基于圖像處理與SNMP的通信狀態(tài)告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

殷 強(qiáng)，張應(yīng)忠，陸 滔，李 浩，林 放

（中國(guó)人民解放軍32037部隊(duì)，云南 姚安 675300）

0 引 言

隨著通信業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)展，設(shè)備不斷增加，崗位人員的值班壓力也不斷增大，終端告警需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此進(jìn)行智能化管理，開(kāi)發(fā)自動(dòng)告警系統(tǒng)顯得越發(fā)重要。

目前網(wǎng)絡(luò)管理大多采用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP），SNMP是目前應(yīng)用最為廣泛的TCP/IP網(wǎng)管標(biāo)準(zhǔn)，也是應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)。該協(xié)議由國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（The Internet Engineering Task Force，IETF）基于TCP/IP參考模型制定，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理的標(biāo)準(zhǔn)之一[1]。設(shè)備中開(kāi)啟SNMP服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理員就可以遠(yuǎn)程查看設(shè)備狀態(tài)，同樣也能夠在事件發(fā)生時(shí)向網(wǎng)絡(luò)管理員發(fā)出警告[2]。但對(duì)不支持SNMP協(xié)議而又需要監(jiān)視的設(shè)備，作者在現(xiàn)有查閱文獻(xiàn)中暫未發(fā)現(xiàn)對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的研究，對(duì)此，本文利用計(jì)算機(jī)來(lái)處理數(shù)字圖像很好的解決了這一難題。

當(dāng)圖像傳輸、辦公網(wǎng)、程控等通信出現(xiàn)中斷時(shí)，告警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，管理人員就能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)各系統(tǒng)、各設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的異常狀況。自動(dòng)告警系統(tǒng)通過(guò)圖像處理實(shí)現(xiàn)對(duì)不支持SNMP的設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視，同時(shí)對(duì)支持SNMP設(shè)備，監(jiān)視其端口狀態(tài)、流量信息、錯(cuò)誤等信息并實(shí)現(xiàn)主動(dòng)上報(bào)。維護(hù)人員無(wú)需逐個(gè)巡視和查看告警信息，就能及時(shí)感知、發(fā)現(xiàn)、定位故障，彌補(bǔ)人員巡查存在的工作漏洞，確保通信業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

本文采用圖像處理技術(shù)與SNMP相結(jié)合的方法，開(kāi)發(fā)了通信狀態(tài)告警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通信設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視，通過(guò)集中控制軟件就能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)各設(shè)備的運(yùn)行情況。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文利用電荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）圖像傳感器外設(shè)方式，采集指示燈狀態(tài)信息，統(tǒng)計(jì)設(shè)備的顏色指示燈像素信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)不支持SNMP協(xié)議通信設(shè)備的監(jiān)視；利用SNMP協(xié)議獲取設(shè)備端口信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)支持SNMP協(xié)議的通信設(shè)備的監(jiān)視。使用上述方法，可以實(shí)現(xiàn)不對(duì)現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行更改，從而完成一個(gè)完整的狀態(tài)告警系統(tǒng)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：

（1）通過(guò)圖像傳感器獲取圖像信息。

（2）基于OpenCV對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理。

（3）開(kāi)啟通信設(shè)備SNMP協(xié)議獲得端口狀態(tài)信息。

（4）設(shè)計(jì)客戶端與服務(wù)器模式，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音告警。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分由攝像頭、服務(wù)器、客戶端主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)的原始圖像由OpenCV調(diào)用攝像頭進(jìn)行采集獲得；SNMP開(kāi)啟后，服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（Network Management System，NMS）通過(guò)被管理設(shè)備Trap獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口狀態(tài)信息。通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)，服務(wù)器對(duì)獲取的原始圖像進(jìn)行處理分析，從而獲取被監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)信息。客戶端主機(jī)用于接收遠(yuǎn)程告警信息并上報(bào)，從而進(jìn)行語(yǔ)音告警輸出。

圖1 告警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軟件部分利用OpenCV強(qiáng)大的圖像處理能力和SNMP簡(jiǎn)單易配置的優(yōu)點(diǎn)，采用Python、C#語(yǔ)言進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)[3]。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)各個(gè)模塊具體工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊工作流程

3.1 圖像處理模塊

圖像處理模塊實(shí)現(xiàn)圖像采集、定位像素點(diǎn)位置、RGB顏色識(shí)別、異常報(bào)警等功能。

圖像采集由OpenCV庫(kù)程序調(diào)用攝像設(shè)備讀取設(shè)備完成。圖像處理的第一步是對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。圖像采集模塊主要是以每秒15幀的幀頻（使用的攝像頭最高掃描頻率為每秒15幀）對(duì)圖像進(jìn)行提取，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備原始狀態(tài)信息，為后續(xù)處理提供圖像。

對(duì)于像素點(diǎn)位置的獲取，由于攝像頭是固定的，圖像位置沒(méi)有移動(dòng)，手動(dòng)確定該狀態(tài)指示燈的相對(duì)位置。

獲得固定位置后，通過(guò)統(tǒng)計(jì)每個(gè)指示燈圖像各像素點(diǎn)的RGB顏色分量，來(lái)判斷鏈路狀態(tài)。一個(gè)像素點(diǎn)的顏色是由RGB三個(gè)值來(lái)表現(xiàn)的[4]，所以像素點(diǎn)矩陣對(duì)應(yīng)三個(gè)顏色矩陣，本文所采集的主要設(shè)備的指示燈有紅、綠、灰三種狀態(tài)，對(duì)不同狀態(tài)指示燈的R、G、B三種顏色分量進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，如圖3、圖4、圖5所示。分析直方圖可知，紅燈狀態(tài)下各像素點(diǎn)紅色分量值較高，其中又以255最多，我們把這種像素點(diǎn)稱為R點(diǎn)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)，設(shè)置紅燈判定條件為：R點(diǎn)占總像素點(diǎn)比例大于等于30%。類(lèi)似地，綠燈狀態(tài)下各像素點(diǎn)綠色分量值較高，基本位于200以上，我們把這種像素點(diǎn)稱為G點(diǎn)，由于實(shí)際光照條件下，綠燈像素偏白，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)，設(shè)置綠燈判定條件為：G點(diǎn)占總像素點(diǎn)比例大于等于10%。

圖3 紅色狀態(tài)燈的RGB直方圖分布

圖4 綠色狀態(tài)燈的RGB直方圖分布

圖5 灰色狀態(tài)燈的RGB直方圖分布

對(duì)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)和顏色分量識(shí)別后就完成了告警信息統(tǒng)計(jì)，若出現(xiàn)告警，則向告警輸出模塊發(fā)送告警信息。狀態(tài)獲取日志如圖6所示。

圖6 監(jiān)視狀態(tài)獲取

3.2 SNMP模塊

SNMP模塊主要用于采集被監(jiān)視端性能指標(biāo)，如設(shè)備特性、數(shù)據(jù)流量（包括發(fā)送和接收）、通信超載、錯(cuò)誤等信息，實(shí)現(xiàn)在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障[5]。

基于.NET平臺(tái)，利用C#開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)工具M(jìn)icrosoft Visual Studio 2010。同時(shí)為保障使用SNMP協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連，必須要在防火墻設(shè)置中允許SNMP協(xié)議通過(guò)[6]。該模塊本質(zhì)上就是從被管設(shè)備上的管理信息庫(kù)（Management Information Base，MIB）取得相應(yīng)的對(duì)象標(biāo)識(shí)符（Object IDentifier，OID）對(duì)象值，圖7為MIB樹(shù)形結(jié)構(gòu)圖。

圖7 MIB樹(shù)形結(jié)構(gòu)圖

實(shí)現(xiàn)SNMP模塊需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)配置及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備MIB參數(shù)獲取，和獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屬性值[7]。

（1）網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)配置

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開(kāi)啟中SNMP。具體步驟為：①開(kāi)啟Agent服務(wù)，②配置SNMP版本，③配置NMS管理權(quán)限，④配置向SNMP Agent輸出Trap信息。

（2）獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備MIB參數(shù)值

主要是通過(guò)已知的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理IP和交換機(jī)的OID來(lái)查詢實(shí)現(xiàn)，例如華為交換機(jī)2403系統(tǒng)時(shí)間標(biāo)識(shí)為1.3.6.1.2.1.1.3.0。但大多數(shù)時(shí)候網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的OID信息是未知的，如何知道OID屬性值成為要點(diǎn)。一種方式是通過(guò)廠家獲取，另一種方式是通過(guò)軟件獲得。本文利用軟件GetIf來(lái)獲得，通過(guò)它可以知道當(dāng)前設(shè)備的狀況，能把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的OID信息、端口狀態(tài)、路由表、ARP、支持的協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中mac-address-table中的信息都讀了出來(lái)。本軟件主要對(duì)ifOperStatus（當(dāng)前接口操作狀態(tài)），name（接口名稱），ifInOctets（接口接受到的字節(jié)），ifOutOctets（接口發(fā)送的字節(jié)），ifSpeed（接口速率）的狀態(tài)進(jìn)行獲取。

（3）獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屬性值

.NET可以通過(guò)調(diào)用SnmpSharpNet庫(kù)，來(lái)獲得設(shè)備狀態(tài)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析后，設(shè)置門(mén)限。當(dāng)設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)用程序?qū)⑼ㄟ^(guò)聲音、圖像變化等手段進(jìn)行報(bào)警。圖9為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視界面。

圖8 GetIf軟件獲取Oid值

圖9 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視界面

獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通知首先要在被管理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上設(shè)置trap發(fā)送的目的IP地址為管理系統(tǒng)的IP地址，以及發(fā)送的端口號(hào)，默認(rèn)端口號(hào)為162。管理系統(tǒng)在設(shè)置好的端口號(hào)上接收被管網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的trap數(shù)據(jù)包，當(dāng)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，將數(shù)據(jù)包的詳細(xì)內(nèi)容以彈出對(duì)話框的形式顯示在界面上，同時(shí)進(jìn)行聲音提醒。

3.3 告警輸出模塊

本文采用局域網(wǎng)模式將各機(jī)房連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視，告警采用終端、服務(wù)器模式，進(jìn)行告警輸出。如圖10所示。

告警輸出模塊通過(guò)TCP/IP協(xié)議在接收?qǐng)D像處理和SNMP模塊告警信息時(shí)，通過(guò)調(diào)用Windows Sapi.spvioce自帶語(yǔ)音服務(wù)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音告警，并進(jìn)行告警日志記錄[8]。

圖10 告警設(shè)計(jì)

程控和網(wǎng)橋告警輸出日志如圖11所示。

圖11 告警輸出日志

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)利用Python語(yǔ)言和OpenCV對(duì)圖像處理的成熟技術(shù)，簡(jiǎn)單、靈活、高效的完成了對(duì)通信鏈路的狀態(tài)監(jiān)視。在設(shè)備不能通過(guò)端口讀取狀態(tài)信息時(shí)，可以完成對(duì)所有具有狀態(tài)指示燈設(shè)備的監(jiān)視；通過(guò)啟用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的SNMP，在網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器上基于.NET平臺(tái)利用C#開(kāi)發(fā)了統(tǒng)一的管理系統(tǒng)，通過(guò)圖像處理和SNMP協(xié)議的結(jié)合，高效完成了對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視，大大提高了網(wǎng)管效率，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。