張明梧

基于動態(tài)多網段的數(shù)據鏈網絡監(jiān)視與管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張明梧

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

提出了一種可動態(tài)配置IP跨網段的數(shù)據鏈網絡監(jiān)視管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)應用層采用B/S與C/S的混合架構，網絡層通過軟件定義網絡（SDN）集群實現(xiàn)數(shù)據鏈網內成員間的跨網段交互的動態(tài)可配置。系統(tǒng)功能涉及平臺身份控制、方案管理、跨網段參數(shù)控制、多網段內節(jié)點狀態(tài)監(jiān)視等技術。所設計方法的應用結果表明，該系統(tǒng)可以為數(shù)據鏈網絡提供可靠的監(jiān)視與管理服務，任意節(jié)點間路由關系動態(tài)可配置，提高數(shù)據鏈各節(jié)點的靈活性，滿足項目應用要求。

網絡監(jiān)視與管理系統(tǒng)；數(shù)據鏈；動態(tài)多網段

0 引言

數(shù)據鏈是一種通過固有通信協(xié)議，解決多種終端之間消息互聯(lián)的信息系統(tǒng)[1]。隨著數(shù)據鏈技術的發(fā)展，網內成員的型號增多。根據作戰(zhàn)任務的不同，在實際應用中數(shù)據鏈內部通常會有多個不同的局域網，各節(jié)點類型不同且擁有的網段不同，節(jié)點雖然直連但不能直接交互。因此對網絡內這些節(jié)點之間數(shù)據交互的管理與監(jiān)控，需要滿足高實時性、靈活性和針對不同平臺的適配性，并能夠實現(xiàn)指揮節(jié)點和控制節(jié)點之間網段關系的動態(tài)可配置。傳統(tǒng)網絡的IP只能通過人工綁定或者網絡分配，在數(shù)據鏈應用時存在IP規(guī)劃一次后在網絡運行時不可配置，單個節(jié)點更改IP造成與其他成員沖突，一系列節(jié)點IP都需重新規(guī)劃，影響整個網絡通信，且存在布線混亂等問題。軟件定義網絡[2]（Soft Define Network，SDN）是一種新型的網絡架構，該網絡通過OpenFlow協(xié)議把網絡內各個設備的控制層面與數(shù)據層面分離開來，將設備的控制虛擬化，通過開放流表使管理人員與用戶對網絡進行管理，使網絡可編程化地動態(tài)控制。該系統(tǒng)在網絡層使用SDN網絡集群，將數(shù)據與控制剝離開，開發(fā)接口給用戶實現(xiàn)靈活自定義的網段控制策略，使不同網段的設備能跨網段靈活通信。在系統(tǒng)應用層，由于設備型號繁多，數(shù)據量有多有少，因此采用C/S與B/S混合架構的方式處理。采用數(shù)據轉發(fā)服務器，根據數(shù)據量類型分別轉發(fā)給不同后臺服務器。針對體量小、操作頻繁的數(shù)據，使用B/S架構，數(shù)據處理服務部署在輕量化服務器，數(shù)據顯示應用部署在前端瀏覽器；針對體量大且操作相對不頻繁的數(shù)據，使用C/S架構，數(shù)據處理服務部署在主服務器，數(shù)據顯示應用部署在客戶機。SDN控制器用微服務的方法，注冊到數(shù)據轉發(fā)服務器中，實現(xiàn)數(shù)據轉發(fā)服務與SDN網絡控制服務一體化的部署。本文在研究跨網段的網絡架構基礎上，結合項目中數(shù)據鏈網絡監(jiān)視管理系統(tǒng)的實際部署，完成了系統(tǒng)設計，對實際工程應用具有一定的參考意義。

1 系統(tǒng)設計

1.1 設計思路

網絡監(jiān)視與管理系統(tǒng)采用分層思想，把網絡配置、數(shù)據傳輸和數(shù)據處理分開為網絡層、數(shù)據層和應用層，系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構

其中數(shù)據來源為真實設備中的數(shù)據，設備種類分為手持、車載和機載三類，網內所有設備將數(shù)據發(fā)送給網絡層的SDN網絡集群，集群中的SDN控制器微服務實例根據開發(fā)流表控制哪些節(jié)點間進行IP通信。根據網絡層的數(shù)據流向規(guī)則，數(shù)據層的數(shù)據轉發(fā)服務器對傳來的數(shù)據大小進行計算，并將數(shù)據分為兩類：輕量數(shù)據與主數(shù)據，根據分類發(fā)送給應用層的服務器。輕量數(shù)據發(fā)送給輕量化服務器處理后組播推送給輕量化前端；主數(shù)據發(fā)送給主服務器經處理后組播推送給客戶機。

1.1.1 網絡層

網絡層采用SDN集群，核心為控制與轉發(fā)的分離，提供控制的開發(fā)標準接口。SDN 架構由應用層、控制層、基礎設施層三個部分組成[3]，因此本系統(tǒng)的網絡層架構實現(xiàn)思想，采用通用三層架構中的實現(xiàn)模式。OpenFlow 是 SDN 思想的一種實現(xiàn)模式[4]，系統(tǒng)應用該模式時，SDN控制器注冊成一個微服務實例，負責對外提供所有網絡內路徑的轉發(fā)以及網絡內設備的編程。目前SDN的架構有多種，本系統(tǒng)采用主流的OpenDayLight架構，使用“EVPN+VxLan”進行組網。

1.1.2 數(shù)據層

數(shù)據層使用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的終端，通過將時間劃分成互不重疊的時隙實現(xiàn)多個用戶共享通信資源[5]。網內節(jié)點終端只有在其分配的時隙內可以進行消息的發(fā)送，其余時隙則用來進行消息的接收。一條消息的單位是當前時隙內發(fā)射的脈沖和，因此根據四類數(shù)據鏈消息占用字節(jié)大小的不同，以及其RS編碼的位數(shù)，數(shù)據轉發(fā)處理器進行計算其字節(jié)數(shù)和人工制定的周期頻數(shù)，分別交給B/S段的輕量化處理器或C/S端的主服務器處理。

1.1.3 應用層

由于系統(tǒng)部署在不同類型的終端上，對于具有多個子系統(tǒng)的綜合性軟件，需要根據實際情況為不同的子系統(tǒng)選擇相應的結構類型，形成CS/BS混合結構[6]。應用層主要是運行在后臺服務器上對數(shù)據處理的服務和運行在前端進行數(shù)據顯示的應用。針對B/S架構，后臺服務器是輕量化服務器，不部署數(shù)據庫，使用WebSocket常連接機制向前端組播推送JSON格式的數(shù)據。前端是由Vue框架開發(fā)的顯示界面，無需安裝客戶端，通過HTTP請求向后臺發(fā)送POST或GET請求，后臺進行響應，實現(xiàn)前端實體的動態(tài)變化；針對C/S架構，后臺服務器是主服務器，部署數(shù)據庫，處理體量大字節(jié)數(shù)多的數(shù)據鏈消息，使用用戶數(shù)據報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）組播向前端推動報文，前端為安裝客戶端的客戶機，進行數(shù)據的上顯，相對于B/S該客戶機較為固定，變化較少。

1.2 主要功能

1.2.1 平臺身份控制

主要對網內節(jié)點成員的身份權限進行控制，防止身份沖突，保證對應網的成員在自己的網內，不與其他網的成員有沖突干擾。每個網內的成員有一個自己唯一的標識號，而不同網內的主成員之間的身份號不沖突，可以切換當前節(jié)點登錄網內的成員身份號。

1.2.2 方案管理

在一次任務開始后，可以進行任務方案的切換，切換不同成員之間組成通訊網的方式和關系。對系統(tǒng)內已有的方案進行增加、刪除和切換當前方案等，指定方案內不同網的成員職責、指控職責和話音職責。

1.2.3 跨網段參數(shù)控制

一個節(jié)點控制另一個節(jié)點時，可以在同一個網段內，也可以在不同網段內，且在任務開始后可以不結束任務更改成員的網段，即入網后的成員IP與硬件實體脫離開的動態(tài)調整?？梢詫崿F(xiàn)一個指揮實體在一次開始任務中的多個節(jié)點間切換，也可以實現(xiàn)一個控制實體在一次開始任務中所屬的節(jié)點多次切換。

1.2.4 多網段內節(jié)點狀態(tài)監(jiān)視

對全網狀態(tài)和各節(jié)點內狀態(tài)進行監(jiān)視，包括監(jiān)視站可以在不同網段，動態(tài)對脫離網絡的節(jié)點進行通知，對各節(jié)點擔當?shù)纳矸?、?jié)點間關系、節(jié)點總數(shù)和全網結構等進行顯示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 網絡和數(shù)據格式

數(shù)據鏈網絡包含多個節(jié)點，節(jié)點分類為數(shù)據源設備和網絡監(jiān)視管理終端，設備數(shù)據分為主動發(fā)送數(shù)據和被動發(fā)送數(shù)據。設備與終端之間的數(shù)據采用以太網進行信息傳輸，終端之間采用射頻網絡進行信息交互。傳輸數(shù)據的報文分為UDP格式和JSON（JavaScript Object Notation）格式，UDP主要是數(shù)據源設備和網管終端之間，以及主服務和客戶機之間通信數(shù)據格式；JSON主要是輕量化服務器和輕量化前端之間通信數(shù)據格式。

2.2 具體模塊

2.2.1 SDN集群

集群實現(xiàn)策略為保證多網段安全的基礎上進行統(tǒng)一控制、IP路由的分發(fā)、下層設備部署的自動進行、上層數(shù)據轉發(fā)服務器IP的自動配置、平臺之間實施設備和平臺身份號的隔離，SDN集群實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 SDN集群實現(xiàn)圖

實現(xiàn)集群的方法為：

1）使用Overlay進行大二層的實體，匯聚層使用傳統(tǒng)VLAN進行搭建，匯聚層上層使用VxLAN搭建，網關分布式進行部署，從而實現(xiàn)終端IP和實體位置之間的解綁，應用服務和位置之間解綁；

2）對入網節(jié)點使用安全分組保證通信網絡的信息安全和權限安全，一個安全分組對應一個VLAN/VxLAN網段，組與組之間進行ACL訪問控制；

3）SDN控制器注冊成為集群的一個微服務實例，對外提供接口，對于開發(fā)人員可以調用接口進行組件策略的下發(fā)，設備按照分組進行IP自動配置。用戶可以使用接口進行網絡自動配置，安裝執(zhí)行腳本一鍵改變IP不影響節(jié)點在網狀態(tài)。在分配網段認證時使用DHCP把節(jié)點的IP地址進行上層傳輸；

4）數(shù)據和管理分離，功能和控制進行分離。VLAN1進行緩存管理，VLAN2進行動態(tài)配置DHCP的控制，VxLAN根據控制器接口認證的開放表自動映射，VLAN3進行無線通信的管理。

2.2.2 B/S架構

對于轉發(fā)到B/S端的數(shù)據，在服務器端要處理體量小操作頻率高的數(shù)據，因此采用Nginx搭建輕量化Web服務器，來對瀏覽器端的訪問和連接數(shù)進行優(yōu)化，在項目應用中解決一定程度上的并發(fā)問題，實現(xiàn)如圖3所示。在前端使用Vue框架開發(fā)顯控界面，對數(shù)據進行靈活輕量化的展示，部署環(huán)境支持瀏覽器或元心APP形式。在配置Nginx時，使用三臺Nginx作為集群服務器，配置實現(xiàn)輪詢處理，每臺Nginx服務器的權重最初都相同，當一臺服務器的數(shù)據處理服務占用率超過閾值時，權重下降，提高另外兩臺Nginx的權重來實現(xiàn)后臺的輪詢輕量化處理。前端搭建時開發(fā)為瀏覽器插件，提高集成的利用率。

圖3 B/S架構

2.2.3 C/S架構

針對體量大，實時性要求高的數(shù)據，后臺采用主服務器加數(shù)據庫的配置，如圖4所示。主服務器使用飛騰麒麟作為部署環(huán)境，數(shù)據庫采用某型國產數(shù)據庫。前端使用QT開發(fā)為客戶端，在不同的客戶機上進行部署。由于主服務器處理數(shù)據的高實時性和大體量，因此客戶機最多支持5臺同時訪問主服務，服務進行時間片輪轉方式訪問數(shù)據庫并將數(shù)據返回給前端。同時針對讀寫頻繁的數(shù)據，放入Redis緩存服務器中持久化存儲，針對大文件等的讀寫操作放入文件服務器中。對數(shù)據庫的操作采用讀寫分離技術，對主數(shù)據庫服務器和從屬數(shù)據庫服務器進行讀寫操作。

圖4 C/S架構

2.2.4 動態(tài)鏈接庫

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為銀河麒麟、飛騰麒麟和元心三套Unix系統(tǒng)，因此程序進行封裝成文件格式為.so的動態(tài)鏈接庫。界面使用QT進行開發(fā)，QT是一套完整、開源和跨平臺的工具，針對系統(tǒng)里應用層的服務，對外統(tǒng)一打包成動態(tài)庫供其他模塊調用。

3 網絡監(jiān)視與管理系統(tǒng)應用指標

對于該系統(tǒng)，在實際項目中可以監(jiān)控網內節(jié)點的數(shù)目，以及整體網絡的在網率。系統(tǒng)可以對入網成員的經緯度、入網時間、速度航向等指標進行監(jiān)視。系統(tǒng)既滿足在單網段內節(jié)點之間控制，也可以實現(xiàn)跨網段之間節(jié)點的參數(shù)控制。指揮者可以動態(tài)配置不同網段內節(jié)點的IP而不影響網絡的運行，可以遠程下發(fā)參數(shù)和通信，各項指標滿足該型項目應用需求。

4 結論

本文主要在數(shù)據鏈網絡監(jiān)視管理系統(tǒng)的基礎上，介紹了使用SDN集群來實現(xiàn)跨網段動態(tài)配置IP的功能，在應用架構上使用B/S與C/S混搭的風格，實現(xiàn)網絡的靈活性和適配性，對于跨網段靈活配合IP的網絡監(jiān)視管理系統(tǒng)使用具有相應的意義。

[1] 駱光明，楊斌，邱致和，等. 數(shù)據鏈-——信息系統(tǒng)連接武器系統(tǒng)的捷徑[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2010.

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[4] 張朝昆，吳建平．軟件定義網絡（SDN）研究進展[J]. 軟件學報，2015.

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Design and Implementation of Data Link Network Monitoring and Management System Based on Dynamic Multi Net Segment

ZHANG Mingwu

Design and implementation method of data link network monitoring and management system which can dynamically configure IP cross segment is proposed in the paper. The application layer of the system adopts the hybrid architecture of B/S and C/S, and the network layer realizes the dynamic configuration of cross segment interaction among members of data link network through SDN network cluster. System functions include platform identity control, scheme management, cross segment parameter control, node status monitoring in multi segmented. The application result in the use of design show that the system can provide reliable monitoring and management services for the data link network, and the routing relationship between any node can be dynamically configured, which improves the flexibility of each node of the data link and meets the application requirements of the project.

Network Monitoring and Management System; Data Link; Dynamic Multi Net-Segment

TN911

A

1674-7976-(2022)-02-143-05

2022-01-15。張明梧（1994.11—），陜西西安人，碩士，主要研究方向為計算機與通信。