基于SNMP的校園網(wǎng)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

何 鵬

(中原工學(xué)院，河南 鄭州 450007)

目前市面上有很多商品化網(wǎng)管軟件，如IBM公司的NetView、HP公司的 OpenView、SUN公司的 Sun NetManager等，這些網(wǎng)絡(luò)管理軟件盡管功能很強大，但提供的是一個通用的網(wǎng)絡(luò)管理平臺，對于具體校園網(wǎng)管理應(yīng)用，還得進行進一步的規(guī)劃和開發(fā)。因此，迫切需要開發(fā)一個適用于高校校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)對日常的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)運行情況進行監(jiān)督與維護。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的總體設(shè)計目標(biāo)就是要構(gòu)建一個基于SNMP的多代理的統(tǒng)一管理、簡便直觀、兼容不同廠商設(shè)備、能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)、配置管理、性能管理等功能，并針對校園網(wǎng)上機特點，實現(xiàn)對所有運行主機的管理。具體內(nèi)容如下：

(1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)

找出路由器與路由器、路由器與子網(wǎng)之間的連接關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)所有子網(wǎng)中活動的IP設(shè)備，區(qū)分出路由器、交換機和普通主機。對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果進行圖形化顯示。

(2)配置管理

本系統(tǒng)的配置管理主要實現(xiàn)路由器(或三層交換機)的配置管理和主機的配置管理。路由器配置管理具體包括獲取路由器的常規(guī)配置參數(shù)(如設(shè)備類型、負(fù)責(zé)人、支持服務(wù)、所在位置等)，獲取路由表信息、地址表信息、地址轉(zhuǎn)發(fā)表信息、接口表信息以及接口狀態(tài)表信息等。主機配置管理包括查看主機的基本信息、安裝軟件信息、運行軟件信息、存儲器信息、硬件設(shè)備信息等主機資源信息。

(3)性能管理

對代理設(shè)備的原始性能數(shù)據(jù)進行實時采集。對采集到的性能數(shù)據(jù)進行分析，計算接口流量、協(xié)議流量等各種性能參數(shù)，為管理員提供參考。

查詢某一時段代理設(shè)備的性能參數(shù)，生成性能曲線，以直觀圖的方式顯示性能分析結(jié)果。

根據(jù)某一時段代理設(shè)備的性能分析結(jié)果，對網(wǎng)絡(luò)性能進行分析預(yù)測，并以直觀圖的形式顯示出來，為網(wǎng)絡(luò)管理員采取進一步措施提供依據(jù)。

(4)流量排序

流量排序分為接口流量排序和主機流量排序。接口流量排序是對網(wǎng)絡(luò)中所有發(fā)現(xiàn)的接口進行流量采集并排序，將結(jié)果以直觀圖的形式顯示出來，供管理員查看。主機流量排序?qū)W(wǎng)絡(luò)中某一子網(wǎng)內(nèi)所有主機流量進行實時采集并排序，將結(jié)果以直觀圖的形式顯示出來，供管理員查看。

(5)病毒及非法軟件檢測

對網(wǎng)絡(luò)中某一子網(wǎng)內(nèi)所有主機進行病毒或非法軟件排查工作，找出該子網(wǎng)內(nèi)所有運行指定軟件名稱的主機，并將結(jié)果以直觀圖的形式顯示出來，供管理員查看。

2 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

本網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)以SNMP網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的管理者/代理模型為基礎(chǔ)[1]，以 HP公司的 SNMP++為數(shù)據(jù)采集工具，采用分層的方法，面向系統(tǒng)的不同功能設(shè)計而成。

該系統(tǒng)分為三個部分如圖1所示：底層數(shù)據(jù)通信、中間層數(shù)據(jù)處理與上層數(shù)據(jù)表示。底層數(shù)據(jù)通信部分負(fù)責(zé)實現(xiàn)管理者與被管設(shè)備之間的通信，獲取代理設(shè)備中MIB庫的有用信息，并把采集到的數(shù)據(jù)送往上層。中間層數(shù)據(jù)處理部分負(fù)責(zé)對采集到的網(wǎng)絡(luò)信息進行處理，將相應(yīng)的處理結(jié)果傳給上層管理應(yīng)用層進行顯示。上層為數(shù)據(jù)表示層，對網(wǎng)絡(luò)的配置管理、性能管理等功能模塊以表格和可視化的圖形界面顯示，簡潔直觀。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)算法的研究與分析

基于SNMP協(xié)議的算法實際上是提取MIB中ipRouteTable(路由表)中的對象，類似于圖論中的廣度優(yōu)先遍歷算法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣铀阉鱗2]。

設(shè)計路由發(fā)現(xiàn)算法時主要用到了三條鏈表：待檢路由設(shè)備鏈表、拓?fù)湫畔㈡湵怼⒆泳W(wǎng)信息鏈表?；赟NMP的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法通常是使用一個種子路由器，獲取其路由表內(nèi)記錄的所有可達網(wǎng)段，以及到達該網(wǎng)段所經(jīng)由的下一跳路由器的端口IP地址及相關(guān)路由信息，然后將繼續(xù)擴展其搜索，一直達到用戶指定的深度為止。同時種子路由器還可以獲取到每個路由設(shè)備上所有端口的直連子網(wǎng)及其相應(yīng)的子網(wǎng)掩碼，根據(jù)這些信息，進而獲取到這些子網(wǎng)中的所有活動主機。如果這些設(shè)備支持SNMP，則還可以進一步收集系統(tǒng)和IP地址信息。總之，只要給出一個路由設(shè)備任意端口的IP地址作為種子路由器 (通常使用本地網(wǎng)關(guān)的IP地址作為種子路由器的地址)，即可獲取到指定深度內(nèi)的所有路由設(shè)備及活動主機的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。

(1)默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的獲取

拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法首先是從網(wǎng)絡(luò)管理站的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)開始，逐步遍歷默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的路由表和地址解析表，最終發(fā)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)獲取默認(rèn)網(wǎng)關(guān)是采取這樣的方法：首先，訪問拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)程序所在計算機的SNMP MIB中的 ipRouteTable，如果發(fā)現(xiàn)有 ipRouteDest值為0.0.0.0的記錄，則說明程序所在的計算機設(shè)置了默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，該記錄的ipRouteNextHop值即為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的地址。檢查默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的ipForwarding值，如果為 1，則表明該默認(rèn)網(wǎng)關(guān)確實是路由設(shè)備，否則不是。

(2)設(shè)備類型判斷

利用SNMP協(xié)議，提取MIB中的sysservices對象實例值，然后根據(jù)返回的值判斷類型。如果目的設(shè)備不返回SNMP響應(yīng)報文或響應(yīng)超時，則認(rèn)為設(shè)備沒有配置SNMP，類型為一般工作站。

在區(qū)分交換機和其他主機時，可根據(jù)sysservice變量和IpForwarding變量。sysservice變量的值可以確定設(shè)備工作在第幾層，IpForwarding確定設(shè)備是否具有轉(zhuǎn)發(fā)功能，如果IpForwarding不為 1，且 sysservice為 1，則 Device為交換機，如果不能獲取到sysservice和IpForwarding變量，或者IpForwarding和sysservice是其他組合，則為一般主機。

(3)路由器多IP地址問題

由于路由器可以連接多個子網(wǎng)，具有多個接口，即一個路由器可能含有多個IP地址。為了準(zhǔn)確標(biāo)識具有多個接口的路由器，避免重復(fù)，本算法通過訪問路由器的地址表獲得路由器的所有接口，這樣可以根據(jù)當(dāng)前路由器的IP是否在已經(jīng)遍歷過的路由器接口列表中來判斷。

3.2 性能預(yù)測模塊的設(shè)計

本系統(tǒng)默認(rèn)預(yù)測分析算法的置信度為 1-α＝0.95。在性能參數(shù)采集分析結(jié)果的基礎(chǔ)上對性能參數(shù)的變化趨勢進行預(yù)測。

圖2是該模塊的性能預(yù)測流程圖。

圖2 性能預(yù)測流程圖

圖2中，數(shù)據(jù)差分處理主要是有一些變量是逐漸增加的(如某接口的流出字節(jié)數(shù))，而系統(tǒng)關(guān)心的是兩次流出字節(jié)數(shù)的差值，數(shù)據(jù)處理就是算出差值。趨勢分析主要是計算出分析期間內(nèi)的一元回歸直線，以便在用戶界面上顯示出來時，網(wǎng)絡(luò)管理者很容易看出它的增減趨勢。而狀態(tài)分析主要是將系統(tǒng)關(guān)心的一些變量的狀態(tài)分析出來并報告給網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，以便系統(tǒng)根據(jù)變量的當(dāng)前狀態(tài)及時對其作出調(diào)整。

3.3 病毒及非法軟件檢測模塊的設(shè)計

本系統(tǒng)中主機感染病毒或運行非法軟件功能的實現(xiàn)是在拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對管理員指定子網(wǎng)內(nèi)的所有主機進行運行軟件數(shù)據(jù)采集，將各主機中正在運行的軟件名稱和管理員指定的軟件名稱進行對比，最終排查出該子網(wǎng)內(nèi)具體有哪些主機運行了指定的軟件，并將排查結(jié)果存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，以直觀圖的形式顯示出來。具體流程圖如圖3所示。

圖3 病毒及非法軟件檢測流程圖

4 系統(tǒng)性能測試[3]

4.1 流量分析功能測試

本系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)中指定路由器各性能參數(shù)進行實時采集分析，將分析結(jié)果以曲線圖的形式顯示出來，如圖4所示。圖4中，細(xì)線表示接口入流量速率，粗線表示接口出流量速率。與同類產(chǎn)品(如華為Quideway)比較，發(fā)現(xiàn)該流量實時采集模塊采集分析結(jié)果與成熟網(wǎng)管軟件分析結(jié)果無實質(zhì)性差別，能夠及時給網(wǎng)管人員提供有效信息數(shù)據(jù)，該模塊具有正確性和可用性。

4.2 流量預(yù)測功能測試

在流量采集分析的基礎(chǔ)上運行系統(tǒng)性能預(yù)測功能，結(jié)果如圖5所示。該部分流量預(yù)測模塊是在圖4接口流量采集分析基礎(chǔ)上，利用了一元線性回歸模型和區(qū)間預(yù)測算法，計算分析將來某一時刻接口的可能流量范圍和流量發(fā)展趨勢。本系統(tǒng)默認(rèn)該預(yù)測分析算法的置信度為1-α＝0.95，系統(tǒng)流量預(yù)測結(jié)果與運用數(shù)學(xué)工具計算分析結(jié)果相吻合，系統(tǒng)具有正確性。

通過本系統(tǒng)在某高校試運行，結(jié)果顯示該部分預(yù)測分析功能模塊能夠幫助網(wǎng)絡(luò)管理員采用數(shù)學(xué)分析方法對網(wǎng)絡(luò)流量進行及時預(yù)測，進而使得網(wǎng)絡(luò)管理人員可及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題并采取進一步措施，取得理想效果，該模塊功能具有實用性和可靠性。

4.3 主機運行非法軟件及感染病毒模塊性能測試

運行該部分功能對指定子網(wǎng)內(nèi)所有主機運行QQ應(yīng)用程序進行排查，系統(tǒng)運行結(jié)果如圖6所示。

通過具體的實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該子網(wǎng)內(nèi)所有用戶在該時刻運行主機應(yīng)用軟件情況與系統(tǒng)運行結(jié)果完全吻合，由此可見該系統(tǒng)具有正確性和有效性。本部分功能模塊有助于網(wǎng)絡(luò)管理員限制某些對網(wǎng)絡(luò)流量產(chǎn)生破壞的非法軟件或病毒運行，將子網(wǎng)內(nèi)運行非法軟件或病毒的所有主機排查出來，網(wǎng)絡(luò)管理員可根據(jù)具體情況對這些主機用戶進行警告等處理。

本文深入地分析了SNMP簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，結(jié)合校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理需求的特點，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。在本系統(tǒng)的設(shè)計與研究過程中，系統(tǒng)性分析了SNMP協(xié)議的原理、網(wǎng)絡(luò)管理的關(guān)鍵技術(shù)以及拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法，給出了一種融合二叉排序樹策略和三層交換機發(fā)現(xiàn)策略的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法，能夠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中三層交換機和子網(wǎng)內(nèi)所有主機，并對拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的結(jié)果進行圖形化顯示。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計并實現(xiàn)了配置管理、性能管理、流量排序、病毒及非法軟件檢測等功能模塊。該網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)已經(jīng)在北航計算機學(xué)院教學(xué)實驗中心試運行并取得了較好的效果。

[1]MARK A，MILLER P E.Managing internetwords with SNMP[M].北京:中國水利水電出版社，2001.

[2]CASE J，HARRINGTON D.Message processing and dispatching forthe simple network managementprotocol，RFC2272[S].January，1998:82-135.

[3]ANALUCIA S M，LIUZ F K，CARLOS B W.Performance evaluation for proactive network management[J].ICC，2006(6):22-36.