基于Jess和SNMP的智能網絡故障管理系統設計與開發

宋 毅，焦賢龍

（1.95661部隊 重慶　400000；2.國防科技大學 信息系統與管理學院，湖南 長沙　410073）

基于Jess和SNMP的智能網絡故障管理系統設計與開發

宋 毅1，焦賢龍2

（1.95661部隊 重慶400000；2.國防科技大學 信息系統與管理學院，湖南 長沙410073）

當前網絡故障管理系統正朝著自動化智能化的方向發展。為了提高傳統網絡故障管理系統的智能化水平，基于專家系統規則引擎Jess和SNMP協議，設計了一個智能網絡故障管理系統。該系統可實時監控被管網絡設備，采用獨立模式或者與網管人員交互模式進行故障推理診斷；若故障診斷結果表明某故障可由系統自動排除，則詢問網管人員是否利用故障恢復模塊自動排除。文章最后探討了系統開發使用的開發環境與關鍵技術。由于采用了專家系統技術，該系統能夠顯著提高網絡故障管理能力和效率。

網絡故障管理；專家系統；Jess；SNMP

隨著信息技術和網絡技術的快速發展，計算機網絡正朝著大規模化和結構高度復雜化方向發展，網絡資源呈現出異構性和動態性，多設備、多介質、多協議已成為網絡的一大特征。計算機網絡發生故障是常見的，意外故障在某些重要的時候可能會對生產和生活帶來巨大的損失和負面影響。然而由于當前網絡的復雜性、異構性，導致當故障發生時，往往不能輕易、快速地利用傳統網絡故障管理系統確定故障所在的位置和原因，需要網絡管理人員較高的網絡技術水平和豐富的排故經驗，因而如何提高網絡故障管理系統的智能性已成為人們關注的焦點。專家系統，也被稱為基于知識的系統，能夠有效運用領域專家多年累積的有效經驗和專業知識，從而解決需要領域專家才能解決的問題。將專家系統技術引入網絡故障管理系統，將極大地提高網絡故障管理能力和效率。

基于以上考慮，文中基于專家系統技術、專家系統規則引擎Jess和SNMP協議設計了一個網絡故障管理系統。該系統可以及時發現網絡中發生的故障并嘗試找出原因。系統可以自動排除的故障可由故障恢復模塊進行排除；若故障類型是系統不能自動排除的，則通知網管人員由網管人員手動排除。

1　相關技術

1.1SNMP協議

SNMP協議（Simple Network Management Protocol，SNMP）是一種負責管理和監控網絡設備及其功能的協議，使用UDP協議傳送報文。SNMP協議是基于管理工作站/代理模式的，管理工作站是運行網絡管理程序的計算機，代理是運行在被管網絡設備上的進程，被管網絡設備可以是交換機、路由器、服務器和網絡打印機等［1］。SNMP協議的主要內容可以分為管理信息結構（SMI）、管理信息庫（MIB）和通信協議三大部分。其中MIB遵循SMI規范，定義具體的管理信息，通信協議主要內容分別在SNMPv1、SNMPv2和SNMPv3等標準中定義，不同版本中的通信協議操作和通信協議安全機制不同［2］。

1.2專家系統

專家系統是一個存儲有大量專業知識與經驗的、用于模擬人類專家解決領域問題的計算機程序系統［3］。專家系統主要由知識庫、知識獲取機構、推理機、綜合數據庫、解釋機構和人機界面等六個部分組成。其中知識庫用于存儲問題求解需要的領域專家的知識和經驗。知識獲取機構實現把知識從人類專家或其他知識源那里轉換到知識庫中的功能。推理機是專家系統中進行知識推理的部件，它通過反復匹配知識庫中存儲的規則，從而得到問題求解結果。綜合數據庫用于存儲推理所需的原始數據、中間結果和最終結論，一般用于數據的暫時存儲。解釋機構用于向用戶解釋專家系統的行為，并回答用戶提出的問題。人機界面是系統與用戶進行交流的接口，使系統能夠向用戶輸出詢問、推理結果及相關解釋，使用戶能夠輸入信息、回答系統提出的問題。

1.3Jess專家系統規則引擎

Jess是一個使用Java編寫的專家系統規則引擎，它以CLIPS專家系統外殼為基礎，采用產生式規則作為基本的知識表達模式，是可用的最快的規則引擎之一。Jess將專家系統的開發過程與功能強大的Java語言結合了起來，它強大的腳本語言能夠訪問所有的Java API。Jess包括一個基于優秀的Eclipse開發平臺的全功能開發環境，這個開發環境通過一組Eclipse插件提供。

Jess使用一個增強版本的Rete算法來處理規則［4］。Rete算法是由美國卡耐基·梅隆大學的Charles L.Forgy于1979年發表的博士論文中提出的，此后經過幾次改進［5］。Rete算法解決了規則的推理機制和匹配效率問題，是規則引擎模式匹配算法中效率最高的算法之一。該算法的基本思想是將之前模式匹配過程中的信息保存在一部分內存空間中，即通過犧牲這部分內存空間來保存并充分利用之前模式匹配過程中的信息，從而提高算法整體的匹配效率，達到大幅降低計算量的效果［6］。

2　系統總體設計

2.1系統結構

網絡故障管理是網絡管理的五大功能之一，提供對網絡的異常運行情況進行檢測、隔離和糾正的一組功能。網絡故障管理的功能直接關系到被管理網絡的可用性和可靠性，一般分為三個步驟：故障檢測、故障診斷和故障恢復。前兩個步驟通常又被稱為故障定位過程。一個實用的網絡故障管理系統至少需要具有以下幾個功能：1）隨時監控網絡狀態及其變化情況，捕獲網絡中發生的故障；2）分析判斷故障類型、故障原因以及故障源；3）需要時向用戶告警或者提交故障報告，以輔助用戶排除故障。

根據網絡故障管理的特點，設計了一種基于專家系統技術、專家系統規則引擎Jess和SNMP協議的智能網絡故障管理系統。系統基于B/S結構，用戶界面由瀏覽器來呈現，將系統功能實現的核心部分集中到服務器上，系統結構如圖1。

圖1　系統結構

2.2系統主要模塊

該系統主要由SNMP與Telnet操縱模塊、故障檢測模塊、基于Jess引擎的故障診斷模塊、故障恢復模塊和知識庫維護模塊等五大模塊組成。

1）SNMP與Telnet操縱模塊。SNMP與Telnet操縱模塊包含供故障檢測模塊和故障恢復模塊使用的一些公共類，該模塊主要功能包括：①向被管網絡設備發出SNMP查詢、設置請求；接收被管網絡設備發來的SNMP應答和Trap消息。②Telnet連接被管網絡設備，通過Telnet連接發送命令給被管網絡設備，讀取命令執行結果，結束Telnet連接。即實現了Telnet操作的自動化。

2）故障檢測模塊。故障檢測模塊的功能：①每M秒（變量M可由網管人員設置）向各被管網絡設備發出一組SNMP查詢和Telnet查詢（優先選擇SNMP查詢，因為速度更快），并接收查詢結果。②實時接收各被管網絡設備通過SNMP與Telnet操作模塊發來的Trap消息。③故障檢測模塊判斷上述查詢結果或Trap消息所來自的被管網絡設備是否發生故障。若發生故障，則將相關信息發送到基于Jess引擎的故障診斷模塊。

3）基于Jess引擎的故障診斷模塊。故障診斷模塊收到故障檢測模塊發來的故障信息后，首先判斷該故障是否屬于可推理類型，若是則利用Jess引擎進行推理（推理過程中可能需要與用戶進行交互以獲取需要的事實），并得出故障診斷結果。然后根據故障診斷結果在數據庫中查找這種類型故障的恢復策略。若未找到，則通知用戶故障診斷結果，從而輔助用戶診斷和排除故障；若找到了，則判斷找到的故障恢復策略是否可以由系統自動恢復（即通過運行一組故障網絡設備命令是否可排除該故障）。若該故障可由系統自動恢復，則詢問用戶是否執行故障自動恢復，如果用戶同意系統自動恢復故障，則將故障診斷結果和恢復策略發送到故障恢復模塊進行故障自動恢復［7］［8］。整個推理過程全部在用戶界面中顯示出來并記錄到數據庫中，便于用戶實時監控故障診斷過程或者查詢分析歷史故障診斷過程。

該模塊具體功能如圖2所示。

圖2　故障診斷模塊

4）故障恢復模塊。收到故障診斷模塊發來的故障診斷結果和恢復策略后，故障恢復模塊將收到的故障恢復策略格式化成一組具體的網絡設備命令，并利用SNMP與Telnet操縱模塊建立與故障網絡設備的Telnet連接，遠程執行這些網絡設備命令，從而恢復這種通過運行一組被管網絡設備命令即可排除的故障［7］。

5）知識庫維護模塊。該模塊負責管理維護知識庫中的知識，包括知識查詢、知識增加、知識修改和知識刪除等功能，并負責維護知識的完整性和一致性。可通過兩種方式來維護知識庫：利用Jess開發環境和通過本系統用戶界面。

3　智能網絡故障管理系統的開發

3.1系統開發環境

系統基于JavaEE技術開發，JavaEE用于開發、部署和管理面向Web的、以服務器為中心的N層結構企業級應用，它是一個基于標準的企業級平臺。選用Eclipse作為系統開發工具，Eclipse是一種可擴展開源開發平臺，其自身只是一個框架和一組服務，通過插件組件來構建開發環境。為人熟知的 Java開發工具 （Java Development Tools，JDT）便是一組Eclipse插件，為Eclipse平臺增加了全特性Java集成開發環境的能力。選取Tomcat作為Web服務器。數據庫選用SQL Server 2008數據庫。使用JDBC連接數據庫，JDBC是一組標準的Java語言中的接口和類，使用這些接口和類，Java可以訪問各種不同類型的數據庫。使用的Jess引擎為7.1版本。

3.2系統開發框架

系統開發框架使用 Struts2框架，Struts2框架是基于MVC（Model View Controller）模式的Web應用框架。MVC模式體現了分層設計的思想，把一個應用程序的輸入層、業務處理層和控制流程層按照View、Model和Controller的方式實現了分離，并分別承擔不同的任務。Struts2能夠在MVC的各個部分為開發過程提供相應幫助，基于Struts2開發的Web應用自然就能實現MVC［9］。

3.3基于Jess引擎的故障診斷模塊的開發

要使用Eclipse開發基于Jess引擎的故障診斷模塊，還需要搭建JessDE（The Jess Developer's Environment）開發環境。JessDE是作為一組Eclipse集成開發環境的插件來提供的。搭建JessDE開發環境過程為：退出Eclipse，將從官網上下載的Jess文件夾中的Eclipse文件夾下所有壓縮文件解壓縮到Eclipse SDK版本的安裝根目錄即可。注意JessDE僅可工作于Eclipse SDK版本中。

基于Jess引擎的故障診斷模塊由Java語言開發，通過將Jess引擎嵌入到Java程序中來實現故障推理診斷功能。jess. jar類庫中的jess.Rete類就是規則引擎本身。將Jess引擎嵌入到Java應用模塊中，只需創建一個或多個jess.Rete對象并適當地操縱它們。每一個jess.Rete對象代表一個獨立的推理引擎，一個程序可以包括任意數量的引擎，每個引擎可以工作于不同的線程中［4］。

3.4SNMP與Telnet操縱模塊的開發

采用開源面向對象的用于 Java開發的 SNMP API SNMP4J來實現SNMP協議。SNMP4J中最核心的類是Snmp類，Snmp類提供了發送和接收SNMP PDU的方法，所有的PDU類型都可被發送，支持采用同步或者異步發送模式。類PDU、PDUv1、ScopedPDU代表不同版本SNMP協議的協議數據單元。接口Target定義了一個遠程SNMP實體的抽象代表，它含有一個地址和一些協議參數比如重傳和超時策略。CommunityTarget類實現了 Target接口，用于 SNMPv1和SNMPv2c這兩個版本，UserTarget類也實現了Target接口，適用于SNMPv3。TransportMapping接口封裝了傳輸層協議，一個TransportMapping僅支持一種傳輸層協議［10］。

使用用于Java開發的Apache Commons Net庫中的org. apache.commons.net.telnet包來實現Telnet協議。核心類是org.apache.commons.net.telnet.TelnetClient類，TelnetClient類為Telnet協議實現了簡單網絡虛擬終端（NVT）。利用該類，即可實現在Java程序中連接并登錄到目標網絡設備、發送命令并返回執行結果 、關閉連接等功能［11］。

4　結束語

本文提出一種基于專家系統的智能網絡故障管理系統，系統知識庫中可存儲大量網絡故障診斷知識，為網管人員提高網絡故障排除能力和效率提供有力支持。系統結構設計不僅適用于本網絡故障管理系統，對其他行業基于專家系統技術的故障管理系統結構設計也有一定的借鑒意義。下一步將為系統增加數據挖掘功能，通過數據挖掘算法為知識庫自動補充排故知識，從而進一步提高系統智能化水平和排故能力。

［2］武孟軍.精通SNMP［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［3］蔡自興，徐光裕.人工智能及其應用［M］.北京:清華大學出版社，2010.

［4］Jess 7.1 manual［EB/OL］.［2009-02-10］.http://www.jessrules. com/jess/docs/index.shtml.

［5］鄭浩然，肖偉.基于規則引擎的JAVA聲明式編程［J］.計算機應用與軟件，2009，26（12）:132-134.

［6］武丹鳳，曾廣平，閆京穎.支持演化規則引擎的Rete算法研究［J］.計算機應用研究，2013，30（6）:1747-1750.

［7］高俊，周維貴，李朝陽，汪成亮.基于產生式規則的網絡故障智能診斷修復系統［J］.計算機系統用，2014，23（3）:44-50.

［8］趙永剛.基于Jess的衛星狀態診斷系統設計與實現 ［J］.航天控制，2010，28（1）:78-81.

［9］曾姚，王飛，熊波.采用Jess引擎的機械設備故障診斷專家系統設計［J］.計算機與現代化，2012（11）:6-9.

［10］JavaDoc SNMP4J［EB/OL］.［2014-03-19］.http://www.snmp4j. org/doc/index.html.

［11］JavaDoc Commons Net 3.3 API［EB/OL］.［2013-06-19］.http: //commons.apache.org/proper/commons-net/javadocs/api-3.3/ index.html.

Design and development of intelligent network fault management system based on Jess and SNMP

SONG Yi1，JIAO Xian-long2

（1.Troop 95661，Chongqing 400000，China；2.College of Information System and Management，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Nowadays network fault management systems are developing in the direction of automation and intellectualization. In order to improve the intelligent level of the traditional network fault management system，an intelligent network fault management system is designed based on the expert system rule engine Jess and SNMP protocol.The system can monitor network devices in real-time，and diagnose network faults in the independent mode or the network administrators interactive mode.If the result of the fault diagnosis indicates that the fault can be recovered by the system automatically，the system will ask the network administrators whether the fault should be automatically recovered by the fault recovery module or not.The paper finally discusses the system development environment and key development technologies.Based on the expert system technology，the system can significantly improve the ability and efficiency of network fault management.

network fault management；expert system；Jess；SNMP

TP311.1

B

1674-6236（2016）14-0049-03

2015-08-15稿件編號：201508077

宋 毅（1985—），男，甘肅天水人，碩士，工程師。研究方向：信息系統與決策支持系統。