基于SNMP的有線通信網(wǎng)絡(luò)故障管理系統(tǒng)研究

摘要：傳統(tǒng)有線通信網(wǎng)絡(luò)故障管理系統(tǒng)存在高延時(shí)、數(shù)據(jù)交互效率低等問題，文章基于SNMP協(xié)議，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種高效的有線通信網(wǎng)絡(luò)故障管理系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，文章引入了嵌入式微處理器技術(shù)以提升通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性；將設(shè)計(jì)成果與NetFlow、Syslog協(xié)議進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估其在數(shù)據(jù)收集、故障檢測(cè)、響應(yīng)速度、系統(tǒng)負(fù)載等方面的性能。研究結(jié)果顯示，基于SNMP協(xié)議與嵌入式微處理器的應(yīng)用，能夠有效提升故障管理效率，滿足管理需求。

關(guān)鍵詞：SNMP；有線通信；網(wǎng)絡(luò)故障；管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP38 "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，用網(wǎng)情況趨于復(fù)雜，傳統(tǒng)的手動(dòng)監(jiān)控與處理的方式已無法滿足高效、精細(xì)化管理的需求。簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP）作為一種標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，憑借其輕量級(jí)、高擴(kuò)展性和廣泛兼容性，成為網(wǎng)絡(luò)故障管理的重要手段?；诖?，本文構(gòu)建了一套基于SNMP的有線通信網(wǎng)絡(luò)故障管理系統(tǒng)，以提升有線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定性與管理效率。

1 有線通信網(wǎng)絡(luò)故障管理系統(tǒng)問題及SNMP應(yīng)用分析

1.1 有線網(wǎng)絡(luò)通信故障管理系統(tǒng)問題

在傳統(tǒng)的有線通信網(wǎng)絡(luò)中，故障檢測(cè)通常依賴于人工或半自動(dòng)化手段，在面對(duì)大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)時(shí)，檢測(cè)速度和準(zhǔn)確性難以滿足實(shí)際需求，且擴(kuò)展難度大，難以快速適應(yīng)新需求實(shí)現(xiàn)升級(jí)。在數(shù)據(jù)交互階段涉及大量設(shè)備與節(jié)點(diǎn)，尤其在高負(fù)載情況下，表現(xiàn)為傳輸延遲大、丟包率高，影響故障響應(yīng)和處理能力。此外，網(wǎng)絡(luò)安全隱患問題顯著，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)措施較弱，易受拒絕服務(wù)攻擊（Denial-of-Service，DoS）等威脅，導(dǎo)致頻繁出現(xiàn)故障且難以快速恢復(fù)。

1.2 應(yīng)用SNMP優(yōu)勢(shì)分析

SNMP是一種用于網(wǎng)絡(luò)管理的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，被廣泛應(yīng)用于監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。其工作原理基于管理信息庫（Management Imformation BASE，MIB），通過管理端（Network Management System，NMS）、代理端（Agent）之間的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制。SNMP采用客戶端/服務(wù)器模式，管理端發(fā)送請(qǐng)求，代理端響應(yīng)請(qǐng)求并報(bào)告設(shè)備狀態(tài)信息。SNMP支持獲取、設(shè)置和通知3種操作，通過這些操作實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的讀取、配置，生成故障報(bào)告。該協(xié)議具有高靈活性、拓展性優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)不同規(guī)模和復(fù)雜度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。同時(shí)，該協(xié)議還具有實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化特性，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)告網(wǎng)絡(luò)故障，提高故障響應(yīng)速度與處理效率，支持多種安全機(jī)制，有效保護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息安全，解決當(dāng)前故障管理系統(tǒng)問題。

2 基于SNMP的故障定位診斷技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)收集分析

基于SNMP的故障定位診斷技術(shù)需要高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集與分析，以確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理網(wǎng)絡(luò)故障。在數(shù)據(jù)收集階段，SNMP通過MIB與代理端進(jìn)行交互，獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)性能數(shù)據(jù)。NMS定期發(fā)送GET請(qǐng)求，從代理端獲取關(guān)鍵指標(biāo)，如CPU使用率、內(nèi)存占用、網(wǎng)絡(luò)流量以及接口狀態(tài)等［1］。數(shù)據(jù)通過SNMP的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）傳輸，以滿足低延遲、高效傳輸?shù)哪繕?biāo)。在數(shù)據(jù)收集階段，具體操作步驟如下。

（1）OID查詢。由NMS端發(fā)送SNMP GET請(qǐng)求來獲取設(shè)備特定性能指標(biāo)值，代理端收到請(qǐng)求后查詢MIB找到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，將結(jié)果返回給管理端。

（2）數(shù)據(jù)傳輸。使用SNMP的UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，保證低延遲、高效傳輸。

（3）周期性收集。管理端設(shè)置定時(shí)器，周期性發(fā)送GET請(qǐng)求，定期收集網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)分析處理階段，則應(yīng)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)和算法技術(shù)，主要過程如下。

（1）時(shí)間序列分析：采用自回歸移動(dòng)平均（AutoRegressive Integrated Moving Average，ARIMA）模型對(duì)設(shè)備性能參數(shù)進(jìn)行時(shí)間序列分析，檢測(cè)異常波動(dòng)，如式（1）所示。

Xt=α+β1Xt-1+β2Xt-2+…+βpXt-p+t（1）

其中，Xt表示當(dāng)前時(shí)刻觀測(cè)值，α表示常數(shù)項(xiàng)，β表示參數(shù)，t表示誤差項(xiàng)。

（2）閾值監(jiān)測(cè)：設(shè)置合理的閾值，如CPU使用率超過90%、內(nèi)存占用率超過80%等。當(dāng)超過閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)生成告警。例如設(shè)定閾值為θ，當(dāng)CPU使用率Xt＞θ時(shí)，觸發(fā)告警。

（3）模式識(shí)別：通過K-means聚類算法對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，識(shí)別正常運(yùn)行狀態(tài)與異常狀態(tài)［2］。在K-means算法中，本文選擇k個(gè)初始聚類中心點(diǎn)μ1，μ2，…，μk；計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到聚類中心的距離，歸類到最近的聚類中心；持續(xù)更新聚類中心位置進(jìn)行迭代計(jì)算，新的聚類中心即為該聚類所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的均值，迭代直至聚類中心穩(wěn)定。

2.2 故障定位技術(shù)

故障源識(shí)別融合關(guān)聯(lián)分析技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，推斷設(shè)備之間的故障傳播路徑。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)通過條件概率進(jìn)行推斷，如式（2）所示。

P（A|B）=P（B|A）·P（A）P（B）（2）

其中，P（A|B）表示在事件B發(fā)生情況下事件A發(fā)生的概率。通過計(jì)算網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的條件概率，準(zhǔn)確定位故障源。

同時(shí)，本文還引入支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）和決策樹等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練與測(cè)試，建立故障診斷模型。支持向量機(jī)通過構(gòu)建超平面，將不同類別的數(shù)據(jù)點(diǎn)分隔開來，如式（3）所示。

f（x）=sign（w·x+b）（3）

其中，w表示權(quán)重向量，x表示輸入向量，b表示偏置項(xiàng)。

整個(gè)過程中，應(yīng)用SNMP TRAP機(jī)制，將故障定位結(jié)果反饋到管理端，系統(tǒng)根據(jù)故障類型與影響范圍采取相應(yīng)的處理措施，如自動(dòng)重啟設(shè)備、切換備用鏈路等，確保網(wǎng)絡(luò)的高可靠性與穩(wěn)定性。

3 基于SNMP的故障管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總框架設(shè)計(jì)

有線通信網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代信息基礎(chǔ)設(shè)施中占據(jù)著重要地位，由于其具有高帶寬、低延遲、穩(wěn)定連接的特性，被廣泛應(yīng)用于企業(yè)、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)控制等領(lǐng)域。然而，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和復(fù)雜性的增加，故障管理變得愈加困難。基于SNMP協(xié)議的故障管理系統(tǒng)能夠解決此類問題，通過集中管理和智能分析，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的效率與質(zhì)量。

基于SNMP的故障管理系統(tǒng)可分為上機(jī)位、管理端、代理端3部分，操作系統(tǒng)選擇Linux［3］。其功能如下。

（1）上機(jī)位提供用戶交互界面，運(yùn)維人員通過界面發(fā)送管理命令，將用戶輸入的命令發(fā)送到SNMP管理端。

（2）SNMP管理端接收上位機(jī)的命令后，構(gòu)造SNMP管理報(bào)文（管理信息庫MIB中的相關(guān)OID）；通過UDP協(xié)議發(fā)送到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備SNMP代理端。

（3）SNMP代理端接收并解析管理報(bào)文，從中提取管理命令；系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的管理命令，控制硬件平臺(tái)完成指定操作（如獲取設(shè)備狀態(tài)、修改配置等）；構(gòu)造響應(yīng)報(bào)文，將操作結(jié)果返回管理端。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

基于高性能嵌入式微處理器強(qiáng)大的處理能力以及其接口具有一定靈活性，本文選擇高性能的嵌入式微處理器作為系統(tǒng)的核心組件。嵌入式微處理器能夠高效執(zhí)行復(fù)雜的SNMP協(xié)議棧和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，同時(shí)，具備低功耗、高可靠性的特點(diǎn)，適用于有線通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障管理。針對(duì)有線通信網(wǎng)絡(luò)故障系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)較多，因此，本文須要選擇高性能的嵌入式微處理器支持其運(yùn)作［4］。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，本文選擇ARM Cortex-A72處理器，具體配置信息如下。

（1）處理器。本文配置多核高性能CPU，確?？焖贁?shù)據(jù)處理能力。支持多種高速網(wǎng)絡(luò)接口，如10 G、40 G或100 G的以太網(wǎng)接口，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)脱舆t特性。配備雙電源和冗余風(fēng)扇，確保設(shè)備在單點(diǎn)故障時(shí)仍能穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）服務(wù)器。本文使用高速固態(tài)硬盤（Solid State Drive，SSD）存儲(chǔ)，確保數(shù)據(jù)讀寫速度，推薦容量在1 TB以上，滿足日志與歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。配置多網(wǎng)卡，支持鏈路聚合。

（3）光纖傳輸。本文配置Finisar FTLX8571038CV光收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)高速光纖通信，提供光纖接口1—4，用于遠(yuǎn)距離高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。光纖接口1—4支持多模、單模光纖，提供高達(dá)10 Gbps的傳輸速率；使用SFP+或QSFP+光纖模塊，確保系統(tǒng)的兼容性。

（4）被復(fù)線傳輸模塊。本文提供多條被復(fù)線接口，實(shí)現(xiàn)高可靠性和高帶寬的數(shù)據(jù)通信。被復(fù)線接口1—4支持多條并行數(shù)據(jù)傳輸通道，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；以太網(wǎng)傳輸接口1、2連接到以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸，優(yōu)化管理。

（5）底板單元、電源單元與面板單元［5］。底板單元與嵌入式微處理器、光纖傳輸模塊以及被復(fù)線傳輸模塊相連保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，通過高性能印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）設(shè)計(jì)保證信號(hào)的完整性；同時(shí)，該模塊還負(fù)責(zé)將組件集成至統(tǒng)一平臺(tái)，具有報(bào)警功能；為了確保在單電源故障情況下系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，控制面板通過標(biāo)準(zhǔn)接口UC傳輸數(shù)據(jù)。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

基于SNMP的故障管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要圍繞對(duì)有線通信網(wǎng)絡(luò)故障的數(shù)據(jù)采集、診斷內(nèi)容。該研究配置SNMP v3數(shù)據(jù)收集模塊，創(chuàng)建SNMP v3用戶并設(shè)置用戶名、認(rèn)證密碼以及加密密碼［6］。配置用戶的訪問權(quán)限以及視圖控制，確保只有授權(quán)用戶才能訪問敏感數(shù)據(jù)。本文使用Pysnmp庫，通過SNMP v3協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用DES、AES加密和USM用戶認(rèn)證，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的機(jī)密性與完整性；配置用戶安全模塊（User Security Model，USM）并進(jìn)行視圖訪問控制模型（View-based Access Control Model，VACM）策略，保證數(shù)據(jù)收集的安全性。數(shù)據(jù)處理階段使用Pandas庫對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、歸一化處理，過濾掉無效數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過加密的應(yīng)用程序編程接口獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與故障診斷模型進(jìn)行對(duì)比分析；使用TLS/SSL加密傳輸診斷結(jié)果，確保數(shù)據(jù)安全；根據(jù)收集的數(shù)據(jù)建立故障診斷模型，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析判斷設(shè)備是否存在故障。除上述加密設(shè)計(jì)外，該系統(tǒng)還可以部署防火墻、入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等保障系統(tǒng)安全的措施。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文根據(jù)上述軟硬件系統(tǒng)布置實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將SNMP管理端通過千兆以太網(wǎng)與核心交換機(jī)相連，核心交換機(jī)通過多條光纖鏈路連接至各SNMP代理端設(shè)備，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)脱舆t。為了驗(yàn)證基于SNMP的故障管理系統(tǒng)性能，與NetFlow和Syslog進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容涵蓋數(shù)據(jù)收集效率、故障檢測(cè)準(zhǔn)確率、響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)負(fù)載、數(shù)據(jù)完整性、安全性、并發(fā)處理能力、恢復(fù)時(shí)間、誤報(bào)率等方面，測(cè)試結(jié)果如表1所示。這些測(cè)試結(jié)果反映了基于SNMP的故障管理系統(tǒng)在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的性能以及在各項(xiàng)指標(biāo)上的優(yōu)越性，這表明所提系統(tǒng)適用于高要求的有線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

5 結(jié)語

基于SNMP的有線通信網(wǎng)絡(luò)故障管理系統(tǒng)在本研究中展現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)，通過高效的數(shù)據(jù)收集機(jī)制、精準(zhǔn)的故障檢測(cè)算法和低延遲的響應(yīng)能力，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中各類故障的快速識(shí)別與處理。相比NetFlow和Syslog協(xié)議，SNMP在系統(tǒng)負(fù)載、數(shù)據(jù)完整性、并發(fā)處理能力方面均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步驗(yàn)證了其在高要求網(wǎng)絡(luò)管理中的適用性，為信息化社會(huì)的建設(shè)與發(fā)展提供了有力保障。

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（編輯 沈 強(qiáng)編輯）

Research on fault management system for wired communication network based on SNMP

XIU" Yue， WANG" Hailong

（Shandong Postal and Telecommunications Engineering Co.， Ltd.， Jinan 250000，China）

Abstract： The traditional wired communication network fault management system has problems such as high latency and low data exchange efficiency. Based on the SNMP protocol， this article designs and verifies an efficient wired communication network fault management system. To ensure system stable operation， the embedded microprocessor technology is introduced to improve communication network stability. And compared the design results with NetFlow and Syslog protocols， their performance in data collection， fault detection， response speed， system load， and other aspects is evaluated. The research results show that the application of SNMP protocol and embedded microprocessors can effectively improve the efficiency of fault management and meet management needs.

Key words： SNMP; wired communication; network failure; management system