EPON網(wǎng)絡性能管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

聶 晶，潘志宏，徐 洪，謝海明，劉偉平

(1．暨南大學 電子工程系，廣州510632；2.光電信息與傳感技術(shù)廣東普通高校重點實驗室，廣州 510632)

1 引 言

以太無源光網(wǎng)絡(EPON)是一種新型的寬帶多業(yè)務綜合接入技術(shù)，它綜合了PON技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)兩者的優(yōu)點，具有帶寬高、成本低、易使用、易升級等優(yōu)良特性，成為下一代寬帶光接入網(wǎng)的最佳選擇。作為信息傳送通道的“最后一公里”，EPON網(wǎng)絡直接面對終端用戶，因此其性能的優(yōu)越性成為了衡量整個網(wǎng)絡服務質(zhì)量的重要指標。如何對EPON系統(tǒng)性能進行有效監(jiān)測和管理，儼然已成為了當今網(wǎng)絡管理(簡稱網(wǎng)管)的一個重要課題[1-2]。

近年來，國內(nèi)外許多通信開發(fā)商相繼開發(fā)出功能強大的網(wǎng)管系統(tǒng)，如HP公司的OpenView系列及中興的NetNume系列，但其功能復雜、費用昂貴，而且針對性不強，專門針對EPON網(wǎng)絡的管理系統(tǒng)還不多。此外，這些網(wǎng)管系統(tǒng)大多都是基于C/S結(jié)構(gòu)，不利于系統(tǒng)的安裝、維護以及升級。

針對以上問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于B/S的EPON網(wǎng)管的性能管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用Java編程語言與JSP網(wǎng)頁設(shè)計技術(shù)進行實現(xiàn)，使系統(tǒng)的開發(fā)、維護工作都集中在服務器端，極大地簡化了客戶端。同時，通過采集、監(jiān)測和分析網(wǎng)絡性能數(shù)據(jù)，為網(wǎng)絡進一步規(guī)劃與調(diào)整提供依據(jù)，從而更好地保證了網(wǎng)絡的業(yè)務質(zhì)量。

2 系統(tǒng)功能需求分析

EPON性能管理的主要目標是通過對EPON網(wǎng)絡上的光路終端設(shè)備(OLT)和光網(wǎng)絡單元(ONU)設(shè)備的性能進行監(jiān)視、檢測，采集到相關(guān)性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進行分析、診斷，從而為網(wǎng)絡進一步規(guī)劃與調(diào)整提供依據(jù)，以保證網(wǎng)絡的性能和業(yè)務質(zhì)量。通過對設(shè)備性能進行實時監(jiān)控，能夠及時對異常性能采取控制。同時，通過對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析確定利用率趨勢，預先發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡運行瓶頸，改進EPON的總體性能水平，從而實現(xiàn)為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務的目的。

一般而言，性能管理應包括性能參數(shù)查詢、實時性能管理和歷史性能管理3個功能。性能參數(shù)查詢?yōu)橄到y(tǒng)管理者提供OLT與ONU各種性能參數(shù)的查詢；實時性能管理是連續(xù)地收集OLT、ONU上與性能相關(guān)的數(shù)據(jù)，根據(jù)性能圖確定網(wǎng)元的實時性能，從而能實現(xiàn)對網(wǎng)絡異常的及時處理；歷史性能管理支持管理員對采集周期進行設(shè)置，對收集到的性能數(shù)據(jù)做進一步的統(tǒng)計分析，從而掌握設(shè)備單元因不太頻繁或間斷的差錯導致業(yè)務質(zhì)量變差的性能情況。

3 EPON性能管理系統(tǒng)的總體設(shè)計

EPON性能管理系統(tǒng)的管理對象是多個EPON系統(tǒng)，其中每一個EPON系統(tǒng)包括了光路終端設(shè)備(OLT)和多個光網(wǎng)絡單元(ONU)。其中，OLT是通過光纖與ONU連接的。系統(tǒng)采用的是帶內(nèi)網(wǎng)絡方式，因此管理站服務器到OLT和ONU之間不需要增加專門的網(wǎng)管通道[3]。系統(tǒng)方案如圖1所示，其主要由Web服務器、數(shù)據(jù)庫服務器組成?？蛻舳送ㄟ^Internet訪問Web服務器，同時Web服務器通過Internet與EPON系統(tǒng)交互信息。

圖1 系統(tǒng)方案圖Fig.1 The system diagram

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)采用的協(xié)議模型是SNMP網(wǎng)絡管理模型，它主要包括管理站、管理代理、MIB庫和SNMP網(wǎng)絡管理協(xié)議4個關(guān)鍵部件，其中SNMP協(xié)議因其簡單易操作性，成為現(xiàn)今應用最廣泛的網(wǎng)絡管理協(xié)議。SNMP協(xié)議主要有以下3個功能：取值(Get)使網(wǎng)管站能夠從代理處獲取相關(guān)對象的值；設(shè)置值(Set)使網(wǎng)管站能夠在代理商設(shè)置相關(guān)對象的值；告警信息(Trap)由代理站監(jiān)測到自身故障異常后，主動發(fā)送告警信息到管理站[4]。本設(shè)計主要是利用SNMP的Get、Set方法，實現(xiàn)對采集周期的設(shè)置以及獲取性能參數(shù)的目的。

結(jié)合SNMP管理模型以及對網(wǎng)絡管理的研究，設(shè)計和構(gòu)建了基于B/S性能管理系統(tǒng)模型。其主要由四大模塊組成：后臺控制程序模塊、數(shù)據(jù)庫處理模塊、性能管理模塊和界面顯示模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 The system organization

四大模塊采用MVC三層體系結(jié)構(gòu)，分別為持久層、業(yè)務邏輯層和表示層。其中持久化層采用Hibernate技術(shù)，業(yè)務邏輯層采用Java技術(shù)，表示層主要是采用EXTJS技術(shù)，數(shù)據(jù)庫采用Oracle數(shù)據(jù)庫。業(yè)務邏輯層是整個網(wǎng)管系統(tǒng)的核心，其關(guān)鍵是通過SNMP協(xié)議的Get方法獲取OLT代理的性能信息，并將信息實時傳輸?shù)匠志脤?，通過持久層存儲到數(shù)據(jù)庫中。同時，業(yè)務邏輯層還負責將處理過的信息提交給表示層，并以圖形方式顯示出來。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)流程設(shè)計

管理站服務器向代理獲取EPON性能參數(shù)的過程是：客戶端向服務器發(fā)出請求，服務器對請求進行判斷，若為實時性能查詢，則與EPON設(shè)備代理建立連接，啟動數(shù)據(jù)采集線程，線程通過SNMP協(xié)議對設(shè)備指定的參數(shù)數(shù)據(jù)信息進行采集，采集到的數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示到用戶端；若為歷史性能管理或性能預測，則服務器從數(shù)據(jù)庫中獲取定時采集到的歷史數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計分析對數(shù)據(jù)進行處理，將處理結(jié)果以圖形的方式展示到用戶端。其流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖Fig.3 The system flowchart

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

表1 性能參數(shù)數(shù)據(jù)表Table 1 The datasheet of performance parameters

本設(shè)計采用Oracle10g作為系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫主要記錄系統(tǒng)與OLT、ONU各類信息，其中最主要的是要記錄性能參數(shù)的信息。性能參數(shù)的信息保存在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表中，性能參數(shù)數(shù)據(jù)表主要包括如下字段：OLT IP地址、采集時間、平均輸入速率、平均輸出速率、輸入利用率、輸出利用率、輸入丟包率、輸出丟包率、輸入吞吐量和輸出吞吐量，具體描述如表1所示。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

性能管理系統(tǒng)在功能實現(xiàn)上分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和性能顯示模塊。

4.1 數(shù)據(jù)采集模塊的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集是采用SNMP協(xié)議讀取網(wǎng)絡設(shè)備MIB庫的方式，其功能是完成性能數(shù)據(jù)的采集，以供統(tǒng)計分析和顯示模塊等使用。本系統(tǒng)中性能數(shù)據(jù)采集方式有循環(huán)定時模式和實時模式兩種，循環(huán)定時模式預先配置好定時時間間隔，由服務器端定時對設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，該模式通常作為統(tǒng)計分析歷史性能的數(shù)據(jù)來源；實時模式由用戶觸發(fā)該采集動作，用于采集EPON設(shè)備的當前性能數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)需要馬上送回用戶界面，并作為實時參數(shù)性能呈現(xiàn)給用戶，本類數(shù)據(jù)主要用于檢測當前性能。

數(shù)據(jù)采集模塊是采用開源的SNMP4J開發(fā)包實現(xiàn)。SNMP4J開發(fā)包中提供了類CommunityTarget、類DefaultUdpTransportMapping和類PDU，使用上述幾個類可以實現(xiàn)對OLT代理信息的采集。該采集模塊的實現(xiàn)原理是：首先根據(jù)被管設(shè)備的IP創(chuàng)建CommunityTarget共同體對象，通過DefaultUdpTransportMapping創(chuàng)建對象，并調(diào)用listen()方法啟動該監(jiān)聽線程，該線程主要是監(jiān)聽端口161。然后根據(jù)采集對象的OID創(chuàng)建PDU get報文，并使用java.util.Timer構(gòu)建采集定時器，以10 min的采集間隔為周期定時發(fā)送get報文。當監(jiān)聽到代理響應的get-response報文時，進一步解析報文，獲取采集參數(shù)的信息。

4.2 數(shù)據(jù)處理模塊的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理模塊主要負責根據(jù)采集得到的原始數(shù)據(jù)，計算和統(tǒng)計丟包率、差錯率等性能參數(shù)，并保存到數(shù)據(jù)庫或直接實時進行顯示，同時也接受用戶對于歷史性能數(shù)據(jù)的查詢、刪除等操作。

通常性能管理所涉及到的參數(shù)有接口利用率、丟包率、吞吐量等，其計算公式如下[5]：

(1)數(shù)據(jù)流量準確計算出某段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)流量，反映出端口的流量：

平均輸入速率=Δiflnoctets/T

平均輸出速率=Δifoutoctets/T

(2)利用率反映了信道利用程度，成為衡量信道資源是否滿足當前網(wǎng)絡傳輸需求的重要指標：

輸入利用率=(Δiflnoctets×8)/(ifspeed×T)×100%
輸出利用率=(Δifoutoctets×8)/(ifspeed×T)×100%

(3)丟包率反映了被路由器丟棄報文占的百分比，有利于快速判斷網(wǎng)絡是否出現(xiàn)了擁塞：

輸入丟包率=ΔiflnDiseards/(ΔiflnUeastPks+

ΔiflnNueastPks)×100%

輸出丟包率=ΔifoutDiseards/(ΔifoutUeastPks+

ΔifoutNueastPks)×100%

(4)吞吐是指單位時間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量，反映出了網(wǎng)絡傳輸?shù)膶嶋H能力：

輸入吞吐量=(Δiflnoetets-ΔiflnDiseards-ΔiflnErrors)/T
輸出吞吐量=(Δifoutoctets-ΔifoutDiseards-ΔifoutErrors)/T

4.3 數(shù)據(jù)顯示模塊的實現(xiàn)

顯示模塊主要是采用JFreeChart開發(fā)包形成設(shè)備參數(shù)性能統(tǒng)計圖。JFreeChart開發(fā)包是JFreeChart公司用Java語言開發(fā)的通用圖形組件，其功能強大，源代碼免費開發(fā)，基本能夠解決目前的圖形方面的需求，生成各種各樣的統(tǒng)計圖，是目前比較好的Java圖形解決方案。顯示模塊將根據(jù)客戶的查詢需要分別以柱狀圖和折線圖的方式顯示性能統(tǒng)計信息。

CategoryDataset dataset = getDataSet3(); //獲取數(shù)據(jù)源

JFreeChart chart= ChartFactory.createLineChart (“數(shù)據(jù)包分析”, “ ”, “數(shù)據(jù)包分析/分鐘”,

dataset, PlotOrientation.VERTICAL, true, false, false); // 生成柱狀圖標軸

try { //將圖形生成PNG格式，并輸出到網(wǎng)頁上

ChartRenderingInfo info = new ChartRenderingInfo(

new StandardEntityCollection());

filename=ServletUtilities.saveChartAsPNG(chart,w,h,info,

session);

ChartUtilities.writeImageMap(pw, filename, info, true);

pw.flush();

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

4.4 系統(tǒng)測試

將本系統(tǒng)部署到tomcat6.0服務器中，啟動數(shù)據(jù)服務器和tomcat服務器，在任意一臺與Internet相連接的電腦上打開瀏覽器并登陸Web服務器，選中所要管理的OLT設(shè)備IP，進入性能主界面,如圖4所示。用戶可以根據(jù)需要選擇相應的設(shè)備和參數(shù)以獲取相應的性能統(tǒng)計信息，分別以折線圖和柱形圖兩種方式展示設(shè)備參數(shù)的統(tǒng)計圖。另外，也可以設(shè)置統(tǒng)計圖刷新方式，如手動刷新、自動刷新(具體的刷新時間可以是系統(tǒng)默認，也可以是用戶設(shè)定)。

圖4 性能顯示圖Fig.4 The performance display

5 結(jié)束語

EPON是目前最有前景的解決“最后一公里”網(wǎng)絡瓶頸問題的接入網(wǎng)方案，其功能強大的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，只有通過良好的網(wǎng)絡管理才能使其性能得到最好的發(fā)揮。本文通過分析EPON網(wǎng)絡管理中性能管理的需求以及SNMP協(xié)議，提出了一種B/S結(jié)構(gòu)的EPON性能管理系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方法，并采用Java語言、JSP技術(shù)和Oracle數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行實現(xiàn)，具有跨平臺、可擴展、易維護的特點。同時，選用 JFreeChart開發(fā)包，將網(wǎng)絡性能參數(shù)以柱狀圖/折線圖的方式呈現(xiàn)給用戶，方便用戶更直觀地掌握整個網(wǎng)絡的性能。本系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對EPON網(wǎng)絡設(shè)備性能的實時監(jiān)控，而且可以根據(jù)歷史性能數(shù)據(jù)的分析預先發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡瓶頸，從而達到優(yōu)化網(wǎng)絡管理的目的，為EPON系統(tǒng)穩(wěn)定和高效的運行提供了支持。

參考文獻：

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