基于J2EE的有線電視網管理系統設計與實現

孟 進，陳 亮

（西安工程大學 計算機科學學院，陜西 西安710048）

0 引 言

在“三網合一”（傳統的電信網，計算機網和廣電網絡的業務融合與滲透）的大趨勢下，為了滿足數字電視交互業務和數據通信業務的要求，廣電集團通常要對現有的單向HFC網絡進行雙向改造，建立基于IP網的雙向網絡系統.因此，為了提高廣電集團對有線電視網的管控能力和廣電網絡在“三網合一”中的競爭力，構建一個針對面向廣電業務運營、具備IP網絡管控功能的網絡運營支撐系統（business &operation support system，BOSS）是目前廣電行業發展中亟待解決的問題［1］.

廣電網絡運營支撐系統的網絡管理層（NML），從全局的角度對管理域內的網絡進行管理，提供網絡性能，使用情況和可用性指標，它主要負責與業務管理層進行交互，為BOSS的運行提供環境支持［2］.簡單網絡管理協議（simple network management protocol，SNMP）是由互聯網工程任務組定義的一套網絡設備管理和維護的接口協議，也是電信運營商NML中常用的管理協議.文獻［3］提出將J2EE技術和SNMP相結合，來解決異構型網絡遠程管理等問題.文獻［4］針對如何保證網絡故障監視數據的有效采集、如何優化故障管理策略、如何快速定位網絡故障等問題，提出了分層分布式的網絡故障管理模型.文獻［5］分析了SNMP的數據格式，實現了符合SNMP的上位機和有線電視網絡監測設備之間的數據通信，為進一步使用SNMP管理有線電視網絡打下了基礎.本文以湖南有線集團雙向網改造為背景，通過深入研究有線電視雙向網絡的特點，在廣電網絡的網絡管理層，設計了基于SNMP協議的分層分布式管理模型，通過管理域、群兩級分層減少了管理報文的數量并提供了細粒度管理權限.在該模型的基礎上采用J2EE技術建立了面向廣電行業的綜合網絡管理系統.

1 有線電視雙向網管理系統

1.1 系統總體功能描述

湖南省長沙、株洲、湘潭地區是我國第一批“三網融合”試點地區之一，為了滿足全省數字電視單向廣播業務、雙向交互業務、寬帶接入業務以及各類增值業務的整體效能，湖南有線集團對現有的HFC網絡進行了雙向傳輸改造，建設了全省統一的網絡平臺.該網絡按照省骨干網、市州城域網和縣市接入網三級網絡構建，并且為了實現對網絡的統一管理，所有入網設備均遵循SNMP.現有的SNMP規范中，網絡監視數據的獲取和傳送的主要方法是輪詢和事件通知，該方法占用資源大，并且不具備分層安全管理能力［4］.為了對全省網絡進行有效的分層管控，本文設計一種分層分布式網絡管理模型，其原理如圖1所示.分層分布式網絡管理模型按照省—市—縣將網絡劃分為具有樹狀層級關系的管理域，每級管理域由管理者、群首和代理三級組成.管理者是網管功能的中心，群首是分群子網的局部管理者，代理是所在網元節點及周邊鏈路的局部管理者.多個代理形成一個群并由群首管理，所有群首由其所在管理域的管理者集中管理.

管理域內部采用SNMP／RMON協議分析與管理網元及子網.群首通過SNMP輪詢與事件結合的方式獲取域內各網元設備的狀態數據，狀態數據通過加工采用SNMP報文發送給域管理者，從而獲知管理網絡的運行狀況.管理域間的通信主要是針對不同層級管理功能的通信，如集團中心管理域可以獲取地市管理域的網絡性能數據，而反之則不可以.為了保證通信的可靠性，上下級管理域間通過TCP報文進行通信.

該模型通過域、群兩級分層實現不同子網的獨立管理，既能有效減少SNMP報文的傳播數量，又能提供細粒度的網絡管理權限，從而提升網絡管理的性能和有效性.

圖1 分層分布式網管模型Fig.1 Hierarchical distributed management model

1.2 系統功能模塊分析

分層分布式管理模型中各管理域的功能模塊類似，因此可以針對管理域設計系統功能模塊.根據文獻［6］，本文確定管理域的功能包含拓撲管理、資源管理、故障管理和性能管理等4部分，并進一步構建系統功能模塊，如圖2所示.

（1）拓撲管理子系統 該子系統提供維護網絡的網元及其拓撲結構信息，包括網絡拓撲結構發現、網絡拓撲結構編輯以及網絡拓撲結構監視等功能.

（2）資源管理子系統 該子系統對有線電視雙向網中的各種網元資源（包括路由器、交換機、接入服務器、USR、EPON、媒體服務器等）以及網絡資源（包括IP、子網、鏈路、端口、VLAN）進行集中管理，包括資源查看、資源添加、資源刪除、資源修改以及資源同步等功能.

（3）性能管理子系統 該子系統包括檢測任務管理和性能門限管理2部分.用戶通過設置采集周期、起止時間、采集對象等信息定制性能任務，定期收集網元類型、網元設備和性能指標的組合，通過計算一段時間內的算術平均值、幾何平均值、中值、標準差等評價網絡性能指標；門限設置對某一網元設備或網元類型的監測指標進行門限設置，當檢測結果超過預設門限后系統將產生性能越限告警.

（4）告警管理子系統 該子系統包括告警管理、故障通知和故障處理等功能.告警管理包括告警定義、告警確認、告警清除等；告警通知將告警通過前轉條件關聯到管理員，當出現告警時系統自動通過EMail、短信或語音提示等通知相關人員；告警處理包括故障判定、故障工單處理等，主要在管理員的決策支持下確定故障類別、緊急度和優先級，并形成故障工單進行過程跟蹤.

（5）客戶端呈現子系統 該子系統是與網管人員交互的界面，主要包括視圖管理、性能查詢統計、資源查詢統計、告警呈現和告警查詢統計等功能.

（6）網絡通信模塊 該模塊實現各系統間的通信協議封裝，包括SNMP通信、Syslog通信、Telnet通信、RMI和JMS通信等.

（7）數據接口子系統 該子系統完成對數據庫操作的封裝.

圖2 系統功能模塊圖Fig.2 System function modules

2 系統的設計與實現

2.1 總體結構設計

J2EE是開發安全、可擴展和高可用性的企業應用系統的標準，它規定了一種多層分布式應用模型，國內外電信級BOSS系統大多采用J2EE框架實現.傳統J2EE規范中EJB代碼具有依賴容器、啟動緩慢、部署復雜、資源占用高等缺點，而Spring、Hibernate等輕量級框架采用普通常規Java對象（plain ordinary Java object，POJO）、控制反轉（inversion of control，IOC）、切面編程（aspect-oriented programming，AOP）等技術簡化了編程模型，同時這些框架之間的松耦合特性分離了表示層、業務邏輯層和數據持久層，使得代碼對框架的依賴最小化，因此本文采用輕量級J2EE多層體系結構實現該系統.其體系結構設計如圖3所示.

圖3 基于J2EE的有線電視網管理系統體系結構圖Fig.3 The system architecture diagram of cable television network management system based on J2EE

系統分為客戶端、管理服務器、網絡探針和數據庫4層邏輯結構.其中網絡探針對應分層分布模型中群首的功能，采用SNMP、Syslog等協議獲取網元的相關數據，數據經過簡單的包裝處理形成局部子網的狀態分析數據；管理服務器是業務邏輯的核心，對應分層分布模型中管理者的功能，其一方面匯總網絡探針獲取到的數據提供給網絡管理人員，另一方面下發網絡管理員的管理命令給網絡探針；客戶端是網絡管理員的管理前臺，為了使得展示效果美觀整潔，客戶端采用Swing技術實現；數據庫用來存放網絡的資源、性能等相關管理數據，為了使得系統的層次清晰，只有管理服務器能對數據庫中的數據進行讀寫處理.系統各層可以部署在不同的物理機器上，客戶端與管理服務器以及管理服務器與網絡探針之間均存在同步通信和異步通信，同步通信主要通過遠程方法調用（Remote Method Invocation，RMI）實現，異步通信主要通過Java消息服務（Java Message Service，JMS）實現.

J2EE設計模式是采用J2EE框架解決某類問題的可行方案，具有高可重用和可伸縮性，對于節省開發時間、提高代碼質量具有重要作用.Facade模式用以定義一個高層接口，降低組件的客戶與組件中各種復雜子系統之間的過度耦合，系統中采用該模式實現不同功能模塊間的調用；Proxy模式使得客戶端對一個對象的方法調用只能間接通過代理類進行，這對于降低遠程訪問中組件的耦合度具有重要作用，因此本系統中遠程調用采用該模式實現.

2.2 有線電視雙向網管理系統實現

在以上的分析基礎上，本文采用輕量級J2EE框架開發了有線電視雙向網管理系統.其中管理服務器和網絡探針程序在Windows2003操作系統上運行，而客戶端程序在Windows XP操作系統上運行.

通過系統拓撲管理功能中二／三層拓撲視圖，管理員可以清楚地了解到整個網絡中網元設備類型、廠商、IP規劃、網元的鏈接關系、網元狀態等基本情況，并根據管理域和群的職責、權限將網絡顯示為不同的組和子圖域.系統性能分析和告警管理，主要作用是監視網元設備、應用服務器、網絡等資源的各種性能數據，如接口流量、狀態、可達性、CPU／內存使用率等，并采用JFreeChart、Twaver等圖形控件和報表工具提供清晰明了的圖表顯示.當網絡性能指標發生異常時，系統主動通過聲音、圖形、E-mail、手機短信等方式向管理員發出警告，使管理員能及時有效地定位網絡中出現的問題.

2.3 系統實現中的主要關鍵技術

網絡管理的主要任務是監視網絡運行質量，其中網絡拓撲發現和網絡故障監視是其中2個重要的關鍵技術：

（1）網絡拓撲結構自動發現算法 網絡拓撲為網絡管理人員提供了從全局上把握網絡狀況的途徑，因此設計好的拓撲發現算法是網絡管理中的重要研究方向［7-8］.拓撲發現通常分為網絡層拓撲發現和鏈路層拓撲發現，本系統中網絡層拓撲發現主要通過SNMP方式獲取MIB2中ipRouteTable中的信息來實現，而鏈路層拓撲發現主要通過AFT算法實現.在廣電雙向網絡中存在大量EPON設備，并且EPON設備的ONU部件均采用透傳方式工作，因此ONU與上行OLT的拓撲鏈路不能采用AFT算法發現，本系統通過各設備商私有MIB發現.

（2）網絡故障監視算法 網絡故障監視是網絡管理者通過輪詢網絡狀態和由代理主動發送事件通知來發現網絡故障的一種方法.在傳統的SNMP規范中，管理者一般采用固定周期輪詢的方式獲取域內被管對象的狀態信息，只有當網元有重大異常時才發送故障事件通知給管理者.為了節約網絡帶寬，本系統采用一種動態網絡監視算法，管理者根據輪詢和事件通知獲得群首中的網絡狀態數據，預測發送告警的可能性；如果沒有告警可能性，則管理者對群首的輪詢延時.該方法既能減少輪詢的發生，又能在網絡局部區域有異常時通過群首的事件通知及時獲知異常信息.

2.4 與集中式系統的比較

實際的測試使用默認的SNMP配置參數，在網絡設備完全不通的情況下，響應時間最少是16s.設分層分布式網絡管理系統部署N個網絡探針節點，同時分層分布式和集中式網絡管理系統的輪詢周期均為Ps，則集中式的網絡管理系統最多可以有效管理［P／16］個網絡設備.而分層分布式的網絡管理系統，每一個網絡探針節點都可以看作是一個單獨的集中式網絡管理系統，所以它可以有效管理的網絡設備數是集中式的N倍，也就是N×［P／16］個網絡設備.由此可以得出分層分布式的網絡管理系統在對網元的管理能力上更加高效.

3 結束語

采用域、群兩級分層管理可以有效減少管理報文的數量，并提供細粒度的分層權限控制；應用輕量級J2EE，通過多層框架實現層間業務的松散耦合，使得系統易于維護.

該系統已在湖南有線集團測試和試運行，具有很高的穩定性和可擴展性.

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