艦載網絡故障管理機制與實現技術研究*

張路青

(武漢市74223信箱 武漢 430074)

1 引言

隨著艦載裝備的網絡化、信息化程度不斷提高,艦載網絡的應用范圍日益擴大,規模、復雜度和能力也不斷提高,已逐漸成為現代艦艇的基礎信息設施。一旦發生網絡故障,致使網絡性能下降或者通信中斷,將會給艦艇帶來巨大的損失,甚至危及艦艇安全。因此,行之有效的網絡管理是新型艦載網絡必備的功能,而故障管理又是網絡管理的重中之重。

2 故障管理概述

網絡故障的兩個主要特性是網絡無法正常運行或差錯出現次數超出了門限值[1]。而所謂故障管理是利用網絡管理工具發現網絡中的故障、理解其含義并啟動糾正措施的過程,其任務是檢測、定位和盡可能修復網絡中硬件和軟件的故障,主要包括三個步驟[2]:

1)發現故障(即故障檢測);

2)分離故障原因(即故障診斷、定位);

3)如有可能修復故障。

其工作流程一般如圖1[3]所示。

3 故障管理實現機制

按照以上故障管理的步驟和流程,故障管理機制主要涉及故障監視發現和故障診斷,而故障恢復工作主要是修復或替換故障組件,不在此重點介紹。

3.1 故障發現機制

網絡故障的發現主要通過收集與網絡狀態相關的數據進行分析,一般采用兩種方法[4]:

方法1:被管設備向管理系統主動報告關鍵網絡事件。關鍵網絡事件是諸如連接失敗、設備重新啟動或者從一個主機來的響應無法收到等事件。

圖1 故障管理流程

方法2:管理系統定期的查詢網絡設備。即定時地對網絡設備進行狀態查詢以及時發現故障。但這種方法需要系統在發現故障所需的及時程度與所需的帶寬消耗之間進行權衡。

3.2 故障診斷機制

故障診斷在故障發現之后進行,是故障管理中的重點和難點。其實質是完成從網絡的故障癥狀(告警信息)到網絡故障原因的映射[5]。目前,主要有以下幾種診斷機制。

3.2.1 專家系統

專家系統是首先被引入故障診斷領域的人工智能技術,它將領域知識編成一系列產生式規則,在推理過程中將故障征兆與原因結果直接相連。主要是在知識庫和事實庫的基礎上進行推理。但專家系統存在知識獲取困難、知識難以維護、知識應用面窄、推理能力弱和不適于解決模糊問題等缺點,使得基于這種技術的故障診斷專家系統在遇到未見過的新故障或新信息時,不能正確處理。對于模糊的故障征兆,難以得到正確的診斷結果。

3.2.2 神經網絡

神經網絡由大量類似于神經元的簡單處理單元相互連接而成,是模擬生物神經網絡結構的一種復雜的、大規模的非線性系統。其中常用于故障診斷的是前饋式神經網絡,它利用連接強度(神經元間的連接權值)和神經元的非線性輸入輸出關系,實現從輸入狀態空間到輸出狀態空間的非線性映射。這種方法具有很好的容錯性,通過對樣本的學習,神經網絡可以發現其中隱含的信息,建立規則,最小程度地受人為因素的影響。其局限性有:首先需要較多訓練樣本用于神經網絡學習才能使得網絡收斂,從而得出穩定的診斷結果。難于處理因不完全領域知識而產生的非單調性和不精確性。

3.2.3 貝葉斯網絡

貝葉斯網絡也叫做置信度網絡或因果網絡,是一種有向非循環圖[6],特別適用于概率和不確定性突出的問題。在故障管理中,貝葉斯網絡可以通過給定告警數據推斷出最可能的故障原因。而且貝葉斯網絡具有魯棒性,在故障告警信息不完全或不精確時,也可評估出近似的故障診斷結果。另外還可以對網絡故障進行一定的預測,可以在故障發生前及時通知管理者采取必要的措施以避免其發生。

貝葉斯網絡的難點在于:首先,貝葉斯網絡的結構是最基礎且最重要的問題。如何根據被管網絡的結構和故障間的關系,合理的確定貝葉斯網絡的結構?是否所有被管對象、所有故障都要反應在貝葉斯網絡中?如果這些映射關系設定的不好,有效的故障診斷根本無從談起。其次,面對大型異構網絡,貝葉斯網絡如何學習各點的條件概率也是個不易解決的問題。

3.2.4 混合方法

故障診斷研究和應用中發現,技術本身的局限性可能會導致診斷結果的不確定性。因此,每種故障診斷技術都存在其優缺點,如果將某些方法進行一定融合,就可以取長補短,提高診斷方法的有效性和診斷結果的精確性。神經網絡與專家系統相結合就是較為成功的例子。專家系統根據人類專家領域知識的相應規則和算法實現,從宏觀上實現智能行為。神經網絡方法則從微觀上模擬人腦的智能行為,其智能存在于網絡結構及其自適應規則中,通過大量樣本學習,可推廣問題的解決范圍,從而有利于克服基于符號推理方法的知識獲取瓶頸。其他混合方法還有很多,此處不一一列舉了。

4 故障管理實現技術

目前在實際故障管理系統開發中主要還是采用集中式的三層體系結構,一般如圖2所示。

1)故障數據采集層

主要功能是自動采集故障管理所需的相關數據,[7]如利用ICMP和SNMP所提供的T RAP機制作為基本的數據獲取手段來實現對故障事件的采集、過濾和規格化,并通過對故障事件作過濾和關聯等處理,形成固定格式的記錄信息,生成各種設備故障和網絡事件報告。

圖2 故障管理系統層次結構

2)故障數據處理層

故障數據處理層重要完成故障通報、故障日志的創建和維護以及故障重定義等功能。

?故障通報

當故障產生/清除時,故障數據處理系統通知上層應用更新拓撲圖上節點的故障狀態。

?故障日志創建及維護

系統對產生的故障和事件信息進行記錄,以便用戶對歷史故障進行查詢。并定期進行維護、備份及刪除。

?故障重定義功能

用戶能夠根據故障類型、故障級別等條件對故障類型和故障級別進行重定義。

3)故障管理應用層

?故障實時監視

故障實時監視包括故障上報條件的設置、故障信息實時顯示的過濾控制、故障提示過濾條件的管理等功能。

?故障管理

故障管理包括故障顯示、查詢和統計、故障分析和定位、故障確認過濾條件、故障確認與清除等功能。

?故障管理報表

故障管理報表以報表系統方式表現,包括故障樹圖、故障時報、網元故障簡報、網元故障詳情、網元故障歷史統計等。

5 結語

故障管理是未來新型艦艇中艦載網絡管理必不可少的功能之一,其有效與否對網絡可靠性有著非常重要意義,直接影響新型艦艇的信息化水平。文章從故障管理的基本概念入手,對故障管理機制和實現技術等核心內容進行了歸納研究和分析描述,其成果可作為技術參考,用于艦載網絡故障管理系統的設計和開發。

[1]雷震甲.計算機網絡管理[M].西安:西安交通大學出版社,2004

[2]管海兵,白英彩.計算機網絡管理系統設計與應用[M].上海:上海交通大學出版社,2004

[3]Mani Subramanian.Network Management Principles and Practice[M].北京:高等教育出版社,2001

[4]曹文君,閻華,沈富可.計算機網絡管理理論與實踐教程[M].成都:電子科技大學出版社,2002

[5]候霞,范植華,李鴻培.網絡故障管理的現狀與發展[J].計算機工程與應用,2004(增刊):13～17

[6]Hoagjan Li.An Introduction to Belief Networks[R].CSHCN Technical Report,1999:3l

[7]李悅.利用SNMP對網絡管理系統的分析與設計[D].天津:天津大學博士論文,2006