航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂少華，李 康，林習(xí)良，趙乾宏，趙景磊

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 江陰 214400）

引言

航天試驗(yàn)通信網(wǎng)作為我國(guó)航天測(cè)控通信系統(tǒng)的骨干基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，在衛(wèi)星發(fā)射、載人航天等各項(xiàng)任務(wù)中長(zhǎng)期作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像和話音的綜合傳輸交換平臺(tái)，保證了各項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)的順利完成。隨著載人航天工程、探月工程、北斗衛(wèi)星等多項(xiàng)重大工程的相繼展開(kāi)，航天試驗(yàn)通信網(wǎng)正按照“信息傳輸寬帶化、通信頻段多樣化、衛(wèi)通設(shè)備綜合化、網(wǎng)絡(luò)管理自動(dòng)化”的建設(shè)要求不斷發(fā)展［1］，對(duì)于日益復(fù)雜的航天試驗(yàn)通信業(yè)務(wù)，以往分散的通信設(shè)備管理方法顯得越來(lái)越無(wú)能為力。因而有必要采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，構(gòu)建航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)航天試驗(yàn)通信系統(tǒng)的綜合管理，為通信管理人員提供通信系統(tǒng)的工作狀態(tài)、性能參數(shù)、故障告警等信息，完成對(duì)通信系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、資源調(diào)配和計(jì)劃管理，保障通信系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，提高通信系統(tǒng)運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量，為通信系統(tǒng)管理和決策提供支撐。

本文在分析航天試驗(yàn)通信網(wǎng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從功能、體系結(jié)構(gòu)、接口、管理對(duì)象和內(nèi)容四個(gè)方面設(shè)計(jì)航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)，從硬件平臺(tái)和軟件實(shí)現(xiàn)兩方面構(gòu)建綜合網(wǎng)管系統(tǒng)，總結(jié)軟件研發(fā)過(guò)程中使用的關(guān)鍵技術(shù)，測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)特性，為航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合管理提供了新方法。

1 航天試驗(yàn)通信網(wǎng)現(xiàn)狀分析

航天試驗(yàn)通信網(wǎng)包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)［1］、航天通信IP網(wǎng)［2］、指揮調(diào)度系統(tǒng)、信息安全系統(tǒng)、天地超短波通信系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)、幀中繼網(wǎng)、DDN（數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)）、光傳輸網(wǎng)、程控交換系統(tǒng)、時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)等各類(lèi)組成要素。部分組成要素通過(guò)自身的專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)及設(shè)備的管理維護(hù)，如衛(wèi)星通信系統(tǒng)的站內(nèi)監(jiān)控、航天通信IP網(wǎng)的U2000網(wǎng)管、指揮調(diào)度系統(tǒng)的操作維護(hù)終端等，這些通信網(wǎng)管主要由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立、互不連接、管理方式各異的專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管系統(tǒng)組成，按照專(zhuān)業(yè)設(shè)置，由研制單位采用不同技術(shù)和管理協(xié)議自行研制開(kāi)發(fā)，功能相對(duì)單一。還有部分組成要素目前尚未建立自己的專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管，如通信電源系統(tǒng)等。

航天試驗(yàn)通信網(wǎng)通信設(shè)備種類(lèi)繁多，即使是同一功能的設(shè)備也可能由多個(gè)供應(yīng)商提供，其網(wǎng)絡(luò)管理接口和協(xié)議版本未必相同。其中，既有通過(guò)定義信號(hào)線和專(zhuān)用通信協(xié)議進(jìn)行信息交互的并行監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理接口、串行管理接口，又有通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行信息交互的RJ45管理接口、CORBA（通用對(duì)象請(qǐng)求代理結(jié)構(gòu)）管理接口等；既有僅支持字符管理協(xié)議等簡(jiǎn)單網(wǎng)管協(xié)議的老設(shè)備，又有支持SNMP、CMIP、CORBA等先進(jìn)管理協(xié)議的新設(shè)備。例如，衛(wèi)通信道設(shè)備及通信電源等采用串行管理接口、幀中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)備及航天通信IP網(wǎng)交換機(jī)等采用RJ45管理接口、SDH（同步數(shù)字系列）光傳輸設(shè)備及WDM（波分復(fù)用）設(shè)備等采用CORBA接口。隨著航天試驗(yàn)通信網(wǎng)的日益發(fā)展，各種設(shè)備升級(jí)速度加快，新增設(shè)備不斷增多。航天試驗(yàn)通信網(wǎng)的異構(gòu)、多協(xié)議棧并存及動(dòng)態(tài)變化特征將日趨明顯。

2 航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能標(biāo)志著航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的能力和范圍，是該系統(tǒng)的核心要素。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO在ISO/IEC 7498-4文件中定義了網(wǎng)絡(luò)管理的五個(gè)基本功能域:故障管理、配置管理、性能管理、安全管理和帳務(wù)管理。參照該標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)航天試驗(yàn)通信網(wǎng)實(shí)際需要，給綜合網(wǎng)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)故障管理、配置管理、性能管理和安全管理四個(gè)基本功能域，同時(shí)設(shè)計(jì)任務(wù)管理、資源管理和事務(wù)管理三個(gè)擴(kuò)展功能域。每個(gè)功能域又細(xì)分為若干個(gè)功能項(xiàng)，功能設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

圖1 綜合網(wǎng)管系統(tǒng)功能Fig.1 Function of integrated network management system

2.2 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

體系結(jié)構(gòu)是規(guī)定航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)成員間相互關(guān)系的一套規(guī)則，是建立該系統(tǒng)的基礎(chǔ)。體系結(jié)構(gòu)一般包括基本模型、管理模式、軟件結(jié)構(gòu)、組織模型等內(nèi)容，不同的體系結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)不同的管理能力和管理效率，從而決定了系統(tǒng)的復(fù)雜度、靈活度和兼容性。本文基于TCP/IP參考模型的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）體系結(jié)構(gòu)［3］，采用“管理者-管理代理”基本模型［3］和分級(jí)分布式管理模式［4］，采取管理支持軟件、管理專(zhuān)用軟件和用戶接口軟件模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，依據(jù)專(zhuān)業(yè)類(lèi)別合理劃分管理域。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

2.3 接口設(shè)計(jì)

航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)需要與網(wǎng)絡(luò)中的被管設(shè)備打交道，各種被管數(shù)據(jù)的采集、管理控制命令的執(zhí)行最終都離不開(kāi)被管設(shè)備的配合，如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備的統(tǒng)一接入是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一［5］。

圖2 綜合網(wǎng)管系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of integrated network management system

本文針對(duì)不同接口的被管對(duì)象設(shè)計(jì)了有效的接入方式，主要有下述幾種類(lèi)型。

①交換機(jī)接入。通過(guò)LAN交換機(jī)完成對(duì)以太網(wǎng)RJ45接口的被管對(duì)象的接入，如IP網(wǎng)中的路由器、防火墻、交換機(jī)設(shè)備，MSS節(jié)點(diǎn)設(shè)備、視頻編解碼器、圖像編解碼器、話音終端等。

②終端服務(wù)器（NPORT）接入。對(duì)于RS232接口、RS485接口的被管對(duì)象，通過(guò)終端服務(wù)器屏蔽管理協(xié)議和接口差異，統(tǒng)一信息交互格式后，接入網(wǎng)管交換機(jī)。例如，RS232接口的通信電源監(jiān)控，RS485接口的PCM（脈沖編碼調(diào)制）管理監(jiān)控，機(jī)房溫濕度環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備等。

③開(kāi)放CORBA北向接口接入。對(duì)于CORBA接口的被管對(duì)象，如SDH光傳輸設(shè)備等，通過(guò)CORBA北向接口接入綜合網(wǎng)管系統(tǒng)。

④開(kāi)發(fā)代理軟件接入。對(duì)于不是通過(guò)SNMP進(jìn)行設(shè)備管理的操作終端，如時(shí)間統(tǒng)一子系統(tǒng)、數(shù)字指揮調(diào)度子系統(tǒng)等，通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)代理軟件接入網(wǎng)管系統(tǒng)。代理軟件與設(shè)備間通過(guò)專(zhuān)用協(xié)議通信，網(wǎng)管與代理軟件間通過(guò)SNMP協(xié)議通信。

2.4 管理對(duì)象和內(nèi)容

航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的管理對(duì)象和監(jiān)管參數(shù)繁多，依據(jù)航天試驗(yàn)需求及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程明確被管對(duì)象范圍及其主要監(jiān)控管理參數(shù)，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體要求。根據(jù)航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)建設(shè)目的，航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的管理對(duì)象應(yīng)覆蓋全部組成要素，管理內(nèi)容和監(jiān)管參數(shù)可以遵循相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，如《自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)要求第2部分:NMS系統(tǒng)管理功能》（YD/T 1767.2-2011）、《同步數(shù)字體系（SDH）傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)要求第三部分:網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）功能》（YD/T 1289.3-2003）、《通信電源集中監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（YD/T 5027-2005）等。

3 航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件平臺(tái)構(gòu)建

綜合網(wǎng)管系統(tǒng)每一級(jí)網(wǎng)管中心配置數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、管理專(zhuān)用服務(wù)器、客戶機(jī)、交換機(jī)、KVM（多電腦切換器）、打印機(jī)等，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)和管理各管理對(duì)象的監(jiān)控管理參數(shù)；管理專(zhuān)用服務(wù)器用于檢索設(shè)備信息、配置系統(tǒng)參數(shù)、分析數(shù)據(jù)、產(chǎn)生報(bào)警等；客戶機(jī)用于監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)大量的管理信息進(jìn)行過(guò)濾、統(tǒng)計(jì)、匯總和化簡(jiǎn)，提供準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔的用戶操作界面；KVM用于不同服務(wù)器之間的顯示切換。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

綜合網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟件包括管理支持軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)、管理專(zhuān)用軟件和用戶接口軟件。

管理支持軟件位于被管理對(duì)象端，包括管理信息庫(kù)（MIB）訪問(wèn)模塊和通信協(xié)議站。網(wǎng)管代理中的MIB包含反映設(shè)備配置和設(shè)備行為的信息，以及控制設(shè)備操作的參數(shù)。管理站的MIB中除保存本地節(jié)點(diǎn)專(zhuān)用的管理信息外，還保存著管理站控制的所有網(wǎng)管代理的有關(guān)信息。MIB訪問(wèn)模塊具有基本的文件管理功能，使得管理站或網(wǎng)管代理可以訪問(wèn)MIB，同時(shí)該模塊還能把本地的MIB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適用于網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)傳送的標(biāo)準(zhǔn)格式。通信協(xié)議站支持節(jié)點(diǎn)之間的通信。

數(shù)據(jù)庫(kù)位于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，主要用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)管理信息，便于對(duì)網(wǎng)管數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、修改等操作。根據(jù)系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)以下數(shù)據(jù)表:①資源數(shù)據(jù)表:用來(lái)存儲(chǔ)網(wǎng)管資源相關(guān)的信息，包括設(shè)備資源、電路資源等；②設(shè)備管理信息庫(kù)數(shù)據(jù)表:建立網(wǎng)管系統(tǒng)管理信息模型，將被管對(duì)象的各種管理信息庫(kù)數(shù)據(jù)化，提供各類(lèi)數(shù)據(jù)的高效檢索和存儲(chǔ)方式，主要包括MIB模塊定義表、MIB變量定義表、MIB變量值描述定義表、設(shè)備類(lèi)定義表、MIB與設(shè)備類(lèi)關(guān)聯(lián)表和MIB變量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表；③管理信息樹(shù)（MIT）數(shù)據(jù)表:定義被管對(duì)象的基本屬性和被管對(duì)象之間的相互關(guān)系，包括管理信息樹(shù)定義表和被管對(duì)象關(guān)系定義表；④任務(wù)管理數(shù)據(jù)表:主要實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)管系統(tǒng)任務(wù)管理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理；⑤網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)表:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒅饕ū还芫W(wǎng)絡(luò)的實(shí)際拓?fù)涿Q(chēng)、類(lèi)型等數(shù)據(jù)，實(shí)際拓?fù)浣M成數(shù)據(jù)以XML格式存儲(chǔ)，由網(wǎng)管程序自己解析；⑥故障管理數(shù)據(jù)表:主要定義與故障管理相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)表格，包括故障定義、故障日志表、故障過(guò)濾表和故障處理建議信息表等；⑦性能管理數(shù)據(jù)表:用來(lái)存儲(chǔ)性能類(lèi)型定義、采集器信息和采集數(shù)據(jù)，具體包括:性能類(lèi)型定義、性能采集器定義、性能數(shù)據(jù)等；⑧安全管理信息表:用于系統(tǒng)安全管理，包括用戶信息表、安全記錄信息表；⑨自身管理信息存儲(chǔ)表:用于網(wǎng)管平臺(tái)相關(guān)信息的存儲(chǔ)，包括本地網(wǎng)管信息表、系統(tǒng)平臺(tái)配置表和本地被管對(duì)象信息配置表等。

管理專(zhuān)用軟件位于管理專(zhuān)用服務(wù)器，支持多種網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用，包含大量的應(yīng)用元素。應(yīng)用元素實(shí)現(xiàn)初等的通用管理功能（如產(chǎn)生報(bào)警、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析等），可以被多個(gè)應(yīng)用程序調(diào)用，從而提高軟件的重用性。網(wǎng)絡(luò)管理軟件利用這種服務(wù)接口可以檢索設(shè)備信息，配置設(shè)備參數(shù)，管理支持軟件則通過(guò)服務(wù)接口通告設(shè)備事件。

用戶接口軟件位于客戶機(jī)，與管理專(zhuān)用軟件交互作用，監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)大量的管理信息進(jìn)行過(guò)濾、統(tǒng)計(jì)、匯總和化簡(jiǎn)，提供準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔的用戶操作界面。系統(tǒng)人機(jī)界面操作方便、簡(jiǎn)潔，采用聲、視等手段提示操作員，顯示操作窗口菜單化、圖形化，提示信息明了、準(zhǔn)確。

4 航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的特點(diǎn)

4.1 WPF界面呈現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用

WPF是展現(xiàn)層技術(shù)［6］，通過(guò)顯示卡的圖形處理單元呈現(xiàn)矢量圖，相比.Net的另一種界面呈現(xiàn)拓?fù)鋀inForm而言，WPF支持通過(guò)配置模板和綁定動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，將控件的邏輯層和表現(xiàn)層分離，更加注重畫(huà)面效果和用戶體驗(yàn)，該特性使程序員能夠在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中更加細(xì)致地分工。本文采用WPF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)管客戶機(jī)軟件的主體框架、拓?fù)涑尸F(xiàn)模塊，以及被管對(duì)象狀態(tài)屬性面板，支持漸變、閃爍等動(dòng)畫(huà)效果，以矢量圖顯示，在視圖根據(jù)界面動(dòng)態(tài)調(diào)整顯示布局時(shí)，圖形、字體不失真、無(wú)鋸齒，顯著提升了用戶體驗(yàn)。

4.2 XML配置文件與編程語(yǔ)言的結(jié)合使用

在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，很多具體的實(shí)現(xiàn)部分是存在共性的。以設(shè)備參數(shù)查詢界面為例，外觀輪廓一致，呈現(xiàn)形式主要以圖表為主，主要管理信息由被管設(shè)備類(lèi)參數(shù)編輯統(tǒng)一定義。這種情況下，盡管顯示風(fēng)格和操作方式一致，但遺留的問(wèn)題是:當(dāng)參數(shù)表中組成列較多時(shí)，列標(biāo)題和表中內(nèi)容由于空間不足無(wú)法直觀顯示，需要依賴(lài)滾動(dòng)條或壓縮部分顯示列。針對(duì)這種情況，本文引入XML技術(shù)［7］與編輯語(yǔ)言結(jié)合的思路，由XML文件定義用戶主要關(guān)注的設(shè)備參數(shù)和次要參數(shù)，以及參數(shù)的顯示順序，主要參數(shù)以表的形式顯示，次要參數(shù)以屬性組的形式顯示，當(dāng)選擇表中主要參數(shù)時(shí)，在屬性組中顯示相應(yīng)的次要參數(shù)。這種實(shí)現(xiàn)技術(shù)既保留了設(shè)備參數(shù)的完整性，又降低了網(wǎng)管人員的視覺(jué)壓力。

4.3 ZLIB壓縮編碼技術(shù)的應(yīng)用

航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管具備多級(jí)網(wǎng)管功能，各級(jí)之間由地面光纖網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)連接，存在傳輸距離遠(yuǎn)、中間節(jié)點(diǎn)多、帶寬資源有限等不利因素。因此，必須對(duì)網(wǎng)管中心間的數(shù)據(jù)流程進(jìn)行合理規(guī)劃，降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和穩(wěn)定性的要求?；谝陨戏治?，上下級(jí)網(wǎng)管在通信方面應(yīng)考慮的設(shè)計(jì)要素包括:網(wǎng)管間斷開(kāi)重連，重連后的數(shù)據(jù)同步，針對(duì)較大數(shù)據(jù)包的分包處理等。網(wǎng)管系統(tǒng)中需要同步的數(shù)據(jù)主要有網(wǎng)元管理信息、拓?fù)鋽?shù)據(jù)和活躍告警信息，由于數(shù)據(jù)同步一般數(shù)據(jù)量較大，本文在傳輸時(shí)除了分包處理，還采用了ZLIB壓縮編碼技術(shù)［8，9］，降低對(duì)電路帶寬資源的占用。

4.4 時(shí)間響應(yīng)特性良好

綜合網(wǎng)管系統(tǒng)所提供的設(shè)備信息量大、管理活動(dòng)多樣，由于各項(xiàng)網(wǎng)管活動(dòng)差異很大，時(shí)間響應(yīng)特性成為航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。測(cè)試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)特性被控制在可以接受的范圍內(nèi):網(wǎng)管系統(tǒng)中每個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作（如網(wǎng)管中心到網(wǎng)管工作站的一次變量查詢，或者從網(wǎng)管工作站向網(wǎng)管中心的一次告警），信息傳輸平均延遲時(shí)間小于2s，延遲時(shí)間在3s以內(nèi)的概率大于95%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了航天試驗(yàn)通信網(wǎng)現(xiàn)狀，從功能、體系結(jié)構(gòu)、接口、管理對(duì)象和內(nèi)容四個(gè)方面設(shè)計(jì)了航天試驗(yàn)通信網(wǎng)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)，采用WPF、XML、ZLIB壓縮編碼等關(guān)鍵技術(shù)，從硬件平臺(tái)和軟件實(shí)現(xiàn)兩方面構(gòu)建了綜合網(wǎng)管系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)特性滿足要求。

［1］晉東立，馬立波.我國(guó)航天科研試驗(yàn)衛(wèi)星通信網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃問(wèn)題研究［J］.衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2010，96:26～29.

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