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浙江大学硕十学位论文基于高速以太网现场总线 ( h s e )网络管理的研究与开发 摘 要 在当前工业控制领域中，工业以太网成为控制网络发展的焦点与趋势，人 们试图用以太网统一现场总线标准。 高速以太网h s e 现场总线把商用以太网引 入过程控制领域，为过程控制提供 了 一个低成本、高速、高带宽、支持多种协 议的通信网络。h s e的目的不仅是把以太网应用于过程控制，同时为企业的信 息集成、建立性能优良 的企业网提供了基础。 网络管理系统维护网络的正常运行同时使网络中的各种资源得到有效的利 用。针对于应用在工业现场的工业以太网，网络管理应该使工业以太网满足用 户对系统稳定性、实时性、安全性、准确性等各个方面的要求。因此，网络管 理成为目 前工业以太网的重要研究课题之一。 本文以 基于高 速以 太网 ( h s e , h i g h s p e e d e t h e m e t ) 现场总线的网络管理 系统为研究对象， 对h s e网 络管理系统的t c p / i p 协议管理、h s e 用户层协议 管理、网络冗余管理进行了深入研究。提出了一种基于集中式管理与 分布式管 理协同工作的网络管理体系结构。本文在对相关协议分析的基础上还给出了实 现h s e网络管理系统的方法。 本文首先介绍了控制系统的最新进展情况，分析了工业以太网的特点以及 发展趋势，由此提出了网络管理在工业以太网中的重要性。接着，本文以h s e 现场总线协议为基础，结合网络管理的作用、功能与规范，提出了一种基于集 中式+分布式的网络管理体系结构。h s e 现场总线协议的网络管理系统除了具 有独特的体系结构， 模块化的管理模式也是其一大特点。 本文提出了h s e现场 总线中的各个网络管理模块的模块化设计和实现方案，包括s n mp网络管理模 块的设计与实现、 h s e用户层协议网络管理模块的设计与实现、h s e网络冗余 管理模块的设计与实现。最后，木文对项目的工作进行了总结，并对后期工作 进行了展望。 【 关键字】:h s e ，现场总线，高速以太网，网络管理，s n mp ，网络冗余 浙江人学硕1 : 学位论文基寸 1 高速以太网现场总线 ( h s e )网络管理的1 7 1 究与开发 ab s t r a c t i n d u s t r i a l e t h e rne t h a s b e e n t h e f o c u s i n c u r r e n t c o n t r o l f i e l d , p e o p l e a t t e m p t t o u s e e t h e rne t t o u n i f y fi e l d b u s s t a n d a r d . h i g h s p e e d e th e rn e t ( h s e ) p r o v i d e s s p e c i fi c a t i o n s f o r a c o s t - e ff e c t i v e , h i g h - s p e e d , p l a n t - w i d e n e t w o r k f o r p r o c e s s c o n t r o l u s i n g c o m m e r c i a l o ff t h e s h e l f ( c o t s ) e t h e rn e t h a r d w a r e a n d s o ft w a r e . h s e r u n n i n g a t 1 0 0 m b i t / s i s i n t e n d e d f o r u s e i n p r o c e s s a u t o m a t i o n , w h i l e a l s o p r o v i d i n g i n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n w i t h p l a n t m a n a g e m e n t a n d mi s s y s t e m s . t h e n e t w o r k m a n a g e m e n t s y s t e m p r o v e s t h e c o n t r o l s y s t e m w o r k w e l l , a n d p r o v e s t h e c o n t r o l s y s t e m m a k e g o o d u s e o f t h e n e t w o r k r e s o u r c e . t h e n e t w o r k m a n a g e m e n t s y s t e m s h o u l d p r o v e t h e c o n t r o l s y s t e m m e e t t h e r e q u i r e m e n t o f s t a b i l i t y , r e a l - t i m e a b i l i t y , s a f e t y , v e r a c i t y . s o t h e n e t w o r k m a n a g e m e n t b e c o m e s o n e o f t h e f o c u s t a s k s i n t h e i n d u s t r i a l e t h e rne t fi e l d . t h e n e t w o r k m a n a g e m e n t o f h s e f i e l d b u s i s u s e d a s t h e s t u d y o b j e c t i n t h i s p a p e r . t h i s p a p e r d e e p l y s t u d i e d t c p / i p p r o t o c o l s m a n a g e m e n t , h s e u s e r p r o t o c o l s m a n a g e m e n t , h s e l a n r e d u n d a n c y m a n a g e m e n t . a m e th o d o f n e t w o r k m a n a g e m e n t t h a t c o n s i s t s o f c e n t r a l i z e d m o d e p l u s d i s t r i b u t e d m o d e i s p u t f o r w a r d i n t h i s p a p e r . t h e m e t h o d t o i m p l e m e n t h s e n e t w o r k m a n a g e m e n t s y s t e m b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e h s e p r o t o c o l s i s a n o t h e r p a r t o f t h i s p a p e r . f i r s t l y , t h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e l a t e s t i n f o r m a t i o n o f c o n t r o l s y s t e m t h e n a n a l y z e d t h e p o i n t s o f t h e i n d u s t r i a l e t h e r n e t , a n d t h e n p u t f o r w a r d t h e k e y p r o b l e m t o u s e n e t w o r k ma n a g e m e n t i n i n d u s t r i a l e t h e rne t c o n t r o l n e t w o r k . s e c o n d l y t h i s p a p e r p u t f o r w a r d a m e t h o d t h a t c o n s i s t s o f c e n t r a l i z e d m o d e p l u s d i s t ri b u t e d m o d e , w h i c h b a s e d o n t h e h s e p r o t o c o l s a n d a n a l y s i s o f n e t w o r k ma n a g e m e n t . mo d u l a r i z a t i o n i s a n o t h e r c h a r a c t e r i s t i c i n h s e . t h i s p a p e r p r o v i d e d t h e p r o j e c t o f t h e n e t w o r k m a n a g e m e n t m o d e s i n t h e h s e , s u c h a s t h e p r o j e c t o f t c p / i p p r o t o c o l s m a n a g e m e n t m o d e , t h e p r o j e c t o f u s e r p r o t o c o l s m a n a g e m e n t m o d e , t h e p r o j e c t o f h s e l a n r e d u n d a n c y m a n a g e m e n t m o d e . a t l a s t , t h i s p a p e r s u m m a r i z e s t h e w h o l e w o r k a n d p r o s p e c t s t h e l a t e r w o r k k e y wo r d : h s e , f i e l d b u s , n e t w o r k m a n a g e m e n t , s n m p , l a n r e d u n d a n c y 浙江大学硕 卜 学位论文 基于高速以 太网现场总线 ( h s e ) 网 络管理的研究与 开发 第一章绪论 1 . 1 课题研究背景 现场总线是指连接智能现场设备和自 动化系统的数字式、 双向传输、多分 支结构的通信控制网络。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是 一种 全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂在总线上、作为网络节点 的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统。 实现统一、开放的现场总线标准始终是广大用户的愿望，但是不同行业及 应用现场的不同技术特点，特别是各大公司和企业集团在巨大商业利益的驱动 下限制了用户愿望的最终实现，从而形成了互不兼容、竞争共存、高速发展的 局面。国际电工委员会 ( i e c )于2 0 0 0 年 1 月4日公布了i e c 6 1 1 5 8 现场总线 标准， 容纳了8 种互不兼容的控制层协议， 另外还有三种设备级现场总线标准， 统称为i e c 8 + 3 ” 总 线标准 。 多 种现 场总线 标准共 存己 经成为不争的 事实。 生产厂商为了提高产品的竞争力，在开发某种产品时开始寻求为其配备多种现 场总线接口的方案，而用户在选用产品时也 要考虑所选用的产品与整个系统的 兼容性及可扩展性。现场总线标准互不兼容性给系统的集成和用户的使用、维 护带来了很大的不便。 1 . 1 . 1 控制系统网络化的发展背景 在一个现代化1厂环境中，由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分 散性，以及控制与监控等任务对实时性的要求，工业控制内在的需要一种分布 实时控制系统来实现控制任务。在一个自 动化工厂中，有着很多的通信任务请 求，为了满足这些通信任务的需要，传统的工业控制网络一般采用分层的体系 结构3 2 。 根据网 络的 地域大小， 连接的 设备的数量，网 络的 速度，网络的响应 图i -i 工厂自 动化的分层模型 时间和有效负荷的 大小， 传统的工业控制网络一般分为现场级，过程监控级和 工厂 一 管理级，如上所示。 现场级和过程监控层所组成的系统主要完成现场数据采集、存储、运算以 及特定的控制功能，对通信的响应时间要求较高，虽然在这两个层次所传输的 浙江大学硕士学位论文 基于高速以 太网现场总线 ( h s e ) 网 络管理的研究与 开发 数据量都不大， 但传输频率较高。 传统的现场级和过程监控级大多采用基于p c . p l c以 及d c s 的分布式控制系统。 其主要缺点是: 信息集成能力不强: 系统不 够开放，可集成性差，不易保证可靠性;可维护性不高。 8 0 年代末， 9 0 年代初发展形成的现场总线技术使得工厂自 动化中的现场级 和过程控制级发生了革命性的变化。现场总线是专门用于现场仪表“ i 控制系统 和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的 通信系统，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快以及开放性 等诸多优点。基于现场总线的自 动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使 得工厂自 动化中只个层次之间的信息交互更加方便、快捷、可靠，极大地增强 了现场级信息的集成能力。现场总线的互可操作性的特点给了用户在同一 个系 统中 选择不同 厂家提供的 产品的可能 。 现场总线是当今世界各国关注的热点问题，以现场总线为基础的全数字控 制系统是2 1 世纪自 动化控制系统的主流。目 前， 世界发达国家的自 动化公司都 以巨大的人力和财力投入，全方位地进行现场总线技术研究和实际应用，以期 待成为市场的主宰者。 商业利益的原因使得现场总线标准化工作变得十分复杂， 导致了工业控制领域中多种现场总线标准并存的局面。国际电工委员会i e c提 出的i e c 6 1 1 5 8 标准中就包含了8 种现场总线技术。 我国在现场总线技术上， 一 直是跟随着国外技术的发展，没有拥有自 主知识产权的现场总线标准。 1 . 1 .2 工业以太网的特点以及发展趋势 为了解决现场总线多标准共存的问题，人们开始关注在办公自 动化领域中 风靡全球的以 太网 ( e t h e rn e t ) 。工业以 太网是在以 太网的基础上定义了适用于 工业现场环境的应用层、用户层等高层协议而构成的。 工业以太网之所以受到广泛关注，是因为它主要有以一 几方面的优势: 首先，以太网是当今最流行和应用最广泛的通信网络，具有价格低、多种 传输介质可选、速度高、易于组网应用等优点。而且其运行经验最为丰富，拥 有大量安装维护人员。这样可以使工业以太网设备成本下降，同时降低用户的 维护成木。 其次，过去的十几年中因特网 ( i n t e r n e t )取得了蓬勃发展，业以太网易 与i n t e rn e t 联接 ( i n t e rn e t 中t c p的 数据流量要占9 5 % 以 上) ， 使得用户能 够通 过i n t e rn e t 对企业生产进行远程监控， 这可以 有效的提高企业生产率， 增强国际 竞争力。 再次，将工业以太网应用到现场设备层，有望统 一 现场总线标准，特别是 高速现场总线标准。 从而解决由于各种现场总线标准互不兼容而带来的一系列 浙江大学硕士学位论文基于高速以太网现场总线 ( h s e )网络管理的研究与开发 问题。 最后，工业以 太网可以 克服现场总线不能与 计算机网络技术同步发展的弊 端。可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展之外，使现场总线与 计算机网络技术很好地融合而形成相互促进的局面。 自 工业以太网提出以来， 很多大公司和科研机构都对其表示出极大的兴趣， 纷纷推出了各自的_ r 业以太网协议。 如以美国r o c k w e l l 公司为主的开放式设备 供应商协会 ( o d v a ) 提出的e t h e rn e t / i p ,由 现场总线基金会( f f ) 提出的高速以 太网 ( h s e ) ，以及由德国s i e m e n s 公司提出的p r o fi n e t 等。国内的相关科研机 构与公司也正在进行研究，尤其是浙大中控公司的 e p a ( e t h e rn e t f o r p r o c e s s a u t o m a t i o n ) 开放网 络通信平台，在将工业以 太网 应用于_ 业控制现场设备间 的通信上取得了可喜的进展。 1 . 1 .3 工业以太网中的网络管理 国内外学者近年来在工业以太网的研究工作中表明， 新技术的介入和具有实 时功能的以太网协议的产生，使工业以 太网将逐步成为工业控制网络的主流技 术。 碰撞冲突产生的带宽问题和排队时延的不确定性问题， 在理论上都得到了不 同程度的解决。 网络管理作为工业以太网中的重要研究对象之一 ， 成为现阶段的 研究热点。 网络管理，一般说来，就是通过某种方式对网络进行管理，使网络能正常、 高效地运行， 其目 的很明确， 就是使网络中的各种资源得到更加有效的利用， 它 维护网络的正常运行。 当网络出现故障时能及时报告和处理， 并协调、 保持网络 的高效运行等。 按照国际标准化组织t i n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o n f o r s t a n d a r d i z a t i o n ( i s o )的定义网络管理是有5 项内容: 网络配置管理，网络故障管理，网络性能 管理， 安全管理以及计费管理。 针对于应用在工业现场的工业以太网， 网络管理 应该使工业以 太网满足用户对系统稳定性、 实时性、 安全性、 准确性等各个方面 的要求。 1 . 2 论文任务与结构 本论文的任务是通过分析h s e 协议中的网络管理部分以 及t c p / i p网络管 理协议， 阐述了网络管理在h s e中的应用和实现， 并介绍了实现协议中的一些 比较通用的方法。 本文从网络管理的一般概念出发， 引入了h s e网络管理。 详 细介绍了h s e网络管理的概念、原理和结构，并对其实现给出说明。 沦文的结构如下: 本论文的前面部分介绍h s e现场总线方面的知识， 并阐述了网络管理的概 浙江大学硕 十 学位论文 基于高速以太网现场总线 ( h s e ) 网络管理的研究与 开发 念以及 h s e中网络管理的结构。接下来主要是按照h s e网络管理的三大部分 分别阐述了各自 应用的协议以及实现的方法。 首先，分析了h s e网络管理中的t c p / i p网络管理协议部分，阐明了简单 网络管理协议 ( s n mp ) ，并介绍了在 h s e现场总线系统中实现 s n mp网络管 理的构架和开发方案， 对于h s e中对s n mp 协议的补充部分也做了详尽的说明; 其次，分析了应用层以及用户层部分的网络管理协议，并对上层网络管理 协议的模型开发做了详尽的说明; 再次， 介绍了h s e冗余网络的拓扑形式， 阐述了冗余网络通信管理的协议， 以及实现的原理和实现框架，并详细说明了赛现的方注 浙江大学硕士学位论文 基于. v 速以太网现场总线 ( h s e )网络管理的4 o f 究与 开发 第二章基于高速以太网的现场总线协议 网络管理模型 e t h e r n e t的进一步 匕 速发展也引 起现场总线领域极大的注意力。 f f已 经放 弃原有的h 2标准把高速e t h e r n e t作为h 2的替代， 使高速e t h e r n e t成为高速现 场总线的新标准。现在f f的高速e t h e r n e t ( h i g h s p e e d e t h e r n e 七 一 h s e )己 经 成为国际标准。 h s e基于以太网，继承了以太网的优点，并且有效的解决了目 前商业以太 网用于工业现场的某些缺陷，被认为是能够应用到现场设备级别的协议。它是 现场总线技术和以太网技术的结合体。 2 . 1 h s e现场总线协议概述 2 0 0 0 年3 月， 现场总 线基金会完 成了 基于高 速以 太网 的 现场总线 协议( h i g h s p e e d e t h e rn e t , h s e ) 的第一版标准。 h s e 最大限 度地利用了目 前已 经在商业领 域普及的以太网技术，作为主干网络，处于f f h i 现场总线的上层位置。作为 使用以太网最大障碍的 c s ma / c d通讯控制模式，也通过网络的高速化以及标 准的交换机方式进行了改善，可以毫无妨碍地使用于实时控制。现场总线所独 有的现场仪表总线供电方式也通过使用以太网电缆中的备用电缆得到了解决。 并且， 本质安全防爆也通过 采用和h 1 相同的防 爆栅方式得到了 解决1 1 1 _ h i缨 h i in terla ce - 一 in te rfa cen f i e l d d e v i c e a c c e s s a g e n t i e e e 8 0 2 . 3 mac a n d p h y 5 n 1 p 图2 -1 h s e 协 议体 系结构 图 1为高速以太网现场总线 h s e的体系结构。 o d hse 以标准的以太网+ t c p ( u d p ) / i p为通信平台，定义了 应用层实时通信协议和用户层功能块应用进 程。h s e充分引用现有的商用网络协议:d h c p负责h s e现场设备 i p地址动 态分配;s n t p实现网络中各个现场设备之间的时钟同步;s n mp实现对 h s e 现场设备在线管理。f d a ( f i e l d d e v i c e a c c e s s )代理是高速以 太网现场总线协 浙江大学硕_ 学位论文基于高速以 太网现场总线 ( h s e ) 网络管理的研究与 开发 议h s e的核心部分，它为h s e现场设备之ii n i 的通信定义了三种通信模式:客 户/ 服务器、 发布者/ 预定者以及报告分发， 这三种不同的通信模式适用于不同的 通信场合:客户/ 服务器通信模型主要用于组态软件对现场设备的变量读写、程 序上卜 载等; 发布者/ 预定者主要用于现场设备之间功能块之间的输入/ 输出数据 的传递;而报告分发通信模型主要用于报警等突发信息的通信。 h s e协议还包 括一个系统管理内核 ( s mk ) ，用于对h s e现场设备进行上电启动管理，并负 责设备中功能块的调度。 高速以太网现场总线协议h s e不仅仅是一种通信协议，它还包括对设备的 管理、通信的调度等一系列功能，是一套功能完善的现场总线控制系统规范。 目 前，国内外多家公司都在开发基于h s e的现场总线设备， s m a r , a b b以及 e m e r s o n 等公司的基于h s e的链接设备已经通过f f一致性测试。国内，北京 华控、 中科院沈阳自 动化研究所等单位在h s e链接设备的开发上已经取得许多 成果。研究和开发基于高速以太网的现场总线协议不仅能够让我们紧跟着目 前 现场总线的发展趋势，也能够让我们在现场总线技术上面不落后甚至领先于其 他公司。 同时， 研究h s e现场总线协议也为我们制定具有自 主知识产权的现场 总线国家标准提供思路和技术支持。 下表所示的为h s e 协议模型与i s o o s i 参考模型的关系3 3 1 表2 一1 h s e与i s o o s i 参考模型 i s o o s i 七层参考 模型 h s e 协议模型 f b ap, s m 应用层f da, f ms 表示层 会话层 传输层t c p或 u d p 网络层i p 数据链路层i e e e 8 0 2 . 3 l l c 物理层i e e e 8 0 2 . 3 p hy 由上表可以看出，h s e增加了用户层，即功能块应用进程 ( f u n c t i o n b l o c k a p p l i c a t i o n p r o c e s s , f b a p ) o 浙江大学硕士学位论文基于高速以太网现场总线 ( h s e )网络管理的研究与开发 2 . 2 2 . 2 . 1 网络管理的基本原理 网络管理的一般概念 网络管理分为两类。 第一类是网络应用程序、 用户账号 ( 例如文件的使用) 和存取权限 许可)的管理。它们都是与软件有关的网络管理问题。这里不作 讨论。 网络管理的第二类是由构成网络的硬件所组成。这一类包括工作站、服务 器、网卡、路由器、网桥和集线器等等。通常情况下这些设备都离你所在的地 方很远。正是由于这个原因，如果当设备有问题发生时网络管理员可以自 动地 被通知的话，那么一切事情都好办。但是你的路由器不会像你的用户那样，当 有一个应用程序问题发生时就可以打电话通知你，而当路由器拥挤时它并不能 够通知你。 为了解决这个问题，厂商们已经在一些设备中设立了网络管理的功能，这 样你就可以远程地询问它们的状态，同样能够让它们在有一种特定类型的事件 发生时能够向 你发出 警告。 这些设备通常被称为” 智能” 设备5 6 网络管理的研究对象通常被分为四类: 表2 -2 网络管理的研究对象 瓜 普 应 蕊 瓜 诚 公 萄 cgp4l v m 9 r n ix * _ _ 代理 座 秘 淤 赢映 赢获 赢 1 件 ( f i r m w a r e ) 一扁 兹 警 覆1 忌 互 ! 与在不同的被管理节点中的代理通信， 并且显示这些代理状态的中心设备。 网络管理协议 被网络管理 _ 作站和大理用来交换信息 的协议。 网络管理结构功能图如下: 浙江人学硕 卜 学位论文 基+高速以太网现场总线 ( h s e )网络管理的研究与开发 图 2 -2网络管理功能结构图 当设计和构造网络管理的基础结构时，一般有下列两条网络管理的原则: 1 .由于管理信息而带来的通信量不应明显的增加网络的通信量。 2 . 被管理设备上的协议代理不应明显得增加系统处理的额外开销，以不于 该设备的主要功能都被削弱了。 2 . 2 . 2网络管理的五大功能 网络管理的目的是完成一定的网络功能，o s i网络管理规定了五个管理功 能域，即网络管理的五大功能: 2 .2 .2 . 1 故障管理 故障管理的目的是保证网络能够提供连续可靠的服务，包含故障检测、故 障隔离、故障诊断和故障修复等子功能。 故障管理的一般步骤为: 发现网络故障; 查找、分析和分离故障的原因; 若有可能， 给网络管理人员提供排除故障的帮助， 甚至自动排除故障。 发现网络故障可以有两种途径:一是发生故障的网络设备或服务器主动向 网络管理系统报告端口故障、连接失败、设备重新启动等故障事件;二是网络 管理系统对网络设备或服务器进行主动轮询。理论上前者的效率最高。 但实际 中的某些突发事件可能导致事件报告的失败，所以尽管后者的效率低，不过它 相对可靠得多。 对网络的使用者来说，任何不能正常使用网络应用的问题都会被他们视为 浙江大学硕 卜 学位论文摧于高速以太网现场总线 ( h s e )网络管理的研究与开发 网络故障。鉴于在大型网络环境中这类问题的数量非常大，因此对网络管理员 来说，确定应该管理哪些网络故障，应该忽略哪些网络故障是非常重要的。在 故障管理系统中，我们通常采用为各种网络故障分配不同的优先级的做法。具 有高优先级的网络故障将被优先报告和处理， 在查询时也具有更短的时间间隔。 而低优先级的网络故障则由网络管理系统自 行处理，甚至被完全忽略。这么做 的主要原因是: 一 是如果所管理的网络故障数量过大，将导致系统无法处理， 这就丧失了故障管理木来的意义。二是通过忽略优先级的网络故障，可以有效 地减少所占用的网络流量，同时也为更加有效地处理高优先级地网络故障提供 了保障。三是符合了大型网络分级管理的特点。 在决定应该管理哪些网络故障并分配优先级时，应该考虑以下因素:所管 理的网络范围、所管理的网络的大小、网络的带宽和不同的网络故障对网络正 常运行的影响程度。 一 般来说，故障管理系统功能组成应该包括以卜 基本功能: 故障监测:主动探测或被动接收网络上的各种事件信息，并识别出其 中与网络和系统故障相关的内容，对其中的关键部分保持跟踪，生成 网络故障事件一记 录。 故障报警:接收故障监测模块传来的报警信息，根据报警策略驱动不 同的报警程序，以报警窗口 / 振铃 ( 通知一线值班员) 、电子邮件 ( 通 知决策管理人员)发出网络严重故障报警。 故障信息过滤与关联:依靠对事件记录的分析，定义网络故障并生成 故障卡片 ( t i c k e t ) ， 记录排除故障的步骤和与故障相关的值班员日 志， 构造排错行动记录， 将事件一故障一日志构成逻辑上 相互关联的整体， 以反映故障产生、变化、消除的整个过程的各个方面。 检索/ 分析故障信息:浏览并且以关键字检索查询故障管理系统中所 有的数据库记 录，定期收集故障记录数据，在此基础上给出被管网络 系统、被管线路设备的可靠性参数。 排错支持工具:向管理人员提供一系列的实时检测工具，对被管设 备的状况进行测试并记录测试结果，以供技术人员分析和排错;根 据己有的排错经验和管理员对故障状态的描述，给出对排错行动的 提示。 故障管理配置:接收管理员的输入和其他的配置信息，对故障管理 系统进行配置。包括配置不同故障的优先级、对网络设备的查询时 间间隔等。 浙江大学硕十学位论文基于高速以 太网现场总线 ( h s e ) 网络管理的( 3 f 究与 开发 图2 一3 故障管理系统结构示意图 2 .2 .2 .2 配置管理 一个计算机网络由各种各样的网络设备连接而成，这些设备组成网络的各 种物理结构和逻辑结构。网络管理的配置管理需要管理每个可管理的网络设备 的信息以及整个网络环境的拓扑结构信息，以保证整个网络的正常运作。网络 的配置信息包括; 网络设备的拓扑关系( 存在性和连接关系) 、 网络设备的域名、 i p 地址 ( 寻址信息) 、网络设备的运行特性 ( 运行参数) 、网络设备的备份情况 ( 是否有备份及其启用条件)和网络设备的配置更改条件等。 配置管理至少应该包括以下一些方面的功能: 定义配置信息:描述那些对网络管理有意义的对象的状态和属性。 设置和修改被管对象的属性值:允许管理系统远程修改和设置网络设备的 属性值，当然要考虑安全因素。 定义和修改管理对象之间的关系:描述可管理对象之间的联系、连接关系 以及相互的依赖条件。例如网络的拓扑关系、层次关系和管理域等。 定义和更改管理域:确定合理的管理范围，保证在管理域内一致的管理授 权和管理模式。 通过网络发布新软件:及时更新网络设备所需的软桦 浙江大学硕 卜 学位论文基十高速以太网现场总线 h s f )网络管理的研究与开发 网络配置管理系统 配置管理数据库 配置信息更新与网络拓扑发现网络 网络设备 1网络设备 n 图 2 -4配置管理系统结构示意图 2 .2 .2 .3 性能管理 性能管理涉及网络通信信息的收集、加工和处理等一系列活动。其目的是 保证在使用最少的网络资源和具有最小的延迟的前提下，网络提供可靠、连续 的通信能力，并使网络资源的使用达到最优化的程度。 性能管理的具体内容包括:从被管对象中收集与网络性能有关的数据;分 析和统计历史数据;建立性能分析的模型、预测网络性能的长期趋势，并根据 分析和预测的结果，对网络拓扑结构、某些对象的配置参数进行调整，逐步达 到最佳性能:若所需的调整较大时，还需考虑网络的扩充或重建。 性能管理通过下面的方法来实现具体的目 标: 实时监控网络设备和相应的连接，监视设备和线路的使用率和出错率及相 应的1a 值，并进行闰值报警。 定期分析历史数据，及时给管理者提供决策信息，保证网络设备合理利用 及升级。 网络性能管理的具体基本功能应该包括: 性能监控和性能数据收集:定时收集被管设备的性能数据，自动生成性能 报告，包括响应时间、访问受拒绝比例等。 闭值控制:对每一个被管对象的每种有关于性能管理的属性设置a值，以 便在网络将出现性能问题时及时向管理人员报告。 d 性能分析:对有关于性能管理的历史数据进行分析、统计和整理，计算性 能指标，对性能状况做出判断，为网络管理者提供参考。 可视化的性能报告:对监测得到的数据处理后，生成性能趋势曲线，以直 观的图形方式显示反应性能分析的结果。 被管对象的管理:提供灵活的被管对象的组织方式，以便用户根据特定的 浙p _ 大学倾十学位论文 基于ii i 速以 太网现场总线 ( h s e ) 网络管理的i ff 究与 开发 需要来对具有共同属性的被管对象进行分类、查找或比较。 网络性能模拟:建立网络模拟模型，以 便更好地解决网络中存在的各种性 能隐患。 图 2 -5性能管理系统结构示意图 2 .2 . 2 .4 计费管理 计费管理依据用户对网络资源的使用情况来统计用户需付的网络使用费 用，让用户一起分担网络运行成本。 根据用户使用网络资源的种类，一般有三种计费标准: 基于网络流量计费:根据用户网络或用户主机在一段时间内的网络流量统 计数据来收取用户费用。 基于使用时间计费:根据用户使用网络的时间长短来收取用户费用。 基于网络服务计费:根据用户使用的网络服务的次数或时间来收取用户费 用。 计费管理的主要功能有: 制定计费政策、收集计费信息、 计算用户账单和生 成统计报表。其中计费信息的收集是关键。 2 . 2 .2 . 5 安全管理 安全管理有两层含义:一方面，网络安全管理要保证网络用户和网络资源 不被非法使用;另一 方面，网络安全管理也要确保网络管理系统本身不被未经 授权的用户访问。一 个计算机网络的管理系统必须制定网络管理的安全策略， 并根据这一策略设计和实现网络安全管理系统。 安全管理的主要内容包括: d 与安全措施有关的信息分发，如密钥的分发和访问权限的设置等。 与安全有关的事件通知，如网络有非法侵入、无权限用户对受限信息 的访问等。 浙江大学硕十学位论文纂于高速以太网现场总线 ( h s e )网络管理的研究与开发 与安全有关的服务的创建、控制和删除。 与安全有关的网络操作事件的记录、维护和查询等日志管理生 _ 作等。 安全管理的一般过程如下: 确定所要保护的敏感信息; 找出网络访问点; 对有关设备和主机进行相应的配置，保护访问点; 对涉及网络安全的访问点进行定期检查，维护网络安全性。 2 . 2 . 3几种典型的网络管理规范 目前有以下几种比较流行的网络管理规范。 l , i s o 组织 定义 了开放系 统互联 网络管理标准一一c i mp ( c o m m o n m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n p r o t o c o l )和 c i m s ( c o m m o n m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s e r v i c e ) . c i m p / c i ms 是最全面的一个网络管理标准， 它涉及了 o s i 七层协议的每一层，局域网和广域网都可以采用 c i mp / c i ms 对网络进 行管理，但 c i m p / c i ms的一个缺点是c i mp / c i ms软件非常大，而且过于 复杂，不便于开发和维护。 2 、简单网络管理协议 s n mp o s n mp首先是从工业标准发展而来的，由i e t f 组织制定。日 前却成为广泛应用的网络管理协议，和 c i mp / c i ms相比， s n mp是一个真正的比较简单的网络管理协议，并且容易实现。在h s e中 就采用s n mp 对底层的t c p / i p 协议进行管理。 下文中也对s n mp 做了详细 的介绍。 3 , t m n ( t e l e c o m m u n i c a t i o n s m a n a g e m e n t n e tw o r k ) 被设计用来管理电 信网 络， 它由i t u组织制定，并且是基于 c i mp / c i ms 规范的。t mn主要面向电信 服务提供商， 它扩展了网络管理和网络组件的概念， 从商业和服务角度来制 定网络管理规范。 4 , i e e e规范。i e e e标准只关心物理层和数据链路层，c i mp / c i ms和 s n mp 都利用i e e e 管理标准对物理层和数据链路层进行管理。 5 、目 前出现了一种新的网络管理技术，称之为基于网页的管理 ( we b - b a s e d m a n a g e m e n t ) ， 这种技术包括网页技术， 一个作为w e b s e r v e r 的管理系统和 作为被管理工作站的we b b r o w s e r s ， 由于这种技术比较新， 目 前还没有形成 比较成熟的标准。 2 .3 h s e现场总线网络管理模型 h s e ( h i g h s p e e d e t h e rn e t ) 系统的网 络管理继承了o s i 网 络管理模a 0 的 概念 和思路。按照h s e 通信栈中被管理对象的类型，h s e网络管理可分为只部分: 浙江大学硕 上 学位论文 笨于高速以太网现场总线 ( h s e )网络管理的研究与 开发 t c p / i p 协议的管理: 采用h s e 管理代理( h s e m a n a g e m e n t a g e n t , h m a ) 的形 式进行管理，用s n mp 协议进行通信;上层h s e通信实体管理:定义h s e网 络管理代理( n e t w o r k m a n a g e m e n t a g e n t , n m a ) ， 用h s e 协议的f ms ( f i e l d b u s m e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 服务 进行通信; 定义h s e 网络冗余实体( l a n r e d u n d a n t e n t i t y ， l r e ) ， 利用h s e 协议的f d a(f d a d i a g n o s t i c m e s s a g e ) 服务进行 通信。 2 . 3 . 1 h s e现场总线网络管理模型的总体设计 在h s e 现场总线网络系统中， 以h s e 协议为基础，以 构建稳定、 快速的控 制网络为目 标，我们采用了集中式体系结构与分布式体系结构并用的网络管理 设计方案。 集中式体系结构是最早出现也是最常用的一种网络管理模式，其网管平台 建立在一个计算机系统上，由一个管理者负责整个网络的管理工作。该管理者 处理与代理之间的通信，提供集中的决策支持和控制，以及维护管理者的管理 数据库。这种体系结构，使得网管人员在一个位置就可以查看所有的网络报警 和事件，有助于发现并修理故障以及确定问题的关联性，也给网管人员带来了 方便、易操作和安全的好处。并简化了在多厂商、多管理协议环境中综合程序 的开发工作。 h s e系统中的t c p / i p 协议管理与h s e通信协议栈用户层协议管 理采用了这种体系结构。 分布式体系结构中使用了一个以上同等级别的管理平台，每个管理者都有 整个网络设备的完整数据库。具有以下优点:任意管理点都能获得所有的网络 信息、报警和事件;任意管理点都能访问所有的网络应用;不依赖单一系统; 网络监控分布于整个网络。另外，这种系统的扩展性很好，通过建立更多管理 域及增加相应数量的管理者就可以满足更多的性能要求和扩充性。 h s e中的冗 余通信管理则采用了这种体系结构，网络中的每个通信节点同时作为管理者与 被管理对象时刻监控着整个网络的通信状况。 2 .3 .2 t c p / i p协议的管理 由于 h s e是建立在 “ 1 = 业上的事实标准”- 一 t c p / i p协议之上的，因而 h s e网络管理的内容包括了 对 t c p / i p中通信实体的管理。同时，根据 h s e系 统特有的需要，h s e扩展了标准的t c p / i p管理信息库，定义了一些新的被管 理信息对象，这些对象组成了h s e mi b . h ma由三部分组成:d h c p客户一 一用于系统动态获得 i p地址、s n t p客户用于 系统的时间同步、s n mp代 理用于对 t c p / i p 通信实体的管理。其中前两部分属于 h s e系统管理的范 畴， 在此不作详细讨论。 h m a是通过定义管理信息库( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n 浙y 1 大学硕 i : 学位论文基于高 速以 太网 现场总线 ( h s e ) 网络管理的研究与 开发 b a s e , mi b )来完成它的管理功能的。 h s e mi b由两个部分组成: . 标准部分，在r f c 1 2 1 3 中的mi b - i i 部分定义。 . h s e 特有部分，在个休企业级标准下定义。 其中， 标准部分包括和t c p / i p 协议相关的参数和统计信息， 如: 用来分析系统 行为的统计信息、 用来诊断系统的错误信息等内容。 而h s e特有部分定义的对 象是对标准部分的扩展， 基金会现场总线组织从 i a n a ( i n t e rn e t a s s i g n e