（计算机系统结构专业论文）车间层网络管理系统代理的研究与实现.pdf

m a s t e rd s t u d y a w o r k s h o p t i e rn e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e m m a s t e r d e g r e ec a n d i d a t e ：c h e ny a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i uw e i n i n g m a j o r ：c o m p u t e rs y s t e ma r c h i t e c t u r e c o l l e g eo fc o m p u t e rs c i e n c e c h o n g q i n gu n i v e r s i t y a p r i l2 0 0 7 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 现代企业的车间制造系统自动化程度得到了极大的提高，使用的现场设备及 其通信网络的数量与种类都多于任何一个历史时期。由于现场设备及网络的分散 性和多样性，企业生产对它们的依赖程度日益加强的同时，要求必须对现场设备 及网络的运行提供可靠保障。利用车间层网络管理系统对网络及设备进行统一的 配置与故障管理成为迫切的需求。面对智能化程度千差万别的现场设备，如何开 发一个网管代理，使其不仅能执行对本地i p 设备的管理，还能执行对外围非i p 设备的管理，是车间层网络管理系统的研究热点与难点。 论文通过分析车间层网络及现场设备的发展现状与趋势，论证了两个要点： 第一，以太网技术应用到车间层网络是工业控制网络的发展趋势之一；第二，现 场设备将向智能化方向发展并逐步支持工业以太网。因此将计算机网络管理技术 应用于车间层网络管理系统不仅具有前瞻性，也具有可行性。论文随后对计算机 网络管理技术，尤其是网管代理的开发技术进行了详细介绍。 网管代理的开发以某企业的制造执行系统( m e s ) 项目为应用背景。该m e s 系 统中的单元控制器是一个基于d o s 的单板p c 机嵌入式系统，可接入条码枪、r f i d 读写器、光电开关、v g a 显示器等外设，工作于以太网环境，是较典型的现场设 备，但缺乏s n m p 网络管理功能。论文针对单元控制器及其外设，介绍了管理信 息库( m i b ) 的设计，网管代理的设计。最后，通过改进单元控制器应用软件构架， 扩充了网管代理功能模块，使得单元控制器及其外围设备统一支持车间层网络管 理系统的配置管理与故障管理，达到了增强原制造执行系统网络及设备的可扩展 性，可管理性的目的。 这种车间层网络管理系统的体系结构，尤其是网管代理的设计与实现方法对 其他以太网环境的车间层网络管理方案的提出具有极大的借鉴作用。 关键词：车间层网络，现场设备，网络管理，网管代理 a bs t r a c t t h e w o r k s h o pm a n u f a c t u r es y s t e mo fm o d e me n t e r p r i s e sh a sr e a c h e dah i g hl e v e l o fa u t o m a t i o n ，a n db o t ht h eq u a n t i t ya n dv a r i e t yo ft h ef i e l de q u i p m e n ta n dn e t w o r k a r em o r et h a nt h a to fa n yh i s t o r i c a lp e r i o d d u et ot h ev a r i e t ya n dd i s t r i b u t e dt r a i to f f i e l de q u i p m e n t ，e n t e r p r i s e sr e l yo nt h e mt i g h t ，a n di tr e q u i r e sk e e p i n gt h en e t w o r ka n d f i e l de q u i p m e n tr u n n i n gr e l i a b l y aw o r k s h o pt i e rn e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e m ( w n m s ) i se s s e n t i a lt oc o n f i g u r a t i o na n df a u l tm a n a g e m e n to ft h en e t w o r ka n df i e l d e q u i p m e n t f a c i n gt h en u m e r o u sf i e l de q u i p m e n to fd i f f e r e n ti n t e l l i g e n c e ，h o wt o d e v e l o pa na g e n t ，w h i c hc a nn o to n l ym a n a g et h el o c a li pe q u i p m e n t ，b u ta l s ot h e p e r i p h e r a ln o n i pe q u i p m e n t ，i st h er e s e a r c hh o t s p o ta n dd i f f i c u l t yo fw n m s v i at h ed i s c u s s i o no ft h ed e v e l o p m e n ta n dt r e n do fw o r k s h o pt i e rn e t w o r ka n d f i e l de q u i p m e n t ，i tp r o p o s e dt w ok e yp o i n t s ：f i r s t l y , i t sat r e n do fi n d u s t r i a lc o n t r o l n e t w o r kt o a p p l ye t h e r n e tt e c h n o l o g yt ow o r k s h o pt i e rn e t w o r k s e c o n d l y , f i e l d e q u i p m e n tw o u l db em o r ei n t e l l i g e n ta n dc o m p a t i b l et os u p p o r ti n d u s t r i a le t h e m e t t h e r e f o r e ，i t sf e a s i b l et oa p p l yt h ec o m p u t e rn e t w o r km a n a g e m e n tt e c h n o l o g yt o w n m s ，a n di ta l s os h o w sg r e a tf o r e s i g h t t h e n ，t h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e rn e t w o r k m a n a g e m e n t ，e s p e c i a l l yf o rt h ea g e n ti sd i s c u s s e d w ed e v e l o pt h ea g e n ti nt h eb a c k g r o u n do ft h em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ( m e s ) o fo n ee n t e r p r i s e t h em e sc e l lc o n t r o l l e ri sad o s b a s e ds i n g l eb o a r dp c e m b e d d e ds y s t e m ，a n di tc a nc o n n e c tb a r c o d es c a n n e r , r f i dr e a d e r , p h o t o e l e c t r i c s e n s o r , v g ad i s p l a ye t c i t sak i n do ft y p i c a lf i e l de q u i p m e n t ，w o r k i n gi ne t h e r n e t ， h o w e v e r , t h e r e sn os n m pn e t w o r km a n a g e m e n tf u n c t i o ni ni t f o rt h i sc e l lc o n t r o l l e r a n di t sp e r i p h e r a le q u i p m e n t ，t h ed e s i g no fm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ( m i b ) i s i n t r o d u c e d ，a sw e l la st h ed e s i g no fa g e n t w er e f o r m e dt h es o f t - w a r ea r c h i t e c t u r eo f c e l lc o n t r o l l e r , a d d e ds n m pa g e n tf u n c t i o ni n t oi t ，m a d et h ec e l lc o n t r o l l e ra n di t s p e r i p h e r a le q u i p m e n ts u p p o r tt h ec o n f i g u r a t i o na n df a u l tm a n a g e m e n to fw n m s ，a n d f i n a l l y , e n h a n c e dt h ee x t e n s i b l ea n dm a n a g e a b l ea b i l i t yo ft h ef o r m e rm e sn e t w o r k t h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo fw n m s ，e s p e c i a l l yt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f a g e n tc a na l s ob ear e f e r e n c et oo t h e rw o r k s h o pn e t w o r km a n a g e m e n ts o l u t i o n so f e t l l e r a e te n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：w o r k s h o pt i e rn e t w o r k ，f i e l de q u i p m e n t ，n e t w o r km a n a g e m e n t ，a g e n t i i 2 1 网络管理概述。9 2 2 管理信息库。13 2 2 1a s n 1 语法和b e r 编码13 2 2 2 管理信息结构s m i 13 2 2 3m i b 、m i b i i 15 2 3 简单网络管理协议1 7 2 3 1s n m p v l 17 2 3 2s n m p v 2 19 2 3 3s n m p v 3 1 9 2 4s n m p 网管代理的实现技术2 1 2 4 1 主流开发工具2 l 2 4 2 小结2 4 3 背景项目研究2 5 3 1 背景项目概述2 5 3 2 对网络管理的需求2 7 4 网管代理的设计3 0 4 1 技术路线3 0 4 1 1 代理的运行环境3 0 4 1 2 代理的设计原则3 l 4 1 3 代理的框架模型3l i i i 重庆大学硕士学位论文 4 1 4 代理的开发步骤 4 2m m 的设计 4 2 1m m 的设计原则 4 2 2 管理对象的归纳 4 2 3 管理对象的可管性论证 4 2 4 陷阱消息的定义 4 3 代理的功能模块设计 4 3 1 对e r t o s 库的改进。 4 3 2 功能模块设计 4 4 代理的工作流程设计 4 4 1s n m ps e r v e r 工作流程设计 4 4 2s n m pt r a p 工作流程设计 5 网管代理的实现4 6 5 1 单元控制器应用软件的重构原则4 6 5 2 应用软件的结构重构4 6 5 2 1 原应用软件结构分析4 6 5 2 2 新应用软件结构设计4 8 5 3 应用软件的启动流程重构5 0 5 4 新应用软件的特点5 2 6 论文总结5 4 6 1 论文工作5 4 6 2 关键技术及展望5 4 致谢5 7 参考文献5 8 附录a ：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录6 0 b ；作者在攻读硕士学位期间参与的项目目录6 0 i v 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 现代企业的车间制造系统自动化程度得到了极大的提高，已包含了种类繁多 的现场设备及其运行的通信网络。随着车间层网络规模的扩大，功能的增强，以 及种类的增多，对系统的安全性、可靠性、性能、经济等方面的要求同益迫切， 对设备运行状态的缺少良好把握、维修和保养的不科学等问题也逐渐出现。一个 完善的车间层网络管理系统是网络能够可靠而稳定运行的保证，也是对现场设备 进行远程配置、故障诊断与恢复、性能分析等工作的重要手段。 诸多因素，如车间层网络的类型、现场设备的物理接口、编程接口，项目实 施成本、周期等，要将通用的网络管理软件产品，如i b m 公司的n e t v i e w 、h p 公司的o p e n v i e w 直接引入车间层网络进行应用是无法满足各种专用设备的对网 络管理的需求的。 同时，由于计算机以太网络在确定性、速度和优先法则等方面性能的提高， 阻碍其应用于实时控制环境的难点已被解决，将以太网技术应用于企业现场设备 控制层是工业控制网络发展的趋势，也是对传统的控制网络的一个变革，将极大 地促进信息从传感器到管理层的集成。随着现场设备向智能化方向发展，未来基 于t c p i p 协议的智能现场设备，对于网络管理的功能也将加强。 顺应车间层网络及现场设备的发展趋势，车间层网络管理系统的开发与实现 具有相当重要的现实意义，对工业以太网环境下智能现场设备的网络管理研究将 是重中之重。 本研究以某企业生产车间的“基于r f i d 的汽油机生产执行监控系统”项目( 典 型的制造执行系统，具有运行于以太网环境，现场设备种类多等特点) 为背景， 探索了一种工业以太网环境下现场设备的网管代理的实现方法。该网管代理能够 管理所在设备自身的软硬件，还能够将外围设备纳入网络管理，于是满足了车间 层网络管理系统对口设备和非口设备进行统一的配置管理和故障管理的需求， 为将来车间层全面的网络管理方案起到抛砖引玉的作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 车间层网络及现场设备的发展 车间层网络的发展 企业的网络系统按照网络的功能结构，一般划分为三层：企业资源规划层 e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ) 、制造执行层m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o n 重庆大学硕士学位论文1 绪论 s y s t 锄) 易 【及现j 笏j 空f 6 1 0 层- f c s ( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ) t 1 】【2 】。图1 1 是企业的网络层次 模型。 俪删麒$ 、 、1 ( 以太网段 俪馘勰( m e s ) 妙 、 。i 佤场控制层( f c s )妙 、 踏 b 9 一沪 坊生。i 凶j 复。 “+ o ” “ 图1 1 企业网络层次模型 f i g 1 1e n t e r p r i s en e t w o r km o d e lb yt i e r s 论文所述的车间层网络实际上涵盖了制造执行层网络和现场控制层网络。 图中的e r p 与m e s 功能层大多采用以太网技术构成数据网络，网络节点多 为各种计算机及外设。随着互联网技术的发展与普及，在e r p 与m e s 层的网络 集成与信息交互问题得到了较好的解决。它们与外界互联网之间的信息交互也相 对比较容易。 而现场控制层所采用的控制网络属于一种特殊类型的计算机网络，是用于完 成自动化任务的网络系统。种类繁多，内部的通信一致性很差，特异性强，比如 有形形色色的现场总线，以及d c s 、p l c 与s c a d a 软件的各种连接方式等。控 制网络与外部互联网之间实现信息交换的难度加大，实现互联和互操作存在较多 障碍。因此，需要从通信一致性、数据交换技术等方面入手，改善控制网络的数 据集成与交换能力。 目前，控制网络与上层网络的连接方式一般有以下三种。 一是采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段或d c s 连接到以太 网上。图1 2 是通过网关连接控制网段与上层网络的示意图： 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 2 通过网关连接控制网段与上层网络 f i g 1 2c o n n e c tt h ec o n t r o ln e t w o r ka n du p p e rn e t w o r kb yg a t e w a y 二是将现场总线网卡和以太网卡都植入工业p c 机的p c i ( i s a ) 插槽内，在p c 机内完成数据交换。图1 3 中采用现场总线的p c i 卡，实现控制网络与上层网络 的连接。 图1 3 采用p c i 卡连接控制网段与上层网络 f i g 1 3c o n n e c tt h ec o n t r o ln e t w o r ka n du p p e rn e t w o r kb yp c ic a r d 三是将w e b 服务器直接植入p l c 或现场控制设备内，借助w e b 服务器和通 用浏览工具实现数据信息的动态交互。这是近年来互联网技术在生产现场直接应 用的结果，但它需要有一直延伸到工厂底层的以太网支持。 通常，人们习惯将用于工业控制系统的以太网统称为工业以太网。但是，如 果仔细划分，按照国际电工委员会s c 6 5 c 的定义，工业以太网是用于工业自动化 环境、符合i e e e8 0 2 1 3 标准、按照i e e e8 0 2 11 d “媒体访问控制( m a c ) 网桥”规范 和“i e e e8 0 2 1 1 q 局域网虚拟网桥”规范、对其没有进行任何实时扩展( e x t e n s i o n ) 重庆大学硕士学位论文1 绪论 而实现的以太网1 3 】。通过采用减轻以太网负荷、提高网络速度、采用交换式以太 网和全双工通信、采用信息优先级和流量控制以及虚拟局域网等技术，到目前为 止可以将工业以太网的实时响应时间做到5 1 0 m s ，相当于现有的现场总线。工 业以太网在技术上与商用以太网是兼容的。 最近几年，各个厂商在工业以太网上做了巨大的投资和研发，已经取得了重 要成果，比如：i e c 已经通过了1 4 种推荐的工业以太网标准。用户可以按照自己 的要求，选择不同的以太网协议和相关的产品，而且不同的以太网产品可以在同 一个以太网上共存。其中e t h e r n e t i p 现在已经是比较成熟的工业以太网，它基于 标准t c p i p 以太网和通用工业协议( c i p ) 来解决实时性、功能安全、确定性和稳 定性。 业内著名的市场调查公司美国a r cg r o u p 针对国内工业以太网市场提供的报 告称，2 0 0 2 2 0 0 7 年间，每年的工业网络接口递增率高达8 4 ，而2 0 0 3 2 0 0 8 年间， 与工业以太网紧密相关的d c s 产品和p l c 产品的市场容量年增长率分别高达 1 5 和1 4 。可以说在2 0 0 4 年以前，国内工业以太网的市场还处于开发初期，其 概念和产品对国内用户来讲还是一个新鲜事物，用户对产品的选择相对保守。在 进入2 0 0 4 年以后，用户渡过了最初的接触期，对此类概念已逐步了解掌握，对产 品及方案的选择趋于多样。而在进入2 0 0 6 年以后，整个市场步入了快车道，将呈 现出更快速增长。 现场设备的发展 车间层网络的连接设备及其外围设备都可视作现场设备。这些现场设备中， 控制网络的节点大都是具有计算与通信能力的测量控制设备。它们可能具有嵌入 式c p u ，但功能比较单一，其计算或其他能力也许远不及普通p c 机，也可能没 有键盘、显示器等人机交互接口，甚至不带有c p u 、单片机，只带有简单的通信 接口【1 】【2 】。部分现场设备如图1 4 所示： 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 图1 4 各种现场设备 f i g 1 4k i n d so f f i d de q u i p m e n t 包括： 1 ) 限位开关、感应开关等各类开关； 2 ) 条形码阅读器； 3 ) 光电传感器； 4 ) 温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器； 5 ) 可编程逻辑控制器p l c ； 6 ) p i d 等数字控制器； 7 ) 各种数据采集装置； 8 ) 作为监视操作设备的监控计算机、工作站及其外设； 9 ) 各种调节阀； 1 0 ) 马达控制设备； 1 1 ) 变频器； 1 2 ) 机器人； 1 3 ) 作为控制网络连接设备的中继器、网桥、网关等。 今天企业的自动化系统的技术和发展趋势是开放的标准、分布化的职能以及 信息技术与自动化技术的结合，现场设备的发展无疑也体现着这一特点。 尤其是嵌入式技术的发展，推动了现场设备向着更高智能方向的发展。所谓 嵌入式技术，是指把芯片、模板或模块、小型控制系统等嵌入到产品内部与产品 融为一体的技术。它早已广泛应用于机电一体化产品中，包括家用电器、机电设 重庆大学硕十学位论文 备、办公自动化产品、数控机床、机器人等 随着工业以太网的推广与普及，可以看到许多在两三年前按兵不动的厂商已 经纷纷推出自己的工业以太网产品，如西门子、p h o e n i xc o n t a c t 等。随着p l c 、 d c s 系统及i o 等设备制造厂商开始提供带有嵌入式以太网接口的产品，加速了 工业以太网的革命性发展，促使了许多组织及协会纷纷提倡以太网的工业协议， 让工业控制设备可以整合运用于共通的协议。不同的设备可通过安装有相同网络 协议的设备进行连接，也将大幅度的简化使用者的工作。 1 2 2 车间层网络管理解决方案及产品的发展 尽管计算机局域网、广域网环境下，已经出现了通用的大型网络管理平台软 件产品，如s u n 公司的网络管理平台s u nn e tm a n a g e r 、惠普的h po p e n v i e w 、思 科的c i s c o w o r k s 等，但是直接将这些网络管理平台应用于车间层控制网络是无法 满足对各种各样的现场设备进行“个性化”网络管理的。 以下介绍几种国外与车间层网络管理相关的解决方案及其产品： 思科工业以太网解决方案 思科系统公司能够帮助制造商建立协作制造环境，实现思科智能网络制造 ( i n m ) ，为制造运作提供顺畅、安全的数据可视性和极高的灵活性。作为思科i n m 计划的一部分，思科工业以太网解决方案能够弥补办公室与生产车间之间的缺口， 同时提供可视性和灵活性，帮助制造企业将制造车间转变成战略性企业资源。思 科工业以太网不但能帮助企业为车间设备增加以太网连接，还能为企业提供所需 的高新技术。由于思科可管理交换机能够以可控方式接入网络，因此，企业不但 能对实时数据作出适当的响应，还能延长关键流程的正常运行时间。其工业以太 网解决方案包括一系列的交换机、路由器等产品。 m o x a 工业以太网解决方案 m o x a 设计、生产及销售一系列工业以太网产品，包含管理型工业以太网络交 换机、非管理型工业以太网络交换机、工业级光电转换器等。m o x a 管理型工业 以太网络交换机主要运用于实时p l c s 、h m i s 及d c s 工业应用系统的工业以太网 领域中。 i n d u s t r i a ls n m ps u i t e i n d u s t r i a ls n m ps u i t e ( i s n m ps u i t e ) 是c o is o f t w a r e 公司专为工业人机接口 ( h m i ) 设计的网络及电源设备管理软件包。可将s n m p 管理型与非管理型的以太 网设备无缝集成到h m i 软件包并进行监控和分析。i s n m ps u i t e 能够在它的 o p c c l i e n th m i 软件环境中，向操作员提供以太网设备的实时视图以及整体网络 流量，也能够分析原始数据及潜在问题，向操作员报告网络的工作状态。i s n m p s u i t e 也是o p c2 0 服务器，能够与任何o p c 客户端软件接口。 6 重庆大学硕十学位论文1 绪论 国外工业以太网解决方案及其产品较为成熟，处于主导地位，但受标准尚未 统一的影响，暂不可能出现通用的用于工业以太网的网络管理软件，各公司都仅 仅开发了限于自己产品或某一标准的用于网络管理的软件，这些软件的体系结构 及实现方法对车间层的网络管理方案的提出具有极大的借鉴作用。 1 2 3 小结 综上所述，车间层网络的复杂性与现场设备的多样性决定了车间层网络管理 系统与通用计算机网络管理系统在具体的功能设计和实现方式上都有较大区别。 通用网络管理软件在车间层网络管理领域中的能力有限，专用的车间层网络管理 系统仅能解决某一类控制网络及产品的网络管理。 随着工业以太网技术和嵌入式技术的发展，以及以太网的一系列技术和标准 在“一网到底”的大趋势下，将计算机网络管理技术应用于车间层网络及其设备的 管理既是前瞻性的，也是可行的。未来企业三个层次的网络进行高度的数据共享 与统一管理是可以预见的。 1 3 主要研究内容及预期目标 论文的主要研究内容包括如下几个方面： 工业以太网环境下现场设备对网络管理的支持方式与标准； 背景项目中网络管理系统的体系结构设计； 嵌入式系统的s n m p 代理的体系结构设计； 嵌入式系统外部设备的监控管理策略设计： 嵌入式系统外部设备配置与故障管理的实现方式； 嵌入式系统的s n m p 代理的实现方法。 预期目标要求结合以上的研究成果，以某企业生产车间的制造执行系统项目 为应用背景，改进单元控制器应用软件构架，扩充网管代理功能模块，使得单元 控制器及其外围设备统一支持车间层网络管理系统的配置管理与故障管理功能， 达到增强原制造执行系统网络的可扩展性，可管理性的目的。 1 4 论文的章节安排 第一章：首先介绍了论文的选题背景和研究意义。然后从车间层网络管理系 统涉及的被管网络、被管设备、网络管理平台三个方面介绍了各自的发展状况及 趋势。最后介绍了课题的主要研究内容和预期目标。 第二章t 首先对网络管理的目标、标准、功能域、s n m p 网管的基本模型等 基本概念进行了概述。然后对s n m p 网管模型中与网管代理相关的三个要素，即 管理信息库、简单网络管理协议、网管代理( 着重实现技术) 分别进行了介绍。 重 统 出 介 管 以 特 重庆大学硕十学位论文2 网络管理相关技术研究 2 网络管理相关技术研究 2 1 网络管理概述 网络管理是指对网络的运行状态进行监测和控制，使其能够有效、可靠、安 全、经济地提供服务。下面对网络管理的基本概念进行介绍 1 】【2 】： 网络管理的目标 网络管理的根本目标就是满足运营者及用户对网络的有效性、可靠性、开放 性、综合性、安全性和经济性的要求。 1 ) 有效性，要求网络能准确而及时地传递信息，即网络的服务要有质量保证； 2 ) 可靠性，要求网络能保证稳定地运转，能对各种故障以及自然灾害有较强 的抵御能力和一定的自愈能力； 3 ) 开放性，要求网络能够接受多厂商生产的异种设备； 4 ) 综合性，要求网络业务不能单一化，要从电话网、电报网、数据网分离的 状态向综合业务过度，并且还要进一步加入图像、视频点播等宽带业务； 5 ) 安全性，要求网络必须对所传输的信息具有必要的安全保障； 6 ) 经济性，要求网络的建设、运营、维护等费用尽可能少。 网络管理的标准 制定网络管理标准的相关组织主要有3 个，分别是i t u t ( c c i t t ) 、i s o 和 i e t f 。 1 1 电信网络管理标准 国际电信联盟i t u t 于2 0 世纪8 0 年代提出了电信管理网( t m n ) 的概念。 t m n ( t e l e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k ) 是i t u t 从1 9 8 5 年开始制定的一 套电信网络管理国际标准。 目前，t m n 的体系结构，一些原则和方法已经成功地应用于s o n e t s d h 传 输网、交换网、a t m 网、g s m 网的网络管理之中。 2 ) i s o 网络管理标准 i s o 于2 0 世纪8 0 年代末制定了一个非常复杂的协议体系，管理信息采用面 向对象模型，管理功能包罗万象，主要由o s i 管理框架、o s i 系统管理概述、公 共管理信息协议c m i p 、管理信息结构s m i 共4 部分内容组成。i s o 的主要管理 标准是c m i s ( 公共管理信息服务) 和c m i p ( 公共管理信息协议) ，但由于其复 杂性，i s o 的网络管理标准进展缓慢。随着2 0 世纪9 0 年代初i n t e m e t 的迅猛发展， 为适应其管理需要，产生了i n t e m e t 的网络管理标准。 3 ) i e t f 的网络管理标准 9 重庆大学硕+ 学位论文2 网络管理相关技术研究 在t c p i p 发展的初期，直到2 0 世纪7 0 年代末，也仅仅是有一个具有少量网 络管理功能的网际控制报文协议i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g e sp r o t o c 0 1 ) 。该协 议提供了从路由器或主机到其他路由器或主机的信息传送控制方法，提供了一个 带有反馈机制的信息控制手段。它除了能够提供监测网络延时特性的机制外，还 提供了一些简单的网络测试工具，最常用的就是p i n g 命令，用它来测试一个i p 网络是否连通。 2 0 世纪8 0 年代后期，i a b 已将s n m p 和c m o t 都作为i n t e m e t 的网络管理 标准，并将s n m p 作为首先在i n t e m e t 上实现的一种网络管理标准。s n m p 的结 构有三个目标：网络管理功能尽量简单化；网络管理协议容易扩充；网络管理结 构尽可能独立，与网络设备无关，因此而得名。s n m p 是i n t e r n e t 上的一个标准 网络管理协议，是世界上第一个可以实际应用的网络管理协议。由于o s i 的网络 管理协议还未正式形成产品，再加上t c p i p 协议已得到广泛的应用，以至于所有 计算机厂商推出的计算机和网络产品都可以做到支持s n m p 网络管理协议。 网络管理的功能域 国际标准化组织在o s i 的网络管理框架中，将网络管理的功能划分为五个功 能域，每个功能域分别完成不同的网络管理功能。虽然该管理功能划分的框架是 在o s i 的环境下定义的，但已经被标准的和非标准的网络管理系统所广泛接受， 为网络管理定义了一个很好的模型。这五个功能域分别是： 1 ) 配置管理 网络由许多不同的设备连接，形成网络的物理和逻辑机构。各种设备的参数、 状态信息以及命名需要有一定的适应要求，配置管理负责监控和管理整个网络的 配置状态，这既与网络的初始化和关闭工作相关，也与维护、添加、更新网络设 备的状态以及网络设备之间的关系相关。配置管理由一组定义、监控、收集和修 改网络设备配置信息的功能所组成。它们包括：定义配置信息；初始化或关闭被 管理设备的管理信息；设置和修改被管理设备参数；监视和记录被管理设备的配 置变化：生成配置状态报告等。 2 ) 故障管理 故障管理是网络管理中最基本的功能之一，为了维持复杂网络的正常操作， 网络管理系统需要检测、隔离并修正网络的运行故障。当网络出现故障的时候， 网络管理系统必须能够迅速定位故障发生的位置、分析故障产生原因，并且尽快 采取应对措施，例如，将网络其余部分和故障部分隔离，以免受到干扰；重新配 置故障部件，恢复网络状态；修复或者更换故障部件等。当故障比较复杂时，网 络管理系统应能执行一些诊断测试来辨别故障原因，以防止类似故障的再次发生。 3 ) 性能管理 1 0 重庆大学硕十学位论文2 网络管理相关技术研究 数据通信网络由许多功能组件组成，组件之间相互通信并且共享数据和资源。 网络用户希望知道网络应用的响应时间以及网络服务的可靠性信息，网络管理员 则需要网络的性能统计数据作为依据来计划、管理和维护大型网络。性能管理对 这些需求提供支持，其主要工作是监控、控制、调整网络的运行性能，使其达到 最佳状态。其具体工作内容包括：从被管理设备中收集与网络性能有关的数据； 对历史数据进行分析和统计；建立性能分析模型；预测网络性能的发展趋势；根 据分析和预测结果对网络拓扑结构和某些网络设备的配置参数进行调整，使网络 性能逐步达到最佳。 4 ) 安全管理 安全管理需要提供工具，保护系统资源和用户信息，这种工具应该只对授权 用户有效，安全工具的本身也需要是安全的。一般来说，安全管理需要提供信息 保护工具和访问控制工具，一方面要保证网络资源不被非法使用，另一方面要保 证网络管理系统本身不被非法访问，安全管理的主要内容包括：网络数据的私有 性保护，确保网络数据不被非法获取；用户认证，防止非法用户对网络的使用； 访问授权和访问控制：密钥的生成、分发和存储；安全事件的通知；安全管理日 志的记录、维护和查询等。 5 ) 计费管理 计费管理建立在对网络用户使用网络的情况进行跟踪的基础上，根据这些信 息统计得到的数据，在有偿网络服务的情况下，可以作为收取费用的依据；此外， 根据这些统计数据也可以对用户的活动进行了解，防止用户滥用权限并加重网络 负担，影响整个网络的运行质量。 s n m p 网络管理的基本模型 在t c p i p 参考模型中，s n m p 协议位于应用层。s n m p 协议的管理模型是一 种m a n a g e r - a g e n t 模型，它提供了一种系统地监控和管理计算机网络的方法，可 以管理局域网和广域网中的各种网络设备，包括路由器、交换机和p c 机、服务 器等。 s n m p 的网络管理模型包括四个关键元素： 1 ) 管理站 s n m p 管理站是实施网络管理的实体，是整个网络系统的核心，是网络管理 员与网络管理系统的接口。它负责发出管理操作的命令并接收来自代理的信息以 完成网络管理的各项复杂功能。 2 ) 网管代理 s n m p 代理驻留在被管理对象上，监测所在网络部件的工作状况，收集有关 网络信息。代理对来自管理站的命令进行应答，并异步的为管理站报告一些重要 重庆大学硕士学位论文2 网络管理相关技术研究 事件。 3 ) 管理信息库 管理网络中资源的手段是将资源以对象来表示。每一个对象表示被管资源的 某一方面属性。这些对象的集合形成管理信息库m i b 。通过读取及设置这些m i b 对象的值，管理站完成监测和控制的功能。 4 1 网络管理协议 s n m p 是管理站和代理之间的异步请求和响应协议，描述了管理站和代理之 间的数据通信机制。管理站可以发出含有不同p d u 的报文，主要包括提取请求 g e t r e q u e s t ( 获取指定m i b 对象的值) 、提取下一个请求g e t n e x t r e q u e s t ( 获取指 定m i b 对象的下一个对象值) 和设置请求s e t r e q u e s t ( 设置指定m i b 对象的值) 等。代理能发出两个不同的报文：一个是对来自管理站的请求作出应答的 g e t r e s p o n s e 报文，i 另一个是陷阱t r a p 报文，是代理发现预定义异常事件发生时 主动发出的。 这四个部分协同工作，组成完整的基于s n m p 的网络管理模型。如图2 1 显 示了上述四个部分的关系： 图2 1 网络管理的基本模型 f i g 2 1n e t w o r km a n a g e m e n tm o d e l s n m p 协议的工作原理是管理站和代理之间以s n m p 报文形式交换信息，管 理信息的交换可以由管理站以轮询开始，或由代理发送陷阱报文开始。管理站在 需要获取对象值时向代理发送g e t r e q u e s t ，g e t n e x t r e q u e s t 等报文，设置对象值 时则发送s e t r e q u e s t 报文。代理负责将管理站所需信息从m i b 库中获取，或按照 管理站发出的命令对代理所在的被管对象值进行相应的设置，并均会以 g e t r e s p o n s e 报文应答。代理也可以主动向管理站发送t r 叩报文，报告m i b 值的 重大变化或其它重要事件。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 网络管理相关技术研究 2 2 管理信息库 2 2 1a s n 1 语法和b e r 编码 a s n 1 ( 抽象语法记法l ，a b s t r a c ts y n t a xn o t a t i o no n e ) 是一种专门用于描述 结构化客体和内容的高级的数据类型定义语言，它提供了表示数据的标准方法。 在互联网中因为不同网络的计算机设备上的数据可能采用了互不兼容的表示方 式，所以国际标准化组织制定了a s n 1 ，它位于i s o o s i 的表示层，提供了应用 进程之间正确通信所需的基本数据转换规则，使应用层的信息能无歧义的传送到 对等的应用层而不管对方的应用层是工作于何种平台上。a s n 1 类似于高级程序 设计语言的数据描述部分，它提供若干语言构件用以定义类型和值。a s n 1 类型 包括原始类型和结构类型。 s n m p 只使用了a s n 1 的一个子集，用以描述在网络管理进程和代理之间传 输的s n m p 报文的格式及定义被管理对象。与s n m p 有关的是3 个主要a s n 1 组件： 定义管理对象数据类型的类型符号； 定义数据类型值和实例的值符号； 发送和接收用a s n 1 编码的信息的传送语法。 编码基本规则b e r ( b a s i ce n c o d i n gr u l e s ) 描述了语法是如何编码成字节并在 互联网上传输的。b e r 是一种算法，它把a s n 1 数据比特编码为适合在互连网上 传输的字节格式。b e r 规定最高位是b i t 8 ，最低位是b i t l ，b i t 8 是在网上传输 的第一个比特。在s n m p 中使用时，每一个b e r 编码都由3 个可变长部分组成 的3 元组来表示：包括数据类型的标签( t a g ) 、数据长度( l e n g t h )