（通信与信息系统专业论文）宽带多媒体卫星网络管理系统中性能管理的研究与实现.pdf

沈阳理i ：大学硕十学位论文 摘要 随着航天技术和信息技术的飞速发展和应用，卫星网络在政治、经济和军事 等领域的战略地位越来越重要，通信卫星、气象卫星、广播卫星等卫星系统跟人 们的生活的关系越来越密切。因此“新一代宽带多媒体通信卫星系统”应运而生， 成为我国重点发展的民用通信卫星项目。由于该系统具有独特的网元节点和运行 特性，传统的网络管理技术存在不适用性，为保证系统的自主、高效运行，信息 的安全和可靠传输，本文进行了宽带多媒体卫星网络管理系统的研究。本文根据 o s i 网络管理模型的结构，分析了该网络管理系统的组织模型、信息模型、通信模 型和功能模型，并对功能模型中的性能管理做了重点研究与实现。 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，在性能管理的基础之上，可以优化配置，改善网络运行性 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。对流经网络的数据包进行监测可以对网络用户的通信量进行统计，实现计费 管理。 本文根据宽带多媒体卫星网络管理的系统特性，提出评价设备性能、网络性 能和a t m 连接服务质量的性能参数，设计实现性能管理实施方案，完成对性能参 数的处理和存储、数据的提取和动态实时显示，性能参数门限报警，历史数据查 询和设置阈值等功能。通过仿真验证选择了指数平滑预测模型，对采集的性能数 据进行统计分析来得到有关网络运行的情况，从而进一步分析网络现状。用户界 面以直观的图表形式呈现，使操作简单，提高网络管理的效率。 关键词：数据采集；性能参数；性能管理；网络管理 沈阳理j ：大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fs p a c e f l i g h tt e c h n o l o g ya n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , s a t e l l i t en e t w o r kp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n p o l i a c , e c o n o m ya n dm i l i t a r ya r e a t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns a t e l l i t es y s t e ms u c ha s m e t e o r o l o g i c a ls a t e l l i t ea n do u rl i f ei sc l o s e ra n dc l o s e r i nt h i ss i t u a t i o nt h en e w g e n e r a t i o nb r o a d b a n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ns a t e l l i t es y s t e me m e r g ea st h et i m e r e q u i r e ，t h ec i v i lc o m m u n i c a t i o ns a t e l l i t ep r o j e c tb e c o m e sa ni m p o r t a n tp l a n b e c a u s eo f t h e s p o c i a ln e t w o r ke l e m e n ta n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c ，t r a d i t i o n a ln e t w o r k m a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi s n ta p p l i c a b l e t oe n s u r et h a tt h es y s t e mw o r k sa u t o m a t i c a l l y o re f f i c i e n t l ya n dt h ei n f o r m a t i o nc a nb et r a n s f e r r e ds a f e l yo rd e p e n d a b l y , t h er e s e a r c h o fb r o a d b a n dm u l t i m e d i as a t e l l i t en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mh a sb e e nd o n e t h i s p a p e ra n a l y z e st h en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mi nf o u ra s p e c t s ：o r g a n i z a t i o nm o d e l ， c o m m u n i c a t i o nm o d e l ，i n f o r m a t i o nm o d e la n df u n c t i o nm o d e la n de m p h a s i so nt h e r e s e a r c ho fp e r f o r m a n c em a n a g e m e n ti nf u n c t i o nm o d e l 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 ，a so n eo ft h e i 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 er e l a t i o n s h i pw i t ho t h e rf u n c t i o n s i tc a l lo p t i m i z ec o n f i g u r a t i o na n di m p r o v ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r ko nt h eb a s eo f p e r f o r m a n c em a n a g e m e n t i tc a l lf i n df a u l ta 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 e n e t w o r k , s of a u l tm a n a g e m e n ta n ds e c u r i t ym a n a g e m e n ta r ei m p l e m e n t e d t h e c o m m u n i c a t i o nt r a f f i cc a nb ec a l c u l a t e dt h r o u g hm o n i t o r i n gt h ed a t at h a tg ot h r o u g ht h e n e t w o r k , s ot h a tt h ea c c o u n tm a n a g e m e n ti si m p l e m e n t e d a c c o r d i n gt o t h es y s t e ms p e c i a l i t yo fb r o a d b a n dm u l t i m e d i as a t e l l i t en e t w o r k m a n a g e m e n t ，t h e t h e s i s p u t s f o r w a r dt h ei n d e x e st h a tc a ne v a l u a t e e q u i p m e n t p e r f o r m a n c e ，n e t w o r kp e r f o r m a n c ea n da t mc o n n e c t i o nq u a l i t yo fs e r v i c e ，d e s i g n st h e s c h e m eo fr e a l i z i n gp e r f o r m a n c em a n a g e m e n t ，a c c o m p l i s h e sp r o c e s sa n ds t o r a g eo f p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r , d y n a m i cr e a l - t i m ed i s p l a y i n go fd a t a , g i v i n ga l a r mw h e n p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s a r eb e y o n dt h e l i m i t s ，q u e r yh i s t o r i c a l d a t aa n ds e t t i n g 沈阳理j ：大学硕士学位论文 t h r e s h o l d t h ee x p o n e n t i a l s m o o t h i n gf o r e c a s tm o d e li s c h o s e nb ys i m u l a t i o na n d v a l i d a t i n ga n dn 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 gt h ep e r f o r m a n c ed a t a , s ot h a tt h e n e t w o r ks i t u a t i o ni s a n a l y z e d u s e ri n t e r f a c ei ss h o w nb yc l a m ，w h i c hm a k e st h e o 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 ：d a t ac o l l e c t i o n ；p e r f o r m a n c ei n d e x ；p e r f o r m a n c em a n a g e m e n t ；n e t w o r k m a n a g e m e n t 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) 渤兹 日 期纱力年，月占日 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 指导教师虢渤形 日 期：矽z ，莎 澎朋 、嘞岬 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着航天技术和信息技术的飞速发展和应用，空间在政治、经济和军事等领 域的战略地位越来越重要，可以说2 1 世纪人类对空间信息资源的需求和依赖可以 与上个世纪工业革命对电和石油的需求和依赖相比拟n ，。通信卫星、气象卫星、广 播卫星等卫星系统越来越跟人们的生活息息相关。因此本项目从促进国民经济发 展和加速国家信息产业建设的高度出发，进行我国新一代宽带多媒体卫星通信系 统的研究。该卫星系统区别于以往的通信卫星，它不再是“弯管式”，而有了星上 处理功能，覆盖方式也不再是简单的区域覆盖而是点波束合成区域覆盖，并且采 用a t m 交换来提高频率复用能力，整个系统由关口站、地面终端、星上a t m 交换 模块、网管中心共同构成天地一体化的网络系统。 而在任何网络的建设中，控制网络，使网络具有最高效率和可靠工作的网络 管理都将是一个必需内容，尤其是对于复杂而庞大的卫星网络系统。宽带多媒体 通信卫星系统的网络管理子系统，不同于地面的计算机网络管理系统，也不同于 卫星的地面监控系统，它是多媒体信息利用卫星进行传播的管理系统，然而，该 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，为了使宽带卫星系统达到相对自主、 高效运行，并保证信息的安全和可靠传输，单靠目前的网管技术是难以实现的， 因此，迫切需要展开对该卫星及地面系统网络管理的研究。 1 1 1 国外研究现状 国外在宽带多媒体卫星的研究工作方面起步较早，全盛时期是在上世纪9 0 年 代。当时美国、欧洲涌现了2 0 多个“宽带卫星”计划，其中比较著名的有 “t e l e d e s i c ”、“s k y b r i d g e ”等，这些计划的特点是瞄准全球服务市场、采用 多星座设计、使用k u 或k a 频段、具有星间链路，计划的投资规模都在数十亿美 元或以上。后来随着互联网经济泡沫的破裂，市场需求的萎缩，这些计划有的取 沈阳理工大学硕士学位论文 消、有的减缓。对于这类采用先进技术、超前发展的系统，在网络管理方面，西 方先进国家认为现有独立运行和管理的卫星通信系统已经不能有效地适应各种应 用的要求。目前，世界主要航天国家正在开展卫星组网技术的研究，其中，美国 凭借其强大的经济实力和航天能力，在卫星网络的认识和建设方面处于领先地位。 美国n a s a 及国防部所属机构正在进行将地面的复合网络同近地卫星通信网络甚至 远外空间通信网络实现互连的研究工作m 。其中，卫星及地面复合网络通信协议及 网络管理的研究正在它所支持的马里兰大学“卫星与复合通信网络研究中，t l , ( c s h c n ) ”进行。目前正在进行的研究项目有：卫星和混合通信系统、利用卫星 进行a t m 网络互连、卫星网的t c p i p 应用、混合宽带网的自动监测和智能网络管 理等。俄罗斯的多功能航天通信系统( m i ( t c ) 也正在建设和发展中，其中工作之 一是进行星上网络管理的研究。 除此之外，高轨道多媒体通信卫星却因为采用了成熟技术、成本相对较低而 蓬勃发展起来，并有一定程度的应用，例如s p a c e w a y 、h n i kf 2 等。在这类多媒 体卫星中，网络管理主要包括卫星通信及星上交换设备的管理和地面的v s a t 网络 管理系统。对于前者，国外已经存在一些相对较成熟的商业网络管理系统：美国 的休斯公司相关网管产品、加拿大的s e d ，美国c o m t e c h 公司的m i d a s 和德国的军 事卫星管理系统n ds a t c o r a 等，他们可以实现卫星设备的监视和控制、卫星的资 源管理、监控远程节点的网络流量等，但是他们都属于针对专有网络开发的，具 有很强的特定性。 对于后者，通常v s a t 有一个设置在主站集中的网络管理计算机和相应的数据 库；在各个地球站和网络设备上，有一个网络管理计算机的代理设备，即网络管 理代理。网络管理设备和网络管理代理之间，需要通过卫星通信网的通信信道进 行数据通信。网络管理的通信应该和业务通信并行使用卫星通信网络，它们的区 别只是数据结构不同。网络管理的通信业务和数据通信业务共享卫星通信网，但 只占用通信链路业务的一个小部分，管理着整个卫星通信网。v s a t 卫星通信网的 网络监控管理包括：系统结构和配置管理；用户v s a t 站的注册管理；用户v s a t 站 的业务管理；v s a t 站条件接收的管理：系统运行状态管理；操作员和网络管理系 统的后处理。网络监控管理通过对网络各单元抽样及收集数据对v s a t 网进行监视 。v s a t 网络管理监控能力之一就是事件监视、记录及筛选( 即压缩故障) 、提出 第1 章绪论 告警，对事件和告警信息的筛选准则必须是操作员可控的。所有事件及告警信息 均要规定时间并存入中枢站的网络管理计算机数据库中，达到给定等级严重的告 警( 操作员设置的) 要通过操作员接口送给操作员。监控分系统的另一功能是切 换系统中的备份设备。价格低廉的v s a t 很少有备用系统，但中心站的故障将关系 到全网的工作，都设有备份。管理系统必须了解所有工作和备份设备的状态，并 根据需要进行设备的切换。为了实现上述功能，必须建立网络管理数据库，在网 络管理数据库中储存网络配置、v s a t 站注册、v s a t 站业务、系统运行时的v s a t 站 、数据链路、卫星通信链路等各种信息。在实现系统管理的过程中，不断从数据 库中获取信息，并更新数据库信息，实现系统的实时或非实时管理。v s a t 卫星通 信网的监控管理还包括操作人员的工作，网络管理要提供很好的人机界面，使操 作员方便、迅速地介入，确保操作员随时了解网络的运行状态，一旦出现影响网 络正常运行的变化，便可迅速而有效地进行管理。 一 网络管理系统操作员接口可采用树形结构，便于操作员对系统中不同层次进 行监视与管理，随时了解全网及其子系统的状态及运行的情况。根据操作人员的 要求，网络监控管理系统收集并提供有关网络状态、性能及操作的数据、系统的 管理数据、产生相应的报告并归档，以满足长期管理的需要。 v s a t 网有两种基本类型，即单用户专用网及共享中枢站网n - 。这两种网络的监 控管理功能相似，但亦存在一些明显区别。因此网络管理系统必须与网络设计结 合起来，并要求具有一定的灵活性，以满足不同用户的各种需求及支持网络的运 行功能。对于专用网来说，通常情况下只需一个管理中心进行网络的监视与控制， 而共享中枢站网不仅要求有主站操作员进行最高级操作与控制，且必须具有每个 用户对共享系统的管理功能。各个虚拟子网分中心必须有重组和测试各用户设备 逻辑归属的能力。并能使这些功能在实现过程中对共享设备的其它用户完全透明。 网络管理功能分实时处理和非实时处理两种，实时处理的网络管理任务通过全网 所有的处理器( 包括各v s a t 站的及中枢站的) 和中枢站的网络管理计算机完成。 非实时处理由安装在中枢站的、具有网络数据库的大型处理机完成。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 1 2 国内研究现状 我国的通信卫星发展历史并不长。从1 9 8 4 年我国第一颗实用通信卫星投入使 用，至今只有2 0 年时间，这期间通信卫星的技术发展有了跨越式的进步。 就宽带多媒体通信卫星而言，典型的应用是中国教育卫星宽带多媒体传输平 台，它是教育部现代远程教育工程，2 0 0 0 年l o 月3 1 日实现正式开播，2 0 0 0 年底 完成了与中国教育科研网的高速互联。图i i 为卫星电视教育网示意图。 图i i 卫星电视教育网示意图 新建立的中国教育卫星宽带网络采用基于d v b 标准的电视、语音、i p 相融合 的宽带多媒体技术，并应用多种回传通道实现卫星因特网接入服务“，中国教育电 视台承担构建的中国教育卫星宽带多媒体传输平台( c e b s a t ) 已通过用户管理系 统实现了对北京邮电大学、北京大学医学网络教育学院、北大远程等多家单位的 用户管理，取得了良好的效果。c e b s a t 用户管理系统不是一个独立的系统，它是 附着在整个传输系统中的一个部分，当有c a 系统时则需要通过用户授权系统 ( s u b s c r i b e ra u t h o r i z a t i o ns y s t e m ，s a s ) 进行授权处理，再向授权管理信息 注入器( e n t i t l e m e n tm a n a g e m e n tm e s s a g ei n j e c t o r ，e m m i ) 提出授权要求，e m m i 与授权控制信息生成器( e n t i t l e m e n tc o n t r o lm e s s a g eg e n e r a t o r ，e c m g ) 按照 一4 一 第1 章绪论 要求生成e 删和e c m ，所产生的e m m 和e c m 通过打包复用器s m r 一2 6 传输。e m m i 产 生e m m 并对e m m 进行加密，它是用户管理系统和授权管理系统的信息和资料的组 合，形成用户收看节目的条件。在系统功能方面，c e b s a t 的用户管理系统包括用 户管理、节目管理、终端管理、账务管理、报表管理、系统管理六个功能模块， 它是数字广播业务正常开展的保证。c e b s a t 的用户管理系统可以同时对电视节目、 i p 数据两种广播模式进行管理。系统结构图如图1 2 所示。 匝丽圃 用户管理il 节目管理ll 终端管理l 帐务管理i 报表管理|i 系统管理 图国图吲国国蚓阔吲国引劁吲引 ： 据预测，未来的卫星宽带多媒体通信系统将主要采用t c p i p m 、d v b - s 数字 平台m 和a t m 技术m m 。卫星通信系统中采用t c p i p ，有利于与地面因特网的互联， 但t c p i p 在卫星链路中的性能仍有许多问题需要研究，特别是保证服务质量和支 持实时话音、图像传输方面。d v b - s 目前在世界范围内已得到广泛而成功的应用。 该数字平台适用于广播业务，但通过一些特殊的传输模式，可利用d v b - s 来传输 软件，支持i n t e r n e t 业务，提供交互式电视服务等。目前许多卫星通信系统的业 务分类都是基于a t m 的，a t m 可保证高数据传输率及不同业务的服务质量，因而特 别适合于宽带多媒体卫星通信。关于未来宽带多媒体卫星a t m 网络的协议主要有 两种方案“”“”： ( 1 ) a t m 信元封装：使用a t m 信元封装和卫星专用协议建立和管理连接。 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 定义卫星a t m ( s a t m ) 协议层：用a t m 协议栈提供高度综合的解决方案， 定义了一个新的s a t m 协议层。 卫星通信网最初是作为透明信道使用，它只提供固定的连接，传输单一的业 务。这时针对不同的卫星信道，设备必须配置不同的通信软件。由于卫星宽带多 媒体网络通信必须支持网络管理和多址接入的控制，卫星通信业务的综合化必须 传输多种业务，例如电信、计算机数据、以及数据音频视频广播，因此，卫星通 信规程要考虑传输的业务以及相应的规程协议，例如：音频视频广播的数据结构 和规程协议、计算机互联网通信的t c p i p 协议，以及电信通信的信令。随着宽带 卫星通信网络的发展，通信规程要支持交互通信，特别是宽带交互通信业务。卫 星通信规程中也要考虑网络管理的规程协议，随着网络技术和航天技术的发展， 将卫星组网是大势所趋，而对于任何网络而言，网络管理都是核心任务之一，它 是使一个复杂的系统达到并保持最优的工作效率和生产力的过程。 近年来，随着网络技术的迅猛发展，现有网络呈现出高速、异构及支持多媒 体业务传输的特点，并且在某些领域还要求具有q o s 保证，这些特点是在传统的 网络管理软件中没有涉及到的，对于空间通信协议还必须考虑卫星传输的长时延、 卫星信道比地面信道高的差错概率、用户站多址接入的介质访问控制和资源共享 与分配等问题。那么，空问网络管理势必向着天地一体，灵活扩展、协同合作和 智能高效的方向发展。 1 1 4 意义 该网络管理子系统是我国新一代宽带多媒体通信卫星系统( 以下简称宽带多 媒体通信卫星系统) 的四大主要组成部分( 宽带多媒体通信卫星、地面网管传输 控制中心、关口站及终端子系统) 之一。该卫星系统目前还只有一颗卫星工作， 但是随着发展，有可能逐渐增多，并增加星上处理和星间链路，即组成空间网络， 因此目前网络管理子系统的研究就应该具有一定的前瞻性，在系统设计之初，就 应该充分考虑网络规模的可伸缩性、通信协议的针对性以及网络管理功能的完备 性，从而提高网络的使用效率和保证卫星系统的持续、可靠、有效运行。 而本卫星系统独有的网元节点和运行特性给网络管理技术带来了新的挑战， 第1 苹绪论 成为网络管理的难点所在。为使本卫星系统达到自主、高效运行，保证信息的安 全和可靠传输，单靠目前的网管技术是难以实现的，必须针对本卫星系统的管理 控制对象，通过对网络管理体系和协议、管理功能域和关键技术上的研究与实现， 建立天地一体化网络管理系统模型，实现网络的自主运行和积极控制，保证网络 的可靠和有效运行。它的研制成功，必将对发展我国信息技术起到推动作用，其 成果、经验更具有广泛的社会和经济效益。 1 2 新一代宽带多媒体卫星系统简介 图1 3 宽带多媒体通信卫星系统的网络拓扑结构 宽带多媒体通信卫星系统的网络拓扑结构如图1 3 所示。系统由一颗g e o 卫 星、地面终端、关口站和一个网络控制中心n c c 构成。在系统中，有3 2 个点波束， 每个波束分配一个转发器，一个转发器带宽是1 2 8 m h z 。为了简化构图，图中没有 画出3 2 个波束，而只有4 个加以说明。 下面，作者将整个系统分成空间段和地面段两部分加以描述。 沈阳理工大学硕士学位论文 空间段由一颗带有星上处理和交换功能的g e o 卫星组成。地面终端发来的信 元经过上行调度和处理进入星上交换机，星上交换根据v p v c 对应表进行交换， 把信元交换到相应的点波束，经过t d m 复用后，送入卫星下行信道。v p v c 对应表 从地面网络控制中心( n c c ) 获得。 新一代宽带多媒体通信卫星系统的地面段包括网络控制中心( n c c ) ，关口站 和网络终端三部分。 网络控制中心( n e t w o r kc o n t r o lc e n t e r ，n c c ) 是新一代宽带多媒体通信 卫星系统的关键部分。它主要完成网络管理、资源分配、流量统计、时间同步等 功能。 关口站一端连接现有终端，一端连接卫星，它的主要作用是把现有i n t e r n e t 用户接入到宽带卫星通信网络中。为此，关口站需要完成i p 数据包与卫星a t m 信 元的适配，以及地面t c p 与卫星t c p 的协议转换功能。 上行链路关口站完成的步骤： ( 1 ) 截取、缓存发送端发来的t c p 数据包，并对接收到的数据包进行确认，然 后将a c k 包返回给发送端； ( 2 ) 将接收到的i p 数据包封装到卫星a t m 信元上，经卫星链路进行传输和交 换，到达下行链路关口站。 下行链路协议转换网关完成的步骤： ( 1 ) 将卫星a t m 信元转换为i p 数据包，采用t c p i p 协议将数据包发送至接收 者，并保留数据包副本； ( 2 ) 当接收到接收端返回的新数据包确认时，清除被确认数据包的副本，并丢 弃相应的a c k 包； 除了信元适配和协议转换之外，还选择一个关口站作为副参考时钟站，作为 主参考时钟站的备份。 网络终端可以分为三种：现有终端、专用终端、个人用户。其中现有终端经 过i n t e r n e t 与关口站相连，然后通过关口站接入卫星信道，专用终端和个人用户 通过卫星天线直接接入卫星信道。 卫星信道上行链路采用m f - t d m a 接入方式，下行采用t d m 多路方式。卫星可 以接收来自多波束的信号且可以通过多波束转发至接收用户，每个波束分为若干 一8 一 第1 章绪论 个频率信道，每个频率信道分为若干时隙。上行信道带宽为2 m ，转发器带宽1 2 8 m 。 每个终端在网内有一个唯一的i d 号，终端漫游到不同波束下时，无线资源管理器 和网管中心应可以识别。 在新一代宽带多媒体卫星通信系统中，关口站包含合路与中频传输系统，终 端通过上行合路与中频传输系统接入网络。上行、下行合路与中频传输系统应留 有多个接口和插槽，供终端使用。业务数据流和信令通过下行合路与中频系统到 达目的终端。无线资源分配系统是星上有效载荷的一部分，该系统分两个模块： 区域资源管理系统和无线资源综合管理系统。系统的基本结构如下图所示。 图1 4 宽带多媒体卫星系统的基本结构 上行数据流中的信令( 连接的申请和释放等) 被提交给区域管理控制系统， 通过与无线资源综合管理系统的接口，这些信令被综合处理，无线资源综合管理 系统负责为主叫和被叫终端动态分配双向的信道。由于各区域( 波束) 的最大通 信容量是固定的，信道的分配是按区域完成的。信道的分配和其他的信令被传送 到目的区域对应的区域管理和控制系统，通过下行波束达到被叫终端。 星上无线资源综合管理系统的主要功能是保存各区域发来的终端信息，分配 信道，建立连接，并将各区域终端和通信信息( 信道、流量等) 通过特定的波束 发给网管中心。 9 沈阳理工大学硕士学位论文 1 3 本文研究内容 本文首先分析a t m 宽带多媒体卫星网网络管理的应用背景，讨论了课题提出 的必要性、国内外技术现状以及多媒体卫星网络管理的发展趋势。而后，深入研 究了网络管理的原理，讨论了网络管理的功能、模型以及主要协议，并简要介绍 了本网络中采用的多元网络管理协议m n m p 。在对网络管理原理进行深入分析研究 后，提出了适合本网络的管理系统的体系结构，包括网络的组织模型、通信模型、 信息模型和功能模型。在明确该网络体系结构后，对该网络的网络管理系统进行 了功能模块设计，并着重介绍了性能管理模块的设计以及软件的设计实现。 本文的其它章节安排如下： 第二章研究了网络管理的原理，包括网络管理的概念、网络管理的功能域、 管理模型以及网管协议。第三章研究了a t m 宽带多媒体网络管理系统的体系结构， 包括管理系统的组织模型、通信模型、信息模型和功能模型。第四章分析了评价 性能的参数，并给出了设计实现方案；第五章给出了性能管理模块的实现结果并 总结了一些技术。最后是本文的总结。 一1 0 第2 章网络管理原理概述 第2 章网络管理原理概述 本章在简单介绍了网络管理的意义和定义后，着重说明了国际标准化组织 ( i s o ) 定义了网络管理的5 个功能域。并介绍了当前应用比较广泛的几种网络管 理协议。 2 1 网络管理的概念 一个组织花费大量的时间和资金建立起来的复杂的计算机网络，需要不断地 进行维护。公司投入一个或多个网络管理员去维护一个网络，其性能价格比没有 让一个系统自动地完成大部分工作而管理员仅完成必须任务的性能价格比高。后 者可以使得管理员能够致力于网络的发展工作。由此产生了网络管理的概念。 网络管理就是通过规划、配置、监视、分析、扩充和控制计算机网络来保证 网络服务的有效实现u ”。 网络管理系统控制一个复杂的计算机网络使得它具有最高的效率和生产力。 根据进行网络管理的能力，这一过程通常包括数据收集，数据处理，然后提交给 管理者，用于在网络操作中使用。它还可能包括分析数据并提供解决方案，甚至 可能不需要打搅管理员而自动处理一些情况。进一步它还可以产生对管理者管理 网络有用的报告。作为发现问题的辅助手段，它可以持续地监视网络；它还可以 产生网络信息日志并利用这些信息日志去研究和分析网络。这些工作对网络管理 员而言将是无法如此快速而有效地完成的。 网络管理系统由一组软件组成，它们的使用可大大提高网络的效率。虽然网 络管理员可以用手工的方法完成网络管理系统的服务，但选择软件来完成这些日 常的任务，可以使得管理员有时间去处理更为复杂的网络问题。 2 2 网络管理功能域 在o s i 中定义了网络管理的五个基本功能f c a p s ：故障( f a u l t ) 管理、配置 ( c o n f i g u r a t i o n ) 管理、计费( a c c o u n t ) 管理、性能( p e r f o r m a n c e ) 管理、安全 沈阳理工大学硕士学位论文 ( s e c u r i t y ) 管理。 2 2 1 配置管理 o s i 配置管理功能允许网络管理者对网络组件以及o s i 模型的各层实体进行配 置和控制。管理者通过适当配置，可以减轻拥塞、隔离故障或满足用户的其它需 求。配置管理的实现包括：采集和传送网络资源的当前状态信息、本地发生的或 由于未预计到的事件而引起的变化，通过标准化的协议通知给管理工具，设置并 修改与网络组件和o s i 各层软件有关的参数；启动和关闭管理对象，改变配置， 将名字与一个或一组对象联系起来。 2 2 2 故障管理 故障管理是对计算机网络中的问题或故障进行定位的过程，它包含3 个步骤： 发现问题 分离问题，找出故障的原因 修复问题( 如有可能) 故障管理的最主要的作用是：通过提供网络管理者快速地检查闯题并启动恢 复过程的工具，使得网络的可靠性得到增强。这一点是重要的，因为在网络如此 普及的今天，很多人就像依赖电话一样依赖网络，用户通常希望网络一直都能使 用。但期望它不出故障或不停地运行是不现实的。使用故障管理技术，网络管理 者可以更快地定位和解决问题。 2 2 3 安全管理 安全管理是控制对计算机网络中的信息的访问的过程。它包括：授权访问控 制、加密及密钥管理、身份认证、安全日志记录等。 2 2 4 性能管理 性能管理功能使得网络管理者能够监视及评估系统和层次实体的性能，它包 第2 章网络管理原理概述 括：收集和传送与当前资源性能水平有关的数据，检查和维护性能记录，以进行 分析和计划。监视的项目可能有：整体吞吐量、利用率、错误率和响应时间等。 运用性能管理信息，管理者可以保证网络具有足够的容量以满足用户的需要。 2 2 5 计费管理 计费管理功能实现网络资源的有偿使用，它包括：使用时间报告以及数据操 作软件通知用户有关费用。允许对被管理资源的使用设置计费限制。在占有多种 资源的情况下，可以实现各种费用的综合。计费管理还有一个附带的作用增 加了网络管理者对用户使用网络资源情况的认识，这有助于创建一个更具生产力 的网络。 2 3 管理模型 典型的网络管理系统主要包括管理者、被管理者( 代理) 、管理信息库和管理 协议4 大要素，如图2 1 所示。 i 管理者完成相应的管理工作，它实际上是一台运行特殊管理软件( 管理进程) 的普通计算机，通常称为网管工作站。管理者可以自动或按照用户的规定去轮询 被管理设备中的相关信息，或向被管理设备发出管理指令，以达到对被管理设备 进行监视和控制的目的。被管理者可以是主机、路由器、网桥等可与外界交流状 态信息的任何设备。被管理者运行代理进程，其功能是负责收集被管理设备的信 息，响应管理者发来的轮询及执行管理者发来的管理操作指令，还可以根据用户 设定的变量阈值在被管理设备出现问题时产生陷阱( t r a p ) ，向管理者发出告警。 网络中每个被管理的设备都具有一个或多个变量来描述其状态，这些变量被存放 在一个叫管理信息库 l i b ( l a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 的数据结构中。管理 协议定义了谁应该记录什么信息及信息的确切格式，并通过它提供的通信标准实 现管理者和代理间的通信。代理对象的管理类似于管理者与代理之间的操作n ，。 沈阳理工大学硕士学位论文 管理系统 管理命令 被管系统管理对象 管理者代理 ! 1 i v l a n a g e r 。 管理协议 a g e n t u 厂、 管理信息库 管理信息库 司u m m 一 响应事件 m m 图2 1 网络管理基本模型 2 4 几种主要的网管协议 网络管理协议一般为应用层级协议，它定义了网络管理信息的类别及其相应 的确切格式，并且提供了网络管理站和网络管理节点间进行通讯的标准或规则。 目前使用的网管协议主要有基于t c p i p 的简单网络管理协议s n m p ，基于o s i 的公 共管理信息协议c m i p m 。 2 4 1s n m p s n m p 是i n t e r n e t 组织为适应i n t e r n e t 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“取存”的运作机制进行操作：即管理者可以通 过“取”操作从被管理对象获取所需的管理信息，也可以通过“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。两 次版本的升级更使得s n m p 在完成一般网管工作的基础上朝着进一步提高安全性和 进行层次化管理的方向发展，新舨本的s 涮p ( s 艘张) 已经能够满足一般网络管理 在内容和安全性上要求。s n i “p 推出后便以其简单和易于实现而取得了出人意外的 成功，使得这一原本“暂时”的网络管理解决方案成为事实上的工业标准。 2 4 2c p c m i p 是i s o 制定的公共管理信息协议，主要针对o s i 七层协议参考模型而设 计，用来提供标准的公共管理信息服务( c m i s ) 。在c m i p 中，i s o 引入了复杂的视 窗和过滤机制来间接识别和选择管理对象，一次可以提取一个对象的所有实例， 第2 章网络管理原理概述 具有强大的功能，但是由于该协议复杂并且实现起来比较困难，因此并未得到广 泛的应用。 2 5 多元化网络管理协议硼n 咿 基于卫星网络传输时延较大、带宽资源较为珍贵等特征，现有的网络管理协 议在卫星网络中暴露出很多非适用型。在本项目中提出了适合于宽带多媒体通信 卫星网络的m n m p ”1 ( m u l t i p l e xn e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 协议。心m p 通 过应用层的联系约束，进行服务协商，选择底层的通信方式，避免了s n m p c m i p 在传输层单纯基于连接或无连接的缺点，同时加强了协议的安全性，使管理操作 更加规范。洲m p 协议和c m i p 相比在保证完成正常的管理功能的情况下，在定义上 进行了简化，例如选择被管对象操作时，不再划定范围和进行过滤等措施，减轻 了代理实体的复杂性，同时增加了卫星代理进行附加服务的能力，进行一些必要 的统计对象的计算和分析，以达到减轻链路负载，有效节约带宽的目的。 2 5 1m n m p 协议的产生 由于多媒体宽带通信卫星系统采用了先进的星上处理技术，因此网络县有更 。 大的灵活型和更高的资源利用率。相应地，功能强大的星上处理系统也要求一个 完善的网络管理功能。特别是对于采用a t m 交换的星上处理设备来说，必须能够 通过管理操作对其进行有效的管理。然而由于多媒体宽带通信卫星所采用的静止 轨道设计方案，星地通信所带来的高延迟不可避免的给网管操作带来严重影响。 传统的s n m p 协议针对传统的地面网络设计，因此在延迟的处理上没有给予重视。 而多媒体宽带通信卫星中的设备复杂程度极高，被管对象繁杂，如果通过s n m p 对 单一属性的轮询获得管理参数，管理参数的准确性和实时性不能够保证，而星载 a t m 交换以及终端的处理设备由于处理的信元流量大，性能参数变化快，利用s n m p 的操作在高延迟的情况下对上述网络节点进行管理不能保证管理动作的有效性。 而传统的c m i p 管理协议尽管实现了面向对象的管理机制，但协议本身设计复杂， 也同样不适用于多媒体宽带通信卫星这类专用网络。因此，为了实现对于静止轨 道上多媒体宽带通信卫星及终端节点构成的系统网络的有效管理，必须采用新型 沈阳理工大学硕士学位论文 的网络管理协议。 空间数据系统咨询委员会( c c s d s ) 作为一个国际组织，为空间通信的标准化 作出了很大贡献，其使命是为各空间组织通过标准化的方式解决共同问题，并自 愿达成一致意见而提供各种方法。 随着c c s d s “空间因特网”的产生，为了提供空间数据通信业务，c c s d s 提出 了空间通信协议标准s c p s ( s p a c ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a n d a r d ) ，实现真 正的空间因特网，并与地面网络互联，提供端到端之间的通信能力，使得民用和 军用空间系统间端到端数据通信标准化。s c p s 对“空间因特网”的贡献可以用 t c p i p 对i n t e r n e t 的贡献来等同，目前已经标准化的s c p s 协议栈包括网络层协 议s c p s n p 、安全协议s c p s s p 、传输层协议s c p s t p 和应用层文件传输协议 s c p s - f p ，分别与t c p i p 协议栈中的i p 、i p s e c 、t c p u d p 和f t p 对应，s c p s 针对 空间环境对这些相应协议作了改进，使其能够适应空间环境下高误码率、延时大 和网络拓扑动态变化的特点。 我国未来空间网的发展势必将遵循或采纳s c p s 的相关协议或准则，因此在网 络管理方面也应考虑s c p s 的特点和建议。s c p s 协议栈是实现空间因特网的基础， 为了使协议栈能正常高效运行，需要网络管理进行适当的配置和控制。对于各层 协议所要求的醅i b ，相关协议规范中已有明确的定义，网络管理的实现者必须提供 这些基本的信息。各层协议规范定义m i b 时采用了类似a s n 1 的形式进行描述， 其组织方式与s n i p 的m i b 类似，但并没有规定采用何种网络管理协议来获取这些 信息。空间因特网中到底采用什么网络管理协议，s c p s 中并没有说明，目前也没 有提出新的管理协议。c c s d s 没有专门的组来研究空间网络管理。但是通过分析 s c p s 协议栈的特点以及空间环境下网络通信的特点，可以得出适合空间网络管理 的一些特征