基于物聯(lián)網(wǎng)的高校網(wǎng)絡設備運維方案研究

摘 要：在物聯(lián)網(wǎng)和人工智能飛速發(fā)展的大背景下，針對高校網(wǎng)絡設備運維中存在的問題，基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能，從設計目標、系統(tǒng)架構和應用場景幾個方面對運維新方案進行闡述。方案依托自主研發(fā)的網(wǎng)絡設備管理器，獨立于需要維護的校園網(wǎng)絡，無需改造現(xiàn)有校園網(wǎng)架構和設備，成為高校網(wǎng)絡設備運維的一種新模式。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡設備；運維方案；人工智能；高校；網(wǎng)絡設備管理器

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-0-03

0 引 言

高校是一個高度依賴網(wǎng)絡的單位，其網(wǎng)絡組成又具有一定的復雜性。高校網(wǎng)絡一般由校園網(wǎng)絡、運營商網(wǎng)絡、各部門專網(wǎng)和托管網(wǎng)絡等構成。網(wǎng)絡設備分布較松散，這給網(wǎng)絡設備運維帶來了較大的挑戰(zhàn)。鑒于當前物聯(lián)網(wǎng)技術已趨于成熟，本文將研究使用物聯(lián)網(wǎng)技術監(jiān)控和維護高校網(wǎng)絡設備。

1 高校網(wǎng)絡設備管理現(xiàn)狀

1.1 網(wǎng)絡設備管理方式

當前網(wǎng)絡設備運維方式主要分為：現(xiàn)場運維和遠程運維[1]。現(xiàn)場運維時，工作人員需到現(xiàn)場并通過網(wǎng)絡設備調試接口對設備進行人為問題分析和處理。遠程運維指工作人員通過網(wǎng)絡設備自身提供的SSH、Telnet、Web等管理服務對設備進行維護。在此基礎上網(wǎng)絡設備廠商提供了集中管理設備的平臺，但這些平臺只局限于通過設備自身提供的服務和現(xiàn)有的網(wǎng)絡環(huán)境進行設備狀態(tài)的監(jiān)控和設備管理。

1.2 網(wǎng)絡設備管理中存在的問題

高校當前網(wǎng)絡設備管理中存在的問題如下：

（1）使用自身網(wǎng)絡環(huán)境運維自身網(wǎng)絡設備。在遠程運維環(huán)境下，如果用于進行設備管理的網(wǎng)絡環(huán)境已經(jīng)出現(xiàn)問題，工作人員無法通過現(xiàn)有遠程運維手段進行有效運維。

（2）網(wǎng)絡設備自身提供的網(wǎng)絡管理服務（SSH、Telnet、Web等）本就存在服務故障，而這些服務也占用了網(wǎng)絡設備的有限資源。

（3）現(xiàn)場運維人工成本逐年遞增。

針對上述存在的問題，需要尋求一種不依賴于自身網(wǎng)絡通信，并能很好接管現(xiàn)有網(wǎng)絡設備的遠程設備運維方案。

2 網(wǎng)絡設備運維方案

2.1 方案設計目標

本方案設計的目標是為了解決以下幾個問題：

（1）網(wǎng)絡設備運維使用外管模式。在外管模式下，網(wǎng)絡設備運維的通信環(huán)境不能依賴需要運維的設備，即不能使用設備自身的通信環(huán)境來運維設備。運維通信必須與需運維的設備通信環(huán)境獨立。

（2）不改變當前校園網(wǎng)絡結構和架構，以一種較低成本的方式增強網(wǎng)絡運維能力。設備運維能力的增強不應改變當前校園網(wǎng)絡的架構。方案只是以最低的成本和在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡的基礎上增強網(wǎng)絡設備的運維能力。

（3）減少運維系統(tǒng)與校園網(wǎng)絡的關聯(lián)。當運維系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，不會影響校園網(wǎng)絡的正常運行。

（4）方案應考慮人工智能的應用，以提供智能運維能力。

2.2 方案簡介

方案使用自主研發(fā)的網(wǎng)絡設備管理器（核心設備）。核心設備通過CONSOLE口連接網(wǎng)絡設備，并通過CONSOLE口對網(wǎng)絡設備進行監(jiān)控。核心設備基于多種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議與MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）消息隊列通信。MQTT協(xié)議是一種基于發(fā)布/訂閱（Publish/Subscribe）模式的“輕量級”通信協(xié)議[2-3]，該協(xié)議構建于TCP/IP協(xié)議上。MQTT消息隊列集群主要負責核心設備與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫之間的信息（監(jiān)控信息）傳遞工作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采取多類型數(shù)據(jù)庫異構集群的方式，通過異構的方式充分發(fā)揮各數(shù)據(jù)庫的特性。方案具備設備故障預警、設備監(jiān)控儀表盤、設備遠程維護、設備環(huán)境監(jiān)測、設備故障預測、設備故障智能維護等功能。

2.3 系統(tǒng)架構

運維系統(tǒng)由網(wǎng)絡設備接入層、異構數(shù)據(jù)庫集群、傳統(tǒng)運維平臺和AI運維構成。運維系統(tǒng)架構如圖1所示。

2.3.1 網(wǎng)絡設備接入層

網(wǎng)絡設備接入層由核心設備、網(wǎng)關和MQTT集群組成。核心設備是管理網(wǎng)絡設備的設備。它通過RJ 45接口與網(wǎng)絡設備的CONSOLE口連接，通過RS 232通信方式監(jiān)控網(wǎng)絡設備。核心設備除了可以管理網(wǎng)絡設備外，還可以搭載設備環(huán)境傳感器。核心設備通過環(huán)境傳感器（如：溫度、濕度、氣體傳感器等[4]）監(jiān)測網(wǎng)絡設備的存放環(huán)境。網(wǎng)絡設備真實的存放環(huán)境參數(shù)有溫度、濕度、有毒氣體體積分數(shù)、磁感應強度等。這些參數(shù)能從物理參數(shù)的角度反映設備是否出現(xiàn)故障或出現(xiàn)故障的可能性。這是傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備運維方案無法實現(xiàn)的。

核心設備選用國產(chǎn)ESP32S3芯片作為主控芯片。主控芯片通過UART1連接RS 232串口通信芯片，將網(wǎng)絡設備標準命令下發(fā)到網(wǎng)絡設備，并獲取網(wǎng)絡設備返回信息。主控芯片使用5G通信模塊或其他物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議通信模塊與MQTT集群傳輸監(jiān)測信息。圖2所示為核心設備的硬件框架。

核心設備主要負責監(jiān)測網(wǎng)絡設備和控制網(wǎng)絡設備。核心設備工作流程如圖3所示。

2.3.2 異構數(shù)據(jù)庫集群

異構數(shù)據(jù)庫集群是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心。其用于存儲網(wǎng)絡設備輸出的原始監(jiān)控日志、通過AI模型處理后的向量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置和顯示數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)大部分不是傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)，所以需要使用一種異構的方式將非結構化數(shù)據(jù)、向量數(shù)據(jù)和關系型數(shù)據(jù)存儲起來，發(fā)揮各類型數(shù)據(jù)庫的特長。

NoSQL（Not only SQL）是對不同于傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的統(tǒng)稱[5]。NoSQL的類型有：鍵值數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、文檔數(shù)據(jù)庫、圖數(shù)據(jù)庫、向量數(shù)據(jù)庫和時間序列數(shù)據(jù)庫等。

方案將不同類型的非關系型數(shù)據(jù)存儲到對應的NoSQL數(shù)據(jù)庫中。表1列舉了方案中主要的非關系型數(shù)據(jù)項和對應的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)庫。

2.3.3 傳統(tǒng)運維與AI運維平臺

設備運維平臺應具備以下幾個主要功能：

（1）故障預警。故障發(fā)生時，第一時間將故障通知發(fā)送給管理和維護人員。

（2）設備狀態(tài)儀表盤。通過直觀的方式顯示各個被監(jiān)控設備的運行狀態(tài)。

（3）遠程維護。當故障發(fā)生時，能通過遠程方式恢復設備運行。

隨著人工智能的發(fā)展，從技術層面已具備將特定領域的大數(shù)據(jù)應用到自然語言處理、機器學習模型和大語言模型中的能力，從而實現(xiàn)自動化執(zhí)行、簡化工作流程和預測的目的。實現(xiàn)網(wǎng)絡設備AI運維的總體思路如下：

（1）收集并匯總網(wǎng)絡設備的運行日志（特別是故障日志）、設備操作手冊、故障處理手冊等大數(shù)據(jù)。

（2）篩選清洗數(shù)據(jù)，去除“噪聲”數(shù)據(jù)[7]，識別與系統(tǒng)性和可能性問題相關的數(shù)據(jù)，并標注數(shù)據(jù)。

（3）將篩選和標注后的大數(shù)據(jù)應用到具體的AI模型中進行訓練。

（4）將訓練后的模型運用到實際的問題中，對比模型預測值和實際值，調整優(yōu)化模型參數(shù)和數(shù)據(jù)，再訓練模型，直至模型能覆蓋絕大多數(shù)問題。

3 方案應用場景及衍生和運維新模式

3.1 作為NMS的備用方案

網(wǎng)絡管理系統(tǒng)（Network Management System， NMS）的目的是管理網(wǎng)絡，使網(wǎng)絡高效運行。各大廠商NMS有eSight（華為）、RIIL（銳捷）、iMC（H3C）等[8]。圖4描述了基于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡設備運維方案與傳統(tǒng)NMS管理手段的不同。本方案管理手段直接作用于網(wǎng)絡設備的物理層面，更加直接、高效和穩(wěn)定。本方案核心設備安裝方便，直接與網(wǎng)絡設備的CONSOLE口連接，無需配置和改造網(wǎng)絡設備。

傳統(tǒng)NMS是內(nèi)管模式。網(wǎng)絡設備使用自身的SNMP服務管理自身的控制接口。SNMP是廣泛應用于TCP/IP網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理標準協(xié)議，該協(xié)議能夠支持網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，用以監(jiān)測連接到網(wǎng)絡上的設備是否有任何引起關注的情況[9]。網(wǎng)絡設備SNMP服務運行在很小的網(wǎng)絡設備上，常因設備資源不足而出現(xiàn)問題，如老舊網(wǎng)絡設備因SNMP版本過低而出現(xiàn)安全問題等。SNMP協(xié)議是基于TCP/IP協(xié)議研發(fā)的，即SNMP與NMS的通信基于自身網(wǎng)絡設備的網(wǎng)絡環(huán)境。如果網(wǎng)絡設備出現(xiàn)故障，且已經(jīng)影響SNMP的正常通信，那么必然導致NMS出現(xiàn)問題。在這種情況下，唯一的維護辦法是工作人員到設備現(xiàn)場通過控制口處理設備故障。而本方案使用外管模式。獨立的設備維護通信線路（物聯(lián)網(wǎng)：4G、5G、 ZigBee、藍牙等[10]）完全獨立于需要管理的網(wǎng)絡設備，管理服務也完全獨立于需要管理的網(wǎng)絡設備。本方案不論是作為傳統(tǒng)NMS的替代方案，還是作為一種備用方案都具有較好的可行性。

3.2 提供網(wǎng)絡設備云托管服務

網(wǎng)絡設備托管服務商可以向服務對象提供核心設備，通過4G或5G直接提供遠程運維服務。此應用場景具有部署簡單，不影響服務對象現(xiàn)有設備、配置和網(wǎng)絡環(huán)境等優(yōu)勢。服務對象只需將需要托管的網(wǎng)絡設備接入核心設備即可，無需考慮VPN等隧道問題，維護人員可直接在場外維護高校的網(wǎng)絡設備。

3.3 網(wǎng)絡設備存放環(huán)境監(jiān)測

本方案提供了環(huán)境傳感器，可以將核心設備部署到需要檢測網(wǎng)絡設備存放環(huán)境的區(qū)域，用于檢測本區(qū)域的溫度、濕度、有毒氣體體積分數(shù)和磁感應強度等物理參數(shù)，將這些參數(shù)作為運維的輔助參考。

3.4 網(wǎng)絡設備運維新模式

本方案討論了一種建立在物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)上的網(wǎng)絡設備運維模式。設備運維使用外管模式。外管模式指的是設備管理獨立于被管理設備本身和其運行環(huán)境。本方案中設備運維服務獨立于被管理設備，設備運維網(wǎng)絡獨立于被管理設備網(wǎng)絡。在外管模式下，網(wǎng)絡設備運維具有低依賴性、部署靈活、高擴展性和不影響原有網(wǎng)絡等特點。

4 結 語

本方案依托自研的核心設備，通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議創(chuàng)建了網(wǎng)絡設備運維物聯(lián)專網(wǎng)。此專網(wǎng)獨立于需要維護的校園網(wǎng)絡，無需改造現(xiàn)有校園網(wǎng)架構和設備，部署方便快捷。本方案暫未對物聯(lián)網(wǎng)安全做出討論研究。

參考文獻

[1]王利平，龐曉艷，朱雨，等.基于物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)的二次設備運維技術研究與應用[J].中國電力，2019，52（3）：177-184.

[2]姚丹，謝雪松，楊建軍，等.基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].信息通信，2016（3）：33-35.

[3]任亨，馬躍，楊海波，等.基于MQTT協(xié)議的消息推送服務器[J].計算機系統(tǒng)應用，2014，23（3）：77-82.

[4]錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡綜述[J].電子與信息學報，2013，35（1）：215-227.

[5]申德榮，于戈，王習特，等.支持大數(shù)據(jù)管理的NoSQL系統(tǒng)研究綜述[J].軟件學報，2013，24（8）：1786-1803.

[6]靳強勇，李冠宇，張俊.異構數(shù)據(jù)集成技術的發(fā)展和現(xiàn)狀[J].計算機工程與應用，2002（11）：112-114.

[7]蒲天驕，喬驥，韓笑，等.人工智能技術在電力設備運維檢修中的研究及應用[J].高電壓技術，2020，46（2）：369-383.

[8]段海新，楊家海，吳建平.基于Web和數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].軟件學報，2000（4）：468-472.

[9]張杰.基于SNMP的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].上海：東華大學，2008.

[10]王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報，2009，23（12）：1-7.

作者簡介：程 通（1982—），男，四川成都人，碩士，工程師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)設計。

收稿日期：2024-01-23 修回日期：2024-03-01