（计算机应用技术专业论文）基于信息栅格的网络性能管理技术研究.pdf

沈阳理t 大学硕士学位论文 摘要 所谓信息栅格是指全球互连的端到端的信息能力、相关程序及人员的集合， 它对用户所需的信息进行收集、处理、存储、分发和管理。信息栅格网络把所有 不同的信息系统部分连成一个由众多网络构成的公共网，使信息能及时流畅地流 向任何需要它的人。基于信息栅格的网络是否能提供令人满意的服务质量，对网 络的合理管理尤为重要。 在网络管理的五大功能域中，网络性能管理作为其中一个重要的功能与其它 功能有着密切的关系。在性能管理方法中，根据获取的网络性能参数，可以实时 对网络进行监控。如果发现异常，可以对网络设备进行合理调整并优化配置，改 善网络的运行性能。通过对网络的监视能够及时地发现故障和非法访问，从而进 行故障和安全管理。 根据信息栅格网络的分层分布式体系结构，针对信息栅格网络中无线设备和 无线传输方式等多种限制，实现一套对信息栅格网络性能管理的方法。通过采集 设备性能、网络链路性能参数，对该网络的性能进行监控管理。根据所采集的性 能参数，完成对数据的处理和存储、数据的提取和动态实时显示、历史数据查询 和设置阈值等功能。通过对采集到的性能数据进行统计分析得到有关网络运行情 况，从而进一步分析网络现状。在网络性能预测的方法中，提出了一种动态自适 应平滑参数的指数平滑预测算法，通过仿真验证了该算法的优越性。最后，用户 界面以直观的图表形式显示，操作简单，提高了网络管理的效率。 关键词：信息栅格；网络管理；性能管理；性能参数；数据采集 沈阳理1 二大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n f o r m a t i o ng r i dr e f e r st ot h eg l o b a li n t e r c o n n e c t e de n d - - t o e n di n f o r m a t i o n a b i l i t y , t h ec o r r e l a t e dp r o c e d u r ea n dp e r s o n n e l ss e t ，w h i c hc o l l e c t s ，d i s p o s e s ，s t o r e s ， d i s p a t c h e sa n dm a n a g e st h ei n f o r m a t i o nu s e r sn e e d i n f o r m a t i o ng r i di s an e t w o r k c o m p o s e db ya l lk i n d so fi n f o r m a t i o ns y s t e m sw h i c hc a nd i s p a t c hi n f o r m a t i o nt o a n y w h e r en e e d e d b a s e do ni n f o r m a t i o ng r i dn e t w o r kw h e t h e rc a np r o v i d et h e s a t i s f y i n go fs e r v i c e ，t h u st h er e a s o n a b l em a n a g e m e n to ft h en e t w o r ki sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t i nt h ef i v ef u n c t i o nf i e l d so fn e t w o r km a n a g e m e n t 嬲o n eo ft h ei m p o r t a n t f u n c t i o n s ，n e t w o r kp e r f o r m a n c em a n a g e m e n th a sc l o s e dr e l a t i o n s h i pw i t ho t h e r f u n c t i o n s t h e p e r f o r m a n c em a n a g e m e n tm e t h o d ，a c c o r d i n g t ot h en e t w o r k p e r f o r m a n c ep a r a m e t e rg a i n e d , c a nm o n i t o rt h en e t w o r kr e a l - t i m e i fi tw o r k sa b n o r m a l i nt h en e t w o r k ，t h e r ec a nb ec a r r i e do u tr a t i o n a l l ya d j u s ta n do p t i m i z et h ea l l o c a t i o no f t h en e t w o r ke q u i p m e n t sa n di m p r o v e dt h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k i tc a n f i n df a u ra n di l l e g a la c c e s si nt i m eb ym o n i t o r i n gt h en e t w o r k ，s of a u l tm a n a g e m e n t a n ds e c u r i t ym a n a g e m e n tc a l lb ei m p l e m e n t e d b a s e do nt h ei n f o r m a t i o n 鲥dn e t w o r ks y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s ，i nv i e wo ft h e r e s t r i c t i o n sf o rt h ei n f o r m a t i o ng r i do ft h ew i r e l e s sd e v i c e sa n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n a n dt h eh i e r a r c h i c a ld i s t r i b u t e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h et e x tr e a l i z e sas e to ft h e m e t h o dt ot h ei n f o r m a t i o ng r i dn e t w o r kp e r f o r m a n c em a n a g e m e n t m o n i t o r i n gt h e n e t w o r k sp e r f o r m a n c et h r o u g hc o l l e c t e dt h ee q u i p m e n t s p e r f o r m a n c ea n dl i n k e r s p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h ea c q u i s i t i o no fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，t h e c o m p l e t i o no fd a t ap r o c e s s i n ga n ds t o r a g e ，d a t ae x t r a c t i o na n dd y n a m i cr e a l - t i m e d i s p l a y ，h i s t o r i c a ld a t aq u e r ya n ds e tt h r e s h o l d n e t w o r ks t a t u si sr e c e i v e db ya n a l y z i n g t h ep e r f o r m a n c ed a t a , s ot h a tt h en e t w o r ks i t u a t i o ni s a n a l y z e d t ot h en e t w o r k p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n 。sm e t h o d ，p r o p o s e d a n e x p o n e n t i a ls m o o t h i n gp r e d i c t i o n 沈阳理丁大学硕士学位论文 a l g o r i t h mb a s e do na d a p t i v ed y n a m i cs m o o t hp a r a m e t e r s ，h a sc o n f i r m e dt h i sa l g o r i t h m s u p e r i o r i t yt h r o u g ht h es i m u l a t i o n f i n a l l y , u s e ri n t e r f a c ei ss h o w nb yc h a r t ，w h i c h m a k e st h eo p e r a t i o ne a s i e ra n de n h a n c e st h ee f f i c i e n c yo fn e t w o r km a n a g e m e n t k e yw o r d s ： i n f o r m a t i o ng r i d ；n e t w o r km a n a g e m e n t ；p e r f o r m a n c em a n a g e m e n t ； p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ；d a t ac o l l e c t i o n 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 何其他个人或集体已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) ：新新 日期：2 d 谣年弓月哆日 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：蕲轩 日 期：2 0 0 8 弓g - 指导教师签名：刭；铬因 日 期：枷p 3 ：彦 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 信息栅格 1 1 2 1 是新时期、新战略、新思想下的产物。栅格技术就像是专为建设 一体化信息系统而生一样，它把分散在不同地理位置的资源虚拟成为一个空前强 大的信息系统，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、软件资源、通 信资源、知识资源和专家资源等的全面共享。这些资源形成一个整体后，用户可 以从中享受一体化的、动态变化的、可灵活控制的、智能的、协作的信息服务， 获得前所未有的使用方便性和超强能力。在军事方面，它有力的促进了世界新军 事变革的发展，可以最充分地发挥信息优势的杠杆作用，具有无限的兼容整合性 和应用潜力。 信息栅格网络1 3 1 是一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的自治 系统，网络中的节点相互作为邻居的路由器，通过节点转发机制实现通信，不存 在类似于基站的网络中心控制点。信息栅格网络具有自组性，网络可以在任何时 刻任何地方构建，形成一个自由移动的通信网络。节点以任意的速度和任意方式 在网中移动，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰因素、 地形因素等影响，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时都会发生变化。 由于移动节点的有限性，使得网络中的节点内存小、c p u 处理能力低、所带电源 有限，并且信息栅格网络采用一种无线方式的分层分布式结构，所以更加容易被 窃听、入侵、网络攻击和拒绝服务等。因此，对信息栅格网络进行有效的管理显 得异常重要，它将会给军事指挥带来重要影响。 基于信息栅格的网络性能管理功能主要是实现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，建立性能分析模型，预测网络性能长期趋势， 根据分析和预测的结果，对网络拓扑结构、配置参数进行调整，逐步达到最佳。 利用性能管理工具，管理员可以监控网络设备和网络连接的使用状况，分析出性 沈阳理工人学硕士学位论文 能问题，尽可能做到防患于未然。最终建立科学、完整的网络管理体系，使得该 管理体系具有灵活、可扩展、管理任务自动化、智能化、综合化、可视化等特征。 本课题来源于国家“十一五 预研项目。本文以信息栅格网络为背景，在全面 分析信息栅格网络体系结构和典型网络管理模型的基础上，从网络性能管理入手， 利用相关的工具，对网络中的信息进行收集、分析和处理，其目的是保证网络在 使用最少资源和具有最小的延迟的前提下，能够提供可靠的、连续的通信能力， 并使网络资源的使用达到最优化。 1 2 国内外研究现状 信息栅格技术的出现和发展引起了普遍重视，世界主要国家和地区把发展信 息栅格技术放到了战略高度，纷纷投入巨资，抢占战略制高点。由于信息栅格网 络的异构复杂性，网络维护需要有综合性能的管理工具帮助管理。目前国内外有 关网络性能管理研究的现有成果种类繁多，但大多数研究的网络性能管理软件都 是针对一定要求的网络所制定的。 根据网络性能的管理要求，用户需要一个统一的网络管理平台来实现网络管 理。基于m mn e t v i e w 的解决方案是采用集中式网络管理体系结构，它所提供的 网络管理平台能为用户提供强大的管理能力。t i v o l in e t v i e w 的s n m p c o l l e c t 功能， 能够自动采集重要的网络性能数据，如：m 流量、带宽利用率、出错包数量、丢 弃包数量、s n m p 流量等，并设置相应的阈值，当所采集的数据达到阈值时能够触 发报警或者定义好的自动操作，可以用图形的方式显示这些网络性能数据的变化 情况，也可以将这些数据存放到t i v o l ie m e r p r i s ed a t aw a r e h o u s e 中，进行进一步 的分析和生成报表。m m 的t i v o l in e t v i e w 是分层式平台的网络管理软件，它能 支持多种协议，拥有较全面的网络性能管理功能，而且与t i v o l i 的整体管理框架紧 密集成，能够方便地进一步发展到全面的系统管理，它包括网络管理软件、分布 式系统监控功能、事件处理和自动化管理，可以满足局域网和广域网络系统性能 管理的需要。 对于美国n e t s c o u t 公司，它的业务一直围绕着网络监控和性能管理。目前在 网络性能管理方面所倚重的r m o n ，即“远程网络监控 技术的制定就和n e t s c o u t 有密切的关系。它是r m o n ，r m o n 2 标准的主要制定者。n e t s c o u t 可以说是具 2 第1 章绪论 备最完整网络性能管理方案的厂家，其产品包含全系列的硬件探针和n g e n i u s 分析 系统软件。在软件方面，系统名称为n g e n i u sp e r f o r m a n c em a n a g e r ，包含许多功能 组件，这些功能组件是：实时流量监控( t m m cm o n i t o r ) 、数据包捕捉及解码( p a c k e t a n a l y z e r ) 、v o l p 监控( v o l pm o n i t o r ) 、自动化报表生成( n e w ss t a n d ) 、企业 应用层响应和w e b 流量分析( e n t e r p r i s ea n dw e bo p t i o n ) 等。功能组件都架构在 n g e n i u ss e r v e r 上由它进行统一管理。对于每一个功能组件，都可以实时产生直观 的监控图形和数据报表，自动报表功能能够按照日、周、月生成历史性的报表和 分析。利用n e t s c o u t 的实时分析组件和报表功能，它可以对相关的信息流进行完 整全面的分析，并以此对网络的性能进行管理和监控。 根据不同网络的需求，各大公司也着力研制不同的网络性能管理软件，例如： s u n 公司的s u n n e tm a n a g e r 是运行在xw i n d o w s 上的网络性能管理软件，它用于管 理t c p i p 网络，完整地支持s n m p 。惠普( h p ) 公司的o p e n v i e w 是市场上较为流 行的分层式平台，能够广泛监视性能测量指标，快速辨别并解决系统中现有的和 潜在的性能问题，准确发现系统瓶颈。c au n i c e n t e rt n g 具有w e b 服务器管理和全 面的企业安全管理，实现网络智能化、简化桌面系统和服务器管理等功能。而c i s c o 公司的c i s e ow o r k s 更注重管理c i s c o 的各种设备的网络性能。m i c r o m u s e 公司的 n e t c o o l 以多重故障收集和故障过滤的网络性能管理系统作为其主要卖点。基于 s t 4 v p 的网管系统对网元级对象具有较完善的管理功能，但存在无法对网络整体性 能描述和管理的缺点。安恒公司的s u p e r a g e n t 应用分析专家软件是对网络应用性能 进行监测、趋势分析、故障诊断的首选。它针对网络中所有t c p 网络应用程序对于 最终用户的响应时间提供给精确、详尽的分析，无需部署客户或服务器代理软件， 在它的帮助下，可以更简单、快速地解决网络应用响应时间问题。 以上的网络性能管理软件都是针对特定网络设计的，它们之间具有局限性和 不兼容性。信息栅格作为一个新型复杂的异构网络，使用以上系统必定会出现不 适应性。由于信息栅格的起步时间还不长，且具有无线移动网络的特性，目前针 对信息栅格网络管理的方法主要侧重在网络的体系结构、路由算法和安全管理等 方面，而有关实现网络性能管理的技术相对较少。因此根据特定的网络体系结构 设计适合信息栅格网络的性能管理系统显得异常重要。目前，基于信息栅格网络 管理技术水平有限，要真正实现传统网络向信息栅格网络的结构转型以及网络性 沈阳理丁大学硕士学位论文 能管理的完善化，还需要进行长周期、大投资的建设，其最终的结果还需要实战 来检验。 1 3 本文研究内容 本文以信息栅格网络为背景，通过研究信息栅格网络的特征及体系结构，详细 设计了网络性能管理模型。根据目前网络的现状和发展趋势，结合实际网络性能 管理系统建设经验，对网络。i i 。工- i - - e 月匕e - - , 指标、网络性能管理方式、管理功能需求等方面 进行分析和研究。总体上讲，项目研究采用理论分析与实验研究相结合的方法， 以理论指导实践，用理论分析为问题的解决寻找对策。借鉴国内外的先进技术和 先进经验，结合信息栅格网络系统，分析研究性能管理技术。主要研究内容包括： ( 1 ) 网络性能管理模型 主要研究信息栅格网络管理协议、模型和体系结构。针对特定的网络环境， 分析网络诸要素的基本要求，通过信息栅格的体系结构，建立了分层分布式的网 络性能管理系统，并对各功能模块进行设计。 ( 2 ) 性能数据收集和性能监控 通过详细分析现有数据采集方法，针对信息栅格的特点综合分析，采用主动 采集与被动采集结合的方式，定时收集被管理设备的性能数据，分析影响网络运 行状况。通过各种技术手段优化配置，提高网络性能，并自动生成性能报告。 ( 3 ) 阈值报警 对每一个被管对象的某种属性设置阈值。对于特定被管对象的特定属性，可 以针对不同的时间段和性能指标进行阈值设置，通过设置阈值并进行阈值检查， 可以在网络将出现性能问题时及时向管理人员报警。 ( 4 ) 性能分析 对信息栅格网络中的历史性能数据进行分析、统计和整理，计算性能指标， 对性能状况做出判断，为网络规划提供参考。 ( 5 ) 预测分析 分析总结网络性能监控中已有的预测算法，研究预测算法的相关理论和技术。 根据预测算法模型，设计并实现参数可调整的网络性能预测服务，对信息栅格网 络未来发展的趋势进行有效的管理。 4 第1 章绪论 ( 6 ) 可视化的性能报告 对数据进行分析和处理，生成性能趋势曲线，以直观的图形方式显示性能分 析结果。 1 4 论文结构 论文共分为六章，整体结构和章节安排如下： 第一章概述了信息栅格网络的背景及特性，分析了国内外网络性能管理技术的 研究现状，指出了研究基于信息栅格的网络性能管理技术的重要性。 第二章以信息栅格为背景，结合群首动态选举机制的分层分布式分群体系结构 的特点，设计了基于信息栅格的网络性能管理模型及功能模块。 第三章对信息栅格网络的性能数据采集技术进行了研究。主要包括采集对象的 分类，采集方法和采样频率的研究。 第四章对信息栅格网络的性能数据处理及存储技术进行研究。主要在性能分 析、阈值报警、数据存储和显示四个方面进行研究。 第五章对网络性能管理的预测方法进行研究。本文提出了一种动态自适应平滑 参数的指数平滑预测算法，主要包括算法的提出以及性能的比较和评价。 第六章总结系统实现的相关技术，并给出了性能管理模块的实现结果。 最后对全文进行了总结，并对今后的工作重点进行了展望。 另外在本文末尾列出了本文的主要参考文献和作者在攻读硕士期间所取得的 研究成果。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章信息栅格网络性能管理模型的研究与设计 信息栅格网络采用标准的t c p i p 协议，是基于路由器的自动化通信网络，可 以在通信区域内完成横向和纵向数据传输。信息栅格网络管理系统承担了信息栅 格网络的初始化、配置、监视、规划等任务，为网络的可靠、高效、稳定运行提 供了保障。为了全面协调网络资源，充分发挥信息栅格网络的作用，提高部队的 应变能力，必须由一个统一的网络管理系统来管理网络。本文在深入研究网络性 能管理技术的基础上，根据信息栅格分群机制的体系结构建立了一种分层分布式 的网络性能管理模型。 2 1 信息栅格网络的体系结构 由于信息栅格网络中节点数目众多，地理位置分散，因而它具有动态拓扑、网 络资源受限、多跳、移动等特点。信息栅格网络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。为了减少共享相 同通信信道的节点数目，降低碰撞的概率，提高信道的利用率和网络的吞吐率， 引入了群的概念。以群为基本逻辑单位，将网络分为若干个自治系统，每个自治 系统内选定一个群首，由群首对它所在的群内节点进行管理，并且网络管理的功 能只在每个群内完成。本课题研究的信息栅格网络采用一种基于群的分层分布式 体系结构，如图2 1 所示。 信息栅格网络是移动的，因此群的结构不是固定的，群首不是固定的。群首的 功能完全由管理者控制，所有的群首功能可完全相同，也可不尽相同，可周期性 地划分群或修改群结构。本文研究的信息栅格网络分群机制是采用基于组移动的 最大连接度和最小负载分群算法实现的。通过对统计的节点进行横向一次分群， 选出群首，群首负责管理本群的节点信息；然后从上下级的角度，进行纵向二次 分群，纵向分群选出的群首称为管理者。进行二次分群的目的是尽量减少群首节 点的负载，避免群首节点成为网络通信的瓶颈，减小网络监控系统的带宽占用。 第2 章信息栅格网络性能管理模型的研究与设计 ( 1 ) 群首，根据节点性能与其它节点的连接度情况动态选举生成，主要管理 本群节点，监控节点的动态入群和出群，并负责与上级群的通信。 ( 2 ) 纵向群管理者，主要负责与下级群的通信，以减少群首工作量。 ( 3 ) 群节点，即普通节点，是被管理对象。 图2 1 基于群的分层分布式体系结构 2 2 网络性能管理系统模型分析 网络性能管理模型是满足特定网络管理需求的一个通用框架，主要涉及到网 络性能管理系统的管理方式、通信手段、管理信息描述形式、系统应该提供的功 能以及它们之间的相互关系。根据网络元素在系统间的交互作用，建立合适的网 络性能管理模型显得异常重要。 目前就网络管理模型【。，而言，主要有集中式、分布式和分层式三种。 ( 1 ) 集中式网络管理 沈阳理t 大学硕士学位论文 采用集中式管理的网络中，网络的管理依赖于少量的中心控制管理站，这些 中心控制管理站负责收集网络中所有节点的信息，并控制整个网络。集中式管理 的网络中，要求中心节点具有很强的处理能力，在动态网络系统中这些中心节点 就成为了性能管理的瓶颈。集中式控制的优点是容易实现，但对于节点规模较大 的网络，用来收集管理数据的开销很大，而且当控制管理站出现故障或网络出现 分裂时，网络就全部或部分失去了控制管理功能。 ( 2 ) 分布式网络管理 采用分布式管理的网络中，具有多个控制管理站。每个控制管理站都管理各 自的子网，控制管理站通过点到点的方式进行通信，点到点结构的潜在优势在于 它能够提供较好的可扩展性，可以在较少通信资源和计算资源开销的情况实现较 高的可靠性和高效性。其缺点是对于系统中较复杂的设备，需要有分布式应用框 架。 ( 3 ) 分层式网络管理 分层式控制的网络中有若干中间控制管理站来实现控制管理任务，每个中间 管理站都有其管理范围，负责收集自己范围内的信息，并把收集到的信息送到上 级管理站，同级管理站之间不能通信。这种模式容易实现，这种层次化的结构也 易于与现有的网管系统集成，但是当网络规模扩大时，管理者的增多将导致管理 关系复杂性的非线性增长。 2 3 基于群的分层分布式信息栅格网络性能管理模型 2 3 1 性能管理模型的设计思想 信息栅格网络是一种综合性网络，这种具有高度复杂性、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，在设计信息栅格网络性能管理模型时，要充分考虑以下几点要求： ( 1 ) 信息栅格网络节点数量众多且具有异构性，在整个网络性能管理模型中， 要采用分层分布式管理结构。 ( 2 ) 群的划分能够使群首只维护本群内的节点信息，对于信息栅格这种具有 移动性较强的网络，可减少大规模的通信量，有利于维护本群内的网络性能。 8 第2 章信息栅格网络性能管理模型的研究与设计 ( 3 ) 建立的网络管理模型要能及时的、不间断的反映系统状态，保证系统在 发生问题时能实时地反映给系统监控人员，使网络能处于一个高效的运行状态。 2 3 2 信息栅格网络性能管理模型 在深入研究和分析包含有线网络和移动无线网络在内的现有网络管理体系结 构及网络通信方式等机制，针对本系统的现状和未来发展趋势，根据2 1 节中基于 群的分层分布式信息栅格体系结构，遵照其特性要求，将网络性能管理系统结构 与之相结合，建立了一种分群机制的分层分布式网络性能管理模型，如图2 2 所示。 图2 2 网络性能管理模型 在信息栅格的网络性能管理模型中，网络中的每个群节点都驻留代理进程， 负责与其他群节点进行通信。一个群内被选中的群首或管理者将运行两个代理进 程，即群内代理进程和群间代理进程。其中，群内代理进程负责与本群内的节点 进行通信，群间代理进程负责与其他群内的节点进行通信。作为群首或管理者的 代理进程主要有两个任务，一是对各群进行通信与协同；二是通过数据采集方式， 获取群内的监控信息，以完成对信息栅格网络性能管理的任务。 沈阳理t 大学硕士学位论文 由图2 1 和图2 2 可以看出，本文将整个信息栅格网络环境分为若干层，每一 层都包含若干逻辑上独立的单元群，它可以由若干网络资源组成，如计算机、 交换机、电台、数据库等构成的一个自治系统。每个群都拥有自己的本地性能管 理系统，由群首负责监控本群内的资源。同层的不同群可能又隶属于不同的纵向 群，属于同一纵向群的群管理者又构成一个大范围的管理群，而隶属于不同纵向 群的群管理者之间相互连接，构成该层栅格系统的逻辑节点。 在横向和纵向的网络性能管理模型中，一个群中有一个群首和一个管理者， 群首和管理者可以定位在系统中的任何地方。群首和管理者负责分析、控制并关 联环境中的受控资源和信息，通过分析，以决定如何最佳地控制受控资源，协调 系统应用和信息流量，提高系统效率。在一个群内的节点代理可以驻留在接近受 控资源的地方，代理负责信息的收集、识别、过滤，将管理信息送到它相应的群 首，形成一个分层分布式的网络管理体系。 建立横向( 同级) 群的网络性能管理方式为：首先，各个节点中要装载网络 性能管理软件。当设备启动后，便自动加载网络性能管理程序，并发送横向探测 包，表明其存在，同时监听信道，接收相邻节点发来的数据包，更新相应的数据 表。当节点再次发送探询数据包的时候，数据包中就包含了所有相邻节点的信息， 然后按照最大连接度算法结合负载最小选举群首，进行分群。当群首确定后，运 行在群首的网络性能管理软件作为服务器开始监控自己群内的节点的信息。纵向 ( 上下级) 群的管理方式也与横向群的管理方式相同，这样可以避免当群首和管 理者为同一通信车时监控整个网络而导致网络负载加重的情况发生。设置两级管 理站不仅能够利用集中式管理的优点对群内的运行状态进行集中控制，又能利用 分布式网络管理的特点及时、准确、灵活地发动网络管理行为，同时提高了整个 网络性能管理系统的灵活性和扩展性。基于信息栅格的分层分布式网络性能管理 模型的根本属性就是能容纳整个网络的扩展，提高管理性能。 信息栅格网络规模大且节点资源有限，建立这种分层分布式的性能管理模型， 能够在较少通信资源和计算资源开销的情况下建立有效、稳定的网络管理结构， 并且能使网络具有较高的可靠性、抗毁性和综合抗干扰性。由于每个被管设备都 是具有一定自我管理能力的自治单元，因此每个中间管理站完成各自群内的网络 逻辑管理( 综合管理) ，并通过相互交换管理信息，协调地实现整个网络的管理。 第2 章信息栅格网络性能管理模型的研究与设计 由于该模型能将网络管理功能分布到多个管理者上，从而可以减轻网络管理设备 的负担。 2 3 3 网络性能管理功能模块设计 信息栅格虽然是一种高性能网络，但也会由于物理设备的传输错误或诊断故 障，软件故障或中断故障，以及交换机为减轻网络拥塞所采取的临时动作等引起 性能下降。对信息栅格网络进行性能管理的目的是对网络资源使用状况的监视、 分析、统计与评估。通过对信息栅格网络各部分的工作状态( 数据流分布、节点 吞吐量、设备运行情况、资源使用情况、软件工作状态等) 进行监视，收集数据， 以及数据的统计、分析和处理，提供对网络设备的有效性进行评价，从而可以使 网络操作者采取适当的动作调整网络状态，改善网络性能，并为未来的网络规划 提供性能状态参考。 本文根据2 1 节的信息栅格网络体系结构以及2 3 节的网络性能管理模型，从 功能上分为三大模块对信息栅格网络的性能管理进行研究和设计。其中包括数据 采集模块，数据存储模块和数据处理模块等，如图2 3 所示。 性能分析 性能预测分析 事件监控分析 图2 3 网络性能管理功能模块 报表、可视化图 表显示 弹出窗口或声音 等报警 各模块功能说明如下： ( 1 ) 数据采集模块 数据采集模块是实现网络性能管理的基础与前提条件，主要负责实时轮询网 络设备，采集原始数据。信息栅格网络系统具有节点资源有限，地理位置分散等 沈阳理工人学硕士学位论文 特点，利用传统的采集方式已经不能满足系统处理负载的要求。为了能及时、准 确、全面地获取网络性能信息，本系统改变传统监控系统数据采集方法中使用的 轮询方式和中断及事件方式而使用了更加高效和可靠的主动数据采集和被动数据 采集方式，分别实现了对网络链路和设备性能参数的采集。 数据采集模块作为实时获取信息栅格节点的程序，驻留在每个节点中，并随 节点的启动而一起启动。当信息栅格网络的分群机制建立好后，群首节点的数据 采集模块就作为一个服务器端，对本群内的其他群节点信息进行采集。 ( 2 ) 数据处理模块 数据处理模块包括性能分析、事件监控分析和性能预测分析等功能。性能分 析是根据统计学的方法对采集到的原始数据进行统计分析，以此判断网络的运行 状态，对网络及时进行调整，以控制网络性能。事件监控分析是通过设定阈值， 将影响网络性能的各项指标形成性能评价准则和性能阈值，对超过阈值的记录信 息进行异常报警，以便网络管理员对网络状态进行合理调整。在网络性能预测中， 本文提出的一种动态自适应平滑参数的指数平滑预测算法对信息栅格网络的性能 参数进行预测分析，能够比较准确的预测出未来一段时间内网络运行趋势，帮助 网络管理员更好的管理网络。最后，以报表或图形的方式将获取的信息传递给网 络管理者，以实现对网络性能的实时监控等。 ( 3 ) 数据存储模块 数据存储模块主要是通过建立合适的数据库系统，对数据采集模块中所获取 参数进行存储设计，避免数据重复和冗余。数据存储模块也为数据处理模块提供 数据支持。 第3 章网络性能数据采集技术研究 第3 章网络性能数据采集技术研究 3 1 性能参数的选取 在进行网络性能管理过程中，必须要采集一系列定量的参数，用以描述网元、 数据链路与端到端路径的性能。性能参数是网络管理员对网络性能有一个定量的 客观评价的依据，反映网络的实际情况。性能参数的选取是发现、评价网络性能 的关键，通常根据性能参数对网络进行调整，从而改善网络性能。性能参数能帮 助管理人员发现或预测诸如拥塞、过度冲突等问题，并能提早解决网络故障的发 生。性能参数有很多，不同的网络元素，如路由器、不同用途的服务器、线路等 有着不同的性能参数集合，不同的性能管理任务，所关心的性能参数也不同。根 据性能管理任务的管理域和管理要求，选择合适的性能参数非常重要。 目前， u 的s g l 3 工作组和i e t f 的i p p mw g ( i pp e r f o r m a n c em e t r i cw o r k i n g g r o u p ) 工作组分别对网络性能参数的标准化进行了定义，并在不断修改中。m t f 的口网络性能测量( p p m ) 工作组最早制定了相关的建议和草案，定义了网络性 能测量的基本框架，并规范了性能指标所必须遵循的标准。文献 5 】定义了进行网 络性能指标的框架，并规范了性能指标所必须遵循的标准： ( 1 ) 测量指标的定义必须是严格、具体的； ( 2 ) 指标测量方法的可重复性； ( 3 ) 指标的无偏性； ( 4 ) 指标必须是易于理解的。 本文考虑到的管理要求是：根据信息栅格的网络特性，通过对关键节点的性能 分析，流量跟踪，评价网络资源利用水平，判断传输是否正常，响应时间是否增 加，及早发现网络瓶颈及故障点，从而合理调整网络的运行状况。采集的信息主 要包括链路类和设备类的性能参数，如图3 1 所示。 链路类性能参数包括网络连通性、时延、流量、带宽、丢包率等。设备类性能 沈阳理下大学硕士学位论文 参数包括网络设备、计算机设备、电台信息以及一些保障支持设备的处理器利用 率、存储器利用率、吞吐率等性能参数。同时还可根据用户的需求和特殊监控指 标进行采集。 ，7 一。、 ； 设备类对象 ； ： ： ；链路类对象 ，- - - - - 。- 。- - - - - 。， 图3 1 性能参数采集对象分类图 3 1 1 链路类性能参数 考虑到信息栅格系统的特殊性，针对链路类对象，本文主要定义了如下几个采 集指标： ( 1 ) 连通性 连通性1 6 1 是指在某时刻，源地址与目的地址间对某种类型数据报的可达性，是 描述链路可用性与可靠性最基本的指标，也是链路提供各种上层服务最基本的条 件。连通性描述了网络的可靠性。可用相关指令确定网络上一个远程设备对本地 系统来说是否可达，并在系统之间调试连通性问题。 ( 2 ) 流量 网络流量的采集是系统监控的基础【7 1 。目前流量测量的研究重点在于：监测节 点的规划，抽样算法，海量数据的挖掘和分析处理，流量分析模型，网络流量的 预测等。 ( 3 ) 传输时延 网络时延定义为穿过一个或多个网络段，传送数据包所经历的时间。延迟的大 小反映了网络的拥塞等级。网络时延有两种定义方式：单向传输时延，是指从 发送方( 源端) 的物理设备开始发送数据至接收方( 目的端) 的物理设备全部接 收到该测量报文所需要的时间。往返时延r o u n d t r i pt i m e ( r t t ) ，是指对测量 1 4 第3 章网络性能数据采集技术研究 报文往返时间的测量。 ( 4 ) 时延变化 时延变化【8 】定义为对于一个给定网络流中，数据包之间的时延变化程度。 ( 5 ) 带宽 带宽【9 】是链路的重要资源，准确、广泛地测量链路带宽对于有效利用链路、提 高网络服务质量非常重要。带宽的概念包括链路带宽和有效带宽。链路带宽是链 路自身的容量，不因链路中其他流量的存在而改变。有效带宽是某一时刻在给定 链路上发送数据可用的最大带宽，会随该链路中背景流量的变化而变化。有效带 宽是动态的，因此对它进行测量比较困难。 ( 6 ) 丢包率 丢包率1 1 0 l 是丢失包传送结果与所有传送包总数的比值。如果一个包没有在合理 的时间内到达目的端，就认为发生丢包。网络发生拥塞使路由器缓存溢出或数据 传输延迟过大而导致数据包的丢失。丢包进一步造成数据包重传，网络负载增大， 性能恶化。因此丢包率是描述网络当前负载状况与进行网络性能预测的重要指标。 3 1 2 设备类性能参数 系统内不同的设备工作方式不同，其监测方式也不同，性能参数也有各自的 特点。由于系统内部设备的多样性，为制定标准的监测体系造成了困难。一般根 据被监测系统内设备的特点制定相应的监测指标。主要采集的性能参数有处理器 利用率，存储器利用率，吞吐率，还包括一些电台类设备的性能争1 1 1 。 ( 1 ) 处理器利用率 处理器利用率指系统内设备处理器的使用情况，是判定设备负载情况的重要 指标。处理器利用率是动态参数，会根据设备负载的变化动态变化。 ( 2 ) 存储器利用率 存储器利用率指系统内设备存储器的使用情况，存储器利用率是判定设备负 载情况的重要指标。 ( 3 ) 吞吐率 吞吐率指某时刻流入设备的数据量和从设备发送的数据量，通常指路由器或 交换机在不丢包条件下每秒转发包的极限值。吞吐率是判定设备网络负载的重要 1 5 沈阳理t 大学硕十学位论文 指标。 3 2 数据采集方法研究 网络性能监测【1 2 】提供了一种在实际环境中探索网络特性的手段，是一种从网络 设备或链路上采集数据、解码数据、分析数据的过程。数据采集是网络性能监测 的基础与前提条件，是遵照一定的方法和技术，利用软件和硬件工具来获取或验 证表征网络性能指标的一系列活动的总和。 数据采集的研究主要包含以下三个要素：采集对象，也就是被采集的节点 和链路，以及待采集节点、链路或网络的某种或某些特性；采集环境，包括采 集点的选取，采集时间的确定，采集设备、通信链路的类型等；采集方法，也 就是针对某一具体的网络行为指标，选取合适的采集方法。 数据采集方法应该满足三个方面的要求：稳健性，即被测网络的轻微变化 不会使采集方法失效；可重复性，即同样的网络条件下，多次采集结果应该一 致；准确性，即采集结果应该能够反映网络的真实情况。 3 2 1 传统数据采集方法研究 传统数据采集方法把系统中收集的数据分为两种方式：一种是轮询方式，另 。 一种是基于中断或事件驱动的方式【1 3 】。一般来说，数据采集系统轮询被监控设备中 的代理来收集数据，并且在控制台上用数字或图形的方式来显示这些数据。被监 控设备中的代理可以在任何时候向监控中心的数据采集系统发送事件报告，例如 预先制定的阈值越界报警等。数据采集系统不需要等到轮询这些设备时才能获得 设备的报告信息。 轮询方式是由数据采集系统发出查询命令，要求被监控对象返回当前状态信 息。数据采集系统根据返回的内容确定被监控对象的当前状况。轮询是一种有计 划的管理活动，很多系统轮询被监控对象( 如集线器、路由器和交换机等) 查找 错误或阈值条件，这种阈值是由网络管理人员设置的，是由一些原始数据建立的。 借助一个图形或文本用户接口，出现错误条件时就会警告该网络管理人员。如果 使用轮询的方式，那么被监控对象总是在控制之下，而这种方式的缺陷在于信息 第3 章网络性能数据采集技术研究 的实时性，尤其是错误的实时性。如果轮询间隔太小，那么将产生太多不必要的 通信量。如果轮询间隔太大，并且轮询时顺序不对，那么关于一些灾难性事件的 通知又会太慢。 事件驱动就是由各个被监控对象的代理及时发现异常现象，将有关数据作为 事件报告发给事件处理进程。事件处理进程从事件报告中了解被监控对象的状况 变化。当被监控对象因为本身故障或受其他因素的影响而发生工作状况变化时， 也就是发生了事件。通常所说的事件指异常事件。当有异常事件发生时，基于中 断的方式可以立即通知网络管理中心。然而，这种方式仍然存在缺陷，首先，产 生错误或自陷需要系统资源。如果报告事件必须转发大量的信息，那么被监控对 象可能不得不消耗更多的时间和系统资源来产生自陷，从而影响它执行主要的功 能。如果几个同类型的事件接连发生，大量的网络带宽可能将被相同的信息所占 用。尤其是如果事件是关于网络拥挤问题的时候，汇报的信息只会让网络问题变 得更加糟糕。克服这一缺陷的一种方法就是被监控对象应当设置关于什么时候报 告问题的阈值。但是这样设备必须消耗更多的时间和系统资源来决定一个事件是 否应该被发送。 3 2 2 常用数据采集技术研究 由于信息栅格的通信网规模庞大、组织结构复杂、被管理对象种类多、数量大、 通信资源受限等，因此本文改变传统监控系统数据采集方法中使用的轮询方式和 中断及事件方式而使用了更加高效和可靠的主动数据采集和被动数据采集方式对 网络的重要参数进行