广域网主动监控系统的设计与实现.pdf

Telecom Power Technology 11 Aug.10,2023,Vol.40 No.15 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.15.004广域网主动监控系统的设计与实现任 伟（中国电信股份有限公司广东分公司，广东 广州 510081）摘要：当前我国广域网线路监控手段单一，专业网管难以满足对用户线路端到端监控的需要，因此提出了一种广域网线路的主动监控方法，通过简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）等网络诊断技术，达到对广域网线路端到端监控的目的。通过实践验证，证明了主动监控方法的有效性，为广域网线路主动监控系统的研究提供了一种方法和设计思路。关键词：广域网；主动监控；简单网络管理协议（SNMP）Design and Implementation of Active Monitoring System for Wide Area NetworksREN Wei(Guangdong Branch of China Telecom Co.,Ltd.,Guangzhou 510081,China)Abstract:At present,the monitoring methods for wide area network lines in China are single,and professional network management is unable to meet the needs of end-to-end monitoring of user lines.This article proposes an active monitoring method for wide area network lines,which achieves the goal of end-to-end monitoring of wide area network lines through network diagnostic technologies such as Simple Network Management Protocol(SNMP).Through practical verification,the effectiveness of active monitoring methods has been proven,providing a method and design idea for the research of active monitoring systems for wide area network lines.Keywords:wide area network;active monitoring;Simple Network Management Protocol(SNMP)0 引 言随着新一轮科技革命和产业变革的深入发展，数字化和智能化转型成为经济发展的新动力，如何利用数字化、智能化手段，保障组织业务连续性，即全天候不间断为用户提供服务，以高可靠、高可用的服务能力获取竞争优势，成为组织当前急需解决的问题。近些年，业内一直在研究广域网主动监控技术，但基本都是通过整合不同的网管系统，建设综合网管的形式来实现，随着网络和应用系统迅速增加，网络监控难度越来越大1。加上广域网分层分段的组网架构特点，依靠传统方式，效率低下，网络不可用的时间较长，难以达到对广域网线路故障精准监控、即时处理的要求2。通过分析简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）等网络诊断技术，对广域网主动监控技术进行了应用性研究，侧重对监控系统设计和网络连通性进行探讨，并提出了相应的解决建议。对希望利用主动监控技术保障业务连续性，进而提升竞争力的组织，具有一定的参考价值和借鉴意义。1 系统架构设计主控监控系统架构基于分层的思路，着重考虑了一个独立于专业网管应用环境的框架，使其既满足业务的需求又符合架构设计原则。系统采用软总线思想，用控制和管理组件来集成并管理所有业务功能组件，用 Java 消息服务（Java Message Server，JMS）总线来实现系统内的数据交互和消息通信。适配层按照接入方法的不同，用独立的适配器来实现和被管节点之间接口的对接，具有一定的独立性，也易于扩展。系统从层次上分成 4 部分，分别是业务展现层、应用服务层、消息分发层以及采集适配层。其中，业务展现层是应用实现的接口，包括各种人机界面对外接口；应用服务层是系统的功能业务实现层和数据处理中心，包括多个业务功能组件；消息分发层采用JMS 总线实现系统内数据交互和消息通信；采集适配层实现和被管节点（设备、网络、系统等）之间的连接，包括数据的采集或控制数据的下传。2 功能架构设计主动监控系统整体上包括监控管理、告警管理、性能管理、基础资源管理、拓扑管理、采集管理以及七层流量监控等功能模块。其中，监控管理对专线电路、IT 基础设备、IT 基础应用等进行监控采集和处理管 理；拓扑管理通过拓扑图动态、实时展示客户网络的收稿日期：2023-06-08作者简介：任 伟（1980），男，天津人，硕士研究生，高级工程师，主要从事 IT 项目管理工作。2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期Aug.10,2023,Vol.40 No.15Telecom Power Technology 12 运行状态；告警管理对接收到的各类告警数据进行处理、分析以及展现；性能管理对性能数据进行处理、分析以及展现；基础资源管理包括客户基本资料管 理、客户电路管理、监控配置管理等；七层流量监控对客户广域网络提供端到端的 1 7 层网络及应用监测和管理业务，包括724 h监控、报警、通知与处理、应用和流量统计分析、服务级别检测服务以及 IP 语音（Voice over Internet Protocol，VoIP）监测服务。3 系统配置与网络接入主动监控系统包括 2 台监控服务器、2 台数据库服务器、1 台 Web 服务器、1 台消息服务器以及 14台采集服务器。2 台数据库服务器做双机热备运行，数据存储磁盘阵列中，通过光纤连接到磁盘阵列。为保障数据安全，使用独立磁盘冗余阵列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID）模式实现数据冗余。主动监控系统部署于运营商内网，需要与互联网相互访问，网络之间通过防火墙保证安全性。主动监控系统接入电信运营商网络，通过专线接入客户路由器，用于打通主动监控系统与客户内网的通道。客户路由器需要开放 SNMP-Community 只读权限，根据电路代号、网际互连协议（Internet Protocol，IP）地址、装机地址等信息对线路质量实施主动监控。主动监控系统的网络接入示意如图 1 所示。4 功能实现监控数据的采集是网络监控系统能否发挥作用的基础。通过海量数据的采集，准确梳理各类设备和指标相互之间的联系，以设备、系统、网络等对象作为载体，聚合各类关联监控指标和告警，整体反映了各级监控对象的运行状况，使得 IT 运维人员可以直观查看各级监控对象的运行情况，所见即所得，快速定位和处理故障。4.1 网络流量监控SNMP 是一种基于客户端/服务器模型的协议，处于七层协议中的应用层，以传输层为基础，来实现某一特定功能3。SNMP 主要应用于报文传输，可以帮助管理员监控网络流量的情况。管理员不仅可以使用 SNMP 来获取网络设备的流量统计信息，判断网络流量是否正常，还可以使用 SNMP 协议来配置网络设备的流量控制策略，优化网络流量的使用。SNMP 包含管理者（Manager）、代理（Agent）以及管理信息库（Management Information Base，MIB）3 个主要组成部分。管理者是 SNMP 的客户端，用于获取和管理 MIB 中的信息，可以是网络管理系统（Network Management System，NMS）或其他网络设备，如防火墙和交换机等。代理是 SNMP 的服务器，负责管理网络设备并响应管理者的请求，通常驻留网络设备中，如路由器或交换机，并使用 MIB 中的信息响应管理者的请求。MIB 是一个虚拟的数据库，存储了网络设备的配置、状态以及性能信息，SNMP 通过发送请求和接收响应来获取与设置 MIB 中的信息。SNMP 协议使用用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）进行通信，使用端口号 161 和 162 传输请求和响应。SNMP 管理器通过发送 SNMP 请求到代理，代理接收到请求后，根据请求的内容响应相应的信息。SNMP 支持多种消息类型，如 Get-Request、Get-Next-Request 与 Get-Response，Set-Request 修改网络设备配置，Trap 接收网络事件警告。SNMP 可以帮助管理员监控网络设备的状态、性能和配置信息，从而实现对网络连通性的监控。SNMP 在网络连通性技术实现中的应用如下：一是网络设备监控，SNMP 可以帮助管理员监控网络设备的状态、性能以及配置信息，管理员可以使用 SNMP 来获取网络设备的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）利用率、内存使用情况、端口状态等信息，从而判断网络设备是否正常工作；二是网络流量监控，SNMP 可以帮助管理员监控网络流量的情况，管理员可以使用 SNMP 来获取网络设备的流量统计信息，分析不同网络应用在网络中的活动规律，从而判断网络电信运营商主动监控系统管理线路管理线路客户总部内网分支分支分支分支分支传输线路传输线路传输线路传输线路传输线路Web门户App图 1 主动监控系统的网络接入示意 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期 13 Telecom Power TechnologyAug.10,2023,Vol.40 No.15 任 伟：广域网主动监控系统的 设计与实现流量是否正常，还可以使用 SNMP 来配置网络设备的流量控制策略，从而优化网络流量的使用4；三是网络故障排除，SNMP 可以帮助管理员快速定位网络故障的原因，管理员可以使用 SNMP 来获取网络设备的错误日志、接口状态等信息，从而判断网络故障的原因，还可以使用 SNMP 来配置网络设备的故障恢复策略，从而快速恢复网络服务。4.2 网络性能监控PING 是一种因特网包探索器，用于测试网络连接量，可以测试网络上的主机是否可达，测量网络延迟和丢包率等性能指标。PING 协议是通过向目标主机发送控制报文协议（Internet Control Message Protocol，ICMP）回显请求消息，然后等待目标主机返回 ICMP 回显应答消息来测试网络连通性。如果目标主机能够收到并正确响应这些消息，那么就说明网络连通正常，否则就说明网络存在故障或者目标主机不可达，工作过程如下。首先，发送 ICMP 回显请求消息：PING 程序向目标主机发送一个 ICMP 回显请求消息，这个消息包含一个随机数和时间戳等信息。其次，等待 ICMP 回显应答消息：目标主机收到 ICMP 回显请求消息后，会返回一个 ICMP 回显应答消息，这个消息包含与请求消息相同的随机数和时间戳等信息。最后，计算网络延迟和丢包率：PING 程序通过比较发送和接收消息的时间戳来计算网络延迟，同时还可以统计发送和接收消息的数量来计算丢包率等性能指标在一些应用场景中，禁止使用 PING 测手段，这 时 需 要 使 用 地 址 解 析 协 议（Address Resolution Protocol，ARP）作为网络连通性检测手段。ARP 是一种用于解析网络层地址和物理层地址之间映射关系的协议。在局域网中，ARP 常用于获取目标主机的物理地址，以便进行数据包的传输。因此，通过监控ARP 的通信，可以实现网络连通性的监控和诊断。在局域网中，每个主机都有一个唯一的媒体存取控制位址（Media Access Control Address，MAC），用于标识其物理位置。而 IP 地址则用于标识主机在网络中的逻辑位置。当一个主机需要向另一个主机发送数据包时，需要知道目标主机的 MAC 地址。此时，ARP 就会发挥作用。ARP 协议是一个高效的数据链路层协议，其基本原理是通过广播方式查询目标主机的 MAC 地址。因为 ARP 进程必须先解析 IP 地址和 MAC 地址，所以当一个主机需要查询目标主机的 MAC 地址时，它会向网络中发送一个 ARP 请求包，该请求包包含了目标主机的 IP 地址5。当其他主机收到该请求包时，会检查其中的 IP 地址是否与自己的 IP 地址相同。如果相同，则会向请求主机发送一个 ARP 响应包，该响应包包含了自己的 MAC 地址。请求主机收到响应包后，就可以获取目标主机的 MAC 地址，从而进行数据包的传输。如果发现某个主机存在网络连通性问题，可以通过发送 ARP 请求包来获取目标主机的 MAC 地址。例如，可以使用工具如 arping 等来发送 ARP 请求包。arping 可以通过指定目标主机的 IP 地址来发送 ARP请求包，并显示目标主机的 MAC 地址。如果 arping无法获取到目标主机的 MAC 地址，则说明目标主机存在网络连通性问题。通过抓取 ARP 数据包、分析数据包、发送 ARP请求包等方式，可以实现对网络连通性的监控与诊断。如果发现某个主机存在网络连通性问题，则可以通过排查网络配置、检查网络设备等方式来解决问题。总之，ARP 协议是网络通信中不可或缺的一部分，通过对其进行监控和诊断，可以及时发现并解决网络连通性问题，保障网络的正常运行。5 系统测试开发工作完成后，要对系统进行压力测试，目的是提前发现并解决系统存在的性能与功能性问题。测试环境与生产环境一致，模拟每秒钟采集 1 000 条线路的监控指标，测试指标采集的稳定性。测试条件设置为每秒新增 20 个监控指标，50 s 后并发数到达1 000，间隔为 50 s，持续时间为 2 h。表 1 主动监控系统的压力测试结果测试指标平均响应时间/s服务器 CPU 实用率/%服务器内存使用率/%带宽/MB500 个监控指标并发操作1.035.2638.582600 个监控指标并发操作1.238.1840.372800 个监控指标并发操作1.641.5143.8221 000 个监控指标并发操作2.045.9447.912（下转第 17 页）2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期 17 Telecom Power TechnologyAug.10,2023,Vol.40 No.15 汪思冒，等：一种基于小波处理的 SVM 数据分类算法7 结 论文章提出了一种基于小波处理的 SVM 数据分类算法，通过小波进行预处理，去噪后信噪比与特征提取正确率明显改善。同时，加入主成分分析的 SVM算法也将分类正确率从 97.8%提高至 99%以上，分类时间控制在5 s内，满足对心电信号实时分类的要求。综上所述，该组合算法性能优越，是一种精度高、耗时短的综合性算法。参考文献：1 杜浩藩，丛 爽.基于 MATLAB 小波去噪方法的研究 J.计算机仿真，2003，20（7）：119-122.2 王明祥，宁宇蓉，王晋国.基于 Mallet 算法的一维离散小波变换的实现 J.西北大学学报（自然科学版），2006，36（3）：364-368.3 潘 泉，张 磊，孟晋丽.小波滤波方法及应用 M.北京：清华大学出版社，2005.4 薛泽春，李永刚，李连之，等.应用连续墨西哥帽小波变换对弱信号提取分析研究 J.重庆文理学院学报（自然科学版），2012，31（5）：79-82.5 封 筠，陈志军，李莉蓉.基于修正核函数的SVM 分类器研究 J.系统仿真学报，2006（3）：570-572.6 陆 兵，周国华，顾晓清，等.迁移拉普拉斯总间隔支持向量机 J.南京理工大学学报（自然科学版），2020，44（1）：40-48.7 王 冲，马晓楠，宋冬慧.SVM 一对一多分类的图像反馈检索优化 J.计算机工程与设计，2019，40（1）：173-178.8 王华忠，俞金寿.基于 PCA-SVM 的软测量建模方法与应用 J.自动化仪表，2004（2）：18-21.9 刘祝华.图像去噪方法的研究 D.南昌：江西师范大学，2005.10 唐 云，罗俊松.基于粗糙集和 BP 神经网络的文本分类研究 J.计算机仿真，2011，28（6）：219-222.模拟系统正常运行状态下高峰的监控采集测试，包括性能指标采集、告警指标采集、指标分析以及告警生成。测试结果如表 1 所示。每秒钟 1 000 个监控指标同时采集的情况下，每个监控指标采集、分析、告警的平均时间为 2 s，服务器 CPU 实用率为 45.94%，服务器内存使用率为47.91%。根据测试结果显示，每秒钟可以满足 1 000个监控指标的并发采集。根据系统的采集响应时间，可以将采集划分为 4 个级别：优秀指系统采集响应时间小于 2 s；良好指系统采集响应时间为 2 5 s；一般指系统采集响应时间为510 s；较差指系统采集响应时间大于10 s。经过压力测试，每户整体性能以及各功能模块的采集响应时间在 2 s 内，达到良好等级。6 结 论通过研究 SNMP 等网络诊断技术在广域网中的应用，分析 SNMP 等技术的工作机制，针对系统功能的实现进行了技术分析，给出了技术实现过程及方法。针对不同场景，提出了不同解决方案，并在测试环境下验证了线路性能指标、告警指标等监控指标采集的有效性。生产环境中，运维人员可利用主动监控系统，通过可视化热力图发现网络异常，查看历史告警，输出网络运行分析报告，全面提升组织的网络管理数字化水平。参考文献：1 曹建业，董永吉，冶晓隆，等.基于 NetFlow的流量统计系统的设计与实现 J.计算机工程与设计，2014，35（2）：381-385.2 李春平，王 东，张淑荣，等.基于 Netflow 的网络流量监测与分析 J.现代计算机，2022，28（4）：45-51.3 赵 罡.简单网络管理协议的 ARP 欺骗防御机制 J.武汉工程大学学报，2011，33（4）：103-105.4 蒋 冉.基于 SNMP 的光传输设备网元软件系统的设计与实现 D.上海：华东师范大学，2021.5 李 杰.IT 运维监控系统的设计与实现 D.成 都：电子科技大学，2020.（上接第 13 页）