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.北京計算機技術(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)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴大、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，整個網(wǎng)絡(luò)的管理節(jié)點分散、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，實時監(jiān)控、調(diào)整全網(wǎng)運行狀態(tài)，提示、報警系統(tǒng)任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)的故障、異常等情況，提高網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量和效率，本文就實現(xiàn)大規(guī)模異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)軟件進行了具體闡述。

1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)管系統(tǒng)在運行環(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，是為了實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)鏈路進行參數(shù)配置，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行監(jiān)控和管理。在功能劃分上，設(shè)計的模塊主要包括：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、DVB調(diào)制器、下變頻器組成。空中借口模塊由空中接口視圖、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

本系統(tǒng)中共有4個功能模塊用以實現(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

為了完成NMS 的業(yè)務(wù)需求，本系統(tǒng)設(shè)計為4 個子系統(tǒng)，各個子系統(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Web應(yīng)用程序，負責(zé)和用戶進行交互；其它的3個子系統(tǒng)負責(zé)監(jiān)控［4］、采集［5］以及設(shè)備配置［6］等后臺任務(wù)。

3個子系統(tǒng)都是獨立運行的程序，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個子系統(tǒng)的實現(xiàn)視圖如圖2所示。

圖2 子系統(tǒng)實現(xiàn)視圖

2 系統(tǒng)邏輯視圖設(shè)計

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)的實際運行狀態(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)。

下面對各個子系統(tǒng)進行詳細說明。

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)管軟件進行交互的界面。主要通過它來進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的錄入、監(jiān)控數(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)專門負責(zé)主動對系統(tǒng)中各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行狀態(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)作為獨立的程序運行，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，需要查詢數(shù)據(jù)庫。

（2）采集任務(wù)裝載：定時獲取數(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)隊列中緩存。線程調(diào)度模塊將根據(jù)任務(wù)經(jīng)驗完成時間，設(shè)定線程數(shù) （這個線程數(shù)遠遠小于緩存在隊列中待處理的任務(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列中。采集任務(wù)只負責(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)實際上將大部分活動數(shù)據(jù)放到內(nèi)存中，而將另外部分數(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)庫文件可以達到10G（理論上，可以達到1T），但是內(nèi)存數(shù)據(jù)并發(fā)處理線程在設(shè)置到1000時，系統(tǒng)頻繁提示內(nèi)存數(shù)據(jù)庫連接失敗。因此，此部分數(shù)據(jù)處理要將線程設(shè)定在經(jīng)驗上允許的范圍內(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)行時間；

（3）Nm–剩余任務(wù)數(shù)；

（4）Tl–剩余時間。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)進行調(diào)整，是線程盡可能的在整個周期內(nèi)平均分布。

3.2.3 周期保護方法

所謂周期保護，就是指保證在周期內(nèi)能完成指定的任務(wù)。因此在計算的時候，需要使用周期保護時間，即：

T＝Ti－TP；

（1）T–實際周期；

（2）Ti–理想周期；

（3）TP–周期保護時間。

系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整的目標(biāo)是實際周期。這樣在一定的時間范圍內(nèi)，任務(wù)在實際周期邊界上動態(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 信息進行解析，并將其封裝為Java對象，放置到TRAP隊列中，多個線程同時處理；

（3）從隊列中獲取封裝的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行計數(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)包括各個物理節(jié)點的硬、軟件配置，網(wǎng)絡(luò)邏輯的拓撲結(jié)構(gòu)，節(jié)點交互與通訊等；同時還表達了進程視圖中的各個進程具體分配到物理節(jié)點的映射關(guān)系。

用戶客戶端：用戶客戶端為普通pc機或筆記本，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。重點對采集系統(tǒng)的處理算法，任務(wù)分配和周期保護算法進行了說明。實踐證明，本系統(tǒng)是快速、智能、可靠、易用的實踐成果，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)定運行［10］。

［1］CHEN Jingyang.Key techniques of end－to－end network management system ［D］.Wuhan：Wuhan Institute of Posts and Telecommunications Science，2014：1－75 （in Chinese）.［陳競陽.端到端網(wǎng)管系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 ［D］.武漢：武漢郵電科學(xué)研究院，2014：1－75.］

［2］AN Fengdong.Small and medium－sized VSAT satellite communications network administrator protocol research ［D］.Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2013：1－80 （in Chinese）.［安豐東.中小型VSAT 衛(wèi)星通信網(wǎng)網(wǎng)管協(xié)議研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2013：1－80.］

［3］XU Ning.Design and implementation of mobile communication network performance management system ［D］.Jinan：Shandong University，2014：1－82（in Chinese）.［許寧.移動通信網(wǎng)絡(luò)性能管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.濟南：山東大學(xué)，2014：1－82.］

［4］WANG Qian.Research and development of wireless communication network equipment performance monitoring system ［D］.Xi’an：Xi’an University of Electronic Science and Technology，2012：1－77（in Chinese）.［王倩.無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012：1－77.］

［5］LIANG Wenbo.Research and design of centralized WLAN extended network management system ［D］.Beijing：Beijing Jiaotong Universery，2013：1－79 （in Chinese）. ［梁文波.集中式WLAN 中可擴展網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計 ［D］.北京：北京交通大學(xué)，2013：1－79.］

［6］ZHOU Haifeng.Design implementation of ultrashort wave network management system configuration and parameters regulation subsystem ［D］.Harbin：Harbin Institute of Technolog，2012：1－79 （in Chinese）. ［周海峰.超短波網(wǎng)管系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置與監(jiān)管子系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn) ［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012：1－79.］

［7］WANG Xuliang.Research and application of huge amounts of data caching algorithm and design patterns ［D］.Hangzhou：Zhejiang Universery，2013：1－57 （in Chinese）.［王旭良.海量數(shù)據(jù)緩存算法與設(shè)計模式的研究及應(yīng)用 ［D］.杭州：浙江大學(xué)，2013：1－57.］

［8］XIAO Xin，ZHANG Hesheng，YANG Jun，et al.A method of traffic information collection sensor network task allocation［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2012，33 （11）：2529－2534 （in Chinese）.［肖欣，張和生，楊軍，等.一種交通信息采集傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)分配方法 ［J］.儀器儀表學(xué)報，2012，33 （11）：2529－2534.］

［9］ZHANG Min.Research of electric power communication network administrator system security risk assessment algorithm［D］.Baoding：North China Electric Power University，2014：1－68 （in Chinese）.［張敏.電力通信網(wǎng)網(wǎng)管系統(tǒng)安全風(fēng)險評估算法研究 ［D］.保定：華北電力大學(xué)，2014：1－68.］

［10］LI Kaipeng.Design and implementation of emergency communications network management system ［D］.Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications，2014：1－77 （in Chinese）. ［李凱鵬.應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2014：1－77.］