（计算机应用技术专业论文）专用移动通信网络监控体系结构的研究.pdf

沈阳理工大学硕士学僮堡塞 摘要 专用移动通信网主要指在发生地震或水灾后的营救等无法或不便预先铺设网 络设施的场合所架设的网络。由于其网络节点的移动性强，所处环境复杂，出现 故障的概率极大，并且伴随着信息技术及网络技术的大量应用，这增加了系统整 体的复杂度。为了保证系统能够连续可靠、无故障的运行，发挥其应有的效能， 就必须建立一套与之相对应的监控系统对其进行有效的监视和控制。 网络监控体系结构对整个网络监控系统来说是处于基础地位的，合理的构建 网络监控体系结构对监控系统开发的工作量，系统运行的效率、运行速度以及稳 定性都有至关重要的作用。 为此，本文针对具有大规模、分层次的专用移动通信网的特点，提出了分层 分布式的网络监控模型。该模型为了实施有效的分布式系统监控，以“群”为基 本逻辑单位，将大规模分散的节点划分成小的“群”的组织结构，进行管理。在 此基础上本文从组织模型和功能模型两方面进行研究，提出了双群首组织模型和 具有反馈机制的功能模型，解决了集中式网络监控系统扩展能力差，一个监控中 心节点成为网络瓶颈等问题。并且引入了策略机制，使网络监控智能化，简易化。 通过理论分析与实验仿真，验证了该体系结构的正确性和可行性。 关键字：专用移动通信网；网络监控体系结构；组织模型；功能模型；策略机制 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t ra c t s p e c i a lm o b i lc o m m u t a t i o nn e t w o r ki sb u i l tw h e nt h er e s c u ec a l l t l i eo nt h e e q u i p m e n t sw h i c hh a v ea l r e a d yb e e np u to i la f t e rt h ee a r t h q u a k ea n df l o o d ，b e c a u s eo f t h ec h a r a c t e r so ft h en o d e sm o v i n gq u i c k l y , t h ec o m p l e x i t yo fe n v i r o n m e n t ，a n dt h e f a c i l i t ya l w a y sb e i n gb r o k e n ，t h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi st h a tt h et e c h n o l o g yo f i n f o r m a t i o na n dn e t w o r ki su s e dp l e n t i f u l l y a l lo ft h e s ei n c r e a s et h ec o m p l e x i t yo ft h e s y s t e m i no r d e rt oa s s u r er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h es y s t e m ，t h em o n i t o r i n gs y s t e m m u s tb ef o u n d e d t h em o n i t o r i n gs y s t e mm u s ts c o u ta n dc o n t r o ls p e c i a lm o b i l c o m m u t a t i o nn e t w o r ke f f e c t i v e l y t h em o n i t o r i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r ep l a y saf u n d a m e n t a ls t a t u si nt h em o n i t o r i n g s y s t e m d e s i g n i n g t h em o n i t o r i n g s y s t e m a r c h i t e c t u r e ，i t i s i m p o r t a n t f o r t h e p r o g r a m m i n g , t h ee f f i c i e n c y , s t a b i l i t ya n ds p e e d i n go ft h em o n i t o r i n gs y s t e m t h e r e f o r e ，a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r so ft h es y s t e mw i t ht h em a s s i v ea n dh i e r a r c h i c a l n e t w o r k ，ak i n do fh i e r a r c h i c a ln e t w o r km o n i t o r i n gm o d e li sp u tf o r w a r d t h er e s e a r c h p u t st h e “d u s t e r a st h eb a s i cl o g i c a lu n i to ft h em o n i t o rs y s t e m t h i sm o n i t o r i n gm o d e l c o m p a r t m e n t a l i z e st h el a r g en u m b e r so ft h en o d e si n t os m a l lg r o u p st om o n i t o r o nt h e b a s i so ft h a t ，d o u b l ec l u s t e r - h e a do r g a n i z a t i o nm o d e la n dt h ef u n c t i o nm o d e lw i t h f e e d i n gb a c ka r ef o u n d e d i tf i g u r e so u tt h ep o o re x p a n s i b i l i t yo ft h ec e n t r a l i z e d m o n i t o r i n gs y s t e m f u r t h e rm o r e ，t h ep r o b l e mw h i c hm o n i t o r i n gc e n t e rm a yb e c o m et h e b o t t l e n e c kc a na l s ob es o l v e d p o l i c ym e c h a n i s mi si m p o r t e d ，a n di tm a k e ss y s t e m m o n i t o ri n t e l l i g e n ta n de a s y p r o v e db yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，t h i sa r c h i t e c t u r ei s c o r r e c ta n df e a s i b l e k e yw o r d s ：s p e c i a lm o b i l ec o m m u t a t i o nn e t w o r k s ； a r c h i t e c t u r e ；o r g a n i z a t i o nm o d e l ；f u n c t i o n t h e m o n i t o r i n gs y s t e m m o d e l ；p o l i c ym e c h a n i s m 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：苍雷洋 日期 ：2 0 0 8 年。了月j ( 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 日期： 指导教师签名：灞袁觅矽 日 期：捌8 3 鸬 第1 章绪论 i i 课题背景及意义 第1 章绪论 专用移动通信网络j i l l 2 是由各类传感器设备、通信网络设备、计算处理设备、 显示控制设备、支持保障设备以及运行在各种硬件设备上的软件( 应用) 共同组 成的网络通信系统。在信息高度发达的今天，其规模日趋大型化和复杂化，这就 有必要用一个高效的监控系统u 删对其进行实时监控，使其发生故障时得到及时地 发现和处理。而传统的集中式监控只存在一个中心节点对系统进行监控和诊断， 一旦该节点出现故障，将导致整个系统功能的失效，因而不适应专用移动通信网 络系统的发展需求。分布式监控阳“7 ，把对系统和设备的监控功能分散在多个节点进 行，实现了资源共享、分散监控，解决了集中式监控的瓶颈。因此，有必要对分 布式监控系统的体系结构进行研究与设计，使其更好地适应专用移动通信网络， 保障专用移动通信网络的j 下常运行。 本研究来源于国家“十一五”项目。本文以专用移动通信网络为背景，通过 对专用移动通信网络的需求分析和对监控系统体系结构的深入研究，提出了分层 分布式监控体系结构，该体系结构以“群为单位对监控区域进行管理，并将策 略技术引入监控系统中，使监控系统的运行更加智能和高效。通过理论分析及实 验证明，该分层分布式网络监控体系结构性能更高，更能准确和及时地反应被监 控系统和设备的状态变化。 i 2 国内外研究现状 随着网络的复杂化和异构化，监控系统从集中式监控发展成分布式监控。在 集中式监控中，主要是远程监控的发展，各个生产商都推出了各自的远程监控系 统，面向能源、交通、计算机、国防、工业、教育等各个领域。面向计算机资源 领域的远程监控系统己经有成熟商品出现，s y m a n t c c 推出的p ca n y w h e r e 软件可 沈冈1 理t 大学硕十学位论文 以方便地连接p c 机，进行文件检索或运行程序，并且在文件传输期间启用其公司 的n o r t o n 防毒技术进行病毒扫描。而基- 于b s 模式的r e m o t e l y a n y w h e r e 软件，采用 j a v a 技术，实现跨平台的资源访问，用户可以通过浏览器访问远程资源而无需装载 客户端。可以看到现在已经有许多的远程监控软件推出并实现了商业化，丰富的 功能使用户可以方便地对远程资源进行访问n o ，。但这种单一节点管理的集中式监 控并不适合专用移动通信网络系统。 在分布式监控中，主要是对网络的监控，出现了基于对象的分布式监控、基 于w e b 的分布式监控、基于代理的分布式监控等等。在基于对象的监控系统中有 o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 的c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s t b r o k e r a r c h i t e c t u r e ) 和m i c r o s o f t 的d c o m 等。在基于w e b 的分布式监控中，各大组织和公 司都相继提出了w e b 的解决方案。其中主要有由d m t f ( d i s t r i b u t e dm a n a g e m e n t t a s kf o r c e ，分布式管理任务组) 提出的基于w 曲的企业管理( w b e m ) 和由s u n 公司 提出的基于j a 、，a 标准扩展a p i 结构的一部分j m a p i 。但是这两者的分布式特性都是 基于各自平台技术，例j t l i w b e m 采用m i c r o s o f t 的分布式组件对象模型( d c o m ) 的 跨平台性不高，而j m a p i 采用s u n 的远程方法调用( r m i ) ，不提供对非j a v a 环境的 支持。故而在与传统网管系统相兼容方面有一定的难度，造成了移植和扩展的困 难”1 。 为了实现对同趋复杂的网络性能和状态的监控以及满足用户对系统和服务日 益严格的需求，网络监控的体系结构也在不断调整和发展，可主要归结为集中式 模式、层次式模式和分布式模式。 集中式网络监控体系结构是一种简单的两层结构。s n m p 协议模型就是典型的 集中式模式，它具有结构简单、维护方便和易于操作的特点。但随着网络规模和 复杂度的迅速增大，集中式结构己暴露出不可克服的缺点。主要有：监控工作站 工作负担过重，当网络出现连接故障时，集中式网络监控将无法对网络进行监控， 造成全网或局部失控，网络监控平台不易扩展升级等。 层次式模式结构的主要特点是：网络被划分为若干个监控管理域，将监控管 理系统的工作分散到中央管理者与中层管理者，每个中层管理者只负责本域的管 理，中央管理者从中层管理者获取管理信息，缓解了集中式管理体系结构中监控 系统负荷过重的矛盾。各中层管理者所管辖的设备数量远远少于整个网络设备， 第1 章绪论 而且又更靠近被监控设备，节约了带宽；中央管理者一般不直接与被管设备相连， 可以提高中央系统通用性。由于数据集中存储，有利于对信息的管理。分层模式 虽然克服了集中式体系结构的一些问题，同时也增加了一些不足，可能会给数据 采集方法造成一点困难；由于监控系统分散在不同的位置，增加了管理员维护难 度；如何划分各管理域也是一项复杂的工作；时效性要比集中式模式结构差。 随着被管理实体计算能力的日益增强，使得网络监控管理功能的分布式执行、 管理数据语义的本地解释成为可能。结合集中式和分层式两种方案的特点有了分 布式体系结构。分布式网络监控提出了对等管理者的概念，每个管理者监控管理 按地区、设备类型或功能划分的管理域，域管理者之间根据需要可以相互通信。 可扩展性是分布式管理结构最主要的优点，通过创建新的域和添加新的域管理者， 从而提高了性能需求和被管理网络的扩展性。分布式网络监控管理将原来中心控 制工作站的工作划分给几个对等的监控管理工作台来完成，不仅降低了网络开销， 而且各域的监控策略也可以比较灵活，加强了系统的可靠性和健壮性。但这种模 式增加了网管工作的难度，要协调各管理域的工作来优化整个网络性能。由于分 布式网络监控在系统伸缩性和适应性方面的优势使得分布式网络监控成为网络监 控领域的热点。 1 3 研究内容 本文研究的内容主要有： ( 1 ) 对专用移动通信网络体系结构进行深入的研究，找出对其进行监控的关键 问题并进行解决。 ( 2 ) 专用移动通信网络监控体系结构的设计 主要从组织模型和功能模型两方面入手进行研究，其中组织模型主要是研究 网络监控体系中各个节点在监控系统中所处的位置以及它们之间的通信方式；功 能模型主要研究各个功能模块之间的关系以及如何协调工作。在此基础之上，提 出了监控网络分群算法和群的管理算法。 ( 3 ) 对所提出的网络监控体系结构及其算法进行仿真实现。 沈阿i 理t 大学硕+ 学位论文 1 4 论文结构 本文主要是对专用移动通信网络中监控体系结构进行研究，共分为五章，安 排如下： 第一章绪论。介绍了本文的立题背景和当前国内外网络监控体系结构的研究 现状。 第二章简要介绍了专用移动通信网络的特点，根据项目的实际需求，设计了 一种分层分布式的网络监控体系结构。并给出了性能评价指标，分析了体系结构 的设计过程中需要解决的几个关键问题。 第三章详细阐述了网络监控体系结构中组织模型的设计。其中，重点讨论了 组织模型的设计过程，给出了“群”的划分依据及方法，提出了基于最大连接度 和最小负载相结合的分群算法以及群的管理算法，并进行了仿真验证。最后引入 了策略机制，使组织模型的实现更加灵活、高效和安全。 。 第四章详述了网络监控体系结构中功能模型的设计。深入研究了现有的各种 网络监控功能模型，提出了具有反馈机制的网络监控功能模型。最后，描述了模 块间通信的设计。 第五章对实现组织模型和功能模型的关键技术做了深入地研究，并详细地讨 论了其设计和实现。 最后介绍了本文当前已经完成的工作，并指出下一步工作的方向。 第2 章网络监控体系结构研究 第2 章网络监控体系结构研究 2 1 专用移动通信网络体系结构特性 专用移动通信网络系统是一种并行或分布式处理系统，它包含多个由互连网 络连接起来的独立计算节点，能够通过通信网络软硬件形成一个统一的计算资 源。在专用移动通信网络系统中，计算节点可以是单处理器系统，也可以是多处 理器系统。这些计算节点各自带有c p u 、存储器、i o 设备以及独立的操作系统。 专用移动通信网络系统的多个节点通过通用网络或者其它高速网络进行互连，从 而向用户和应用提供一个单系统的映像。 此外，专用移动通信网络还是一种可以快速建立并且不需要预先在固定的网 络底层上构建的网络，它具有动态拓扑、网络资源受限、多跳、移动等特点。具 有大规模、分层式的专用移动通信网络是一种新型的网络结构，它不仅具有传统 专用移动通信网络的一般特性，而且其规模庞大和层次性又为网络管理提出了新 的要求。 专用移动通信网络通常采用多频分级结构，即网络中的不同级采用不同的通 信频率。低级的节点的通信范围较小，而高级节点的通信范围较大。高级的节点 同时处于多个级中，有多个通信频率，用不同的频率实现不同级的通信，且功率 大，带宽较宽。 本次课题研究的专用移动通信网络主要分为三层结构：最上层采用的宽带电 台m 盯点对点的无线组网方式；中间层采用宽窄带电台t d m a 方式无线组网；下层 采用窄带电台c s m a c a 方式无线分组。具体分层为： ( 1 ) 第一层节点之间通过宽带无线分组网实现第一层节点之间以及第一层节 点与第二层节点之间的通信； ( 2 ) 第二层节点通过宽带无线分组网实现节点之间通信，并通过宽窄带无线 分组网在第二层节点与第三层节之间进行通信； ( 3 ) 第三层节点通过宽窄带无线分组网实现节点之间并通过v h f 分组无线网 。蠕峨蠕，o r 蠕 7i? 弋7 弋 竺尹：j i - 纛7 “等) 专i 二 。 ；，厂7r 4 i i 4 叁? ：、， 安专? v 并”雩( 未yf 磐i i一、l 、 、 第2 章网络监控体系结构研究 无线网络也具有它自身的不足： 带宽小，传输速率低，传播范围小：无线链路的传输带宽比有线链路小得 多，目前最大的无线传输带宽只有5 5 m s ，更普遍的在2 11 m s 之间，这对于大数 据量传输的场合无线网络将难以胜任。而且无线链路的有效传输距离有限，超过 有效范围的节点将无法通信。 干扰大、传输质量差：由于无线网络利用无线电波作为传输介质，容易受 到外界的干扰而影响信号的传输质量。并且无线信号也能够被别人窃听，面临更 大的安全威胁。 通过对上述各种情况的分析，对专用移动通信网络进行合理的监控，保证其 高效、持续可靠的运行，是必不可少的。 2 2 移动通信网络监控系统总体体系结构 2 2 1 概述 专用移动通信网络系统监控的主要功能是采集、处理、存储专用移动通信网 络中的各类设备( 包括计算机和其他设备) 、链路和工作环境( 包括温度、湿度、 供电等) 的状态信息，并能在本地及远程的监控设备上及时显示。在系统正常时 监控系统实时状态显示、统计、配置、测试等功能；当系统出现故障、过载、以 及受到攻击时，可实现各种报警、差错检测和恢复功能。总的来说对专用移动通 信网络系统进行监控的目的就是提高专用移动通信网络的运行效率及可靠性。 专用移动通信网络系统监控从不同角度看有不同的分类。从监控对象角度， 系统监控主要完成对软件( 包括系统软件和应用软件) 、系统( 即由各个部件组 成的整体) 、设备( 包括网络设备、通信设备、主机、各种平台) 、组件( 包括 各种传感器、接口、板卡、端口等) 的监控。从监控管理角度看，系统监控的任 务和功能主要包括配置监控( 包括拓扑监控) 、安全监控、故障监控、性能监控、 计费监控、资源监控、任务监控等多个方面。但这些监控不是每个监控系统都需 要，可根据实际情况进行调整。 专用移动通信网络系统监控的目的是保证系统能安全有效的运行，因此，系 统监控具有以下的特性： 沈陬j 理l 人学硕+ 学位论文 ( 1 ) 实时性 实时性是指专用移动通信网络系统监控必须能及时地、准确地反映系统状态， 保证系统在发生问题时能实时的反映给系统监控人员。 ( 2 ) 高效性 高效性是指专用移动通信网络监控系统在发现问题时，能及时发现问题原因 并能根据需要给出相应的解决方案，保证系统能快速的恢复，减少系统故障带来 的损失。 ( 3 ) 可操作性 可操作性是指专用移动通信网络监控系统的监控对象、监控方法、监控策略 根据系统要求及运行环境特性进行实现。 ( 4 ) 健壮性 健壮性即可靠性，是指专用移动通信网络监控系统本身在部分失效或系统设 备部分失效时，仍能完成部分或全部监控功能。 ( 5 ) 安全性 安全性对专用移动通信网络系统来说特别重要，一般是指系统监控要求具有 一定的安全保护，包含三个方面：身份验证：能够可靠地确定接收到的数据与发 送的数据一致，并且确保发送该数据的实体与其所宣称的身份一致。完整性：能 够可靠地确定数据在从源到目的地传送的过程中没有被修改。机密性：确保数据 只能为预期的接收者使用或读出，而不能为其他任何实体使用或读出。 ( 6 ) 完备性 完备性包含两个方面，一方面从功能角度上看，专用移动通信网络监控系统 要求能完成所有定义的监控功能，另一方面从监控对象角度上看，专用移动通信 网络监控系统要覆盖所有可监控对象。 根据以上特性，目前主要的监控体系结构包括两种方式：集中式和分布式， 下面将就这两方面进行介绍。 2 2 2 集中式监控研究 传统的网络监控模型大多采用集中式模型，有一个管理者负责整个网络的管 理工作。该管理者处理被管网络单元的代理之间的通信，提供集中式的决策支持 第2 章网络监控体系结构研究 和控制，以及维持管理者的管理数据库。这种方式的不足在于当被监控网络规模 扩大或者结构复杂性增大时不能相应地扩充，即：可扩展性差、灵活性不足。其 主要问题在于：信道瓶颈和浪费带宽。信道瓶颈：管理者需要处理所有的管理信 息，所有的信息都涌向中央管理者，网络传输量大，容易引起阻塞，这样易在管 理者端形成通信瓶颈；浪费带宽：管理者只是盲目地收集所有原始数据，实际的 处理往往只用到部分数据，从而造成带宽的浪费。 集中式模型中的管理者可以划分为两个部分：管理平台和各种管理应用程序。 管理平台作为处理管理数据的第一级，主要涉及协议实现、信息收集、拓扑发现， 提供诸如监控、流量计算等关键管理服务，同时向应用程序提供数据处理报告摘 要。应用程序运行在数据处理的第二级，提供各种系统管理功能，处理决策支持 等比信息收集和简单计算更高级的功能。两部分通过公共应用程序接口a p i 进行 通信。 2 2 3 分布式监控研究 分布式监控针对设备的功能分布和地域分布的特点，把对系统性能的监控和 设备的故障诊断等功能分散在多个节点进行，实现了资源共享、分散监控，减少 了网络带宽的使用，提高了系统的工作效率，解决了集中式监控的瓶颈。这些分 布式模式包括：基于c o r b a 的分布式监控、基于w e b 的监控方式以及基于代理 的监控方式等。 ( 1 ) 基于c o r b a 的分布式监控 c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) “引“。一公共对象代理体系 结构，是由对象管理组织o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 定义的一个分布式对象 间相互作用的中间件规范，采用面向对象技术，为在异构环境中实现对象之间的 互操作提供了支持。c o r b a 规范是一种开放的、分布式对象体系结构，是异类计 算机环境实现互操作的标准。 c o r b a 系统的主要特征是对象请求代理o r b ( o b j e c tr e q u e s tb r o k e r ) 以“软 件总线的角色，在分布对象之间透明地传递信息。使用接口定义语言i d l 说明 对象的属性和操作，隐藏了实现细节。动态调用机制允许客户在运行时生成调用 请求，通过动态调用接口访问预先不知接口的对象。可移植对象适配器( p o r t a b l e 沈阿i 理_ r 1 ：人学硕十学位论文 o b j e c ta d a p t e r ，p o a ) 负责把服务器端代码以c o r b a 对象的形式呈现给客户的组 件。c o r b a 以其特有的跨越多种异构平台等特性，改变了开发和运行系统应用程 序的方式。基于c o r b a 的监控充分利用了c o r b a 互操作机制，主要是在o s l 和i n t e m e t 体系结构之间做桥梁并包装、集成监控系统。 c o r b a 虽然具有广泛的平台支持、强壮的编程语言支持、支持本地远程透 明调用、支持静态和动态两种调用方法、强壮的安全性能、可靠的o r b 性能支持 多线程服务等诸多优点。但c o r b a 也存在不足，例如：大量的命令集，难于掌握； 缺乏配套的开发工具；c o r b a 规范的复合性方面也存在不少问题。 ( 2 ) 基于w e b 的监控方式 目前，有两个主要的基于w e b 的网络管理模式( w b m ，w e bb a s e dm a n a g e m e n t ) 标准正在制定当中。一个是基于w e b 的企业监控( w b e m ：w e bb a s e de n t e r p r i s e m a n a g e m e n t ) 标准，w b e m 建议采用面向对象的方式，抽象出各种监控数据对象， 通过多种协议( s n m p 、c m i p 等) 从多种系统资源( 如设备、系统、应用程序等) 中收集并监控，是当前网管标准协议的兼容和扩展“”。另一个w b m 标准是由s u n 公司作为它的j a v a 标准扩展类而提出的j a v a 监控应用程序接口j m a p i 。其扩 展j m a p i 为异构网络系统和服务的无缝监控提供了一组丰富的扩展对象及方法， 使得使用一种语言来开发异构环境的系统监控软件成为可能，并可缩短开发系统 的周期。j m a p i 注重解决分布式系统的监控问题，因此其结构能扩充至很多不同 的环境中。 基于w e b 的系统监控，可以不受操作平台的限制，在任何一台与之相连的 w e b 浏览器上就能浏览到系统监控软件所提供的功能。当系统节点( n o d e ) 或链路 ( 1 i n k ) 失效或发生故障时，监控系统能够自动地向系统监控人员发e m a i l 或打电话 等，系统监控人员可以不在现场而对系统进行监控。因此，网络监控系统一般采 用b r o w s e r , r q c e b s e r v e r 三层结构。 尽管在这种结构中，系统监控者可以不受地域的限制，进行远程的系统监控 一分布式监控，但同样具有基于c o r b a 分布式系统监控的局限性。 ( 3 ) 基于代理的监控方式 基于代理的系统最基本的特点是用代理的概念来抽象地描述特定的系统，因 此基于代理的系统是基于任务分解的。为完成任务，系统把任务划分成多个相对 蔓! 童堕丝堕鳖堡墨笙丝里! 窒 独立的子任务，然后把各子任务分配给代理，由各代理自治地完成分配到的子任 务，在需要的时候各代理之间能够进行交互、协调，以完成设计的目标。 移动代理是在代理系统的基础上发展起来的一种新型的分布式计算技术，它 具有跨地址空间持续运行的机制，能够在异构的网络环境下主动地在多个主机之 间移动和执行。它有三个特征： 移动代理首先是一个代理，它满足代理的目标驱动特征，能自治地完成设 计的任务； 代理能够主动地转移到不同的物理地址空间中执行； 转移后代理的执行是持续的，即从转移的下一条指令继续执行，转移过程 中保持自身的状态。 由此可见，由于分布式监控各功能节点的分散性，常规分布式监控系统结构 很难对各功能节点进行有效的管理，尤其是各个分散的功能节点间的协同问题。 2 3 基于策略的网络监控概述 基于策略的网络监控意味着监控模式的一种转变，策略有着高层的抽象并且 从商务、系统、网络等不同角度出发描述了网络监控要达到的目标。基于策略的 网络监控与传统的监控的区别在于：基于策略的网络监控代表着监控模式从基于 网元视点的“如何实现”到基于网络视点的“实现目标 的转变。概括而言，基 于策略的网络监控n ”n 引伽，具有以下优势： ( 1 ) 网络监控的自动化。网络监控的自动化可以使监控系统根据业务需求自 动进行业务指配，在网络状态发生改变时自动进行相应的处理，并且在需要时可 自动获得需要的对网络监控的规则而无需人工干预。 ( 2 ) 监控系统具有更好的灵活性。监控系统的灵活性主要表现在其功能、行 为和控制监控系统行为的规则相分离。这样，基于策略的网络监控可以在不对监 控系统进行重新编码并且无需关闭系统的情况下动态改变监控系统的行为，大大 提高了监控系统的可伸缩性。另外，监控系统的灵活性还表现在可以根据时间、 地址、身份等多种条件的组合来控制被监控网络及监控系统自身的行为。 ( 3 ) 实现大规模网络监控的可靠性和一致性。在大规模网络监控中，基于策 略的网络监控可以借助策略的抽象能力在异质网络中容易地实现一致的网络监 沈阳理j i ：人学硕士学位论文 控，减少网络监控中容易引发的错误。 ( 4 ) 监控的智能化和人性化。策略是监控智能的体现，当被监控网络状态发 生变化时，网管系统可以自动进行相应地控制，无需人工干预，实现了管理的智 能化。基于策略的网络监控可以使用户通过友好的策略语言描述网络监控策略、 商务监控策略等，并通过实施策略达到监控的目的，体现了人性化。 ( 5 ) 更好的安全性。基于策略的网络监控可以根据用户身份、用户角色、口 地址、业务类型等对用户使用网络资源做出严格的限定，从而具有更好的安全性。 目前，基于策略的网络管理的相关研究工作大致可以分为四个部分，如图2 1 所示： 主要包括策略管理工具p m t ( p o l i c ym a n a g e m e n tt 0 0 1 ) 、策略决定点p d p ( p o l i c y d e c i s i o n p o i n t ) 、策略实施点p e p ( p o l i c ye n f o r c e m e n tp o i n t ) 和策略库p r ( p o l i c y r e p o s i t o r y ) 。 图2 1 策略管理框架结构图 在基于策略的监控系统中，p d p 和p e p 之间的通讯有两种方式。一种是在网络 发生事件时( 如r s v p 请求) ，p e p 主动向p d p 请求发生该事件时应该执行的策略； 另一方式是p d p 在p e p 没有请求的情况下，主动向p e p 发送关于网元配置、安装等 信息的策略，如在d i t t s e r v 口“网络中对边缘路由器的配置。 本文通过对以上几种分布式监控方式的比较分析，提出了一种分层分布式监 控系统结构，具有双群首的网络监控组织模型和具有反馈机制的网络监控功能模 型，并引入了“群别的概念和策略技术。该结构不仅可以有效地解决集中式监控 的瓶颈问题，而且较常规分布式监控体系结构更便于管理、具有更高的智能性， 可以更好地处理各分散功能节点的协调问题。 第2 章网络监控体系结构研究 2 4 监控体系结构设计的几个关键问题 ( 1 ) 系统稳定性 网络监控体系结构框架应尽量使系统处于稳定( s t a b l e ) 状态，避免处于颠簸 ( t h r a s h i n g ) 状态。颠簸状态是指一个节点的角色确定之后，由于其相关信息的不 断变化，该节点就有可能发生频繁的节点角色的转换，从而又触发了网络体系结 构的变化，耗费大量的网络资源。 ( 2 ) 系统抗毁性 根据专用移动通信网络的特点，网络中的节点可能随时被毁坏，如何使网络 中发生节点被毁的情况后，网络监控体系能够以最快的速度和最小的代价恢复， 是系统设计的一个关键因素。 ( 3 ) 系统高效性 由于无线网络系统中带宽、频段的有限性、移动设备自身性能的限制以及信 息在无线网络中的传输的不稳定性，使得在网络监控体系结构的设计过程中，要 求监控信息的制定和传递必须精确高效，达到在有限的资源情况下，占用尽量小 的资源而达到最大的效率，使整个网络监控系统具有高效的管理机制来管理一体 化信息处理与专用移动通信网络中所涉及的所有资源，减少信息处理运行时间， 提高专用移动通信网络系统的整体性能。 2 5 本章小结 本章首先介绍了专用移动通信网络的体系结构的特点，并且分析当前常用的 几种网络监控体系结构。在此基础之上根据课题的实际需求，设计了一种适合于 专用移动通信网络的分层分布式网络监控体系结构。最后分析了实现网络监控体 系结构需要解决的几个关键问题。 沈刚理工人学硕十学位论文 第3 章网络监控体系结构组织模型的设计 3 1 分层分布式网络监控组织模型设计 由于在无线通信网络中，通常采用共享无线信道的方式工作，过多的节点竞 争数量有限的无线信道会使发生碰撞的概率增加。因此，为了减少共享相同通信 信道的节点数目，降低碰撞的概率，提高信道的利用率，将蜂窝移动网络中对于 信道接入和资源分配的解决方案引入到多跳网络中，提出了分群的概念。采用分 群后，对接入的控制和对带宽的分配都可以在每个群内完成。分群的概念在早期 的分组无线网络中也曾使用过，但它更多的是用于分级路由而不是资源分配。 由于采用分群结构有利于进行路由选择和多播的扩张性、网络监控、在群内 实现信道接入的有效控制、带宽分配等，因此，对于大规模的网络而言，要实现 整个网络的快速部署以及拓扑结构变化后的动态重建，最有效的方法是采用分群 协议。大量研究结果表明，分群协议可以有效地使用信道，提高系统容量；减少 控制信息交换开销，增强对节点的控制；实现网络的局部同步；支持大规模节点 的无线网络。 分群是指特定范围内的无线节点，通过共享相同的无线介质组成子网的过程， 每个子网成为一个群。在无线移动通信网络中，大多数的分级分群结构都是基于 群首的概念。在一般的情况下，每个子网确定一个群首、一个或多个节点作为网 关，用来实现每个群内的节点与群首或群内其他节点通信以及本群与其它群的通 信。各群之间的业务传输由网关节点中继完成，网关节点可以按照规则，在几个 群所使用的逻辑介质间切换。 专用移动通信网络幽临儿矧是一种节点数目众多、位置分散，并且不需要预先在 固定的网络底层上构建的网络，它具有动态拓扑、网络资源受限、多跳、移动等 特点。为了实施有效的分布式系统监控，对资源进行有效的监控，本文引入了“群 的概念，并以群为基本逻辑单位，对资源进行监控。在此基础上为了提高系统的 可靠性，减轻单一节点的负荷，协同各个监控资源，提高网络监控的效率，引入 1 4 塑! 翌旦垒些丝堡墨堕塑望墨堡型堕壁生 了策略技术。 本章主要针对具有高度复杂性、异构性、动态性、网络资源受限、节点呈现 出明显的层次性的专用移动通信网络进行组织模型的设计，在传统的分层分布式 网络监控组织模型的基础上“”，提出了具有双群首的分层分布式网络监控组织模 型，如图3 1 所示。 一一j 1 曩i 唪 嘲k霸 一n ，- 嘲瞄 图31 积群首网绪监控组织模型 该组织模型为从网络监控的角度对网络中的各个节点进行分群，同层的节点 采用横向分群算法进行横向一次分群；然后从上下层的角度，进行纵向二次分群。 通过对网络中的各个节点进行分群，可将网络中原本大量的节点划分成若干个小 的群进行自治管理，提高了网络监控的效率，降低了网络带宽资源的占用率。为 了进一步降低网络带宽的占有率，提高监控系统的响应速度，采用了移动代理技 术，将策略决策点迁移到距离策略执行点近的节点上，减少数据包从荒略决策点 到策略执行点的传输跳数，节省了网络带宽并且降低了网络监控的时延。在此基 础上为了防止单一节点故障，造成资源管理和性能管理系统失效，采用选举技术， 保障网络监控系统的安全运行，提高系统可靠性。纵向群首分担了横向群首接收 下级节点传来的信息的处理负担，并采用捎带技术将收集来的信息传给横向群首， 降低带宽的占用，避免使横向群首成为通信的瓶颈，进一步减小网络监控系统的 带宽占用。此外，通过划分纵向群，对上下级节点进行统一监控，解决了上下级 的注册问题，当节点出现故障时，加快了恢复的速度，提高了网络监控的效率。 纵向群的群首为其所在横向群的普通节点纵向群首与下级的横向群首相连。 一 _ 沈同i 理工大学硕士学位论文 通过横、纵向群的划分，可以将原本大量的节点划分成一个个小的群，在每 个小的群中，使用的信道的分配在该群内完成，群外的节点仍可用该信道进行通 信，提高原本有限的信道的利用率，使信道的不同频段的使用成为小区域性，实 现系统高效性。 3 2 群的创建与管理 对网络中的节点分群，重点考虑的是采用优良的分群算法i 凹“。一种好的分群 算法应该对节点的运动具有一定的稳定性，即当只有一些节点发生移动或网络拓 扑结构发生较慢的变化时，分群结构不发生剧烈变化，整个网络只对发生变化的 部分进行分群调整，使离群节点在最短的时间内就近入群，而其余的则保持不变。 网络分群包括群的创建和分群管理策略，分群原则使它能够实现快速部署和 自适应跟踪拓扑变化，保持稳定的群的结构，有效地避免正在进行的通信被中断。 3 2 1 群的创建 3 2 1 i 划分依据 群的划分根据节点对资源需求、共享目的、属性相似性、业务级别、节点移 动性、组成数量、通信方式等要求，并且离群首节点最短距离划分成多个群和多 个子群。在以业务级别进行划分时以监控节点的级别来进行划分，这样一级级的 划分可以把监控得来的数据层层上报，直到上报到最高级别监控节点。其具体的 划分方法如下： ( 1 ) 根据查找注册信息的几个指标： 节点级别( 一级、二级、三级) 物理位置( 距离哪个最高级别节点最近) ( 2 ) 按照节点的不同级别将节点标记设置为1 、2 、3 等。 ( 3 ) 查找该节点路由信息中如果有同级别的节点，则把它们划分在同一个层。 因此，将不同级别的节点就分成了不同的层次。 ( 4 ) 根据横向群首选举算法进行群首的选举，并进行标记。 ( 5 ) 群首节点通过查找路由表，把没有设置标记的节点，根据其属性值( 例如 第3 章网络监控体系结构组织模型的设计 是否属于同一级别) 划分为同一个群。此时，把划分到该群的节点的标记设置为其 群号，这样，被划分的节点的标记完毕。如果经过划分后，当前群的节点数目( 群 规模参照群的规模控制) 达到要求，则进行下一个群的划分。 ( 1 ) 横向( 同级) 群划分完毕后，除最低级节点外，在每个横向群中根据纵向 ( 不同级) 群首选举算法，选举出纵向群首，并进行标记，进行纵向群的划分。 ( 2 ) 纵向群的划分为根据注册的节点信息，非项级横向群首根据选举算法选 择与其相邻的上级纵向群首进行组群，构建纵向群。如果经过划分后，当前群的 节点数目( 群规模参照群的规模控制) 达到要求，则申请下一个群。 3 2 1 2 群的规模控制 在对群的规模进行控制时，首先要根据注册节点的数据了解这个子群实际监 控的节点个数。假设一个群内所要监控的节点个数为3 的话，则不需要再进行子 群的划分。并且，一个群的规模不易过大，否则在策略设置上过于复杂，会给管 理带来很大不便口“。因此，假设群内所含的节点数为y ，则形成的群数n 远远小 于y ，即n y ，假设群的规模为r ；m ，设k 为常数。由于专用移动通信网络为 自组织网的一种，节点的数目应满足自组织网中节点的数量增加趋势，因此群的 边界为k y 3 k 。证明如下： ( 1 ) 假设y s k 时，则群被分为一个群，即n = i ，显然y 应该大于k ； ( 2 ) 假设k ys 3 k ，r ；) = 3 列2 或者r i m = ( 3 k 一1 ) 2 ，群被等分为两个群， 即n = 2 ；任意时刻，只有当此两个群中任意一个群有m k 2 节点离去或有 m 3 k 2 的节点加入时，系统才进行群的合并和划分操作。因此，可避免群的频 繁分割和合并； ( 3 ) 假设y 3 k ，则群的规模增大，群的划分和合并操作相对减少，但系统 的管理和控制开销急剧增加，加重群管理节点的负担，引发信息瓶颈。 证明完毕。 沈阳理：i ：人学硕十学位论文 3 2 2 基于最大连接度和最小负载的分群算法 3 2 2 1 分群算法的选择 衡量一个分群算法的好坏，在于它是否能够以很少的控制开销快速部署整个 网络m 一。目前应用比较广泛的分群算法是最小i d 分群算法和最大连接度分群算法。 最小i d 分群算法仅用两帧的组网时间。而最大连接度分群算法总共需要3 轮发送 的组网时间，这是因为节点必须知道邻居节点的连通性数目才能执行算法，而这 需要两轮控制消息的交换才能做到。 其中最小i d 分群算法需要在整个网络中找到最小i d 的节点，而最大连接度 分群算法需要在整个网络中找到连接度最大的节点，这对于大规模专用移动通信 网络来说，每个节点都要维护一张全网络的节点信息表，无法满足其快速部署的 要求。 为此，针对