划分情况、对不支持s n m p m i b 的设备进行相应的处理。并且，新算法提出利用t r u n k 技术发现物理拓扑结构以及对不 2 笪! ! 坐塑竺塑些堑盐垄翌互鎏塑里垄兰壅墨 支持s n m p 设备的处理方法。 3 ) 原型系统的设计与实现。系统开发环境为v c h 0 。使用m i c r o s o f ta c c e s s 数据库做后 台数据库。文中详细描述了含v l a n 网络物理拓扑发现原型系统的各个主要模块的实现。 1 3 本文的组织结构 本文的组织结构如下： 第二章，主要介绍了拓扑自动发现的研究现状、v l a n 以及拓扑发现常用的协议和工具， 包括简单网络管理协议s n m p ，网际控制报文协议i c m p 和地址解析协议a r p 。 第三章，介绍了已有的物理拓扑发现算法，即基于地址解析协议的拓扑发现算法、基于 地址转发表的物理拓扑发现算法、基于生成树的物理拓扑发现算法以及基于端口流量的物理 拓扑发现算法。对上述算法进行对比和总结，在此基础上提出含v l a n 网络物理拓扑发现算 法。 第四章，介绍系统主要模块的实现。通过合理的数据结构组织已有的拓扑发现基本信息， 实现了含v l a n 网络物理拓扑发现原型系统。 3 内蒙古大学硕士学位论文 第二章拓扑发现研究现状以及相关技术 2 1 拓扑自动发现的研究现状 按照o s i 的定义，网络管理主要包括五个功能域：故障管理、配置管理、性能管理、安全 管理和计费管理。五大功能域之间既相对独立，又存在着联系。在五大功能域中，配置管理 是基础，它的主要功能包括发现网络的拓扑结构、监视和管理网络设备的配置情况。而监视 和管理网络设备的基础是已知网络的拓扑结构，所以，网络拓扑发现才是网络管理的基础。 网络拓扑发现的主要目的是获取和维护网络结点的存在性信息和它们之间的连接关系信息， 并在此基础上绘制出整个网络拓扑图。网络管理人员通过拓扑结构信息还能对网络故障进行 定位，发现网络瓶颈，从而优化整个网络。最初的计算机网络规模比较小，通常在网络建设 之初，由网络管理员手工绘制网络拓扑图，由于网络的变动不大，所以该方式还能满足当时 的需要。随着计算机网络的飞速发展，手工绘制网络拓扑图已经成为一件非常烦琐的工作， 有时候甚至是不可能的。于是，人们开始了网络拓扑的自动发现的研究。 刚开始，在网络层，人们从路由表中提取拓扑信息；在链路层，人们利用a r p 协议和i c m p 协议来发现局域网中的设备。1 9 9 0 年，j d c a s e 等人提交了名为“一种简单网络管理协议” ( s n m p ) 的r f c i1 5 7 t 3 l ，之后一年k m c c t o g h r i e 和m r o s e 在r f c l 2 1 3 中提出了基于t c p ，口 协议的因特网管理信息库m i b i i ，这些都充分考虑了网络管理中的拓扑发现需要，从此，拓 扑发现的主要工具成为s n m p 。之后，有许多相关的拓扑发现软件产品问世，比如l i p 公司 的o p e n v i e w 和i b m 公司的t i v o l i 等。然后，又有不同的人开始对拓扑发现算法在效率和适 用性上作了改进。 国外早期的p 网络自动拓扑发现工作均是利用s n m p 等协议发现管理域内的逻辑拓扑， 即描述路由器与路由器，路由器与子网以及子网内部主机相互连接关系的i p 层拓扑。另外， 许多商业网络管理系统，如惠普公司的o p e n v i e w t ，i b m 公司的t i v o l i t 、达特茅斯的i n t e r m a p p e r 等，其拓扑发现也都是采用基于s n m p 协议的网络层自动拓扑发现算法。现在，人们逐渐开 始利用路由协议来发现网络层拓扑。a m a ns h a i k h 等人提出了一种通过监听网络中的o s p f 数据包来获得网络拓扑的方法。这种方法的优点是可以绕过设备不支持s n m p 带来的麻烦， 同时可以避免向网络中注入大量数据包，从而减轻了网络的负担。i e t f 在意识到物理拓扑发 现的重要性后，指定了物理拓扑s n m pm i b 库，但是并没有定义任何通用的协议和算法用于 获得物理拓扑信息。一些硬件制造商，如c i s e o 公司，开发了用于发现物理拓扑的私有协议 4 吉v l a n 网络物理拓扑发现方法的研究与实现 c d p ( c i s c o d i s c o v e r y p r o t o c 0 1 ) 以及相关工具，但是c d p 只适用于自动发现c i s c o 公司的网络 设备，不具有通用性。h w a - c h u nl i n 等人利用b 削g em i b ( r f c1 4 9 3 ) 1 5 1 来获取交换机的连接 信息，但是该方法的准确性不高。y u r ib r e i t b a r t 等人在参考文献【9 】中提出了一种基于b r i d g e m i b 的拓扑发现算法，并给出了严格的数学证明，但是该方法对网络环境要求太高。 在国内，许多高校都有网络自动拓扑发现方面的研究，主要有华中科技大学、上海交通 大学、西安交通大学、中国科技大学等。但是，这些研究主要集中于发现i p 网络管理域内的 逻辑拓扑。文献1 1 4 j 虽然对虚拟局域网l a 】哪的拓扑发现算法进行了一些探索，有一定的借鉴 性，但是该算法针对c i s e o 公司网络设备( 如c i s c 0 7 2 0 4 ，c a t a l y s t 3 0 0 0 ) 的m m 库，通用性显得 不够。郑海i l o 】等人的物理拓扑发现算法需要通过在网络中产生额外流量来保证网络中每一个 结点地址转发表的完整。因此可以说，国内在网络物理拓扑发现方面的研究还刚刚起步，并 且，在v l a n 拓扑发现方面由于标准的不同，使v l a n 发现成为拓扑发现的盲点。 另外，网络拓扑自动发现是一个非常耗时的过程，往往需要几个小时甚至几天的时间来 完成。拓扑发现软件的结构大多都是集中式的，往往在一台机器上安装之后来探测全网的拓 扑。目前，人们开始改变拓扑发现的软件结构，利用分布式的结构，从多个地点同步探测网 络拓扑，从而提高效率。r o m i tr o y c h o u d h u r y 等人1 2 提出了一种分布式的拓扑发现软件体系 结构，对于i p 网络拓扑发现也有重大意义。 2 2 v l a n 简介 本文的拓扑发现研究涉及到含v l a n 网络，下面简单给出v l a n 的相关概念。 以太网交换技术的一个主要特征是v l a n ，v l a n 使用交换机将工作组和服务器聚集到 逻辑概念上的组中。在一个v l a n 中的设备只能够与在同一个v l a n 中的设备通信，这样， 一个交换式的网络工作起来就像是许多互不相连的单独的l a n 一样。 v l a n 的产生是为了在l a n 配置中提供传统上由路由器提供的网络分段服务。在v l a n 拓扑中的路由器提供广播过滤、安全和流量管理。交换机可能不会转发v l a n 问的流量，因 为这样会破坏v l a n 广播域的完整性。这些流量应该只能够在v l a n 间进行路由。v l a n 的 着眼点为网络的可扩展性、安全性和网络管理【7 】。 交换机上每个端口的缺省v l a n 为v l a n i 或管理v l a n 。不能删除管理v l a n ；然而 可以创建新的v l a n ，也可以重新将端口分配到这些v l a n 中。每个v l a n 都应该分配一个 唯一的第3 层网络或子网地址。这是为了通过路由器在v l a n 问交换分组。 5 内蒙古大学硕十学位论文 2 2 1v l a n 的类型 3 种基本的v l a n 模型决定和控制了分组如何指派到一个v l a n 。这3 种模型为： 基于端口的v l a n ( p o r t b a s e d v l a n ) ( 静态) 模型； 基于m a c 地址的v l a n ( m a ca d d r e s sb a s e dv l a n ) ( 动态) 模型； 基于协议的v l a n ( p r o t o c o l - b a s e d v l a n ) ( 动态) 模型。 交换机中v l a n 的数目依据不同的因素可能会有很大的差别。这些因素包括流量模式、 应用程序的类型、网络管理的需要以及组的共同特点。另外，定义交换机的大小和v l a n 数 量时需要重点考虑的一个因素是i p 寻址方案。例如，假设用2 4 b i t 的掩码来定义一个子网。 在这种假设下，该子网中一共只有2 5 4 个主机地址可用。 2 2 2v l a n 帧标识 2 2 2 1i s l 交换机间链路( i s l ) 协议是c i s c o 创建的私有干线传输协议，这里“私有”是指该协议不 是由一个独立的标准组织创建并通过的，但这并非一定表明该协议在非c i s c o 产品中看不到。 实际上多穴服务器( m u l t i h o m es e r v e r ) 中就有一些网卡和驱动程序能够执行1 s l ，并且还有一种 免费的l i n u x 驱动程序能够支持d e c 公司基于t u l i p 的快速以太网卡，其他交换机厂商也开 始在他们的交换机产品中支持i s l 。在当前的软件中，i s l 可用于以太网、f d d i 以及令牌环 网干线传输v l a n 分组。当从一个 s l 支持的l a n 发出的帧要放雹在i s l 干线上时，必须 在这个帧的开头另外加上一个帧头，称为i s l 头。i s l 头如表2 1 所示。 i s l 能支持多种不同大小的帧。i s l 头占用2 6 b ，当干线传输数据帧时，这2 6 个字节也 要加到帧蓬。在帧尾还要加上1 个4 b 的新的c r c 校验码。干线传输支持的最小帧是f d d i 帧，只有1 7b ；最大帧是令牌环帧，可达1 7 8 0 0b 。因此，帧的范围可在4 7 1 7 8 3 0b 之间。 这种为帧增加1 个新头与校验和的过程称为封装。i s l 封装整个帧，而不做任何分割工作。 6 含v l a n 嘲络物理拓扑发现方法的研究与实现 域位数功能 d a 4 0 目的地址，c i s c o 使用0 1 ：0 0 ：0 c ：0 0 ：0 0 。前3 个字节是m a c 地址的 c i s c o 制造商m a c 地址的d ，用于设置组播位 t y p e4标识正被传输的类型 u s e r4用户定义的域，可用于定义优先级，d a ，t y p e 和u s e r 域总共4 8 位， 相当于正常的m a c 地址的大小 s a4 8 源地址，发送帧的交换机端口的m a c 地址 l e n1 6帧长( 单位：字节) ，减去头部( 1 8 个字节) ( 固定) 2 4 固定域，总为0 x a a a a 0 3 h a s2 4等价于s a 域的前3 个字节，目前必须为0 x 0 0 0 0 0 c 这是c i s e o 制造商i d v l a n1 5标识v l a n 号 b p d u1标志位，用于标识被封装的分组是不是b p d u 分组 i n d e x1 6c i s c o 文档中称他是发送帧设备的端口索引，这暗指要将他设置成正在发 送的交换机用来标识其内部发送端口的编号。c i s c o 文档中称这个域只用 于调试，接受方完全可以忽略 r e s1 6全0 表示以太网，如果传送令牌环帧可包含a c 和f c 域，如传送f d d l 帧包含f c 域 2 2 2 2i e e e8 0 2 1 q 表2 1i s l 头 n l b l e2 1i s lh e a d i e e e8 0 2 1 q 是第一个工业标准的干线传输协议。因为他是工业标准，所以用它在不同厂 商生产的交换机之间干线连接多个v l a n 。i e e e8 0 2 1 q 允许在每一个被干线传输的帧中增 加优先级信息，产生8 个可能的优先级。i e e e8 0 2 1 q 用1 2 位作v l a n 标识符，支持最多 4 0 9 6 个v l a n ，其中有2 个v l a n 是保留的。v l a n0 不是干线传输的v l a n ，他仅用于指 示优先位是否可用。v l a n1 是缺省v l a n ，v l a n 4 0 9 6 ( 1 6 进制f f f ) 是保留的v l a n ，i e e e 8 0 2 1 q 的帧头根据传送的帧类型以及网络的类型而变化。i e e e8 0 2 i q 在其头部支持源路由 网桥信息。8 0 2 1 q 协议定义了基于端口的v l a n 模型，这是使用得最多的一种方式。 如图2 1 所示，每一个支持8 0 2 1 q 协议的主机，在发送数据包时，都在原来的以太网帧 头中的源地址后增加了一个4 字节的8 0 2 1 q 帧头，之后接原来以太网的长度或类型域。这4 个字节的8 0 2 1 q 标签头包含了2 个字节的标签协议标识( t p i d 一1 硇p r o t o c o li d e n t i f i e r ，它的 值是8 1 0 0 ) ，和两个字节的标签控制信息( t c i t a gc o n t r o li n f o r m a t i o n ) ，t p d 是i e e e 定义 7 内蒙古大学硕十学位论文 的新的类型，图2 2 显示了8 0 2 1 q 标签头的详细内容。 图2 1 带有8 0 2 i q 标签头的以太网帧 f i g u r e 2 1e t h e r n e tf r a m ec o n t a i n s8 0 2 i qi d e n t i f i e rh e a d e r t p i d ( t a gp r o t o c o li d e n t i f i e r )i t c i ( t a gc o n t r o li n f o r m a t i o n ) 110l0i010f0i011l0i0i0i010l0f0f0fp r i o r i t yfc 丘fv l a n i d 图2 28 0 2 i q 标签头 f i g u r e 2 28 0 2 1 qi d e n t i f i e rh e a d e r 该标签头中的信息解释如下： l a ni d e n t i f i e d ( v l a ni d ) ：这是一个1 2 位的域，指明v l a n 的i d ，一共4 0 9 6 个，每 个支持8 0 2 1 q 协议的主机发送出来的数据包都会包含这个域，以指明自己属于哪一个v l a n 。 c a n o n i c a lf o r m a ti n d i c a t o r ( c f i ) ：这一位主要用于总线型的以太网与f d d i 、令牌环网交换 数据时的帧格式。 p r i o r i t y ：这3 位指明帧的优先级。一共有8 种优先级，主要用于当交换机阻塞时，优先 发送哪个数据包。 不难看出，8 0 2 1 q 标签头的4 个字节是新增加的，目前我们使用的计算机并不支持 8 0 2 1 q ，即我们计算机发送出去的数据包的以太网帧头还不包含这4 个字节，同时也无法识 别这4 个字节，将来会有软件和硬件支持8 0 2 1 q 协议的。对于交换机来说，如果它所连接 的以太网段的所有主机都能识别和发送这种带8 0 2 i q 标签头的数据包，那么我们把这种端口 称为t a ga w a r e 端1 2 1 ；相反，如果该交换机端1 2 1 所连接的以太网段中只要有一台主机不支持 这种以太网帧头，那么交换机的这个端口我们称为a c c e s s 端口，从目前的情况可以看出，所 有的交换机的端口都属于后一种。 在现在的情况下，交换机是如何支持v l a n 的呢? 是这样的，比如交换机的1 4 端口属 于同一个v l a n ，那么当l 端口进来一个数据包时，交换机看到该数据包没有8 0 2 1 q 标签 头，那么，它会根据l 号端口所属的v l a n 组，自动给该数据包添加一个该v l a n 的标签头， 然后再将数据包交给数据库查询模块，数据库查询模块会根据数据包的目的地址和所属的 v l a n 进行路由，之后交给转发模块，转发模块看到这是一个包含标签头的数据包，而实际 一 上发送的端1 2 1 所连的以太网段的计算机不能识别这种数据包，所以，它会再将数据包进来时 客 宣! 竺壁竺塑墨堑盐垄翌互鲨塑里塑兰薹墨 交换机给添加的标签头再去掉。当然，对于两个交换机互连的端口一般都是t a g a w a r e 端口， 这样，交换机和交换机之间交换数据包时是无需去掉标签头的。 2 2 3t r u n k t r u n k ( 干道) 是一种封装技术，它是一条点到点的链路，主要功能就是仅通过一条链路 就可以连接多个交换机从而扩展已配置的多个v l a n 。还可以采用通过t r u n k 技术和上级交 换机级连的方式来扩展端口的数量，可以达到近似堆叠的功能，节省了网络硬件的成本，同 时扩展了整个网络。 t r u n k 承载的v l a n 范围缺省下是l 1 0 0 5 ，可以修改，但必须有1 个t r u n k 协议。使用 t r u n k 时，相邻端口上的协议要一致。 要传输多个v l a n 的通信，需要用专门的协议封装或者加上标记( t a g ) ，以便接收设备 能区分数据所属的v l a n 。我们最常用到的是基于i e e e8 0 2 1 q 和c i s c o 专用的协议：i s l 。 在上一小节我们已经简要介绍了这两种协议。在设置t r u n k 后，t r u n k 链路不属于任何一个 v l a n 。t r u n k 链路在交换机之间起着v l a n 管道的作用，交换机会将该t r u n k 以外并且和 t r u n k 中的端口处于一个v l a n 中的其它端口的负载自动分配到该t r u n k 中的各个端口。因 为同一个v l a n 中的端口之间会相互转发数据包，而位于t r u n k 中的t r u n k 端口被当作一个 端口来看待。如果v l a n 中的其它非t r u n k 端口的负载不分配到各个t r u n k 端口，则有些数 据包可能随机的发往t r u n k 而导致帧顺序混乱。 在t r u n k 线路上传输不同的v l a n 数据时，可使用两种方法识别不同v l a n 的数据：帧 过滤和帧标记。帧过滤法根据交换机的过滤表检查帧的详细信息。每一个交换机要维护复杂 的过滤表，同时对通过主干的每一个帧进行详细检查，这会增加网络延迟时间。目前在v l a n 中这种方法已经不使用了。现在使用的是帧标记法。数据帧在中继线上传输的时候，交换机 在帧头的信息中加标记来指定相应的v l a ni d 。当帧通过中继以后，去掉标记同时把帧交换 到相应的v l a n 端口。帧标记法被i e e e 选定为标准化的中继机制。 2 2 4 三层交换技术 通俗地讲，三层交换就是将路由与交换合二为一的技术。路由器在对第一个数据流进行 路由后，将会产生一个m a c 地址与口地址的映射表，当同样的数据流再次通过时，将根据 此映射表直接从二层进行交换而不是再次路由，提供线速性能，从而消除了路由器进行路由 9 塑茎妻盔兰堡兰堡垒奎 选择而造成网络的延迟，提高了数据包转发的效率。采用此技术的交换机我们常称为三层交 换机。一般来说，如果一个v l a n 里面的工作站发送一个广播，那么这个v l a n 里面所有的 工作站都接收到这个广播，但是交换机不会将广播发送至其他v l a n 上的任何一个端口。如 果要将广播发送到其它的v l a n 端口，就要用n - - 层交换机。 2 2 5v l a n 问路由选择 当连接几个v l a n 时，会产生一些技术问题。多个v l a n 环境中最常见的两个问题是： 1 ) 终端用户设备到达非本地主机的需要。 2 ) 不同v l a n 主机问通信的需要。 当一个广播域中的主机想要和另一个广播域中的主机通信时，必须使用路由器。同样的 情况也存在于v l a n 中。 v l a n 问的连通性能够通过逻辑或物理连接实现。逻辑连接包括交换机到路由器的一条 单独连接或中继线能够支持多个v l a n 。这种拓扑被称为“单臂路由器( r o u t e r o n as t i c k ) ”， 因为到路由器只有一个单独的连接，但是路由器和交换机之间有多个逻辑连接。 在传统情况下，一个具有4 个v l a n 的网络在交换机和外部路由器之间需要4 个物理连 接。随着像i s l 技术的不断普及，网络设计者开始使用中继线链路连接路由器和交换机。其 中，基于以太网的方法( i s l 和8 0 2 1 q ) 最为常用。随着网络中v l a n 数量的增加，每个 v l a n 使用一个路由器接口的物理方法很快变得不可扩展。有多个v l a n 的网络必须使用 v l a n 中继，以为多个v l a n 分配单一的路由器接口。使用中继链路的主要优点是可以节省 路由器和交换机端口。不仅节省财力，还可以减少配置的复杂性。因此，用中继线连接路由 器的方法比每个v l a n 一条链路的设计能扩展到更多数量v l a n 。 2 3 拓扑发现基本工具 众所周知，获得网络拓扑最简单的办法是让网络管理员根据实际网络手工绘制出拓扑图。 但是，现实生活中网络结点个数是动态增长的，丽且网络的不同部分可能由不同的管理机构 掌管，其中某一机构多数情况下无法获悉其它机构所管理网络的拓扑结构。因此，很有必要 借助一定的协议和工具对网络的拓扑结构进行自动发现。 下面将介绍拓扑自动发现中最常用的几种协议，包括s n m p 协议、i c m p 协议以及a r p 以及其它工具，然后对它们的利弊进行比较分析。在实际拓扑发现过程中应当根据待发现网 i o 舍v l a n 嘲络物理拓扑发现方法的研究与实现 络的具体情况，选用恰当的拓扑发现工具，才能更大程度发挥它们的优势，获得更好的拓扑 发现效果。 2 3 1s n 咿 s n m p ( s i m p l e n e t w o r k m a n a g e m e n t p r o t o c 0 1 ) 即简单网络管理协议，它为网络管理系统 提供了底层网络管理的框架。s n m p 协议的应用范围非常广泛，诸多种类的网络设备、软件 和系统中都有所采用，主要是因为s n m p 协议有如下几个特点： 首先，相对于其它种类的网络管理体系或管理协议而言，s n m p 易于实现。s n m p 的管 理协议、m m 及其它相关的体系框架能够在各种不同类型的设备上运行，包括低档的个人电 脑到高档的大型主机、服务器、路由器及交换机等网络设备。一个s n m p 管理代理组件在运 行时不需要很大的内存空间，因此不需要太强的计算能力。s n m p 协议一般可以在目标系统 中快速开发出来，所以它很容易在面市的新产品或升级的老产品中出现。尽管s n m p 协议缺 少其它网络管理协议的某些优点，但它设计简单、扩展灵活、易于使用，这些特点弥补了s n m p 协议应用中的其他不足。 其次，s n m p 协议是开放的免费产品。只有经过i e t f 的标准议程批准( i e t f 是i a b 下 设的一个组织) ，才可以改动s n m p 协议；厂商们也可以私下改动s n m p 协议，但这样作的 结果很可能得不偿失，因为他们必须说服其他厂商和用户支持他们对s n m p 协议的非标准改 进，而这样做有悖于他们的初衷。 第三，s n m p 协议有很多详细的文档资料( 例如r f c ，以及其它的一些文章、说明书等) ， 网络业界对这个协议有着较深入的理解，这些都是s n m p 协议近一步发展和改进的基础。 最后，s n m p 协议可用于控制各种设备。比如电话系统、环境控制设备，以及其它可接 入网络且需要控制的设备等，这些非传统装