基于优先权的分布式网络设备智能轮询策略研究*

杜银霞，牛　刚，高　婕

（1.河北工程技术学院，石家庄　050091；2.军械技术研究所，石家庄　050003；3.河北工业大学，天津　300401）



基于优先权的分布式网络设备智能轮询策略研究*

杜银霞1，牛刚2，3，高婕3

（1.河北工程技术学院，石家庄050091；2.军械技术研究所，石家庄050003；3.河北工业大学，天津300401）

摘要：针对大型网络其地域分布广，监测对象较多，监测周期过长，实时性较差且管理流量负载较大等问题，提出一种分布式网络设备智能轮询策略。在域内，针对轮询周期调整问题，通过构造体现管理者意志的评判矩阵和求解反映数据特征的DFT（离散傅立叶变换）确定轮询优先级和轮询周期取值范围，提出了基于变化率的轮询周期调整算法；在域间，通过触发和查询实现对特殊事件的采集。最后进行了仿真，表明该策略能够在减轻网络负载的同时，准确刻画网络的状态。

关键词：分布式网络，智能轮询策略，优先权，轮询周期

0　引言

随着信息技术的飞速发展，网络规模越来越大，结构越来越复杂，网络上所承载的业务也越来越多。仅依靠传统的集中式网络结构模型和人工进行网络管理维护，已经不能满足大规模网络管理的需求。分布式网络［1］管理模型和SNMP协议［2］为解决大规模网络的维护问题提供了有效途径。分布式网络管理模型通过分配部分工作到各域首，缓解管理端的数据处理压力，有效规避集中式网络管理模型轮询周期过长的问题；而SNMP协议通过主动轮询和被动接收两种方式，能够有效地对网络进行监控。因此，基于SNMP协议的分布式网络管理模型在网络管理中得到了广泛应用。

本文阐述了分布式网络管理模型的原理，针对网络负载问题，提出了基于变化率的轮询周期调整算法和轮询优先级确定方法，改进了轮训周期范围确定方法，兼顾了网络特点、专家意志和轮询需求。

1　分布式网络管理模型

分布式网络管理模型由管理端（Manager）、域首（Region Head）和代理（Agent）三层组成，形成两层管理结构，如图1所示。网络通过区域划分，实现对被监测对象的分布管理，一方面能够有效缓解管理端的压力，提高网络管理的实时性；另一方面能减少网络中的管理流量。管理端是管理模型的核心控制部分，通过对域首的控制和信息采集，进而实现对全网络中代理的控制和监测。各域首负责对本域中代理的实时监测，并将信息及时向管理端反馈。域首对管理端屏蔽了数据采集的细节［3］。

图1　分布式网络管理模型

2　智能轮询策略研究

2.1轮询策略相关研究

目前轮询策略有以下几种：基于固定周期的轮询策略，该方法是按照预先设定的轮询周期值，对代理进行轮询，周期始终保持不变；基于网络负载的轮询策略，比较典型的是基于网络时延的轮询策略［4］，但是网络负载并不能真实反映被监测对象的性能状态，而是链路情况；基于线性回归的轮询策略，有基于趋势的轮询策略［5］和基于变化幅度的轮询策略［6 -7］，这两种方法都是利用前n个时刻的观测值，利用线性回归预测下一时刻的值，前者通过预测值与实际值的对比，根据变化趋势对轮询周期进行调整，后者通过预测值与实际值的变化幅度，调整轮询周期；基于马尔科夫的轮询策略［8］，通过马尔科夫对被监测参数进行预测，根据预测值与实际值之间的差距动态调整轮询周期。从目前的研究来看，监测目标不同，轮询策略也不尽相同，但是突出存在以下两个问题：轮询周期范围的设置不能反映被监测对象的特点，轮询策略不能描述监测对象数据的变化速率情况。

2.2域内轮询策略

域内轮询策略如图2所示。域内主动轮询主要包括两部分：轮询周期范围的确定和轮询周期调整算法的确定。2.2.1轮询优先权及轮询周期取值范围的确定

图2　轮询一般过程

域内轮询最重要的是确定轮询周期，对文献［9］中的方法进行了改进，轮询周期范围的确定是根据被监测对象的实际情况和管理者的主观意志确定。轮询周期范围的确定应考虑3部分［9］：域内被轮询对象的数量N和域首与代理之间信息传输时间的最小值t，在域内，域首对同一个代理进行两次轮询的最小间隔

为了能刻画被监测对象的细节，根据抽样定理，抽样频率应大于被抽样对象最大频率的两倍，可采用DFT方法确定抽样频率

文献［10］中对该方法进行了详细介绍，这里不再作详细说明。

另外，为了保证网络的正常运行，一般管理带宽不能太大，一般要低于网络带宽的15%。在实际监测过程中，我们希望对一些重点设备（如故障后会产生严重后果的设备）进行重点监测，而有些设备（如性能比较稳定的设备），并不需要太多的管理带宽。因此，提出了通过专家或管理者构造评判矩阵，确定域内代理的重要度权值，根据重要度权值确定轮询优先权，分配管理带宽的方法。

由专家或网络管理者确定判断矩阵，判断矩阵元素Cij，表示代理i比代理j对网络故障后果的贡献程度，赋值标度如表1［11］所示。

表1　赋值标度

由此得，Cij＞0，Cij=1，Cij=1/Cji。然后，得到评判矩阵式（3），

求得其最大特征值及其特征向量，并进行一致性检验。然后，确定代理的轮询优先权。最后根据求得的特征向量和给定的管理带宽，将带宽分配给每个代理，进而求得求轮询周期。若求得的特征向量为a=（a1，a2，…，an），an（1≤i≤n）值较大的代理具有较高的轮询优先级，给定管理带宽为w，则代理i分得的带宽为

则对应的轮询周期为

其中，Pi为轮询第i个代理消息的平均大小（比特数）。从式（4）可以看出，权重越大的代理具有较高的优先级和较大的管理带宽。

根据式（1）、式（2）和式（5）可得到域首对第i个代理的轮询周期范围为

2.2.2轮询周期调整算法

考虑到在一段时间内，影响网络设备性能的影响因素相对固定，因此，采用基于线性回归的方法预测下一时刻的性能参数值。算法流程如图3所示。

图3　轮询周期调整算法流程图

具体实现过程如下：

①设置初始轮询周期，域内代理数量，信息传输最小时间，管理带宽等参数，获得初始数据序列D=（dt-m-1，dt-m-2，…，dt-1）；

②根据2.2.1节内容确定轮询周期确定范围［Tmin，Tmax］；

④根据得到的轮询周期获取实际值d（t），并判断是否超出告警阈值，若成立，则告警，否则转入步骤⑤；

⑤计算实际变化率kr和预测变化率kf，

⑥若实际变化率大于预测变化率，说明轮训周期内参数的变化较以前更剧烈，应减小轮询周期；反之，应增加轮询周期，则调整后的轮询周期为

⑦判断Tmin≤Tt-1≤Tmax，是否成立，若成立，则转入步骤⑧；若Tt-1≤Tmin，则Tt-1=Tmin；若Tt-1≥Tmax，则Tt-1=Tmax；

⑧更新数据序列D，转入步骤②。

当对域内多个代理进行轮询时，可能会出现多个代理同时到达轮询周期的情况，此时，将对优先级较高的代理先轮询。

2.3域间轮询策略

管理端主要采用基于Trap的自陷方式与各域首进行通信，当收到自陷消息时，主动轮询产生自陷消息的代理所在的域首，获取被监测对象装填信息；当需要查询信息或设置被监测对象的信息时，管理端向域首发送消息，域首完成相应的操作后，返回相应的反馈信息，过程如图4所示。

图4　域间轮询策略

3　实验结果与分析

针对域内轮询策略，以某路由器CPU利用率为对象进行分析，通过采集一段时间内CPU利用率，分别采用固定周期30 s轮询策略和基于变化率的的轮询周期调整策略（初始周期设为30 s），并对其进行了仿真。通过图5和图6的对比，可以看出，两者采集次数相当，但是提出的基于变化速率的轮询周期调整策略，能够在参数变化较快（图中曲线较陡峭的位置）时，提高轮询频率；而在参数变化较平稳（图中曲线较平坦的位置）时，降低其轮询频率。并且从图6可以看出，该算法能够较好地刻画参数变化情况。由于实际情况中，在一定时间内，影响网络设备的性能变化的因素是一定的，其运行状态在短时间内不会出现大的波动。因此，利用该算法能够在数据变化平稳时降低轮寻频率，减少网络负载。

图5　以固定周期30 s采样策略采样

图6　基于变化率的轮询周期调整策略采样

4　结论

随着网络技术的发展，人们对于网络的可靠性要求越来越高，研究科学、智能的网络管理［12］技术越来越受到网络管理人员的关注，网络PHM技术成为网络管理的趋势。分布式网络管理结构作为PHM的一种实现方式，能够在提高管理的智能化程度和监测可靠度的同时，降低网络的负载，而且随着智能轮询策略研究的深入，为其进一步推广应用起到了推动作用。

参考文献：

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［6］肖国强，向穗华.网格资源监控中的自适应轮询策略［J］.计算机工程，2007，33（12）：108-110.

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［11］杜栋，庞庆华，吴炎.现代综合评价方法与案例精选［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［12］GEDDESND.Methodandsystemforprovidingintelligentnetwork management：U.S. Patent6，751，661［P］. 2004-06-18.

Study on Distributed Intelligent Polling Strategy for Network Devices Based on Priority

DU Yin-xia1，NIU Gang2，3，GAO Jie3
（1.Hebei College of Engineering，Shijiazhuang 050091，China；2. Institute of Ordnance Technology，Shijiazhuang 050003，China；3. Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

Abstract：For the characteristics of long monitoring period，poor real-time behavior and heavy traffic load of the large network，which are caused by the wide geographical distribution and multiple monitoring objects，a novel distributed intelligent polling strategy is proposed. In the region，a method to calculate the priority and the range of the polling period based on the manager will and the DFT （Discrete Fourier Transform）is presented. What’s more，a polling period adjusting algorithm according to the change rate is illustrated in detailed. Between the region，the information is gathered by triggering and queries for special events. Finally，a simulation analysis is given out to prove the efficiency and accuracy.

Key words：distributed network，intelligent polling strategy，priority，polling periodtracking

中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：1002-0640（2016）05-0043-04

收稿日期：2015-04-06修回日期：2015-05-17

*基金项目：军内重点科研基金资助项目（2009［83］号）

作者简介：杜银霞（1982-），女，河北石家庄人，讲师。研究方向：计算机应用及计算机教育方向等。