摘? 要: 通過局域網(wǎng)技術(shù)互連各子系統(tǒng)，可大幅提高整個系統(tǒng)的信息綜合與共享的程度。為保證整個系統(tǒng)的可靠性，通常采用冗余連接。探討了在交換式環(huán)境下使用雙冗余網(wǎng)卡提高系統(tǒng)可靠性的機(jī)理，以及由此對網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生的影響，給出了一種估算網(wǎng)絡(luò)開銷的方法。?

　　關(guān)鍵詞: 交換式網(wǎng)絡(luò)? 雙冗余鏈路? 系統(tǒng)綜合? 性能評價(jià)?

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　　信息戰(zhàn)作為一種新的戰(zhàn)爭模式,已成為影響艦艇作戰(zhàn)能力提高的推動因素。在目前水面艦艇現(xiàn)代化過程中,人們往往偏重于電子武器設(shè)備硬件水平的提高,而忽略了對信息利用程度、資源共享角度的考慮。隨著艦船等機(jī)動平臺上電子設(shè)備越來越多，并且越來越復(fù)雜，將電子設(shè)備有效地綜合，使之達(dá)到資源和功能共享已成為必然的要求。目前基于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的信息共享技術(shù)完全成熟,將各艦載系統(tǒng)互連，能夠滿足上述要求。?

　　機(jī)動平臺上的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不同于一般的局域網(wǎng)技術(shù)，它特別強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的可靠性與實(shí)時(shí)性。為了保證系統(tǒng)的可靠性，通常都采用冗余連接，即每個節(jié)點(diǎn)采用雙網(wǎng)卡進(jìn)行故障冗余切換，各個節(jié)點(diǎn)分別連接到兩臺交換機(jī)(其中一臺交換機(jī)作為另一臺的熱備份)，交換機(jī)之間通過級聯(lián)線相接。在雙冗余網(wǎng)卡中，主NIC(網(wǎng)卡)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)鏈接是否正常，而由運(yùn)行在NIC上的專用驅(qū)動軟件監(jiān)視NIC的狀態(tài)。如果由于交換機(jī)、線纜或NIC出現(xiàn)故障而導(dǎo)致鏈路失效，軟件自動把MAC地址和所有的連接從主NIC轉(zhuǎn)到備用NIC，并把這個備用NIC輸出信流廣播出去，通過另一臺交換機(jī)重建連路，使得會話繼續(xù)進(jìn)行下去。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，主NIC會定期發(fā)送心跳信號，用以確定主鏈路是否正常，這勢必造成網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗，影響原網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，對網(wǎng)絡(luò)性能有特殊要求的用戶而言，必須確定這部分系統(tǒng)開銷所占的比例。本文首先介紹SNMP簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上給出一種確定雙冗余網(wǎng)卡系統(tǒng)開銷比的方法。?

1 SNMP簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議簡介?

1.1 SNMP的工作原理?

　　SNMP(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)是目前在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，該協(xié)議是基于TCP/IP的網(wǎng)管標(biāo)準(zhǔn)，包括協(xié)議自身、數(shù)據(jù)庫的定義和相關(guān)概念。SNMP采用的是客戶/服務(wù)器模型，它分別對應(yīng)管理者和代理。要使這種管理者/代理模式能夠正常工作，管理者和代理必須使用相同的語言(協(xié)議)。圖1顯示了SNMP代理、MIB和管理者之間的關(guān)系。管理者是在管理系統(tǒng)中的一個軟件模塊，它需為用戶提供一個友好界面，用以方便、直觀地完成網(wǎng)絡(luò)管理的各種應(yīng)用。代理是一個在被管理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上運(yùn)行的軟件，在設(shè)備出廠時(shí)就已經(jīng)燒制在設(shè)備上，它負(fù)責(zé)維護(hù)本地的管理信息以及通過SNMP向管理者發(fā)送相關(guān)信息。MIB(管理信息庫)存放了該設(shè)備被管理網(wǎng)絡(luò)資源的所有信息。?

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　　SNMP 使用UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)作為第四層傳輸協(xié)議，管理者與代理之間以SNMP報(bào)文的形式交換信息，管理信息的交換可以由管理者以查詢的方式進(jìn)行或由代理發(fā)送Trap報(bào)文方式進(jìn)行。SNMP有五種消息類型:?

　　(1)Get-Request:SNMP管理者使用該消息從具有SNMP代理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中獲取信息;?

　　(2)Get-Response:SNMP代理以該消息作為對Get-Request消息的響應(yīng);?

　　(3)Get-Next-Request:該消息用于請求表中下一個對象的值，與Get-Request結(jié)合使用可以獲得表中的對象;?

　　(4)Set-Request:管理者使用該消息對所管理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程配置;?

　　(5)Trap:SNMP代理使用該消息通知管理者某些重要的事件。?

　　在SNMPv2中，還增加了Get-Bulk-Request消息，主要用于檢索大批的管理信息。?

1.2 SNMP協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)的格式?

　　在SNMP中，信息按照SNMP消息的形式在管理者與代理之間交換，每個消息包括一個指明SNMP版本的版本號，一個用于安全性的團(tuán)體字，以及下面五種PDU中的一種。圖2描述了SNMP的格式。?

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1.3 SNMP的管理信息庫(MIB)?

　　管理信息庫是基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，每一個被管的資源由一個對象所代表，MIB就是由這樣一些對象組成的結(jié)構(gòu)化的集合。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的每個節(jié)點(diǎn)都包括一個MIB，它反映了該節(jié)點(diǎn)中被管資源的狀態(tài)，網(wǎng)管實(shí)體可以通過讀取MIB中的對象值來監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)資源，也可通過更改這些值來控制資源。?

　　在RFC1155中定義的SMI(管理信息結(jié)構(gòu))，給出了定義MIB結(jié)構(gòu)的總體框架。在這個框架下，可以進(jìn)行MIB的定義和構(gòu)造。SMI定義了用于MIB中的數(shù)據(jù)類型以及MIB中資源的描述和命名。由于SMI的基本原則是鼓勵MIB的簡單性和可擴(kuò)展性，因此，MIB只存儲兩種簡單的數(shù)據(jù)類型:標(biāo)量和二維標(biāo)量數(shù)組。SNMP協(xié)議只能檢索標(biāo)量對象實(shí)例和一個表中的單個對象實(shí)例。SMI不支持創(chuàng)建或檢索復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。?

　　MIB是以樹狀結(jié)構(gòu)組織的，每個節(jié)點(diǎn)包含兩個內(nèi)容:一個OID(對象標(biāo)識符)和一個簡短的文本描述。在MIB中，每個對象都有唯一的OID，它是從MIB樹的根開始到此對象所對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)沿途路徑上所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)字標(biāo)識，中間以“.”間隔而成。在MIB中主要有以下對象類型:?

　　(1)NetworkAddress:從許多協(xié)議簇中選擇出的一種地址格式;?

　　(2)IpAddress:IP協(xié)議中定義的一種32比特的地址格式;?

　　(3)Counter: 非負(fù)整數(shù)，只增不減，到達(dá)最大值后從零開始重新計(jì)算;?

　　(4)Gauge: 非負(fù)整數(shù)，可以增加，也可減少，到達(dá)最大值后，它就保持在最大值，直至被復(fù)位;?

　　(5)TimeTicks: 非負(fù)整數(shù)，它以百分之一秒為單位計(jì)算從某個時(shí)間點(diǎn)開始所經(jīng)歷的時(shí)間。?

1.4 Windows下實(shí)現(xiàn)SNMP編程的方法?

　　在Windows下，主要有兩種方法可以用于SNMP編程:?

　　(1)利用WinSNMP API函數(shù)?

　　WinSNMP是為SNMP網(wǎng)管開發(fā)者提供的必須遵循的開放式單一接口規(guī)范，它定義了過程調(diào)用、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關(guān)的語法，以函數(shù)的形式封裝了SNMP協(xié)議的各部分，并針對SNMP使用UDP的特點(diǎn)設(shè)置了消息重傳、超時(shí)機(jī)制。?

　　(2)利用SNMP++函數(shù)?

　　SNMP++是HP公司為在Windows、UNIX平臺下開發(fā)基于SNMP網(wǎng)管應(yīng)用程序而提供的技術(shù)文檔，采用面向?qū)ο蟮姆椒▽inSNMP的API函數(shù)封裝成一個個C++類，大大簡化了SNMP網(wǎng)管軟件開發(fā)的難度、復(fù)雜性。本文采用的就是這種方法。?

2 設(shè)計(jì)思路?

　　在共享式局域網(wǎng)中，可以通過在網(wǎng)絡(luò)中插入網(wǎng)絡(luò)分析儀，便可對整個網(wǎng)絡(luò)的通信情況有全面的了解，包括對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的提取。在交換式環(huán)境下，無法采用這種方法。因此，雖然前面提到過，在試驗(yàn)中通過其它方式獲得了心跳信號的數(shù)據(jù)內(nèi)容，但仍無法給出這種開銷相對于有用數(shù)據(jù)傳輸所占比例的量的范圍。在交換式網(wǎng)絡(luò)中，無法直接獲取這種開銷的大小，但可以通過訪問交換機(jī)的MIB庫，獲取每個端口的流量。如果再確知每個節(jié)點(diǎn)的實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)，便可利用下式，間接地得到相對開銷比:?

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　　圖3給出了整個網(wǎng)絡(luò)的連接情況，每個節(jié)點(diǎn)與交換機(jī)之間采用雙冗余連接，即節(jié)點(diǎn)通過雙冗余網(wǎng)卡分別與兩臺交換機(jī)相連，其中一條鏈路為主通路，交換機(jī)之間通過級聯(lián)線相連。下面分別從控制臺和通信節(jié)點(diǎn)兩方面詳述設(shè)計(jì)過程。?

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2.1 控制臺程序?

　　控制臺程序是整個設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵，除了要求有友好的用戶界面外，還應(yīng)完成以下功能:?

　　(1)提供由用戶手工輸入通信節(jié)點(diǎn)的接口，在接口需指定通信節(jié)點(diǎn)的IP地址和所連交換機(jī)的端口號;?

　　(2)為每個通信節(jié)點(diǎn)提供一套網(wǎng)絡(luò)通信方案。在通信方案中指定連接在交換機(jī)上的通信節(jié)點(diǎn)之間的通信內(nèi)容(點(diǎn)對點(diǎn)、多播、廣播)以及通信流量。所謂通信流量是指各通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文的長度以及循環(huán)發(fā)送的周期。這個流量是通信中的實(shí)際有用數(shù)據(jù);?

　　(3)控制臺程序通過約定的套接字將通信方案發(fā)送給每個通信節(jié)點(diǎn)，同時(shí)等待各通信節(jié)點(diǎn)對所接收數(shù)據(jù)的反饋信息;?

　　(4)在確知所有通信節(jié)點(diǎn)均加載正確的通信方案后，通過專門的信令套接字口，向各個節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)發(fā)布啟動/停止發(fā)送的指令;?

　　(5)各通信節(jié)點(diǎn)定期向控制臺提供通信信息，該信息反映在兩次時(shí)間間隔內(nèi)此節(jié)點(diǎn)有用數(shù)據(jù)流量?？刂婆_程序在獲知此信息后，通過訪問交換機(jī)MIB庫，得到該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)間間隔內(nèi)的總流量，利用公式(1)可大致估計(jì)雙冗余網(wǎng)卡當(dāng)前的相對開銷比。?

2.2 通信節(jié)點(diǎn)程序?

　　作為模擬負(fù)載，通信節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)能夠在控制臺的控制下，按照各自的通信方案，與其它通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸。通信方案由用戶設(shè)定，在實(shí)際通信前由控制臺發(fā)送給各通信節(jié)點(diǎn)，其內(nèi)容對于雙方應(yīng)當(dāng)是互解釋的。作為一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，通信節(jié)點(diǎn)程序需要在指定的套接字口接收控制臺發(fā)布的啟動/停止指令，以決定當(dāng)前該節(jié)點(diǎn)是否進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信;同時(shí)分別在單播、多播、廣播套接字口上按照通信方案所定義的通信內(nèi)容發(fā)送和接收數(shù)據(jù);在通信開始后，定期向控制臺匯報(bào)當(dāng)前時(shí)間間隔內(nèi)該節(jié)點(diǎn)的有用數(shù)據(jù)流量。為了給用戶一個良好的接口，在通信過程中，通信節(jié)點(diǎn)程序應(yīng)能直觀地反映該節(jié)點(diǎn)?

　　參加的通信中信源/信宿的IP地址、傳輸?shù)目偭髁俊?

　　上述過程的圖形化解釋見圖4。通過這種方法，可以估算雙冗余網(wǎng)卡系統(tǒng)開銷的大致范圍是2%～5%，并且可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的流量自適應(yīng)，基本滿足系統(tǒng)的性能要求。?

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　　隨著水面艦艇現(xiàn)代化程度的提高，利用聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將電子設(shè)備加以有效地綜合，使之達(dá)到資源和功能的共享已成為必然的要求。利用現(xiàn)有的局域網(wǎng)信息共享技術(shù)，可以完全滿足上述要求。為提高整個系統(tǒng)的可靠性，通常的做法是對原系統(tǒng)增加一熱備份，在交換式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通過在各節(jié)點(diǎn)配置雙冗余網(wǎng)卡，分別與兩臺相互級聯(lián)的交換機(jī)相連。但在提高系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，所付出的代價(jià)是網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗。?

參考文獻(xiàn)?

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