廖飛，龍永新，鐘海

（湖南工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湖南株洲412007）

一種基于NetMagic的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法

廖飛，龍永新，鐘海

（湖南工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湖南株洲412007）

對(duì)NetMagic網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行研究，提出了一種基于NetMagic的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法。介紹了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法原理，定義探測(cè)和響應(yīng)報(bào)文在以太網(wǎng)幀中的封裝格式，在簡(jiǎn)單拓?fù)浜蛷?fù)雜拓?fù)淝闆r下對(duì)本算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的邏輯可行性和有效性。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)；互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；NetMagic

0 引言

隨著新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的爆炸式發(fā)展，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的局限性越來越突出。一直以來，路由器和高性能交換機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)是“思科”“華為”“中興”等國(guó)內(nèi)外大型通信企業(yè)的核心技術(shù)，其系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和處理流程一般不對(duì)外公開。商業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商因考慮自身利益而導(dǎo)致的封閉性，已成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展的最大障礙。

互聯(lián)網(wǎng)科學(xué)作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，是在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)，是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究和創(chuàng)新最有效和最具說服力的手段。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是互聯(lián)網(wǎng)研究的基本方法，而現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)缺乏靈活的實(shí)驗(yàn)機(jī)制。因此，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)和新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究創(chuàng)新，都需要一個(gè)開放和靈活的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。

NetMagic[1-2]是近年來推出的面向網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究和教學(xué)的一種可編程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。因其具有靈活性強(qiáng)、可重構(gòu)等特性，使得基于NetMagic的開發(fā)和研究日益受到廣泛關(guān)注。其可適用于很多領(lǐng)域，如網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、專用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)科研等。NetMagic實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的是新型部分可編程交換機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)，將商用以太網(wǎng)交換芯片和大容量FPGA（fieldprogrammable gate array）有機(jī)結(jié)合，能提供高端口密度下報(bào)文線速交換轉(zhuǎn)發(fā)能力和豐富的工作模式配置，有效支持用戶自定義報(bào)文處理邏輯集成。而軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software define networking，SDN）是Emulex一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)。其核心技術(shù)是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，為核心網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用的創(chuàng)新提供了良好的平臺(tái)。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的核心內(nèi)容之一。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)是指通過網(wǎng)絡(luò)中各元素（路由器、交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)和終端主機(jī)等）和通信線路確定網(wǎng)絡(luò)元素之間的互連關(guān)系。因此，針對(duì)小規(guī)模局域網(wǎng)，本文對(duì)NetMagic網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行研究，提出了一種基于NetMagic的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法。本文以軟件定義網(wǎng)絡(luò)思想的控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)的設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)算法。通過對(duì)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本算法的邏輯可行性和有效性。

1 SDN原理介紹

軟件定義網(wǎng)絡(luò)由于能支持新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，而得到廣泛發(fā)展[3]。在學(xué)術(shù)界，美國(guó)GENI、Internet2[4]、歐洲OFELIA和日本的JGN2plus[5]先后開展了對(duì)SDN的研究和部署，IETF（internet engineering task force）, ITU（international telecommunication union）, ETSI（european telecommunications standards institute）等標(biāo)準(zhǔn)組織也開始關(guān)注SDN，討論SDN在各自領(lǐng)域可能的發(fā)展場(chǎng)景和架構(gòu)應(yīng)用。

圖1為軟件定義網(wǎng)絡(luò)原理圖。圖中，網(wǎng)絡(luò)控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面相分離。網(wǎng)絡(luò)控制邏輯和狀態(tài)被轉(zhuǎn)移到一個(gè)集中控制器上，因此，網(wǎng)絡(luò)控制平面（SDN控制器）能以一個(gè)全局網(wǎng)絡(luò)的視野去管理和控制網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面（SDN交換機(jī)）只專注于報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。SDN控制器通過配置SDN交換機(jī)中的規(guī)則表來控制交換機(jī)的行為，和SDN交換機(jī)之間通過特定的通信協(xié)議傳遞消息。也就是說，SDN控制器相當(dāng)于人的大腦，SDN交換機(jī)類似于人的手腳和肌肉，整個(gè)思想活動(dòng)全由SDN控制器控制，SDN交換機(jī)根據(jù)SDN控制器下發(fā)的特定指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作行為，其行為完全是傻瓜式的狀態(tài)[6-7]。

本文所提算法就是采用上述思想。通過SDN控制器來定義SDN交換機(jī)的存儲(chǔ)和行為。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)過程中，只需對(duì)NetMagic平臺(tái)內(nèi)部的FPGA編程，將其配置成SDN交換機(jī)即可（如何通過FPGA編程將硬件配置成SDN交換機(jī)在此不詳細(xì)講述）。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法中的探測(cè)過程采用主動(dòng)探測(cè)，發(fā)現(xiàn)過程工作在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層之上。主動(dòng)探測(cè)是指探測(cè)節(jié)點(diǎn)為獲取拓?fù)湫畔⒅鲃?dòng)向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送路徑探測(cè)包，并通過收集到的返回信息，分析網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最終形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?duì)于小規(guī)模局域網(wǎng)來說，一般是數(shù)據(jù)鏈路層的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。其主要利用ARP（address resolution protocol）協(xié)議。本課題組采用自主開發(fā)的一套NMAC（NetMagic access and control protocol）協(xié)議，將探測(cè)信息封裝在以太網(wǎng)幀中，而后在軟硬件之間進(jìn)行通信。

本文以SDN思想的控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)的設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)算法。以圖2所示的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為例，對(duì)算法進(jìn)行描述。本實(shí)驗(yàn)共有3臺(tái)PC機(jī)和4臺(tái)NetMagic網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。1臺(tái)PC機(jī)充當(dāng)SDN控制器，主要功能為向NetMagic下發(fā)拓?fù)涮綔y(cè)報(bào)文、處理生成的響應(yīng)報(bào)文和生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另外2臺(tái)PC機(jī)作為連接在網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備，目的在于模擬網(wǎng)絡(luò)中的真實(shí)環(huán)境，其是否接入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，不影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。通過硬件邏輯設(shè)計(jì)，將4臺(tái)NetMagic配置成SDN交換機(jī)，其對(duì)控制器下發(fā)的拓?fù)涮綔y(cè)報(bào)文進(jìn)行處理，每個(gè)交換機(jī)的功能和行為完全相同。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.2The network topology discovery experiment environment

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，SDN交換機(jī)以報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)為基礎(chǔ)，內(nèi)部并不含CPU，不運(yùn)行任何操作系統(tǒng)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的應(yīng)用，還需要一臺(tái)外部主機(jī)對(duì)NetMagic的FPGA進(jìn)行編程配置。外部主機(jī)利用自主開發(fā)的NMAC協(xié)議，通過以太網(wǎng)報(bào)文的形式傳到NetMagicFPGA的管理配置接口，然后由NetMagicFPGA對(duì)這些命令和配置報(bào)文進(jìn)行解析，改變NetMagic的轉(zhuǎn)發(fā)行為。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法的具體流程如下：

1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)開始。SDN控制器首先向1號(hào)交換機(jī)發(fā)出跳數(shù)為0的拓?fù)涮綔y(cè)報(bào)文，1號(hào)交換機(jī)收到跳數(shù)為0的探測(cè)報(bào)文后，生成響應(yīng)報(bào)文并返回至控制器。

2）根據(jù)返回報(bào)文，SDN控制器配置目的Mac地址表，并將其發(fā)送給1號(hào)交換機(jī)。

3）SDN控制器發(fā)送一個(gè)跳數(shù)為1的拓?fù)涮綔y(cè)報(bào)文，1號(hào)交換機(jī)發(fā)現(xiàn)報(bào)文的跳數(shù)為1，將該報(bào)文跳數(shù)減1并附上自己本機(jī)ID號(hào)和輸出端口號(hào)后廣播。

4）交換機(jī)2號(hào)、3號(hào)收到跳數(shù)為0的報(bào)文，生成響應(yīng)報(bào)文并返回至控制器。SDN控制器收到2號(hào)、3號(hào)交換機(jī)的返回報(bào)文，將配置目的Mac地址表發(fā)送至2號(hào)、3號(hào)交換機(jī)。

5）SDN控制器發(fā)送一個(gè)跳數(shù)為2的拓?fù)涮綔y(cè)報(bào)文，1號(hào)交換機(jī)判斷報(bào)文跳數(shù)為2，對(duì)報(bào)文跳數(shù)減1后直接進(jìn)行廣播轉(zhuǎn)發(fā)；2號(hào)、3號(hào)交換機(jī)收到跳數(shù)為1的報(bào)文，其發(fā)現(xiàn)報(bào)文跳數(shù)為1，將報(bào)文跳數(shù)減1并附上自己本機(jī)ID號(hào)及輸出端口號(hào)后廣播。

6）交換機(jī)4號(hào)收到跳數(shù)為0的報(bào)文，將響應(yīng)報(bào)文返回至SDN控制器。SDN控制器收到4號(hào)交換機(jī)的返回報(bào)文后，將配置目的Mac地址表發(fā)送至4號(hào)交換機(jī)。

7）SDN控制器再發(fā)送一個(gè)跳數(shù)為3的拓?fù)涮綔y(cè)報(bào)文。各交換機(jī)重復(fù)上述工作，最后控制器發(fā)現(xiàn)沒有返回的響應(yīng)報(bào)文，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)過程結(jié)束。

下面對(duì)本算法作如下幾點(diǎn)說明：

1）廣播是指向連接交換機(jī)的所有活躍端口發(fā)送報(bào)文（接收到此報(bào)文的輸入端口除外，活躍端口指的是已經(jīng)連通且能夠通信的端口）。

2）根據(jù)算法設(shè)計(jì)，需要定義2類報(bào)文，并將NMAC命令進(jìn)行以太網(wǎng)報(bào)文封裝。報(bào)文定義和封裝格式如下。

定義1拓?fù)涮綔y(cè)報(bào)文是目的Mac地址全為1，Type類型為0x09，協(xié)議號(hào)為253的NMAC報(bào)文。

探測(cè)報(bào)文在以太網(wǎng)報(bào)文中的封裝格式見圖3。

圖3 探測(cè)報(bào)文封裝格式Fig.3The detecting packet message encapsulation format

定義2響應(yīng)報(bào)文是攜帶本機(jī)ID號(hào)，Type類型為0x10，port為收到跳數(shù)為0的輸入端口號(hào)，F(xiàn)lag為SDN交換機(jī)是否連接其它設(shè)備標(biāo)識(shí)的NMAC報(bào)文。

響應(yīng)報(bào)文在以太網(wǎng)報(bào)文中的封裝格式見圖4。

圖4 響應(yīng)報(bào)文封裝格式Fig.4The response packet message encapsulation format

在圖3和圖4中，加顏色部分為NMAC報(bào)文，規(guī)定NMAC協(xié)議號(hào)為253，從圖中可以看出每個(gè)字段的位寬。

3 仿真分析

Jade（Java agent development framework）是一種人工智能，其agent可以用來模擬交換機(jī)之間的邏輯關(guān)系。為論證本拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法的邏輯可行性和有效性，利用Java語(yǔ)言構(gòu)造了不同的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行仿真測(cè)試。

3.1 仿真方案設(shè)計(jì)

仿真方案如下。

1）交換機(jī)的功能有：記錄探測(cè)報(bào)文從“父節(jié)點(diǎn)”（上一個(gè)節(jié)點(diǎn)）進(jìn)來的端口號(hào)（一般為1號(hào)端口）；當(dāng)接收到跳數(shù)為0的探測(cè)報(bào)文時(shí)，發(fā)出響應(yīng)報(bào)文。

2）初始化。初始化交換機(jī)的的層數(shù)為一個(gè)充分大的值（如256）。若收到的探測(cè)報(bào)文中的Req_Seq/ Ack_Seq域的值小于自己當(dāng)前的層數(shù)，則更新交換機(jī)的層數(shù)，并記錄報(bào)文進(jìn)入的端口號(hào)， 該端口將作為自己通往“父節(jié)點(diǎn)”的端口。

3）響應(yīng)機(jī)制。

①當(dāng)交換機(jī)收到的探測(cè)報(bào)文跳數(shù)大于1時(shí)，將跳數(shù)減1，然后向所有活躍端口（除了收到報(bào)文的端口）轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。

②當(dāng)交換機(jī)收到的探測(cè)報(bào)文跳數(shù)等于1時(shí)，構(gòu)造新的探測(cè)報(bào)文，將本交換機(jī)的ID號(hào)和Port端口號(hào)添加到新的探測(cè)報(bào)文當(dāng)中，并將跳數(shù)減1，然后向所有活躍端口（除了收到報(bào)文的端口）轉(zhuǎn)發(fā)出報(bào)文。

③當(dāng)交換機(jī)收到的探測(cè)報(bào)文跳數(shù)等于0時(shí)，分為3種情況：

情況一Req_Seq/Ack_Seq中的值大于自己當(dāng)前層數(shù)，則層數(shù)加1，丟棄報(bào)文；否則跳轉(zhuǎn)到情況二。

情況二構(gòu)造響應(yīng)報(bào)文。將收到的報(bào)文添加Dest_ID號(hào)和Dest_Port端口號(hào)，并將自己的ID號(hào)和收到報(bào)文的端口號(hào)分別寫入Src_ID和Src_Port中，然后將響應(yīng)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給“父節(jié)點(diǎn)”。

情況三當(dāng)收到的報(bào)文為響應(yīng)報(bào)文，直接向“父節(jié)點(diǎn)”轉(zhuǎn)發(fā)，直到返回給控制器。

3.2 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證了所提算法的邏輯可行性和有效性，本文進(jìn)行了2組測(cè)試實(shí)驗(yàn)，即算法在簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的運(yùn)行情況。簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖5所示。通過Java語(yǔ)言編寫算法程序，從各個(gè)節(jié)點(diǎn)收集拓?fù)湫畔?，歸類整理，再調(diào)用畫圖軟件繪出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。從圖5可以看出，算法仿真得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和本文真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境完全相同。

圖5 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.5The topology diagram

圖6是圖5的仿真結(jié)果過程圖。虛擬機(jī)軟件VMware平臺(tái)上有個(gè)sniffer可以進(jìn)行全局抓包，能夠看到控制器與各個(gè)交換機(jī)之間的報(bào)文交換過程。從圖中可以看出，報(bào)文交換過程完全與本文算法預(yù)期的報(bào)文發(fā)送過程一樣。該仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提算法的邏輯可行性和有效性。

圖6 仿真結(jié)果過程圖Fig.6The simulation results

圖7～9是3種復(fù)雜情況下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。從3個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中都可以得到本機(jī)ID號(hào)、本機(jī)連父的端口號(hào)、父ID號(hào)和父連本機(jī)的端口號(hào)這些關(guān)鍵的拓?fù)湫畔ⅲㄟ^這些信息可以獲得全網(wǎng)交換機(jī)和控制主機(jī)的拓?fù)鋱D。進(jìn)一步驗(yàn)證了所提算法的邏輯可行性和有效性。

圖7 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖aFig.7The topological diagram a

圖8 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖bFig.8The topological diagram b

圖9 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖cFig.9The topological diagram c

4 結(jié)語(yǔ)

本文以SDN思想的控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)的設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，提出了一種新型的基于NetMagic的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法。先對(duì)算法進(jìn)行了描述，定義了探測(cè)和響應(yīng)報(bào)文在以太網(wǎng)幀中的封裝格式，并通過軟件對(duì)算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提算法的邏輯可行性和有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該算法通過本機(jī)ID號(hào)、本機(jī)連父的端口號(hào)、父ID號(hào)和父連本機(jī)的端口號(hào)關(guān)鍵四元組拓?fù)湫畔?，可以主?dòng)探測(cè)獲得全網(wǎng)交換機(jī)和控制器主機(jī)之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)視圖。

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（責(zé)任編輯：鄧彬）

A Netmagic-Based Network Topology Discovery Algorithm

Liao Fei，Long Yongxin，Zhong Hai
（School of Computer and Communication，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Investigates the NetMagic network experiment platform, and proposes a network topology discovery algorithm based on NetMagic. Describes the principle of network topology discovery algorithm defines the encapsulation format ofdetection and response packets in an Ethernet frame, and simulates the algorithm in the cases of simple topology and complex topology. The simulated result verifies the logic feasibility and effectiveness of the algorithm.

network topology discovery；internet technology；NetMagic

TP393

A

1673-9833(2014)05-0084-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.05.017

2014-07-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61170102，61350011），湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11JJ3070），湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)課題基金資助項(xiàng)目（12JJ2036），湖南省自然科學(xué)面上課題基金資助項(xiàng)目（14JJ2115），湖南省教育廳科研基金資助項(xiàng)目（12A039），湖南工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX1404）

廖飛（1988-），男，湖南常德人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)，E-mail：loveuliaofei@126.com

龍永新（1966-），男，湖南益陽(yáng)人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事智能信息處理和數(shù)字圖像處理方面的教學(xué)與研究，E-mail：1525127621@qq.com