湖北省天地圖網絡設備監控系統設計與實現

王 韋，張 揚，盛一楠，閆 猛，陳 靜

（1.湖北省地圖院，湖北 武漢 430074；2.湖北雙可科技有限公司，湖北 武漢 430074；3.襄陽市城鄉規劃編制 研究中心，湖北 襄陽 441000；4.江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013；5.河北省制圖院，河北 石家莊 050000）

網絡設備是湖北天地圖系統中的核心硬件部分，包括服務器、交換機和路由器三大網絡設備。如何對網絡設備進行完善的監管，保證其24h不間斷運行，這是湖北天地圖網站必須重點考慮的問題。目前，網絡監控系統分為兩類：一類是網絡設備廠商研發的與設備配套的軟件；另一類網絡監控軟件是第三方通用軟件[1]。前者需要和配套軟件一起使用，對于多種網絡設備，可操作性差，且售價過高。后者的商業軟件都擁有較為完善的管理控制能力，能夠對網絡設備及其周邊的各類設備進行監控[2]，但湖北天地圖網站的網絡設備監控僅僅需要其中模塊的一小部分，如果購買不僅昂貴且十分浪費。

針對這種情況，項目組研發了針對湖北天地圖網站的網絡設備監控系統。該系統前期已完成用戶管理、IP和日志管理、流量總計等功能。本次主要基于SNMP進一步完善網絡設備監控功能，包括服務器、路由器和交換機的監控，短信故障報警和歷史查詢等功能。

1 系統架構

項目組基于SNMP協議，采用C/S架構和B/S架構混合的模式，對網絡設備安全全面監控和集中管理，保證系統安全穩定運行。采用C/S和B/S混合架構原因在于：①基于C/S架構的主動輪詢、短信報警，能夠充分發揮計算機的處理能力，全天候向管理人員發送異常情況，并通過短信方式，獲得網絡運行參數數據；② B/S架構能夠使用戶便捷地在任何地方用瀏覽器去查看網絡設備的實時或者歷史運行情況，有效減少管理人員為排除故障來回奔波耗費大量時間和精力，且一期的功能采用的是B/S架構。整個系統架構模型分4個層次，如圖1所示。

圖1 系統架構模型圖

1.1 MIB

TCP/IP網絡管理系統的基礎是含有被管理元素信息的數據庫，其在TCP/IP和OSI環境下稱為MIB，MIB是一個樹型結構的數據庫，每個被管理資源表示成一個對象[3]。 湖北天地圖的網絡設備是服務器、路由器、網絡交換機，因此系統是專門針對MIB中這些對象的值進行采集。

1.2 數據采集

利用SNMP的操作之一（GetRequest指令），網絡設備實時監控模塊獲得MIB對象的值，然后進行分析和處理，該模塊為C/S架構。

1.3 功能模塊

采集處理后的數據，一方面用于Web頁面運行情況查詢和報告，方便管理員查詢設備實時運行性能情況；另一方面通過分析及閾值判定，超過閾值實現短信報警。

1.4 數據存儲

按照設備和接口的不同，系統將采集的數據存儲到相應的txt文本文件中。這些數據將為系統故障情況查詢提供依據。

2 系統功能

2.1 C/S網絡安全主動監控系統

主要用于采集、處理、解析和存儲監控目標數據，實時監控設備運行情況，發現超過閾值的設備，及時短信報警。功能包括監控參數設定、監控控制和短信報警。

1）監控參數設定。對被管理對象進行閾值設置，通過設置閾值進行檢查，在服務器等網絡設備出現性能問題時及時發送警告。具體包括監控間隔設置、接口丟包率和利用率閾值設定。功能頁面如圖2所示。

圖2 監控參數設定

2）監控控制。控制管理服務器、交換機和路由器的實時監控。通過輪詢的方式主動、定時采集設備的性能數據，對數據進行整理計算。網絡設備（服務器、交換機和路由器）的監控采集對象包括CPU、接口使用情況、接口利用率、接口丟包率等。通過這幾類數據，基本可以掌握設備是否在正常運轉、是否滿足用戶對性能的要求。本模塊主要采用SNMP的Get機制，根據設備的IP和Community名稱，固定某一時間間隔讀取網絡設備相關信息。服務器和路由器擁有參數IP和community值，但由于地圖網的交換機是兩層交換機，沒有IP地址，所以采用給交換機的VLAN配置IP地址的方式獲得這兩個重要參數值。功能頁面如圖3所示。

圖3 監控控制

3）短信報警。在系統監控到異常信息時，第一時間通過短信方式報告給管理人員，縮短網絡故障處理時間，降低網絡設備故障造成的不利影響。短信故障報警模塊包括聯系人管理、各種監控變量有效值設定、探測時間間隔設定和故障報警。①聯系人管理：對聯系人進行管理，方便事故發生后，及時通知有關人員。②監控變量有效值設置：任何受監控的參數都可以指定一個有效值范圍，當這些參數不在有效值范圍時，系統將通過手機短信的方式進行通知報警。③探測時間間隔設定：可以設定監測變量的探測時間，如3s探測一次。④報警：當探測到服務器故障時，發送短信通知管理員，以方便故障及時得到處理。

2.2 B/S監控信息查詢系統

用戶通過Web頁面遠程隨時隨地查看網絡設備的運行狀態。功能包括網絡設備實時監控和歷史數據查詢。

1）網絡設備實時監控。具體功能為服務器監控、路由器、交換機的基本信息獲取、設備接口基本信息獲取、監控接口利用率和丟包率、設備歷史監控數據實時查詢。圖4為路由器監控；圖5為服務器監控；圖6為交換機監控。

圖4 路由器監控界面

圖5 服務器監控界面

圖6 交換機監控界面

2）可視化性能報告。實時處理數據，生成性能趨勢曲線，以圖形的方式顯示當前網絡設備性能狀態。利用MsChart控件，根據接口的數量動態顯示實時監測到的歷史數據，形成統計圖，方便用戶查看和分析。MsChart是Windows系統中Visual studio自帶的一個ACTIVEX控件，它功能強大，應用廣泛，具有支持隨機數據和隨機數組，動態顯示；支持所有主要的圖表類型；支持三維顯示等特點，圖7為可視化性能報告部分截圖。

圖7 可視化性能報告部分截圖

3 關鍵技術

系統所使用的關鍵技術為簡單網絡管理協議（SNMP），它是由互聯網工程任務組（IETF）定義的一套網絡管理協議[4]。目前以其自身的優越性已經成為網絡管理的協議標準[5]。網絡設備管理系統運行在 SNMP協議之上，可以監控連接到網絡上的各種設備，同時收集設備的參數和運行信息[6]。在基于SNMP協議的網絡管理系統中，關鍵的技術就是對于MIB（管理信息庫）的訪問[7]。通過功能模塊的計算或解析，超過閾值就短信報警，否則存儲到文本或數據庫中或呈現給用戶。

1）采集對象確定。在標準的網絡管理信息庫（MIB-II）中，其中兩個與本系統有關的類別為：

系統組（system組）：被管理對象（如主機、路由器等設備）系統的總體信息。本系統用到其對應的以下對象：sysDescr——設備描述信息；sysName——系統名稱。

接口組（interface組）：各個網絡接口的相關信息。本系統用到其對應的以下對象：ifNumber——接口數量；ifInOctets——接口發送的字節數；ifOutOctets——接口接收到的字節數；ifinUcastPkts——輸入的單播包數；ifoutUcastPkts——輸出的單播包數；ifinNUcastPkts——輸入的非單播包數；ifDutNUeastPkts——輸出的非單播包數；ifinDiscard——接口丟棄的輸入包數；ifoutDiscard——接口丟棄的輸出包數；iISpeed——接口傳輸速率；portNam——端口的名稱；ifAdminiStatus——接口是否被啟用；ifOperStateus——接口是否在工作。

2）性能參數計算。采集對象確定后，需要通過計算得到系統需要的性能指標，本系統用到的性能指標包括丟包率和利用率。以下給出這兩個指數的計算方法。

●丟包率

丟包率是指在一定的負載下，由于缺乏資源而未能被轉發的包占應該轉發的包數的百分比，其作用是反映被測設備承受特定負載的能力[8]。該數據的異常是網絡設備性能出現問題的必要指標。通常來說，如果丟包率的正常范圍高于15%，則該網絡出現異常。

丟包率的計算公式如下：

丟包率的計算公式中的某些參數是IF組MIB變量取得的，如式（2）所示：

式中，dropRate表示包丟棄率；ifinDiseard2和ifinDiscard1是指兩個不同時刻的ifInDiscard變量的值，其余變量的含義與之相同。ifOutDiscard：輸出方向丟棄的報文數；ifInDiscard：輸入方向丟棄的報文數； ifInUcastPkts：發送給上層協議的子網單播通信的報文數；ifInNUcastPkts：發送給上層協議的子網非單播通信的報文數；ifOutUcastPkts：上層協議請求發向子網的單播通信地址的報文數；ifOutNUcastPkts：上層協議請求發向子網的非單播通信地址的報文數。

●接口利用率

接口利用率表示流過指定接口的字節數與接口帶寬的百分比。計算如式（5）所示:

式中，△t為t時間長；△ifInOctets為t時間內的輸入字節數；△ifOutOctets為t時間內的輸出字節數；ifSpeed為接口的傳輸速度。

3）數據解析。在MIB庫中讀取到的原始數據，除了需要利用公式計算得到的監控數據，還有一些是需要進行數據解析，從而適合管理員去理解。因此總結ifAdrninstatus和ifOperStatus的組合意義才能得出端口的實際狀態意義，下面通過表1來說明這種概念。

表1 ifAdrninstatus和ifOperStatus的組合意義

4 結 語

無論是運行地圖服務的應用程序，還是數據庫服務等核心IT服務，網絡設備的安全對業務系統十分的重要。此次實現了基于SNMP的網絡設備監控系統，滿足了管理人員的日常需求。但也存在不足之處，即系統目前依靠管理端的主動輪詢方式發現異常，快慢受制于輪詢的周期，后期如果能采用主動發送異常報告，以事件為驅動，將能更好地提升系統的性能[9]。