飞行试验数据网状态实时监管技术研究

飞行试验数据网状态实时监管技术研究

在国内外的飞行试验实时监控环境中，如何针对网络系统运行状态进行监测和管理，以获得最优网络效能一直是研究的重要难题之一，其意义在于可以合理利用有限的网络链路资源，确保飞行实时数据在传输过程中的完整性及飞行试验监控任务的可靠度。目前，在国内的飞行试验任务实施过程中，随着协同飞行及飞机数量的增多，逐步呈现出实时局域网中数据流量大的现状，容易出现网络拥堵、数据风暴及间歇性休眠等现象。由于对整体网络缺乏全局的监测和管理，以致需要逐个节点进行排除才能定位具体原因，使得局域网维护起来工作量大、繁琐复杂。为此，需要研究如何利用基于硬件设备支持的简单网络管理协议（SNMP），完成对实时局域网络链路状态及互联设备节点信息的收集、统计关联和分析，及时掌握网络环境变化趋势，通过报警机制预测网络故障点，为优化调整网络结构提供有效的决策信息。

SNMP概述

简单网络管理协议（SNMP）是为了在网络监管软件和网络设备之间进行通信而制订的协议。随着网络规模的扩大，网络设备越来越复杂，必须依靠网络监管技术才能更合理的优化网络环境，提高网络的服务质量。在众多的SNMP可监管事项中，网络性能的监管占据着重要地位。通过SNMP消息，可随时掌握网络性能的状况，了解网络资源的利用情况，及时发现网络异常（如网络拥塞、网络设备CPU利用率过高等等），避免因网络性能降低而产生对网络应用的不良影响。这种基于SNMP协议数据采集方法是利用SNMP协议，在网管工作站和代理之间相互传送SNMP消息报文，获取网络性能参数的方法。这种方法虽然在网络应用繁忙的时段，会加重网络的负载，但随着光纤的普及，网络带宽的逐渐提升，基于SNMP协议进行网络监管的链路开销将显得微不足道，而其简单、通用、易于实施和扩展的特点将得到更大的发挥。因此，研究基于SNMP协议进行网络监管的技术具有重要意义。

监管平台设计

根据飞行试验实时局域网的实际运行状况，网络互联的设备类别多、数量大，需要持续监管时间长，监管事项关联复杂，因此，在监管平台的软件架构设计中，采用开放式的开发方法，结合插件式平台化设计思路，设计了飞行试验实时局域网状态监管平台。为获取更高的平台运行可靠性及高效性，搭建在服务型操作系统Centos6.7-64bitminimal环境下，并基于Mysql配置运行数据库管理系统。由于在局域网环境下，多适合采用分布式管理维护方式，因而在监管平台的设计中，使用分布式管理模式，即基于WEB浏览器的管理前端。因此监管平台采用了广泛使用的Apache作为服务器管理软件，以确保对功能插件管理的稳定性和可扩展性。在管理交互页面的设计上，采用了运行效率较高的PHP，确保管理页面能向用户推送数据的高效性。结合平台的开放性要求，采用了具有良好结构化的JSON语法作为扩展开发语言基础，以更好的发挥平台外部API的功能特性，获得更多的兼容空间。平台整体架构如图1所示。

功能结构设计

飞行试验实时局域网状态监管平台主要划分为七大功能集合，如图2所示，其中用户管理功能和历史数据库管理功能较为独立，和其他功能之间的交互消息量较少。其他五大功能以SNMP监管项为主线，通过SNMP消息报文所涉及的数据项进行交互关联，负责对监管项的分类管理、监管消息的收集及统计分析、监管项事件触发器及拓扑图生成监管等。具体各项功能设计如下：

（1）用户管理：对用户账号和密码进行管理和验证登录。不同的用户工作页面不尽一致，所拥有的权限也不一样，因而需要根据用户所属的类别，通过WEB前端推送相对应的软件平台管理操作界面；

（2）监管模板管理：针对不一样的网络设备，可绑定的监管模板也不一样，所需要完成的监管项目也不同。通过监管模板管理，可以根据实际监管需要配置合理的模板，通过绑定链接操作，将受监管设备与对应的模板进行关联。同时，可以通过模板的监管项对监管参数进行设定，为设备运行状态的监管提供必要的判断条件；

（3）SNMP监管项管理：主要完成对SNMP服务协议支持的监管项进行配置管理。每个支持SNMP协议的设备都对应了特定的OID库表，因此了解OID以后，才能针对设备创建匹配的监管项，并且可以对监管项的监测状态进行设置，以及相应的数据更新指数配置。同时，可以查看与监管项相对应的图形表示和数据列表，更利于分析网络运行效能；

（4）监管性能分析：可以通过图表对性能监管数据进行显示分析，可以选择特定时间段进行分析显示，也可以将多项特性数据通过场景方式进行综合关联分析。支持对图表场景的创建和编辑，且可以浏览最新特性数据，从而可以与数据库历史数据进行关联对比分析，达到性能交联分析的效果；

（5）触发器管理：每个监控项的启动或者休眠，都是通过触发器来控制实现，因而，触发器是连接设备工作状态与平台监管机制的数据渠道。该功能支持对触发器脚本的编写和配置管理，通过逻辑表达式，以脚本规范写入触发器中，并关联到对应的动作事件，平台通过策略判断和告警逻辑库，完成对状态变化的监管；

（6）拓扑图监管：实现对网络结构的监管。根据网络实际结构，从标识库中选择相对应的标识设备，设置对应的属性信息及性能指标信息，并配置外部链接端口，实现设备之间的关系互联。在互联配置中，关联如各个设备的状态监管触发器，即可以通过触发器状态的变化监管到设备互联状态的变化；

（7）历史数据库管理：众多的监控项，根据数据更新设置，按照数据库结构存储入历史数据库文件中。按照管理页面向导，可以完成对数据的查看、导出和关联分析。

图1 平台架构图

图2 功能结构图

数据流设计

结合飞行试验局域网接入的监管设备，通过启用SNMP协议服务是最适合对硬件设备进行监管的途径。由于是系统自带的服务协议，几乎不占用额外的系统资源，而且能够更完整及时的将设备工作状态进行监管。

对于需要监管的设备而言，网络监管软件平台提供了两种与设备进行消息交互的方式，一种被动式，即通过信息捕捉器获取；另一种是主动式，即通过信息轮询器获取。在被动式方式下，设备将获取到的监控信息发送到软件平台，软件平台的信息捕获器将信息获取，并提交到处理中心，根据辅助策略的要求，判断是否需要进行安全报警，将信息按照配置策略形成即实监控数据组，通过数据中心向与用户交互的WEB页面推送更新显示。另外，通过记录同步机制，存入数据中心的历史表单中，以备用户调取查看分析。对于主动式数据信息交互，网络监管软件平台根据辅助策略中所需要的数据项，向被监控的设备主动轮询相关的信息，并判断通信链路是否正常。如果能够正常获取到数据，则从设备回复到的数据信息按照被动式方式进行处理。如果不能正常获取到数据，则通过安全报警机制，在用户交互的WEB页面上以明显的消息条目提示非正常状态，并提供详细的报警消息和处置建议。具体数据流图如图3所示。

图3 数据流图

扩展接口设计

外部扩展API是扩充飞行试验实时局域网状态监管软件平台的重要组成部分，尤其在集成第三方功能插件和实现自动化日常监管时，通过API去实现更为便捷和灵活。该平台所有的移动客户端都是基于API接口方式完成设计，甚至用户交互的WEB前端部分也是建立在API特性之上。监管平台的API 中间件使得架构更加模块化也避免直接对数据库进行操作，并允许通过JSON RPC协议来创建、更新和获取平台插件对象而完成日常维护任务。

飞行试验实时局域网状态监管平台扩展接口目前提供两项主要功能：

（1）远程管理监管软件平台的配置；

（2）远程检索配置和历史数据。

同时，由于扩展接口基于JSON-RPC标准协议实现，因而在调用任何函数时，都需要发送消息请求，输入输出数据都是以JSON格式。具体扩展接口数据交互流程如图4所示，大致工作流程如下：

（1）准备JSON对象，描述所需要的功能操作（例如创建主机，获取图像，更新监控项等）；

（2）使用消息载体发送此JSON对象；

（3）获取JSON格式响应。

扩展接口简化的JSON请求格式如下：

图4 API数据交互流程图

应用分析

应用难点

将飞行试验实时局域网状态监管平台配置到飞行试验网络系统服务器节点中，启用其他节点设备的SNMP服务协议。在监管平台管理页面完成对监管项的创建和配置，根据性能监管需求，形成监管配置模板，与受监管节点设备形成SNMP消息报文交互，实现对整体网络系统的量化监管。在应用过程中，主要解决以下两个方面的难点：

（1）性能监管数据综合可视场景分析

在进行网络状态数据的获取过程中，需要对监管搜集到的数据进行记录，并根据运行状况要求，将数据进行图形化关联显示。如何将这些数据在后台进行关联分析，成为了综合可视场景展示的难题。为此，可将数据按照采集周期，根据数据库表的格式规约，进行分类存储，依据可视场景的形成条目，保存到固定格式的数据文件中，并对文件的关键条目建立索引方法，在进行可视场景生成的时候，根据操作响应的请求，快速整理好数据区，并向监管软件平台前端进行推送显示，最终形成综合分析场景。这样处理更利于对一些关联性能数据指标的分析和统计，帮助寻找网络结构优化策略。

（2）网络故障提示机制及报警管理

在进行网络监管应用过程中，对于发现的异常情况，需要及时提示并正确定位故障位置，并给出合理的处置建议。因此，如何将监管数据和故障提示报警机制相关联，以避免误报或者延误的现象出现，便成为了网络故障及报警策略的关键和难点。为了解决这一问题，引入了监管事件和触发动作设计，并制定了对应的表达规则，形成监管模板库。针对不同类型的网络设备及不同的性能分析策略，将相应的模板库进行关联监管，形成故障报警决策流程，完成对网络故障的提示及报警。

图5 网络拓扑图

应用效果

根据实际监管应用场景，形成了某监控大厅的网络系统概要拓扑图，如图5所示。通过对该网络系统持续两个多月的应用监管，并对监管数据进行了综合分析，形成了网络结构管理优化策略。

依托设计完成的监管平台能够及时监管到网络链路的数据传输情况，对网络上下行数据链路进行量化评估及图形分析，针对受监管主机，能够根据设定的报警策略，对磁盘、内存及CPU等具体硬件部件工作状态进行提示并报警，有利于网络系统整体运行的稳定性。同时，还可充分利用监管平台的扩展性，根据其他设备节点的实际工作状态监管需求，补充完善相应的监管事件及触发器，建立合理的性能监管模板及策略，形成对应的监管网络结构图，结合网络运行的承载量，新创建适当的监管场景，以及时分析判断网络整体运行状态，为网络的维护和管理提供具体数据和分析结果。

结束语

通过对飞行试验实时局域网状态监控技术研究，设计实现监管软件平台，完成对网络性能的监管，有效的及时发现了网络系统运行过程中的隐患，并定位网络故障症结。利用监管数据分析，便于对整体网络环境进行策略性维护，优化网络结构，最大程度发挥了飞行试验实时局域网平台的运行性能。由于软件平台可扩展性强，支持第三方插件集成，今后可根据接口设计规范进行功能的补充和扩展，结合更多的实际应用需求，对状态监管技术进行提升研究，加强对监管软件平台的完善和改进。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.032