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(diǎn)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(lèi)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(diǎn)的接入降低了VSAT通信網(wǎng)絡(luò)性能。針對(duì)這一問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)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(gè)主管理者和若干從管理者。主管理者首先計(jì)算各VSAT節(jié)點(diǎn)的任務(wù)負(fù)載率，依據(jù)輪詢(xún)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(dān)近似相同的任務(wù)負(fù)載率，解決了傳統(tǒng)NMS中單一管理者任務(wù)負(fù)載率過(guò)高的問(wèn)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(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)管理；層次型分布式；負(fù)載均衡

中圖分類(lèi)號(hào)：TN927 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)，在兩個(gè)或多個(gè)地球站、宇宙站之間進(jìn)行信息交換和信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。?0世紀(jì)80年代，VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的出現(xiàn)為大量專(zhuān)用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，開(kāi)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(jì)末，隨著社會(huì)科技、文化和經(jīng)濟(jì)以及計(jì)算機(jī)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(kāi)始考慮將Internet接入VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)，將Internet的覆蓋范圍擴(kuò)大至全球，標(biāo)志著衛(wèi)星通信網(wǎng)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)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(jì)地提供服務(wù)的重要條件。NMS[2]是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的指揮控制中心，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，并依據(jù)實(shí)際需求和運(yùn)行狀態(tài)來(lái)調(diào)整相關(guān)VSAT網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)，以保證VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)平穩(wěn)、高效地運(yùn)行。在現(xiàn)代VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)中，VSAT節(jié)點(diǎn)的數(shù)量不僅龐大，而且除了包括衛(wèi)星通信專(zhuān)用的調(diào)制解調(diào)器之外，還包括路由器、交換機(jī)等數(shù)據(jù)通信設(shè)備，造成了傳統(tǒng)集中式NMS工作負(fù)載增加。為保證對(duì)VSAT節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息的監(jiān)控，必須延長(zhǎng)輪詢(xún)周期以處理更多實(shí)時(shí)請(qǐng)求任務(wù)和查詢(xún)請(qǐng)求任務(wù)。然而輪詢(xún)周期的延長(zhǎng)必然導(dǎo)致請(qǐng)求任務(wù)響應(yīng)時(shí)間的加長(zhǎng)，影響了管理任務(wù)的實(shí)效性，為VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)NMS設(shè)計(jì)帶來(lái)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(lái)執(zhí)行具體任務(wù)，降低單一管理者的負(fù)載，提升NMS的任務(wù)處理能力。從管理者負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)的采集、處理，并將處理結(jié)果上報(bào)至主管理者。主管理者對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行匯總，并根據(jù)處理結(jié)果將所實(shí)施的管理指令通過(guò)從管理者傳送至被管理對(duì)象。主管理者應(yīng)根據(jù)各個(gè)從管理者的處理能力，利用輪詢(xún)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(hù)對(duì)請(qǐng)求任務(wù)響應(yīng)的等待時(shí)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(jì)費(fèi)管理和安全管理，其具體功能如表1所示。在構(gòu)建NMS時(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的管理，保證NMS的通用性、可擴(kuò)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(xún)和統(tǒng)計(jì)

計(jì)費(fèi)管理 設(shè)置費(fèi)率，查詢(xún)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(xún)被管理設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)；開(kāi)通和終止網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

性能管理 性能監(jiān)測(cè)、分析和控制

安全管理 建立、刪除和控制安全機(jī)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(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP）發(fā)送至NMS進(jìn)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(duì)被管理對(duì)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(diǎn)在于：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，管理員便于實(shí)施對(duì)整個(gè)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(wèn)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(kuò)大，被管理VSAT節(jié)點(diǎn)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(dǎo)致NMS負(fù)擔(dān)過(guò)重，影響管理任務(wù)處理的實(shí)時(shí)性。此外，SNMP占用較多的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，增加網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，有可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，甚至導(dǎo)致衛(wèi)星通信網(wǎng)管理信道的癱瘓，無(wú)法直接應(yīng)用于被管理對(duì)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(jì)面向大規(guī)模被管理VSAT節(jié)點(diǎn)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(shí)體來(lái)執(zhí)行管理。由這些委托實(shí)體負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)的采集、處理，并將處理結(jié)果上報(bào)至管理者。管理者對(duì)管理結(jié)果進(jìn)行匯總，并將根據(jù)管理結(jié)果所實(shí)施的管理指令通過(guò)這些委托實(shí)體傳送至被管理對(duì)象?；谥鲝年P(guān)系的分布式體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，包括一個(gè)主管理者、多個(gè)從管理者。從管理者直接與被管理VSAT節(jié)點(diǎn)交互管理數(shù)據(jù)，如圖1所示。從管理者承擔(dān)雙重角色：下層被管理對(duì)象的管理者和主管理者的代理。

因此，這些從管理者充當(dāng)主管理者和被管理對(duì)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(dòng)者，充當(dāng)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(kuò)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(fù)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(lái)執(zhí)行。NMS首先執(zhí)行管理任務(wù)的分類(lèi)與分解，并將執(zhí)行分類(lèi)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(guò)遠(yuǎn)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(duì)VSAT節(jié)點(diǎn)執(zhí)行包括性能參數(shù)采集、狀態(tài)輪詢(xún)、配置入網(wǎng)輪詢(xún)等在內(nèi)的管理。對(duì)于NMS來(lái)說(shuō)，從管理者作為被管理節(jié)點(diǎn)的角色；而對(duì)于VSAT節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，從管理者作為管理節(jié)點(diǎn)的角色，VSAT節(jié)點(diǎn)作為被管理對(duì)象。這樣降低了頂層管理者的負(fù)擔(dān)，增大了NMS的管理容量。采用該機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理的分布程度和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度的折中，既具有管理的分布性，又降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，是一種對(duì)大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效管理、增強(qiáng)實(shí)用性的解決方案。

在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)VSAT節(jié)點(diǎn)具有不同數(shù)量的性能參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，而每個(gè)VSAT節(jié)點(diǎn)具有不同的性能參數(shù)采集周期和狀態(tài)參數(shù)輪詢(xún)周期，其中，表示衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中VSAT節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。性能參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)都是基于SNMP來(lái)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(xún)周期和性能參數(shù)采集周期來(lái)衡量每個(gè)VSAT節(jié)點(diǎn)任務(wù)負(fù)載率。

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（1）

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

對(duì)于每個(gè)VSAT節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，狀態(tài)參數(shù)的采集是按照固定周期來(lái)執(zhí)行，采集狀態(tài)參數(shù)的數(shù)量也固定不變。而每個(gè)VSAT節(jié)點(diǎn)包括不同數(shù)量的性能參數(shù)，而每個(gè)VSAT節(jié)點(diǎn)性能參數(shù)的采集周期也不相同，因此每個(gè)VSAT節(jié)點(diǎn)的任務(wù)負(fù)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(píng)估每個(gè)VSAT節(jié)點(diǎn)的任務(wù)負(fù)載率。然后通過(guò)輪詢(xún)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(gè)從管理者承擔(dān)近似相同的任務(wù)負(fù)載率。通過(guò)采用輪詢(xún)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(fù)載過(guò)大，同時(shí)可以降低系統(tǒng)維護(hù)和硬件升級(jí)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(diǎn)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(fù)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(píng)估每個(gè)管理任務(wù)的任務(wù)負(fù)載率，計(jì)算任務(wù)負(fù)載率和。

2）計(jì)算平均任務(wù)負(fù)載率，將其作為任務(wù)分配的門(mén)限值。

3）遍歷管理任務(wù)集合，以編號(hào)升序順序來(lái)分配管理任務(wù)；對(duì)于Agent（j），分配管理任務(wù)之后，如果小于，則繼續(xù)對(duì)Agent（j）分配管理任務(wù)；否則開(kāi)始對(duì)下一個(gè)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(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，然后基于實(shí)際需求和運(yùn)行狀態(tài)來(lái)調(diào)整相關(guān)VSAT節(jié)點(diǎn)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(lái)設(shè)計(jì)VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的NMS，以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)內(nèi)更多VSAT節(jié)點(diǎn)的高效管理?；谥鲝年P(guān)系的NMS包括一個(gè)主管理者、多個(gè)從管理者。從管理者負(fù)責(zé)從VSAT節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果上報(bào)至主管理者?；诖私Y(jié)構(gòu)，本文利用基于輪詢(xún)比例公平調(diào)度算法來(lái)分配管理任務(wù)，首先統(tǒng)計(jì)每個(gè)VSAT節(jié)點(diǎn)的任務(wù)負(fù)載率，然后計(jì)算平均任務(wù)負(fù)載率作為分配門(mén)限值，以此門(mén)限值來(lái)將管理任務(wù)分配至從管理者，使得每個(gè)從管理者承擔(dān)近似相同的任務(wù)負(fù)載率，解決單一管理者負(fù)載過(guò)大的問(wèn)題，提升NMS的任務(wù)處理能力。

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