校园网拓扑发现研究

唐着淇

【摘 要】在计算机技术、通信技术迅速发展的今天，随着网络规模扩大，复杂程度增加，应用日趋丰富，网络管理已经成为通信领域一个至关重要的课题，拓扑结构的发现作为网络管理的一项基本内容，意义尤为重要。

【关键词】拓扑发现；简单网络管理协议；生成树协议

一、网络拓扑发现概述

当今社会无时无刻都少不了计算机，而且计算机又离不开赖以生存的计算机网络，至此计算机网络的性能是至关重要的，因此网络管理变得十分的重要。网络管理需要监控网络运行状况，而且要能保证这个网络能够长时间正常运行，当网络出现故障，通过技术手段尽快发现、修复故障。网络拓扑发现作为五大功能中配置管理的重点，也是整个管理任务的基础，它能够准确显示当前运行网络的拓扑组成，那么网络其余的管理服务就会迎刃而解。

网络拓扑发现就可以实现大多数网络管理任务：可以保证部署服务器、负载平衡、故障告警和定位分析等正常运行；可以实时掌控网络的整体运行状况，对网络中的流量进行深度分析，因为网络流量是网络测量的众多参数之一；可以分析网络部署方案的合理性和具体部署位及数量；可以对网络的可视化操作带来一些便捷之处。如果网络拓扑上能够显示流量信息、链路状态等重要的信息，网络管理人员就可以通过网络拓扑图形对故障进行定位。如果流量监控显示某一条链路始终处于高负荷传输状态，网管人员就可以通过主干技术、冗余协议等提高网络性能。

早期网络管理人员人工记录信息、手工绘制。随着电子技术、通信技术的高速发展，计算机网络呈爆炸式膨胀，对网络管理带来了巨大压力。手工绘制网络拓扑需要大量的时间和精力，而且未必能获得较好效果，因为网络具有实时性和动态性，手工绘制网络拓扑无法满足当今网络管理的要求，必须采用计算机智能自动发现。

网络拓扑发现就是探测网络中存活的各类设备，并且记录相互之间连接情况，用具体的图形直观反应。网络拓扑可以用图来反映，例如图G=，E是箭线集，反映互联设备、网络之间的连接关系，N表示节点集，为网络中所发现的设备，或者是所组成的子网。网络的实体设备如子网、路由器、交换机、主机、接口等，以及路由器、子网和交换机等网络元素之间的逻辑互连关系都是研究的主要对象。

二、校园网现状分析

校园网络的构建，使学生随时随地获取到学习资源，方便学校对外宣传、展示，在教学研讨活动过程搭建交流平台，提供更大的覆盖范围和更多学生使用的机会，为校园的数字化建设带来了重大技术改革。校园网具有较强的交互功能，CAI软件、电子备课系统、视频点播以及电子阅览室等，都广泛应用于局域网中。网络分布于整个校园内，系统规模大结构复杂，信息接入点数量庞大，用户多，远远超出一般企事业单位网络，大多采用综合布线，网络构建一般为B/S结构。数据信息的流动主要以局域网内部为主，网络信息流量大，要求传输速率快，支持远程接入访问，对安全控制措施要求较高。校园网络建设硬件设备品牌、型号繁多，网络管理难度大，对拓扑发现方案的选择带来了很大的难题。

三、基于生成树协议的拓扑发现算法

基于生成树协议的发现算法能快速发现链路层拓扑连接信息，对局域网中的哑设备、冗余备份线路能较好的识别，系统资源占用小，发现速度快准确性高。

1.生成树协议

每次信息交换所经过的转发路径将由生成树协议STP用来确定。该协议可以在物理连接中实现线路的冗余备份，同时避免循环回路出现，防止广播风暴和以太网中的数据帧循环转发，有效提高网络可靠性。生成树协议工作时，所有网桥会定时发送网桥配置消息BPDU，宣告自身的角色和状态；网桥在收到消息后，运行生成树算法，选出根网桥，计算到根网桥的最短路径，确认各个端口及端口状态，从而形成唯一的生成树，确认网络拓扑结构。

2.算法设计

交换机的按广度优先访问，算法流程设计如下：

（1）搜索整个网络，寻找判断交换机并存入信息库。

（2）依次取出信息库中的交换机，利用简单网管协议获取根网桥、根接口、指定网桥以及指定接口等设备物理信息，并保存。

（3）采用广度优先遍历访问生成树。首先在交换机信息创建搜索指针，指向根网桥。

（4）以search指针确认种子交换机，搜索交换机信息库，将获取到的信息依次放入，分别判断各自连接关系，最后将该交换机从信息库中予以删除。

（5）指针search加1，重复搜索交换机，直到所有设备被访问。

（6）根据交换机指定网桥、指定接口判断添加连接情况，判断交换机连接，并修改指定接口类型。

（7）根据交换机信息库分析哑交换存在情况。

（8）对所有交换机根接口在信息库中查询其指定网桥，如果信息库中不存在该网桥，那么在交换机信息区加入该网桥。同时修改search指针指向，重复4、5、6。

（9）判断处理哑交换机，添加与哑交换机连接的信息。

（10）冗余备份线路处理。

（11）在整个网络发送广播包。访问址转发表，判断添加各类连接信息，补充完善设备连接关系图。

3.算法的优点

（1）发现速度快，网络负载小。生成树协议发现算法在生成树建立之时，会发送信息导致流量增加，生成树构建完成后网络流量减少，只有当网络拓扑结构发生改变，才会重新构建新的生成树，如果網络拓扑结构没有变化无需构建生成树，网络流量的影响很小。该算法利用SNMP协议访问交换机生成树信息以判定连接情况，与基于端口流量的算法相比，对网络注入流量小，对网络带宽要求低。与基于地址转发表算法相比，也无需满足端口的完整性，存放大量设备的地址信息，消耗系统资源少。

（2）算法简单，准确度高。基于地址转发表算法无法较好的识别哑设备。基于生成树协议的发现算法直接利用本身发送BPDU，所以在拓扑发现前无需额外的处理，直接推导交换机的连接关系，算法的时间复杂度较低。

（3）更好的可操作性。交换机的地址转发表是动态变化的，而且不一定是完整的，实际记录中包含的MAC地址数量相当庞大，包括交换机、路由器以及主机，基于地址转发表的算法都仅仅考虑表中包含路由器和交换机的MAC地址，需要对主机信息有效过滤，否则会导致发现的效率降低。地址转发表算法对每一个端口必须将无效的MAC地址先去除，再根据判定定理判定相互连接关系。只要网络拓扑结构不发生改变，那么BPDU的数据就无变化，各个端口上也没有无效信息，判断连接关系更加简单有效。

（4）网络拓扑变化反映较快。基于地址转发表的算法交换机转发表的老化时间为300S，转发表无法保证完整性，且对拓扑变化的响应时间长，时效性、完整性不能得到更好的保证。生成树协议对网络拓扑变化反应及时，可以快速响应拓扑变化，交换机发送BPDU报文之间的时间间隔默认为2S，报文老化时间20S，转发延迟15S，当拓扑发生变化时，一般在40S左右即可收敛到新的网络拓扑，生成树协议算法得出的物理拓扑延迟小。

四、总结

拓扑发现作为网络管理的一项基本任务，网管可以借助于网络拓扑发现，快速确认故障点，修复网络故障，还可以此为出发点，获取网络设备运行状态、调用相关管理功能。拓扑发现是整个管理工作中至关重要的重要组成部分，管理员如果想要对全局网络连接有个直观的了解，那必须借助网络拓扑图。本文对网络管理的体系结构初步分析，对拓扑发现技术进行了系统的研究，针对校园的实际情况，给出一种基于生成树协议的算法。

参考文献：

[1]武孟军.开发基于SNMP的网络管理软件.北京：人民邮电出版社.2009

[2]顾艳林.计算机网络拓扑发现相关问题探讨：现代计算机，2010，3

[3]寇晓蕤.网络协议分析.北京：机械工业出版社.2009

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