复杂网络共享管理信息模型的表示与应用机制研究.doc

第12期高志鹏等：复杂网络共享管理信息模型的表示与应用机制研究71复杂网络共享管理信息模型的表示与应用机制研究高志鹏，邱雪松，王智立，李文璟（北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室，北京100876）摘 要：在基于IP技术的复杂网络环境中，为解决网络管理系统可扩展性、跨域管理和资源统一描述等问题，从模型表示和应用机制方面提出了构建和使用共享管理信息模型的方法：对OWL(Web ontology language)进行了改进，提出了基于OWL-NM的共享管理信息模型描述模板；提出将基于IDL的接口信息模型转换为基于OWL-NM的共享管理信息模型的映射规则；提出了将共享管理信息模型存储到数据库中的应用机制。通过开发原型系统的方式验证了所提出的方法和机制。关键词：网络管理；共享管理信息模型；模板；映射中图分类号：TN915.07 文献标识码：B 文章编号：1000-436X(2008)12-0066-07Denotation and application mechanism of complicated network shared management information modelGAO Zhi-peng, QIU Xue-song, WANG Zhi-li, LI Wen-jing(State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and Communications, Beijing 100876, China)Abstract: With IP-based environment of complicated network, in order to solve the network managements problem of system expansibility, multi-domain management, uniform resource description, the method for modeling and using the shared management information model was presented from the mechanism of denotation to application. First, improve the language OWL, and OWL-NM was presented to build the template of shared management information model. Then, the rule aggregation mapping the IDL-based model to OWL-NM-based model was given. The third, storage application mechanism that can store the shared management information model to database was shown. At last, a prototype system was designed to prove the conclusions.Key words: network management; shared management information model; template; mapping1 引言收稿日期：2008-09-10；修回日期：2008-11-10基金项目：国家重点基础研究发展计划（“973”计划）基金资助项目（2007CB310703）；国家自然科学基金资助项目（90604020，90604021, 60572121, 60802035）Foundation Items: The National Basic Research Program of China (2007CB310703); The National Natural Science Foundation of China (90604020, 90604021, 60572121, 60802035)随着社会的发展和技术的进步，在以IP技术为代表的新型网络技术的作用下，通信网络不断向着开放化、智能化、融合化的方向演进1。人们发现，在网络演进带来巨大便利的同时，通信网络也呈现出技术相关的专业网数量持续增长、新型网元设备不断割接入网、端到端的业务提供需求日益迫切的态势。这在系统可扩展性、跨域实现网络管理、资源信息统一描述等方面给网络管理带来了新的挑战2。为应对这一系列挑战，实现对通信网络这个复杂巨系统3的综合、统一、一致的管理，对包括网络资源到业务能力在内的各类管理对象进行统一建模，是一种目前来看较为有效的途径。目前业界的众多标准化研究组织正在着手这一工作，如电信管理论坛（TMF, telecom management forum）提出了共享管理信息模型4的概念，从商务、系统、实现3个视角定义共享信息/数据（SID, shared information/data）模型，目前已经初步完成了商务视角的定义工作，正在进行系统视角的SID模型定义；分布式管理任务组（DMTF，distributed management task force）为实现对企业级网络的运营管理，定义了通用信息模型（CIM，common information model）5，并在进行与SID模型融合工作。但是目前共享管理信息模型相关研究中还存在以下问题。1) 建模方法上缺少语义级信息描述能力。由于网络管理智能化、自动化的发展趋势，要求实现对海量管理对象及各对象间关系的语义级信息描述。2) 未考虑与已应用的接口信息模型的兼容性。已经构建了许多网络管理接口信息模型，这些模型是基于协议如基于公共对象请求代理结构(CORBA, common object request broker architecture) 的管理信息模型。如何兼容和利用已建成的接口模型，保护已有的网络管理系统投资，是需要考虑的现实问题。3) 缺少模型应用机制研究。目前业界对于统一网络管理信息模型一般采取基于最佳实践的应用模式研究，如TMF针对SID模型应用开展的各类催化剂项目，缺乏通用性应用机制研究。针对以上问题，基于IP技术的复杂网络环境，本文对共享管理信息模型展开了深入的研究，提出了一种基于OWL-NM的共享管理信息模型的表示方法和一种基于规则的CORBA模型到共享管理信息模型的映射机制，并对于共享管理信息模型的应用机制，主要是存储机制进行了探索，实现了基于OWL-NM的模型向关系型数据库的存储映射。2 基于OWL-NM的网络管理信息模型描述模板基于本体的网络管理信息模型被认为是解决异构系统互操作、实现跨域管理的有效手段之一，近年来，在网络管理界得到广泛的研究。本体是概念化的明确范式说明，对本体的描述，一般采用特定的本体描述语言。目前，主流本体描述语言有OIL、DAM、KIF、OWL等。其中，万维网协会(W3C)定义的网络本体语言(OWL)影响力较大。OWL是一种严格的逻辑描述语言，可以被用于明确地表示词汇体系中数据的含义以及这些术语之间的关系，被广泛地应用于各种领域本体的建模中：W3C将OWL应用于Web Service的本体建模中，定义了基于OWL的服务描述语言OWL-S6；文献7使用OWL定义了一个能够适应测试环境的诊断模型；文献8基于OWL定义了适应于动态网格服务组合的、能够对工作流和服务进行描述的OWL-WS语言；文献9将基于OWL的时间本体引入工作流管理中等。OWL采用了基于XML的灵活语法格式、具有重用机制、能够充分表达管理对象/管理对象间关系的语义信息，因此，将OWL应用在网络管理信息模型中能够带来一定的优势。但是，在使用OWL对网络管理信息进行建模的过程中，OWL还存在以下缺陷：1）类和属性的从属关系过于松散，在大规模复杂网络管理信息模型对象环境下，容易使类和属性之间的关系产生混乱，出现数据不一致性异常，当异常出现时，也不利于异常的定位和处理；2）缺乏对Datatype型属性的约束定义，而在网络管理信息模型中，对Datatype型属性的限定是有必要的，否则无法保证语义完整性，如无法体现对象属性的取值约束范围等。2.1 OWL-NM对OWL的改进改进1：类与属性的从属关系紧耦合化。在OWL中，对类和属性的定义方式是分布式、松耦合的，容易导致在网络管理信息建模过程中异常的产生，所以，将类和属性的定义方式改进为分布式、紧耦合。类和属性仍然分别定义，但是其从属关系在类定义时就要得到声明。在定义类的时候，使用owl-nm: hasObjectProperty和owl-nm: hasDatatypeProperty 2个新定义的谓词对其所属的属性进行描述，分别表示类的Object型属性和Datatype型属性。属性对类的归属可以使用OWL DL中预定义的关键词rdfs:domain在属性定义时进行声明。这一改进使得类和属性的关系具有2个特性：类对其属性具有完备性声明特征和属性对类具有开放性归属特征，简称为类的完备性和属性的开放性。类的完备性是指，在对基于本体的网络管理信息建模过程中，当对管理对象类定义时，应当充分声明其全部属性（包括Object型属性和Datatype型属性），引用已经定义了的属性，定义尚未定义的属性。属性的开放性是指，在定义了属性后，属性仍能被新定义的类引用，成为该类的属性。需要注意的是：1）具备完整性的类的属性是可以根据管理需求和模型的变动进行相关的增、删、改操作的；2）由于owl-nm:hasObjectProperty、owl-nm: hasDatatypeProperty限定的类的属性和属性的rdfs: domain取值之间没有关联机制，容易出现语义上的不一致性，因此，我们规定，owl-nm: hasObject Property、owl-nm: hasDatatypeProperty的取值仅作为参考值，当其与属性的rdfs:domain值有不一致问题产生时，以属性的rdfs:domain值为标准的正确取值，对模型的推理以rdfs:domain值为准。改进2：对Datatype型属性进行约束规定。OWL规定的Datatype型属性的取值类型有3种：XML Schema内建的简单数据类型、RDF Schema定义的literal数据类型以及基于以上简单类型的复杂数据类型即枚举类型。图1 3类描述模板我们规定，在网络管理信息建模的过程中，类对属性进行引用声明时应增加对属性的如下约束：缺省值、取值范围、强制要求、读写限定。在这4个约束中，缺省值约束、强制要求和读写限定都是声明性约束，在类对Datatype型属性进行引用声明时，声明该属性的缺省值为多少，是必选属性还是可选属性，可读还是可写。对缺省值约束、强制性要求和读写限定，分别使用owl-nm: DefaultValue、owl-nm:ConstraintRequirement、owl -nm: Readable Wirtable 3个关键词进行声明。取值范围约束是对属性取值的范围界定，可以通过定义取值的上下限来实现，分别用关键词owl-nm: UpperLimited和owl-nm:Lower Limited表示。2.2 基于OWL-NM的网络管理信息模型描述模板OWL-NM语言是基于OWL的，因此，OWL- NM不可避免地具有OWL的一些特性，比如语法形式的灵活性。在网络管理建模领域应用时，灵活的语法表示形式为模型的标准化和一致性表述带来了一些隐患。因此，需要使用OWL-NM定义模型描述模板，用模板的形式将网络管理信息模型的描述形式固定下来，便于模型的规模化构建和维护。本文按照类、属性、和关系的划分，将基于本体的网络管理信息模型描述模板分为3类，共5个。如图1所示。1) 第一类模板：管理对象类描述模板对网络管理信息模型中管理对象类的描述需要从这几个方面展开：类名称、父类、类的属性及其基本约束、类的关系等。因此，类描述模板包括类名称、父类定义、类的属性引用声明及基本约束包、关系描述包4个要素。其中，类的属性引用声明及基本约束包的定义模板属于属性描述模板中的内容，关系描述包的定义模板属于关系描述模板中的内容。2) 第二类模板：属性描述模板网络管理信息模型中管理对象类的属性，在OWL-NM中一般是使用Datatype型属性描述的。Object属性在对网络管理信息描述时仅作为描述管理对象类的关系的方法和手段。使用OWL-NM描述网络管理信息模型中管理对象类的属性时，需要从两处对属性进行描述：一是在属性的单独定义时对属性的基本情况进行描述，属性的基本情况包括属性的定义域（所属类的集合）、属性的数据类型、对属性的文字解释（单位、中文含义、其他备注信息等）；二是在类对属性进行引用时，对属性进行引用声明及基本约束，这些内容包含在类描述模板中的“类的属性引用声明及基本约束包”中，主要有属性的缺省值、强制要求、读写限定、取值范围等。“类的属性引用声明及基本约束包”除包含对Datatype型属性的引用声明和基本约束外，还包括对Object型属性的引用声明。3) 第三类模板：关系描述模板在基于OWL-NM的网络管理信息模型中，管理对象类之间的关系通过Object型属性表示。因此，对关系的描述，需要转化为对Object型属性的描述。在基于OWL-NM的描述环境里，对Object型属性的描述体现在三处：一是在类描述模板的“类的属性引用声明及基本约束包”中，会对Object型属性进行引用声明；二是在类描述模板的“关系描述包”中，对Object型属性的B端基数和B端关联类的描述；三是在定义Object型属性时，会对其函数性、反函数性、传递性、所属类及其逆属性（即该属性所表示关系的逆关系）进行描述。注意，由于关系是二元的，因此，表示某具体关系的Object型属性必定存在逆属性。有时，Object型属性的逆属性是其自身，如Object型属性“connect”（表示连接）的逆属性仍是“connect”。3 基于IDL的CORBA接口信息模型到基于OWL-NM的共享管理信息模型的映射目前，业界较多的是定义基于IDL的网络管理接口信息模型。IDL是OMG定义的接口定义语言。它用于描述产生CORBA对象调用的客户对象和服务对象之间的接口信息模型。为了重用已经定义了的相对成熟的基于IDL的模型，本文将基于规则，提出实现CORBA/IDL模型到基于OWL-NM的管理信息模型的映射机制。3.1 模型映射规则将IDL模型转化为OWL-NM模型，需要从IDL的基本数据类型、复杂数据类型、模块/接口/属性3个层面进行映射。本文设计了将IDL中各元素映射到OWL-NM的规则，如表1所示。表1IDL到OWL-NM的映射规则映射类型IDL语法元素OWL-NM语法元素IDL基本数据类型映射shortxsd:shortlongxsd:longfloatxsd:floatdoublexsd:doublebooleanxsd:booleanoctetxsd:byteunsigned longxsd:unsignedLongunsigned shortxsd:unsignedShortIDL复杂数据类型映射StructClassSequenceArrayUnionEnum模块/接口/属性映射ModuleNamespaceInterfaceClassAttributeDatatypePropertyObjectProperty1) 除了表1中列出的转换规则外，IDL语言还有一些基本数据类型无法直接在OWL-NM中找到相应数据类型。这时需在转换中进行语义扩大的转换，并用OWL-NM中的label标签进行说明，如IDL中定点小数fixed类型表示为OWL-NM中任意精度小数xsd:decimal，虽然xsd:decimal扩大了fixed所表示的范围，但是可以用label标签说明xsd:decimal的小数位数。2）在对复杂数据类型进行转换时，考虑到转换后数据的可重用性，将复杂数据类型全部转换为Class。这里以enum类型数据为例，说明转换是如何完成的，流程如下：/IDLenum LinkEquipmentOpticalCable,Microwaveinterface EndpointEquipment attribute LinkEquipment linkMethod;/OWL3) 每一个IDL的Attribute都会被转换为OWL-NM中的Property，但是OWL-NM有2种Property：一种为DatatypeProperty，另一种为ObjectProperty。如果IDL中Attribute取值为XML Schema基本数据类型，则此Attribute就应该转换为DatatypeProperty，而如果Attribute的取值为复杂数据类型，则此Attribute被转换为ObjectProperty。3.2 映射规则的不足按照以上映射规则，基本可以实现IDL到OWL-NM的转换，但是该规则还不是很完善，在实际的模型映射过程中会有部分语义损失。例如，在对IDL中union类型进行转换时，忽略了鉴别器的类型和内容，只是大致按照其所能表达的语义进行转换；在对sequence和array类型进行转换时，为了保留sequence和array的可重用性，将它们均转换为类，之后又增加一个属性来表示该sequence/array成员的数据类型，这样就增加了一个层次，语义有些改变。这些语义丢失或改变的情况，对映射后生成的模型整体影响程度不大，可以通过人为干预的方式补充或修正语义。当然，可以通过在基于本映射规则的开发过程中，通过标注的形式提醒模型中语义发生变化的位置，便于模型的人为修正。4 基于OWL-NM的管理信息模型的应用：关系型数据库存储为将基于OWL-NM的管理信息模型存储在关系型数据库中，以便灵活应用于网络管理系统开发过程中，首先应对OWL-NM语法元素进行分类，然后提出它们存储在关系型数据库中的方法规则。本文将OWL-NM需要存储映射到关系型数据库中的元素划分为12类：具名类、匿名类、数值类属性、对象类属性、类的继承关系、属性的继承关系、等价类关系、交/并/补运算、枚举类型类、类的不相交关系、属性特征和约束、多值属性。以下分别定义了这12类元素的存储规则。具名类存储规则：将OWL中的每一个具名类转换为关系数据库中的一张表，类的ID属性作为此表的主键。匿名类存储规则：为每一个匿名类创建一张表，匿名类的ID作为表的主键。OnProperty、allValuesFrom、someValuesFrom、hasValue分别作为类对应表中的一列。数值类属性存储规则：类的每个数值类属性作为类所对应表的一列，数值属性名为列名，并把该属性的值域映射为数据库中的数值类型。对象类属性存储规则：类的每个对象类属性作为类所对应表的一列，列名为该属性名。类的继承关系存储规则：如果一个类A是类B的子类，则建立关系表，表名为A_subclass_B。表中有两列，一列名为A_subclass，另一列名为B。将所有类继承关系填入此表。为了避免信息重复，超类可不作处理。（A，B）作为表的主键。属性的继承关系存储规则：如果属性P是属性Q的子属性，则建立关系表，表名为A_subpropertyof_B表中有两列，一列名为A_subpropertyof，另一列名为B。将所有属性继承关系填入此表。为了避免信息重复，超属性可不作处理。（A，B）作为表的主键。等价类关系存储规则：等价类关系的处理，如果类A等价于类B ，表名为A_equivalent_B。表中有两列，一列名为A_equivalent，另一列名为B。将所有等价关系填入此表。（A，B）作为表的主键。交/并/补运算存储规则：如果类A是集合并来定义的，则建一张关系表，主键为A的ID，列名为Unionof，其他各列为构成并集的元素；如果类A是集合交来定义的，则建一张表，主键为A的ID，列名为Intersectionof，其他各列为构成并集的元素；如果类A是集合补来定义的，则建一张关系表，主键为A的ID，列名为Complementof，其他各列为构成并集的元素。枚举类型类存储规则：如果类A是枚举类，则建一张关系表，主键为A的ID，列名为Enumerated，其他各列为构成枚举集合的元素。类的不相交关系存储规则：类A disjointWith类B，C，D，为disjointWith关系建立一个关系表，表名为A_disjointWith_B表中有两列，分别为A_disjointWith和B。将所有不相交关系都填入此表。（A，B）作为表的主键。属性特征和约束存储规则：为所有属性建一张表，属性的ID作为表的主键，isTransitiveProperty、isSymmetricProperty、isFunctionalProperty、isInverse FunctionalProperty、Cardinality、minCardinality、maxCardinality依次作为表的一列。图2 原型系统结构多值属性存储规则：如果一个实例a的属性值是多值的，则为该实例的这个属性建立一张新表a_multivalue，在原来的位置填上a_multivalue，在新表A002_multivalue中加入该实例的每个属性值。5 原型设计开发为验证提出的基于OWL-NM的相关模板、机制和规则，本文设计实现了一个原型系统，如图2所示。该原型系统分为三大部分：描述模板、IDL到OWL-NM模型映射、OWL-NM模型数据库存储，其中，IDL解析器直接调用了北京邮电大学网络管理研究中心自主研发的CORBA接口测试系统的相关功能模块；Jena解析器、Jena数据库连接控制模块直接使用了Jena工具包10的相关功能模块。在原型系统中，IDL模块转换模块、IDL数据类型转换模块、IDL属性转换模块使用了本文提出的IDL到OWL-NM的映射规则；OWL-NM模型文件输出模块按照OWL-NM模型模板，将IDL模型信息转化为.owl文件输出；类存储模块、属性存储模块、多值属性处理模块基于本文提出的OWL-NM模型存储规则，将OWL-NM模型存储到关系型数据库中。以上7个模块为原型系统的核心模块，完成了将IDL模型按照模板转换为OWL-NM模型，并存储到数据库中的全过程。通过该原型系统，将基于IDL的接口信息模型按照本文提出的映射规则，生成了符合OWL-NM模板的共享管理信息模型，然后将该共享管理信息模型按照存储规则，存储到SQL Server 2000数据库中。从而验证了本文提出的OWL-NM模板、IDL到OWL-NM映射规则、OWL-NM模型存储规则的可行性。6 结束语后续的工作主要集中在2个方面： 1）对于现有工作成果，目前还有部分问题解决的不彻底。比如，在IDL到OWL-NM的映射过程会出现语义丢失的现象，如何减少语义丢失或通过何种方式标识丢失的语义内容，需要进一步研究。2）后续应用技术研究，如实现将OWL-NM模型存储数据库的API封装，对外提供模型调用接口，供网络管理系统开发人员直接调用，实现描述语言透明的模型数据读写，等等。同时需要通过后续的研究工作，能将基于OWL-NM的共享管理信息模型具体应用于网络管理系统的实际开发中，为实现对基于IP的大型异构复杂网络管理提供模型支持。参考文献：1韦乐平. 城域网的特征与新发展J. 现代电信科技, 2006,(7): 2-7.WEI L P. 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