SNMP協議用于衛星網管的改進與增強

徐展琦，郭彥濤，丁 喆，李辰龍，丁 鐸

（1.西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071；2.通信網信息傳輸與分發重點實驗室，河北 石家莊 050081）

SNMP協議用于衛星網管的改進與增強

徐展琦1，郭彥濤2，丁 喆1，李辰龍1，丁 鐸1

（1.西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071；2.通信網信息傳輸與分發重點實驗室，河北 石家莊 050081）

作為新一代多媒體通信系統，寬帶多媒體衛星網絡能夠提供多媒體業務、高速傳輸與交換和全球無縫隙覆蓋等應用。介紹了寬帶多媒體衛星通信網絡架構，通過對現有地面網絡管理協議的分析與比較，采用簡單網絡管理協議（SNMP）作為衛星網絡管理協議。針對衛星通信網和SNMP協議的特點，分析SNMP應用于衛星網絡管理的可行性，在可靠通信、流量控制和數據處理等3方面增強SNMP協議的功能，以使其適用于衛星通信網。

衛星通信；網絡管理協議；寬帶多媒體衛星；增強性SNMP

0 引言

20世紀90年代，由于衛星技術的飛速發展和Internet的空前繁榮，衛星通信開始向文本、圖像、語音、視頻及高速數據等寬帶多媒體業務發展，寬帶多媒體衛星通信成為衛星通信的研究重點，這種為用戶提供大容量、高質量的交互式通信服務已經獲得廣泛應用。

寬帶多媒體衛星系統是一種動態異構網絡，是衛星通信與傳統網絡技術融合的必然發展趨勢［1］，它在諸如抗震救災、應急通信和國防等關鍵領域占據重要地位。由于衛星網絡本身所特有的動態性、高時延性、異構性以及資源的有限性，應用于地面網管的傳統公共管理信息協議（CMIP）［2］和簡單網絡管理協議（SNMP）［3］都不能完全適用于衛星網絡，而在空間衛星網絡的管理上，目前還沒有形成普遍認可、系統化的管理思想和管理協議。

衛星網絡的星地信道具有時延長、傳輸性能起伏大、誤碼率偏高和傳輸數據量不對稱等特性［4］，導致地面上基于TCP／IP協議模型的SNMP協議無法直接運用到衛星通信中。那么，我們是設計新的網管協議，還是選擇已有網管協議加以相應的修改呢？本文為此經論證選擇后者，在可靠通信機制、流量控制機制和數據處理方式等3方面，探討增強SNMP協議以使其更適合衛星網管的需求，為我國衛星網絡的網管提供借鑒。

1 寬帶多媒體通信衛星網絡

圖1采用單顆GEO寬帶多媒體衛星通信系統架構，并包含網絡管理系統的結構，其網元包括GEO衛星、關口站、網管中心、衛星終端、交換機、路由器和ATM交換機，同時附帶每個網元的代理。

寬帶多媒體通信衛星系統的上行鏈路采用MF-TDMA多址方式，下行鏈路采用TDM多路復用。多波束通信方式中有一個波束專門用于網絡管理信息和信令的傳輸，同時衛星具有星上處理功能。由圖1可知，網管中心不僅管理衛星上的設備及其元件，還管理衛星終端、關口站、交換機、路由器以及ATM交換機（圖中實線表示真實的通信鏈路，而虛線表示網管中心的管理鏈路）。網管中心通過關口站與衛星相連接，而關口站通過無線信道與衛星通信。每個受控的網元均設有代理端，網管中心通過對各個網元的代理進行監控以實現管理網元。

2 SNMP協議適用衛星網管的可行性

目前在地面網絡中廣泛使用公共管理信息協議：（Common Management Information Protocol，CMIP）和簡單網絡管理協議（Simple Network Man-agement Protocol，SNMP）這兩種網絡協議，分別應用于電信網絡和因特網。如果為衛星網絡設計不同于二者的新協議，優點是可能會設計一種特別適合衛星網絡前述特性的網管協議，缺點是所設計的協議完備性、適用性存在不確定性，它與地面已有網管協議不能互聯互通。因此，一個較為可行的選擇是采用已有網管協議，并針對衛星網絡的特殊性加以改進與增強。

CMIP協議實現了面向對象的管理機制，但協議設計、參數定義和對象都比較復雜，編程難度較高，并且基于電信管理網TMN的網管協議必須要實現Q3接口，同時CMIP協議需要占用更多的衛星資源，因此它不適用于衛星通信網的特殊應用環境［5］。SNMP協議的開放式設計使得眾多設備都支持SNMP服務，便于不同設備及不同設備制造商設備的網管互聯互通。在通信及應用設備不斷增加、更新和發展的過程中，基于SNMP協議的網管系統可快速、靈活地升級和更新。雖然SNMP在功能上還有一定局限性，但其簡單性大幅降低網管系統開發的難度。由于SNMP協議已在網絡設備中形成規范，并用于眾多的地面設備和寬帶多媒體衛星系統，如VANTAGE（VSAT ATM Network Trials for Appli-cation Groups Across Europe）等網管系統。因此，SNMP協議具有通信模型和信息模型簡單、靈活及CPU資源消耗少等特性，更適合于衛星網絡的管理［6］。

SNMP協議包括SNMPv1、SNMPv2和SNMPv3三個版本。SNMPv1是網絡管理最原始的標準，所提供的操作原語只能對網絡進行集中式管理，一旦網絡需要進行擴建或者融合時，原有的網管系統就不能適應新的網絡。SNMPv2提供了分布式管理操作，即網元具有管理者和代理者雙重身份。SNMPv3在安全性方面進行了極大的改善，但它具有比SNMPv2版本更長的消息長度，帶來相比SNMPv2高達1.7倍的網絡流量和2倍的計算時間，增加了系統資源的消耗。同時，SNMPv3需要占用數兆的內存空間，考慮到衛星資源有限，采用SNMPv3可能會造成資源浪費［7］。綜上所述，SNMPv2協議更加適合于衛星網絡管理。

3 SNMP協議功能增強分析

在SNMP協議已經成為現有網絡管理標準協議的前提下，如果直接對其修改，則與現有設備的協議不匹配，無法直接進行通信，進而導致無法管理現有的通信設備。如果采用修改后的協議進行網絡管理，則需要對衛星上被管設備的軟件或內核進行修改，這將帶來巨大的工作量。SNMP采用UDP協議作為傳輸協議，如果在底層對協議進行修改，會遇到同樣的問題。考慮到SNMP本身屬于應用層協議，因此從應用層進行協議改進比較可行。

由于UDP協議是面向無連接的數據傳輸協議，是一種不可靠通信方式。與TCP協議需要建立通信連接、對數據進行差錯控制相比較，UDP協議不關心網絡數據傳輸狀態，這使得UDP協議在傳輸過程中可節省大量網絡狀態確認和數據確認所導致的系統資源，大大提高UDP協議的傳輸效率［8］。同時，UDP協議具有無需連接管理、支持海量并發連接和發送數據不對稱等特性，非常適合衛星網絡。

盡管UDP協議減小系統資源的消耗，但其無法確保數據到達宿地，且網管系統對非常重要的配置數據實時性要求更高，因此如何保證網管數據的可靠傳輸是亟待解決的問題之一；另一方面，由于衛星上內存資源有限，當大量的網管數據到達時，有可能造成系統擁塞，而UDP協議在流量控制方面也沒有較好的應對措施，如何進行流量控制和避免系統擁塞也是要解決的一個重要問題。衛星信道數據傳輸速率不穩定，會造成數據的抖動，無法保證網管數據的響應時間，這可以從管理端的數據處理方式加以考慮。

綜上所述，針對衛星通信系統和SNMP協議的特點，主要從可靠通信機制、流量控制以及數據傳輸方式等三方面對SNMP協議進行相應的功能增強，以使其能夠適應衛星環境時延大和誤碼率偏高的特點，從而滿足衛星管理所要求的低需求配置、低復雜度、可配置性以及數據完整性驗證等要求。

4 SNMP協議功能增強

4.1 可靠通信機制

SNMP協議傳輸層采用UDP協議，而UDP是面向無連接的協議，無法確保報文正確地到達宿地，再加上衛星信道的高誤碼率，從而無法確保網管數據及時準確的傳輸，因此在應用層建立可靠通信機制顯得尤為重要。

（1）超時重傳機制

在SNMP協議中，當代理端收到Get數據包（包括GetRequest PDU、GetNextRequest PDU和Get-BulkRequest PDU）和Set數據包（SetRequest PDU）時，都需要用Response PDU進行響應。當管理端在一定時間內沒有收到Response PDU時，就需要啟動超時重發機制。由于UDP協議具有無連接特性，故需要在應用層加入超時重發機制。

一般情況下，Get或Set數據包的大小為70字節，而Response PDU大小約為90字節，在一般的衛星通信系統（如WINDS衛星系統［9］）中，網管信息收發子系統的上行速率為4 kb／s，下行速率為10 kb／s，計算可得Get／Set數據包和Response PDU的發送時延為212 ms。另外，GEO衛星到地面的傳播時延大約為125 ms，不考慮處理時延和排隊時延，則地面網管中心和衛星代理進行一次通信的往返時間RTT＝462 ms。超時重傳時間RTO一般取4倍的RTT，即RTO可以取2 000 ms，超時重發次數可以設置為3次。

（2）Trap發送機制

在SNMPv2中，當代理有故障發生時，可以通過發送Trap PDU和InformRequest PDU兩種方式向管理端上報故障。這兩種方式也存在著區別：當代理發送Trap PDU時，管理端收到后并不會向代理發送確認信息，這樣代理端無法知道Trap PDU是否被正確接收；反之，當代理用InformRequest PDU發送時，管理端在收到該數據包后，需要發送Response PDU進行確認，這樣可以確保InformRequest PDU正確到達接收端。這兩者在衛星通信網絡中使用時，各有利弊。

InformRequest PDU雖然可以確保trap正確到達管理端，但是為了支持可靠傳輸，將會消耗更多的網絡和設備資源，被管設備不能在發送后立即把InformRequest PDU丟棄，它需要把通知消息保存在系統內存中，直到收到對應的確認應答或計時器超時才丟棄。由此可見，InformRequest PDU可能會被重復發送，這種重復發送將會增加網絡流量和額外開銷，這個問題在衛星通信系統中顯得尤為突出。Trap PDU雖然是不可靠傳輸，但是它消耗更少的網絡和設備資源，在衛星通信網絡中其優勢也很明顯。因此，在選擇Trap PDU或InformRequest PDU時，需要根據可靠性要求和系統資源狀況統籌考慮。

基于以上分析，衛星通信網絡首先將代理可能出現的故障劃分為嚴重和一般這兩個等級。嚴重故障包括不正確的用戶授權、重啟、連接關閉和設備通信中斷，這些故障需要確保管理端能夠及時并且正確接收，此時可以使用InformRequest PDU進行發送。對于諸如egpNeighborLoss和enterpriseSpecific等一般故障，并不要求管理端及時接收，可以使用Trap PDU發送，這樣就可以在可靠性要求和系統資源狀況之間進行很好的折中。

4.2 流量控制機制

網絡管理系統在對代理設備進行輪詢的時候，將產生大量的數據，UDP傳輸協議本身并不具有流量控制的功能，當輪詢的數據量過大、衛星的緩存資源和處理能力有限時，可能造成丟包數迅速增加，甚至可能帶來系統擁塞乃至崩潰的潛在危險，因此在SNMP協議中加入流量控制機制顯得尤為重要。

當系統出現擁塞時，可以根據網絡狀況來調整數據的發送速率以避免擁塞。網管系統通過對數據包的差錯率、報文的往返時間等信息進行處理就能夠得到當前網絡的狀況。因此，可利用TCP友好速率控制算法TFRC（TCP-Friendly Rate Control）［10］對網管數據的傳輸進行流量控制。

TFRC協議是基于數學模型和接收方的機制，由發送方根據網絡環境調整數據流的發送速率以達到擁塞控制，在同等條件下，TFRC流具有與TCP流相似的吞吐量；但TFRC吞吐量變化穩定，抖動較小，更加適合網管數據的實時性要求。

TFRC協議適用于固定數據包大小的應用程序，它根據網絡環境的好壞，通過調整每秒鐘發送的數據包數來調整數據傳輸速率，而網管數據包的大小基本是相同的，因此可以將TFRC協議應用到網絡管理中。

管理端通過記錄數據包的發送時刻和響應數據包的接收時刻，計算出往返時間RTT，將丟包率和RTT代入下式計算，得到即將傳輸數據報的發送速率［10］：

式中，S是數據發送速率（bps）；L是數據包大小（bits）；R是往返時延（s）；P是丟包率；tRTO是超時重傳時間，取tRTO＝4?R。

管理端將根據計算結果以調整數據發送的速率，可采用如下數據發送方案：

①管理端向代理端發送的數據有Get數據包（包括GetRequest、GetNextRequest和GetBulkRe-quest）、Set數據包以及對InformRequest的響應數據包Response。根據數據的重要性，將待發送的數據進行優先級劃分，優先級由高到低依次為Response、Set以及Get數據包。因為Response需要及時發送，這樣可以減少InformRequest對星上資源的占用，Set數據包是對代理進行配置管理，其優先級應高于Get數據包。

②根據式（1）得到的數據發送速率，結合數據包的優先級，可以制定如下數據發送策略：在管理端建立優先級隊列，將待發送的數據包加入到優先級隊列中，網管收發子系統的上行速率一般為4 kb／s，數據包的大小為70 B，假設式（1）計算出當前的數據發送速率應為3 kb／s，則接下來可以發送優先級最高的5個數據包。依照該數據發送速率，即可最大限度地避免網絡出現擁塞。

4.3 數據處理方式

網管系統的管理端需要同時管理多個代理，而管理端的數據處理方式有并發處理和序列處理。前者指管理端在異步情況下同時處理多個代理發來的網管消息，后者指管理端在某一時刻只能處理一個代理，即管理端在處理完某個代理的網管消息之前，不能做其他工作。在并發處理方式下，管理端接收到代理響應報文的順序取決于代理和信道條件，因此，可以減少代理的響應時間，但有可能造成網絡阻塞，特別是在信道條件較差和星上存儲資源有限衛星網絡中，這個問題顯得尤為突出。通過并發和序列兩種方式對數據報的響應所進行的測試結果表明［12］，雖然在所有代理操作的完成時間上，并發方式用的時間更少，但考慮到每個代理單次任務的響應時間（如發送一次Get操作），序列方式響應速度更快，且序列方式下對每次任務的響應時間的抖動更小。因此，在一些實時的應用上，序列方式可以保證響應時間的范圍，比如用SNMP來進行路由、記賬以及訪問網絡配置等。

綜上所述，在衛星網絡中，管理端在處理代理端的任務時，應該采用序列方式，可以盡量避免出現網絡擁塞和保證響應的時間，使對實時性要求高的網管操作及時完成。

5 結束語

通過對現有網管協議和衛星網絡網管需求的分析與比較，確定SNMP協議是適合于衛星網絡的優選網管協議。針對衛星網絡的特點和SNMP協議的功能，提出在可靠通信機制、流量控制機制和數據處理方式等三方面，增強SNMP協議以使其更適合衛星網管的需求。另外，由于SNMP協議采用基本編碼規則BER編碼，其編碼存在一定冗余，因此可考慮使用壓縮編碼規則PER編碼代替，提高編碼效率。

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Improvement and Enhancement of Simple Network Management Protocol in Satellite Network Management

XU Zhan-qi1，GUO Yan-tao2，DING Zhe1，LI Chen-long1，DING Duo1
（1.State Key Lab on Integrated Services Networks，Xidian University，Xi’an Shaanxi 710071，China；2.State Key Lab on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

The broadband multimedia satellite network，a new generation of multimedia communication system，can provide many applications such as multimedia services，high-speed transmission and switching，and global seamless coverage.This paper introduces the architecture of satellite communication network.By analyzing and comparing of the present network management protocols，this paper chooses simple network management protocol（SNMP）as the management protocol of satellite networks.Based on the characters of satellite communication network and SNMP，this paper analyzes the feasibility of SNMP application in satellite network management.The SNMP function is modified and enhanced in such aspects of the communication reliability，flow control and data processing，making the enhanced SNMP be applicable for satellite communication networks.

communication；network management protocol；broadband multimedia satellite；enhanced simple network management protocol（SNMP）

TN915.07

A

1003－3114（2015）06－01－5

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.01

徐展琦，郭彥濤，丁 喆，等.SNMP協議用于衛星網管的改進與增強［J］.無線電通信技術，2015，41（6）：01－05.

2015－08－26

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2012AA01A505）；國家預研項目（41001080201）

專家簡介：徐展琦（1962—），男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：光網絡、空間寬帶網絡、網絡新體制、網絡資源管理、網絡設備的原型實現、通信網的建模及性能仿真等。主持或參加完成國家863計劃和國家自然科學基金等項目數達到30個，第一作者獲專利授權5項，獲部級科技進步二等獎1項，獲部級科技進步三等獎3項；發表論文70余篇，SCI檢索4篇，EI檢索20余篇。