大規(guī)模異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)

井 雅，李 群，陳 亭，張海闊

（1.中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心，北京100190；2.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京100075；3.北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京100854；4.中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心，北京100190）

0 引 言

隨著通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，很多專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（以下簡稱 “網(wǎng)管系統(tǒng)”，即NMS）采用不同技術(shù)和協(xié)議，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理節(jié)點(diǎn)分散、操作界面各異。為了最大限度利用通信網(wǎng)絡(luò)資源［1］，協(xié)調(diào)、分配基站使用的衛(wèi)星頻率、帶寬等資源，實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)整全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，提示、報(bào)警系統(tǒng)任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)的故障、異常等情況，提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量和效率，本文就實(shí)現(xiàn)大規(guī)模異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行了具體闡述。

1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)管系統(tǒng)在運(yùn)行環(huán)境中，與所在的局域網(wǎng)和網(wǎng)控單元作數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)控單元與局域網(wǎng)交互，向前向處理子系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)也跟IP路由和防火墻作數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)管系統(tǒng)所在的局域網(wǎng)主要包含中頻設(shè)備 （與局域網(wǎng)交互）、前向處理子系統(tǒng)、回傳處理子系統(tǒng)、時(shí)間頻率基準(zhǔn)器。其中前向處理子系統(tǒng)包含DVB－S調(diào)制器、MPEG 復(fù)用器、NCR／SI生成器、IP封裝機(jī)等模塊，并向中頻設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，向局域網(wǎng)外部傳達(dá)網(wǎng)管指令。

NMS［3］與主站其它設(shè)備的交互都是通過局域網(wǎng)的方式，運(yùn)行網(wǎng)管系統(tǒng)的服務(wù)器和組成主站的所有服務(wù)器連接在同一個(gè)局域網(wǎng)中，網(wǎng)管系統(tǒng)與這些設(shè)備之間的交互都遵循TCP／IP協(xié)議通過局域網(wǎng)方式連接［3］。

NMS與小站及小站側(cè)的用戶信息交互則需要通過衛(wèi)星鏈路來完成，一方面，NMS將網(wǎng)管指令通過前向鏈路發(fā)送給小站，小站接收后在相應(yīng)的設(shè)備或終端用戶處執(zhí)行；另一方面，小站將本身的設(shè)備信息或終端用戶的信息通過回傳鏈路返回，經(jīng)過回傳處理子系統(tǒng)接入主站內(nèi)部的局域網(wǎng)，再轉(zhuǎn)發(fā)給NMS服務(wù)器。

1.1 功能概述

NMS功能設(shè)計(jì)，是為了實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行參數(shù)配置，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理。在功能劃分上，設(shè)計(jì)的模塊主要包括：主站配置、空中接口、服務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、告警管理、性能管理、系統(tǒng)管理和日志管理。

設(shè)備管理模塊由設(shè)備管理視圖、網(wǎng)控服務(wù)器、設(shè)備配置向?qū)?、路由器、性能加速器、Qos服務(wù)器、IP 封裝機(jī)、DVB調(diào)制器、下變頻器組成?？罩薪杩谀K由空中接口視圖、頻帶配置、頻帶組件配置、TXmode、TS流配置、超幀配置、Area配置、Segment配置組成。服務(wù)管理模塊由服務(wù)管理視圖、SPRL SLA 配置、小站組配置、SGFL SLA配置、前向鏈路Qos 配置、回傳鏈路Qos 配置、回傳Queue過濾、小區(qū)軟件版本配置組成。網(wǎng)絡(luò)管理模塊由網(wǎng)絡(luò)管理視圖、小站管理、小站Tralffic Queue、前向鏈路路由管理、VLAN 視圖、地址空間、ISP 端網(wǎng)絡(luò)、IP 地址范圍配置、PID 范圍配置組成。操作管理模塊由操作管理視圖、小站監(jiān)控、小站組監(jiān)控組成。告警管理模塊由告警管理視圖、主站設(shè)備活動告警、小站設(shè)備活動告警、主站設(shè)備歷史告警、小站設(shè)備歷史告警、告警標(biāo)準(zhǔn)化、相關(guān)性分析、告警通知、告警級別組成。性能管理由性能管理視圖、主戰(zhàn)性能監(jiān)視、小站性能監(jiān)視、任務(wù)配置、性能指標(biāo)、配置參數(shù)組成。

1.2 配置模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中共有4個(gè)功能模塊用以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備的配置。首先配置設(shè)備管理模塊，包含網(wǎng)控配置、路由配置、PEP配置、Qos配置、IPE 配置、調(diào)制器配置、下變頻器配置。二是空中接口模塊，包含頻帶配置、頻帶組件激活、超幀定義、TS流定義。三是服務(wù)管理模塊，包含前向鏈路帶寬管理，回傳鏈路帶寬管理，小站組配置，前向鏈路Qos配置，SGFL SLA 配置，回傳鏈路Qos 配置，回傳Queue配置。四是網(wǎng)絡(luò)管理模塊，包含小站管理，小站Traffic Queue配置，前向鏈路路由管理，TSP端網(wǎng)絡(luò)配置，地址空間管理，IP地址范圍配置，PID 范圍配置。

1.3 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了完成NMS 的業(yè)務(wù)需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4 個(gè)子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換關(guān)系、所包含的構(gòu)件如圖1所示。

圖1 各個(gè)子系統(tǒng)中邏輯組件以及相互關(guān)系

其中應(yīng)用子系統(tǒng)是一個(gè)Web應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)和用戶進(jìn)行交互；其它的3個(gè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控［4］、采集［5］以及設(shè)備配置［6］等后臺任務(wù)。

3個(gè)子系統(tǒng)都是獨(dú)立運(yùn)行的程序，可以部署在一臺、多臺服務(wù)器上，其中采集可以部署多套，通過設(shè)定他們的采集范圍，可以自動完成各自的采集任務(wù)。

4個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)視圖如圖2所示。

圖2 子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視圖

2 系統(tǒng)邏輯視圖設(shè)計(jì)

采集監(jiān)控子系統(tǒng)、Trap監(jiān)聽子系統(tǒng)、配置命令服務(wù)子系統(tǒng)是3個(gè)以后臺服務(wù)形式存在的子系統(tǒng)，在功能上統(tǒng)歸為服務(wù)子系統(tǒng)。因此系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)可以用圖3來表示。

Trap監(jiān)聽子系統(tǒng)通過監(jiān)聽Trap，分析事件，反應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)；

采集監(jiān)控子系統(tǒng)通過主動采集系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)性能的監(jiān)控；

Trap監(jiān)聽子系統(tǒng)和采集監(jiān)控子系統(tǒng)一起為應(yīng)用子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，應(yīng)用子系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)展示給用戶。

配置命令服務(wù)子系統(tǒng)是完成配置命令的一個(gè)服務(wù)通道，在他的幫助下，用戶在應(yīng)用子系統(tǒng)提交的設(shè)備參數(shù)以及配置命令，可以提交到設(shè)備上，完成設(shè)備配置任務(wù)。

下面對各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。

3 功能模塊層次分解

3.1 應(yīng)用子系統(tǒng)

應(yīng)用子系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)管理人員與網(wǎng)管軟件進(jìn)行交互的界面。主要通過它來進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的錄入、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的查詢等等。處理流程如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)管理人員可以通過應(yīng)用子系統(tǒng)執(zhí)行所有的網(wǎng)絡(luò)管理功能。

應(yīng)用子系統(tǒng)的層次分解和設(shè)計(jì)構(gòu)件之間的關(guān)系如圖5所示。

3.2 采集子系統(tǒng)

采集子系統(tǒng)主要使用SNMP等協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)中向衛(wèi)星小站、Router、NCC等網(wǎng)絡(luò)單元發(fā)送采集指令，獲取、分析指令結(jié)果，從而最終得出網(wǎng)絡(luò)單元的狀態(tài)信息。

系統(tǒng)將采集過來的數(shù)據(jù)分類處理、存儲，并根據(jù)系統(tǒng)閾值設(shè)置，決定是否報(bào)警等等。采集子系統(tǒng)處理流程如圖6所示。

采集監(jiān)控子系統(tǒng)專門負(fù)責(zé)主動對系統(tǒng)中各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)采集。采集子系統(tǒng)需要采集諸如路由器、NCC 等主站設(shè)備，同時(shí)需要采集數(shù)量眾多的小站設(shè)備。為了最大限度降低系統(tǒng)不同任務(wù)之間的耦合、提高效率，采集監(jiān)控子系統(tǒng)作為獨(dú)立的程序運(yùn)行，通過自動任務(wù)分配，通過讀取系統(tǒng)配置參數(shù)，自動完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

采集監(jiān)控子系統(tǒng)的模塊連接如圖7所示。

3.2.1 主要處理算法

（1）被采集設(shè)備列表數(shù)據(jù)：被采集設(shè)備列表信息在初始化時(shí)，需要查詢數(shù)據(jù)庫。

（2）采集任務(wù)裝載：定時(shí)獲取數(shù)據(jù)庫配置的采集任務(wù)，裝載并執(zhí)行。

（3）采集子任務(wù)分配：采集子任務(wù)分配采用同步隊(duì)列的方式緩存。需要采集的任務(wù)按照周期，一次性插入到任務(wù)隊(duì)列中緩存。線程調(diào)度模塊將根據(jù)任務(wù)經(jīng)驗(yàn)完成時(shí)間，設(shè)定線程數(shù) （這個(gè)線程數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于緩存在隊(duì)列中待處理的任務(wù)數(shù)），逐步完成采集任務(wù)。

（4）采集數(shù)據(jù)第一次緩存［7］：采集任務(wù)在獲取數(shù)據(jù)后，并不急于處理，而是將采集到的對象緩存到同步處理隊(duì)列中。采集任務(wù)只負(fù)責(zé)通訊的部分 （UDP 包的收發(fā)），從而使采集任務(wù)分配和線程調(diào)度更簡單、調(diào)度也更合理。

（5）采集數(shù)據(jù)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫入庫：采集數(shù)據(jù)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，由固定數(shù)目的采集數(shù)據(jù)處理線程在同步處理，將采集數(shù)據(jù)對象解析、存儲到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。

（6）數(shù)據(jù)同步處理：內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)實(shí)際上將大部分活動數(shù)據(jù)放到內(nèi)存中，而將另外部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲到文件中。因此，在系統(tǒng)Demo測試中，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫文件可以達(dá)到10G（理論上，可以達(dá)到1T），但是內(nèi)存數(shù)據(jù)并發(fā)處理線程在設(shè)置到1000時(shí)，系統(tǒng)頻繁提示內(nèi)存數(shù)據(jù)庫連接失敗。因此，此部分?jǐn)?shù)據(jù)處理要將線程設(shè)定在經(jīng)驗(yàn)上允許的范圍內(nèi)。

圖3 系統(tǒng)功能模型

圖4 應(yīng)用子系統(tǒng)處理流程

圖5 應(yīng)用子系統(tǒng)邏輯視圖

3.2.2 大量小站任務(wù)分配方法

在指定的周期內(nèi)，使用更多的線程，會使整體上任務(wù)更快的完成，但是會造成更大的帶寬。

針對固定數(shù)目的采集目標(biāo)來說，采集任務(wù)要盡可能的在在周期內(nèi)平均分布［8］，這樣可以達(dá)到理想的目標(biāo)：

IP＝Tm＊Nm／Tl；

（1）IP–理想線程數(shù)；

圖6 采集子系統(tǒng)處理流程

圖7 采集監(jiān)控子系統(tǒng)邏輯視圖

（2）TmP–當(dāng)前平均任務(wù)執(zhí)行時(shí)間；

（3）Nm–剩余任務(wù)數(shù)；

（4）Tl–剩余時(shí)間。因此，采用線程調(diào)度和動態(tài)調(diào)整的方式不斷對線程數(shù)進(jìn)行調(diào)整，是線程盡可能的在整個(gè)周期內(nèi)平均分布。

3.2.3 周期保護(hù)方法

所謂周期保護(hù)，就是指保證在周期內(nèi)能完成指定的任務(wù)。因此在計(jì)算的時(shí)候，需要使用周期保護(hù)時(shí)間，即：

T＝Ti－TP；

（1）T–實(shí)際周期；

（2）Ti–理想周期；

（3）TP–周期保護(hù)時(shí)間。

系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整的目標(biāo)是實(shí)際周期。這樣在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，任務(wù)在實(shí)際周期邊界上動態(tài)吻合。

3.2.4 數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)處理取到的數(shù)據(jù)，首先放置到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)同步任務(wù)使用固定的頻率將數(shù)據(jù)同步到物理數(shù)據(jù)庫中。

3.3 監(jiān)聽子系統(tǒng)

監(jiān)聽子系統(tǒng)監(jiān)聽系統(tǒng)中的TRAP信息［6］，對TRAP信息進(jìn)行分析處理，保存到告警信息庫中。

Trap信息監(jiān)聽子系統(tǒng)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)Trap信息的采集和處理。在接受到Trap信息后首先根據(jù)過濾規(guī)則判斷是否處理，對于需要處理的Trap信息系統(tǒng)解析并進(jìn)行狀態(tài)或者告警分析。

Trap監(jiān)聽子系統(tǒng)的模塊連接如圖8所示。

圖8 Trap監(jiān)聽子系統(tǒng)模塊邏輯視圖

主要處理過程如下：

（1）Trap偵聽，接收來自各網(wǎng)元設(shè)備的原始數(shù)據(jù)trap類型的PDU 數(shù)據(jù)；

（2）對采集到的原始PDU 信息進(jìn)行解析，并將其封裝為Java對象，放置到TRAP隊(duì)列中，多個(gè)線程同時(shí)處理；

（3）從隊(duì)列中獲取封裝的PDU 對象，匹配告警規(guī)則，構(gòu)造完整的trap告警事件；

（4）拼裝的告警事件SQL，裝入內(nèi)存數(shù)據(jù)庫；

（5）獲取內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的告警事件SQL，并將其同步到物理數(shù)據(jù)庫告警事件表中；

（6）獲取物理數(shù)據(jù)庫中告警事件信息進(jìn)行計(jì)數(shù)和配對操作，完成告警事件到活動告警的轉(zhuǎn)化；

（7）啟動告警事件清除線程，定時(shí)完成清除操作。

3.4 配置命令子系統(tǒng)

配置命令子系統(tǒng)監(jiān)聽設(shè)備配置命令隊(duì)列，當(dāng)接收到新的配置命令，系統(tǒng)分析命令格式、獲取設(shè)備相關(guān)配置參數(shù)，使用相應(yīng)的協(xié)議配置到設(shè)備中。配置命令子系統(tǒng)的模塊連接如圖9所示。

配置命令監(jiān)聽子系統(tǒng)負(fù)責(zé)設(shè)備配置命令的接收和處理。配置命令子系統(tǒng)監(jiān)聽配置命令隊(duì)列，在接收到應(yīng)用子系統(tǒng)發(fā)來的設(shè)備配置命令后，首先根據(jù)數(shù)據(jù)庫中配置對命令進(jìn)行分析，判斷是否需要處理，對于需要處理的配置命令系統(tǒng)解析并通過相應(yīng)的設(shè)備配置適配器完成最終的配置工作。

圖9 配置命令子系統(tǒng)處理流程

配置命令監(jiān)聽子系統(tǒng)的模塊連接如圖10所示。

圖10 配置命令監(jiān)聽子系統(tǒng)邏輯視圖

3.5 部署視圖

部署視圖的結(jié)構(gòu)包括各個(gè)物理節(jié)點(diǎn)的硬、軟件配置，網(wǎng)絡(luò)邏輯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)交互與通訊等；同時(shí)還表達(dá)了進(jìn)程視圖中的各個(gè)進(jìn)程具體分配到物理節(jié)點(diǎn)的映射關(guān)系。

用戶客戶端：用戶客戶端為普通pc機(jī)或筆記本，要求客戶端的瀏覽器為IE6.0或以上，或者Firefox2.0或以上。

Web服務(wù)器：操作系統(tǒng)為Windows Server系列／Linux。Web服務(wù)器上部署的是NMS應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序運(yùn)行在Tomcat5或Tomcat5 以上，或者Jboss4 及以上，要求jre的版本為1.5或1.5以上的環(huán)境下。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：Oracle9i。

應(yīng)用服務(wù)器：操作系統(tǒng)為Windows Server系列／Linux。主要部署設(shè)備配置服務(wù)和監(jiān)控子系統(tǒng)，要求jre的版本為1.5或1.5以上。

采集服務(wù)器：操作系統(tǒng)為Windows Server系列／Linux。主要部署采集子系統(tǒng)，要求jre的版本為1.5或1.5以上。

4 結(jié)束語

本研究結(jié)果是通信網(wǎng)絡(luò)管理的工程應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、邏輯視圖和功能模塊分解，并給出了部署方法。重點(diǎn)對采集系統(tǒng)的處理算法，任務(wù)分配和周期保護(hù)算法進(jìn)行了說明。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)是快速、智能、可靠、易用的實(shí)踐成果，有效提升到端端網(wǎng)絡(luò)管理能力和通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量。下一步，將繼續(xù)研發(fā)應(yīng)急NMS，增加安全風(fēng)險(xiǎn)評估［8］功能，以保障在自然災(zāi)害、突發(fā)事件頻繁發(fā)生的情況下通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行［10］。

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