基于SNMP的校園網(wǎng)管理系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

　　目前市面上有很多商品化網(wǎng)管軟件， 如IBM 公司的NetView、HP 公司的OpenView、SUN 公司的Sun NetManager等， 這些網(wǎng)絡(luò)管理軟件盡管功能很強大， 但提供的是一個通用的網(wǎng)絡(luò)管理平臺， 對于具體校園網(wǎng)管理應(yīng)用， 還得進行進一步的規(guī)劃和開發(fā)。因此， 迫切需要開發(fā)一個適用于高校校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)對日常的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)運行情況進行監(jiān)督與維護。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　本網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的總體設(shè)計目標就是要構(gòu)建一個基于SNMP 的多代理的統(tǒng)一管理、簡便直觀、兼容不同廠商設(shè)備、能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)、配置管理、性能管理等功能， 并針對校園網(wǎng)上機特點， 實現(xiàn)對所有運行主機的管理。具體內(nèi)容如下：

　　(1) 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)。

　　找出路由器與路由器、路由器與子網(wǎng)之間的連接關(guān)系， 并發(fā)現(xiàn)所有子網(wǎng)中活動的IP 設(shè)備， 區(qū)分出路由器、交換機和普通主機。對網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)現(xiàn)結(jié)果進行圖形化顯示。

　　(2) 配置管理。

　　本系統(tǒng)的配置管理主要實現(xiàn)路由器( 或三層交換機)的配置管理和主機的配置管理。路由器配置管理具體包括獲取路由器的常規(guī)配置參數(shù)( 如設(shè)備類型、負責人、支持服務(wù)、所在位置等)， 獲取路由表信息、地址表信息、地址轉(zhuǎn)發(fā)表信息、接口表信息以及接口狀態(tài)表信息等。主機配置管理包括查看主機的基本信息、安裝軟件信息、運行軟件信息、存儲器信息、硬件設(shè)備信息等主機資源信息。

　　(3) 性能管理。

　　對代理設(shè)備的原始性能數(shù)據(jù)進行實時采集。對采集到的性能數(shù)據(jù)進行分析， 計算接口流量、協(xié)議流量等各種性能參數(shù)， 為管理員提供參考。

　　查詢某一時段代理設(shè)備的性能參數(shù)，生成性能曲線，以直觀圖的方式顯示性能分析結(jié)果。

　　根據(jù)某一時段代理設(shè)備的性能分析結(jié)果， 對網(wǎng)絡(luò)性能進行分析預測， 并以直觀圖的形式顯示出來， 為網(wǎng)絡(luò)管理員采取進一步措施提供依據(jù)。

　　(4) 流量排序。

　　流量排序分為接口流量排序和主機流量排序。接口流量排序是對網(wǎng)絡(luò)中所有發(fā)現(xiàn)的接口進行流量采集并排序， 將結(jié)果以直觀圖的形式顯示出來， 供管理員查看。

　　主機流量排序?qū)W(wǎng)絡(luò)中某一子網(wǎng)內(nèi)所有主機流量進行實時采集并排序， 將結(jié)果以直觀圖的形式顯示出來， 供管理員查看。

　　(5) 病毒及非法軟件檢測。

　　對網(wǎng)絡(luò)中某一子網(wǎng)內(nèi)所有主機進行病毒或非法軟件排查工作， 找出該子網(wǎng)內(nèi)所有運行指定軟件名稱的主機， 并將結(jié)果以直觀圖的形式顯示出來， 供管理員查看。

　　2 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

　　本網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)以SNMP 網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的管理者/代理模型為基礎(chǔ)， 以HP 公司的SNMP ++ 為數(shù)據(jù)采集工具， 采用分層的方法， 面向系統(tǒng)的不同功能設(shè)計而成。

　　該系統(tǒng)分為三個部分如圖1 所示： 底層數(shù)據(jù)通信、中間層數(shù)據(jù)處理與上層數(shù)據(jù)表示。底層數(shù)據(jù)通信部分負責實現(xiàn)管理者與被管設(shè)備之間的通信， 獲取代理設(shè)備中MIB 庫的有用信息， 并把采集到的數(shù)據(jù)送往上層。中間層數(shù)據(jù)處理部分負責對采集到的網(wǎng)絡(luò)信息進行處理， 將相應(yīng)的處理結(jié)果傳給上層管理應(yīng)用層進行顯示。上層為數(shù)據(jù)表示層， 對網(wǎng)絡(luò)的配置管理、性能管理等功能模塊以表格和可視化的圖形界面顯示，簡潔直觀。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架的分層編輯結(jié)構(gòu)

　　3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)算法的研究與分析

　　基于SNMP 協(xié)議的算法實際上是提取MIB 中ipRouteTable( 路由表) 中的對象， 類似于圖論中的廣度優(yōu)先遍歷算法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲的自動搜索。

　　設(shè)計路由發(fā)現(xiàn)算法時主要用到了三條鏈表： 待檢路由設(shè)備鏈表、拓撲信息鏈表、子網(wǎng)信息鏈表。基于SNMP的拓撲發(fā)現(xiàn)算法通常是使用一個種子路由器， 獲取其路由表內(nèi)記錄的所有可達網(wǎng)段， 以及到達該網(wǎng)段所經(jīng)由的下一跳路由器的端口IP 地址及相關(guān)路由信息， 然后將繼續(xù)擴展其搜索， 一直達到用戶指定的深度為止。同時種子路由器還可以獲取到每個路由設(shè)備上所有端口的直連子網(wǎng)及其相應(yīng)的子網(wǎng)掩碼， 根據(jù)這些信息， 進而獲取到這些子網(wǎng)中的所有活動主機。如果這些設(shè)備支持SNMP， 則還可以進一步收集系統(tǒng)和IP 地址信息?？傊?，只要給出一個路由設(shè)備任意端口的IP 地址作為種子路由器( 通常使用本地網(wǎng)關(guān)的IP 地址作為種子路由器的地址)， 即可獲取到指定深度內(nèi)的所有路由設(shè)備及活動主機的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)信息。

　　(1) 默認網(wǎng)關(guān)的獲取。

　　拓撲發(fā)現(xiàn)算法首先是從網(wǎng)絡(luò)管理站的默認網(wǎng)關(guān)開始， 逐步遍歷默認網(wǎng)關(guān)的路由表和地址解析表， 最終發(fā)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)獲取默認網(wǎng)關(guān)是采取這樣的方法： 首先， 訪問拓撲發(fā)現(xiàn)程序所在計算機的SNMPMIB 中的ipRouteTable ， 如果發(fā)現(xiàn)有ipRouteDeST 值為0.0.0.0 的記錄，則說明程序所在的計算機設(shè)置了默認網(wǎng)關(guān)， 該記錄的ipRouteNextHop 值即為默認網(wǎng)關(guān)的地址。檢查默認網(wǎng)關(guān)的ipForwarding 值， 如果為1， 則表明該默認網(wǎng)關(guān)確實是路由設(shè)備， 否則不是。

　　(2) 設(shè)備類型判斷。

　　利用SNMP 協(xié)議， 提取MIB 中的sysservices對象實例值， 然后根據(jù)返回的值判斷類型。如果目的設(shè)備不返回SNMP 響應(yīng)報文或響應(yīng)超時， 則認為設(shè)備沒有配置SNMP，類型為一般工作站。

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　　(3) 路由器多IP 地址問題：

　　由于路由器可以連接多個子網(wǎng)， 具有多個接口， 即一個路由器可能含有多個IP 地址。為了準確標識具有多個接口的路由器，避免重復，本算法通過訪問路由器的地址表獲得路由器的所有接口，這樣可以根據(jù)當前路由器的IP 是否在已經(jīng)遍歷過的路由器接口列表中來判斷。

　　3.2 性能預測模塊的設(shè)計

　　本模塊根據(jù)一元回歸模型的數(shù)學原理， 找出網(wǎng)絡(luò)流量與時間之間的關(guān)系，建立一元線性回歸方程：。

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　　本系統(tǒng)默認預測分析算法的置信度為1 -α＝0.95 。

　　在性能參數(shù)采集分析結(jié)果的基礎(chǔ)上對性能參數(shù)的變化趨勢進行預測。

　　圖2 是該模塊的性能預測流程圖。

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圖2 性能預測流程圖

　　圖2 中，數(shù)據(jù)差分處理主要是有一些變量是逐漸增加的( 如某接口的流出字節(jié)數(shù))， 而系統(tǒng)關(guān)心的是兩次流出字節(jié)數(shù)的差值，數(shù)據(jù)處理就是算出差值。趨勢分析主要是計算出分析期間內(nèi)的一元回歸直線， 以便在用戶界面上顯示出來時， 網(wǎng)絡(luò)管理者很容易看出它的增減趨勢。而狀態(tài)分析主要是將系統(tǒng)關(guān)心的一些變量的狀態(tài)分析出來并報告給網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，以便系統(tǒng)根據(jù)變量的當前狀態(tài)及時對其作出調(diào)整。

　　3.3 病毒及非法軟件檢測模塊的設(shè)計

　　本系統(tǒng)中主機感染病毒或運行非法軟件功能的實現(xiàn)是在拓撲發(fā)現(xiàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對管理員指定子網(wǎng)內(nèi)的所有主機進行運行軟件數(shù)據(jù)采集，將各主機中正在運行的軟件名稱和管理員指定的軟件名稱進行對比， 最終排查出該子網(wǎng)內(nèi)具體有哪些主機運行了指定的軟件， 并將排查結(jié)果存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，以直觀圖的形式顯示出來。具體流程圖如圖3 所示。

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圖3 病毒及非法軟件檢測流程圖

　　4 系統(tǒng)性能測試

　　4.1 流量分析功能測試

　　本系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)中指定路由器各性能參數(shù)進行實時采集分析， 將分析結(jié)果以曲線圖的形式顯示出來， 如圖4 所示。圖4 中，細線表示接口入流量速率， 粗線表示接口出流量速率。與同類產(chǎn)品(如華為Quideway) 比較， 發(fā)現(xiàn)該流量實時采集模塊采集分析結(jié)果與成熟網(wǎng)管軟件分析結(jié)果無實質(zhì)性差別，能夠及時給網(wǎng)管人員提供有效信息數(shù)據(jù)，該模塊具有正確性和可用性。

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　　4.2 流量預測功能測試

　　在流量采集分析的基礎(chǔ)上運行系統(tǒng)性能預測功能，結(jié)果如圖5 所示。該部分流量預測模塊是在圖4 接口流量采集分析基礎(chǔ)上，利用了一元線性回歸模型和區(qū)間預測算法，計算分析將來某一時刻接口的可能流量范圍和流量發(fā)展趨勢。本系統(tǒng)默認該預測分析算法的置信度為1-α＝0.95，系統(tǒng)流量預測結(jié)果與運用數(shù)學工具計算分析結(jié)果相吻合，系統(tǒng)具有正確性。

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　　通過本系統(tǒng)在某高校試運行，結(jié)果顯示該部分預測分析功能模塊能夠幫助網(wǎng)絡(luò)管理員采用數(shù)學分析方法對網(wǎng)絡(luò)流量進行及時預測，進而使得網(wǎng)絡(luò)管理人員可及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題并采取進一步措施， 取得理想效果， 該模塊功能具有實用性和可靠性。

　　4.3 主機運行非法軟件及感染病毒模塊性能測試

　　運行該部分功能對指定子網(wǎng)內(nèi)所有主機運行QQ 應(yīng)用程序進行排查，系統(tǒng)運行結(jié)果如圖6 所示。

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　　通過具體的實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該子網(wǎng)內(nèi)所有用戶在該時刻運行主機應(yīng)用軟件情況與系統(tǒng)運行結(jié)果完全吻合，由此可見該系統(tǒng)具有正確性和有效性。本部分功能模塊有助于網(wǎng)絡(luò)管理員限制某些對網(wǎng)絡(luò)流量產(chǎn)生破壞的非法軟件或病毒運行，將子網(wǎng)內(nèi)運行非法軟件或病毒的所有主機排查出來，網(wǎng)絡(luò)管理員可根據(jù)具體情況對這些主機用戶進行警告等處理。

　　本文深入地分析了SNMP 簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議， 結(jié)合校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理需求的特點， 設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于SNMP 的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。在本系統(tǒng)的設(shè)計與研究過程中，系統(tǒng)性分析了SNMP 協(xié)議的原理、網(wǎng)絡(luò)管理的關(guān)鍵技術(shù)以及拓撲發(fā)現(xiàn)算法，給出了一種融合二叉排序樹策略和三層交換機發(fā)現(xiàn)策略的拓撲發(fā)現(xiàn)算法，能夠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中三層交換機和子網(wǎng)內(nèi)所有主機，并對拓撲發(fā)現(xiàn)的結(jié)果進行圖形化顯示。在網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)現(xiàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上， 進一步設(shè)計并實現(xiàn)了配置管理、性能管理、流量排序、病毒及非法軟件檢測等功能模塊。該網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)已經(jīng)在北航計算機學院教學實驗中心試運行并取得了較好的效果。
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