衡水学院毕业论文设计.docx

衡水学院毕业论文（设计）基于Python的网络拓扑发现工具的设计与实现姓名：包学号：院系：数学与计算机科学系专业：网络工程指导教师：杨金山二O二二年四月二十日学位论文原创性声明本人所提交的学位论文基于python的网络拓扑发现工具的设计与实现，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。本声明的法律后果由本人承担。论文作者（签名）：指导教师确认（签名）：年月日年月日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解衡水学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权衡水学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。论文作者（签名）：指导教师（签名）：目前计算机网络结构不断多样化，从手动维护逐渐演变到智能化自动运维，网络拓扑自动发现在网络管理中拥有着至关重要的地位。网络拓扑自动发现能够准确反映网络设备之间的连接关系，以便管理员能够全面管理网络，并快速诊断和定位网络上发现的异常流量、网络攻击和报警设备，以减少网络异常造成的损失。因此，实现高效、准确的网络拓扑自动发现对网络管理系统具有重要意义。网络拓扑的自动发现是通过多种协议（例如：ARP协议、SNMP协议、ICMP协议等）获取拓扑发现程序所在网络中的网络设备信息、网络设备的类型和拓扑相关信息，根据基于SNMP的拓扑发现算法，利用网络协议所采集的网络设备信息和发现所要管理的网络中的所有节点（包括路由设备、子网和主机等），计算出它们之间的连接关系，从而构造出整个网络的拓扑结构，实现网络层拓扑自动发现。本文主要是基于SNMP协议，采用python编程调用SNMP协议的相关工具去获取网络设备信息值，提取出设备类型、端口连接状态、下一跳地址等数据进行算法分析，进而得到完整的局域网拓扑图。关键字：SNMP协议；网络层拓扑；pythonABSTRACTAtpresent,thestructureofcomputernetworkisconstantlydiversified,frommanualmaintenancetointelligentautomaticoperationandmaintenance.Automaticnetworktopologydiscoveryplaysavitalroleinnetworkmanagement.Automaticnetworktopologydiscoverycanaccuratelyreflecttheconnectionrelationshipbetweennetworkdevices,sothatadministratorscancomprehensivelymanagethenetwork,andquicklydiagnoseandlocateabnormaltraffic,networkattacksandalarmdevicesfoundonthenetwork,soastoreducethelosscausedbynetworkabnormalities.Therefore,therealizationofefficientandaccurateautomaticnetworktopologydiscoveryisofgreatsignificancetothenetworkmanagementsystem.Infact,theautomaticdiscoveryofnetworktopologyistoobtainthenetworkequipmentinformation,networkequipmenttypeandtopologyrelatedinformationinthenetworkwherethetopologydiscoveryprogramislocatedthroughavarietyofprotocols(suchasARPprotocol,SNMPprotocol,ICMPProtocol,etc.),andusethenetworkequipmentinformationcollectedbythenetworkprotocolanddiscoverallnodesinthenetworktobemanaged(includingroutingequipment,subnetandhost,etc.)accordingtoacertaintopologydiscoveryalgorithm,Theconnectionrelationshipbetweenthemiscalculated,andthetopologyofthewholenetworkisconstructed.ThispaperismainlybasedonSNMPprotocol,usingpythonprogrammingtocalltherelevanttoolsofSNMPprotocoltoobtaintheinformationvalueofnetworkequipment,extractthedatasuchasequipmenttype,portconnectionstatusandnexthopaddressforalgorithmanalysis,andthengetacompleteLANtopology.Keywords:SNMPprotocol；networktopology；python第1章绪论11.1 研究背景、目的及意义11.2 国内外研究现状11.3 研究的主要内容1第2章网络拓扑发现的理论基础及相关技术32.1 网络层拓扑发现的基本原理32.2 链路层拓扑发现的基本原理4第3章需求分析与总体设计53.1 系统的功能需求分析53.1.1 功能需求分析53.1.2 系统设计需求53.2 系统的总体设计思路53. 2.1数据采集的设计思路54. 2.2数据分析的设计思路75. 2.3拓扑显示的设计思路83.3 系统实现的逻辑原理结构83.4 基于SNMP的算法设计9第4章基于Python的网络拓扑发现工具的实现114.1 主程序设计114.2 数据采集模块的设计124.3 数据分析模块的设计134.4 拓扑显示模块的设计13第五章系统测试151 .1测试环境155 .2测试结果及分析15总结18参考文献19致谢20第1章绪论1.1 研究背景、目的及意义计算机网络普及的当下，以网络为基础的设施应用于社会的各个领域，网络结构也日益复杂，从人员手动管理网络设备逐渐演变成通过网络管理系统来维护网络。相较以往传统手绘网络结构拓扑图已经难以满足当代社会网络发展的需求，实现网络拓扑自动绘制也是自动化网络管理的基础。因此，网络拓扑自动发现尤为重要。网络拓扑自动发现的主要目的是发现并显示目标网络的网络拓扑关系。通过众多网络协议来获取网络拓扑相关信息，通过这些信息来计算出网络设备之间的连接关系，根据获得到的连接关系进而绘画出整个网络拓扑图。网络拓扑自动发现可以实时的展现出当前网络的拓扑结构，有利于对网络设备的故障查巡和管理，方便管理员远程配置和排查错误，提高网络管理效率。网络拓扑展现的完整程度对整个网络的性能和维护有重大影响。在当前，准确有效地实现网络拓扑自动生成具有非常广阔的应用前景。无论是企业小型局域网还是大型的网络结构，网络拓扑自动发现必不可少。1.2 国内外研究现状国外发达国家的网络拓扑发现技术的研究要早与我国。目前已经研发出了众多网络管理系统，其中就包括了网络拓扑的自动发现功能，大多数经典的网络管理系统产品是基于SNMP网络管理协议开发的。其中有：NetManager网络管理工具，该工具具有自动监测网络设备变更和设备运行状态等功能，该工具还具备报警功能，当网络中出现异常现象时它会即时发出警报告知管理员，并且会将此异常记录保存。OPenVieW网络管理工具，它是一个企业级别的网络管理系统，具有很强的综合性和实用性，能够完整的监视和管理本企业网络。国内在网络拓扑自动发现技术上也有很多显著成绩。国内知名网络管理软件有：北京智和信通技术有限公司的SUgarNMS。SUgarNMS是国内第一款“积木式”监控运维平台，成熟功能、开发组件均可模块化使用，随意搭建全新平台。它可以让客户通过此系统来自定义自身的网络管理模块，拥有网控、安管等多种管理功能。深圳华为公司的RadiumNMS数据通信综合网络管理系统。能够根据实际的网络结构构建出一个虚拟的网络结构图，管理员可以手动更改网络结构图来管理实际的网络，拓扑视图动态刷新实现实时监控。1.3 研究的主要内容深入学习SNMP（简单的网络管理协议）协议在网络管理中的作用，结合拓扑发现的基本原理和网络拓扑自动发现的相关知识，学习了PythOn编程中的netsnnp获取网络设备信息的方法，在基于SNMP协议的网络拓扑发现算法的基础上，实现具有网络拓扑自动发现功能的设计。具体的研究内容包括：学习研究SNMP协议的工作模型、学习网络层和链路层网络拓扑发现原理,掌握SNMP协议的工作原理，学习Snmpwalk工具的使用，学习字典、字符串和队列中数据信息的处理。学习了java的awt绘图工具的调用。本文重点研究了网络层的拓扑自动发现。通过SNMP协议访问网络设备的信息库来获取路由表和其他网络拓扑相关信息，其中路由表中的信息尤为重要，它包含目的地址、下一跳地址和路由器类型等信息，通过这些数据来判断路由器和子网的连接关系，进而得到网络拓扑图。第2章网络拓扑发现的理论基础及相关技术拓扑结构的发现是根据一定的算法，通过实现多种网络协议来自动发现所在网络中的节点(路由器、交换机、PC等网络设备)，根据获取到的网络设备信息来推算出他们的连接关系，从而构建出完整的网络拓扑图。本章主要研究了不同层级的网络拓扑发现原理。1.1 网络层拓扑发现的基本原理网络层拓扑发现的主要任务就是发现网路拓扑框架，该框架中主要包含了路由器、三层交换机和子网，每个路由器和三层交换机(“三层交换机”以下文章一同称为路由器)中维护着路由表和地址表等信息，这些信息包含着大量有关网络连接的信息，如：路由目的地址IPROUteDest、下一跳地址IPROUteNeXtHop、对应的接口ipRputelflndex和路由器类型IpRouteType等。网络层拓扑发现其原理是通过网络协议来获取路由器的路由表和地址表，路由表和地址表中记载着数据包在网络中的传输路径，因此通过分析这些信息可以计算出设备之间的连接信息构建拓扑图，地址表中记载着每个路由器接口所连的子网情况。大多数经典网络管理系统中的网络拓扑发现功能主要是通过SNMP协议来实现的。每个路由器都有自身维护的路由表ipRouteTable,其中包含的信息有：IPRoUteDest:路由的目的ip地址，如果地址为0.0.0.0则该路由为默认路由。ipRputelflndex:用来标识本地路由器接口，该接口连接着下一站路由器。IPRoUteNeXtHoP:路由条目中的目的地址对用的下一跳目的地址。IPRoUteType:路由类型,如果路由类型为3表示直接路由，路由类型为4表示间接路由。IPRoUteMaSk:目的子网掩码。网络层拓扑发现的实现主要是基于路由器转发数据的原理，路由器转发数据是基于自身记录的路由表来实现的，路由器收到用户传来的数据，首先会对数据进行拆解操作，根