数字集群通信系统网络管理的研究与实现

付 珊

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

0 引言

数字集群通信系统(Digital Telecommunications System, TETS)是一种融合了语音、数据、图像等多种业务的综合业务传输系统,它将数字技术和移动通信技术有机地结合起来,不仅使用户能在各种环境下进行语音通信,而且还可为用户提供更加丰富、灵活的业务。 与模拟集群通信系统相比,数字集群通信系统具有许多独特的优势,如:在网络安全性和稳定性上都有很大的提高;业务种类更加丰富等。 但是由于数字集群通信系统是一种新兴的系统,其相关技术还处于探索和发展之中,没有统一的标准。 网络管理是数字集群通信系统中非常重要的部分,本文重点讨论数字集群通信系统网络管理中涉及的关键技术。

1 数字集群系统简介

数字集群通信系统是由运营商提供的一种通信方式,主要由终端、基站、网管和用户组成。 目前,全球采用的数字集群通信系统主要有两种:一是第三代移动通信系统(3G),另一种是数字集群通信系统(DICT)。 3G 指的是TDMA(时分多址)数字集群技术、CDMA (码分多址)数字集群技术和WCDMA (宽带码分多址)数字集群技术。 TDMA 适合于大容量应用,而 CDMA 适合于小容量应用,并且由于 TDMA 可以采用较短的时隙间隔,因而在应用上TDMA 技术可以弥补CDMA 技术的不足。 目前,世界上已经有40多个国家采用了TDMA 技术,如美国、澳大利亚、加拿大、韩国等。 数字集群通信系统的两种主要业务是语音通信和数据传输,而数据传输是由基站通过各种数据网络来完成的。 其中,无线数据网负责在集群基站之间传送数据,而有线城域网则负责在集群基站和用户终端之间传送话音。 同时,为了保证数据传输的质量,通常采用 QoS(Quality of Service)保证机制来保障系统性能。

2 网络管理现状、关键技术及其功能

2.1 网络管理现状

数字集群系统网络存在大量的网络管理设备,包括:网关、路由器、交换机、服务器等。 这些网络设备在数字集群系统中扮演着非常重要的角色,它们既是数字集群通信系统中的核心设备,又是数字集群通信系统的业务支撑平台。 正是由于网络设备在数字集群系统中的地位和重要性,使得网络管理变得尤为重要。 在不同的网络环境中,管理的对象和管理方式各不相同。 在模拟集群通信系统中,主要针对终端、服务器等设备进行网络管理,而数字集群通信系统的网络管理则更复杂一些。 在模拟集群通信系统中,网络管理一般是通过MIB 库来实现对设备状态和性能进行实时监控。 MIB 库是由网管系统和各种不同类型的网元组成的一组标准描述语言。 MIB 库所定义的各种描述语言能说明一些通用的网元和设备状态信息(例如:设备性能、资源、连接)。 由于MIB 库中所定义网元的类型和数量庞大,在没有专门设计网管软件的情况下,MIB 库非常庞大而复杂,这无疑是数字集群通信系统网络管理中一个很大瓶颈[1]。

2.2 网络管理的关键技术

2.2.1 简单网络管理协议

简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol,SNMP)是一种开放源代码的网络管理标准,用于对以太网、Ethernet、无线局域网(WLAN)和卫星通信网等网络进行管理。 它是以“面向连接”为基础的,它通过开放标准协议(SNMP)来实现对网络设备的监控和管理。 SNMP 是一个基于 SNMP 协议的应用程序,它通过在整个网络上安装一个通用的、开放标准的“管理信息服务”(MIS)来管理网络设备和网络应用程序。 SNMP 协议包括3 个部分:数据模型、操作协议和管理模型。 MIS 包括基本MIS (SNMP_MIS)、高级MIS (SNMP_SMI)和SNMP_MAP。 MIS 是一个面向连接的,能同时支持多个过程的应用程序[2]。

2.2.2 网络应用程序审计

Netfilter/Filter(网络应用程序审计)是基于端口的流量分析技术,它以 HTTP、 FTPS、 SMTP、POP3 等网络应用服务为研究对象,根据其传输格式、传输速率、数据包长度和流量特征等参数,分析其流量特性,进而判断是否存在攻击行为或异常现象。 Netfilter/Filter 与其他网络管理工具相比,具有如下优点:能精确地统计分析网络流量;具有较好的处理能力;具有对指定端口进行快速检测和统计分析的能力;对多个目标IP 进行处理,并能准确地找出问题IP;具有支持多种协议的特点,能与大多数其他网络管理工具实现网络协议功能方面的兼容,可以有效地解决多协议共存问题[3]。

2.2.3 管理信息模型

管理信息模型(Management Information Base,MIB)是基于对象的网络管理体系结构,具有强大的功能和良好的扩展性。 它是由国际标准化组织(ISO)在总结前人工作的基础上提出的,已经成为一种普遍接受的技术标准。 MIB 不涉及具体对象,它是一个对象模型。 该模型支持开放标准协议如 SNMP、IETF 等,为网络管理软件提供了通用信息模型。 MIB技术很好地解决了网络管理信息共享问题。 MIB 模型是基于对象的,它基于对实际设备、操作系统以及应用软件的分析,把它们抽象成对象模型,然后根据这个对象模型对它们进行描述和管理。 在MIB 中,采用抽象语法和语义描述,这样可以极大地减少协议和数据的耦合度,同时提高了协议和数据的可扩展性。

2.3 网络管理系统的功能

网络管理系统是用来对网络设备进行监控和维护,提供相应的故障诊断和预测、性能数据分析,保证整个网络系统的正常运行的一种管理系统。 本文研究的网络管理系统主要有以下几个功能。

2.3.1 对网络拓扑进行管理

网络拓扑是对通信网络设备进行配置与控制的主要信息来源,通常在网络拓扑中提供了设备标识符以及连接设备所需要的端口。 通过对这些信息的处理,可以实现对整个通信网络高效管理。

2.3.2 告警管理功能

告警是指通过一系列不同格式的告警通知消息来反映出已发生事故、故障或性能不良等情况,为管理人员提供决策依据。 安全管理是对整个通信网络系统进行管理,实现对通信设备、服务器、用户等身份的识别,防止非法用户访问和入侵网络,保证整个系统的安全和稳定运行。

2.3.3 性能数据分析功能

性能数据分析功能是指通过对通信设备或通信链路指标进行统计分析,得到相关信息来诊断及预测故障并以报表形式显示出来。

3 SNMP 协议和MIB 库的网络管理方案及实现

3.1 SNMP 协议和MIB 库的网络管理方案

网络管理是实现数字集群通信系统的重要组成部分,对数字集群通信系统的安全和稳定运行具有重要意义。 对于数字集群通信系统来说,由于其网络规模大,节点数量多,分布在全国各地并且具有分布式的特点,因此在管理上有较高的要求。 为了保证数字集群通信系统中各节点间能可靠地通信,必须实现网络管理的集中式处理。 为了实现网络管理的集中化处理,本文提出了一种基于SNMP 协议和MIB 库实现数字集群通信系统网络管理的方案。 目前,大多数商用SNMP 软件都是通过C/S(客户/服务器)结构实现网络管理。 C/S 结构具有架构清晰、易于扩展和维护等优点,但由于客户机与服务器之间采用TCP/IP 协议进行通信,客户机需要占用大量网络资源,同时服务器也需要一定资源来处理客户机发出的各种命令。因此,在设计 SNMP 协议时需要考虑以下问题:如何利用现有设备实现对客户机的管理;如何向客户机提供统一的管理接口;如何在网络中避免大量的TCP/IP 开销;如何保证客户机能实时获取网络信息等。为了解决 SNMP 协议中存在的这些问题,本文采用C/S 模式对基于 SNMP 协议和MIB 库实现数字集群通信系统网络管理进行了深入研究。

3.2 网络管理实现

数字集群通信系统中的网络管理软件应具有实时监测和监视、故障诊断、性能分析和评价等功能。本文以某厂家的网络管理软件为例,对数字集群通信系统网络管理的实现进行了详细的介绍。 当系统发生故障时,首先出现告警提示信息,之后告警信息进入自动告警状态,直至系统恢复正常运行。 在自动告警状态下,用户可按规定的格式进行网络故障诊断、性能分析和性能评价。 若被管理设备无法及时发现故障点,则将告警信息发送给相关设备管理员。 网络管理软件与其他业务系统接口时采用TCP/IP 协议格式。 为了能更好地对网络进行管理,应向被管理设备提供用户所需的管理接口。 数字集群通信系统中的网络管理软件要完成以下功能:(1)提供与用户所使用的业务系统相关联的基本信息和服务;(2)实现对用户业务的实时监测、监视;(3)提供对网络设备和服务器设备的状态信息等的管理;(4)提供对网络性能或故障信息的统计与分析;(5)提供网络资源和网络数据流查询;(6)提供网络资源查询、网络性能查询和状态查询功能;(7)提供对各种基本管理功能以及其他更复杂的管理功能的支持。 在网络管理软件中,将用户注册到Web 服务器,然后将被管理设备注册到Web 服务器上,以方便用户监控和管理。 客户端通过Internet 访问被管理设备上的Web 页面进行管理控制。 当发现被管理设备出现故障时,向该设备发出告警提示信息,并将告警信息发送给该设备上的管理员。

4 实现与测试

本方案中,MIB 库的实现是基于开源项目—Hadoop。 Hadoop 是一个大规模分布式计算平台,其开源代码具有很高的通用性,并且可扩展性极强。Hadoop 平台通过提供一个强大的集成环境来管理不同类型的数据源,从而使复杂的计算可以被简单有效地分解。 MIB 库提供了一个灵活、易用且可扩展的管理架构,为实现SNMP 协议和MIB 库之间的通信提供了便利。 首先,通过添加对MIB 库的注释来完成MIB库与SNMP 协议之间的通信;其次,通过使用 Hadoop平台提供的组件和工具来完成SNMP 协议和 MIB 库之间的通信。 最后,通过建立一个可以自定义模型来完成SNMP 协议与MIB 库之间的通信。 在Hadoop 平台上添加两个不同的节点分别管理NMPA 和MIB库;在两个节点间建立一条两级协议通信路径;然后在协议层添加一组三元组来实现对网络管理对象的描述;最后由三方应用程序利用SNMP 协议和MIB 库进行通信。

5 结语

本文研究了数字集群通信系统,在网络管理现状的基础上,设计了一套网络管理软件。 该软件具有功能模块化、可扩展性强和易于维护的特点。 目前,本研究已完成基本的测试工作,下一步将对该软件进行测试和完善。 该软件采用模块化设计思想,开发简单、方便、快捷。 目前,该软件可以对整个数字集群通信系统进行实时管理和控制。 后继研究可以在该软件上添加诸如GPS 定位、基站定位等功能模块,继续完善该网络管理系统的设计方案,进一步提高该系统的管理效率和性能指标。 完善和优化本系统,可以提高用户的使用满意度和系统的稳定性。