曹文斌，陳國順，牛 剛，趙 洋

（1.軍械工程學(xué)院軍械技術(shù)研究所電子室，河北石家莊050000；2.63892部隊(duì)，河南洛陽471000）

0 引 言

目前，民網(wǎng)中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)測技術(shù)主要有兩種:基于ICMP協(xié)議和基于SNMP協(xié)議。由于構(gòu)成指揮控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備具有類型多，分布地域廣，所處的網(wǎng)絡(luò)層次跨度大，通信能力（包括數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性、可靠性等）要求高［1，2］等特點(diǎn)，不僅給系統(tǒng)維修保障工作帶來了較大的困難，而且對(duì)傳統(tǒng)的在線監(jiān)測技術(shù)提出了挑戰(zhàn)?；贗CMP［3－6］協(xié)議的監(jiān)測技術(shù)比較成熟，具有通用性強(qiáng)，可靠性高，實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是該方法需要頻繁的輪詢網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，勢必會(huì)給被監(jiān)測設(shè)備所在的網(wǎng)絡(luò)注入大量的測試流量，占用大量寶貴的網(wǎng)絡(luò)資源，容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，同時(shí)該方法的實(shí)時(shí)性較差。對(duì)于指揮控制系統(tǒng)這一特定的應(yīng)用背景來說，這些缺點(diǎn)都是致命性的。基于SNMP協(xié)議的監(jiān)測方法是目前比較智能化的方法，具有較高的實(shí)時(shí)性，且不會(huì)占用過多的網(wǎng)絡(luò)資源，但是該方法要求被監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須支持SNMP協(xié)議，所以通用性不強(qiáng)，而且當(dāng)網(wǎng)管軟件死機(jī)或通信鏈路出現(xiàn)問題時(shí)，告警信息無法由被管對(duì)象發(fā)送至管理端。該方法局限于對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的監(jiān)測，由于故障關(guān)聯(lián)性的存在，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)定位不準(zhǔn)確。

為了提高指揮控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和對(duì)指揮控制系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測的覆蓋范圍，屏蔽不同設(shè)備的差異性，提高故障監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和故障定位的準(zhǔn)確率，本文在總結(jié)常用方法的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種適合指揮控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備綜合監(jiān)測方法。

1 綜合監(jiān)測方法原理

本文結(jié)合指揮控制系統(tǒng)設(shè)備的特點(diǎn)，將兩種方法相融合，提出了一種改進(jìn)的主動(dòng)輪詢與事件觸發(fā)相結(jié)合的綜合監(jiān)測方法，提出了一種通過事件觸發(fā)系統(tǒng)掃描的故障監(jiān)測模型，實(shí)現(xiàn)不同方法之間的優(yōu)勢互補(bǔ)。

1.1 綜合監(jiān)測方法原理

綜合監(jiān)測方法的原理是在被監(jiān)測設(shè)備上開啟并設(shè)置代理。在網(wǎng)絡(luò)管理站（NMS），運(yùn)行在線監(jiān)測進(jìn)程，一方面通過SNMP協(xié)議輪詢關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備（NND），采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能參數(shù)包括CPU利用率和剩余內(nèi)存等，若超過閾值，則告警；另一方面時(shí)刻監(jiān)聽162號(hào)端口，接收并代理發(fā)送的告警信息。在收到告警信息后，對(duì)輪詢觸發(fā)條件進(jìn)行判斷。若滿足條件，則觸發(fā)對(duì)全系統(tǒng)基于ICMP協(xié)議的掃描，判斷NND的狀態(tài)，根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，在拓?fù)鋱D上以不同顏色區(qū)別顯示。

1.2 系統(tǒng)流程

綜合監(jiān)測方法流程如圖1所示。首先，NMS進(jìn)行拓?fù)鋻呙?，探測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獲取網(wǎng)絡(luò)或中節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)，主要包括設(shè)備類型、端口及IP地址和不同設(shè)備的連接關(guān)系等；然后，設(shè)計(jì)兩個(gè)進(jìn)程，一個(gè)用于接收SNMP Trap消息，設(shè)計(jì)有Trap接收器，處理和分析收到的Trap消息，另一個(gè)進(jìn)程用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行周期性的掃描，主要監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的CPU利用率和內(nèi)存使用情況，判斷監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)結(jié)果是否超出了預(yù)先設(shè)定的閾值。若兩個(gè)進(jìn)程任何一個(gè)滿足告警條件，則進(jìn)行告警，如果連續(xù)三次獲取數(shù)據(jù)失敗，則觸發(fā)告警；其次，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的輪詢觸發(fā)條件，判斷告警事件是否滿足輪詢觸發(fā)條件。若滿足，則進(jìn)行基于ICMP的全系統(tǒng)輪詢，判斷告警故障發(fā)生的位置，并在拓?fù)鋱D上以不同的顏色進(jìn)行顯示；若不滿足則存儲(chǔ)告警信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 自適應(yīng)輪詢周期調(diào)整算法

對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)測的目的是發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)，所以理想的輪詢算法是在超出設(shè)備參數(shù)閾值時(shí)增加輪詢頻率，提高監(jiān)測靈敏度；在未超出閾值部分減小輪詢頻率?；谠撍枷耄覀兲岢隽烁倪M(jìn)的輪詢周期調(diào)整算法。

經(jīng)過實(shí)踐觀察，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作狀態(tài)存在一定的規(guī)律性，在一段很小的時(shí)間內(nèi)，其性能參數(shù)的變化可以用一線性函數(shù)進(jìn)行模擬［10，11］。所以本文提出改進(jìn)的基于OLS輪詢周期調(diào)整算法。該算法通過歷史采集數(shù)據(jù)的線性擬合，根據(jù)數(shù)據(jù)變化的趨勢和差值動(dòng)態(tài)調(diào)整下一輪詢周期值。

定義1 在t時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能參數(shù)的采集點(diǎn)用d（t）表示，第i個(gè)采樣值表示為d（ti），其中i＝1，2，3……。

定義3 定義數(shù)據(jù)序列D＝｛fd（ti－m），fd（ti－m＋1）……fd（ti－1）｝，表示m個(gè)歷史數(shù)據(jù)采樣值，用于基于最小二乘的線性預(yù)測。

設(shè)估計(jì)的模型為

算法流程如圖2所示。實(shí)現(xiàn)步驟如下:

（1）設(shè)置初始值，初始輪詢周期為T，輪詢周期為t＝T，最小輪詢周期為tmin，告警閾值為U，預(yù)測序列長度為m，經(jīng)過m個(gè)初始周期后，獲得數(shù)據(jù)序列D；

（2）利用最小二乘法，求得預(yù)測模型，求得下一輪詢點(diǎn)的預(yù)測值f（ti）；

（4）判斷t≤tmin是否成立，若成立則令t＝tmin；否則t＝t；

（5）經(jīng)過t時(shí)刻后取得被監(jiān)測設(shè)備實(shí)際參數(shù)值fd（ti），判斷fd（ti）＜U是否成立，若成立，則令

圖1 綜合監(jiān)測方法原理

圖2 算法流程

（7）更新數(shù)據(jù)序列D，跳至步驟2。

2.2 觸發(fā)條件的設(shè)置

一方面當(dāng)有告警產(chǎn)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)肯定出現(xiàn)問題，但產(chǎn)生多個(gè)告警不一定會(huì)有多個(gè)故障；另一方面當(dāng)存在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備CPU利用率過高的告警時(shí)，不宜立刻觸發(fā)輪詢。基于以上考慮，本文采設(shè)置了一定的輪詢觸發(fā)條件，來屏蔽這些問題。我們?cè)谑盏礁婢⒑?，不是立刻觸發(fā)輪詢，而是等待一定的時(shí)間t，如果在t內(nèi)沒有繼續(xù)收到告警，經(jīng)過t后觸發(fā)輪詢；如果在t內(nèi)收到其他告警消息，重新開始計(jì)時(shí)，直到累計(jì)無告警消息時(shí)間達(dá)到t后開始輪詢。為了防止連續(xù)告警次數(shù)過多，系統(tǒng)中設(shè)置了重新計(jì)時(shí)次數(shù)n，當(dāng)n累積達(dá)到3次后，立刻開始輪詢。在輪詢過程中屏蔽所有告警消息，輪詢結(jié)束后，重啟告警。如圖3和圖4所示。

3 算法性能分析與仿真驗(yàn)證

算法調(diào)整策略如式（2）所示，當(dāng)超過閾值時(shí)，1－fd（ti）＞0，所以該部分調(diào)整后的輪詢周期始終是減小的。此處我們?yōu)榱思骖櫨W(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實(shí)際處理能力，采用了負(fù)邏輯的調(diào)整方式，隨著fd（ti）由閾值逐漸靠近1（即100%）時(shí)，1－fd（ti）的值逐漸減小，部分的值減小，調(diào)整后的輪詢周期值的該變量會(huì)降低，輪詢頻率的增加量會(huì)降低。同時(shí)為了防止調(diào)整后周期值太小，我們?cè)O(shè)置了最小輪詢周期tmin，確保調(diào)整后周期具有實(shí)際應(yīng)用意義

圖3 輪詢觸發(fā)流程

圖4 輪詢的觸發(fā)時(shí)間

表1 算法性能比

本文對(duì)改進(jìn)的算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖5所示，圖5中曲線為一段時(shí)間內(nèi)某型設(shè)備的CPU利用率，圖5（a）為以固定周期30s的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，圖5（b）為改進(jìn)前算法采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)（初始周期為30s），圖5（c）為改進(jìn)后算法采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)（閾值設(shè)置為85%）。算法性能比較如表1所示，從分析可以看出，改進(jìn)的算法以犧牲7.6%流量的代價(jià)使輪詢靈敏度提高了33.4%。從圖5中可以看出，圖5（a）中有26個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，圖5（b）中有16個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，其中超出閾值時(shí)采集點(diǎn)的個(gè)數(shù)為4個(gè)，圖5（c）中有19個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，超出閾值時(shí)有5個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。改進(jìn)后的算法能顯著降低輪詢頻率的同時(shí)，在超出閾值的情況下，采集點(diǎn)的密度增加較明顯，增加了系統(tǒng)的監(jiān)測靈敏度，同時(shí)能夠?yàn)镮CMP系統(tǒng)掃描提供較為準(zhǔn)確的始發(fā)點(diǎn)。

圖5 改進(jìn)算法前后的監(jiān)測方法仿真對(duì)比

4 結(jié)束語

在指揮控制系統(tǒng)這一特定的應(yīng)用背景下，針對(duì)目前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)測面臨的問題，我們提出了基ICMP和SNMP協(xié)議的綜合監(jiān)測方法。該方法繼承了SNMP協(xié)議智能化和ICMP協(xié)議通用性、可靠性的優(yōu)點(diǎn)。通過構(gòu)造一種事件觸發(fā)與輪詢相結(jié)合的模型，可以有效地克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，提高準(zhǔn)確度和監(jiān)測的可靠性，增加實(shí)時(shí)性并減少對(duì)系統(tǒng)資源的占用，對(duì)于指揮控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的維修保障具有重要意義。

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