基于本體與SNMP的網絡狀態評估及原型實現

許永健,徐展琦,郭彥濤,丁 喆,王 凱

( 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 )

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.03

許永健,徐展琦,郭彥濤，等.基于本體與SNMP的網絡狀態評估及原型實現 [J].無線電通信技術,2018,44(1):14-18.

[XU Yongjian,XU Zhanqi,GUO Yantiao,et al.Network Status Evaluation and Prototype Implementation Based on Ontology and Simple Network Management Protocol (SNMP)[J].Radio Communications Technology,2018,44(1):14-18.]

基于本體與SNMP的網絡狀態評估及原型實現

許永健1,徐展琦1,郭彥濤2,丁 喆1,王 凱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 )

當前通信網絡的異構性較強、兼容性較差，網絡狀態的評估受到極大限制，技術與市場等因素導致網絡狀態評估標準難以統一。本體具有良好的開放性與可擴展性，能很好地承載知識的形式化，有助于推動標準的統一。采用本體理論對網絡狀態評估中的基本概念和評估方法進行總結歸納，構建表示網絡狀態評估的本體模型，并提出一種基于設備狀態的網絡狀態評估方案，實現一個采用本體與簡單網絡管理協議(Simple Network Management Protocol,SNMP)的網絡狀態評估原型系統，以期為本體理論在網絡狀態評估中的應用提供參考。

本體；原型系統；網絡狀態表示；網絡狀態評估

TN915.1

A

1003-3114(2018)01-14-5

2017-07-18

國家自然科學基金項目(61572391)

NetworkStatusEvaluationandPrototypeImplementationBasedonOntologyandSimpleNetworkManagementProtocol(SNMP)

XU Yongjian1,XU Zhanqi1,GUO Yantao2,DING Zhe1,WANG Kai1

(1.State Key Laboratory of Integrated Service Networks,Xidian University,Xi’an 710071,China; 2.Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory, Shijiazhuang 050081,China)

Nowadays,the heterogeneity of communication networks is strong while their compatibility is poor,and the network status evaluation is thus limited greatly.The factors like technology and market make it difficult to unify the standards of network status evaluations.The ontology has advantages of good openness and scalability and can support the knowledge formalization well,which helps to promote the unification of standards.With the summary of the basic concepts and evaluation method of the network status evaluation by the ontology theory,the ontology model of the network status evaluation is constructed.On the basis of network device status,the scheme to evaluate the network status is proposed.The prototype system for the network status evaluation is implemented by using ontology and Simple Network Management Protocol (SNMP).It is expected that the efforts in this paper could provide a reference for the application of ontology theory in network status evaluation.

ontology; prototype system; network status representation; network status evaluation

0 引言

良好的底層通信網絡狀態是保證高層業務可順利開展的重要基礎，市場與技術等因素導致網絡存在異構性與兼容性的問題，從而引發網絡狀態的評判標準難以統一。采用基于知識的方式表示網絡狀態可為解決上述問題提供契機。知識本身所具備的一致性、重復性與共享性等優勢非常有利于各類標準的達成[1]。計算機科學領域的國內外學者已深入研究知識表示，研究人員當前使用較多的知識表示方法主要有基于謂詞邏輯、基于本體、基于產生式和基于語義網絡等[2]。以上幾種知識表示方法各有利弊，其中本體是共享概念模型明確的形式化規范說明[3]。本體具有良好的開放性、可擴展性和可推理性，可以很好地完成知識的概念化與形式化，逐漸成為業界廣泛使用的知識表示方式之一。

Tim Bass在1999年提出網絡態勢感知(Cyberspace Situational Awareness，CSA)概念[4]，網絡態勢指網絡的當前狀態和未來可能的變化趨勢。國內外研究人員在網絡狀態研究與本體在網絡狀態中的應用已取得一些研究成果。范志煜等利用知識的共享特性，以本體作為知識表述工具，將本體應用于態勢估計領域，并以具體戰場為例構建態勢估計的本體結構[5]。任維武提出一種合作式本體模型，可以用于多種分布式入侵檢測系統的協同工作，提高網絡對各類攻擊的抵抗性[6]。阻礙大規模網絡管理任務的核心問題就是網絡管理數據的異構性。為解決該問題，Kyriakopoulos K G等人以本體作為知識表示工具，通過精煉各類復雜網絡管理的數據與信息，實現一種基于本體的網絡管理工具FlowStats[7]。卓瑩等提出基于拓撲流量挖掘的網絡態勢感知模型[8]，在保證準確性、時效性和可擴展性前提下，實現了網絡態勢可視化方案。同時該方案實現了全網態勢量化評估，可以提供整體網絡的運行狀態，增強網絡的管控能力，可為高層提供決策支持。Song Yuqian等人針對小型家庭無線網絡提出一種本體驅動的監控方法[9]，幫助普通用戶診斷并解決家庭中無線網絡可能存在的問題，可減少運維開支和提高用戶滿意度。王慧強等通過深入研究網絡態勢感知系統[10](Network Situation Awareness System,NSAS)，提出NSAS框架并探討實現NSAS框架的相關技術難點，分析NSAS未來的發展方向，可提高網絡的應急能力。張小彬等人總結了評估網絡狀態的方法，主要包括基于網絡測量的網絡狀態評估、基于仿真的網絡狀態評估以及基于理論分析的網絡狀態評估等三種方法[11]。

目前網絡狀態的相關研究主要集中在網絡安全領域，鮮有針對底層通信網絡在實際運行過程中的狀態研究，而業界尚未達成判定通信網絡在實際運行過程中狀態優劣的統一標準。本體在該領域的研究與應用目前也尚未統一，有待更深入的研究探討。針對上述情況，本文提出一種基于設備狀態的網絡狀態評估方法，并利用本體理論總結與歸納網絡狀態評估中所涉及的概念及評估方法，構建表示網絡狀態評估的本體模型，對于網絡狀態評估的研究與本體在該領域內的應用，具有一定的參考價值。

1 原型系統設計與實現

本文所設計的網絡狀態評估原型系統由網絡狀態表示模塊和網絡狀態評估模塊兩部分組成，主要功能是監控網絡的整體運行情況，實現對通信網絡實時狀態的評估。具體功能如下：

① 網絡狀態表示模塊：采用本體編輯工具Protégé軟件進行網絡狀態評估的建模，構建網絡狀態評估本體模型，涵蓋網絡狀態相關概念的表示及概念間關系的設定；

② 網絡狀態評估模塊：參考網絡狀態表示模塊所構建的本體模型，采用SNMP++開發包與MFC編程實現，通過SNMP中定義的相關操作完成相關設備參數的獲取，實現設備狀態與網絡狀態的評估。

1.1 網絡狀態表示模塊

為構建網絡狀態評估本體，需要對其中基本概念進行抽取。表1列出網絡狀態評估中重要概念的集合，梳理所涉及概念間的關系。本文選取網絡、狀態與評估方法三大概念為基本節點，其余概念可作為三大概念的一部分；另一方面，概念間關系分為is-a關系與is-part-of關系兩類。在完成網絡狀態評估本體中概念的提取與梳理后，使用斯坦福大學醫學院生物信息研究中心開發的Protégé本體構造工具建立本體。

表1 網絡狀態評估本體概念及關系梳理

概念上級概念關系概念ID網絡狀態評估Thingis?aNetworkStatusEvaluation網 絡網絡狀態評估is?part?ofNetwork狀 態網絡狀態評估is?part?ofStatus評估方法網絡狀態評估is?part?ofNetworkStatusEvaluationMethod網絡設備網 絡is?part?ofNetworkDevice網絡拓撲網 絡is?part?ofNetworkTopology網絡狀態狀 態is?aNetworkStatus設備狀態狀 態is?aDeviceStatus基于理論分析評估方法is?aBaseonTheoreticalAnalysis基于網絡測量評估方法is?aBaseonNetworkMeasurement基于設備狀態評估方法is?aBaseonDeviceStatus基于網絡仿真評估方法is?aBaseonNetworkSimulation概念上級概念關系概念ID設備類型網絡設備is?part?ofDeviceType設備參數網絡設備is?part?ofDeviceParameter優先級網絡設備is?part?ofDevicePriority節 點網絡拓撲is?part?ofTopologyNode鏈 接網絡拓撲is?part?ofTopologyLink網絡狀態優網絡狀態is?aNetworkStatusGood網絡狀態中網絡狀態is?aNetworkStatusModerate網絡狀態差網絡狀態is?aNetworkStatusBad設備狀態優設備狀態is?aDeviceStatusGood設備狀態中設備狀態is?aDeviceStatusModerate設備狀態差設備狀態is?aDeviceStatusBad

1.2 網絡狀態評估模塊

通信設備的狀態很大程度上受到硬件條件的限制，諸如內存、CPU等硬件的狀態均可直接反映設備運行的狀態，同時設備狀態將直接影響網絡狀態。因此，本文以“設備參數決定設備狀態，設備狀態決定網絡狀態”為設計思路，提出一種基于設備狀態的網絡狀態評估方法。首先給出以下定義：

①DS={DS1,DS2,DS3,···,DSn}表示設備狀態(Device Status)分為n個狀態；

②NS={NS1,NS2,NS3···,NSm}表示網絡狀態(Network Status)分為m個狀態；

③TD={TD1,TD2,TD3,···,TDn}表示設定設備狀態轉換(Threshold of Device Status Transaction)的n個閾值條件；

④TN={TN1,TN2,TN3,···,TNm}表示設定網絡狀態變換(Threshold of Network Status Transaction) 的m個閾值條件；

⑤Pa={Pa1,Pa2,Pa3,···,Pak}表示選取的k個設備參數(Device Parameter)；

⑥Pr={Pr1,Pr2,Pr3,···,Prl,}表示設定l個設備優先級(Device Priotity)；

FG-NET數據庫包含82個人，共1002幅人臉圖像，每人平均約12幅人臉圖像，年齡跨度是0～69歲，每個人的樣本年齡分布較MORPH數據集更加分散。實驗采用留一法，即依次選擇一幅圖像作為測試圖像，剩余1001幅圖像作為訓練集。每幅人臉圖像均轉為灰度圖像，且剪裁至，提取的Mean-BIF特征為21008維，采用PCA對特征向量降至1000維。如表2所示，本方法能夠有效的實現跨年齡的人臉進行識別，且優于多數算法。另外，還提取了采用最大池化的BIF和LBP特征與Mean-BIF進行比較，三種特征均降維至430維，并采用RCA和KR-RCA對特征空間分類作為比較，如圖4和圖5所示。

⑦Tp={Tp1,Tp2,Tp3,···,Tpn-1}表示設定n-1個設備參數閾值(Threshold of Device Parameter)；

⑧Tq={Tq1,Tq2,Tq3,···,Tqm-1}表示設定m-1個設備數量閾值(Threshold of Device Quantity)。

圖1給出評估方法中設備狀態和網絡狀態的狀態轉移圖，Si表示設備狀態或者網絡狀態有n種，其中i∈[1,n]；Ti,j表示網絡狀態或者設備狀態從i狀態轉向j狀態的閾值條件，其中i∈[1,n]，j∈[1,n]。結合上述定義可知：設備參數Pa和設備參數閾值Tp決定設備狀態DS，而網絡狀態NS則取決于設備狀態DS和設備數量閾值Tq。

網絡狀態評估模塊選取的設備參數為CPU使用率與內存使用率，即k=2。選取CPU使用率和內存使用率這兩個參數的原因在于以下兩點：

① 在實際工程中，項目需求側重點不同，設備的核心考核指標不相同[12]，標準難以統一，而基本網元中路由器與交換機中均有CPU與內存，同時在SNMP中也有CPU與內存的相關參數定義，可以直接使用。

圖1 狀態轉移示意圖

② CPU使用率與內存使用率可以直接反映一臺設備在運行過程中的實時狀態。以華為BTS3900 GSM產品為例，經過大量測試，設備CPU使用率閾值為70%，超過70%設備將進行限流處理。

假設網絡狀態與設備狀態均分為優、中、差三個等級，即n和m分別取3；閾值判斷條件根據不同的實際設備單獨設定；鑒于不同設備對網絡狀態的影響大小不同，設定兩級優先級，將設備分為一般設備與關鍵設備，即l=2。鑒于設備狀態分為三級，采用華為BTS3900 GSM產品為例，可以選取Tp2=70%作為一級設備狀態劃分閾值，另增設Tp1=30%作為另一級設備狀態劃分閾值，實際應用中可根據不同設備設置不同參數閾值。網絡狀態的劃分標準中將Tq1=30%和Tq2=50%作為設備數量閾值條件。此外，通過CPU使用率與內存使用率可進一步獲得CPU使用率峰值與內存使用率峰值，充分發掘出所采集數據的使用價值，從另一個維度對網絡設備狀態進行考量。具體的設備狀態劃分標準如下：

②TD2表示設備狀態“中”的判定條件：CPU使用率或內存使用率超過Tp1，且均不超過Tp2；

③TD3表示設備狀態“差”的判定條件：CPU使用率或內存使用率超過Tp2。

鑒于設備存在優先級，因此網絡狀態的劃分標準相對復雜。TN1=30%和TN2=50%作為設備數量閾值條件，具體標準如下：

①TN1表示網絡狀態“優”的判定條件：全部的一般設備和關鍵設備均處于設備狀態“優”；

②TN2表示網絡狀態“中”的判定條件：關鍵設備中處于設備狀態“中”的設備數量不超過Tq1或者一般設備中處于設備狀態“中”的設備數量不超過Tq2，同時其余設備均處于設備狀態“優”；

③TN3表示網絡狀態“差”的判定條件：不符合上述網絡狀態“優”、“中”判定標準的其他情況。

以上述網絡評估狀態方案為基礎，采用SNMP++開發包及MFC框架編寫界面程序，實現狀態評估模塊。其中SNMP++開發包用于實現設備參數的獲取，MFC框架主要用于實現程序界面的編寫。網絡狀態評估模塊中各個子模塊的功能簡述如下：

① 底層通信子模塊通過網絡實現數據傳輸，即管理端與代理端的交互過程為管理端向代理端發送請求，而代理端對請求進行響應；

② 狀態評估子模塊是對所監控網絡狀態進行判定的核心，通過分析采集到的設備參數判定設備狀態，再統計各狀態的設備數量以完成網絡狀態的判定；

③ 數據存取子模塊負責實現系統配置信息的保存、配置信息讀取以及相關歷史數據保存；

④ 用戶界面子模塊負責提供人機交互接口，用于配置文件的錄入重載與具體評估結果的展示。

2 原型系統驗證

采用本體構建工具Protégé中Onto Graf本體圖形化插件，生成構建的網絡狀態評估本體的示意圖，與最初的本體設計進行對比驗證。圖2給出圖形化插件Onto Graf繪制的網絡狀態評估本體關系圖。與表1相比，所實現的網絡狀態評估本體涵蓋全部概念節點，概念間層次關系符合設計。

圖2 網絡狀態評估本體關系圖

表2給出具體的配置信息，驗證采用10臺PC模擬網絡設備組網，其中路由器與交換機各5臺，監控時間間隔為2 s，網絡狀態與設備狀態的“優”“中”“差”三級狀態，在程序中以“良好”“一般”“不佳”代替。

圖3給出T1時刻程序的截圖，從圖中可知當前網絡狀態處于“中”狀態。T1時刻的網絡中存在2臺設備狀態為“中”的設備，2臺設備優先級分別為普通節點與關鍵節點。此時，兩種優先級設備中各有20%的設備處于狀態“中”，其余設備均處于“優”。由網絡狀態劃分依據判定，此時網絡狀態應處于“中”，系統的判定為“一般”，與設計的預期結果一致。

表2 系統配置信息

IP類型優先級CPU使用率閾值設定內存使用率閾值設定192．168．0．1路由器普通節點30603060192．168．0．2交換機普通節點30603060192．168．0．3交換機普通節點30603060192．168．0．4路由器普通節點30603060192．168．0．5交換機普通節點30603060192．168．0．6路由器關鍵節點30703070192．168．0．7路由器關鍵節點30703070192．168．0．8交換機關鍵節點30703070192．168．0．9路由器關鍵節點30703070192．168．0．10交換機關鍵節點30703070監控時間間隔2s

圖3 評估模塊運行結果(T1時刻)

3 結束語

本文對基于本體與SNMP的網絡狀態評估原型系統進行設計，完成狀態表示和狀態評估兩大模塊的功能劃分。通過分析各類網絡狀態評估方法和將本體引入網絡狀態評估領域，完成網絡狀態表示模塊的設計與構建；采用SNMP++開發包實現底層通信、設備參數獲取以實現網絡狀態的評估，利用MFC完成該模塊的界面編寫，實現狀態評估模塊。

[1] 崔亞輝.語義網的起源與發展[J].機械管理開發,2009,24(5): 186-187.

[2] 周洲.基于本體的知識庫系統研究[D].重慶: 重慶大學,2011.

[3] Studer R,Benjamins V R,Fensel D.Knowledge Engineering: Principles and Methods[J].Data & Knowledge Engineering,1998,25(1-2): 161-197.

[4] Bass T.Multisensor Data Fusion for Next Generation Distributed Intrusion Detection Systems[C]∥ Proceedings of the Iris National Symposium on Sensor & Data Fusion,Mary Land,USA.1999: 24-27.

[5] 范志煜,肖兵,沈薇薇.態勢估計本體的知識表示[J].空軍預警學院學報,2011,25(1): 20-24.

[6] 任維武.用于分布式入侵檢測系統的合作式本體模型[D].吉林: 吉林大學,2013.

[7] Kyriakopoulos K G,Parish D J,Whitley J N.FlowStats: An Ontology Based Network Management Tool[C]∥ International Conference on Computing Technology & Information Management.Barcelona,Spain.IEEE,2015:13-18.

[8] 卓瑩.基于拓撲流量挖掘的網絡態勢感知技術研究[D].長沙: 國防科學技術大學,2010.

[9] Song Y,Keeney J,Conlan O,et al.An Ontology-driven Approach to Support Wireless Network Monitoring for Home Area Networks[C]∥ International Conference on Network and Service Management.Paris,France.IEEE,2011:1-7.

[10] 王慧強,賴積保,朱亮,等.網絡態勢感知系統研究綜述[J].計算機科學,2006,33(10): 5-10.

[11] 張小彬,楊進,嚴博.網絡系統性能評價方法綜述[J].軟件導刊,2015(1): 47-49.

[12] 王健，張敏鋒，周曉，等.光網絡評估及案例分析[M].北京：人民郵電出版社，2015.

許永健(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：網絡管理；

徐展琦(1962—)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：光網絡、寬帶衛星網、SDN/NFV；

郭彥濤(1964—)，男，博士，研究員，主要研究方向：通信與信息系統。