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大規模IP網絡中基于SNMP的網絡拓撲發現方法分析
摘要:網絡拓撲發現是網絡工程的一個重要的研究子分支,是實現網絡管理的基礎性環節。由于大規模IP網絡本身所具有的大規模性、動態性、異構性等特點,使得面向大規模IP網絡的拓撲發現成為一項非常具有挑戰性的課題。為了提高IP網絡拓撲發現的效率和真實性,人們發明了多種多樣的網絡拓撲發現方法。本文介紹網絡拓撲發現的分類,重點探討了基于SNMP的網絡拓撲發現技術。
關鍵詞:大規模IP網絡;拓撲發現;SNMP
一、網絡拓撲發現概述
(一)網絡拓撲發現的概念
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,也可以是互聯網,也可以是互聯網的一部分。而網絡拓撲發現,就是指發現并確定網絡元素及其之間的連接關系。
(二)互聯網的拓撲結構抽象
網絡技術發展到今天,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協議簇已經成為事實上的網絡通訊協議標準。從概念上說,互聯網可以看作是一個個小的局域網絡通過互聯(互連)而成的。但一方面,組成互聯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(互連)關系也千差萬別。因此,互聯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、網絡拓撲發現的分類
(一)按照網絡拓撲發現的對象進行分類
按照對象的不同對網絡拓撲發現進行分類,可分為面向域內的網絡拓撲發現和跨域的網絡拓撲發現。
面向域內的拓撲發現,是指面向同一AS或者同一ISP、甚至更小規模的局部網絡的拓撲發現技術。跨域的網絡拓撲發現則是指面向不同AS(或ISP)網絡的拓撲發現技術。二者的不同主要在于,面向域內的拓撲發現網絡管理員一般具有對網絡元素的管理和控制權,而跨域的拓撲發現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現方法以及網絡拓撲發現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,跨域的網絡拓撲發現比域內的網絡拓撲發現困難得多。
(二)按照網絡拓撲發現的方法進行分類
按照發現方法對網絡拓撲發現進行分類,可分為主動式網絡拓撲發現和被動式網絡拓撲發現。
所謂主動式的網絡拓撲發現,是指將一組精心設計的數據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的網絡拓撲發現方法,就是典型的主動式網絡拓撲發現。基于SNMP的網絡拓撲發現,從原理上也應該歸類為主動式的網絡拓撲發現方法。由于主動式網絡拓撲發現可以根據探測需要,由探測發起者對探測數據報進行專門設計,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據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據報將增大網絡的負荷。在大規模多點探測中,甚至有可能導致網絡性能的嚴重降低。在極端的情況下,由于注入數據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現,則是指對網絡元素間的數據進行偵聽,通過對偵聽得到的數據進行分析,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交換數據包來探測網絡拓撲的方法,就是一種被動式的拓撲發現方法。被動式的網絡拓撲發現方法不向網絡注入數據包,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,偵聽得到的數據可能存在很多不真實的數據,如不能對數據進行有效的分析處理,有可能得到不真實的網絡拓撲圖。
(三)按照網絡拓撲發現的粒度分類
根據粒度的不同,網絡網拓撲發現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級別的拓撲發現。在粗粒度的拓撲圖中,節點代表一個域,而邊則代表域間的連接。中間粒度是指集群(路由器集簇)間的拓撲發現。在中間粒度的拓撲圖中,節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現。在細粒度的拓撲圖中,節點代表路由器(子網或主機),邊代表路由器的連結。目前,面向Internet的拓撲發現的研究主要集中在AS級和路由器級兩個方面。
三、基于SNMP的網絡拓撲發現分析
(一)SNMP協議簡介
SNMP C Simple Network Management Protocol)即簡單網絡管理協議,目前有SNMPvI、SNMPv2兩個版本。SNMPvl于1990年開始發布,其規范文為RFC1157等。SNMPv2于1993年開始發布,RFC1441對SNMPv2進行了系統地介紹。目前,最新版本SNMPv3的規范文本為RFC2571。SNMP采用“管理者一代理”的模式,實現對網絡設備的監視和控制。采用“輪詢”與“陷阱”兩種方式,實現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值;get-next-request操作;從代理進程處提取一個或多個參數的下一個參數值;set-request操作:設置代理進程的一個或多個參數值;get-response操作:返回的一個或多個參數值。這個操作是由代理進程發出的。它是前面3種操作的響應操作;trap操作:代理進程主動發出的報文,通知管理進程有某些事情發生。
SNMP是一個應用層協議,盡管可以在傳輸層采用各種各樣的協議,但是在SNMP中,用得最多的傳輸層協議還是UDP。另外,為了實現對網絡的管理,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。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的網絡拓撲發現的基本原理
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的網絡拓撲發現類似于圖的廣度優先搜索。
MIB中的路由表ipRouteTable定義了該設備的路由信息,其中與拓撲發現相關的表項有: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的網絡拓撲發現的優缺點及適用范圍
基于srrnrn的網絡拓撲發現的優點是發現過程和算法簡單,目標明確,發現效率高,系統和網絡開銷小。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網絡層拓撲探測外,經過對入心B數據進行精心分析,還可以實現對鏈路層的拓撲發現。基于SNMP的網絡拓撲發現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現變得越來越困難。另外,除了標準的MIB信息外,有的廠家為自己的設備開發了專門的MIB,如果在拓撲自動發現程序中使用了這些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
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[2] 宰家斌,大規模網絡拓撲發現方法分析研究,計算機仿真.2008
[3] 李可,IP網絡拓撲自動發現研究,計算機工程,2004
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