以太网物理拓扑的发现方法

以太网技术是第二层网络技术，其网络发现到目前还没有成熟的技术和方法。现有的网管如ＨＰ ＯｐｅｎＶｉｅｗ无法提供第二层的网络发现，并且各厂家的网管不能互通，如Ｃｉｓｃｏ的ＣＷＳＩ和３Ｃｏｍ Ｔｒａｎｃｅｎｄ等，须采用专用的协议或方法来实现。
目前，运行在第二层的通用协议有ＶＬＡＮ和Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ生成树等，其主要设备是以太网交换机。根据网络的拓扑结构，用以太网交换机组成的ＬＡＮ一般有３种运行模式：运行Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ协议、不运行Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ协议以及混合式。本文以混合模式为例，结合网桥和Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ的基本原理，介绍一种简单的ＬＡＮ物理网络拓扑的发现方法。
为方便讨论，在此假定由以太网交换机组成的ＬＡＮ不支持ＶＬＡＮ技术。将靠近路由器Ｒ１的交换机Ｂ１设为优先级最低的ＤＲＤｅｓｉｇｎａｔｅｄ Ｒｏｏｔ，指定的根。Ｂ１、Ｂ２和Ｂ３形成一个环路，其上运行Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ协议；对于不运行Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ协议的ＬＡＮ，一般成树型结构，不能有闭环连接，如Ｂ１、Ｂ４和Ｂ５为单链路级连，不运行Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ协议。
在ＬＡＮ物理网络拓扑发现以前，网段的网关地址是已知的，如本例中的６１．１４０．２１６．２５４。为方便起见，我们假设所有以太网交换机的治理ＩＰ地址是已知的，即手工加入的，也可通过ＳＮＭＰ协议发现。如图１所示的６１．１４０．２１６．２５３、６１．１４０．２１６．２４５、６１．１４０．２１６．２４６、６１．１４０．２１６．２１５和６１．１４０．２１６．２１９共５台以太网交换机的ＩＰ地址是已知。
为方便说明，本文将网关看作ＬＡＮ的根。两台交换机直连时，将靠近根的交换机称作上游交换机，另一台称作下游交换机。下面论述ＬＡＮ物理拓扑发现的方法。
１ 通过网管向所有交换机发Ｃｌｅａｒ命令，清除交换机上所有的包转发表。
从桥的基本原理得知，以太网交换机动态学习通过它的数据包的ＭＡＣ地址，并生成包转发表，转发表包含了目的ＭＡＣ对应的目的端口号。由于交换机治理ＩＰ地址之间可能会进行一些相互的访问（如ｐｉｎｇ或ｔｅｌｎｅｔ等操作），各个交换机的包转发表比较复杂。为使问题简单化，我们先把各个交换机的包转发表清除掉，让交换机重新学习并生成包转发表，然后继续下面的操作。
２ 利用路由器Ｒ１的ＡＲＰ地址解析协议表，得到所有交换机的治理ＩＰ地址所对应的ＭＡＣ地址以太网物理地址。
为保证ＡＲＰ表包含所有交换机的ＭＡＣ地址，可以执行“ｐｉｎｇ广播地址”命令，如“ｐｉｎｇ ６１．１４０．２１６．２５５假定图１中治理子网的网模为６１．１４０．２１６．１２８”。路由器接收到该命令后，将从目的地６１．１４０．２１６．１２９开始执行ｐｉｎｇ命令，直到６１．１４０．２１６．２５５结束。此时，路由器的ＡＲＰ表是最全、最新的。
３  从各个交换机中获得包转发表并进行分析。
在交换机Ｂ１上，只有通过Ｆ０／２４端口才能到达ＭＡＣ地址为００ｅ０．１ｅｃｅ．１ｂｄ２的交换机或路由器。同理可知到达其他交换机的端口。通过这个简单的方法可以得到以Ｂ１为中心的星型网络结构。但是还存在多个ＭＡＣ地址同一目的端口的情况，如表２中，００９０．０４１６．ｄ８ｆ８ Ｂ５和０８００．４ｅｃｃ．８９ｄ８Ｂ４ 都是通过Ｆ０／１８到达的，这种情况说明存在交换机级连。对交换机Ｂ１而言， Ｂ５和Ｂ４通过同一目的端口Ｆ０／１８，而到网关的端口号是Ｆ０／２４，这说明Ｂ４和Ｂ５是Ｂ１的下游交换机，并且两者级连。
通过分析Ｂ４和Ｂ５交换机上的ＭＡＣ转发表来判定Ｂ４和Ｂ５交换机的连接情况。交换机Ｂ４上的ＭＡＣ转发表见表３ 同样只保留了与交换机治理ＭＡＣ地址有关的条目。
与交换机Ｂ１对应的条目，这是因为发自Ｂ１的治理ＩＰ地址的数据包一般不通过Ｂ４，即上游交换机的数据包一般不通过下游交换机。这样，下游交换机的ＭＡＣ转发表中不会拥有上游交换机的ＭＡＣ转发条目。但每台交换机上都有指向网关的ＭＡＣ转发条目因执行了“ｐｉｎｇ ６１．１４０．２１６．２５５ ”命令。由表３可知，到达交换机８００．４ｅｃｃ．８９ｄ８Ｂ５的目的端口是Ｆ０／２５，而到达００ｅ０．１ｅｃｅ．１ｂｄ２的端口是Ｆ０／２４ 。这说明Ｂ５是Ｂ４的下游交换机， Ｂ４与上游交换机Ｂ１的端口是Ｆ０／２４。根据Ｂ２、Ｂ３和Ｂ５交换机的ＭＡＣ转发表，同理可以判定出Ｂ２、Ｂ３和Ｂ５到上游交换机的端口号，从而得知整个网络的拓扑结构。
４  寻找被Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ隐藏的连接。
由于Ｂ１、Ｂ２和Ｂ３之间运行了Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ协议，Ｂ２的端口Ｆ０／１处于Ｂｌｏｃｋ阻塞状态，采用上述方法无法得知Ｂ２和Ｂ３之间存在物理连接。这时，我们可以利用Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ协议本身的特点来发现Ｂ２和Ｂ３之间的连接。
根据Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ协议，每一个ＳｅｇｍｅｎｔＬＡＮ交换机之间的ＬＡＮ连接存在一个ＤＢＤｅｓｉｇｎａｔｅｄ Ｂｒｉｄｇｅ，指定的桥。与该Ｓｅｇｍｅｎｔ连接的交换机的端口都知道本Ｓｅｇｍｅｎｔ的ＤＢ的ＩＤ识别号，即不同交换机上的端口的ＤＢ ＩＤ相同，说明这些端口连接在同一Ｓｅｇｍｅｎｔ上。如在图１中，可以通过读取交换机的端口参数得知交换机Ｂ３的Ｆ０ ／ １端口的ＤＢ ＩＤ是００３２．０００２．ｂ９ｃｆ．１ａｃ０，交换机Ｂ２的Ｆ０ ／ １端口的ＤＢ ＩＤ同样是００３２．０００２．ｂ９ｃｆ．１ａｃ０，这说明Ｂ２的Ｆ０／１端口与Ｂ３的Ｆ０／１端口直连。通过该方法可以发现运行Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ 协议的网络结构。
假如全网都运行Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ协议，通过该方法可以快速而简单地发现其网络结构。但该方法不能使用在没有运行Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ协议的ＬＡＮ上，所以当ＬＡＮ是混合式时，应综合采用本文所介绍的方法。
事实上，通过ＳＮＭＰ协议同样可以获得上述步骤中的所有信息，从而为实现网管开发提供了条件。此外，笔者为叙述简单起见，在上文中假定由以太网交换机组成的ＬＡＮ不支持ＶＬＡＮ技术。但实际上，上述方法同样适用于支持ＶＬＡＮ技术的ＬＡＮ。因支持ＶＬＡＮ的ＬＡＮ一定存在一个包含所有交换机在内的治理ＶＬＡＮ缺省情况下为ＶＬＡＮ １，我们只需把上述方法针对“ＶＬＡＮ １”进行分析，就可以很轻易地得到这种ＬＡＮ的物理拓扑结构。