基于態勢感知的網絡交換機監測系統研究與實現★

蘇杰和， 賴桂森， 李自浩， 邱 義

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局， 廣東 廣州 510700；2.廈門大學嘉庚學院信息科學與技術學院， 福建 漳州 363105）

0 引言

當前，中國互聯網領域迅猛發展。中國互聯網絡信息中心發布的第52 次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，截至2023 年6 月，我國互聯網用戶規模達10.79 億，互聯網普及率達76.4%[1]。數字基礎設施建設加快的同時，網絡設備由于長時間運行造成設備老化等因素導致負荷率過高，設備出現各種故障，尤其在工業控制領域造成的損失更是難以估量。因此，針對網絡設備的運行狀態、端口使用情況和網絡效能進行監測，對保障網絡暢通尤為重要。

傳統的網絡運維方式多為人工維護，一旦出現斷網情況大多依據個人經驗定位故障，存在工作效率低、定位故障不準確以及網絡恢復時間長的問題。隨著網絡應用和結構越來越復雜，傳統的網絡運維已經無法滿足要求。本文主要利用Python 程序設計語言實現對電力系統中各站點交換機進行自動化、全時段和全網段監測，對網絡運行狀況和效能進行分析，及時發現網絡問題，確保網絡運行穩定可靠，并能在網絡故障時準確定位，大大提高了運維效率，降低了運維成本。

1 系統設計

本系統采用B/S 架構，前端使用HTML5 實現頁面效果和布局控制，后端使用Python 通過支持的通信協議訪問不同品牌的交換機，實時獲取交換機的運行時間、工作狀態等數據，不斷更新頁面顯示并推送到前端展示，維護人員可以通過任意瀏覽器終端實時查看所選交換機設備及端口工作狀態數據，基本數據包括交換機CPU 占用率、內存占用率、當前溫度、風扇狀態、端口連接狀態和上下行網絡速率等信息。系統總體設計架構如圖1 所示。

圖1 基于態勢感知的交換機運行狀態監測系統架構

1）開發語言：Python，是一種面向對象、動態數據類型的高級編程語言，廣泛應用于Web 開發、數據分析和人工智能等新興領域，并且集成了許多功能強大、豐富框架和工具，方便快速實現和部署。

2）集成開發環境：PyCharm Community Edition。

3）開發環境：Windows 10。

4）監控信息存儲數據庫：MySQL。

1.1 交換機監控數據獲取

交換機態勢感知最重要的是獲取交換機運行過程的核心信息，主要是監控交換機的CPU 占用率、內存占用率、設備溫度、端口流量和連接狀態等，不同廠商的交換機甚至同一廠商不同型號的交換機支持配置通信協議各不相同，而且協議格式和定義也不一致。當前網絡設備配置與管理方式主要有CLI、SNMP和NETCONF。

1）命令行界面（Command Line Interface，CLI）是最基本也是最常見的交換機管理方式，專業維護人員通過串口或網絡連接以Telnet 或SSH 協議遠程登錄并執行相關命令進行配置和管理[2]，CLI 提供的配置選項和高級功能需要維護人員具有一定的命令行操作技能。圖2 為華為某型號交換機Telnet 登錄后通過命令display cpu-usage 獲取的交換機CPU 占用率。

圖2 通過CLI 獲取CPU 占用率

2）簡單網絡管理協議（Simple Network Management Protocol，SNMP）是一種專門用于管理網絡節點，如服務器、工作站、路由器和交換機的網絡管理標準協議[3]。SNMP 是TCP/IP 協議中基于UDP 協議傳輸的應用層協議，實現簡單可靠，是目前應用最廣泛的網絡管理協議。SNMP 對外提供了操作MIB（Management Information Base）對象的命令，MIB 是一個樹形結構的數據庫并且存儲了交換機的各種配置參數和狀態信息，每個MIB 對象都用對象標識符OID 來唯一標識，OID 描述了管理對象在樹種的精確位置，通過從MIB 樹形結構的根部進行遍歷，可獲取整個網絡設備所管理的對象的值或描述。本文使用MIB對象來查詢交換機設備信息、監控設備狀態和自動發現網絡故障的典型樹形結構，如圖3 所示。以cisco 為例，一個完整的OID 為iso.org.dod.internet.private.enterprise.cisco，其數字表達為：1.3.6.1.4.1.9。

圖3 MIB 樹形結構示例

3）網絡配置協議（Network Configuration Protocol，NETCONF Protocol）是一種IETF RFC6241 提出的新型網絡配置和管理協議，基于可擴展標記語言XML，使用RPC 機制實現服務器與客戶端的通信[4-5]。它提供了一種集中式遠程管理、監測設備的方法。

NETCONF 協議可分為4 層：

1）安全傳輸層：用于交換機設備與應用管理程序之間建立通信路徑。

2）消息層：提供RPC 消息框架，用于生成請求和響應。

3）操作層：定義一組基本操作，維護人員可使用XML 編碼的參數調用。

4）內容層：描述了網絡管理相關的配置數據與狀態，不同設備廠商實現各不相同[6-7]。

根據設計要求，Python 應用程序每5 min 獲取一次交換機數據。針對不同型號的交換，根據其支持的協議，采用不同的方法獲取相關監控數據。交換機支持SNMP 時，需要先安裝net-snmp 和net-snmp-uitls服務程序，再利用設備MIB 對象的OID 列表，讀取設備狀態的OID 數據。交換機支持NETCONF 時，使用NETCONF 的get-config 或者get 指令，從設備中查詢相關監控數據，編程實現上可使用Python 的ncclinet模塊訪問設備API 接口。當交換機型號不支持SNMP或NETCONF 協議時，使用Python 的Telnetlib 模塊，通過自動化腳本遠程訪問交換，執行相應查詢命令，并解析返回文本來獲取狀態數據。

1.2 監控數據存儲設計

交換機監控數據使用MySQL 數據庫存儲，Java、PHP 和Python 等主流編程語言提供了MySQL 數據庫訪問接口，其優點為高效、安全和可跨平臺。因速度快、體積小、成本低、支持面向對象和安全性高等優點，被廣泛使用在網站開發。監控數據的數據庫表設計如表1 所示。

表1 監控數據存儲表

1.3 態勢感知關鍵技術實現

態勢感知是在一定時間空間范圍內對運行數據、環境要素和狀態信息等感知，理解和評估當前狀態并預測將來趨勢，達到研究其發展規律，更好地協助制定決策和判斷局勢[8]。態勢感知核心內容包括要素提取、態勢評估和態勢預測。為實時監控網絡運行狀態、快速定位網絡故障，系統主要從以下幾個方面實現態勢感知。

1）態勢展示及安全報警。最基礎性的展示便是當前監控狀態的數據可視化展示。本系統使用Echarts實現監控狀態展示。如圖4 所示，顯示某一臺交換機當前運行狀態，界面中第一行顯示了當前交換機的CPU 占用率、內存使用率、當前交換機溫度以及風扇運行狀態，運行正常時數據顯示為黑色，當交換機運行狀態異常時數據則顯示為紅色，需要快速對選中的交換機進行安全檢查。位于下方的則是交換當前連接狀態，綠色為端口有設備接入并顯示連接速率，灰色為端口無設備接入，并且統計了當前交換機的上行和下行總速率。

圖4 交換機當前監控數據

2）數據分析。態勢分析過程中最重要是監控信息歷史數據記錄及變化趨勢，從歷史數據中可以分析網絡故障時監控數據變化情況，并作為后續態勢評估的一個重要數據來源和依據。本系統使用Echarts 實現監控數據的歷史信息展示。Echarts 是一個使用JavaScript 實現的開源可視化圖表庫，現隸屬于Apache 開源基金會，底層依賴矢量圖形庫ZRender，提供了豐富的可高度個性化定制圖表類型和交互式特性，支持數據的動態更新和兼容當前絕大多數瀏覽器。圖5 所示為CPU 占用率、內存占用率、溫度和風扇狀態歷史記錄展示。

圖5 交換機監控信息歷史數據

3）安全評估。采用分類處理、規則設立、模式匹配和聚類分析等數據挖掘方法，對CPU、內存和溫度等長期運行狀態和運行日志進行特征提取，分析處理相關數據，識別網絡出現故障時監控數據變化趨勢，總結規律并建立相關知識庫。

4）態勢評估。主要通過智能算法和知識推理對網絡運行狀態及趨勢進行有效分析和預測，通過對網絡故障問題的檢測和感知，查找網絡運行過程存在的故障隱患，保障網絡運行環境[9-10]。系統將原始數據去重、去空和去錯誤后的海量格式化網絡狀態數據作為實時數據源輸入，建立態勢感知處理模型，并對數據進行實時或離線的挖掘和分析，通過對數據行為、脈絡、層次及趨勢進行梳理，分析獲取數據中隱藏的安全故障，其分析過程如圖6 所示。

圖6 態勢預測分析流程

2 結論

當前工業網絡結構越來越復雜，工業設備監控和管理要求也越來越高，交換機作為網絡通信基礎必須時刻保證正常運行。本系統通過Python 結合CLI、SNMP 和NETCONF 協議，實現了實時獲取交換機運行狀態數據，包括CPU 占用率、內存占用率、主機溫度、風扇運行狀態、網絡端口連接狀態與上下行速率，展示效果清晰直觀，用戶使用簡單方便。當網絡發生故障時，可以實現對故障點進行精準定位，并配合態勢感知技術進行故障預警，縮短了故障定位時間，大大減輕了維護人員的工作量，保障了工業生產過程中的通信穩定。為了進一步擴展系統功能，利用Python強大的數據分析與處理能力，持續獲取所有管理的交換機數據，對交換機在不同時段的工作狀態和性能進行分析，從而支持通信網絡的規劃，最大限度發揮交換機性能。同時，還可以配置SMTP 服務器的郵件提醒和SMS 短信平臺監測提醒服務，當交換機出現故障時，能快速以郵件或短信通知維護人員盡快處理網絡問題，保障工業網絡的實時暢通，為工業生產提供有力保障。