飛行試驗數據網狀態實時監管技術研究

飛行試驗數據網狀態實時監管技術研究

在國內外的飛行試驗實時監控環境中，如何針對網絡系統運行狀態進行監測和管理，以獲得最優網絡效能一直是研究的重要難題之一，其意義在于可以合理利用有限的網絡鏈路資源，確保飛行實時數據在傳輸過程中的完整性及飛行試驗監控任務的可靠度。目前，在國內的飛行試驗任務實施過程中，隨著協同飛行及飛機數量的增多，逐步呈現出實時局域網中數據流量大的現狀，容易出現網絡擁堵、數據風暴及間歇性休眠等現象。由于對整體網絡缺乏全局的監測和管理，以致需要逐個節點進行排除才能定位具體原因，使得局域網維護起來工作量大、繁瑣復雜。為此，需要研究如何利用基于硬件設備支持的簡單網絡管理協議（SNMP），完成對實時局域網絡鏈路狀態及互聯設備節點信息的收集、統計關聯和分析，及時掌握網絡環境變化趨勢，通過報警機制預測網絡故障點，為優化調整網絡結構提供有效的決策信息。

SNMP概述

簡單網絡管理協議（SNMP）是為了在網絡監管軟件和網絡設備之間進行通信而制訂的協議。隨著網絡規模的擴大，網絡設備越來越復雜，必須依靠網絡監管技術才能更合理的優化網絡環境，提高網絡的服務質量。在眾多的SNMP可監管事項中，網絡性能的監管占據著重要地位。通過SNMP消息，可隨時掌握網絡性能的狀況，了解網絡資源的利用情況，及時發現網絡異常（如網絡擁塞、網絡設備CPU利用率過高等等），避免因網絡性能降低而產生對網絡應用的不良影響。這種基于SNMP協議數據采集方法是利用SNMP協議，在網管工作站和代理之間相互傳送SNMP消息報文，獲取網絡性能參數的方法。這種方法雖然在網絡應用繁忙的時段，會加重網絡的負載，但隨著光纖的普及，網絡帶寬的逐漸提升，基于SNMP協議進行網絡監管的鏈路開銷將顯得微不足道，而其簡單、通用、易于實施和擴展的特點將得到更大的發揮。因此，研究基于SNMP協議進行網絡監管的技術具有重要意義。

監管平臺設計

根據飛行試驗實時局域網的實際運行狀況，網絡互聯的設備類別多、數量大，需要持續監管時間長，監管事項關聯復雜，因此，在監管平臺的軟件架構設計中，采用開放式的開發方法，結合插件式平臺化設計思路，設計了飛行試驗實時局域網狀態監管平臺。為獲取更高的平臺運行可靠性及高效性，搭建在服務型操作系統Centos6.7-64bitminimal環境下，并基于Mysql配置運行數據庫管理系統。由于在局域網環境下，多適合采用分布式管理維護方式，因而在監管平臺的設計中，使用分布式管理模式，即基于WEB瀏覽器的管理前端。因此監管平臺采用了廣泛使用的Apache作為服務器管理軟件，以確保對功能插件管理的穩定性和可擴展性。在管理交互頁面的設計上，采用了運行效率較高的PHP，確保管理頁面能向用戶推送數據的高效性。結合平臺的開放性要求，采用了具有良好結構化的JSON語法作為擴展開發語言基礎，以更好的發揮平臺外部API的功能特性，獲得更多的兼容空間。平臺整體架構如圖1所示。

功能結構設計

飛行試驗實時局域網狀態監管平臺主要劃分為七大功能集合，如圖2所示，其中用戶管理功能和歷史數據庫管理功能較為獨立，和其他功能之間的交互消息量較少。其他五大功能以SNMP監管項為主線，通過SNMP消息報文所涉及的數據項進行交互關聯，負責對監管項的分類管理、監管消息的收集及統計分析、監管項事件觸發器及拓撲圖生成監管等。具體各項功能設計如下：

（1）用戶管理：對用戶賬號和密碼進行管理和驗證登錄。不同的用戶工作頁面不盡一致，所擁有的權限也不一樣，因而需要根據用戶所屬的類別，通過WEB前端推送相對應的軟件平臺管理操作界面；

（2）監管模板管理：針對不一樣的網絡設備，可綁定的監管模板也不一樣，所需要完成的監管項目也不同。通過監管模板管理，可以根據實際監管需要配置合理的模板，通過綁定鏈接操作，將受監管設備與對應的模板進行關聯。同時，可以通過模板的監管項對監管參數進行設定，為設備運行狀態的監管提供必要的判斷條件；

（3）SNMP監管項管理：主要完成對SNMP服務協議支持的監管項進行配置管理。每個支持SNMP協議的設備都對應了特定的OID庫表，因此了解OID以后，才能針對設備創建匹配的監管項，并且可以對監管項的監測狀態進行設置，以及相應的數據更新指數配置。同時，可以查看與監管項相對應的圖形表示和數據列表，更利于分析網絡運行效能；

（4）監管性能分析：可以通過圖表對性能監管數據進行顯示分析，可以選擇特定時間段進行分析顯示，也可以將多項特性數據通過場景方式進行綜合關聯分析。支持對圖表場景的創建和編輯，且可以瀏覽最新特性數據，從而可以與數據庫歷史數據進行關聯對比分析，達到性能交聯分析的效果；

（5）觸發器管理：每個監控項的啟動或者休眠，都是通過觸發器來控制實現，因而，觸發器是連接設備工作狀態與平臺監管機制的數據渠道。該功能支持對觸發器腳本的編寫和配置管理，通過邏輯表達式，以腳本規范寫入觸發器中，并關聯到對應的動作事件，平臺通過策略判斷和告警邏輯庫，完成對狀態變化的監管；

（6）拓撲圖監管：實現對網絡結構的監管。根據網絡實際結構，從標識庫中選擇相對應的標識設備，設置對應的屬性信息及性能指標信息，并配置外部鏈接端口，實現設備之間的關系互聯。在互聯配置中，關聯如各個設備的狀態監管觸發器，即可以通過觸發器狀態的變化監管到設備互聯狀態的變化；

（7）歷史數據庫管理：眾多的監控項，根據數據更新設置，按照數據庫結構存儲入歷史數據庫文件中。按照管理頁面向導，可以完成對數據的查看、導出和關聯分析。

圖1 平臺架構圖

圖2 功能結構圖

數據流設計

結合飛行試驗局域網接入的監管設備，通過啟用SNMP協議服務是最適合對硬件設備進行監管的途徑。由于是系統自帶的服務協議，幾乎不占用額外的系統資源，而且能夠更完整及時的將設備工作狀態進行監管。

對于需要監管的設備而言，網絡監管軟件平臺提供了兩種與設備進行消息交互的方式，一種被動式，即通過信息捕捉器獲??；另一種是主動式，即通過信息輪詢器獲取。在被動式方式下，設備將獲取到的監控信息發送到軟件平臺，軟件平臺的信息捕獲器將信息獲取，并提交到處理中心，根據輔助策略的要求，判斷是否需要進行安全報警，將信息按照配置策略形成即實監控數據組，通過數據中心向與用戶交互的WEB頁面推送更新顯示。另外，通過記錄同步機制，存入數據中心的歷史表單中，以備用戶調取查看分析。對于主動式數據信息交互，網絡監管軟件平臺根據輔助策略中所需要的數據項，向被監控的設備主動輪詢相關的信息，并判斷通信鏈路是否正常。如果能夠正常獲取到數據，則從設備回復到的數據信息按照被動式方式進行處理。如果不能正常獲取到數據，則通過安全報警機制，在用戶交互的WEB頁面上以明顯的消息條目提示非正常狀態，并提供詳細的報警消息和處置建議。具體數據流圖如圖3所示。

圖3 數據流圖

擴展接口設計

外部擴展API是擴充飛行試驗實時局域網狀態監管軟件平臺的重要組成部分，尤其在集成第三方功能插件和實現自動化日常監管時，通過API去實現更為便捷和靈活。該平臺所有的移動客戶端都是基于API接口方式完成設計，甚至用戶交互的WEB前端部分也是建立在API特性之上。監管平臺的API 中間件使得架構更加模塊化也避免直接對數據庫進行操作，并允許通過JSON RPC協議來創建、更新和獲取平臺插件對象而完成日常維護任務。

飛行試驗實時局域網狀態監管平臺擴展接口目前提供兩項主要功能：

（1）遠程管理監管軟件平臺的配置；

（2）遠程檢索配置和歷史數據。

同時，由于擴展接口基于JSON-RPC標準協議實現，因而在調用任何函數時，都需要發送消息請求，輸入輸出數據都是以JSON格式。具體擴展接口數據交互流程如圖4所示，大致工作流程如下：

（1）準備JSON對象，描述所需要的功能操作（例如創建主機，獲取圖像，更新監控項等）；

（2）使用消息載體發送此JSON對象；

（3）獲取JSON格式響應。

擴展接口簡化的JSON請求格式如下：

圖4 API數據交互流程圖

應用分析

應用難點

將飛行試驗實時局域網狀態監管平臺配置到飛行試驗網絡系統服務器節點中，啟用其他節點設備的SNMP服務協議。在監管平臺管理頁面完成對監管項的創建和配置，根據性能監管需求，形成監管配置模板，與受監管節點設備形成SNMP消息報文交互，實現對整體網絡系統的量化監管。在應用過程中，主要解決以下兩個方面的難點：

（1）性能監管數據綜合可視場景分析

在進行網絡狀態數據的獲取過程中，需要對監管搜集到的數據進行記錄，并根據運行狀況要求，將數據進行圖形化關聯顯示。如何將這些數據在后臺進行關聯分析，成為了綜合可視場景展示的難題。為此，可將數據按照采集周期，根據數據庫表的格式規約，進行分類存儲，依據可視場景的形成條目，保存到固定格式的數據文件中，并對文件的關鍵條目建立索引方法，在進行可視場景生成的時候，根據操作響應的請求，快速整理好數據區，并向監管軟件平臺前端進行推送顯示，最終形成綜合分析場景。這樣處理更利于對一些關聯性能數據指標的分析和統計，幫助尋找網絡結構優化策略。

（2）網絡故障提示機制及報警管理

在進行網絡監管應用過程中，對于發現的異常情況，需要及時提示并正確定位故障位置，并給出合理的處置建議。因此，如何將監管數據和故障提示報警機制相關聯，以避免誤報或者延誤的現象出現，便成為了網絡故障及報警策略的關鍵和難點。為了解決這一問題，引入了監管事件和觸發動作設計，并制定了對應的表達規則，形成監管模板庫。針對不同類型的網絡設備及不同的性能分析策略，將相應的模板庫進行關聯監管，形成故障報警決策流程，完成對網絡故障的提示及報警。

圖5 網絡拓撲圖

應用效果

根據實際監管應用場景，形成了某監控大廳的網絡系統概要拓撲圖，如圖5所示。通過對該網絡系統持續兩個多月的應用監管，并對監管數據進行了綜合分析，形成了網絡結構管理優化策略。

依托設計完成的監管平臺能夠及時監管到網絡鏈路的數據傳輸情況，對網絡上下行數據鏈路進行量化評估及圖形分析，針對受監管主機，能夠根據設定的報警策略，對磁盤、內存及CPU等具體硬件部件工作狀態進行提示并報警，有利于網絡系統整體運行的穩定性。同時，還可充分利用監管平臺的擴展性，根據其他設備節點的實際工作狀態監管需求，補充完善相應的監管事件及觸發器，建立合理的性能監管模板及策略，形成對應的監管網絡結構圖，結合網絡運行的承載量，新創建適當的監管場景，以及時分析判斷網絡整體運行狀態，為網絡的維護和管理提供具體數據和分析結果。

結束語

通過對飛行試驗實時局域網狀態監控技術研究，設計實現監管軟件平臺，完成對網絡性能的監管，有效的及時發現了網絡系統運行過程中的隱患，并定位網絡故障癥結。利用監管數據分析，便于對整體網絡環境進行策略性維護，優化網絡結構，最大程度發揮了飛行試驗實時局域網平臺的運行性能。由于軟件平臺可擴展性強，支持第三方插件集成，今后可根據接口設計規范進行功能的補充和擴展，結合更多的實際應用需求，對狀態監管技術進行提升研究，加強對監管軟件平臺的完善和改進。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.032