基于Python的交換機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

顏 偉，張 超

（曲阜師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心，山東 曲阜 273165）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用的飛速發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，高校校園網(wǎng)作為多種網(wǎng)絡(luò)接入的先行試點(diǎn)，為數(shù)字化校園、信息化系統(tǒng)建設(shè)提供了契機(jī)，在一定程度上引領(lǐng)了網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，提升自身競爭力和對外形象。這對校園網(wǎng)的通暢運(yùn)行也提出了更高的要求。一旦出現(xiàn)斷網(wǎng)情況，及時(shí)定位故障點(diǎn)和故障類型對于恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)暢通尤其重要。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維方式多為人工處置方式，判斷網(wǎng)絡(luò)設(shè)備問題多是依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，存在工作效率低，不能準(zhǔn)確定位故障，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)間長等現(xiàn)象。隨著校園網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展、建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維方式已經(jīng)無法滿足運(yùn)維的要求，亟需一款通用的、可查看末端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、精確定位網(wǎng)絡(luò)故障并可遠(yuǎn)程快速判斷故障原因的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行支撐。而將 Python 設(shè)計(jì)語言應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維之中可以提高運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本。

1 關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷即要求系統(tǒng)要具有跨平臺特征、易實(shí)現(xiàn)、開發(fā)效率高和簡單部署，因此選擇了目前在最流行的Python語言作為實(shí)現(xiàn)工具。同時(shí)為了避免頻繁登錄交換機(jī)影響設(shè)備運(yùn)行，通過SNMP協(xié)議來獲取交換機(jī)的各種參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.1 Python

Python作為使用率上升最快的面向?qū)ο缶幊陶Z言，具有簡單易用、開發(fā)效率高、兼容性好、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，并且擁有功能強(qiáng)大、豐富的庫資源，廣泛應(yīng)用于人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新型領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用成熟穩(wěn)定的Python 2.7版本實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端程序代碼。

1.2 web.py

為了便于部署和方便用戶使用，使用開源項(xiàng)目web.py作為系統(tǒng)的開發(fā)框架。

web.py 內(nèi)置了web服務(wù)器，相當(dāng)?shù)男∏?、簡單，歸屬于輕量級的web框架，但功能強(qiáng)大，而且使用起來簡單、直接。

1.3 SNMP

SNMP，簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol），是已經(jīng)投入使用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它屬于 TCP/IP 協(xié)議中的應(yīng)用層協(xié)議。SNMP 主要用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理。由于 SNMP 協(xié)議簡單可靠，受到了眾多廠商的歡迎，成為了目前最為廣泛的網(wǎng)管協(xié)議。

SNMP協(xié)議，一般基于UDP傳輸，目前版本是v3版本，提供了認(rèn)證和加密安全機(jī)制。SNMP一般主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、Agent和管理組件構(gòu)成，其中Agent組件是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和管理組件的中間件，是駐留在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的程序進(jìn)程，它收集設(shè)備的管理信息并與管理組件交互。SNMP對外提供了三種用于控制MIB對象的基本操作命令,它們是：Get、Set 和 Trap,可以查詢設(shè)備信息、修改設(shè)備的參數(shù)值、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障、生成報(bào)告等。本系統(tǒng)在Ubuntu Server系統(tǒng)上使用Python的Pysnmp模塊部署了相應(yīng)服務(wù)。

1.4 MIB

MIB庫，全稱Management Information Base，相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫。存儲(chǔ)了被監(jiān)控設(shè)備的各種參數(shù)和狀態(tài)信息等。每個(gè)被管理的設(shè)備都需要有MIB庫的存在，我們才能對設(shè)備進(jìn)行管理。

MIB庫中定義了可訪問的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其屬性，通過OID（Object IDentifier，對象標(biāo)識符，唯一標(biāo)識一個(gè)MIB對象），Object Identifer來區(qū)別。MIB采用分級樹形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類似于DNS，以下是結(jié)構(gòu)圖：

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的各個(gè)相關(guān)配置、數(shù)據(jù)等描述，均由OID來標(biāo)識。通過從MIB樹的根部進(jìn)行遍歷，可以獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所管理的對象的值或描述。如圖1所示，1.3.6.1.2.1就代表iso.org.dod.internet.mgmt.mib。

圖1 MIB組織結(jié)構(gòu)圖

1.5 設(shè)計(jì)思路與系統(tǒng)架構(gòu)

實(shí)際工作中，當(dāng)某個(gè)樓宇的用戶提交報(bào)修請求時(shí)，一般先登錄該樓宇交換機(jī)，然后查看交換機(jī)上聯(lián)端口是否正常，再根據(jù)用戶的房間號查找該用戶對應(yīng)的端口，并檢查端口的各種狀態(tài)信息，這個(gè)過程通過命令行實(shí)現(xiàn)，比較費(fèi)時(shí)，結(jié)果展示不友好，工作效率低。

因此從實(shí)際工作出發(fā)，為了提高工作效率和減少故障定位時(shí)間，當(dāng)某個(gè)樓宇的用戶提出報(bào)修請求時(shí)，工作人員無論在何時(shí)何地都可以直接通過瀏覽器打開系統(tǒng)首頁，選擇相應(yīng)的樓宇，實(shí)時(shí)獲取該樓宇交換機(jī)的所有端口的詳細(xì)狀態(tài)信息，并以不同的顏色對端口狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)識，同時(shí)把整個(gè)交換機(jī)的所有端口狀態(tài)都在一個(gè)頁面中展示，使得結(jié)果一目了然，信息展示清晰直觀，端口狀態(tài)對比明顯，極大的提高了故障處理效率。系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

本系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，使用web.py作為框架。前端使用html5+CSS實(shí)現(xiàn)頁面效果和布局控制，后端使用Python+SNMP協(xié)議通過交換機(jī)管理IP登錄相應(yīng)的交換機(jī)，實(shí)時(shí)獲取交換機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間、工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，生成靜態(tài)頁面推送至前端發(fā)布，用戶通過任意聯(lián)網(wǎng)終端使用瀏覽器即可方便實(shí)時(shí)查看所選交換機(jī)設(shè)備及端口工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.6 重要數(shù)據(jù)與關(guān)鍵代碼

對交換機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，主要是監(jiān)控交換機(jī)的端口流量、狀態(tài)、交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)間、CPU使用率、內(nèi)存狀態(tài)等，關(guān)鍵是找出與之相對應(yīng)的OID。OID的獲取比較容易，一般設(shè)備廠商都有相應(yīng)的文件提供下載。通過下載的MIB文件，查找出需要的狀態(tài)對應(yīng)的OID，然后讀取設(shè)備的OID數(shù)據(jù)即可。本系統(tǒng)中訪問的設(shè)備都是銳捷的交換機(jī)，對應(yīng)的OID表如表1所示。

而另外一些參數(shù)MIB中沒有直接對應(yīng)的OID數(shù)據(jù)，例如端口5分鐘內(nèi)吞吐量等，為了獲取這部分?jǐn)?shù)據(jù)，我們使用Python的Telnetlib模塊，通過自動(dòng)化腳本遠(yuǎn)程訪問交換機(jī)，來獲取這些數(shù)據(jù)。

表1 系統(tǒng)相關(guān)的OID列表

因篇幅原因，僅貼出部分代碼。

2 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境及結(jié)果展示

本系統(tǒng)基于Python2.7.12和Pysnmp4.2.5實(shí)現(xiàn)，使用web.py3.0作為web框架，硬件配置為：

CPU：Intel Core i5-6600 CPU @ 3.9GH

RAM：11945MiB

軟件環(huán)境為：

操作系統(tǒng)：Ubuntu 16.04 xenial或windows2008 R2

內(nèi)核：x86_64 Linux 4.4.0-154-generic

可以看出，本系統(tǒng)對軟硬件配置要求低，普通計(jì)算機(jī)即可承擔(dān)。系統(tǒng)使用簡單，不需要對系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行任何配置，只需在后臺通過一條命令即可啟動(dòng)服務(wù)器端程序并綁定端口號，啟動(dòng)后客戶端即可通過瀏覽器進(jìn)行訪問。系統(tǒng)的主頁面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主界面

首先通過以下界面提交樓宇交換機(jī)信息，如圖5所示。

圖5 客戶端選擇樓宇

提交之后系統(tǒng)實(shí)時(shí)反應(yīng)，以靜態(tài)網(wǎng)頁的形式展示當(dāng)前交換機(jī)的各種狀態(tài)信息。如圖6所示。

以筆者本單位的所有樓宇交換機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象對本系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，本系統(tǒng)都能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)獲取到對應(yīng)交換機(jī)的狀態(tài)信息，大大縮短了用戶故障的處理時(shí)間，提高了工作效率，同時(shí)根據(jù)各個(gè)端口的數(shù)據(jù)比對，對流量過大的端口上用戶及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，降低了設(shè)備的故障率。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行界面

3 對比與反思

目前用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)監(jiān)控的軟件比較多，多以通用軟件的形式出現(xiàn)，而且大多配置復(fù)雜，跨平臺性和可移植性差，無法滿足用戶的個(gè)性化需求。而有的系統(tǒng)比較龐大，需要單獨(dú)占用一臺硬件設(shè)備作為系統(tǒng)運(yùn)行的平臺，造成資源浪費(fèi)。比如MRTG(Multi Router Traffic Grapher,MRTG)，主要監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)鏈路流量負(fù)載，也就是只對交換機(jī)的上行端口流量進(jìn)行監(jiān)控，而對于其他下行狀態(tài)等參數(shù)卻無法展示給用戶。而Cacti系統(tǒng)雖然可以監(jiān)控多種設(shè)備，但是系統(tǒng)龐大，安裝、配置復(fù)雜。

相當(dāng)于其他功能類似的監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)也是基于snmp協(xié)議實(shí)現(xiàn)對交換機(jī)的訪問，本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)簡單，文件結(jié)構(gòu)清晰，軟件小巧，目前整個(gè)系統(tǒng)大約3MB，非常方便進(jìn)行系統(tǒng)部署和遷移。系統(tǒng)基于由python和web.py實(shí)現(xiàn)，所以具有良好的跨平臺特征，在windows和linux下測試都獲得成功。同時(shí)因?yàn)橄到y(tǒng)小巧，對平臺的要求不高，不需要單獨(dú)占用整臺服務(wù)器資源，節(jié)省了資金費(fèi)用。本系統(tǒng)監(jiān)控整個(gè)交換機(jī)的所有上行端口和下行端口狀態(tài)和參數(shù)，且同頁顯示。更重要的是，本系統(tǒng)立足于實(shí)際，需求從日常的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作中提出，目的是解決日常工作中的交換機(jī)故障，能夠滿足個(gè)性化需求，屬于定制開發(fā)，更能解決實(shí)際工作中遇到的問題。

4 總結(jié)與展望

本系統(tǒng)通過Python與SNMP的完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)獲取特定樓宇交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)間、資源使用率、端口狀態(tài)、端口流量以及端口當(dāng)前下聯(lián)設(shè)備的MAC地址，展示效果清晰直觀，用戶使用簡單方便。當(dāng)有校園網(wǎng)用戶反映網(wǎng)絡(luò)問題時(shí)，管理人員根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行精確定位和類型判斷，大大減輕了管理人員的工作量，縮短了故障定位時(shí)間，提高了定位精度和故障處理效率，提升了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)形象、管理效率和服務(wù)水平，也極大改善了用戶的上網(wǎng)體驗(yàn)。通過規(guī)范化、流程化和標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)，極大地提高了故障應(yīng)急處理能力。

為了擴(kuò)展系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)對交換機(jī)的更加高效、方便管理，下一步將增加交換機(jī)端口的遠(yuǎn)程管理功能，同時(shí)利用python強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理功能，持續(xù)獲取所管理交換機(jī)的工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對交換機(jī)在不同時(shí)間段內(nèi)的工作狀態(tài)和性能進(jìn)行跟蹤，從而支持網(wǎng)絡(luò)管理人員校園網(wǎng)規(guī)劃方案和帶寬管理策略，最大限度發(fā)揮交換機(jī)的性能，提高校園網(wǎng)的使用效率。同時(shí)增加端口重啟功能和交換機(jī)端口流量異常增加預(yù)警功能，配置SMTP服務(wù)器的郵件提醒和SMS短信平臺監(jiān)測提醒服務(wù)，當(dāng)交換機(jī)等末端設(shè)備掉電時(shí)，管理人員會(huì)收到郵件或短信通知，預(yù)判問題，爭取在終端用戶無感知的情況下盡早解決問題，更好的做好服務(wù)工作，保障校園網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)暢通，為數(shù)字化校園、智慧校園、教學(xué)信息化做好支撐工作。