大型FC-AE异构网络管理技术

　　基于航空电子环境光纤通道(FC-AE)技术的异构交换网络在军用电子装备上得到了推广应用，且网络规模逐渐扩大。网络承载了数据处理、存储、控制、视频、音频等多种业务，网络管理功能变得至关重要。文中分析了大型交换系统的管理要求，展望了新应用形势下军用网络管理的发展趋势。通过开展可靠性优化设计，定义管理协议、设计图形用户界面，实现了一种分布式处理、集中管理的FC-AE异构网络管理系统，包含配置管理、实时监测、故障模式诊断、系统重构等功能。文中介绍了网络管理系统的实现方法，以及应用的流程。

　　关键词:航空电子环境光纤通道;异构网络;网络管理;调度策略;管理代理

　　现阶段，为兼顾性能需求、技术风险、应用成本、兼容性等因素，大型军用电子装备一般采用一体化、开放式异构网络体系架构，在异构网络环境中提供统一的业务，通过专用的网关设备或协议转换设备实现跨网信息交互［1］。光纤通道技术(FC)在美国国家标准协会T11工作组的推动下已发展到了32G/128G［2］。面向苛刻军用环境应用的航空电子环境光纤通道(FC-AE)技术具备高带宽、低延迟、拓扑与服务灵活等优点，可满足雷达、电子战、通信、导航等作战装备的计算、存储、显示、控制等应用需求，在军用领域得到了广泛应用。某装备中，为满足机箱、机柜、系统等不同层级信息传输所需的带宽、延时、服务质量等的差异性需求，采用了以FC-AE为主干网，融合了sＲapidIO、以太网等技术的异构、多级交换架构。随着基于FC-AE的异构交换系统通信规模增长、保障对象和业务种类多元，传统粗放、被动式的网络管理系统难以满足构建“高可靠、高可信、高可用”的三位一体军用网络的精细化管理需求，一套可提高资源利用率和网络管控效率的网络管理系统成为军用交换系统建设、运行、维护、排故的重要手段。国内对于FC-AE网络以及基于FC-AE的大型异构网络的管理技术研究刚起步，尚未形成完整的规范或体系。因此，有必要研究运维管理需求，开发FC-AE异构网络的管理系统。

　　1网络管理技术研究

　　1．1网络管理的基本要求

　　网络管理，即面向网络环境对其软硬件资源及用户行为实现规范化管理，以提供更为稳定的网络服务，使网络中的资源得到更加有效的利用。网络管理的基本要求如下:1)配置管理:可动态、快速的进行资源配置、设备信息和拓扑维护;2)性能管理:实时的性能检测、性能分析和网络控制;3)任务管理:任务分配、资源调度和优化，资源使用控制和检测;4)安全管理:访问控制、授权机制、网络控制，如有必要，还应具有加密及密钥管理功能;5)故障管理:故障检测、诊断与统计，必要的故障修复手段。

　　1．2网络管理的发展趋势

　　网络管理的核心是快速提供通信业务、全面保证通信业务的服务质量。随着各种网络新技术的推广应用，以及军用装备可靠性的持续提升，军用网络管理呈现出几个典型的发展趋势:1)与业务紧密结合的多策略处理。网络管理从侧重设备管理转变为侧重业务管理，从侧重故障管理转变为侧重性能管理，更加关注系统的安全性和系统的互操作性等。管理与被管网络的资源数据紧密结合，针对不同的业务类型、交换拓扑、业务性能、质量要求等采用动态的策略、多优先级，提供差异性的可靠服务。2)集中式管理，分布式处理。大型通信网络趋向于集中管理模式、具有统一的管理界面，避免多头管理带来的低效能;从负载平衡和系统健壮性的角度，采用层次化、多维度的分布式监测处理，避免集中处理带来的负荷增加。3)智能化处理的人机交互。利用人工智能、大数据等技术赋能网络管理。提供图形化操作界面或电子表单给网管人员，在线对网络故障和性能作出快速的分析和处理，通过语音交互、基于数据库的智能推送、基于大数据的智能故障诊断、声光电告警等辅助决策减少网管人员的参与度和工作强度。4)可扩展的综合化管理。建立综合性、可扩展的网络管理系统，可适应网络规模的变化，面向异构网络提供综合、多网协调、多种级制的管理支持，尽可能屏蔽异构性，对用户提供透明的综合一体化网络服务，实现信息无缝对接和深度共享。

　　2网络管理系统研究

　　FC-AE网络通信服务的可靠性与硬件基本可靠性、网络架构、信息路径、使用方式等多种因素相关［3］。为提高大型FC-AE军用交换系统的管理效能，重点开展了三个方面研究:交换体系鲁棒性、资源调度策略、网络管理协议。

　　2．1交换体系鲁棒性

　　为保证作战任务的连续性，首先考虑从网络物理路径因素提高系统的鲁棒性与抗毁能力，最有效的措施是采用双冗余架构。FC-AE网络主要有两种冗余策略，即基本路径冗余和双网交换冗余，如图1所示。图1常规冗余设计示意图基于蒙特卡罗法的FC-AE网络可靠性研究、模糊可靠性研究均表明，当链路可靠性较低时，采用双网冗余结构能够有效提高FC-AE网络可靠性;当链路可靠性较高时，链路冗余对FC-AE网络可靠性的影响不大;此时，影响网络可靠性的关键因素是节点，若对节点采用冗余结构，将大幅提高FC-AE网络可靠性［4］。对于大型交换网络，双网冗余模式将带来成本的大幅提升。因此，考虑采用一种关键路径(节点)的冗余方法，即根据业务类型对系统中的设备或路径进行分类，只对关键设备或路径进行冗余设计，非关键设备采用单点接入，这种方案较好的平衡了经济性与可靠性。具体如图2所示。

　　2．2资源调度策略

　　为提高信息传输的可靠性，FC-AE在流控和路由机制方面制定了先进的规则:1)基于信用的流控机制，不仅决定了FC-AE网络的应用性能，也是异构网络跨协议通信的关键性能因素［5］。研究表明，不论是否考虑差错，为达到最大吞吐量，最优信用的取值主要与通信距离有关，通信距离越远，需要的信用值越大［6］。FC-AE端口硬件设计中，信用量有限，持续大带宽的组播依然会带来频繁的通道竞争，导致信用值不足，产生拥塞并导致严重的故障耦合。2)静态路由交换机制，即根据网络拓扑结构事先设置好的路由提供交换服务，除非管理员干预，否则静态路由不会发生变化［7］。静态路由可以大幅度降低动态路由带来的传输冲突概率，但对于复杂的混合拓扑而言，不能彻底屏蔽或消除冲突。全静态资源管理模式无法满足网络资源在频度、颗粒度和时效等方面更高的调配要求。为实现最高的综合性能，网络管理应与通信网资源实时联动，对网络资源动态、精确管理，如周期性业务可采用静态固定带宽分配、突发性业务传输可采用动态带宽分配机制、强时效性业务采用高优先级抢占式带宽分配的方案;结合传输距离、变化的数据率、端口处理能力等因素进行合适的分组、预计可能产生拥塞的信源或通道、选择最优的信用量;当部分业务功能出现故障时，可通过重构等手段快速的恢复业务功能，最终实现资源的按需分配、动态调控。

　　2．3网络管理协议

　　以太网应用最广泛的管理协议是简单网络管理协议(SNMP)，SNMP建立在TCP/IP基础上，无法直接应用于FC-AE系统。我们认为，网络管理实现技术应依据管理本身的目标差异而有所不同，可充分借鉴SNMP的设计思想，并针对系统的特定应用开展设计。FC协议制订机构T11工作组制定了网络快速初始化协议(FFI)。FC_LS协议中定义了扩展链路服务(ELS)作为控制消息的载体，通过命令编码区分不同作用的请求和应答两类操作，按照FFI协议规范定义了7个帧，并保留了若干种帧用于扩展［8］。本系统设计了FC－AE带内管理功能，根据FFI进行交换机群和端口设备配置，配置帧和状态反馈帧等数据格式依据ELS包格式统一制定。该方案既保证了网络管理所有操作正确执行，也可满足网络系统规模的可扩展性要求。

　　3网络管理系统设计

　　FC-AE系统的网络管理主要由网络管理中心和位于被管理网络设备上的管理代理、设备监控软件组成。本系统中主要对网络代理和网络管理中心开展设计。

　　3．1管理代理设计

　　网络环境本质上是一个分布式计算环境，因此可以使用面向分布式智能代理的方法来实现网络管理。异构网络管理系统的集成应具备对采用不同技术体制的管理代理、管理系统的整合能力，代理软件实现异构交换系统中软硬件全状态、无死角实时监测，管理对象不仅局限于FC-AE设备，也包含其他子网设备。通过管理接口的互操作实现管理系统之间的互操作。具体包含以下功能:1)解析来自管理中心的网管请求并实施;代理可将接收的指令转换成设备私有协议转发到指定的被监控设备;2)收集本设备的运行状态参数并上报;可按固定频率主动上报，也可响应管理中心的询问指令上报，对于关键故障或错误务必实时优先处理;3)系统中用于异构网络互联的网关设备可对异构网络中的以太网或sＲapidIO等其他子网的管理信息进行语义匹配和透明转发;4)对系统维护需要使用的特殊指令进行翻译并执行。比如自行定义类似以太网协议“ping”等的操作指令，作为网络故障诊断的一种基本手段。这些指令也应可在异构网络设备之间互操作通信。

　　3．2管理软件设计

　　Qt是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序开发框架，支持主流国产化操作系统，我们基于Qt开源框架开发以用户操作为主体的界面系统，组成如图3所示。网管操作系统总体上分为四个子模块，分别为:1)通信模块。提供多种通信模式，既支持FC-AE的带内通信，也支持常规的以太网通信。2)日志管理模块。对管理过程中的关键行为、重大故障等进行记录，形成日志文件，便于系统维护检查。3)数据库管理模块。管理对象是一个动态刷新的数据库，包括网络设备配置信息、故障知识库、各类统计信息等。4)用户操作模块。网管员使用最频繁的功能模块，包含了拓扑层面的连通管理、业务层面的流通管理、以及满足用户使用要求的服务质量管理。(1)配置管理模块，用于网络系统的建设与部署，可自动生成网络拓扑结构，网络配置参数输入与下载，以及拓扑状态检查。(2)性能管理模块，为系统提供全局资源视图，收集、分类统计、显示所有端口的数据流量、错误帧数量等，通过对网络节点设备利用率和各种业务量的统计，辅助实现业务流量的动态分配;(3)安全管理模块，对通信链路连通状态、用户登陆的合法性等进行监测;(4)故障管理模块，收集各类故障信息，利用故障知识库，采用基于故障树分析的诊断技术，实现智能化的故障匹配与准确定位;采用规则推理、预置方案等方法实现面向任务特征的重构决策;以不同类别的声音或图像标识进行故障告警。

　　4网络管理应用

　　上述的网管系统可提供大型FC-AE异构交换系统的运维管理和安全管理等服务，其应用的简要流程如下:(1)如首次进行系统部署，交换系统需完成设备的部署以及物理线路的正确连接;(2)管理员对系统完成参数配置并通过拓扑检查确认;(3)系统进行日常运维巡检，自动开展监测;(4)如发现故障，则进行相应的处理。具体如图4所示。

　　5结束语

　　随着军用电子装备作战性能需求的不断提升，实现“功能提供、可靠性保障、安全可信”的信息系统基础网络构架成为趋势。虚拟化、云计算等新技术的应用，军用电子装备的网络管理逐渐从面向网络转变到面向服务，这就要求军用网络管理借鉴商用数据中心、物联网等新理念，不断的加强优化，升级智能化、综合化的处理能力，全面提升网络管理的粒度、深度、广度和速度。本文针对基于FC-AE的大型军用异构网络系统，通过对交换体系、资源调度策略以及网管协议的研究，实现了一种功能全面，具有一定智能化管理能力的FC-AE异构网络管理系统，对解决军事装备中的问题具有重要现实意义。

　　作者：施海锋 岳俊峰