一種實現(xiàn)負載均衡的分布式衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

高鑫+孫艷峰

摘要隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展，Internet節(jié)點不斷接入甚小孔徑終端（Very Small Aperture Terminal，VSAT）衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，豐富了VSAT的業(yè)務(wù)類型。然而傳統(tǒng)VSAT通信網(wǎng)采用集中式網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)，大量Internet節(jié)點的接入降低了VSAT通信網(wǎng)絡(luò)性能。針對這一問題，文章設(shè)計了一種分布式衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理方案。本方案采用主從關(guān)系的分布式結(jié)構(gòu)，包括一個主管理者和若干從管理者。主管理者首先計算各VSAT節(jié)點的任務(wù)負載率，依據(jù)輪詢比例公平調(diào)度算法為從管理者均衡分配任務(wù)，保證各從管理者承擔近似相同的任務(wù)負載率，解決了傳統(tǒng)NMS中單一管理者任務(wù)負載率過高的問題，極大提升了網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（Network Management System，NMS）的任務(wù)處理能力，保障了業(yè)務(wù)的實時性。

關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)管理；層次型分布式；負載均衡

中圖分類號：TN927 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0036-02

衛(wèi)星通信[1]是指利用人造地球衛(wèi)星作為空間中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，在兩個或多個地球站、宇宙站之間進行信息交換和信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。?0世紀80年代，VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的出現(xiàn)為大量專用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，開創(chuàng)了衛(wèi)星通信應(yīng)用發(fā)展的新局面。此后，VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)得到了快速發(fā)展，企業(yè)采用VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，作為地面電話和數(shù)據(jù)系統(tǒng)的一種替代方案。到了20世紀末，隨著社會科技、文化和經(jīng)濟以及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)的快速發(fā)展，Internet得到了飛躍式的發(fā)展，人們開始考慮將Internet接入VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)，將Internet的覆蓋范圍擴大至全球，標志著衛(wèi)星通信網(wǎng)進入一個新時代。

在VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)中，NMS是保證網(wǎng)絡(luò)能夠有效、可靠、安全、經(jīng)濟地提供服務(wù)的重要條件。NMS[2]是整個網(wǎng)絡(luò)的指揮控制中心，負責監(jiān)測VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的運行狀態(tài)，并依據(jù)實際需求和運行狀態(tài)來調(diào)整相關(guān)VSAT網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作參數(shù)，以保證VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)平穩(wěn)、高效地運行。在現(xiàn)代VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)中，VSAT節(jié)點的數(shù)量不僅龐大，而且除了包括衛(wèi)星通信專用的調(diào)制解調(diào)器之外，還包括路由器、交換機等數(shù)據(jù)通信設(shè)備，造成了傳統(tǒng)集中式NMS工作負載增加。為保證對VSAT節(jié)點狀態(tài)信息的監(jiān)控，必須延長輪詢周期以處理更多實時請求任務(wù)和查詢請求任務(wù)。然而輪詢周期的延長必然導致請求任務(wù)響應(yīng)時間的加長，影響了管理任務(wù)的實效性，為VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)NMS設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。

分布式NMS采用主從管理結(jié)構(gòu)，主管理者將管理任務(wù)委托給從管理者，由從管理者來執(zhí)行具體任務(wù)，降低單一管理者的負載，提升NMS的任務(wù)處理能力。從管理者負責管理數(shù)據(jù)的采集、處理，并將處理結(jié)果上報至主管理者。主管理者對處理結(jié)果進行匯總，并根據(jù)處理結(jié)果將所實施的管理指令通過從管理者傳送至被管理對象。主管理者應(yīng)根據(jù)各個從管理者的處理能力，利用輪詢比例公平調(diào)度策略[3]將管理任務(wù)均衡地分配至不同的從管理者，最大程度地利用各從管理者的處理能力。分布式NMS以集群系統(tǒng)方式提高NMS處理能力與性能，縮短了VSAT用戶對請求任務(wù)響應(yīng)的等待時間。

1層次型分布式網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)

1）分布式網(wǎng)管管理系統(tǒng)的必要性。國際標準化組織在ISO/IEC 7498-4所定義的NMS包括：故障管理、性能管理、配置管理、計費管理和安全管理，其具體功能如表1所示。在構(gòu)建NMS時，網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)是基本要素，其中管理協(xié)議規(guī)定管理者與被管理者之間消息傳遞方式，網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)將執(zhí)行管理的元素組合在一起的一系列規(guī)則。以上兩要素實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的管理，保證NMS的通用性、可擴展性以及高效性。

表1網(wǎng)絡(luò)管理功能描述

管理內(nèi)容 功能描述

故障管理 故障采集、隔離與診斷；故障查詢和統(tǒng)計

計費管理 設(shè)置費率，查詢并生成賬單

配置管理 修改被管理設(shè)備的工作參數(shù)，查詢被管理設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)；開通和終止網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

性能管理 性能監(jiān)測、分析和控制

安全管理 建立、刪除和控制安全機制

與安全相關(guān)信息和事件的發(fā)布；

傳統(tǒng)VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)采用集中式管理體系結(jié)構(gòu)。這是一種由單一管理者完成所有管理任務(wù)的體系結(jié)構(gòu)。在該體系結(jié)構(gòu)中，所有管理數(shù)據(jù)均利用簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP）發(fā)送至NMS進行集中處理。代理僅僅作為網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)的采集者和對被管理對象施加控制指令的中間傳遞者。該網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)，管理員便于實施對整個網(wǎng)絡(luò)的靈活管理，適用于小型網(wǎng)絡(luò)或者不頻繁訪問的有限的網(wǎng)絡(luò)中。

隨著VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，被管理VSAT節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量將顯著增加，管理數(shù)據(jù)也將顯著增加，必然導致NMS負擔過重，影響管理任務(wù)處理的實時性。此外，SNMP占用較多的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，增加網(wǎng)絡(luò)開銷，有可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，甚至導致衛(wèi)星通信網(wǎng)管理信道的癱瘓，無法直接應(yīng)用于被管理對象數(shù)量較多的現(xiàn)代衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。因此，利用分布式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計面向大規(guī)模被管理VSAT節(jié)點的NMS迫在眉睫。

2）基于主從關(guān)系的分布式NMS。分布式管理體系結(jié)構(gòu)[4,5]是管理者將管理任務(wù)委托給其它的實體來執(zhí)行管理。由這些委托實體負責管理數(shù)據(jù)的采集、處理，并將處理結(jié)果上報至管理者。管理者對管理結(jié)果進行匯總，并將根據(jù)管理結(jié)果所實施的管理指令通過這些委托實體傳送至被管理對象?；谥鲝年P(guān)系的分布式體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單，包括一個主管理者、多個從管理者。從管理者直接與被管理VSAT節(jié)點交互管理數(shù)據(jù)，如圖1所示。從管理者承擔雙重角色：下層被管理對象的管理者和主管理者的代理。

因此，這些從管理者充當主管理者和被管理對象的中間媒介。在分布式網(wǎng)絡(luò)管理體系中，從管理者不僅是網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)的采集者以及控制指令的傳遞者，還是具備管理功能的中間層管理者。從管理者由主管理者委托管理任務(wù)，是主管理者的施動者，充當執(zhí)行管理的角色。因此，分布式網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)減小網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，消除瓶頸，增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性和擴展性。

圖1基于主從關(guān)系的分布式管理體系結(jié)構(gòu)

2基于任務(wù)的負載均衡技術(shù)

在層次型網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)中，管理任務(wù)采用垂直委派順序來執(zhí)行。NMS首先執(zhí)行管理任務(wù)的分類與分解，并將執(zhí)行分類或分解之后的管理任務(wù)委派至相應(yīng)的從管理者或通過遠程方法調(diào)用（Remote Method Invocation，RMI）將代理發(fā)送至相應(yīng)的從管理者。從管理者根據(jù)所委派的任務(wù)對VSAT節(jié)點執(zhí)行包括性能參數(shù)采集、狀態(tài)輪詢、配置入網(wǎng)輪詢等在內(nèi)的管理。對于NMS來說，從管理者作為被管理節(jié)點的角色；而對于VSAT節(jié)點來說，從管理者作為管理節(jié)點的角色，VSAT節(jié)點作為被管理對象。這樣降低了頂層管理者的負擔，增大了NMS的管理容量。采用該機構(gòu)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理的分布程度和系統(tǒng)實現(xiàn)復雜程度的折中，既具有管理的分布性，又降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜性，是一種對大規(guī)模復雜網(wǎng)絡(luò)進行有效管理、增強實用性的解決方案。

在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，每個VSAT節(jié)點具有不同數(shù)量的性能參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，而每個VSAT節(jié)點具有不同的性能參數(shù)采集周期和狀態(tài)參數(shù)輪詢周期，其中，表示衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中VSAT節(jié)點的數(shù)量。性能參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)都是基于SNMP來完成采集。因此，利用狀態(tài)參數(shù)數(shù)量、性能參數(shù)數(shù)量、狀態(tài)參數(shù)輪詢周期和性能參數(shù)采集周期來衡量每個VSAT節(jié)點任務(wù)負載率。

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（1）

其中，表示利用SNMP協(xié)議采集單個參數(shù)所消耗的系統(tǒng)資源。

對于每個VSAT節(jié)點來說，狀態(tài)參數(shù)的采集是按照固定周期來執(zhí)行，采集狀態(tài)參數(shù)的數(shù)量也固定不變。而每個VSAT節(jié)點包括不同數(shù)量的性能參數(shù)，而每個VSAT節(jié)點性能參數(shù)的采集周期也不相同，因此每個VSAT節(jié)點的任務(wù)負載率取決于。所以，頂層管理者在向從管理者委派任務(wù)之前需要評估每個VSAT節(jié)點的任務(wù)負載率。然后通過輪詢比例公平調(diào)度算法將管理任務(wù)均衡地分配至從管理者，使得每個從管理者承擔近似相同的任務(wù)負載率。通過采用輪詢比例公平調(diào)度算法避免了SNMP流量集中于單一從管理者，造成單一從管理者負載過大，同時可以降低系統(tǒng)維護和硬件升級的成本，也有助于優(yōu)化NMS的性能。令表示管理任務(wù)集合，其中代表VSAT節(jié)點的管理任務(wù)；表示從管理者，表示從管理者承載的任務(wù)負載率，表示從管理者的數(shù)量。管理任務(wù)分配的具體步驟如下。

1）利用式（1）評估每個管理任務(wù)的任務(wù)負載率，計算任務(wù)負載率和。

2）計算平均任務(wù)負載率，將其作為任務(wù)分配的門限值。

3）遍歷管理任務(wù)集合，以編號升序順序來分配管理任務(wù)；對于Agent（j），分配管理任務(wù)之后，如果小于，則繼續(xù)對Agent（j）分配管理任務(wù)；否則開始對下一個Agent（j+1）分配管理任務(wù)。

3結(jié)論

在VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)中，NMS負責監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)，然后基于實際需求和運行狀態(tài)來調(diào)整相關(guān)VSAT節(jié)點的工作參數(shù)。本文利用主從關(guān)系的分布式體系結(jié)構(gòu)來設(shè)計VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的NMS，以實現(xiàn)對網(wǎng)內(nèi)更多VSAT節(jié)點的高效管理。基于主從關(guān)系的NMS包括一個主管理者、多個從管理者。從管理者負責從VSAT節(jié)點采集數(shù)據(jù)進行處理，并將處理結(jié)果上報至主管理者?；诖私Y(jié)構(gòu)，本文利用基于輪詢比例公平調(diào)度算法來分配管理任務(wù)，首先統(tǒng)計每個VSAT節(jié)點的任務(wù)負載率，然后計算平均任務(wù)負載率作為分配門限值，以此門限值來將管理任務(wù)分配至從管理者，使得每個從管理者承擔近似相同的任務(wù)負載率，解決單一管理者負載過大的問題，提升NMS的任務(wù)處理能力。

參考文獻

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