應用于數(shù)字電視前端的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)設計

趙宇紅，范宏令，樂雄志

(北方工業(yè)大學信息工程學院，北京100144)

網(wǎng)絡管理系統(tǒng)是對網(wǎng)絡設備進行實時監(jiān)控，實時掌握網(wǎng)絡設備運行狀況，并根據(jù)設備狀況和網(wǎng)絡資源對網(wǎng)絡設備實施相關決策，進行有效管理的功能系統(tǒng)，是針對網(wǎng)絡設備進行實時監(jiān)控和遠程管理的平臺，通過網(wǎng)絡管理系統(tǒng)對設備進行監(jiān)測、分析與管理，保障網(wǎng)絡可靠、安全、高效運行。應對規(guī)模大、異構性強、服務質量要求高帶來的新問題，是網(wǎng)絡管理研究者當前的核心任務。在網(wǎng)絡管理領域，國外發(fā)展的比較早，國內(nèi)的研究相對比較滯后。網(wǎng)絡管理發(fā)展到今天，從功能上講已經(jīng)十分完善，然而在實際應用中仍存在大量問題［1］。

當前世界各國逐步從模擬電視向數(shù)字電視改制，在用戶需求以及科技的推動下，數(shù)字電視技術日趨成熟，在為人們提供更多、更個性化的音視頻服務的同時，已成為電視系統(tǒng)的主流。我國數(shù)字電視轉制工作也剛剛起步，國家三網(wǎng)融合戰(zhàn)略推動了廣播電視系統(tǒng)的網(wǎng)絡化、數(shù)字化，未來幾年將是數(shù)字電視快速發(fā)展的階段，電視臺對數(shù)字電視設備的應用將會越發(fā)廣泛。為有效地監(jiān)控和管理數(shù)字電視設備，開發(fā)出一款可靠、靈活的綜合網(wǎng)絡管理系統(tǒng)就顯得尤為必要。對于數(shù)字電視前端相關設備的監(jiān)控，依賴集中網(wǎng)絡管理，其效率將得到很大的提高。

SNMP協(xié)議因為其具有簡單、易實施和容易擴展的優(yōu)點而在網(wǎng)絡管理中得到廣泛使用［2］;Qt的信號/槽機制通過將槽注冊到信號的方式來實現(xiàn)兩者的綁定，其靈活性體現(xiàn)在信號和槽的綁定是多對多的關系，并且符合網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)實時性強的特點，因此筆者采用SNMP協(xié)議及Qt應用程序框架開發(fā)一個應用于數(shù)字電視前端系統(tǒng)的網(wǎng)絡管理軟件，具有信息準確、運行穩(wěn)定、實時性好的特點。

1 數(shù)字電視前端系統(tǒng)

數(shù)字電視是數(shù)字電視系統(tǒng)的簡稱，是指音視頻和數(shù)據(jù)信號從信源編碼、調(diào)制到接收和處理均采用數(shù)字技術的電視系統(tǒng)。電視前端系統(tǒng)是電視廣播網(wǎng)絡的信息源、交換中心，是整個電視廣播系統(tǒng)的核心，數(shù)字電視前端所包含的內(nèi)容更加廣泛，是電視數(shù)字化的重要環(huán)節(jié)［3］。

傳統(tǒng)的數(shù)字電視前端系統(tǒng)采用基于ASI的傳輸方式，技術相對成熟。隨著數(shù)字電視內(nèi)容的增加和新業(yè)務的發(fā)展，以ASI為基礎的傳輸模式已經(jīng)很難適應快速發(fā)展的數(shù)字電視新業(yè)務，在功能擴展方面有很大的局限。系統(tǒng)使用全IP組網(wǎng)以后，網(wǎng)絡調(diào)度更加靈活，后期業(yè)務嵌入更加方便、數(shù)據(jù)傳輸密度更大。一個基于IP的典型傳輸前端如圖1所示。

基于IP的數(shù)字電視前端傳輸平臺與傳統(tǒng)ASI傳輸平臺相比，有許多優(yōu)點和特性，尤其在數(shù)字電視新業(yè)務、新功能的拓展方面具有不可比擬的優(yōu)勢。

數(shù)字電視前端系統(tǒng)一般包括節(jié)目輸入、信號處理、條件接收以及用戶管理幾個部分。節(jié)目輸入部分主要是把來自不同網(wǎng)絡的數(shù)字電視信號轉換成統(tǒng)一格式，傳送至信號處理部分;信號處理部分完成對所有節(jié)目的解擾、截取、復用等處理;條件接收系統(tǒng)是數(shù)字電視收費所必須采用的系統(tǒng)，負責用戶授權控制和管理信息的獲取、生成、加密和發(fā)送等工作;用戶管理是貫穿計費、客服和賬務各個環(huán)節(jié)，是支撐數(shù)字電視業(yè)務運營的核心。

數(shù)字電視前端系統(tǒng)主要涉及的硬件包括衛(wèi)星接收機、網(wǎng)絡適配器、編碼器、轉碼器、復用器、加擾器等。隨著數(shù)字電視網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大及數(shù)字電視業(yè)務的快速發(fā)展，各種服務于數(shù)字電視業(yè)務類型的設備數(shù)目不斷增多，對設備的監(jiān)控工作同樣刻不容緩。由于安全播出的需要，對設備的監(jiān)控必須具有高實時性、易于操作的特點。

圖1 基于IP傳輸前端系統(tǒng)示意圖

2 簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議

SNMP(Simple Network Management Protocol，簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議)，是一種基于輪詢的通信協(xié)議，由于該協(xié)議在代理側的開銷很小，但其簡單易用的特點卻得到了許多網(wǎng)絡設備廠商的支持，經(jīng)過十幾年的完善和發(fā)展，已經(jīng)成為使用最廣泛的網(wǎng)絡管理標準協(xié)議［2］。

SNMP是一種標準的網(wǎng)絡管理協(xié)議，從功能上來看，由管理信息的定義與標識和SNMP之間的通信協(xié)議兩部分組成。管理信息的定義和標識的核心內(nèi)容是管理信息結構與標識(Structure and Identification of Management Information，SMI)和管理信息庫(Management Information Base，MIB)。而在實際的應用中，網(wǎng)絡管理采用的最普遍模型是管理者/代理模型，由管理工作站、管理代理、MIB和SNMP協(xié)議四部分構成。

SMI和MIB的作用就是定義網(wǎng)絡管理程序進行數(shù)據(jù)交互過程中所采用的數(shù)據(jù)類型。SMI用于定義MIB的結構和表示符號，限制MIB的變量類型，指定變量命名的規(guī)則以及定義變量類型的規(guī)則，由不同SMI定義出來的MIB在格式上也有差別。MIB用來存放被管理設備的所有信息。SNMP則是規(guī)定數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡管理程序之間的交互，包括PDU格式、意義和消息順序，只定義數(shù)據(jù)傳遞方式，確保數(shù)據(jù)的有效傳遞，是管理進程和代理進程之間的通信協(xié)儀。SNMP的數(shù)據(jù)類型與通信協(xié)議的互相獨立極大方便了 SNMP 版本的升級［4-5］。

網(wǎng)絡管理的結構模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡管理的結構模型

3 網(wǎng)絡管理系統(tǒng)總體架構設計

數(shù)字電視前端作為廣播電視的重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的穩(wěn)定運行意義重大，因此對該網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的要求也就相對較高。作為最基本的需求，需要對相關前端設備如編解碼器、復用器等的基本狀態(tài)和資源信息進行實時、有效的監(jiān)看，并能對設備進行遠程控制。本系統(tǒng)使用C/S的軟件設計構架，采用集中式的體系結構，數(shù)據(jù)邏輯結構設計合理，功能邏輯清晰，最大限度避免由于操作失誤對系統(tǒng)的可靠性造成影響，采用面向對象的Qt作為開發(fā)工具，實現(xiàn)了一套完整的網(wǎng)絡管理方案。該系統(tǒng)的結構示意圖如圖 3 所示［6-9］。

圖3 系統(tǒng)結構示意圖

根據(jù)該網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的需求以及實際的操作情況，可以將該系統(tǒng)化分為采集層、存儲層和呈現(xiàn)層三個部分，每層分別通過不同的功能模塊來實現(xiàn)，聯(lián)合起來達到一個完整的網(wǎng)絡管理功能系統(tǒng)。

1)采集層

采集層主要由這些設備內(nèi)的網(wǎng)管代理來實現(xiàn)，通過代理獲取的如設備的名稱、運行時間、設備描述、聯(lián)系人、具體位置以及IP地址等設備的基本信息和告警信息，以及由Trap主動發(fā)送重大故障或者必要情況產(chǎn)生的信息，及設備運行和操作等相關的日志文件等，這些信息和日志文件將存入數(shù)據(jù)庫，進而成為實現(xiàn)其他功能的基礎。當然，除了各設備以上一些通用的信息外，對于不同的設備類型，其參數(shù)也不盡相同，如編碼器所包含的參數(shù)有視音頻各自采用的編碼標準、熵編碼類型、寬高比等;復用器所包含的參數(shù)有輸入包長度、輸入碼流格式、輸出TS包格式等;而轉碼器所包含的參數(shù)包括編碼標準、幀速率、數(shù)據(jù)傳輸率等。

2)存儲層

存儲層主要實現(xiàn)對采集層獲取的設備相關信息進行預處理，使得數(shù)據(jù)在存儲之前簡潔有效，繼而分類存儲［7］，便于設備管理員了解設備信息，一旦出現(xiàn)問題，將能實現(xiàn)迅速定位及明確歷史操作，方便管理員對問題的排查，更便捷地實現(xiàn)設備的管理和維護。如圖2的系統(tǒng)結構示意圖所示，可以分為配置、故障信息、監(jiān)測信息、用戶等幾個類型，供呈現(xiàn)層相關應用功能單元的查詢使用。

3)呈現(xiàn)層

呈現(xiàn)層將依據(jù)設備類型實現(xiàn)設備信息、用戶定制、故障報告以及故障報警的直觀顯示，并提供簡單便捷的人機交互，實現(xiàn)對不同類型設備的配置。根據(jù)需要，以人性化的方式顯示整個系統(tǒng)內(nèi)的設備基本信息、運行狀態(tài)以及重要參數(shù)的實時監(jiān)控，一旦有報警信息，立即采用顏色指示、聲音、短信息或者email等形式進行告知;通過相應的界面為不同的設備進行不同的參數(shù)設置，實現(xiàn)對設備的管理工作;用戶定制功能將實現(xiàn)設備的添加與顯示;顯示信號流程圖，對于輸入信號丟失、編碼器故障等導致的問題，通過處理預案進行切換，且能通過直觀的界面給予展示，確保數(shù)字電視前端的正常運行;對數(shù)據(jù)庫內(nèi)相關的數(shù)據(jù)進行分析，產(chǎn)生相應的故障報告，并采用列表、柱形圖或餅圖等方式進行直觀的顯示，實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。

作為可視化網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，該網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的呈現(xiàn)層交互示意圖如圖4所示。由圖中可以看出，首先由靜態(tài)應用模塊實現(xiàn)整個應用系統(tǒng)的初始化，然后通過實時監(jiān)聽設備的運行狀況，產(chǎn)生相應的信號，由信號/槽模塊觸發(fā)相應的槽方法，進而通過動態(tài)刷新模塊，實現(xiàn)應用系統(tǒng)顯示界面的重新繪制，實時顯示當前狀況，保證系統(tǒng)出現(xiàn)問題得到及時處理。同時，通過應用系統(tǒng)顯示界面進行某些操作以實現(xiàn)相關的設備配置，相關的操作將產(chǎn)生對應信號，促使信號/槽模塊生成相應的槽方法，進而促使動態(tài)刷新模塊實現(xiàn)應用程序界面的重繪制，確保系統(tǒng)及時產(chǎn)生相關反應。

該網(wǎng)絡管理系統(tǒng)分為登陸模塊和功能實現(xiàn)模塊，其中功能實現(xiàn)模塊又可以分為視圖管理、狀態(tài)監(jiān)看和告警、配置管理、用戶管理、信息查詢和添加設備等。其整體流程如圖5所示。

圖4 呈現(xiàn)層交互示意圖

圖5 網(wǎng)絡管理系統(tǒng)整體流程圖

首先連接數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫初始化工作，以便其他功能模塊對相關數(shù)據(jù)的存儲以及訪問;接下來進入登錄模塊，實現(xiàn)對用戶名及密碼的訪問，對輸入的用戶名和密碼進行匹配，確定是否進入網(wǎng)絡管理功能系統(tǒng)，一旦進入系統(tǒng)便實現(xiàn)對實際的數(shù)字電視前端系統(tǒng)的設備管理功能。

4 軟件系統(tǒng)功能模塊實現(xiàn)

4.1 登錄模塊

登錄模塊實現(xiàn)對不同用戶的區(qū)分，對不同用戶賦予不同的管理權限，確保系統(tǒng)的安全性。首先對數(shù)據(jù)庫用戶信息表進行查詢，并將相應的用戶名顯示在下拉對話框中，選擇不同的登錄用戶，輸入密碼，然后判斷輸入的密碼是否與所選擇的用戶名匹配，如果匹配成功就初始化應用程序，并進入到應用程序主界面，實現(xiàn)相關的管理功能［6］。登錄模塊流程圖如圖6所示。

圖6 登錄模塊流程圖

4.2 功能實現(xiàn)模塊

一旦登陸成功，就進行系統(tǒng)初始化，然后進入網(wǎng)絡管理系統(tǒng)初始界面，進而根據(jù)在圖形界面上的不同操作來實現(xiàn)不同的功能，達到網(wǎng)絡管理的目的，確保設備的正常、安全穩(wěn)定運行。

該網(wǎng)絡管理系統(tǒng)實現(xiàn)了視圖管理、狀態(tài)監(jiān)看和告警、配置管理、用戶管理、信息查詢和添加設備等功能。視圖管理可以通過不同的界面多方位顯示整個系統(tǒng)的連接、信號流程圖等。下面以其中的幾項功能為例進行詳細介紹。

1)用戶管理功能

用戶管理功能流程圖如圖7所示，進入到相應的功能單元:用戶編輯功能和用戶管理功能［7］。在用戶注冊功能單元，首先輸入信息，進行數(shù)據(jù)庫查詢，根據(jù)輸入用戶名是否存在決定是否將輸入用戶信息插入用戶信息表，如果用戶名存在將彈出反饋信息，提示用戶重新注冊。在用戶管理功能單元，首先查詢數(shù)據(jù)表將用戶名信息在下拉文本框中顯示，選擇相應的用戶，輸入密碼，根據(jù)密碼正確與否進行用戶信息的修改。

圖7 用戶管理流程圖

2)設備添加功能

添加設備功能的流程圖如圖8所示，通過應用程序界面觸發(fā)設備添加操作，彈出設備添加對話框，輸入設備類型、設備名稱、設備IP地址等信息，根據(jù)設備類型，觸發(fā)不同的設備模塊，如編碼器模塊、解碼器模塊、通用設備模塊，生成相應的設備界面，并在工具箱產(chǎn)生相應的按鈕，通過單擊這些按鈕進入不同的設備界面。與此同時，將相關的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，再次打開應用程序時，讀取相關參數(shù)并將之前添加的設備重新添加，避免重復操作。此外，已添加的設備亦可以修改參數(shù)。

圖8 設備添加流程圖

3)故障報告功能

故障報告功能的流程圖如圖9所示，在應用程序界面選擇相應的故障報告功能，如故障分析，進入到故障分析界面，在該界面上，可以通過時間、報警類別、設備等進行篩選，以最快速的方式找到管理人員想要獲得的信息，并進行統(tǒng)計分析，方便做出相應的決策，及時對系統(tǒng)進行完善，避免同類故障的再次發(fā)生，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖9 性能報告流程圖

5 網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的測試結果

針對數(shù)字電視前端信號壓縮系統(tǒng)的一個具體應用，筆者分別在Win7以及Windows XP操作系統(tǒng)的計算機中運行該網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，登陸成功后通過相關操作，添加設備后即可顯示設備信息、設備狀態(tài)，并可進行設備管理，添加設備之后實現(xiàn)了如圖10所示的效果，所展示的是編碼設備的相關信息;當選擇用戶和性能管理之下的CPU使用率按鈕，呈現(xiàn)效果如圖11所示，筆者此處獲取的是網(wǎng)絡管理軟件所在主機的CPU使用率，可修改IP、采樣時間等參數(shù);此外，結合Mib瀏覽器對該系統(tǒng)Trap的發(fā)送和接收進行測試，測試結果表明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)正常的Trap發(fā)送和接收。由這些結果可以看出，該網(wǎng)絡管理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對設備的狀態(tài)進行監(jiān)看以及基本配置，具備廣播電視領域網(wǎng)絡管理需要具有的高實時性、易于操作的特點，達到了預期的功能。

圖10 網(wǎng)絡管理系統(tǒng)顯示效果(截圖)

圖11 設備CPU使用率(截圖)

6 總結

本文基于Qt圖形化界面開發(fā)工具庫以及SNMP協(xié)議，設計并實現(xiàn)了一種應用于數(shù)字電視前端的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，達到了高實時性、易于操作的目的。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)字電視前端系統(tǒng)相關設備的故障管理、性能管理，并能將相關信息存儲到數(shù)據(jù)庫，并且提供分析、查詢功能。此外，網(wǎng)絡管理員還能根據(jù)具體的運行狀態(tài)，通過在程序界面上的相關操作進行編碼器、網(wǎng)絡適配器、復用器等數(shù)字電視前端設備參數(shù)的配置，實現(xiàn)管理功能，達到了網(wǎng)絡管理的目的，具有重要的實用價值。

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