并行冗余網(wǎng)絡(luò)中高效信息采集策略設(shè)計方案

摘 要：并行冗余網(wǎng)絡(luò)目前被廣泛用于工業(yè)和制造業(yè)上，由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其穩(wěn)定性差。因此對于并行冗余網(wǎng)絡(luò)來說，如何確保其穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高效信息采集是重要的研究課題。高效信息采集旨在減小帶寬占有率，發(fā)現(xiàn)并處理網(wǎng)絡(luò)故障。文章提出了常用的信息采集模式以及高效信息采集模式，并通過實(shí)驗(yàn)對比證明了高效信息采集的優(yōu)越性，提出了實(shí)現(xiàn)高效信息采集的方案。

關(guān)鍵詞：并行冗余網(wǎng)絡(luò)；高效信息采集；策略

中圖分類號：TP391

在并行冗余網(wǎng)絡(luò)中，高效的信息采集是發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障確保其穩(wěn)定性的關(guān)鍵。為了進(jìn)一步研究這一問題，文章通過冗余網(wǎng)絡(luò)的介紹，并通過實(shí)驗(yàn)證明了其優(yōu)越性。

1 常用信息采集方式

并行輪詢采集方式和普通的串行輪詢方式均具有一定的局限性，因此文章提出了一種通過管理端的數(shù)據(jù)反饋對串行周期進(jìn)行調(diào)整的方式，一定程度上增強(qiáng)了管理的有效性。

1.1 并行輪詢信息采集主要是針對由于信息傳輸周期長而導(dǎo)致的時間延遲，具體執(zhí)行方案為由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分別向每個agent發(fā)送輪詢請求，并由終端設(shè)備對其進(jìn)行回復(fù)。由于同時發(fā)出的信息較多，因此很容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞甚至癱瘓，因此并行輪詢方法存在一定的弊端，執(zhí)行起來較難。

1.2 串行輪詢信息采集是通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行依次循環(huán)信息采集。即將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按序號分成從1到N，并從1號開始順序輪詢至N，然后再回到1號設(shè)備，這樣反復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)信息采集。其中輪詢周期Tsample與信息發(fā)送請求需要的時間間隔△Trequest、采樣所需的時間間隔△Tresponse之間滿足關(guān)系式：

Tsample≥（△Trequest+△Tresponse）×N （其中N指的是網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的數(shù)量）

在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的情況下，△Trequest與△Tresponse的和值為恒定值，也就是說，輪詢周期與網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的數(shù)量成正比例關(guān)系，而對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備過多的環(huán)境（通常指大于100臺設(shè)備），輪詢周期相對較長。同時串行輪詢信息采集方式對于時間間隔很短的網(wǎng)絡(luò)故障往往不能夠進(jìn)行檢測。

2 并行冗余網(wǎng)絡(luò)中高效信息采集策略的適用環(huán)境

2.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。（1）管理段的數(shù)據(jù)接收。高效信息采集要求管理端僅負(fù)責(zé)接收交換機(jī)和終端設(shè)備所發(fā)送的數(shù)據(jù)包。管理端作為接收方需要接收兩種不同的報文，并由LRE對其進(jìn)行冗余處理。去除協(xié)議控制信息，將其還原成為服務(wù)數(shù)據(jù)單元并提交到上層程序，而對于不包含RCT的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，則要求LRE去掉PCI，同樣將其還原為SDU然后提交至上層程序。（2）被管理端的數(shù)據(jù)發(fā)送。被管理端的數(shù)據(jù)發(fā)送包括交換機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送和終端設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送。其中，交換機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送是通過客戶端代理實(shí)現(xiàn)的，即利用內(nèi)置計數(shù)器來記錄丟棄的數(shù)據(jù)包，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包正確與否，并在每次數(shù)據(jù)讀取之后進(jìn)行正確運(yùn)算，以此來決定是否需要向管理端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；而終端設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送是利用LRE實(shí)體網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)進(jìn)行搜索，與交換機(jī)數(shù)據(jù)相同，終端設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送也需要在每次數(shù)據(jù)讀取之后進(jìn)行一次正確的運(yùn)算，然后決定是否需要向管理端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

2.2 MIB信息庫設(shè)計。（1）交換機(jī)MIB數(shù)據(jù)庫的設(shè)計：MIB數(shù)據(jù)庫的類型很多，但是其中一部分屬于對系統(tǒng)基本信息的標(biāo)識，這種類型的信息基本上不會發(fā)生變化，因此不能作為實(shí)時數(shù)據(jù)的采集。其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)與協(xié)議緊密相連，如IP數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)受網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的影響較大，在不同的網(wǎng)絡(luò)中差距較大，特殊性較強(qiáng)，因此不適于作普遍性的異常狀況檢查。因此本文選擇了與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無關(guān)且具有普遍性的interfaces數(shù)據(jù)作為研究對象。（2）端系統(tǒng)設(shè)備MIB數(shù)據(jù)庫設(shè)計：端系統(tǒng)設(shè)備主要是指雙網(wǎng)口終端設(shè)備，本文基于并行網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)提出了MIB數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)：MIB數(shù)據(jù)庫通常由SMAP、應(yīng)用層，數(shù)據(jù)連接層、物理層和數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)等組成。

3 高效信息采集策略分析

3.1 元素設(shè)計。元素設(shè)計過程中，下一個采樣時間段應(yīng)采集到的數(shù)據(jù)包量滿足以下關(guān)系式：

其中N表示采樣的次數(shù)，即第N次，△Tnext表示相鄰兩次采樣之間的時間間隔。而調(diào)整因子滿足關(guān)系式：

函數(shù)所代表的意義為利用k值與預(yù)設(shè)的門限值之間的比較來決定是否進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

3.2 報文格式。文章將交換機(jī)發(fā)送的報文與端設(shè)備發(fā)送的報文格式整理成表格如下表1：交換機(jī)報文格式

4 OMNET++仿真和建模

文章基于信息的高效采集原則提出了OMNET++仿真和建模，其目的在于利用終端設(shè)備向管理端提供即時不斷的信息，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵π畔⒌墨@取時間影響幾乎為零。因此文章的仿真場景搭建分別選擇了五臺和兩臺中繼設(shè)備，在6000次的樣本空間范圍內(nèi)，分別進(jìn)行自適應(yīng)采樣和周期性采樣和臨界周期性采樣的方式進(jìn)行故障捕捉。在150秒處設(shè)置故障，樣本采集間隔為50ms。針對仿真結(jié)果進(jìn)行分析顯示圖1表示周期性采樣1660次（臨界），出現(xiàn)故障點(diǎn)，但采用次數(shù)小于1660，卻無法捕捉到故障點(diǎn)。圖2表示采取樣本500次，故障點(diǎn)出現(xiàn)在250處。圖3表示采用樣本1000次，發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包并沒有找到故障點(diǎn)。

圖1 周期采樣1660次 圖2 高效信息采樣 圖3 周期性采樣1000次

表2 結(jié)果比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在采用自適應(yīng)采樣方法即高效信息采集法進(jìn)行采集時能夠發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，而采用周期性采樣時，當(dāng)采樣次數(shù)大于1660次時可以發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，低于此數(shù)據(jù)則無法獲取故障點(diǎn)信息。實(shí)驗(yàn)證明，高效信息采集不但可以降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，還可以發(fā)現(xiàn)瞬間故障點(diǎn)，同時降低了數(shù)據(jù)包的發(fā)送數(shù)量，能夠準(zhǔn)確的捕捉網(wǎng)絡(luò)接口處的現(xiàn)狀，而利用周期采樣方法時只有采集次數(shù)達(dá)到一定值時才能夠發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。

5 總結(jié)

冗余網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的提出目的在于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的高效采集，減少數(shù)據(jù)包的發(fā)送量，從而實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)現(xiàn)，有利于把握網(wǎng)絡(luò)端口和網(wǎng)絡(luò)鏈接的現(xiàn)狀。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模式存在一定弊端，易造成網(wǎng)絡(luò)延遲甚至癱瘓，因此文章提出了基礎(chǔ)冗余網(wǎng)絡(luò)的高效信息采集策略。事實(shí)上，無論是在信息采集過程中，還是在樣本數(shù)據(jù)的傳送都一定程度影響網(wǎng)絡(luò)寬帶、處理器的性能。因此實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)寬帶低占有率的有效措施就是減少數(shù)據(jù)包的采集。通過實(shí)驗(yàn)證明，高效信息采集在發(fā)送相對少的數(shù)據(jù)包的前提下就能夠優(yōu)于傳統(tǒng)的采集方法而發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，因此具有時效性和可行性，應(yīng)該進(jìn)行改進(jìn)和推廣。

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