SNMP协议用于卫星网管的改进与增强

徐展琦，郭彦涛，丁 喆，李辰龙，丁 铎

（1.西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室，陕西 西安 710071；2.通信网信息传输与分发重点实验室，河北 石家庄 050081）

SNMP协议用于卫星网管的改进与增强

徐展琦1，郭彦涛2，丁 喆1，李辰龙1，丁 铎1

（1.西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室，陕西 西安 710071；2.通信网信息传输与分发重点实验室，河北 石家庄 050081）

作为新一代多媒体通信系统，宽带多媒体卫星网络能够提供多媒体业务、高速传输与交换和全球无缝隙覆盖等应用。介绍了宽带多媒体卫星通信网络架构，通过对现有地面网络管理协议的分析与比较，采用简单网络管理协议（SNMP）作为卫星网络管理协议。针对卫星通信网和SNMP协议的特点，分析SNMP应用于卫星网络管理的可行性，在可靠通信、流量控制和数据处理等3方面增强SNMP协议的功能，以使其适用于卫星通信网。

卫星通信；网络管理协议；宽带多媒体卫星；增强性SNMP

0 引言

20世纪90年代，由于卫星技术的飞速发展和Internet的空前繁荣，卫星通信开始向文本、图像、语音、视频及高速数据等宽带多媒体业务发展，宽带多媒体卫星通信成为卫星通信的研究重点，这种为用户提供大容量、高质量的交互式通信服务已经获得广泛应用。

宽带多媒体卫星系统是一种动态异构网络，是卫星通信与传统网络技术融合的必然发展趋势［1］，它在诸如抗震救灾、应急通信和国防等关键领域占据重要地位。由于卫星网络本身所特有的动态性、高时延性、异构性以及资源的有限性，应用于地面网管的传统公共管理信息协议（CMIP）［2］和简单网络管理协议（SNMP）［3］都不能完全适用于卫星网络，而在空间卫星网络的管理上，目前还没有形成普遍认可、系统化的管理思想和管理协议。

卫星网络的星地信道具有时延长、传输性能起伏大、误码率偏高和传输数据量不对称等特性［4］，导致地面上基于TCP／IP协议模型的SNMP协议无法直接运用到卫星通信中。那么，我们是设计新的网管协议，还是选择已有网管协议加以相应的修改呢？本文为此经论证选择后者，在可靠通信机制、流量控制机制和数据处理方式等3方面，探讨增强SNMP协议以使其更适合卫星网管的需求，为我国卫星网络的网管提供借鉴。

1 宽带多媒体通信卫星网络

图1采用单颗GEO宽带多媒体卫星通信系统架构，并包含网络管理系统的结构，其网元包括GEO卫星、关口站、网管中心、卫星终端、交换机、路由器和ATM交换机，同时附带每个网元的代理。

宽带多媒体通信卫星系统的上行链路采用MF-TDMA多址方式，下行链路采用TDM多路复用。多波束通信方式中有一个波束专门用于网络管理信息和信令的传输，同时卫星具有星上处理功能。由图1可知，网管中心不仅管理卫星上的设备及其元件，还管理卫星终端、关口站、交换机、路由器以及ATM交换机（图中实线表示真实的通信链路，而虚线表示网管中心的管理链路）。网管中心通过关口站与卫星相连接，而关口站通过无线信道与卫星通信。每个受控的网元均设有代理端，网管中心通过对各个网元的代理进行监控以实现管理网元。

2 SNMP协议适用卫星网管的可行性

目前在地面网络中广泛使用公共管理信息协议：（Common Management Information Protocol，CMIP）和简单网络管理协议（Simple Network Man-agement Protocol，SNMP）这两种网络协议，分别应用于电信网络和因特网。如果为卫星网络设计不同于二者的新协议，优点是可能会设计一种特别适合卫星网络前述特性的网管协议，缺点是所设计的协议完备性、适用性存在不确定性，它与地面已有网管协议不能互联互通。因此，一个较为可行的选择是采用已有网管协议，并针对卫星网络的特殊性加以改进与增强。

CMIP协议实现了面向对象的管理机制，但协议设计、参数定义和对象都比较复杂，编程难度较高，并且基于电信管理网TMN的网管协议必须要实现Q3接口，同时CMIP协议需要占用更多的卫星资源，因此它不适用于卫星通信网的特殊应用环境［5］。SNMP协议的开放式设计使得众多设备都支持SNMP服务，便于不同设备及不同设备制造商设备的网管互联互通。在通信及应用设备不断增加、更新和发展的过程中，基于SNMP协议的网管系统可快速、灵活地升级和更新。虽然SNMP在功能上还有一定局限性，但其简单性大幅降低网管系统开发的难度。由于SNMP协议已在网络设备中形成规范，并用于众多的地面设备和宽带多媒体卫星系统，如VANTAGE（VSAT ATM Network Trials for Appli-cation Groups Across Europe）等网管系统。因此，SNMP协议具有通信模型和信息模型简单、灵活及CPU资源消耗少等特性，更适合于卫星网络的管理［6］。

SNMP协议包括SNMPv1、SNMPv2和SNMPv3三个版本。SNMPv1是网络管理最原始的标准，所提供的操作原语只能对网络进行集中式管理，一旦网络需要进行扩建或者融合时，原有的网管系统就不能适应新的网络。SNMPv2提供了分布式管理操作，即网元具有管理者和代理者双重身份。SNMPv3在安全性方面进行了极大的改善，但它具有比SNMPv2版本更长的消息长度，带来相比SNMPv2高达1.7倍的网络流量和2倍的计算时间，增加了系统资源的消耗。同时，SNMPv3需要占用数兆的内存空间，考虑到卫星资源有限，采用SNMPv3可能会造成资源浪费［7］。综上所述，SNMPv2协议更加适合于卫星网络管理。

3 SNMP协议功能增强分析

在SNMP协议已经成为现有网络管理标准协议的前提下，如果直接对其修改，则与现有设备的协议不匹配，无法直接进行通信，进而导致无法管理现有的通信设备。如果采用修改后的协议进行网络管理，则需要对卫星上被管设备的软件或内核进行修改，这将带来巨大的工作量。SNMP采用UDP协议作为传输协议，如果在底层对协议进行修改，会遇到同样的问题。考虑到SNMP本身属于应用层协议，因此从应用层进行协议改进比较可行。

由于UDP协议是面向无连接的数据传输协议，是一种不可靠通信方式。与TCP协议需要建立通信连接、对数据进行差错控制相比较，UDP协议不关心网络数据传输状态，这使得UDP协议在传输过程中可节省大量网络状态确认和数据确认所导致的系统资源，大大提高UDP协议的传输效率［8］。同时，UDP协议具有无需连接管理、支持海量并发连接和发送数据不对称等特性，非常适合卫星网络。

尽管UDP协议减小系统资源的消耗，但其无法确保数据到达宿地，且网管系统对非常重要的配置数据实时性要求更高，因此如何保证网管数据的可靠传输是亟待解决的问题之一；另一方面，由于卫星上内存资源有限，当大量的网管数据到达时，有可能造成系统拥塞，而UDP协议在流量控制方面也没有较好的应对措施，如何进行流量控制和避免系统拥塞也是要解决的一个重要问题。卫星信道数据传输速率不稳定，会造成数据的抖动，无法保证网管数据的响应时间，这可以从管理端的数据处理方式加以考虑。

综上所述，针对卫星通信系统和SNMP协议的特点，主要从可靠通信机制、流量控制以及数据传输方式等三方面对SNMP协议进行相应的功能增强，以使其能够适应卫星环境时延大和误码率偏高的特点，从而满足卫星管理所要求的低需求配置、低复杂度、可配置性以及数据完整性验证等要求。

4 SNMP协议功能增强

4.1 可靠通信机制

SNMP协议传输层采用UDP协议，而UDP是面向无连接的协议，无法确保报文正确地到达宿地，再加上卫星信道的高误码率，从而无法确保网管数据及时准确的传输，因此在应用层建立可靠通信机制显得尤为重要。

（1）超时重传机制

在SNMP协议中，当代理端收到Get数据包（包括GetRequest PDU、GetNextRequest PDU和Get-BulkRequest PDU）和Set数据包（SetRequest PDU）时，都需要用Response PDU进行响应。当管理端在一定时间内没有收到Response PDU时，就需要启动超时重发机制。由于UDP协议具有无连接特性，故需要在应用层加入超时重发机制。

一般情况下，Get或Set数据包的大小为70字节，而Response PDU大小约为90字节，在一般的卫星通信系统（如WINDS卫星系统［9］）中，网管信息收发子系统的上行速率为4 kb／s，下行速率为10 kb／s，计算可得Get／Set数据包和Response PDU的发送时延为212 ms。另外，GEO卫星到地面的传播时延大约为125 ms，不考虑处理时延和排队时延，则地面网管中心和卫星代理进行一次通信的往返时间RTT＝462 ms。超时重传时间RTO一般取4倍的RTT，即RTO可以取2 000 ms，超时重发次数可以设置为3次。

（2）Trap发送机制

在SNMPv2中，当代理有故障发生时，可以通过发送Trap PDU和InformRequest PDU两种方式向管理端上报故障。这两种方式也存在着区别：当代理发送Trap PDU时，管理端收到后并不会向代理发送确认信息，这样代理端无法知道Trap PDU是否被正确接收；反之，当代理用InformRequest PDU发送时，管理端在收到该数据包后，需要发送Response PDU进行确认，这样可以确保InformRequest PDU正确到达接收端。这两者在卫星通信网络中使用时，各有利弊。

InformRequest PDU虽然可以确保trap正确到达管理端，但是为了支持可靠传输，将会消耗更多的网络和设备资源，被管设备不能在发送后立即把InformRequest PDU丢弃，它需要把通知消息保存在系统内存中，直到收到对应的确认应答或计时器超时才丢弃。由此可见，InformRequest PDU可能会被重复发送，这种重复发送将会增加网络流量和额外开销，这个问题在卫星通信系统中显得尤为突出。Trap PDU虽然是不可靠传输，但是它消耗更少的网络和设备资源，在卫星通信网络中其优势也很明显。因此，在选择Trap PDU或InformRequest PDU时，需要根据可靠性要求和系统资源状况统筹考虑。

基于以上分析，卫星通信网络首先将代理可能出现的故障划分为严重和一般这两个等级。严重故障包括不正确的用户授权、重启、连接关闭和设备通信中断，这些故障需要确保管理端能够及时并且正确接收，此时可以使用InformRequest PDU进行发送。对于诸如egpNeighborLoss和enterpriseSpecific等一般故障，并不要求管理端及时接收，可以使用Trap PDU发送，这样就可以在可靠性要求和系统资源状况之间进行很好的折中。

4.2 流量控制机制

网络管理系统在对代理设备进行轮询的时候，将产生大量的数据，UDP传输协议本身并不具有流量控制的功能，当轮询的数据量过大、卫星的缓存资源和处理能力有限时，可能造成丢包数迅速增加，甚至可能带来系统拥塞乃至崩溃的潜在危险，因此在SNMP协议中加入流量控制机制显得尤为重要。

当系统出现拥塞时，可以根据网络状况来调整数据的发送速率以避免拥塞。网管系统通过对数据包的差错率、报文的往返时间等信息进行处理就能够得到当前网络的状况。因此，可利用TCP友好速率控制算法TFRC（TCP-Friendly Rate Control）［10］对网管数据的传输进行流量控制。

TFRC协议是基于数学模型和接收方的机制，由发送方根据网络环境调整数据流的发送速率以达到拥塞控制，在同等条件下，TFRC流具有与TCP流相似的吞吐量；但TFRC吞吐量变化稳定，抖动较小，更加适合网管数据的实时性要求。

TFRC协议适用于固定数据包大小的应用程序，它根据网络环境的好坏，通过调整每秒钟发送的数据包数来调整数据传输速率，而网管数据包的大小基本是相同的，因此可以将TFRC协议应用到网络管理中。

管理端通过记录数据包的发送时刻和响应数据包的接收时刻，计算出往返时间RTT，将丢包率和RTT代入下式计算，得到即将传输数据报的发送速率［10］：

式中，S是数据发送速率（bps）；L是数据包大小（bits）；R是往返时延（s）；P是丢包率；tRTO是超时重传时间，取tRTO＝4∗R。

管理端将根据计算结果以调整数据发送的速率，可采用如下数据发送方案：

①管理端向代理端发送的数据有Get数据包（包括GetRequest、GetNextRequest和GetBulkRe-quest）、Set数据包以及对InformRequest的响应数据包Response。根据数据的重要性，将待发送的数据进行优先级划分，优先级由高到低依次为Response、Set以及Get数据包。因为Response需要及时发送，这样可以减少InformRequest对星上资源的占用，Set数据包是对代理进行配置管理，其优先级应高于Get数据包。

②根据式（1）得到的数据发送速率，结合数据包的优先级，可以制定如下数据发送策略：在管理端建立优先级队列，将待发送的数据包加入到优先级队列中，网管收发子系统的上行速率一般为4 kb／s，数据包的大小为70 B，假设式（1）计算出当前的数据发送速率应为3 kb／s，则接下来可以发送优先级最高的5个数据包。依照该数据发送速率，即可最大限度地避免网络出现拥塞。

4.3 数据处理方式

网管系统的管理端需要同时管理多个代理，而管理端的数据处理方式有并发处理和序列处理。前者指管理端在异步情况下同时处理多个代理发来的网管消息，后者指管理端在某一时刻只能处理一个代理，即管理端在处理完某个代理的网管消息之前，不能做其他工作。在并发处理方式下，管理端接收到代理响应报文的顺序取决于代理和信道条件，因此，可以减少代理的响应时间，但有可能造成网络阻塞，特别是在信道条件较差和星上存储资源有限卫星网络中，这个问题显得尤为突出。通过并发和序列两种方式对数据报的响应所进行的测试结果表明［12］，虽然在所有代理操作的完成时间上，并发方式用的时间更少，但考虑到每个代理单次任务的响应时间（如发送一次Get操作），序列方式响应速度更快，且序列方式下对每次任务的响应时间的抖动更小。因此，在一些实时的应用上，序列方式可以保证响应时间的范围，比如用SNMP来进行路由、记账以及访问网络配置等。

综上所述，在卫星网络中，管理端在处理代理端的任务时，应该采用序列方式，可以尽量避免出现网络拥塞和保证响应的时间，使对实时性要求高的网管操作及时完成。

5 结束语

通过对现有网管协议和卫星网络网管需求的分析与比较，确定SNMP协议是适合于卫星网络的优选网管协议。针对卫星网络的特点和SNMP协议的功能，提出在可靠通信机制、流量控制机制和数据处理方式等三方面，增强SNMP协议以使其更适合卫星网管的需求。另外，由于SNMP协议采用基本编码规则BER编码，其编码存在一定冗余，因此可考虑使用压缩编码规则PER编码代替，提高编码效率。

［1］闻英友，赵建立，王光兴.一种面向卫星综合信息网的网络管理系统［J］.兵工学报，2005，2（4）：18－21.

［2］ ITU-T Rec.X.711，Common Management Information Pro-tocol（CMIP）［S］，Feb 2000.

［3］Case J，Fedor M.A Simple Network Management Protocol（SNMP）［S］，IETF RFC 1157，May，1990.

［4］姜月秋，闻应友，王光兴.卫星综合信息网网络管理协议的研究［J］.计算机科学，2004，31（3）：51－54.

［5］张婵.TR-069、SNMP和CMIS和CMIP网管协议的比较与探究［J］.电子测试，2014（01）：136－137.

［6］黎皓.基于SNMP的网络性能管理系统研究［J］.通讯世界，2013（09）：5－7.

［7］姜月秋，冯永新，刘治国，等.基于卫星综合信息网的网络管理模型［J］.东北大学学报，2003，24（01）：15－18.

［8］丁 皓.基于链路数据包错误率的空间网络自动重传技术研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2010：35－38.

［9］张更新，晋军，卢姗姗.宽带多媒体卫星系列讲座之二“WINDS”系统概况［J］.数字通信世界，2009（03）：77－81.

［10］曾晶萍，杨文俊，彭力，等.TCP友好速率控制协议的分析及应用［J］.计算机技术与发展，2007，12（01）：210－212.

［11］Kantorovitch J，Mahonen P.Case Studies and Experiments of SNMP in Wireless Network［C］∥IEEE Workshop on IP Operations and Management，2002：179－183.

Improvement and Enhancement of Simple Network Management Protocol in Satellite Network Management

XU Zhan-qi1，GUO Yan-tao2，DING Zhe1，LI Chen-long1，DING Duo1
（1.State Key Lab on Integrated Services Networks，Xidian University，Xi’an Shaanxi 710071，China；2.State Key Lab on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

The broadband multimedia satellite network，a new generation of multimedia communication system，can provide many applications such as multimedia services，high-speed transmission and switching，and global seamless coverage.This paper introduces the architecture of satellite communication network.By analyzing and comparing of the present network management protocols，this paper chooses simple network management protocol（SNMP）as the management protocol of satellite networks.Based on the characters of satellite communication network and SNMP，this paper analyzes the feasibility of SNMP application in satellite network management.The SNMP function is modified and enhanced in such aspects of the communication reliability，flow control and data processing，making the enhanced SNMP be applicable for satellite communication networks.

communication；network management protocol；broadband multimedia satellite；enhanced simple network management protocol（SNMP）

TN915.07

A

1003－3114（2015）06－01－5

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.01

徐展琦，郭彦涛，丁 喆，等.SNMP协议用于卫星网管的改进与增强［J］.无线电通信技术，2015，41（6）：01－05.

2015－08－26

国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA01A505）；国家预研项目（41001080201）

专家简介：徐展琦（1962—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：光网络、空间宽带网络、网络新体制、网络资源管理、网络设备的原型实现、通信网的建模及性能仿真等。主持或参加完成国家863计划和国家自然科学基金等项目数达到30个，第一作者获专利授权5项，获部级科技进步二等奖1项，获部级科技进步三等奖3项；发表论文70余篇，SCI检索4篇，EI检索20余篇。