IP城域網(wǎng)設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

黃海攀，張 英，張勇慧，高 源，王淼淼

（中國移動通信集團山東有限公司 濟寧分公司，山東 濟寧 272000）

0 引 言

電信運營商網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）城域網(wǎng)是一個城市范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)接入控制點，如業(yè)務(wù)路由器和寬帶接入服務(wù)器（Broadband Remote Access Server，BRAS）及3層設(shè)備組成的3層路由網(wǎng)絡(luò)。IP城域網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)層次上包括核心層、業(yè)務(wù)接入控制層及匯聚層。業(yè)務(wù)接入控制層路由器部署至城市內(nèi)全部區(qū)縣，主要負責本區(qū)域內(nèi)的家庭寬帶用戶、交互式網(wǎng)絡(luò)電視用戶、集團客戶互聯(lián)網(wǎng)專線等用戶的業(yè)務(wù)接入。匯聚層由業(yè)務(wù)接入控制層以下的匯聚交換機組成，匯聚交換機覆蓋全部區(qū)縣，負責本區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)接入。城市所管轄的區(qū)縣數(shù)量多，其對應(yīng)的IP城域網(wǎng)寬帶接入服務(wù)器及匯聚交換機設(shè)備數(shù)量大。目前，電信運營商有多種平臺、多種方式獲取到設(shè)備性能，但維護人員日常運維需要更便捷、更直觀的技術(shù)手段獲取設(shè)備各類性能指標，并對指標進行分析預(yù)警[1,2]。基于以上背景，探索實踐一種IP城域網(wǎng)的設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)各類性能指標統(tǒng)計分析，主動預(yù)警并通知維護人員處理。

1 性能監(jiān)控系統(tǒng)方案

IP城域網(wǎng)為城市內(nèi)個人家庭用戶和政企客戶提供綜合業(yè)務(wù)的接入與承載服務(wù)。對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開展智能運維，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能指標，發(fā)現(xiàn)并及時處理重要告警以及潛在隱患成為保障城域網(wǎng)健壯性的關(guān)鍵，也是電信運營商提升用戶滿意度的基礎(chǔ)[3]。目前，城域網(wǎng)設(shè)備運維存在以下幾個問題：一是隨著城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷增加，人工開展運維工作繁雜；二是獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能、設(shè)備能力負荷、鏈路質(zhì)量、鏈路狀態(tài)等故障時效性性差；三是網(wǎng)管采集性能指標開放性不夠，僅支持運營商內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)登錄查看，無法實現(xiàn)多終端隨時查看。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)是基于Python語言，通過應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）調(diào)用運營商網(wǎng)管系統(tǒng)，結(jié)合應(yīng)用部署和運行平臺（Application Platform as a Service，APaaS），實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的各類性能指標統(tǒng)計匯總、分析預(yù)警。

IP城域網(wǎng)設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)主要分為4個模塊，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及指標預(yù)警模塊，如圖1所示。

圖1 設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2 關(guān)鍵模塊設(shè)計

1.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊分為2個部分，一是利用Python語言編程實現(xiàn)多線程自動登錄設(shè)備采集性能指標，二是通過API接口獲取網(wǎng)管系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備性能指標。設(shè)備性能指標包括設(shè)備端口收發(fā)光功率、端口錯誤包數(shù)量、BRAS單板用戶數(shù)、成對BRAS上行流量、高負荷鏈路、運營商級NAT（Carrier-grade NAT，CGN）單板利用率以及異常告警等。

（1）自動登錄設(shè)備采集性能指標，通過Python庫文件Paramiko實現(xiàn)[4]。Paramiko是通過Python實現(xiàn)安全外殼（Secure Shell，SSH）協(xié)議的模塊，主要用于遠程控制。它可以通過SSH協(xié)議實現(xiàn)對遠程網(wǎng)絡(luò)設(shè)備執(zhí)行命令操作，并返回交互結(jié)果。通過Python自帶的庫文件concurrent實現(xiàn)多線程登錄設(shè)備。多線程可實現(xiàn)同一個程序同時處理多個設(shè)備的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，多個任務(wù)相互獨立，不會發(fā)生相互阻塞的情況。面對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量較多情況，能夠有效提高設(shè)備性能指標采集的效率。主要代碼為

self.sshClient.connect(host_ip, host_port, username,pwd, look_for_keys=False)

（2）網(wǎng)管系統(tǒng)獲取性能指標。通過運營商內(nèi)部網(wǎng)管系統(tǒng)開放的API接口，獲取數(shù)據(jù)網(wǎng)管平臺已采集的高負荷鏈路等指標。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊分為2個部分。

（1）對登錄設(shè)備采集到的指標進行提取分析，主要通過Python中的正則表達式（re模塊）匹配處理字符串，利用re模塊中的split、findall、compile等函數(shù)有效提取采集結(jié)果中的BRAS的域地址池利用率、端口收發(fā)光功率以及CGN單板利用率等性能指標[5,6]。通過Pandas模塊實現(xiàn)指標的分析處理，Pandas中的DataFrame是一種表格型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具備行索引（index）、列索引（columns），且每列可存儲不同的值類型（數(shù)值、字符串等），可將同一性能指標、不同BRAS的數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計成二維數(shù)組[7]。

（2）對從數(shù)據(jù)網(wǎng)管中獲取的指標進行統(tǒng)計分析，通過APaaS平臺中的工作流結(jié)合代碼塊節(jié)點實現(xiàn)性能數(shù)據(jù)的自動增加、刪除、查詢、修改、統(tǒng)計以及分析。

1.2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

IP城域網(wǎng)設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)部署于APaaS平臺，APaaS平臺為運營商提供了一個開發(fā)、部署和管理應(yīng)用程序的平臺。系統(tǒng)利用Python內(nèi)置的request模塊，向APaaS平臺發(fā)送POST請求，將采集到的設(shè)備性能指標上傳至平臺；設(shè)備性能指標數(shù)據(jù)存儲在APaaS平臺工作表單中；平臺中自定義模塊可自主創(chuàng)建各類統(tǒng)計圖用于展示不同性能指標情況。

1.2.4 指標預(yù)警模塊

指標預(yù)警模塊通過APaaS平臺自定義工作流實現(xiàn)。當某性能指標高于設(shè)定的閾值時觸發(fā)工作流，自動提取所有超閾值的指標，并進行分類匯總。根據(jù)設(shè)備名稱判斷設(shè)備歸屬維護部門，最后通過手機短信或郵件方式實現(xiàn)超閾值指標自動化預(yù)警。郵件預(yù)警方式首先通過Python代碼塊處理設(shè)備性能指標數(shù)據(jù)，將其拼接成超文本標記語言（Hyper Text Markup Language，HTML）代碼。HTML是一種建立網(wǎng)頁文件的標記語言，可以展示文字、圖片、聲音以及影片等多種類型的內(nèi)容。鑒于設(shè)備指標展現(xiàn)多為表格形式，通過for循環(huán)將指標數(shù)據(jù)插入至HTML表格。指標預(yù)警模塊通過運營商內(nèi)部郵箱系統(tǒng)的API接口，將指標預(yù)警內(nèi)容發(fā)送給設(shè)備維護部門。

2 性能監(jiān)控系統(tǒng)功能

IP城域網(wǎng)設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)功能包括以下幾點。

（1）對業(yè)務(wù)地址池、CGN單板利用率、設(shè)備鏈路利用率以及質(zhì)量等客戶行為敏感的指標負荷情況及時監(jiān)控[8,9]。該系統(tǒng)無需人工介入，每日08:00前將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備各類指標情況發(fā)送至維護人員郵箱。發(fā)送預(yù)警郵件如圖2所示。

圖2 預(yù)警郵件

（2）通過留存設(shè)備鏈路狀態(tài)、系統(tǒng)負荷、硬件狀態(tài)等網(wǎng)絡(luò)運行歷史信息，開展自動化統(tǒng)計分析，指導維護人員開展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備升級擴容、優(yōu)化調(diào)整等工作，有效提高工作效率，避免人為疏忽造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，提升網(wǎng)絡(luò)維護水平，保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量[10]。將城域網(wǎng)設(shè)備運行狀態(tài)匯總，通過APaaS平臺實時展現(xiàn)，如圖3所示。根據(jù)業(yè)務(wù)地址池利用率、CGN單板利用率等情況，開展割接擴容工作。依據(jù)地市IPTV節(jié)點春節(jié)期間峰值流量增長情況，指導年度擴容規(guī)模。

圖3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運行匯總

（3）城域網(wǎng)設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)可支持內(nèi)網(wǎng)環(huán)境、外網(wǎng)環(huán)境訪問，支持iOS客戶端、Android客戶端、Windows客戶端以及MacOS客戶端等多終端顯示。系統(tǒng)在移動終端Windows客戶端呈現(xiàn)情況如圖4所示。

圖4 移動終端及Window客戶端系統(tǒng)呈現(xiàn)

（4）本系統(tǒng)借助Python編程及APaaS平臺可實現(xiàn)內(nèi)部功能不斷迭代優(yōu)化，可移植性強，方便定制化開發(fā)[10]。

3 結(jié) 論

IP城域網(wǎng)作為城市內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，其發(fā)生故障的影響范圍大、風險高，須確保城域網(wǎng)設(shè)備穩(wěn)定運行。對城域網(wǎng)設(shè)備開展智能化運維，監(jiān)控城域網(wǎng)設(shè)備性能指標，定期開展隱患排查整治是電信運營商做好網(wǎng)絡(luò)通信保障的基礎(chǔ)。本文從性能采集模塊、分析模塊、存儲模塊以及預(yù)警模塊介紹了城域網(wǎng)設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，并通過實際的應(yīng)用成果進行展示。本成果利用Python語言及APaaS平臺，不僅有效整合了運營商內(nèi)部數(shù)據(jù)網(wǎng)管繁雜的數(shù)據(jù)報表，而且根據(jù)運維需求定制全新的設(shè)備性能指標報表，有效提升網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運維的工作效率。