基于IP、MAC、端口、设备名称自动化生成网络拓扑的方法研究

窦喆

摘要：现代移动通信网络中，随着各种业务的不断拓展，网络规模迅速扩大，随之而来的各种故障和网络优化以及后期规划调整也越来越多，网络拓扑的管理也变成了一项纷繁复杂的工作。一张完整准确的网络拓扑图对故障的快速定位和网络优化都能提供非常大的帮助，让网络管理员能更快速、更准确地找到故障设备位置，同时也能更加清楚地了解网络的结构和规模，对网络优化和网络的扩容规划提供有力的参考。结合移动网络拓扑的绘制和绘制思路，阐述如何结合现代的软件技术实现更智能更快速的自动绘制方法，实现对多种网络运维工作的支撑，从而提高IT部门的整体运维水平，降低运维难度，提高生产效率。

关键词：自动绘制;设备名称;IP地址;MAC地址;接口名称;二层网络;三层网络;二三层混合网络

中图分类号：U172.6 文献标识码：A

1 概述

随着网络规模的日渐扩大，线路的复杂度也逐渐增加，网络的拓扑结构也随着网络的扩建慢慢地和最初的规划产生了偏离，变得更加错综复杂，让网络管理人员越发头痛。而一张完整准确的网络拓扑图形能更直观明了地看清楚网络中各个节点之间的链接，还有接口之间的链接，能让网络管理员更加清楚和形象地了解你的网络结构，这样就有利于以后的网络扩展，网络排障。网络拓扑设计得合理对整个网络的性能和经济性都有重大影响，所以也越发地体现出网络拓扑图的重要性[1]。

在当前运维环节中，普遍存在如下问题：人工绘制，耗时耗力;更新不及时;关键信息标注不清晰;资料移交不方便，常有遗漏;人工绘制对人员各方面能力有一定要求。因为这些问题的存在，很难随时拿出一张完整准确的网络拓扑图，对于政企客户，可能这个问题更加的明显，当然也给我们维护人员带来了诸多不便。

本文重点研究如何通过软件采集设备名称、IP地址、MAC地址、接口名称、接口带宽、接口类型、设备类型等信息，自动绘制出更完整更准确的网络拓扑图，实现更高效率、更智能的自动运维。

2 网络拓扑自动绘制研究

2.1 设备资源采集

通过设备集中管理平台或人工对设备资源进行集中采集，将网络中不同厂商、不同型号、不同版本的所有设备的相关信息保存，并通过科学的算法绘制网络拓扑图[2-3]。

（1）设备名称采集：设备名称经常会作为一个用于维护人员判断设备大概位置或者区域的指标，采集设备名称的目的也是为和设备唯一标识关联作为拓扑图中一个非常重要的可读信息。

（2）设备版本采集：设备版本采集的目的在于区分设备型号和设备类型，方便在拓扑绘制的时候通过各种图标标识出来，让拓扑图更具有参考性。

（3）IP地址、MAC地址采集：IP地址和MAC地址往往会作为设备的唯一标识，同时也是在绘制拓扑图时判断两台或者多台设备连接关系的。

（4）端口名称、端口类型、端口带宽等信息采集：端口名称、端口类型、端口带宽等信息如果能在拓扑图中标识出来，可以让维护人员更清晰地了解网络的连接情况，同时带宽等参数也能反映出网络的一个承载情况。

（5）端口关系采集：通过采集vlan、聚合口、物理端口等关联关系，方便在绘制拓扑图时计算出设备的物理关系和逻辑关系，让拓扑图的信息更加丰满。

2.2 拓扑图绘制计算逻辑

在一个纯粹的三层网络中拓扑绘制是一件相对简单的事情，通过设备名称、设备唯一标识（一般是设备的管理地址）、端口名称、IP地址是否在同一网段就可轻松绘制出拓扑图来。当然在计算过程中肯定会遇到子接口，或者重复的连接关系，这时候只需要根据端口的包含关系、VPN和端口的关系保留下具有参考价值的连接关系，比如：设备A-GE1/1.100-GE1/1.100-设备B、设备A-GE1/1.200-GE1/1.200-设备B这样的两个连接关系，可把子接口编号去掉，然后去重复得到一个物理的连接关系：设备A-GE1/1-GE1/1-设备B。

而在一个二层的网络环境中，拓撲的绘制就麻烦得多了，因为在一个二层的网络中IP地址非常少，而MAC地址相互之间看似又没有什么联系，并且还经常存在一些透传的情况，这样的网络在政企客户中是非常常见的，当然绘制的时候会稍微麻烦一点，不过我们一样可以通过采集的网络设备的信息，再结合网络的一些知识绘制出来。

如图2所示，当我们遇到这种透传的情况，设备A和设备B是很难感知到设备C的存在，如果我们在绘制拓扑图的时候不能标识出设备C的存在，那么在设备C出现网络故障时就很难通过拓扑图定位到故障点，同时如果设备C成为网络的承载瓶颈也很难发现问题所在。当我们遇到这样的情况时，就需要结合采集的信息和生成树相关知识来完成设备关系的计算了。

（1）采集每台设备上自身端口之间的关系，比如设备启了vlan，然后又通过trunk口透传，那就要知晓哪个接口启了trunk，同时又透传了哪些vlan。

（2）采集设备的管理IP或者其他IP地址，一台配置合理的设备至少应当配置有一个IP地址作设备的管理地址。

（3）采集每个接口的MAC地址，对于一些低端的交换机可能所有的接口都是共用的一个MAC地址。

（4）采集设备的MAC地址表以及ARP表。

（5）计算关系，如图2这种情况，设备A会同时学习到设备B和设备C的MAC地址，设备B也会同时学习到设备A和设备C的MAC地址，设备C也学习到了设备A和设备B的MAC地址，那就可能得到如下关系：

MAC表的信息其实可以很直观地反映出网络设备之间的物理连接情况，如图3所示，可以很清楚地判断出设备A-设备C-设备B这样的一个连接关系，但是又如何排除设备A和设备B的连接关系呢，首先可以查看设备A有几个端口收到了MAC2和MAC3，如果只有一个端口收到这些信息，那么就可以断定设备A只是和设备C之间有物理上的连接，如果有两个接口都收到了，那么可以查看一下两个接口是否有捆绑，如果有捆绑那么也可以断定设备A只是和设备C之间有物理上的连接，如果两个接口没有做捆绑，那么根据生成树原理来看会出现下面这种情况：

当然遇到这种情况也就可以判定它们的物理连接关系应该就是图4所示了。

最后一种情况，也是最常见的情况，就是二三层混合组网，遇到这样的情况只需要把二层组网和三层组网它们各自计算机网络设备连接关系的方法结合起来就行了。

2.3 拓扑图绘制的方式

拓扑的绘制其实就是按照一定的方式将设备的连接情况呈现出来，以核心为起始点，以星型、金字塔型等方式呈现。

在绘制的过程中可尽量在图中标记出各种信息，如：设备-端口-端口-设备，端口和端口，端口带宽等各种信息，以方便运维人员通过拓扑图便可清晰地了解整个网络的情况，同时也方便在对网络进行优化和扩展时参考。

如下是网络拓扑图呈现的几种方便查看的方式：

3 网络拓扑自动绘制系统简述

网络拓扑图的自动绘制解决了当前人工绘制的各种问题，同时能适应各种复杂网络环境，并且可在拓扑图中根据采集的各种信息标记出来，让拓扑图更具有参考价值，同时后期可关联其他业务系统，完成多种运维工作的自动处理，达到集中化、自动化、智能化、规范化运维支撑效果。

4 结论

随着各行各业的技术不断革新，自动化也成为各个行业的趋势，自动化的方式大大减少人工成本，提高工作效率，同时也容易满足各种标准化的规范，也方便后期维护人员的查询查看。自动拓扑绘制是根据网络中搜集到的各种资源信息，再结合网络相关知识，通过科学、严谨的算法计算出网络设备之间的物理关系或者逻辑关系，再用规范的绘制方式呈现出来。自动拓扑绘制的逻辑已经经过维护人员长期的实践验证，证实可行且准确，通过软件的方式来实现，同样满足良好的扩展性和兼容性，能适应和匹配多个厂商、多种网络结构。

参考文献

[1] 张斌，甘志春，余昌仁.基于NSGA-Ⅱ的复杂网络拓扑优化方法[J].信息工程大学学报，2019，20（5）：532-537.

[2] 宋伟奇，王代远.基于节点优化的无线传感网络拓扑控制方法研究[J].广西民族大学学报（自然科学版），2019，25（3）：80-83.

[3] 张喜涛，吴玲达，于少波.基于多层网络的空间信息网络拓扑结构建模方法[J].计算机应用，2019，39（1）：132-137.