一種實現負載均衡的分布式衛星通信網絡管理系統

高鑫+孫艷峰

摘要隨著網絡技術和多媒體業務的發展，Internet節點不斷接入甚小孔徑終端（Very Small Aperture Terminal，VSAT）衛星通信網絡，豐富了VSAT的業務類型。然而傳統VSAT通信網采用集中式網絡管理結構，大量Internet節點的接入降低了VSAT通信網絡性能。針對這一問題，文章設計了一種分布式衛星通信網絡管理方案。本方案采用主從關系的分布式結構，包括一個主管理者和若干從管理者。主管理者首先計算各VSAT節點的任務負載率，依據輪詢比例公平調度算法為從管理者均衡分配任務，保證各從管理者承擔近似相同的任務負載率，解決了傳統NMS中單一管理者任務負載率過高的問題，極大提升了網絡管理系統（Network Management System，NMS）的任務處理能力，保障了業務的實時性。

關鍵詞網絡管理；層次型分布式；負載均衡

中圖分類號：TN927 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0036-02

衛星通信[1]是指利用人造地球衛星作為空間中繼站來轉發無線電信號，在兩個或多個地球站、宇宙站之間進行信息交換和信息傳輸的通信方式。在20世紀80年代，VSAT衛星通信網的出現為大量專用衛星通信網絡的發展創造了條件，開創了衛星通信應用發展的新局面。此后，VSAT衛星通信網得到了快速發展，企業采用VSAT衛星通信網傳輸數據，作為地面電話和數據系統的一種替代方案。到了20世紀末，隨著社會科技、文化和經濟以及計算機網絡技術與通信技術的快速發展，Internet得到了飛躍式的發展，人們開始考慮將Internet接入VSAT衛星通信網，將Internet的覆蓋范圍擴大至全球，標志著衛星通信網進入一個新時代。

在VSAT衛星通信網中，NMS是保證網絡能夠有效、可靠、安全、經濟地提供服務的重要條件。NMS[2]是整個網絡的指揮控制中心，負責監測VSAT衛星通信網的運行狀態，并依據實際需求和運行狀態來調整相關VSAT網絡節點的工作參數，以保證VSAT衛星通信網平穩、高效地運行。在現代VSAT衛星通信網中，VSAT節點的數量不僅龐大，而且除了包括衛星通信專用的調制解調器之外，還包括路由器、交換機等數據通信設備，造成了傳統集中式NMS工作負載增加。為保證對VSAT節點狀態信息的監控，必須延長輪詢周期以處理更多實時請求任務和查詢請求任務。然而輪詢周期的延長必然導致請求任務響應時間的加長，影響了管理任務的實效性，為VSAT衛星通信網NMS設計帶來了新的挑戰。

分布式NMS采用主從管理結構，主管理者將管理任務委托給從管理者，由從管理者來執行具體任務，降低單一管理者的負載，提升NMS的任務處理能力。從管理者負責管理數據的采集、處理，并將處理結果上報至主管理者。主管理者對處理結果進行匯總，并根據處理結果將所實施的管理指令通過從管理者傳送至被管理對象。主管理者應根據各個從管理者的處理能力，利用輪詢比例公平調度策略[3]將管理任務均衡地分配至不同的從管理者，最大程度地利用各從管理者的處理能力。分布式NMS以集群系統方式提高NMS處理能力與性能，縮短了VSAT用戶對請求任務響應的等待時間。

1層次型分布式網絡管理體系結構

1）分布式網管管理系統的必要性。國際標準化組織在ISO/IEC 7498-4所定義的NMS包括：故障管理、性能管理、配置管理、計費管理和安全管理，其具體功能如表1所示。在構建NMS時，網絡管理協議和網絡管理體系結構是基本要素，其中管理協議規定管理者與被管理者之間消息傳遞方式，網絡管理體系結構將執行管理的元素組合在一起的一系列規則。以上兩要素實現對網絡資源的管理，保證NMS的通用性、可擴展性以及高效性。

表1網絡管理功能描述

管理內容 功能描述

故障管理 故障采集、隔離與診斷；故障查詢和統計

計費管理 設置費率，查詢并生成賬單

配置管理 修改被管理設備的工作參數，查詢被管理設備的狀態參數；開通和終止網絡服務

性能管理 性能監測、分析和控制

安全管理 建立、刪除和控制安全機制

與安全相關信息和事件的發布；

傳統VSAT衛星通信網采用集中式管理體系結構。這是一種由單一管理者完成所有管理任務的體系結構。在該體系結構中，所有管理數據均利用簡單網絡管理協議（Simple Network Management Protocol，SNMP）發送至NMS進行集中處理。代理僅僅作為網絡管理數據的采集者和對被管理對象施加控制指令的中間傳遞者。該網絡管理體系結構的優點在于：設計簡單，容易實現，管理員便于實施對整個網絡的靈活管理，適用于小型網絡或者不頻繁訪問的有限的網絡中。

隨著VSAT衛星通信網規模的不斷擴大，被管理VSAT節點和網絡設備的數量將顯著增加，管理數據也將顯著增加，必然導致NMS負擔過重，影響管理任務處理的實時性。此外，SNMP占用較多的網絡帶寬資源，增加網絡開銷，有可能造成網絡擁塞，甚至導致衛星通信網管理信道的癱瘓，無法直接應用于被管理對象數量較多的現代衛星通信網絡。因此，利用分布式體系結構設計面向大規模被管理VSAT節點的NMS迫在眉睫。

2）基于主從關系的分布式NMS。分布式管理體系結構[4,5]是管理者將管理任務委托給其它的實體來執行管理。由這些委托實體負責管理數據的采集、處理，并將處理結果上報至管理者。管理者對管理結果進行匯總，并將根據管理結果所實施的管理指令通過這些委托實體傳送至被管理對象?；谥鲝年P系的分布式體系結構實現簡單，包括一個主管理者、多個從管理者。從管理者直接與被管理VSAT節點交互管理數據，如圖1所示。從管理者承擔雙重角色：下層被管理對象的管理者和主管理者的代理。

因此，這些從管理者充當主管理者和被管理對象的中間媒介。在分布式網絡管理體系中，從管理者不僅是網絡管理數據的采集者以及控制指令的傳遞者，還是具備管理功能的中間層管理者。從管理者由主管理者委托管理任務，是主管理者的施動者，充當執行管理的角色。因此，分布式網絡管理體系結構減小網絡傳輸的數據量，消除瓶頸，增加網絡的可靠性和擴展性。

圖1基于主從關系的分布式管理體系結構

2基于任務的負載均衡技術

在層次型網絡管理體系結構中，管理任務采用垂直委派順序來執行。NMS首先執行管理任務的分類與分解，并將執行分類或分解之后的管理任務委派至相應的從管理者或通過遠程方法調用（Remote Method Invocation，RMI）將代理發送至相應的從管理者。從管理者根據所委派的任務對VSAT節點執行包括性能參數采集、狀態輪詢、配置入網輪詢等在內的管理。對于NMS來說，從管理者作為被管理節點的角色；而對于VSAT節點來說，從管理者作為管理節點的角色，VSAT節點作為被管理對象。這樣降低了頂層管理者的負擔，增大了NMS的管理容量。采用該機構，實現了網絡管理的分布程度和系統實現復雜程度的折中，既具有管理的分布性，又降低了系統實現的復雜性，是一種對大規模復雜網絡進行有效管理、增強實用性的解決方案。

在衛星網絡中，每個VSAT節點具有不同數量的性能參數和狀態參數，而每個VSAT節點具有不同的性能參數采集周期和狀態參數輪詢周期，其中，表示衛星網絡中VSAT節點的數量。性能參數和狀態參數都是基于SNMP來完成采集。因此，利用狀態參數數量、性能參數數量、狀態參數輪詢周期和性能參數采集周期來衡量每個VSAT節點任務負載率。

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（1）

其中，表示利用SNMP協議采集單個參數所消耗的系統資源。

對于每個VSAT節點來說，狀態參數的采集是按照固定周期來執行，采集狀態參數的數量也固定不變。而每個VSAT節點包括不同數量的性能參數，而每個VSAT節點性能參數的采集周期也不相同，因此每個VSAT節點的任務負載率取決于。所以，頂層管理者在向從管理者委派任務之前需要評估每個VSAT節點的任務負載率。然后通過輪詢比例公平調度算法將管理任務均衡地分配至從管理者，使得每個從管理者承擔近似相同的任務負載率。通過采用輪詢比例公平調度算法避免了SNMP流量集中于單一從管理者，造成單一從管理者負載過大，同時可以降低系統維護和硬件升級的成本，也有助于優化NMS的性能。令表示管理任務集合，其中代表VSAT節點的管理任務；表示從管理者，表示從管理者承載的任務負載率，表示從管理者的數量。管理任務分配的具體步驟如下。

1）利用式（1）評估每個管理任務的任務負載率，計算任務負載率和。

2）計算平均任務負載率，將其作為任務分配的門限值。

3）遍歷管理任務集合，以編號升序順序來分配管理任務；對于Agent（j），分配管理任務之后，如果小于，則繼續對Agent（j）分配管理任務；否則開始對下一個Agent（j+1）分配管理任務。

3結論

在VSAT衛星通信網中，NMS負責監測網絡的運行狀態，然后基于實際需求和運行狀態來調整相關VSAT節點的工作參數。本文利用主從關系的分布式體系結構來設計VSAT衛星通信網的NMS，以實現對網內更多VSAT節點的高效管理?；谥鲝年P系的NMS包括一個主管理者、多個從管理者。從管理者負責從VSAT節點采集數據進行處理，并將處理結果上報至主管理者。基于此結構，本文利用基于輪詢比例公平調度算法來分配管理任務，首先統計每個VSAT節點的任務負載率，然后計算平均任務負載率作為分配門限值，以此門限值來將管理任務分配至從管理者，使得每個從管理者承擔近似相同的任務負載率，解決單一管理者負載過大的問題，提升NMS的任務處理能力。

參考文獻

[1]普拉特.衛星通信[M].甘良才等譯.北京：電子工業出版社，2005：11-15.

[2]郭軍.網絡管理[M].北京：北京郵電大學出版社，2008：85-89.

[3]J Nieh，C Vaill，H Zhong.Virtual-time round-robin：an O（1）proportional share scheduler. Proceedings of the 2001 USENIX Annual Technical Conference.2001：245-259.

[4]Jena Philippe，Martin Flatin. A Survey of Distributed Network and Systems Management Paradigms. Special Issue on Enterprise Network and Systems Management，December 1997.

[5]高鑫，王祖林，等.結合事件觸發的層次型分布式DVB-RCS網絡管理[J].電訊技術，2011，51（6）：102-106.

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