校園網(wǎng)自動監(jiān)控報警系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

丁青，范磬亞，俞海平，張義東，吉翔

0 引言

隨著校園網(wǎng)支撐的業(yè)務越來越廣泛，網(wǎng)絡負荷變得越來越重，網(wǎng)絡在運行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)不可預知的突發(fā)故障。如果不能及時獲知消息、排除故障，有可能會造成網(wǎng)絡性能變差甚至引發(fā)網(wǎng)絡大面積癱瘓。校園網(wǎng)的骨干和中心是核心通信設(shè)備與提供核心業(yè)務的服務器[1]，它們是校園網(wǎng)正常運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。只要能確保它們的正常運行，就能夠保證整個網(wǎng)絡不出大的問題。

而隨著移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展，作為移動通信的一種重要增值業(yè)務的SMS(短消息服務)也得到了迅速的發(fā)展。在校園信息化的建設(shè)過程中，短信功能的應用逐步扮演著越來越重要的作用，積極地推動著校園信息化的快速發(fā)展?；谶@樣的思想，我們自主開發(fā)了一套校園網(wǎng)自動監(jiān)控報警系統(tǒng)。這套系統(tǒng)對網(wǎng)絡中的核心設(shè)備和服務器加以實時監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)運行故障，立即通過短消息方式向網(wǎng)絡管理員報警，網(wǎng)絡管理員收到報警后及時采取措施排除故障，從而確保網(wǎng)絡通暢和數(shù)據(jù)安全[2]。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1 總體結(jié)構(gòu)

校園網(wǎng)自動監(jiān)控報警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)按功能劃分，分為設(shè)備監(jiān)控模塊、短消息收發(fā)模塊和系統(tǒng)集成模塊。設(shè)備監(jiān)控模塊根據(jù)相關(guān)網(wǎng)絡管理協(xié)議實時監(jiān)控連接到校園網(wǎng)的所有路由器、交換機、服務器以及 UPS等關(guān)鍵設(shè)備。短消息收發(fā)模塊通過RS232連接GSM模塊，實現(xiàn)短消息報警功能，一旦發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡故障，則立即將報警信息通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到網(wǎng)管員手機。系統(tǒng)集成模塊則是系統(tǒng)頂層模塊，每隔一定的時間，通過調(diào)用設(shè)備監(jiān)控模塊輪詢網(wǎng)絡設(shè)備，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，則調(diào)用短消息收發(fā)模塊向網(wǎng)管員報警，另外由于采用B/S架構(gòu)，網(wǎng)管員桌面可以在校園網(wǎng)任意授權(quán)節(jié)點連接系統(tǒng)所在服務器，通過瀏覽器查看設(shè)備狀態(tài)并對系統(tǒng)進行相關(guān)配置。

按軟硬件劃分，該系統(tǒng)分為軟件和硬件兩部分。軟件部分整體采用.NET技術(shù)來實現(xiàn)，后臺數(shù)據(jù)庫為SQL Server，軟件開發(fā)工具采用了Visual Studio.Net平臺，軟件運行環(huán)境為 Windows 2003 Server。硬件部分選用的 GSM 模塊是Wavecom的Q2304A，支持AT指令集收發(fā)短消息。

2 功能模塊的實現(xiàn)

系統(tǒng)由三大功能模塊組成，分為設(shè)備監(jiān)控模塊、短消息收發(fā)模塊、系統(tǒng)集成模塊，它們都基于微軟公司的.NET Framework 來實現(xiàn)。

2.1 設(shè)備監(jiān)控模塊

網(wǎng)絡設(shè)備的監(jiān)控主要依據(jù)相關(guān)的網(wǎng)絡管理協(xié)議來進行，常用的有因特網(wǎng)報文管理協(xié)議(ICMP)和簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議(SNMP)。ICMP是IP層的標準協(xié)議，它允許主機或路由器報告差錯情況和提供有關(guān)異常情況的報告[4]。目前的設(shè)備監(jiān)控模塊實現(xiàn)了最基本的連通性檢測，主要采用基于ICMP的Ping服務來實現(xiàn)。

基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，設(shè)備監(jiān)控模塊被定義成一個類名為DevMon的類，它所包含的成員方法主要是靜態(tài)的基于各種網(wǎng)絡管理協(xié)議的檢測函數(shù)。連通性檢測的函數(shù)定義為public static Boolean ICMP_PING(string DevIpAddr)，關(guān)鍵代碼如下：

首先新生成Ping類對象PingSender，然后設(shè)置Ping服務相關(guān)參數(shù)（禁止數(shù)據(jù)包分段、生成包含32個字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和設(shè)置超時時間為480毫秒），接著調(diào)用同步方法Send向目標IP地址發(fā)送ICMP回聲報文，最后根據(jù)應答結(jié)果來決定返回值為真或假。

2.2 短消息收發(fā)模塊

GSM模塊能夠支持所有GSM短消息通訊功能，主要包括中心號碼設(shè)置、消息模式配置、發(fā)送、接收和刪除等，上位機則通過發(fā)送相應的AT指令來控制GSM模塊進行相關(guān)操作[5]。短消息收發(fā)模塊同樣被設(shè)計成一個類名為GsmSMS的類，它通過對AT指令進行封裝實現(xiàn)了短消息通訊相關(guān)的主要功能。

2.2.1 UML圖

圖2 GsmSMS類的UML圖

GsmSMS類的UML圖如圖2所示，這里列出了最主要的成員變量和成員函數(shù)。私有成員變量 rs232是 SerialPort類對象，SerialPort借助rs232可以方便的實現(xiàn)串口相關(guān)操作。公有的成員函數(shù)一共有五個：GsmInit用于初始化GSM 模塊，GsmSendSMS用于發(fā)送短消息，GsmReadSMS用于閱讀短消息，GsmSetSMSC用于設(shè)置短消息中心號碼，GsmDeleteSMS用于刪除短消息。

2.2.2 成員函數(shù)的實現(xiàn)

成員函數(shù)的實現(xiàn)都依據(jù)相關(guān)的AT指令[6]，如表1所示。

表1 相關(guān)AT指令

以 GSM 模塊初始化（GsmInit）和發(fā)送短消息（GsmSendSMS）為例，介紹 GsmSMS類成員函數(shù)的具體實現(xiàn)。

圖3 GsmInit和GsmSendSMS的流程圖

GsmInit的其程序流程圖如圖3中（a）所示。首先根據(jù)輸入?yún)?shù)（串口名、波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)長度和停止位）來創(chuàng)建SerialPort類對象，接著調(diào)用SerialPort類方法Open()打開串口，然后通過串口向GSM模塊發(fā)送“AT”查詢模塊的狀態(tài)，如果模塊處于活動狀態(tài)，則進一步發(fā)送“AT+CGMF=1”配置短消息為文本模式，如果配置成功，則初始化成功并返回TRUE。

GsmSendSMS的程序流程圖如圖3中（b）所示。首先利用發(fā)送短消息 AT指令發(fā)送對方號碼，接收到“>”提示符后，再發(fā)送短消息內(nèi)容，然后等待直到返回包含“ERROR”或“CMGS”的響應，如果返回“CMGS”則表示發(fā)送成功，如果返回“ERROR”則表示發(fā)送失敗。

2.3 系統(tǒng)集成模塊

系統(tǒng)集成模塊是整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)調(diào)度中心，通過該中心實現(xiàn)了對網(wǎng)絡的實時監(jiān)控。首先是系統(tǒng)初始化：初始化GSM模塊，連接后臺數(shù)據(jù)庫獲知監(jiān)控設(shè)備列表以及網(wǎng)管員名單，并根據(jù)輸入?yún)?shù)配置運行參數(shù)。然后進行定時批量監(jiān)控，定時對位于監(jiān)控設(shè)備列表上的每個設(shè)備調(diào)用設(shè)備監(jiān)控模塊加以檢測并記錄結(jié)果。最后，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，則根據(jù)一定的報警策略向網(wǎng)管員手機發(fā)送報警信息。

2.3.1 UML圖

系統(tǒng)集成模塊相關(guān)的UML圖如圖4所示。

圖4 MonAlarm類的UML圖

其中MonDev結(jié)構(gòu)用于保存設(shè)備信息和狀態(tài)，ID、Type、Location和 IPAddr分別對應監(jiān)控設(shè)備的名稱、類型、位置和IP地址，直接來源于數(shù)據(jù)庫；Status則表明設(shè)備是否正常工作，AlarmFlag則標志是否已經(jīng)報警，AlarmCount則記錄設(shè)備報警次數(shù)。

MonAlarm類實現(xiàn)整個系統(tǒng)集成，其成員變量一共有6個：mdlist為所有受監(jiān)控設(shè)備對應的 MonDev結(jié)構(gòu)列表，devalarm_limit為單個設(shè)備報警的次數(shù)限制，allalarm_limit為所有報警的次數(shù)限制，allalarmcount則是所有報警計數(shù)值，montimer是基于.NET的 Timer類的監(jiān)控定時器，sms_agent則是GsmSMS類對象。

MonAlarm成員函數(shù)一共包括5個。公有 的Init 用于執(zhí)行系統(tǒng)初始化，通過sms_agent調(diào)用GsmInit初始化GSM模塊；連接數(shù)據(jù)庫生成 mdlist并對 Status、AlarmFlag和AlarmCount進行初始化，分別設(shè)置成True、False和0；此外，初始化allalarmcount為0 ，并根據(jù)輸入?yún)?shù)配置用于限制報警次數(shù)的 devalarm_limit和 allalarm_limit。SetTimer用于配置監(jiān)控定時器，參數(shù)interval表示秒為單位定時間隔，參數(shù)enable決定是否啟動或停止監(jiān)控定時器。MonAll實施監(jiān)控批處理，針對mdlist中每個設(shè)備調(diào)用DevMon類的監(jiān)控函數(shù)，并根據(jù)結(jié)果更新Status。SMSAlarm則在實施監(jiān)控之后根據(jù)mdlist中的狀態(tài)信息，再依據(jù)一定的報警策略決定是否通過sms_agent來發(fā)送報警信息。OnTimedEvent則是定時器事件函數(shù)，包含整個監(jiān)控報警流程，先調(diào)用 MonAll，然后再調(diào)用SMSAlarm。需要說明的是，MonAlarm類的mdlist公有成員變量，它能夠被外部直接訪問，從而可以方便的在Web頁中顯示所有監(jiān)控情況。

2.3.2 系統(tǒng)報警策略

短消息報警能夠提高管理效率，但也會帶來一些成本開銷。因此，在保證報警有效性的情況下，如何設(shè)計報警策略來盡可能的降低成本，是系統(tǒng)很需要考慮的問題。首先要避免重復報警，只有當監(jiān)控到設(shè)備從正常狀態(tài)(Status=True)變?yōu)榉钦顟B(tài)(Status=False)時，才發(fā)送短消息報警。其次要控制設(shè)備的報警次數(shù)，對單個設(shè)備的報警次數(shù) AlarmCount需要加以限制，避免設(shè)備出現(xiàn)時好時壞的情況時反復報警 ；此外，對系統(tǒng)總共的報警次數(shù) allalarmcount也應該加以限制，避免由于系統(tǒng)所在服務器本身和網(wǎng)絡斷開而大量報警的情況。

上述報警策略集成在成員函數(shù)SMSAlarm中，實現(xiàn)流程圖如圖5所示。另外，由于系統(tǒng)對報警次加了限制，每報警一次，設(shè)備和系統(tǒng)所允許的報警次數(shù)都會各減少一次，因而在網(wǎng)管員收到報警并手動排除故障之后，需要再次調(diào)用Init執(zhí)行系統(tǒng)初始化。

圖5 報警策略流程圖

3 結(jié)語

本文介紹的校園網(wǎng)自動監(jiān)控報警系統(tǒng)目前已在本院網(wǎng)絡中心投入運行，為網(wǎng)管員發(fā)現(xiàn)、排除網(wǎng)絡故障和確保網(wǎng)絡正常運行發(fā)揮了重要的作用。下一步的工作，主要是考慮采用更為專業(yè)的網(wǎng)管協(xié)議來監(jiān)控網(wǎng)絡設(shè)備，特別是對于重要的服務器，除了基本的連通性檢測，對于流量、服務、安全等方面的監(jiān)控也非常重要，通過加強對各種安全隱患的提前預警，進而做到防患于未然。

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