IPv6環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)故障管理研究

任鳳雙，任 萍，李慈海

（吉林大學(xué)a.長(zhǎng)春電信工程設(shè)計(jì)院股份有限公司；b.管理學(xué)院；c.通信工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

IPv6環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)故障管理研究

任鳳雙a，任 萍b，李慈海c

（吉林大學(xué)a.長(zhǎng)春電信工程設(shè)計(jì)院股份有限公司；b.管理學(xué)院；c.通信工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

針對(duì)在IP（Internet Protocol）v6環(huán)境下可能發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)故障，通過(guò)分析IPv6MIB（Management Information Base），利用Java實(shí)現(xiàn)了一個(gè)IPv6環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)故障管理的模型，開(kāi)發(fā)出針對(duì)IPv6環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)故障管理軟件。研究結(jié)果表明，該故障管理系統(tǒng)在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中具有可行性和高效率，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下具有實(shí)用價(jià)值。

IPv6；簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議；管理信息庫(kù)；故障管理

0 引 言

當(dāng)前，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障管理的研究已經(jīng)非常成熟，但由于IP（Internet Protocol）v6的高速發(fā)展，如何處理IPv6環(huán)境下的設(shè)備故障，如何在IPv6的環(huán)境下傳送故障事件已成為不可忽視的問(wèn)題。同時(shí)，目前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商們對(duì)SNMP（Simple Network Management Protocol）、流量統(tǒng)計(jì)和ICMP（Internet Control Message Protocol）等協(xié)議都有自己支持的接口，而且并不統(tǒng)一，這就使網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)不得不針對(duì)不同的設(shè)備建立不同的故障管理系統(tǒng)。在目前的IPv4協(xié)議向IPv6協(xié)議過(guò)渡階段，有兩種IPv6網(wǎng)絡(luò)接入方式：雙棧網(wǎng)絡(luò)（Dual stack IPv6＆IPv4networks）和純IPv6網(wǎng)絡(luò)（IPv6only networks）。在國(guó)際和國(guó)內(nèi)大的IPv6試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中有部分區(qū)域是純IPv6網(wǎng)絡(luò)［1］，第二代中國(guó)教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)CERNET2是目前世界上規(guī)模最大的采用純IPv6技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)［2］，但由于其投資較大，并沒(méi)有在廠商中得到廣泛支持。而許多設(shè)備廠商都支持雙棧網(wǎng)絡(luò)，所以其應(yīng)用較廣，已成為主要的接入方式［3］。

筆者主要研究IPv6環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)故障管理，開(kāi)發(fā)出針對(duì)IPv6環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)故障管理功能軟件，并完成該軟件對(duì)IPv6網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臏y(cè)試。借鑒 UNIX API（Application Program Interface）［4，5］的編程思路，在FreeBSD（Berkeley Software Distribution）平臺(tái)上完成了該軟件，并在測(cè)試中取得了較好的效果［6］。由于網(wǎng)絡(luò)故障管理功能是NGN（Next Generation Network）大型網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟件的一個(gè)子功能，應(yīng)該充分考慮到對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的支持，因此在故障管理功能設(shè)計(jì)上充分考慮到了應(yīng)用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)時(shí)的效率情況，爭(zhēng)取做到發(fā)現(xiàn)故障的效率隨被服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大呈緩慢的線性下降。

1 網(wǎng)絡(luò)故障管理功能分析

1.1 IPv6環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)故障管理功能的特點(diǎn)

在IPv6環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)管理的功能和目的與IPv4環(huán)境下的基本相同，但在實(shí)現(xiàn)上有所不同，網(wǎng)絡(luò)管理軟件必須作出相應(yīng)的調(diào)整。IPv6使用鄰居發(fā)現(xiàn)代替了ARP（Address Resolution Protocol）功能，并且使用擴(kuò)展的ICMP協(xié)議運(yùn)載鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文，用Multicast［7］代替Broadcast，徹底取消了ARP表。在IPv4環(huán)境下，一些網(wǎng)絡(luò)管理軟件通過(guò)讀取ARP表發(fā)現(xiàn)同一個(gè)網(wǎng)段中活動(dòng)的主機(jī)，對(duì)于路由器來(lái)說(shuō)，通過(guò)查看路由器某個(gè)端口的ARP表，可以獲得與該端口相連的同一子網(wǎng)的活動(dòng)主機(jī)。在IPv6環(huán)境下，仍然可以通過(guò)查看路由器端口的IPv6NetToMediaTable表實(shí)現(xiàn)該功能［8，9］。

IPv6增加了很多可管理項(xiàng)目，包括TCP（Transmission Control Protocol）v6MIB、UDPv6MIB和ICMP（User Datagram Protocol）v6MIB，分別在 RFC（Request For Comments）2452，RFC 2454和 RFC 2466中定義。作為支持IPv6的Manager，需要提供兩方面的支持：能對(duì)IPv6設(shè)備、主機(jī)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)IPv4環(huán)境中的一切管理功能，即配置管理、故障管理、計(jì)費(fèi)管理、性能管理和安全管理；一切SNMP PDU（Protocol Data Unit）均通過(guò)IPv6網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，可以利用IPv6的安全特性，也可以使用SNMPv3的安全特性。

1）影響故障管理功能的IPv6新增MIB及其具體實(shí)現(xiàn)作用。故障管理功能數(shù)據(jù)相關(guān)的管理對(duì)象如表1所示。

表1 與故障管理相關(guān)的MIB對(duì)象Tab.1 Fault-management-related MIB objects

在發(fā)現(xiàn)接口故障過(guò)程中，由管理器定期向各設(shè)備（路由器、交換機(jī)、服務(wù)器、工作站、網(wǎng)關(guān)、個(gè)人計(jì)算機(jī)）發(fā)送包含GetRequest-PDU的SNMP報(bào)文，獲取各設(shè)備MIB信息庫(kù)IPv6MIBObjects組中的兩個(gè)對(duì)象：IPv6IfAdminStatus和IPv6IfOperStatus。將這兩個(gè)對(duì)象聯(lián)合起來(lái)使用，就可以確定接口的當(dāng)前狀態(tài)。

2）獲取與IPv6故障功能數(shù)據(jù)相關(guān)的MIB對(duì)象處理流程。管理站通過(guò)查詢能從管理代理中訪問(wèn)到與故障管理有關(guān)的管理對(duì)象，并能對(duì)某些對(duì)象進(jìn)行修改，從而維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

1.2 故障管理系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

故障管理是檢測(cè)和確定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中異常操作需要的一組設(shè)施，負(fù)責(zé)完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中故障的發(fā)現(xiàn)、定位和修復(fù)的功能。故障的日志記錄則提供了診斷和分析的依據(jù)。系統(tǒng)通過(guò)收集與故障檢測(cè)目標(biāo)相關(guān)的數(shù)據(jù)，再將收集到的數(shù)據(jù)與所設(shè)置的閾值比較，從而檢測(cè)出網(wǎng)絡(luò)瓶頸、擁塞、網(wǎng)絡(luò)病毒等網(wǎng)絡(luò)故障。

將故障管理系統(tǒng)分為4個(gè)模塊（見(jiàn)圖1）：故障的告警模塊；網(wǎng)絡(luò)連通性故障發(fā)現(xiàn)模塊；接口故障發(fā)現(xiàn)模塊；故障的分析和隔離模塊。故障的告警模塊提出了IPv6環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)故障管理中告警信息的處理需求，報(bào)告網(wǎng)絡(luò)管理員網(wǎng)絡(luò)故障所在位置；網(wǎng)絡(luò)連通性模塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連通狀態(tài)進(jìn)行管理，如果網(wǎng)絡(luò)某處連通失敗，向報(bào)警模塊發(fā)送消息，以便報(bào)警模塊向管理員發(fā)出報(bào)警信息；接口故障發(fā)現(xiàn)模塊對(duì)與其相關(guān)的IPv6MIB節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)進(jìn)行研究，監(jiān)測(cè)管理路由器端口的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如連通端口出現(xiàn)故障（端口處在down狀態(tài)），向報(bào)警模塊發(fā)送消息。故障的分析和隔離模塊對(duì)可能發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行分析，其目的是迅速找到網(wǎng)絡(luò)故障的確切原因，對(duì)可能發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行分析，為排除故障指明方向。

圖1 故障管理系統(tǒng)Fig.1 Fault management system

2 故障管理系統(tǒng)的測(cè)試

目前的故障管理只是建立在低層次水平上，對(duì)失效事件的自動(dòng)推理過(guò)程不夠完善，從而不能迅速定位故障點(diǎn)。在IPv6這種超大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)管理上，事件“風(fēng)暴”問(wèn)題將會(huì)更加突出。事件關(guān)聯(lián)技術(shù)可以對(duì)數(shù)量巨大的網(wǎng)絡(luò)事件進(jìn)行過(guò)濾，并建立其中的關(guān)聯(lián)，幫助網(wǎng)絡(luò)管理員有效地過(guò)濾信息、智能化地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)故障診斷、快速確定問(wèn)題發(fā)生的根源。

為了完善IPv6環(huán)境下故障管理系統(tǒng)的功能，需要建立一個(gè)適當(dāng)?shù)腎Pv6網(wǎng)絡(luò)，并選擇合適的操作系統(tǒng)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有支持IPv6的操作系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)環(huán)境的考察，設(shè)計(jì)出網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并在該實(shí)驗(yàn)環(huán)境基礎(chǔ)上對(duì)已實(shí)現(xiàn)的故障管理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

2.1 測(cè)試環(huán)境

NGN話務(wù)主干網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如圖2所示。

圖2 NGN話務(wù)主干網(wǎng)絡(luò)環(huán)境Fig.2 NGN network main frame

該IPv6網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境主要由一臺(tái)PSTN交換機(jī)，一臺(tái)7515中繼網(wǎng)關(guān)和兩臺(tái)路由器構(gòu)成。以上設(shè)備均采用IPv6協(xié)議棧，其中兩臺(tái)IPv6路由器是PC通過(guò)IPv6模擬器虛擬的路由器，分別裝載FreeBSD和Linux操作系統(tǒng)［10］，運(yùn)行Zebra-0.93b路由軟件。具體配置僅以7515中繼網(wǎng)關(guān)為例，各端口配置如下：

2.2 SNMPv1通信建立實(shí)例

由于故障管理系統(tǒng)與中繼網(wǎng)關(guān)綁定，為了能與其通信，需使用指令行接口CLI（Command Line Interface）進(jìn)行通信建立，執(zhí)行以下SNMPv1配置步驟：

1）定義SNMPv1公共體；

2）定義SNMPv1陷阱主機(jī)。

下面通過(guò)實(shí)例說(shuō)明通信建立的方法，以及關(guān)于SNMP通信建立指令的詳情。

實(shí)例1 鍵入如下指令，定義SNMPv1公共體：

define snmp community〈community-name〉｛r｜rw｝〈ipaddress〉

2.3 SNMPv3通信建立實(shí)例

同樣，基于SNMPv3的通信機(jī)制，為了達(dá)到能與中繼網(wǎng)關(guān)通信，需使用指令行接口進(jìn)行通信建立，執(zhí)行如下SNMPv3配置步驟：

1）創(chuàng)建SNMPv3用戶；

2）創(chuàng)建SNMPv3查看；

3）創(chuàng)建SNMPv3入口；

4）創(chuàng)建SNMPv3用戶和接入連接。

以下實(shí)例說(shuō)明通信建立的方法。

實(shí)例1 鍵入如下指令以創(chuàng)建SNMPv3用戶：

create snmp usm user snmpuser md5des snmpauth snmppriv

實(shí)例2 鍵入如下指令以創(chuàng)建SNMPv3View：

create snmp vacm view all 1 0x80included

實(shí)例3 鍵入如下指令以創(chuàng)建SNMPv3認(rèn)證：

create snmp vacm access public 3authpriv all all all

實(shí)例4 鍵入如下指令以創(chuàng)建SNMPv3用戶和SNMPv3接入連接：

create snmp vacm group 3snmpuser public

2.4 故障管理測(cè)試方法

故障管理過(guò)程中需要對(duì)影響網(wǎng)絡(luò)性能的每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置閾值，對(duì)一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或主機(jī)來(lái)說(shuō)可能設(shè)置的閾值包括處理器使用率、警告持續(xù)時(shí)間等。對(duì)一個(gè)連接則可以選擇對(duì)出錯(cuò)率、平均利用率和總吞吐量等項(xiàng)設(shè)置閾值，也可以針對(duì)不同的時(shí)間段和性能指標(biāo)進(jìn)行閾值設(shè)置。通過(guò)設(shè)置閾值和閾值檢查可以在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)性能問(wèn)題前及時(shí)向管理人員告警。一旦閾值被設(shè)定，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到一個(gè)特定的出錯(cuò)率或使用率時(shí)，網(wǎng)元就會(huì)被觸發(fā)向故障管理系統(tǒng)發(fā)送告警。例如：當(dāng)一個(gè)端口的丟棄包數(shù)很多，達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，或輸出隊(duì)列中的包數(shù)超過(guò)一定數(shù)量時(shí)，則被認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)生故障，因此，設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝担缓笸ㄟ^(guò)IPv6模擬器將一個(gè)網(wǎng)元設(shè)備不同接口上相關(guān)的值設(shè)置為超出的閾值，以此觸發(fā)告警信息，根據(jù)故障管理系統(tǒng)報(bào)出的告警定位信息，測(cè)試告警是否有效及故障定位是否準(zhǔn)確，基于測(cè)試模擬的告警給出本故障管理系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。

2.5 故障管理的測(cè)試結(jié)果顯示

當(dāng)故障管理代理監(jiān)測(cè)到某一節(jié)點(diǎn)或一網(wǎng)段發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)采用顏色區(qū)分告警嚴(yán)重性狀態(tài)（見(jiàn)表2）。

表2 嚴(yán)重性告警彩色編碼Tab.2 Serious warning color coding

不同的網(wǎng)絡(luò)故障，在告警表中的內(nèi)容不同。當(dāng)服務(wù)器程序發(fā)現(xiàn)某種故障情況時(shí)，將該故障對(duì)應(yīng)的代碼及其檢測(cè)到的故障節(jié)點(diǎn)生成的故障事件顯示在用戶界面上。

由于所管理的是大型網(wǎng)絡(luò)，每天產(chǎn)生的故障信息量過(guò)大，所以每天將告警數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)的做法無(wú)論是效率，還是硬件方面都不太現(xiàn)實(shí)。因此，該系統(tǒng)將每天的告警信息以文件的形式存入指定的文件夾，每周把文件中的告警信息批量存入SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣既解決了每天存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的頻繁操作，又為用戶對(duì)告警信息的查閱和比較提供了保障，客戶端主界面如圖3所示。

圖3 故障管理系統(tǒng)主界面Fig.3 Layout of fault management system

故障事件在數(shù)據(jù)內(nèi)容的顯示上具有層次性，這主要表現(xiàn)在：如果某臺(tái)路由交換設(shè)備內(nèi)的某個(gè)接口發(fā)生故障，用戶可以首先在客戶端主界面上看到該路由交換設(shè)備圖標(biāo)的故障顯示信息，然后可以再選擇該記錄，在右鍵屬性中選擇“DETAIL”，即能看到具體發(fā)生故障的接口等相關(guān)信息（見(jiàn)圖4，圖5）。如果某一子網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備發(fā)生了故障，用戶同樣可以首先在客戶端上看到該子網(wǎng)圖標(biāo)的故障顯示，然后可以再進(jìn)一步通過(guò)選擇記錄，查看具體發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)信息，發(fā)布告警網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)名，告警類型，告警嚴(yán)重等級(jí)，接收到告警的日期和時(shí)間，發(fā)布告警的硬件，事件類型，其中事件類型分為如下5種：

1）通信告警類型：此類告警與端對(duì)端傳送信息程序或過(guò)程有關(guān)；

2）服務(wù)質(zhì)量告警類型：此類告警表示服務(wù)質(zhì)量的下降；

3）處理錯(cuò)誤告警類型：此類告警表示軟件或處理錯(cuò)誤；

4）設(shè)備告警類型：此類告警表示設(shè)備故障；

5）環(huán)境告警類型：此類告警與設(shè)備所在密閉環(huán)境有關(guān)。

圖4 以太網(wǎng)口狀態(tài)改變事件詳細(xì)信息Fig.4 Detail change of the ethernet interfaces

圖5 時(shí)鐘狀態(tài)改變事件詳細(xì)信息Fig.5 Detail change of clock state

以上告警信息均由IPv6模擬器模擬出，并適時(shí)給出清除告警。除了以上信息外，告警詳細(xì)信息窗口還會(huì)通過(guò)故障分析方法，對(duì)獲取的告警信息記錄、分析、判斷，給出告警發(fā)生可能的原因（Content），對(duì)于已知的故障原因使用此參數(shù)，則系統(tǒng)會(huì)告知一個(gè)或多個(gè)解決方案，讓用戶更加直觀地理解所發(fā)生的故障，并采取系統(tǒng)提供的相關(guān)解決方法處理出現(xiàn)的故障，這對(duì)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)故障的管理有著非常積極的作用。

下面對(duì)以上幾種告警類型包含的典型告警事件分別作簡(jiǎn)要介紹（見(jiàn)表3～表8）。

表3 時(shí)鐘狀態(tài)改變告警Tab.3 Clock state change alarm

表5 主用板狀態(tài)改變Tab.5 Main board state change alarm

表7 軟件升級(jí)失敗告警Tab.7 Software upgrade failure alarm

表4 E1／T1狀態(tài)改變告警Tab.4 E1／T1state change alarm

表6 風(fēng)扇狀態(tài)改變告警Tab.6 Fan state change alarm

表8 系統(tǒng)配置改變告警Tab.8 Configuration change alarm

3 結(jié) 語(yǔ)

筆者將IPv4網(wǎng)絡(luò)下的故障管理系統(tǒng)的架構(gòu)和設(shè)計(jì)應(yīng)用到了IPv6環(huán)境下，對(duì)于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過(guò)對(duì)新增MIB的分析，很好地做到了對(duì)IPv6網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)的選擇性讀取，并對(duì)設(shè)備發(fā)送的trap、采集的輪詢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有效地對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行管理。此外，針對(duì)網(wǎng)管系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的欠缺，設(shè)計(jì)了IPv6網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的模擬，不僅可以模擬各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并可以模擬大型的IPv6網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)故障管理軟件的開(kāi)發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為以后的研究工作提供了便利之處。

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Research of Network Fault Management in IPv6Network

REN Feng-shuanga，REN Pingb，LI Ci-haic
（a.Changchun Telecom Engineering Design Institute Company Limited；b.College of Management；c.College of Communication Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China）

Based on the fault which may be occurred in the IP（Internet Protocol）v6network，a module of the architecture with Java through analyzing the IPv6MIB（Management Information Base）is accomplished，and the network management system which can be used in the IPv6network is developed.The architecture is effective and workable through comparing the accomplished module with current fault management on the cost of network communication.

internet protocol v6（IPv6）；simple network management protocol（SNMP）；management information base（MIB）；fault management

TP393.07

A

2011-11-14

任鳳雙（1955—），男，長(zhǎng)春人，吉林大學(xué)長(zhǎng)春電信設(shè)計(jì)院高級(jí)工程師，主要從事電信工程設(shè)計(jì)研究，（Tel）86-13843169000（E-mail）jlrfs＠sohu.com；通訊作者：任萍（1983—），女，長(zhǎng)春人，吉林大學(xué)博士研究生，主要從事通信工程與設(shè)計(jì)研究，（Tel）86-13511003352（E-mail）rpdxx＠163.com。

1671-5896（2012）01-0088-07

（責(zé)任編輯：何桂華）