網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層連接關(guān)系的發(fā)現(xiàn)研究

柴清 何輝 龔成瑩

【摘要】較之網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，二層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的復(fù)雜性在于以太網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備的透明性。針對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，以實(shí)例的方式，對(duì)直接連接和間接連接這兩種連接方式進(jìn)行分類研究，通過(guò)直接連接定理和間接連接定理，確定出鏈路層設(shè)備的連接關(guān)系。給出了拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)原理與案例說(shuō)明。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)鏈路層;連接關(guān)系;SNMP;TCP/IP

1.引言

大多數(shù)情況下，除了要知道網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還需發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各網(wǎng)段中的設(shè)備及設(shè)備之間的關(guān)系。子網(wǎng)內(nèi)的二層設(shè)備包括主機(jī)、交換機(jī)等。設(shè)備之間的連接關(guān)系包括主機(jī)與交換機(jī)、交換機(jī)與交換機(jī)、交換機(jī)與路由器等其它設(shè)備之間的連接關(guān)系。

較之網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)鏈路層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)更加困難，大部分網(wǎng)絡(luò)管理工具主要還是依賴網(wǎng)絡(luò)層的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。二層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的復(fù)雜性在于以太網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備的透明性（網(wǎng)絡(luò)用戶感覺(jué)不到交換設(shè)備的存在）。鄰居設(shè)備交換信息主要通過(guò)生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol，STP）實(shí)現(xiàn)。交換機(jī)保留MAC地址和接口狀態(tài)（網(wǎng)內(nèi)主機(jī)的MAC地址與交換機(jī)端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系）的主要載體是MAC轉(zhuǎn)發(fā)表（FDB），F(xiàn)DB可以通過(guò)SNMP的Bridge-MIB來(lái)訪問(wèn)?？梢院?jiǎn)單的通過(guò)Bridge-MIB計(jì)算得出設(shè)備之間的物理連接的關(guān)系，但由于Bridge-MIB存在時(shí)間老化、某些二層設(shè)備未配置管理IP導(dǎo)致網(wǎng)管無(wú)法訪問(wèn)以及設(shè)備學(xué)習(xí)不全等情況，導(dǎo)致很難通過(guò)計(jì)算得到一張精確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些問(wèn)題需要采用特有的算法、特定技術(shù)來(lái)解決[1]。

2.鏈路層連接關(guān)系的發(fā)現(xiàn)

圖1是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，包括交換機(jī)節(jié)點(diǎn)和主機(jī)節(jié)點(diǎn)，交換機(jī)之間通過(guò)端口（Port）互聯(lián)，主機(jī)通過(guò)集線器或啞交換與交換機(jī)的端口相連。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以被劃分為網(wǎng)橋的集合B和終端節(jié)點(diǎn)（主機(jī)）集合E，B={A，B，C，D}，E={W，X，Y，Z}。交換機(jī)用不同的端口（Port）把網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備連接起來(lái);通過(guò)集線器（與交換機(jī)A相連）可以將若干臺(tái)主機(jī)轉(zhuǎn)接在交換機(jī)的某個(gè)端口上;啞交換機(jī)（交換機(jī)B與主機(jī)X之間的設(shè)備）指的是是不支持SNMP的交換機(jī)[2]。

圖1 數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)圖

在FDB中，交換機(jī)的每個(gè)端口都可能對(duì)應(yīng)著多個(gè)MAC地址，MAC地址所對(duì)應(yīng)設(shè)備的集合為該端口的轉(zhuǎn)發(fā)集。對(duì)于交換機(jī)C，用FCx來(lái)標(biāo)識(shí)交換機(jī)C的端口x的轉(zhuǎn)發(fā)集，由可知，F(xiàn)C1={A，B，D，W，X，Z}，該集合會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母露兓?，由于FDB還記錄生存時(shí)間，所以FC1還會(huì)隨著時(shí)間而變化，若該轉(zhuǎn)發(fā)集中包含此端口外連接的所有設(shè)備，則稱其為完整的，分析可知，F(xiàn)C1是完整的。

2.1 直接連接定理[3-4]

直接連接：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，并且在它們之間不存在其它設(shè)備。

間接連接：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)其它設(shè)備而連接在一起。

直接連接其實(shí)是間接連接的一種特殊情況。若數(shù)據(jù)包從交換機(jī)A的x端口發(fā)出，中途未經(jīng)任何其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而到達(dá)交換機(jī)B的端口y，稱交換機(jī)A的端口x與交換機(jī)B的端口y之間是直接連接;若中途需經(jīng)由其它的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備才能到達(dá)，稱交換機(jī)A的端口x與交換機(jī)B的端口y之間是間接連接。例如，圖1中交換機(jī)A和B通過(guò)端口1和4直接連接，交換機(jī)A的端口1和交換機(jī)C的端口1之間存在間接連接。

若能判斷交換機(jī)端口間是否存在直接連接，就可以得出網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)之間的互聯(lián)關(guān)系，交換機(jī)和主機(jī)連接關(guān)系的發(fā)現(xiàn)也隨之變的容易了。

圖1中，若FB1和FC1都是完整的，即：FC1={A， B，W，X，D，Z}，F(xiàn)B1={C，Y};則可得到，（N為全集，即圖1中所有的設(shè)備）。

若A、B端口x，y直接連接，那么以連接處為界，可以將網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備劃分成兩部分，一部分A的端口x所對(duì)的一側(cè)，即FAx，另一部分B的端口y所對(duì)的一側(cè)，即FBy。所以，該命題的逆命題同時(shí)也是成立。

直接連接定理[5]：如果FAx和FBy都是完整的，那么交換機(jī)A的端口x和交換機(jī)B的端口y直接相連的充要條件是且。

直接連接方法要求交換機(jī)端口的轉(zhuǎn)發(fā)集是完整的，但是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大的時(shí)候，獲得完整的轉(zhuǎn)發(fā)集幾乎是不可能的。這時(shí)，上述方法就不再適用了。

2.2 間接連接定理

為克服上述缺點(diǎn)，參考文獻(xiàn)[6]中提出了一種能夠利用不完整的轉(zhuǎn)發(fā)集來(lái)判斷交換機(jī)直接連接的方法。該方法的基本思想是：利用反證法，排除不可能的連接關(guān)系。

圖2 交換機(jī)A與交換機(jī)B連接關(guān)系

圖2中，假設(shè)交換機(jī)A和B通過(guò)某兩個(gè)端口間接連接，然后判斷該連接是否與交換機(jī)A、B的FDB中已有信息相矛盾，若不矛盾，則這個(gè)連接是可能存在的，若矛盾，則該連接不存在。圖2所示的網(wǎng)絡(luò)連接中，A、B交換機(jī)的連接關(guān)系有6種，如圖3所示。

假設(shè)交換機(jī)A的端口1和交換機(jī)B的端口1間接相連，即圖3的第一種情況。如前文所述，由于STP的作用，網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)連接將連成樹狀結(jié)構(gòu)，不存在環(huán)路。因此，該網(wǎng)絡(luò)可以分為三部分，第一部分是交換機(jī)A的端口2和3所連接的設(shè)備;第二部分是交換機(jī)B的端口2所連接的設(shè)備;第三部分是交換機(jī)A、交換機(jī)B以及位于二者之間的設(shè)備，實(shí)際上，第一部分是，第二部分是FB2，這兩部分不應(yīng)該有交集，但是，這與交換機(jī)A的端口1和交換機(jī)B的端口1相連矛盾。事實(shí)上，除了有間接連接的兩個(gè)端口以外，兩個(gè)交換機(jī)上的不同端口的轉(zhuǎn)發(fā)集不應(yīng)該有相同的元素，否則，相當(dāng)于一個(gè)設(shè)備同時(shí)存在于網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)不同的位置，這顯然是不合理的。圖3中，只有第五種情況下沒(méi)有出現(xiàn)矛盾，其它5種情況均有矛盾。所以，實(shí)際情況是交換機(jī)A的端口1和交換機(jī)B的端口2相連。

圖3 交換機(jī)A與交換機(jī)B的連接關(guān)系

在交換機(jī)端口的轉(zhuǎn)發(fā)集不完整的情況下，可以利用上述方法來(lái)判斷交換機(jī)之間的連接關(guān)系，參考文獻(xiàn)[6]中給出了可以利用該方法得出交換機(jī)連接關(guān)系的最小要求，即間接連接定理。