基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

劉建卿，盧融凱

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 信息技術(shù)工程學(xué)院，天津300222；2.北京盛安德科技發(fā)展有限公司，天津300000）

簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP(Simple Network Management Protocol)是為網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)提供的底層網(wǎng)絡(luò)管理的框架。其應(yīng)用范圍非常廣泛，諸多種類的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、軟件和系統(tǒng)中都有所采用。SNMP協(xié)議發(fā)展到目前的第3版，已經(jīng)成為一個(gè)非常成熟的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議[1]。不過由于每個(gè)設(shè)備的支持程序有所不同，所以面向SNMP的成熟網(wǎng)絡(luò)管理框架依然非常少見[2]。在SNMP的支持方面，Cisco是走在最前沿的[3]，除了完整地支持RFC1213中MIB-2的定義外，還在部分設(shè)備中支持RFC2819和RFC2021中的RMON。基于Cisco的主流性，開發(fā)“可擴(kuò)展”的基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)管理框架變得非常現(xiàn)實(shí)。

1 開發(fā)平臺與架構(gòu)的選擇

.NET平臺的C#語言有著豐富的語言特性，例如Lambda表達(dá)式(在Auto-Topology控件及軟件框架中已多次使用)可以顯著地提升開發(fā)效率，而且支持C#的官方開發(fā)環(huán)境Visual Studio是公認(rèn)的更加有助于團(tuán)隊(duì)協(xié)作的集成開發(fā)環(huán)境。再者，C#中匿名對象、對象初始化器、閉包支持LINQ等利于DSL表現(xiàn)的特性，加之良好的異步編程支持，使C#成為了首選語言，自然，首選的平臺則為.NET。

軟件必須面對的兩個(gè)基本問題是“通用性”與“可擴(kuò)展性”。所謂通用性，就是在絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中都能夠使用的基本功能；所謂可擴(kuò)展性，就是在保證通用的前提下，充分發(fā)揮特有設(shè)備特別功能的能力。這使得通用框架的設(shè)計(jì)難度加大。

如何使網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)充分簡化是需要重點(diǎn)考慮的，軟件的工作方式將會(huì)影響操作的行為，C/S結(jié)構(gòu)或者純粹的單體軟件無疑有著更為強(qiáng)大的圖形展現(xiàn)能力，而B/S結(jié)構(gòu)則在伸縮性與跨平臺方面有著更為良好的表現(xiàn)。一個(gè)較為折衷并且有經(jīng)濟(jì)效益的選擇，就是在框架級別實(shí)現(xiàn)通用與跨平臺，在表現(xiàn)層分離為不同的解決方案。最終，軟件采用了普通軟件的工作方式。

雖然可以自主開發(fā)SNMP底層的通訊類庫來支持整個(gè)項(xiàng)目，但考慮到開發(fā)周期等因素，還是尋求一款更為優(yōu)秀的開源組件來承擔(dān)基礎(chǔ)通訊。有兩款開源組件可供選擇：SnmpSharpNet和SharpSnmpLib。在仔細(xì)研究了這兩款組件后發(fā)現(xiàn)，SharpSnmpLib更新頻率更高，而且代碼更加利于維護(hù)，于是選擇SharpSnmpLib來支持開發(fā)。

2 系統(tǒng)分析

2.1 重點(diǎn)問題

由于SNMP協(xié)議在不同的設(shè)備上支持的情況不同，所以要求軟件的一些通用功能兼容大部分設(shè)備，這是很有挑戰(zhàn)的。常見的網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)基本都建立在以拓?fù)鋱D為藍(lán)本的擴(kuò)展之上，所以無論設(shè)備如何不同、協(xié)議支持情況有多復(fù)雜，自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)功能是一個(gè)不能缺少的核心功能。如何在兼容常見設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能成為研究的重點(diǎn)問題。

2.1.1 與現(xiàn)有的大部分硬件設(shè)備保持兼容

與其說實(shí)現(xiàn)兼容，倒不如理解為只使用大部分硬件都能支持的功能來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)顯而易見的解決方案就是只使用RFC1213中定義的MIB-2功能組。MIB-2中定義了網(wǎng)絡(luò)管理中經(jīng)常使用的對象，并且得到了絕大多數(shù)設(shè)備的支持。如果只使用MIB-2中定義的功能來支撐軟件的核心功能，那么軟件與硬件的兼容性問題自然也會(huì)少很多。

2.1.2 通過SNMP的方式得到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

SNMP協(xié)議的相關(guān)功能中沒有直接獲取拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對象，在一些私有MIB中（例如 Cisco中關(guān)于 CDP的相關(guān)對象）有這樣直接的功能，但是對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與設(shè)備要求苛刻（CDP協(xié)議只在純Cisco網(wǎng)絡(luò)中有用，雖然有部分非 Cisco開始支持 CDP，但是數(shù)量很少）[4]，所以這不是一個(gè)通用的解決方案。

為了保持設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的兼容性，前面提到應(yīng)該采用“保守”的對象來實(shí)現(xiàn)核心功能，所以拓?fù)鋱D的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)只能從MIB-2中查找相應(yīng)的解決方案。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，顧名思義就是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，那么反映到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，最為直接的對應(yīng)就是路由表。但是路由表中只有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的關(guān)系，支持SNMP的PC信息卻不在路由表中。如何解決支持SNMP的PC發(fā)現(xiàn)呢？一個(gè)方案就是查找網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的“地址轉(zhuǎn)換表”，這其中有PC的IP信息，通過對這些PC逐一進(jìn)行SNMP測試，就可完整地支持整個(gè)SNMP網(wǎng)絡(luò)[5]。另外，需要知道設(shè)備自身接口的IP，這在MIB-2的IP功能組（1.3.6.1.2.1.4）中都有定義。

2.2 難點(diǎn)問題

2.2.1 拓?fù)鋱D的布局

拓?fù)鋱D的機(jī)制確定之后，另一個(gè)難題就是如何將各個(gè)設(shè)備以及相關(guān)線路布置在屏幕上。由于設(shè)備之間的唯一關(guān)系就是相互間的鏈路，沒有與物理結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)可以獲得，所以要想完全通過軟件繪制出與物理結(jié)構(gòu)相同或相似的拓?fù)鋱D是非常困難的，可以參考的相關(guān)資料和論文非常少[6]。

拓?fù)鋱D的分布是個(gè)學(xué)術(shù)難題，環(huán)狀權(quán)值分布僅作為一種理論嘗試，為了今后有更好的理論支撐，可以靈活地修改布局算法，軟件在開發(fā)過程中采用“策略模式”（Strategy）將布局算法抽象出來，易于替換。

2.2.2 映射領(lǐng)域模型到存儲(chǔ)模型

領(lǐng)域模型記錄了一個(gè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵概念和詞匯表，顯示出了系統(tǒng)中的主要實(shí)體之間的關(guān)系，并確定了它們的重要方法和屬性。對于一個(gè)SNMP應(yīng)用系統(tǒng)來說，主要的領(lǐng)域模型就是SNMP實(shí)體。另外一個(gè)擴(kuò)展功能就是對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的“管理”，這涉及到資產(chǎn)評估、設(shè)備統(tǒng)計(jì)、維修管理等相關(guān)的應(yīng)用，換句話講，如何將軟件獲取到的信息與現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備對應(yīng)起來，是軟件需要解決的一個(gè)方面。

3 總體描述及框架設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)核心

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所涉及的核心問題分別如下：

(1)如何獲取和繪制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，并合理地調(diào)整拓?fù)錁邮剑?/p>

(2)同步引擎的合理調(diào)度，以及信息存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)；

(3)功能的合理分類，以及對相關(guān)OID的分析、組織、建模；

(4)基礎(chǔ)構(gòu)建塊的選擇。

由于系統(tǒng)采用了分層開發(fā)，以及可擴(kuò)展性等多方面的考慮，軟件在邏輯上分為4層——持久層、基礎(chǔ)層、業(yè)務(wù)層、表示層，基本的工作模式如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)分層

3.2 存儲(chǔ)模型

存儲(chǔ)模型為“設(shè)備管理”以及相關(guān)的擴(kuò)展應(yīng)用提供持久化的機(jī)制，并為統(tǒng)計(jì)、分析等要求查詢對比歷史數(shù)據(jù)的需求提供基礎(chǔ)。

對于數(shù)據(jù)庫的選擇，從成本上考慮，有Microsoft SQL ServerExpress、MicrosoftSQL CE、MongoDB、NoSQL 可供選擇，而從部署上考慮有 MongoDB、部分 NoSQL、Microsoft SQL CE可選擇，最后從性能上考慮，采用Microsoft SQL CE來支持存儲(chǔ)模型。

經(jīng)過持久后的數(shù)據(jù)可以在相對固定的時(shí)間內(nèi)有效，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、跟蹤、分析等功能就會(huì)迅速許多，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷也會(huì)明顯降低。

3.3 領(lǐng)域邏輯設(shè)計(jì)

系統(tǒng)與SNMP網(wǎng)絡(luò)交互的主要邏輯依賴于SNMP協(xié)議所傳輸?shù)腟NMP對象數(shù)據(jù)，SNMP對象又依賴于相關(guān)的MIB來描述其特性與結(jié)構(gòu)。軟件所需要的領(lǐng)域邏輯主要集中在對SNMP實(shí)體的操作上，但是SNMP的操作是對程序不友好的。也就是說，無法通過流暢的API來操作SNMP使之為軟件所用。所以需要設(shè)計(jì)一種領(lǐng)域邏輯，將SNMP的特定領(lǐng)域轉(zhuǎn)化為程序友好的領(lǐng)域?？紤]圖2所示的領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。

圖2 領(lǐng)域轉(zhuǎn)化示意

SNMP的操作原語被轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的編程概念，使SNMP的領(lǐng)域完整地轉(zhuǎn)化為程序設(shè)計(jì)的領(lǐng)域。這為AOP編程以及存儲(chǔ)模型的擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 環(huán)狀權(quán)值分布

拓?fù)鋱D的排序算法被叫“環(huán)狀權(quán)值分布”，主要是因?yàn)橐肓嗽O(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中 “權(quán)重”的概念。由于布局的主要目的是讓主要設(shè)備能夠分布且合理定位在屏幕上，所以拓?fù)洳季值乃惴ㄊ紫仁钦页瞿切皺?quán)重”最高的設(shè)備，并依此排序進(jìn)行設(shè)備定位。算法主要的步驟有：

(1)設(shè)備按“權(quán)重”排序。系統(tǒng)主要面向的是路由及交換設(shè)備，所以對拓?fù)鋱D最為敏感的信息就是 “路由”信息。如果一個(gè)設(shè)備核心的路由數(shù)量高于其他的設(shè)備，則該設(shè)備就是所謂的“核心設(shè)備”。

(2)最高權(quán)重優(yōu)先定位。步驟(1)已經(jīng)確定了最為核心的設(shè)備以及按“權(quán)值”排序后的設(shè)備分組。最為核心的設(shè)備是第一組，它們將以屏幕正中央為圓心，均勻分布在某個(gè)半徑的圓圈上。半徑的確定取決于要定位的設(shè)備數(shù)量，數(shù)量越多半徑值越大。當(dāng)這些設(shè)備定位結(jié)束時(shí)，也就確定了此設(shè)備在屏幕中心點(diǎn)的角度(∠θ)，此角度將作為下個(gè)步驟定位的依據(jù)。

(3)“衛(wèi)星”設(shè)備布局。與核心設(shè)備相聯(lián)接的設(shè)備都?xì)w類為該核心設(shè)備的衛(wèi)星設(shè)備，“衛(wèi)星”設(shè)備的具體分布算法如下：

假定有n個(gè)核心設(shè)備，那么每個(gè)核心設(shè)備的衛(wèi)星設(shè)備只可以分布在360/n的扇形范圍內(nèi)，如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星設(shè)備分布

圖3中有 3個(gè)核心設(shè)備，被分為A、B、C三個(gè)扇形區(qū)域，以R2為例，它的3個(gè)衛(wèi)星設(shè)備就分布在B區(qū)域，且在B扇形內(nèi)根據(jù)∠θ均勻分布，半徑會(huì)以衛(wèi)星設(shè)備的數(shù)量作相應(yīng)的修正。

(4)繪制鏈路連線。核心設(shè)備區(qū)域的連線允許交錯(cuò)，因?yàn)檫@部分的連線幾乎不太可能做到不交叉。由于分布是基于環(huán)的，所以連線即便有交錯(cuò)，問題也不會(huì)很嚴(yán)重。衛(wèi)星設(shè)備的連線主要是對上一個(gè)設(shè)備的，這種情況下可以直連，如果衛(wèi)星設(shè)備之間有連線，則可對衛(wèi)星設(shè)備的布局會(huì)做一些小調(diào)整，盡量不出現(xiàn)連線的過度交叉。

此時(shí)如果發(fā)現(xiàn)x設(shè)備與z設(shè)備間有連線，就會(huì)根據(jù)屏幕上的空間對x或z的位置做一些小的調(diào)整，以讓x與z的連線分布得更為合理。

4.2 MIB模塊的實(shí)現(xiàn)

為命名方便，基于簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)簡稱為SNMS。根據(jù)MIB的命名方式，在1.3.6.1.4.1節(jié)點(diǎn)下自定義了一個(gè)名為 Tute（888）的節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)下定義SNMS(1)節(jié)點(diǎn)。

定義了MIB中的對象標(biāo)識符以后，就需要對軟件只能夠涉及到的、需要管理的對象進(jìn)行劃分，在此，將SNMS這個(gè)系統(tǒng)分為system、user和file三部分，分別定義為 system（1）、user（2）和 file（3），如圖 4 所示。

4.3 Trap模塊的實(shí)現(xiàn)

為了使軟件在設(shè)備出現(xiàn)事件時(shí)能得到通知，在SNMP這個(gè)背景下就意味著需要一種能夠接收Trap的機(jī)制。設(shè)備在自己所能夠支持的事件范圍內(nèi)，通過定義不同含義的Trap報(bào)文，按照設(shè)備自身所配置的接收對象將Trap發(fā)送出去。

4.3.1 統(tǒng)一偵聽Trap版本

SNMP協(xié)議不同的版本對應(yīng)著不同的Trap格式。然而對SNMS自身來說，這些Trap的版本并沒有什么意義，軟件所需要的僅僅是必要的標(biāo)識和對應(yīng)標(biāo)識的意義。所以需要一種機(jī)制將這些版本的Trap進(jìn)行統(tǒng)一。

軟件采用的方式是使用中間層來代理。使用Trap-Monitor來偵聽所有版本的Trap，通過不同的處理最終觸發(fā)TrapComing事件，并將處理之后生成的TrapInfoEventArgs傳入，供訂閱者使用。

4.3.2 Trap信息翻譯

Trap包含的信息成百上千，若都由軟件來解析其信息將是一件非常耗時(shí)且龐大的工程。況且由于SNMP自身的可擴(kuò)展性，軟件無法預(yù)測其后出現(xiàn)的新Trap定義，所以考慮這樣一種機(jī)制：對Trap進(jìn)行建模，將其核心抽象為一種可擴(kuò)展可配置的模式。

這種機(jī)制使得軟件可以輕松適應(yīng)不同的場景，而且部署起來也很方便。軟件自身也集成了Trap信息的配置功能，可以避免手動(dòng)接觸XML文件。

4.3.3 Trap過濾

如何過濾出有用的Trap信息非常關(guān)鍵，這是由系統(tǒng)的“管理”性質(zhì)決定的。系統(tǒng)決定采用一種類似于網(wǎng)絡(luò)ACL的做法，提出了白名單和黑名單的過濾模式。類似于Trap信息翻譯，系統(tǒng)也采用了基于XML的做法，將過濾規(guī)則保存在更加靈活部署的XML文件中。這里白名單是指所有Trap到達(dá)后只顯示名單中規(guī)則匹配的Trap；黑名單是指所有Trap到達(dá)后不顯示規(guī)則匹配的Trap。

5 測試及部署

最終的測試環(huán)境選用了最為常用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備——中型路由式數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)。環(huán)境使用5臺Cisco 7200路由器與7臺Cisco 3640交換機(jī)搭建，并配置了相關(guān)的路由協(xié)議，最后開啟SNMP功能和Trap功能。

系統(tǒng)對“中型路由式數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)”環(huán)境進(jìn)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，測試效果如圖5所示。

圖6是在一個(gè)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)測試得到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

圖5 模擬環(huán)境測試結(jié)果

作為基于SNMP的上層應(yīng)用軟件系統(tǒng)，軟件除了實(shí)現(xiàn)核心的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制與拓?fù)洳季滞?，還不斷地完善軟件框架，使其能適應(yīng)不同的上層開發(fā)。軟件理想的演進(jìn)路線是做成一個(gè)基于SNMP的基礎(chǔ)框架，在此框架之上可以不斷地?cái)U(kuò)充應(yīng)用。由于SNMP協(xié)議本身的成熟性，這種需求的框架有著很大的潛力。

[1]SHIVA S J，DAMODAR P，VISHAL K S.SNMP over SIP for Network management[J].IEEE/IFIP Network Operations and Management Sym-posium，2004，1(19-23)：881-882.

[2]Liu Jianqing，Liu Gongyong.Research and Implementation of SNMP-Based Network Management System[C].Proceedings of the 4th International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems,Kunming：IEEE Computer Press，2011：129-132.

圖6 真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境測試拓?fù)洳季?/p>

[3]CLEMM A.網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)架構(gòu)[M].詹文軍，杜曉峰，劉玉鵬，譯.北京：人民郵電出版社，2008.

[4]武孟軍，徐龔，任相臣.Visual C++開發(fā)基于 SNMP的網(wǎng)絡(luò)管理軟件(第 2版)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[5]PANDEY S，CHOI M J，LEE S J，et al.IP Network topology discovery using SNMP[C].International Conference on Information Networking，Chiang Mai：IEEE Computer Press，2009：1-5.

[6]陳哲，羅軍勇，王清賢.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)布局技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(9)：100-101，163.