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1、基于源地址过滤的物理连接测试方法江懿 北京邮电大学计算机科学与技术学院，北京（100876） E-mail：摘要：当前，许多大型的分布式网络广泛应用在监测和数据采集中，这类网络由于成本， 技术的原因，大多利用现有的以太网技术完成数据的传输。在网络中，每个节点往往是具有 二层交换功能的智能设备。在进行物理连接测试时，传统的基于地址转发表的物理连接测试 方法效率并不高。本文提出了一种利用交换芯片的源地址过滤功能，通过记录其他节点到某 节点的路径信息，通过逆向学习进行物理连接测试的方法。 关键词：物理连接测试，源地址过滤, 逆向学习 路径分析。中图分类号：TP3931.引 言在网络运行和管理中，很多
2、时候需要知道网络的物理连接情况。长期以来，对网络层的 物理连接测试已经有了很多成熟的方法。但对网络二层以下的物理连接测试还没有一种比较 完善的方法1。现在普遍采用的物理连接方法都是基于分析网络中交换节点的地址转发表的方法。这类 对于一般网络具有普遍性，但是该算法一般比较复杂。尤其是当以太网规模较大时，分析起 来比较困难。对一些封闭运行，且物理连接经常变化的网络，基于地址转发表的物理连接测 试方法效率并不高。在这样的网络中，每个节点都是具有交换功能的嵌入式智能节点。对于 这样的网络，本文提出了一种利用节点中交换芯片的源地址过滤功能，采用路径分析的方法 进行网络的物理连接测试，原理简单，实现容易。
3、2.传统的物理连接测试方法传统的以太网的物理连接测试方法主要是通过SNMP网管协议获得交换机的地址转发 表2，分析地址转发表中的元组，从而获得交换机的连接关系。基于地 址转发表的方法首先要求交换机中的地址转发表是完整的。实际上，在网络中，由于不能保 证每个节点都进行通信，所以很难保证地址转发表的完整性。另一方面，交换机中的地址转 发表有一个更新时间，即该表中元组的存在时间是有限制的，一旦超时 后，地址转发表要进行更新，某些元组会失效，会损失地址转发表的完 整性。虽然现在也有学者提出了对地址转发表完整性依赖较低的方法3，如在进行物理连接测 试之前做一些预处理，如对交换机进行ping操作等来增加地
4、址转发表的完整性，但这样会影 响物理连接测试的效率，实现起来也往往比较复杂。而且这些方法很多都要求网络比较稳定（即网络拓补的变化很小），增加了实现的复杂度。 另一方面，传统的物理连接测试方法因为考虑到网络的普遍性，所以算法往往比较复杂。而一些专用的，封闭运行的数据采集，监控网络因其自身的特点，网络结构往往简单，或者 网络拓补经常在变动，用传统的物理连接测试方法就有杀鸡用牛刀之嫌。有必要对这样的网 络采用一种更简单的物理连接测试方法。- 5 -3.基于源地址过滤的物理连接测试方法详述3.1适用的网络基于源地址过滤的方法适用于分布式的嵌入式交换网络。这种网络通常由若干节点组成 一个以太网。网络中每
5、个节点是一个由嵌入式处理器控制的智能设备。节点具有二层交换功 能，内部通常有一个交换芯片用于完成和其他节点连接起来。网络中节点的物理位置不是固 定不动的，而是经常变动。为了方便对节点管理，定位故障位置，需要实时监控网络的物理 连接情况。3.2需要的支持条件利用源地址过滤功能，还需要结合采用路径分析。用源地址进行物理连接测试的方法 必须使从某个节点发出的记录路径的帧能被每个节点收到，使得每个节点能对这个帧进行 处理。这就要求节点中交换芯片具有能将来自某个 MAC 地址的帧截住而不是立即交换出 去。所谓源地址过滤功能，是指交换芯片在工作时收到一个以太网帧，不仅查看目的地址， 还要查看源地址。如果将
6、某个 MAC 地址设置成源地址过滤模式，则无论目的地址是哪里， 只要源地址是这个 MAC 地址，交换芯片都不会将这个帧立即交换出去。使用交换芯片提供 的这个功能，就能对来自某个源地址的帧进行处理，例如记录这个帧的传送的路径等。此外， 为了对交换芯片进行操作，要求交换芯片必须提供控制接口，使得上层软件可以通过这个控 制接口设置要过滤的源地址。除了交换芯片要提供源地址过滤功能及相应控制接口外，还需要有上层软件支持。该软 件除了能设置要过滤的源地址外，还要能够解析记录路径的帧，能加上本地 MAC 地址和端 口。并且能从指定端口发出去。3.3路径分析原理描述使用源地址过滤功能进行物理连接测试方法时，采
7、用的路径分析原理非常简单。通过 对帧中记录的路径进行逆向分析，可以获得网络中所有节点到某个节点的路径，建立起网 络的物理连接结构。为记录路径，需要选取一个节点作为进行路径分析的终点节点，称为 根节点，只需要知道各节点到根节点的路径，就能得到网络的物理连接情况。各节点将根 节点的 MAC 地址设置成源地址过滤模式，各节点收到源地址为根节点的路径帧后，加上本 节点的 MAC 地址和接收端口，将路径帧返回给根节点。根节点收到各节点发回的路径帧， 逆序分析就可以得到根节点到各节点的路径，从而建立起网络的物理连接情况。为了描述的清楚，需要先进行一些定义。z节点：网络中的设备，在拓补中表示为一个节点；z根
8、节点：进行网络拓补发现的终点节点，接收各节点发出的路径帧；z源发送节点：向根节点发出路径帧的起始节点；z路径帧：记录路径的帧。 具体流程：1.根节点向各个节点广播一个命令帧，调用节点对交换芯片的控制接口，告诉交换 芯片要设置成源地址过滤模式的 MAC 地址；2.根节点延迟一段时间，以保证各节点设置源地址过滤模式完成后，发出广播，使各节点向根节点发回路径帧；3.路径帧每经过一个节点，因为被设置为源地址过滤模式，所以该帧被截留，向上 层软件提交，上层软件查看帧中数据部分，在数据部分后加上本节点 MAC 地址 和接收的端口号，将该帧发回到根节点；4.根节点收到路径帧后，不再转发。通过对路径帧的数据部
9、分进行逆序分析，就能 找出从根节点到各节点的路径，从而建立起网络的拓补结构；4.基于源地址过滤的物理连接测试方法的应用根节点AB CDE FG图 1：一个分布式数据采集网络物理连接简图上图所示为一个分布式的数据采集网络的物理连接图。在该网络中，每个节点都是一个 嵌入式的采集设备，全部节点组成了一个以太网。节点具有交换功能，通过网线和节点中的 交换芯片连接起来。该网络某时刻的物理连接情况如上图所示。在网络中，有一个节点富足 管理其他所有节点，将该节点选为物理连接测试的根节点。此时，根节点需要知道整个网络 的物理连接情况。如果根节点不知道网络中所有节点的 MAC 地址，可以先发出一个广播帧， 每个
10、节点返回响应帧，根节点查看响应帧的源地址，就可以知道每个节点的 MAC 地址。根节点知道每个节点的 MAC 地址后，就可以开始采用路径分析的方法发现网络拓补结 构。流程见下图：根节点 节点 1 节点 N广播 ，设置源地 址过滤模式 延迟 一段时间 广播命令 ，使各节点 发回路 径帧 发出路径帧 记 录本节点 的 M A C 地 址，端口 加入本 节点的 M A C 地址和 接收端口 号， 发回根节点 节点返回路径信息 图 2：物理连接测试方法流程图首先根节点广播一个帧，其中包含要设置为源地址过滤模式的 MAC 地址的集合。当非根节点收到这个帧后，将帧中的 MAC 地址设置为源地址过滤模式。为了
11、保证每个节点都设 置好源地址过滤模式，根节点可以延迟一段时间后，广播命令，让各节点发出路径帧。非根节点向根节点发回路径帧。以 G 节点为例，在路径帧中首先填上自己的 MAC 地址（为简便起见，以字母 G 代替）。作为源发送地址，其后的端口号固定为 0。如下所示：G 0图 3: G 节点发出的路径信息帧数据部分G 节点广播发出该路径帧，首先从 E 节点的端口 2 到达 E 节点，由于将 G 节点的 MAC 地址设置成了源地址过滤模式，所以 E 节点截住该帧，提交给上层管理软件处理。上层管 理软件在帧中数据部分 G 节点信息后加上 E 的 MAC 地址和接收该路径帧的端口号后，将 该路径帧返回给根
12、节点。该路径帧如下所示：G0E2图 4：E 节点发出的路径信息帧数据部分A 节点也同样处理，最后根节点从端口 1 收到该响应路径帧如下：G0E2A3图 5：A 节点发出的路径信息帧数据部分根节点从后往前分析就知道：根节点的 1 端口连有 A 节点，A 节点的 3 端口连有 E 节 点，E 节点的 2 端口连接有 G 节点。根节点接收到每个节点返回的路径信息后，从根节点 开始，无需任何算法，就能建立起网络中的整个物理连接情况。5.基于源地址过滤的物理连接测试方法的优点和局限传统的采用分析地址转发表的方法需要网络中交换节点运行 SNMP 协议。但是并非所 有的交换节点都支持和开放 SNMP 协议，
13、尤其是在一些以嵌入式设备组成的网络中。在这 些网络中的嵌入式设备因为成本，功耗等因素，可能不支持 SNMP 协议，而只提供很简单 的控制功能。这样的话，采用分析地址转发表的方法就会遇到困难，例如可能拿不到节点的 MIB 库，得不到交换机的地址转发表；另一方面，作为根节点的设备可能并不具备很强大 的处理能力，用分析地址转发表的方法实现起来往往需要大量的存储空间，实现起来可能就 比较困难。基于源地址过滤的物理连接测试方法不需要什么复杂的算法，根节点只要根据路 径信息（路径上节点的 MAC 地址，以及转发的端口），按顺序就能建立其网络的物理连接 情况。基于源地址过滤的物理连接测试方法可以针对某个节点
14、，某些节点找出其物理连接位 置。传统的基于地址转发表分析的方法是对全网物理连接情况进行分析发现。当需要获得那 些经常变动位置的节点的拓补信息时，采用路径分析的方法发现拓补速度较快。基于源地址过滤的物理连接测试方法最主要的优点是消除了对地址转发表的依赖。采用 该测试方法不需要地址转发表的完整。根节点只需要知道需要确定拓补位置的节点的 MAC 地址，能过滤某个 MAC 地址即可，不需要保证地址转发表的完整性。而且，采用路径分析， 不受地址转发表更新的影响。基于源地址过滤的物理连接测试方法也有很大的局限性。首先要求网络中没有回路。为 了保证网络中不存在物理回路，一个方法是在铺设网络时保证没有物理回路
15、；其次是采用生成树协议。生成树协议（spanning tree）是一个运行在数据链路层上的协议。生成树协议的主要用途是消除网络中的回路。当交换芯片支持生成树协议时，可以保证网络中没有回路。 其次，也是最主要的，需要交换芯片提供源地址过滤功能。因为二层交换对高层是透明的， 如果不支持源地址过滤功能，只要源地址不是本节点的 MAC 地址，会被立即交换出去，这 样的话就无法记录根节点到某个节点的路径信息。除了交换芯片提供源地址过滤功能外，还需要运行在其上的管理软件，能简单的处理收 到的帧的数据部分，即能加上本站的 MAC 地址和接收的端口号。这要求每个有交换功能的 节点都要运行这样的管理软件。这在一
16、般的网络中比较难做到，但在一些封闭的嵌入式交换 网络中就可以很容易做到。6.结论本文给出了基于源地址过滤，分析路径的物理连接测试方法进行网络物理连接测试。该 方法的基础是网络中交换节点的源地址过滤功能，主要算法是找出到某个节点所经过的路 径，从而逆向分析出网络物理连接结构。这类分布式监测，数据采集网络通常是封闭运行， 拓补经常变动。操作人员需要经常知道网络的物理连接情况。对这样的网络。采用基于源地 址过滤的物理连接方法，具有原理简单，实现容易的特点。如何在通用的以太网上采用基于 路径分析的方法获得网络拓补还有待进一步研究。参考文献1 张国强，张国清，李仰耀物理网络拓扑发现算法的研究和系统实现J
17、，小型微型计算机系统2006.1 27（第 1 期）：13-152 吴海峰，张月琳 基于 SNMP 的网络拓补发现算法J，大连理工大学学报 2005.10 45（增 刊）：65-683 孙延涛，吴志美，石志强 基于地址转发表的交换式以太网拓补发现方法J，软件学报 2006.1217（第 12 期）：2565-2576A Method of Physic Link TestingBased on Source Address FiltrateJiang YiBeijing University of Posts and Telecommunications，Beijing （100876）Abs
18、tractNowadays, many large scale distribute networks have been widely used in supervising and data collecting. For some reasons of cost and technology, these networks are based on Ethernet technology. The nodes in the networks are intelligent devices which have functions of physical switching. To tes
19、t the physical link, the traditional method is based on analyzing address table. However the efficiency is low. This paper designs a new method which is on the function of source address filtrate of the nodes. By recording the route from a node to all the other nodes and reverse studying, the method could test the physical link of the networks.Keywords: physical link test, source address filtrate, reverse studying, route analyzing.