一种基于LLDP的链路层拓扑发现系统的开发实现

庞振源

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068）

【摘　要】LLDP(Link Layer Discovery Protocol,链路层发现协议)是一种标准的、公开的链路层网络拓扑信息交换协议，目前已经得到了主流网络设备商的支持。LLDP协议自身已经实现了链路层的拓扑发现功能，是该问题的理想解决方案。从网络运维人员的日常需求出发，基于LLDP开发了一个轻量级的拓扑发现系统，并详细介绍了系统的实现过程，为基于LLDP的应用程序的实现提供参考。

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关键词 拓扑发现；LLDP；轻量级

0　引言

数据链路层网络拓扑是指以太网络中，以交换机为主的网络节点之间在数据链路层的连接关系，它反映了网络节点之间真实的物理连接拓扑。在网络运维工作中，内网拓扑结构的核实与确认是一个常见且重要的问题，因为它与故障定位、网络安全防护息息相关。思科公司最早推出了思科发现协议[1](Cisco Discovery Protocol,CDP)，然而它是内置在网络设备内部的私有协议，与其它平台不具备兼容性；基于交换机地址转发表的拓扑发现技术[2]解决了兼容性问题，然而这种技术算法非常复杂，且要求采集到的数据具有一定的完整性。链路层连接协议(Link Layer Discovery Protocol, LLDP)的发布意味着这个问题已经得到解决。LLDP的功能与CDP类似，拓扑关系的识别和维护由协议来实现，应用程序只需对拓扑信息进行提取即可；而且LLDP是公开的标准化的协议，不存在兼容性问题。

1　LLDP分析

LLDP提供了一种标准的拓扑沟通机制，可以将本端设备的的主要能力、管理地址、设备标识、接口标识等信息按照TLV（Type/Length/Value，类型/长度/值）的结构进行组织，并封装在以太网帧中发布给邻居设备。所有设备在收到这些信息后将其以标准MIB（Management Information Base，管理信息库）的形式保存起来，以供网络管理系统查询及判断链路的通信状况。LLDP的框架结构如图1所示[3]。

由图1可见，PTOPO MIB、Entity MIB、Interface MIB以及Other MIB这四个MIB 库分别对应物理拓扑MIB、实体MIB、接口MIB 和其他MIB。LLDP 模块通过与设备上的这些MIB的交互来更新自己的LLDP local system MIB库以及自己定义的 LLDP扩展MIB，然后通过 LLDP帧将自己的相关信息通过连接到远端设备的接口，发送给远端设备。

同时，它接收远端设备发来的LLDP 帧来更新 LLDP remote system MIB库。通过更新和维护这个 MIB 库，设备就知道自己邻接设备的信息，包括本地端口、连接的对端设备的接口、对端接口MAC 地址等等。

2　系统分析与设计

2.1　需求分析

网络管理员在日常工作中经常会遇到这样的问题：内网的整体框架、网络设备台账都是已知的，只需要对局部的详细拓扑进行快速的核实确认。在极少数网络环境发生较大变更的情况下，在网络设备台账、网络整体架构等基础信息都不完整时，也需要对拓扑结构、设备台账等信息进行提取和整理。

因此，网络管理员需要这样一种网络拓扑发现系统：在指定了网络设备IP时，它能够快速、灵活地进行拓扑关系提取和展现；而在仅给出IP地址区间时，它能够对网络中的设备类型进行识别，发现网络拓扑，并整理出设备与主机的台账。

2.2　系统架构

系统的整体架构如图2所示。

系统分为展现层、逻辑层和数据层。数据层与网络设备进行交互，采集原始数据；逻辑层是系统的核心层，它对原始数据进行运算处理，得到拓扑信息；展现层以图形化的方式对拓扑关系进行表达。

2.3　数据结构

系统的主要数据结构可归纳为表1。

拓扑关系（L2Link）包含4个要素：本地IP、本地接口和对端IP、对端接口，它由逻辑层对LLDP数据进行计算处理得到。另外，系统还需要几个全局列表。IP/设备名映射表（ipNameMap）用于根据设备名查找设备IP。系统输入（input）是用户输入的一系列IP或子网地址列表。有效IP地址列表（validIpList）是由输入计算得到的有效的IP地址列表；在线IP地址列表（onlineIpList）是对有效IP地址列表进行轮询Ping操作后得到，通过这个环节可以剔除掉未使用的IP；交换机列表（switchList）和主机列表（hostList）是系统的输出。

系统需要从网络设备中提取的原始数据可归纳如表2所示。

LLDP信息的定义位于LLDP MIB中的lldpRemTable，这些字段描述了对端设备的信息。测试表明，思科和华为交换机对于lldpRemPortId字段的实现与字段名称存在歧义，该值默认为接口的名称，如果该接口配置了别名，则取值为别名。

接口信息的定义位于IF-MIB， 它描述了接口的名称、别名等信息。

端口信息的定义位于Q-Bridge-MIB，该字段揭示了物理端口号与接口之间的映射关系。

设备信息的定义位于RFC1213- MIB，定义了设备的名称和服务能力。需说明的是，sysName即设备名称，值取决于网络设备的配置。sysServices值标识了该设备工作在网络体系的哪一层。具体算法为：以0为初始值，对于网络体系的每一层L，如果提供该层的服务，那么总值就要加上2^(L-1)，比如，某设备提供数据链路层服务，那么总值要加上2；如果同时提供网络层服务，那么再加上4。如果同时提供网络层和应用层服务，那么它是计算机。根据此方法可确定网络节点的类型。

2.4　实现算法

算法的输入为一个IP地址列表，其中每个IP可附加斜杠和子网掩码表示网络地址。

算法的输出为一个交换机列表、一个主机列表和图形化的拓扑结构。

完整的实现算法可组织为以下过程：

（１）对输入进行解析，将网络地址转换为有效IP，最终得到一个有效IP地址列表。

（2）遍历有效IP地址列表，进行Ping操作，得到在线IP地址列表。

（3）遍历在线IP地址列表，采集系统数据，分析设备类型，得到交换机列表、主机列表。

（4）遍历交换机列表，采集接口数据以及LLDP数据。

（5）遍历交换机列表，提取LLDP数据，得到本地IP/本地端口<->对端接口/对端设备名称的关系；根据对端设备名称匹配对端设备IP；根据本地端口匹配本地接口名称。至此，得到本设备上的所有拓扑关系。

（6）遍历交换机列表，遍历交换机的拓扑信息列表，在图形用户接口上进行生动直观的网络拓扑展现。

3　系统实现

3.1　开发环境

Java是纯面向对象的编程语言，语法简单，易于开发。它具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性[4]，我们选择Java进行开发。

SNMP4J是面向Java平台的企业级开发库，我们使用它实现底层的协议操作，提高开发效率。

JUNG是一个开源软件包，它提供了一种公共和可扩展的框架来实现数据的建模[5]，我们使用它来绘制网络拓扑图。

3.2　开发过程

系统的关键实现过程如下所示。

首选，系统对用户输入进行分析，得到得到交换机列表和主机列表，然后遍历交换机列表，读取分析拓扑信息，最后进行图形化展示。

最终效果如图3所示。可见，系统能够以生动直观的形式对交换机之间的拓扑关系进行展现。

4　总结

本文针对网络管理员的日常运维需求，基于LLDP实现了一个链路层拓扑发现系统，它能够对指定的网络设备进行拓扑发现，具有快速、轻量级的特性；另外，在网络信息未知的情况下，只需要给出IP网段地址，系统即可进行网络设备和网络拓扑的探测。LLDP的出现标志着链路层网络拓扑的发现在技术上已经不存在问题，目前LLDP已经得到了主流厂商的兼容并逐渐普及开来，该问题的彻底解决只剩下时间问题。

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参考文献

［１］CISCO. Cisco Discovery Protocol Version 2 [EB/OL]. http://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/ios-xml/ios/cdp/configuration/15-mt/cdp-15-mt-book/nm-cdp-disco，2015-3-21.

［２］庞振源.网络节点状态监测系统的研究与实现[D].西安:长安大学,2012:7-9.

［３］HUAWEI. LLDP技术白皮书[EB/OL].http://enterprise.huawei.com/ilink/cnenterprise/download/HW_197516，2012-10-31.

［４］Horstmann Gay S. Java核心技术[M].北京:电子工业出版社,2011:2-3.

［５］开源中国社区. Jung [EB/OL]. http://www.oschina.net/p/jung/,2014-10-31.

［责任编辑：汤静］