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电信综合数据网络管理系统

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第24卷 第2期2006年3月吉林大学学报(信息科学版)

JournalofJilinUniversity(InformationScienceEdition)Vol.24 No.2

Mar.2006

文章编号:1671256(2006)0220113207

电信综合数据网络管理系统

蒋 海,刘淑芬,兰庆国,包 铁,庞世春

1

1

1

1

1,2

(11吉林大学计算机科学与技术学院,长春130012;21空军航空大学基础部,长春130022)

摘要:为了对大型电信数据网进行综合统一管理,设计并开发了基于SNMP(SimpleNetworkManagementPro2

tocol)的综合数据网络管理系统(SplenNMS:SplenNetworkManagementSystem)。从网络资源、性能、故障3个方面,着重论述了该系统实现的关键技术,叙述了网络故障信息采集方法和SplenNMS的体系结构。针对资源信息种类繁多、差异性大的采集问题,采用基于任务规则的设备资源配置信息采集方法;提出一种改进的性能数据采集及存储方案,解决了海量性能数据采集管理的困难。与流行的MRTG(MultiRouterTrafficGrap2

her)软件相比,该方案减小了最小执行周期;由于采用了基于Trap扩展定义的性能告警处理方法,使性能告

警的处理在形式上与设备告警一致。通过在某省会城市大型电信数据网络上的试运行表明,该系统能适应2

000台网络设备左右的规模。关键词:计算机网络;网络管理;拓扑发现;性能监测;故障管理中图分类号:TN915107

文献标识码:A

IntegratedData2NetworkManagement2SysteminTelecom

JIANGHai,LIUShu2fen,LANQing2guo,BAOTie,PANGShi2chun

(11CollegeofComputerScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130012,China;21DepartmentofFundament,AviationUniversityofChinaAirforce,Changchun130022,China)

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1,2

Abstract:Inordertomanagethelarge2scaledatanetworkintelecom,theimplementationmethodofanintegrat2eddatanetworkmanagementsystemispresented.ThepivotaltechnologiesofSplenNMS(SplenNetworkMan2

agementSystem)aredescribedindetail.Thealgorithmsofdiscoveringnetworkdevicesandtopologyareshown,andamodelbasedontaskrulesisalsoproposedincollectingnetworkresourceinformation,whichovercomesthedifficultprobleminresourcecollection.Aschemeofcollectingandstoringperformancedataispresented,whichresolvestheproblemsinmanagementoflarge2scaledata,anditcanreducetheimplementationcycleinthecom2parisontoMRTG(MultiRouterTrafficGrapher).ThedefinitionofextendedTraptypesisappliedtohandleperformancealerts.Finally,amethodofcollectingfaultmanagementinformationisgiven,andthearchitectureofSplenNMSisdescribed.Asshowninourpracticalapplication,SplenNMScanmeettherequirementofnetworkwithabout2000devices.

Keywords:computernetwork;networkmanagement;

management

topologydiscovery;performancemonitoring;fault

引 言

随着计算机和网络通信技术的飞速发展,电信数据网规模不断扩大、复杂性不断增加、异构性越来越普遍,基于数据网的各种应用业务也越来越广泛,因此网络管理的难度也随之增大。近几年,综合数

收稿日期:2005206208

基金项目:国家科技攻关基金资助项目(2004BA907A20);吉林省科技发展计划基金资助项目(20040304)

作者简介:蒋海(1980— ),男,广西全州人,吉林大学硕士研究生,主要从事计算机网络、网络管理技术研究,(Tel)8624312

51673(E2mail)jianghai@mail1jlu1edu1cn;刘淑芬(1950— ),女,长春人,吉林大学教授,博士生导师,主要从事计算机网络安全、网络管理技术、网络系统集成、计算机支持协同研究,(Tel)862431251673(E2mail)liusf@mail1jlu1edu1cn。

© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

114吉林大学学报(信息科学版)第24卷

据网络管理系统已成为国内电信网管领域的一个关注热点,各运营商在这方面投入了大量的人力和物力。它要求对庞大的数据网建立一个综合的网络管理平台,这个平台所管理设备涉及到诸多不同设备提供商的不同型号的设备,管理的内容包括网络资源、网络性能、网络故障以及相关的一些应用业务。

在网络管理领域,国内外许多组织和公司进行了大量的研究和系统开发工作,许多新技术和新方法被应用

[1]

,一些商品化的网络管理平台被推出,国内如清华大学的SuperDomain98

[2]

,国外如SUN公司

的SunNetManager,HP公司的OpenView,IBM的NetView等。对大型电信数据网络的综合管理有两个特点:1)设备种类的多样性和复杂性,网络规模庞大,以及电信运营业务具体需求的巨大差异;2)管理内容的范围广,需要管理网络资源、性能、故障等多个不同方面。这些因素导致目前流行的管理平台一直不能取得令人满意的效果。

[3,4]

笔者对基于SNMP(SimpleNetworkManagementProtocol)的综合数据网络管理系统实现方法进行了较全面的研究,并针对国内电信领域在数据网络管理方面的具体需求,开发了一套具有自主版权的大型电信综合数据网络管理系统(SplenNMS:SplenNetworkManagementSystem)。论述了SplenNMS的网络资源、性能、故障管理关键技术,阐述了SplenNMS的体系结构,并对其中几个关键设计问题进行分析。在某市城域网上实际运行表明,SplenNMS可以满足国内大多数电信数据网络管理的需求。

1 SplenNMS网络资源管理网络资源是网络性能和故障管理的基础,主要包括拓扑关系管理和设备资源配置信息管理。Splen2NMS采用了一种网络设备和网络拓扑的发现方法,可以自动发现所管理的所有设备和部分网络拓扑结

构;并提出一种基于任务规则的设备资源信息采集方法。

111 网络设备发现

11111 基于ICMPPing的网络设备探测

ICMPPing是典型的用于探测网络设备是否存活的工具,其原理是能被Ping设备返回一个回应报

文,当能捕获到回应报文时,就认为被测设备存活,否则视为不存活。为了提高效率,也可以使用广播Ping方法。当探测一个活着的设备时,其往返时延往往在几十毫秒左右,但当探测一个不存在主机,需

要等待到超时,一般还伴随着若干次重试,时间开销会很大。该方法的主要缺点是,被测设备可能出于安全考虑而禁止ICMPPing服务,即不会发送回应报文,这种方法会误认为该设备不可用。

11112 基于SNMP的Ping方法

基于SNMP网络管理协议,管理站(Manager)向被测设备发送一个GET2Request报文后,如果能够收到被测设备中代理(Agent)返回的GET2Response报文,则可认为该被测设备是存活的,至于请求报文中的OID(ObjectIdentifier),只要选取一个所有设备都支持的公有MIB(ManagementInformationBase)信息即可。在这种Ping方法中,需要被测设备启动SNMP服务,同时管理站需知道被测设备的

团体名(Community)。

11113 一台设备所配IP地址集发现

对于一台网络设备(如路由器),每个端口可配置一个IP地址,因此设备可拥有一个由多个IP地址组成的集合。如果已知该设备的一个IP地址,则可使用SNMPGET2Request和GET2NEXT2Request操作,从设备获取该IP地址集合,因为在MIB信息IP组中存在ipAddrTable,它记录有每个端口所配IP地址信息。

11114 SplenNMS网络设备发现算法

该算法通过给定要探测的网络范围(多个IP地址段),发现这个范围内的设备。设这些IP地址段中所有的IP地址组成的集合为A;在实际网络管理中,为了方便维护,网络管理者通常只使用很有限的Community个数,设这些Community组成的集合为C。算法过程描述如下。

1)对每个IP地址a∈A,使用基于ICMPPing的方法进行探测,如果探测结果为存活,则P=P∪

{a};同时,依次使用每个c∈C,对a进行基于SNMP方法的匹配探测,如探测结果为存活,则S=S

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第2期蒋海,等:电信综合数据网络管理系统115

∪{a},R=R∪{〈a,c〉}。

2)P′=P-S表示虽然存活着,但不能使用SNMP访问到的设备集合,原因可能是设备没有启动SNMP服务,或其Community不属于集合C中;S′=S-P表示虽然存活着,但不能收到Ping回应报文

的设备集合,原因可能是设备禁止ICMPPing服务。P′与S′为网络管理人员检查设备配置提供了依据。

3)判断S是否为空。如果为空,算法结束;否则,从S中取一元素s。

4)对s进行所配IP地址集发现。设得到的集合为I,从I中选取一个地址作为该设备的地址,原则

是尽量选取loopback地址,设所选取地址为i。

5)S=S-I,D=D∪{i},M=M∪{〈x,y〉—x=i,〈x,y〉∈R}。6)转3)。

上述算法中集合S,R,D,M,I初始化时都为空,算法的运行结果是:集合D中保存被发现的网络设备(系统要求设备支持SNMP采集),集合M保存所发现网络设备与其Community的对应关系。

112 网络拓扑发现

人们对网络拓扑发现进行了大量的研究和分析[5~8]

,许多相关算法被提出。SplenNMS要求网络拓

扑准确地反映现实网络,即要求所有链路要准确地关联到具体端口,而不仅是设备与设备的连接。其目的是使网络性能、故障能在拓扑上准确定位。因此,根据具体需求,系统采用如下简单、有效的拓扑发现方法。

11211 基于路由表的拓扑发现路由器(包括3层交换机)主要功能是接收和转发网络层数据包,在路由表中记载着到达不同目的地需经过的本地端口和下一跳地址,因此,可通过获取路由器的路由表信息,得到与其相邻路由器的连接关系。有相关的MIB值记录路由表的主要信息,以RFC12132MIB为例,ipRouteTable存储路由表信息,其中ipRouteNextHop记录转发的下一跳地址,ipRouteIfIndex记录转发到下一跳要经过的本地端口索引。设所有路由器集合为R,基于路由表的拓扑发现算法主要过程描述如下。

1)对每路路由器r∈R,采集r的路由表MIB信息中的下一跳地址和本地转发端口索引,所使用到

的具体OID串可能会因为设备类型不同而有所区别,设采集结果分别为nextHop与ifIndex,则M=M∪

{〈r,ifIndex,nextHop〉}。

2)L={〈r1,ifIndex1,r2,ifIndex2〉—〈r1,ifIndex1,r2〉∈M,〈r2,ifIndex2,r1〉∈M,r1行结果,集合L中保存各设备之间的链路关系,〈r1,ifIndex1,r2,ifIndex2〉表示设备r1的端口ifIndex1与设备r2的端口ifIndex2之间存在一条链路。

11212 基于CDP的网络拓扑发现

CDP(CiscoDiscoveryProtocol)是Cisco3层网络设备所支持的协议,可用于发现它们之间的连接

关系。相关MIB值位于CiscoCDP组中,从中能获得各端口所接对端的IP地址,以及它们的直连情况。由于Cisco设备在数据骨干网上使用广泛,因此该发现方式具有很大的现实意义。

11213 基于某些私有网络管理协议的拓扑发现

为便于对网络设备进行配置和维护,有的设备提供商开发了一些私有协议,比如华为的HGMP(HuaweiGroupManagementProtocol)和港湾的H2Link。以HGMP协议为例,通过基于该协议的平台,可在hw5200设备上对其所管的诸多hw5100设备进行管理。hw5200有相关的MIB信息记录它所管理设备的连接关系,可通过采集这些信息发现它们的拓扑。由于这种管理方式在国内电信领域使用较多,因此,这种发现方法也具有较大的实际意义。

113 设备资源配置信息采集

设备资源配置包括设备基本信息、端口信息和板卡信息等,它们种类繁多,不同型号设备有很大的差异,且绝大多数存储在私有MIB中,因此,资源信息采集一直是大型网管系统实现的一个难点。为了克服这个问题,SplenNMS采用了基于任务规则的资源信息采集方法,其过程如图1所示。数据采集模块只需按照任务规则完成采集工作,不必关心设备的具体信息,从而达到通用的目的;另一方面,基

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于规则的任务配置保存在数据库中,可方便地进行修改和维护。当要采集一种新的设备信息时,只需通过配置工具增加新的任务,而不必改动任何系统程序。SplenNMS采用了多种任务规则,以满足不同采集需求。其中一个简单的任务规则如表1所示,它指出了以什么方式采集所给定的MIBOID内容,以及如何在数据库中存储所采集到的结果。

表1 一个任务规则属性类型含义

Tab11Typesanddefinitionsofasimpletaskrule

类 型厂商标识设备类型标识采集OID采集方式

标识不同厂商的设备

标识不同型号的设备需要采集的目标OID字符串

分“SNMP2Get”与“SNMP2Walk”两种,SNMP2Get表示直接使用Get2Request操作获取

OID所标识变量值,SNMP2Walk表示需要采集OID所在子树的所有变量值。

图1 基于任务规则的资源信息采集

Fig11Collectingresourceinformation

basedontaskrules

含      义

该字段指出了所采集到的数据如何存储,主要分“Direct”与“Serialize”两种方式,前

存储组织方式目标表名目标字段名

Serial字段名

者表示将所采集到的数据直接存储在指定目标位置(由目标表名和目标字段名确定),后者表示还需要按Serial字段进行格式化存储。存储采集结果的表名存储采集结果的字段名

当采用“Serialize”存储组织方式时有效,它指出了按哪个字段进行格式化组合。它通常用在SNMP2Walk方式采集,存储的是各个实际采集变量OID去掉“采集OID”部分。

2 SplenNMS网络性能管理

网络性能信息主要包括网络流量、资源利用率、资源可用性、端到端性能等。SplenNMS提供一种改进方案,用于网络流量、资源利用率的采集和存储,可解决海量数据采集管理的困难;采用基于Trap的扩展定义处理网络性能告警,使性能告警与源自设备的告警在格式上一致。

211 性能数据采集及存储方案

对于一个大型电信数据网络的管理,如何组织和存储海量的性能数据是性能管理的最主要难题。传

统数据网络管理系统通常都把性能数据直接存储在大型数据库中(见图2),这种方式造成了系统性能的极大下降,甚至随着所管网络规模的增大,导致系统瘫痪。以网络流量监测为例,假如网络设备数为2000台,则需要监测的端口数目一般在7000个以上。通常的数据采集粒度是5min,即每间隔5min

进行一次轮循采集,在5min内需要采集大于14000个变量值,并往数据库写7000多条记录,显然给系统带来了极大的负担,频繁的数据库读写操作使数据库成为系统性能的瓶颈。

MRTG(MultiRouterTrafficGrapher)使用一种日志文件以ASCII文本形式记录测得的流量数据

[9~11]

。为了避免长期监测时的数据膨胀问题,MRTG定期对数据进行整合,根据记录数据日期的不

同以不同的粒度保存数据,随着时间的推移,相应数据的粒度逐渐变大,超过两年的数据不再保存。因此日志文件具有常量大小的特征,能够支持长期的网络监测任务。采集存储方式如图3所示。但这种方式还存在两个主要缺点:1)所存储的数据受到,比如,不能从中知道一个月前某一天的每半小时的平均数据;2)每次数据采集后,MRTG都根据日志文件进行流量图形生成,并以HTML格式呈现。而在实际应用场合,一个端口的流量统计分析图形被用户调用查看的概率远远小于不被调用的概率,因此浪费了大量用于生成图形的系统开销。

SplenNMS采用了如图4所示的性能数据采集及存储方案,主要用于网络流量、资源利用率等方面

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第2期蒋海,等:电信综合数据网络管理系统117

的采集管理。以5min为周期进行数据采集,采集结果采用类似MRTG日志文件的形式存储,但每30min向数据库写入一次粒度为半小时的性能数据,供长期历史保存。与MRTG另一个不同点是,Splen2NMS并不是每次采集都生成图形,而是引入了触发控制方式的“按需成图”。触发控制使用基于Socket的控制报文实现。当客户端需要查看某统计分析图形时,首先向成图控制模块发送控制报文,报文中指出了要调用的图形,成图控制模块收到控制报文后,根据日志文件进行类似原MRTG中的图形生成。生成图形完毕后,向客户端发送控制反馈报文,客户端收到控制反馈报文后,即可调用新生成的流量分析统计图。

图2 传统采集存储方式Fig12Schemeintraditionalsystem图3 MRTG采集存储方式Fig13SchemeinMRTG图4 SplenNMS采集存储方式  

Fig14SchemeinSplenNMS

  在实例测试中,以监测端口流量为例,将SplenNMS与MRTG采集存储方式进行比较。性能数据比较如表2所示,最小执行周期指对所有端口进行一次数据采集所需要的时间,客户端响应时延是指从客户端发送调用命令到页面返回之间的时间延迟。由表2中数据可以看出,尽管SplenNMS的客户端响应有一定的延迟,也大大减小了系统开销,缩短了执行时间,使流量监测最小执行周期明显缩小。其中,硬件环境:2个主频900MHz的CPU,内存为2GByte;软件环境:HP2Unix操作系统,MRTG211015,Perl51812。

表2 SplenNMS与MRTG的测试结果比较

Tab12PerformancecomparisonbetweenSplenNMSandMRTG

监测端口数

 500

2000

7000

最小执行周期T/sMRTG本文方案

40150950(µ300)

3080250

客户端响应时延t/s

MRTG本文方案

<2<2<2

3~93~93~9

212 性能超越阈值告警处理

当检测到性能数据超出设定阈值时,需要向平台的告警处理系统发送性能告警。SplenNMS发送告警通过对Trap的扩展定义实现,通过模拟Trap报文,把告警通过事先的格式定义发送到告警处理系统。这种处理方式,使告警处理在形式上达到统一,性能告警被作为一种普通的Trap告警源来对待。

可根据性能超越阈值的程度,为告警定义不同的级别,从而实现SLA(ServiceLevelAgreement)服务。在告警处理系统中,这些不同级别的告警可能会有不同的呈现效果,可用不同的颜色区别。

Trap的扩展定义,以CPU利用率为例,其Variable2Bindings部分OID串的表示形式如图5所示。

例如:“11316111411166661216111801271681213170180”表示是IP为611180127168的网络设备的CPU性能告警,CPU的索引是2,告警级别是3,设定的阈值是70%,当前值是80%。

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图5 CPU告警Trap扩展OID表示形式Fig15TheextendedtrapOIDofCPUalert

3 SplenNMS网络故障采集

故障管理为排除网络故障提供最直接的依据,是网络运营商最为关注的内容之一。其中,告警

数据的采集是网络故障管理的主要难题,因为在大型电信数据网中,故障信息的来源类型较多,而且各种故障信息的解析复杂且差异大。SplenNMS的故障采集系统结构如图6所示。

其中,专业采集器负责采集原始的告警数据。根据告警数据来源的不同,可分为不同的类型(根据设备型号可进一步细分),其功能主要包括告警获取、告警解析、告警过滤等。告警汇聚器完成从各个专业采集器汇聚告警信息,并进行统一格式化;告警处理器将格式化后的告警进行告警压缩、告警关联、告警入库等。由于告警信息本身的复杂性和多样性,在大型综合数据网络管理中,告警解析变得更加

[12]

困难。在SplenNMS中,告警解析是基于规则配置文件的,从而使采集程序较为通用,即对新

告警的解析只需在文件中增加新的配置信息,而不需要修改任何采集程序。

图6 SplenNMS故障采集系统结构Fig16Thearchitectureoffaultcollection

systeminSplenNMS

4 SplenNMS体系结构

SplenNMS体系结构采用典型的J2EE架构,

如图7所示的4层结构,具有良好的可扩展[13~15]性。业务逻辑层主要通过J2EEEJB组件实现,为呈现层提供各种业务逻辑服务,同时利用JMS(JavaMessageSystem)消息服务实现采集层和逻辑层、逻辑层和呈现层之间的实时通信。采用EJB(EnterpriseJavaBean)组件实现业务逻辑的优点是:提高了应用程序的可重用性、可移植性和可扩展性,同时增强了系统的分布式特征。

5 结束语

网络规模的日益扩大,使人们越来越认识到综合网络管理系统对大型网络的重要性,开发这类系统具有极大的应用价值和良好的市场前景。

图7 SplenNMS体系结构

Fig17ThesystemarchitectureofSplenNMS

近几年来,笔者一直从事着这方面的技术研究和系统开发工作。系统的实际运行效果表明,SplenNMS在综合数据网络管理方面具备实用、高效、有代表性等显著特点,可以很好地满足大多数相关的业务需求。进一步改进和完善该系统是下一步的工作重点。

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(Ed.:H)

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