宽带多媒体卫星网络

1、摘 要随着计算机技术和信息技术的快速发展，卫星网络与人们的生活的关系越来越密切。宽带多媒体卫星网络作为能够提供宽带、高速传输、多媒体业务，实现全球无缝隙覆盖的互联手段，越来越为人们所重视。无论对于任何网络，网络管理在网络运行过程中发挥着重要作用。而配置管理和性能管理在整个网络管理中处于非常重要的地位。但相对于地面网络而言，宽带多媒体卫星网络规模庞大，组成的设备复杂多样，其特有的高时延性、动态性、异构性、资源的有限性决定了网络管理尤其是配置管理和性能管理的作用更为突出。本文重点研究宽带多媒体卫星网络管理的结构特点，并分析该网络的管理系统，根据OSI网络管理模型的结构以及宽带多媒体卫星网络的特点对

2、功能模型中的配置管理做了重点研究与实现。首先介绍宽带多媒体卫星的拓扑结构和ATM技术在网络中的应用；其次详细探讨了网络管理的设计思想、体系结构、通信机制和管理协议；接着研究了网络管理中的拓扑发现算法，拓扑中Ping命令；并在此基础上，设计了基于SMNP协议的配置管理系统，实现了对卫星设备，终端设备配置信息的查询，修改，备份和同步。关键词：宽带多媒体卫星网络；SNMP协议；配置管理AbstractWith the rapid development of the network and the satellite communication technology, the globalizati

3、on of the information is proceeding nearly. The broadband multi-media satellite network is getting more and more attention as it can provide broadband, high-speed transmission, multi-media functions and realize global non-seam coverage. My paper focus to discuss the structure characteristics of broa

4、dband multi-media satellite network management,and analyzed the network management system. According to the structure of the OSI network management model and the characteristics of broadband multimedia satellite network, research and achieve the configuration management and performance management.Fi

5、rstly Id like to introduce the topology of broadband multi-media satellite and the application of ATM technology in network, and secondly analyzes network management in detail, system structure, communication mechanism and management agreement. Then research the network topology discovery algorithm

6、and the management of Ping command. On this basis, design a management system based on SMNP agreement. Implementation of satellite equipment, terminal equipment configuration information access, modify, backup and synchronization.Key words: Broadband Multi-media Satellite Network, SNMP Protocol,Conf

7、iguration Management目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状21.3 本文研究内容32 宽带多媒体卫星网络42.1 宽带多媒体卫星网络拓扑结构42.2 ATM技术52.2.1 ATM技术简介52.2.2 ATM交换原理72.3 ATM在宽带多媒体卫星通信网络中的应用72.3.1 卫星ATM网络的优点72.3.2 卫星ATM网络的结构83 宽带多媒体卫星网络管理系统103.1 宽带多媒体卫星网络管理系统体系结构103.1.1 宽带多媒体卫星网络管理体系结构113.2 宽带多媒体卫星网络的通信机制123.2.1 通信链路123.2.1

8、通信机制133.3 SNMP协议143.3.1 SNMP协议体系结构143.3.2 SNMP消息格式143.4 功能模型173.4.1 配置管理功能模块173.4.2 计费管理功能模块173.4.3 安全管理功能模块183.4.4 性能管理功能模块183.4.5 故障管理功能模块193.5 管理功能模块之间的关系194 配置管理的研究与实现234.1 需求分析234.2 基于SNMP的卫星网络配置管理的方案研究与实现244.2.1 网络自动拓扑结构254.2.2 查询设备信息模块274.2.3 获取设备状态模块324.2.4 查询并获取设备状态信息实现334.2.5 设备配置信息的备份与恢复3

9、5结 论37致 谢38参考文献39附录A42附录B461 绪论1.1 课题背景随着1957年10月人类第一颗人造卫星的发射，航天技术和信息技术进入了飞速发展和应用阶段。卫星由于其通信距离远、覆盖范围广、机动灵活、通信线路稳定可靠等诸多优势被逐渐应用到军事、经济、通信、导航、预警、气象、资源探测等各个领域1。在早期的五六十年代，人类发射的卫星规模、重量较小，功能也较单一，七十年代以后，随着航天技术的不断成熟，人们对卫星性能要求的不断增加，对空间信息的要求不断提高2。目前包括美国、俄罗斯在内的各航天军事强国，都相继展开了以不同种类卫星组网为核心的空间网络技术研究，以期在未来通过强有力的空间网络保障

10、获得信息优势和决策优势3。近年来，我国航天事业也有了长足的发展，越来越多的中低轨道的对地观测、气象应用等卫星进入太空，使得卫星在各领域内的应用越来越广泛，同时国防、国土资源管理、气象预报、灾难预防和救灾等各重要领域对卫星的依赖性越来越大4。宽带多媒体卫星系统是由宽带多媒体卫星、地面网管控制传输中心及远端卫星终端设备组成的系统, 可与地面网络通过标准接口互连互通1016。随着时间的推移，宽带多媒体卫星系统的用途也将越来越宽广。无论对于何种任何网络，高效和可靠的网络管理都将是一个重要而且必需的内容，对于复杂而庞大的卫星网络系统更是如此。宽带多媒体卫星网络的网络管理不同于传统的地面网络管理系统，也不

11、同于卫星的地面监控系统，而且宽带多媒体卫星与利用传统通信卫星进行多媒体通信的概念不同，后者是利用早期的弯管式通信卫星，采用透明信道，不利于带宽的选择以及协议通信优势的发挥，而宽带多媒体卫星是采用ATM交换技术，具有星上处理功能，能够充分地利用转发器资源，最大限度满足信息传输速率的要求，提高频率复用度，是多媒体信息利用卫星进行传播的管理系统，必须要在系统所在的各个层面上提供强大而高效的管理和控制。然而，系统独有的网元节点和运行特性以及未来星间联网的发展趋势却给网络管理技术带来了新的挑战，成为网络管理的难点所在。为了使宽带多媒体卫星网络系统达到相对自主、高效运行，并保证信息的安全和可靠传输，单靠目

12、前的网络管理技术是难以实现的，因此，迫切需要开展有针对性的网络管理技术的研究15-19。1.2 国内外研究现状随着经济和世界全球信息化的快速发展，市场对宽带的需求越来越旺盛，与此同时，卫星通信技术有了新的突破，宽带多媒体卫星越来越得到世界范围的认可。国外对宽带多媒体卫星的研究工作起步较早，美国和欧洲都掌握了宽带多媒体卫星的多项关键技术。欧洲大陆提出了六个多媒体卫星通信系统计划9，即欧空局的ARTEMIS卫星系统和EuroSkyway卫星系统，法国Alcate Espace公司的Skybridge计划，德国的DFS哥白尼计划，卢森堡的ASTRA-1H和ASTRA-1K计划。除上述计划外，还有欧盟

13、的SECOMS/ABATE试验计划等17。以前的宽带卫星系统为一至三代，现在欧洲和美国几家大公司开发的宽带卫星系统是属于新一代宽带卫星通信系统多媒体通信卫星网络，即称之为第四代，它的主要特点是采用星上处理和交换，把通信路由功能从地面中央设备转移到空间卫星上，改星上电路交换方式为快速数据分组交换方式，这种方式极大地提高了下行链路的利用效率，可以使网络业务提供商为用户提供数千兆的通信容量，满足多种通信的需求 8。上世纪90年代美国、欧洲涌现出了20多个“宽带卫星”计划，比如：美国 Motorola承建的“Teledesic”系统，阿尔卡特公司的“天桥（SkyBridge）”系统、休斯公司的“太空之

14、路（Spaceway）”系统、洛克希德马丁公司的“宇宙链路（Astrolink）”系统，这些系统应用于军事、经济各个领域，为不同用户提供各种各样的通信服务，包括互联网应用，宽带多媒体移动通信等10。美国自1997年以来，美联邦通信委员会（FCC）已开展了四轮多媒体卫星通信系统牌照申请的工作（Notice of Proposed Rule Making，简称NPRM），各个公司可以为各自提出的系统申请新的卫星频段（Ka或Q/V频段）或是采用Ku频段中的非静止轨道卫星频段。至今已经提出了23个Ka波段系统（涉及91颗静止轨道卫星（GSO）和500颗非静止轨道卫星（NGSO）、16个Q/V系统（涉及

15、95颗GSO卫星和66颗NGSO卫星）和6个Ku波段NGSO系统（涉及238颗NGSO卫星） 。最终获得FCC许可证的Ka频段系统有14个，其中有名的系统是Astrolink、Echostar、Spaceway、Millenium、NetSat28、Orion、Teledesic等15-19。与欧美等其它国家相比，我国的多媒体通信卫星起步较晚。但事实上中国是世界上最适合发展卫星通信的国度之一，有三分之二的国土面积不适宜铺设地面光缆，生活在那里的人民要享受宽带多媒体信息服务，空中宽带可能是唯一途径。而在地面网比较发达或即将发达的地区，虽然卫星通信有可能不是主要传输手段，但依然可能成为地面网很好的

16、补充。从1984年我国第一颗实用通信卫星投入使用，这期间通信卫星的技术发展有了跨越式的进步。到2000年4月底，我国国际互联网的总带宽已达700MHz，其中利用卫星的带宽为208MHz。国内的因特网用户已达1000万，按目前国际发展现状，如有10的用户通过卫星接入因特网，则其用户可达100万，可见其潜力巨大。就宽带多媒体卫星而言，典型的应用是中国教育卫星宽带多媒体传输平台，这是教育部现代远程教育工程，己完成了与中国教育科研网的高速互联19。目前，虽然我国还没有自己的宽带多媒体卫星通信系统，但利用现有的通信卫星进行多媒体通信的应用却是方兴未艾。国内针对宽带多媒体卫星网络的管理研究尚处于预研阶段。

17、中国气象局卫星通信网采用SNMP技术和产品实现对卫星通信的射频、中频等设备的集中、统一管理，进而与采用标准商用SNNP协议的地面网络的实现统一管理20。综上所述，宽带多媒体卫星网络管理系统是我国正在建设中的新一代宽带多媒体卫星系统的重要组成部分。但是针对它的网络管理系统还十分不完善，而配置管理和性能管理又是网络管理中非常重要的模块，所以针对宽带多媒体卫星网络管理系统研究其配置管理和系能管理以提高网络的使用效率、保证卫星系统的安全可靠和有效运行具有十分重要的现实意义。1.3 本文研究内容为了使卫星网络能够长期可靠的运营，保证多种业务传输的质量，卫星网络管理系统成为卫星系统中主要研究工作。通过检测

18、他的运行状态，性能数据等方法，可以及时发现网络故障并加以解决，优化网络资源分配，从而使网络高效正常运行，怎么保证网络性能和服务质量，是网络管理中研究的关键，也是本文的研究重点。本文以卫星网络管理系统的研究为主线，着重对配置管理和性能管理进行研究。第一章介绍了宽带多媒体卫星网络以及国内外卫星网络管理的研究现状。第二章对宽带多媒体卫星网络、管理体系结构各部分功能进行了详细的介绍，研究ATM技术在宽带多媒体卫星网络中的应用。第三章对宽带多媒体卫星网络管理系统的总体叙述。第四章对宽带多媒体卫星网络的网络管理系统的配置管理进行研究设计并进行仿真。2 宽带多媒体卫星网络宽带多媒体卫星系统是由宽带多媒体卫星

19、、地面网管控制传输中心及远端卫星终端设备组成的系统，可与地面网络通过标准接口互连互通22。根据星上有效载荷的配置情况，宽带多媒体卫星系统可以分为“透明”转发的通信卫星系统和具有星上处理和交换能力的通信卫星系统。“透明”通信卫星对信号只进行频率变化和功率放大，并不对信息本身进行处理，所有的数据信息处理和通信协议处理都在通信卫星系统的用户终端、关口站和地面网络管理控制中心进行。“透明”转发卫星的系统灵活性受到了很大的限制，对于日益增长的地面终端用户数量及多种业务传送需求显得力不从心。新一代宽带多媒体卫星系统采用星上处理和交换机制，具有信道化处理、星上信号再生、信息存储交换等多种处理能力，大大提高了

20、信息传输质量和系统的灵活性，以适当增加星上设备处理能力的方式大大降低了地面设备信息处理的压力，为拓展地面应用系统开辟了宽阔的渠道25。本章研究了卫星网络的拓扑结构，并讨论了ATM技术和ATM技术在宽带多媒体卫星网络中的应用。2.1 宽带多媒体卫星网络拓扑结构宽带多媒体卫星系统中的通信实体由空间段和地面段两部分构成。空间段为一GEO卫星，星上具有基带信息处理和ATM交换的功能22。地面段由一个网络控制中心以及若干个地面终端和关口站构成。关口站主要提供宽带多媒体卫星系统和地面固定网络的互通能力，也可以供用户终端接入卫星通信网；专用终端为宽带多媒体卫星用户提供直接接入服务，能够提供多种不同的业务接入

21、类型，专用终端可根据用户需求和性能选用不同配置；网络控制中心是宽带多媒体卫星系统监测网络整体性能，管理和控制网络资源以及维护网络正常运行的核心，负责全网基本管理参数的收集和处理,管理策略的制定和调整，管理行为的发动和实施以及各种业务的接入和发布等工作22。系统采用ATM传输交换体制，通过标准接口与地面网络互联互通，为用户提供视频、数据通信以及互联网接入等各类服务。宽带多媒体卫星网络的网络拓扑结构22如图2.1所示。图2.1 宽带多媒体卫星系统的网络拓扑结构在宽带多媒体卫星网络系统中采用多波束通信方式，由32个点波束构成。由于采用GEO卫星，其覆盖方式既是卫星固定覆盖同时也是地球固定覆盖。每个波

22、束分配一个转发器，每一个转发器带宽是128MHz。系统上行采用MF-TDMA多址方式，每个点波束由48个子载波组成，每个子载波的带宽为2Mbps，采用TDMA方式接入，可以支持的终端上行速度为16kbps2Mbps；关口站可以根据带宽预分配的情况，支持2Mbps100Mbps的上行速率；网络的下行采用TDM多路复用方式，每个波束采用单载波，可以支持100Mbps的数据速率。关口站的数量可以根据该波束覆盖下的地区内业务量而定17。2.2 ATM技术2.2.1 ATM技术简介ATM(Asynchronous Trallsfer Mode)顾名思义就是异步传输模式，是国际电信联盟ITU-T制定的标准

23、，根据多年的实践运用，国际电信联盟经过协调研究，于1988年正式命名为Asynchronous Trallsfer Mode技术，推荐其为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式28。ATM是一种面向连接的快速分组交换技术。ATM信元有48个字节信息域和5个字节的头。头中的VPI和VCI保存有路由信息。ITU-T的规范I.356建议29定义了ATM中的一些服务质量性能参数；信元差错率CER、信元丢失率CLR、信元误差率CMR、严格信元块错误率SECBR、信元传输时延CTD、信元时延抖动CDV、平均传输时延MCTD。并且将不同业务主要分为4种业务类型，即：恒定比特率(CBR，constant

24、 bit rate)、可变比特率(VBR，variable bit rate)、可用比特率(ABR，available bit rate)和未定比特率(UBR，unspecified bit rate)业务。这些不同的业务类型具有各自不同的业务特性和QoS要求29。地面ATM对于不同多媒体业务的调度策略，常称为ATM网络连接允许控(CAC，Connection Admission Control)，已有非常广泛的研究，大致可分为基于模型和基于测量两大类28。上述四种业务中，UBR业务适合于那些非实时的、无QoS要求的应用。由于UBR业务不要求任何的QoS保证，因此对于该业务可以不执行CAC过程

25、，任何属于UBR业务的连接建立请求均能被网络接受，但网络并不为其分配相应的资源（如带宽），当网络空闲时就传送UBR业务信元，当网络拥塞时，首先可以丢弃UBR信元。因此地面ATM资源调度策略的相关研究文献大多主要将重点放在CBR、VBR和ABR等高等级业务的连接允许控制机制上。这会对Internet中大量存在的尽力传输业务（UBR业务）有很大的负面影响30。在保证高等级业务QoS前提下，尽量提高UBR业务的性能这方面的研究文献还比较少。ATM是一种传输模式，在这一模式中，需要传输的信息被用户封装为信元，由于来自用户的各个信元不需要周期性出现，因此这种传输模式是异步的31 32。ATM信元分为固定

26、的53字节，由2个部分组成，分为信头和信元净荷。信头由5个字节组成，主要功能是确定虚通道和虚通路。在信头的组成部分中，虚通道标识符（VPI）和虚通路标识符（VCl）是最重要的。这两个部分构成了一个信元的路由信息，该信息表示这个信元的来源和去处，并完成相应的路由控制；信元净荷由48个字节组成，用来装载来自不同用户，不同业务的数据。如图2.2所示：图2.2信元的基本结构封装成统一格式的信元传递到接收端后转化成所需的格式。由于ATM技术交换过程简单，省略了不必要的数据校验，信元格式固定容易处理，因此ATM交换速率大大高于传统的数据网。由于ATM拥有网络传输数据的速率较高的特点，因此，ATM网络采取了

27、一些有效的业务流量监控机制，把网络拥塞发生的可能性降到最低。对不同的业务进行不同的处理，分配不同的网络资源，这样就保证了不同的业务在网络中相互独立，互不影响。2.2.2 ATM交换原理与传统的IP传输方式是面向无连接的方式不同，ATM传输是一种面向连接的交换方式，ATM采用了虚连接技术，将逻辑子网和物理子网分离。当信元到达交换机时，ATM交换机根据ATM信元的头部信息，参照ATM路由表进行交换。其工作过程大致是：ATM交换机接受来自指定输入端口、带有VPI/VCI标记的特定信元，然后根据VPI/VCI的标示查找对照表找出其对应的交换机输出端口，对照表将给出该交换机的一个对应输出端口以及用于更新

28、信头的VPI和VCI值，再按照新的VPI/VCI值进行转发。ATM交换机和VPI/VCI的关系如图2.3所示：图2.3 VPI/VCI交换过程示意图由于ATM采用了虚连接技术，可以将逻辑子网和物理子网分离，在两个通信实体之间建立虚通路，将路由选择与数据转发相分离，使传输中间的控制较为简单，进而解决了路由选择瓶颈问题。设立两级寻址，虚通道由多条复用的虚通路组成的，网络的管理和交换功能只需作用在虚通道一级，降低了网络管理控制的复杂性。不同连接的数据通过虚通道和虚通路标示符来进行区分，同一条通路上传输的数据单元均在相同的物理线路上传输，信元会按照从源节点发送的顺序先后到达接收端，因此避免了分组交换中

29、无序接收的缺点，保证了数据的连续性，更适合于多媒体数据的传输11。2.3 ATM在宽带多媒体卫星通信网络中的应用2.3.1 卫星ATM网络的优点尽管每个ATM信元53字节有5个字节报头，冗余量占9.4%。但效率提高的主要原因是灵活的带宽分配。宽带多媒体卫星通信网络将卫星通信和ATM技术的优势结合起来，具有宽带宽、传输速率高、可以灵活分配带宽以及可以满足多媒体业务的需求等特点。还具有以下优点：32 33 341. 覆盖面积广。卫星可以在其波束覆盖范围内的任意地区提供多媒体业务。2. 简易交换的控制过程。ATM交换是根据信元头中VPI/VCI进行的，因此不需要外部的控制就可以进行路由交换，所以交换

30、的控制被降到了最低程度。3. 信息处理速度快。由于ATM信元有其固定的格式，信息的存储、传输、处理均以信元为基本单位，因此信息的处理速度较快。4. 网络的灵活性较高。ATM可以传输不同速率的业务，因此，传输速率不相同的各终端均能接入到网络中，实现相互兼容。此外，可以通过对各个终端定义不同的虚通道地址，可以建立不同的网络层次结构，满足特定的要求。5. 网络控制和管理简易。由于ATM信元规定好了其特定的标识符，因此可以在网络中定义一条或多条信令通道，还可以为网管信息定义特定的信道，这样利用这些通道各地球站、网络管理中心、星上控制器之间，传送管理和控制信息就变得更加的简单。6. 提供的服务具有种类多

31、、灵活的特点。在不同的地点建立ATM网络以后卫星可以提供十分灵活的多点传输、网络互连以及多媒体通信的要求。由此可见，ATM技术应用于卫星网络上，既可以发挥卫星投资少、见效快、通信容量大等特点，又能充分发挥ATM网的灵活性和适应性。卫星通信与ATM网的结合，为人们能够即时、便捷、低费用的获取信息提供了一个良好的平台。2.3.2 卫星ATM网络的结构卫星ATM网络结构有两种基本类型：一种是采用星上交换的卫星ATM结构；另一种是采用透明弯管的ATM结构。采用星上交换的卫星ATM结构中，交换部分是卫星的有效载荷，卫星负责ATM信元的交换，星上处理功能一般分布在地面网络管理中心与卫星ATM交换机之间。根

32、据网络的连接类型将网络划分为3种网络结构22：1. ATM网络接入，使用低速的卫星链路将远程ATM主机连接到地面网络上，星上交换与地面ATM网络的接口是网络与网络接口（NNI），ATM主机与星上交换之间的接口是用户网络接口（UNI）。2. 网状ATM，在网络中若干个卫星通过卫星之间的链路在空中形成一个ATM网络，提供ATM网络的接入与互连功能，卫星与卫星之间的接口是NNI。3. ATM网络互连，在这个网络中，卫星作为一个ATM网络的节点，它通过高速链路与多个地面ATM网络互连，接口是NNI。在采用透明弯管的ATM结构中，卫星上不具备处理和交换功能，卫星上只需配备最小的缓冲器，所有协议的处理都是

33、在地面的用户终端、关口站和网络管理控制中心完成。星上交换对于网络通信的连接安全性、传输稳定性、数据多样性等方面有着非常高的要求，这主要是因为受不稳定的卫星通信链路的影响。ATM网络技术在可靠性、服务质量支持、综合数据传输能力等方面有着得天独厚的优势，因此非常适合用于星上交换。而且，对于资源分配和媒体接入控制可以采用星上处理的方式，运用竞争接入、预约接入或固定媒体接入控制的方法来实现。此外，ABR业务实际速率分配、缓存管理等也可以在星上完成，利用交换算法和自适应路由，星上交换可以使网络更有效地利用，比透明的弯管结构具有更优越的性能和更强大的网络功能。3 宽带多媒体卫星网络管理系统网络管理就是监督

34、、组织和控制网络通信服务和信息处理所必需的各种活动的总称。网络管理的目标是确保网络的连续正常运行，或者当网络运行出现异常情况时能及时响应和排除故障。网络管理是计算机网络领域中的关键技术之一，在当前大型网络的建设过程中，必须把网络管理作为重要的建设内容34。宽带多媒体通信卫星系统不同于传统的单星通信模式，系统的设计是为了提供一个具有多业务接入和承载能力，具有QoS保障且具有开放和简单接入手段的基础平台。因此,做为整个系统的核心,网管系统必须要在网络通信所涉及的各个层面以及业务层面上提供强大而高效的管理和控制22。同时随着卫星通信网络从弯管透明转发向基于星上交换和星间链路的第三代智能化信息网络的发

35、展以及星上处理能力的增强，使得原先应用于地面网络管理的技术和标准能够应用于实施对空间网络的管理22。宽带多媒体卫星网络由于其规模庞大，组成设备复杂多样，不适用单纯的集中式管理、分层管理或分布式管理。同时，由于卫星网络本身所特有的动态性、高时延特性、异构性以及资源的有限性，传统的面向对象的公共管理信息协议和简单网络管理协议都不能充分适应于这种网络，因此，为了满足网络管理高效性和准确性的要求，必须根据需要采用新的具有更高适应性的网管协议。本章在分析了一般网络管理体系结构，建立了宽带多媒体卫星网络管理体系结构，对其通信机制和功能模型进行了介绍。研究和分析了以SNMP协议网络管理和其它代表性协议为主流

36、技术的网络管理技术，通过比较在此选用SNMP协议作为其管理协议。3.1 宽带多媒体卫星网络管理系统体系结构由于宽带多媒体卫星网络是一种具有高度复杂性、异构性和动态特性的网络系统，其独有的网络运行特性排斥了完全集中和完全分布的管理体系。因此，在考虑包含有线网络、移动无线网络在内的现有地面网络管理体系的基础上，针对卫星系统的现状和发展趋势，遵照卫星网管理的特征要求和性能需求，建立一种在空间集中管理（空间只有一颗卫星或者近期网络规模不大的情况下），地面分层次管理扩充的管理体系，实现具有灵活性、可扩展性、积极的网络管理。3.1.1 宽带多媒体卫星网络管理体系结构宽带多媒体卫星网络是天地一体化的综合性网

37、络，这种具有异构性，高度复杂性和动态性特点的网络，其独有的网络运行特性排斥了完全集中或完全分布式的网络管理体系：宽带多媒体卫星网络由于其规模庞大，组成设备复杂多样，不适用传统的集中式管理；若采用标准的分层管理，又因为关节点过多，使网络的可靠性和抗毁性得不到保证；而使用分布式管理，当一个节点受到安全攻击时，将对整个网络构成威胁。在深入分析和研究有线网络、移动无线网络等现有地面网络管理体系后，针对宽带多媒体卫星系统的现状和未来的发展趋势，提出了适合本卫星系统的网络管理体系：建立一种在空间集中管理（空间只有一颗卫星或者近期网络规模不大的情况下），地面分层次管理扩充的管理体系，实现具有灵活性、可扩展性

38、、积极的网络管理17-21。该体系可以相对独立划分为天基和地基两个部分，天基部分主要是多媒体宽带卫星，地基部分由地面控制网络和通信网络组成。按级别层次划分为：网络管理总控中心，分控中心（未来扩展），以及各种终端，如图3.1所示。图3.1 宽带多媒体卫星网的组织模型在宽带多媒体卫星网络中网络运维总控中心位于网络中权限最高的位置，负责对地面网络以及空间卫星的网络管理，对网络运行进行总体规划和控制，对关键事件进行分析、处理和调度，是网络管理的核心。另外，为了增加网络的可扩展性，在网络中设置了用于未来网络扩展所设置的网络运行维护分控中心，它负责管理其所属管理域范围内新增加的网络，它向总控中心管理站报告

39、新生成的任务、性能、故障等网络状态，接受中心管理站的管理，接收其下达的任务，实现动态的网络管理。设置分级管理站的优点是：不仅能够利用集中式管理的优点对全网的运行状态进行集中控制，又能利用分布式网管的特点及时、准确、灵活地发动网络管理行为，大大地提高了整个网络管理系统的灵活性和扩展性17 18 27。3.2 宽带多媒体卫星网络的通信机制3.2.1 通信链路为了达到对网络进行有效网络管理的目的，在对网络进行管理时分为三条通信链路：网络管理控制中心与宽带多媒体卫星之间的通信链路；网络管理控制中心与地面终端之间的通信链路；宽带多媒体卫星与地面终端的通信链路17。如图3.2所示。图3.2 网络管理的通信

40、链路1. 网络管理控制中心与宽带多媒体卫星之间的通信链路网络管理控制中心通过卫星链路对星载交换机网络管理代理发送指令，星载交换机网络运维代理通过此链路将网络运维对象以及基本网络管理参数传递给网络管理控制中心，从而实现控制中心对于网络运维相关指令的实现17。地面向卫星无线资源分配单元提出无线资源申请信息，由于卫星链路的长时延性会导致当应答信息到达地面后，收到的分配信息与申请不符的情况。为了避免此情况的发生，可将无线资源分配单元设置在卫星平台上，由卫星负责向地面终端分配无线资源。网络管理控制中心通过与无线资源分配模块之间的通信链路，实现了对于整个网络运行情况和无线资源的监控和管理。具体体现在两个方

41、面：一方面，网络管理控制中心可以通过无线资源分配单元了解到网络的负载情况，进而对网络拥塞做到提前预防，保证网络的健康性。另一方面，无线资源的分配必须按照网络管理控制中心确认的合法用户来进行分配，从而保障了系统的安全性18。2. 网络管理控制中心与地面终端之间的通信链路网络管理控制中心与地面终端之间的通信链路分为两种。一种是终端入网时用于身份识别与认证的接入链路。当终端要接入网络中时，首先将自己的身份认证信息发送到接入链路中，网络管理控制中心接到认证信息时，首先进行判断，然后将鉴权结果发送回到终端。另一种是用于对于终端设备进行管理的专用管理链路19。管理链路用于对于网络的常规管理，网络管理控制中

42、心通过此链路向终端发送网络管理指令，终端通过这条链路向网络管理控制中心发送应答信息17。3. 宽带多媒体卫星与地面终端的通信链路地面终端与宽带多媒体卫星之间的通信链路在网络管理中主要用于网络管理动作指令的传送以及宽带无线资源的分配，为保证网络管理信息特别是无线资源快速及时到达目标终端，保证通信的正常进行，在链路中定义了传输无线资源分配和网络管理的专用的通信链路来完成无线资源的分配和网络管理信息的传递17。3.2.1 通信机制1 网络管理控制中心与宽带多媒体卫星之间的通信网络管理控制中心与宽带多媒体卫星之间的承载的通信主要分为两种19：第一种是网络管理控制中心与星载网络管理代理之间的通信；另一种

43、是网络管理控制中心与卫星之间无线资源的分配信息的交互。在第一种通信中为了达到网络管理信元能够及时准确地传递，信元采用特定的VPI/VCI标识承载着网络管理PDU，当用于网络管理的ATM信元发送到星载ATM交换机时，被直接交给交换机内部的网络管理代理模块，网络运维代理管理模块将接受到的ATM信元还原为网络管理PDU，并对PDU进行解析以及返回应答PDU。交换机网络管理代理向网络管理控制中心发送的网络管理PDU通过AAL5适配成管理用ATM信元，进过网络管理中心所在波束的下行信道传递到网络管理中心，网络管理中心接到管理信元后，将信元重组为网络管理PDU，提取信息存入网络管理信息库27。第二种通信是

44、为了防止网络的非法接入，以及对于网络状态的监控、性能的管理。由于网络管理中心拥有自己独有的信道，所以无线资源分配信息的传递不需要专用时隙的分配。但是为了统一星上基带信息的处理，提高带宽利用率，将网络管理中心与卫星之间无线资源的交互，也定义在统一的无线资源申请时隙上，从而降低了卫星平台的负载28。2 网络管理控制中心与终端设备之间的通信网络管理控制中心与终端之间的通信也是利用ATM信元传递来实现，ATM信元的传递需要经过星载ATM交换机来实现，其中网络管理控制中心与终端之间传递的网络管理信息主要有常规管理信息以及接入控制管理信息，常规管理信息用于终端接入管理的接入通信链路通过使用各波束子载波中的

45、接入管理时隙和下行接入应答时隙，接入控制管理信息用于网络管理信息传递的网络管理链路使用各波束子载波中的上行网络管理专用时隙和下行网络管理信息时隙，通过对这两种信息划分专用时隙，可以将信息相对独立的进行传输，避免了信息之间的相互影响17。同时可以利用定义好的特殊VPI和VCI字段，识别普通数据信元与网络管理信元，从而提高传输和处理效率，避免了在网络管理控制中心与终端之间建立永久虚通道所带来的巨大资源花费。3.3 SNMP协议SNMP协议是Internet组织为适应Internet的发展而制定的网络管理协议，它提供的管理操作简单而实用，采用“取”和“存”的运作机制进行操作，即管理者可以通过“取”操

46、作从被管理对象获取所需的管理信息，通过“存”操作对被管理对象的值进行修改和设置，从而达到对被管理对象进行监视和控制的目的。SNMP协议设计简单，不需要复杂的实现过程，也不会占用太多的网络资源，使用方便。SNMP协议的另外一个优势就是使用非常广泛，几乎所有的网络管理人员都喜欢使用简单的SNMP来完成工作操作。这就促使各大网络硬件产品商在设计和生产网桥、路由器等网络设备时都加入了对SNMP协议的支持。良好的可扩展性是SNMP协议的另外一个可取之处。因为协议本身非常简单，所以对协议的任何升级或扩展也非常方便，从而能够满足今后网络的发展需求。3.3.1 SNMP协议体系结构SNMP由三个部分组成：信息

47、管理结构（SMI），管理信息库（MIB）以及SNMP协议。信息管理结构SMI是管理信息库MIB中对象定义和编码的基础，它采用ASN.1(抽象语法表示)定义管理对象。管理信息库MIB是设备所维护的全部被管理对象的结构集合，以树形结构来表示。SNMP协议是互通管理信息的途径，定义了协议操作，消息格式以及如何在应用程序和设备之间交换消息10。3.3.2 SNMP消息格式1.SNMPv1/2数据报格式如图3.3所示：图3.3 SNMP消息格式数据报由IP首部，UDP首部和SNMP报文组成。对于SNMP报文，格式如图3.4所示：图3.4 SNMP报文（1）公共SNMP首部公共SNMP首部共三个字段：版本

48、；共同体；PDU类型。版本：标识SNMP消息的版本。共同体：就是一个字符串，作为管理进程和代理进程之间的明文口令，常用的是“public”。 PDU类型：标识PDU的类型，如GetRequest，SetRequest等。（2）get/set首部请求标识符（request ID）：是由管理进程设置的一个整数值。代理进程在发送get-response报文时也要返回此请求标识符。管理进程可同时向许多代理发出get报文，这些报文都使用UDP传送，先发送的有可能后到达。设置的请求标识符可使管理进程能够识别返回的响应报文对于哪一个请求报文。差错状态（error status）：由代理进程回答时填入0到5中

49、的一个数字，描述如表3.1。表3-1差错状态差错状态名字说明0noError一切正常1tooBig代理无法将回答装入到一个SNMP报文之中2noSuchName操作指明了一个不存在的变量3badValue一个Set操作指明了一个无效的值或无效语法4readOnly管理进程试图修改一个只读变量5genErr某些其他的差错差错索引（error index）：当出现noSuchName，badValue或readOnly的差错时，由代理进程在回答时设置的一个整数，它指明有差错的变量在变量列表中的偏移。变量绑定（variable-bindings）：变量绑定指明一个或多个变量的名和对应的值。在Get或

50、Get-Next报文中，变量的值应忽略。Trap是SNMP代理主动发给管理端的通知消息，其数据报文的格式如图3.5所示：图3.5TRAP报文格式2. Snmpv3的消息格式如图3.6所示：图3.6SNMP消息格式SNMPv3消息包括报头、安全性参数和数据三个部分。（1）报头部分msgVersion：SNMP消息的版本；msgID：消息标识符，用于在实体间调整诸求和响应消息；msgMaxSize：最大消息尺寸；msgFlags：消息标志；msgSecurityModel：消息安全模型。（2）安全性参数部分msgAuthoritativeEngineID：命令式引擎的snmpEngineID值；m

51、sgAuthoritativeEngineerBoots：命令式引擎的snmpEngineBoots值；msgAuthoritativeEngineerTime：命令式引擎的snmpEngineTime值；msgUserName：用户名；msgAuthenticationParameters：消息认证参数；msgPrivacyParameters：消息加密参数。（3）数据部分contextEngineID：标识SNMP实体的上下文引擎ID；contextName：表示引擎内部的上下文；PDU：SNMP协议数据单元，同SNMPv1、v2。3.4 功能模型在实际网络管理过程中，网络管理具有的功能非

52、常广泛，包括很多方面。在OSI网络管理标准中定义了网络管理的5大功能：配置管理、性能管理、故障管理、安全管理、计费管理34。这5大功能是网络管理最基本的功能。事实上，网络管理还应该具有一些其它功能，比如日志管理、网络操作人员的管理等。但是除了基本的网络管理5大功能，其他的网络管理功能实现都与具体的网络实际条件有关。因此在宽带多媒体卫星网络管理系统的设计工作中我们主要关注这五大基本功能。3.4.1 配置管理功能模块配置管理是网络管理中的最基本任务，也是卫星网网络管理中最主要的功能之一，是其他管理功能的桥梁，也是现有网络管理应用领域里最成熟的功能。配置管理功能模块主要是对网络中的设备以及网络配置一

53、定的运行参数，这些配置信息是保证网络正常运行的基础，也是网络管理系统中其它功能实现的基础，而且网络管理系统中其它的功能模块也可以通过改变设备以及网络的配置信息，来实现相应的功能34。3.4.2 计费管理功能模块计费管理功能是在提供服务的同时加强成本效益核算，以合理利用网络资源、提高效益及资源使用的有效性。计费管理功能主要是度量各个终端用户和应用程序对网络资源的使用情况，根据用户和应用程序占用网络资源的情况，采用与具体实现有关的各种算法来计算其对网络资源的使用情况，对于网络资源的分配提供指导，通过计费管理，网络管理可以跟踪用户对于网络资源的使用情况，收取合理的费用，以促使用户更加合理地使用网络资

54、源，维持网络的运行和发展34。在传统的网络中，网络计费通常采用的是基于时间或者是基于流量的单一策略。但是随着网络技术的发展网络上传输的业务种类越来越多，特别是在宽带多媒体网络中实时多媒体业务越来越多地被应用，这种传统的计费方式不再适用。因此就需要根据提供业务的服务质量（QoS）来进行计费。因此在本系统中，根据宽带多媒体通信卫星系统中的不同类型业务，可以采用基于业务类型和QoS相结合的计费方式。3.4.3 安全管理功能模块安全管理是空间网络管理系统的关键，它关系到整个网络的安全性和可靠性，安全管理是实现其它管理功能以及使网络正常运行的保证。安全管理控制对网络中的信息的访问过程，包括：生成、删除和

55、控制安全服务的能力；发放有关安全的信息；报告有关安全的事件。网络安全管理有两层含义：即网络的安全管理和安全的网络管理，相应地，安全管理的功能也分为两部分：一是网络管理系统本身的安全，二是被管网络对象的安全。一般来说主要包括34：1. 网络用户身份验证与授权；2. 管理信息存储和传输的加密与完整性；3. 分组管理与访问控制；4. 系统日志分析；5. 网络资源的访问控制；6. 告警时间分析；7. 主机系统的安全漏洞检测；8. 自主地进行安全检测与防御；9. 监视并阻止非法入侵。3.4.4 性能管理功能模块性能管理的目的是对网络资源进行使用状况的监视、分析、统计与评估，通过从网元采集各种性能数据，经

56、处理后产生各种性能报告，为维护部门和管理部门提供信息。性能管理可以测量网络中硬件、软件及传输线路的性能。通过测量并运用网络的整体吞吐量、利用率、错误率或响应时间等性能管理信息，管理者可以保证网络具有足够的容量以满足用户的需要34。一般的，性能管理将具有以下这些基本功能34：1. 性能数据收集；2. 阈值控制；3. 性能分析；4. 可视化的性能报告；5. 被管对象的管理；6. 实时性能监控；7. 网络性能模拟。宽带多媒体通信卫星系统中的性能管理主要包括星务系统、星载交换系统、网管控制中心交换系统的以及终端的性能参数收集、性能分析和性能告警以及性能维护。3.4.5 故障管理功能模块故障管理功能模块

57、的主要功能是分析故障事件的原因，找出解决方案，通过找到已发生故障或潜在故障的根本原因，来达到减少以及避免故障的再次发生的目的。在网络管理系统中故障管理的对象主要包括设备出现故障，发生频率较高的事件，以及被网络管理人员标记为故障的事件34。故障管理功能模块的逻辑结构大致分为三层：故障数据采集层、故障数据分析层、故障数据表示及处理层，结构如图3.7所示34。图3.7故障管理功能模块逻辑结构图3.5 管理功能模块之间的关系宽带多媒体通信卫星网络管理系统的各个功能模块体现出了网络管理系统的主要职责，各个模块之间的功能存在着相互的重叠，各个模块之间并非相互的独立，各个模块功能的实现需要其他模块的协作和配

58、合。例如，配置管理功能可以用于所有的功能域。从面向业务的角度看，网络能否提供可靠和优质的服务是网络管理者最为关心的，因此其中的故障管理就显得尤为重要，故障管理功能模块可以根据性能功能模块提供的参数来进行判断并处理故障信息的，故障管理无法彻底解决故障，还需配置管理提供对网络的设置，以修复故障，实现网络的有效重构34。因此，宽带多媒体通信卫星网络要提供可靠高效的服务需要各项管理功能模块的相互协作和配合，进行综合处理。下面通过各模块的工作过程来具体说明模块之间的关系。1. 配置管理功能模块工作过程配置管理功能模块从网络管理中心得到网络设备参数以及变更信息。接收终端用户的接入、删除、修改请求，并给予答

59、复。当系统发生故障时，故障管理功能模块向配置管理功能模块发出配置修改请求，启动恢复行动，修复、替换或隔离故障部件。同时，配置管理功能模块对终端用户身份验证实现了终端设备接入的安全，如图3.8所示。图3.8配置管理功能模块工作过程2. 故障管理功能模块工作过程故障管理功能模块分析网络中出现的故障事件，并记录故障信息，然后采取相应的处理方法，通过配置管理功能模块和性能管理功能模块，对设备以及网络进行参数的修改，以及对网络资源做出调整，已达到解决故障的目的。如图3.9所示：图3.9故障管理功能模块工作过程3. 性能管理功能模块工作过程性能管理功能模块从网络中获取当前网络中设备的性能指标，从终端用户获取与之相关的网络设备的性能查询请求并给予答复。根据收集到的统计数据和故障管理功能模块提供的故障情况计算网络性能参数，并作为规划管理的参考，当发现可能的故障条件时向故障管理模块告警。如图3.10所示。图3.10资源管理功能模块工作过程4. 安全管理功能模块的工作工程安全管理功能模块从网络管理者获得用户的访问权限。接到用户的访问请求后对用户的身份进行验证、授权。根据用户的权限来控制用户网络资源和其他网络功能模块的访问。如图3.11所示。图3.11安全管理功能模块的工作工程5. 计费管理功能模块工作过程计费管理功能模块相对独立。该模块从网络管理中心获得相应的计费方法、计费公式，计算用户的相关费用。