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宽带多媒体卫星网络
摘要
随着计算机技术和信息技术的快速发展，卫星网络与人们的生活的关系越来越密切。
宽带多媒体卫星网络作为能够提供宽带、高速传输、多媒体业务，实现全球无缝隙覆盖的互联手段，越来越为人们所重视。
无论对于任何网络，网络管理在网络运行过程中发挥着重要作用。
而配置管理和性能管理在整个网络管理中处于非常重要的地位。
但相对于地面网络而言，宽带多媒体卫星网络规模庞大，组成的设备复杂多样，其特有的高时延性、动态性、异构性、资源的有限性决定了网络管理尤其是配置管理和性能管理的作用更为突出。
本文重点研究宽带多媒体卫星网络管理的结构特点，并分析该网络的管理系统，根据OSI网络管理模型的结构以及宽带多媒体卫星网络的特点对功能模型中的配置管理做了重点研究与实现。
首先介绍宽带多媒体卫星的拓扑结构和ATM技术在网络中的应用；其次详细探讨了网络管理的设计思想、体系结构、通信机制和管理协议；接着研究了网络管理中的拓扑发现算法，拓扑中Ping命令；并在此基础上，设计了基于SMNP协议的配置管理系统，实现了对卫星设备，终端设备配置信息的查询，修改，备份和同步。
关键词：
宽带多媒体卫星网络；SNMP协议；配置管理
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthenetworkandthesatellitecommunicationtechnology,theglobalizationoftheinformationisproceedingnearly.Thebroadbandmulti-mediasatellitenetworkisgettingmoreandmoreattentionasitcanprovidebroadband,high-speedtransmission,multi-mediafunctionsandrealizeglobalnon-seamcoverage.
Mypaperfocustodiscussthestructurecharacteristicsofbroadbandmulti-mediasatellitenetworkmanagement,andanalyzedthenetworkmanagementsystem.AccordingtothestructureoftheOSInetworkmanagementmodelandthecharacteristicsofbroadbandmultimediasatellitenetwork,researchandachievetheconfigurationmanagementandperformancemanagement.
FirstlyI'dliketointroducethetopologyofbroadbandmulti-mediasatelliteandtheapplicationofATMtechnologyinnetwork,andsecondlyanalyzesnetworkmanagementindetail,systemstructure,communicationmechanismandmanagementagreement.ThenresearchthenetworktopologydiscoveryalgorithmandthemanagementofPingcommand.Onthisbasis,designamanagementsystembasedonSMNPagreement.Implementationofsatelliteequipment,terminalequipmentconfigurationinformationaccess,modify,backupandsynchronization.
Keywords:
BroadbandMulti-mediaSatelliteNetwork,SNMPProtocol,ConfigurationManagement
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题背景1
1.2国内外研究现状2
1.3本文研究内容3
2宽带多媒体卫星网络4
2.1宽带多媒体卫星网络拓扑结构4
2.2ATM技术5
2.2.1ATM技术简介5
2.2.2ATM交换原理7
2.3ATM在宽带多媒体卫星通信网络中的应用7
2.3.1卫星ATM网络的优点7
2.3.2卫星ATM网络的结构8
3宽带多媒体卫星网络管理系统10
3.1宽带多媒体卫星网络管理系统体系结构10
3.1.1宽带多媒体卫星网络管理体系结构11
3.2宽带多媒体卫星网络的通信机制12
3.2.1通信链路12
3.2.1通信机制13
3.3SNMP协议14
3.3.1SNMP协议体系结构14
3.3.2SNMP消息格式14
3.4功能模型17
3.4.1配置管理功能模块17
3.4.2计费管理功能模块17
3.4.3安全管理功能模块18
3.4.4性能管理功能模块18
3.4.5故障管理功能模块19
3.5管理功能模块之间的关系19
4配置管理的研究与实现23
4.1需求分析23
4.2基于SNMP的卫星网络配置管理的方案研究与实现24
4.2.1网络自动拓扑结构25
4.2.2查询设备信息模块27
4.2.3获取设备状态模块32
4.2.4查询并获取设备状态信息实现33
4.2.5设备配置信息的备份与恢复35
结论37
致谢38
参考文献39
附录A42
附录B46
1绪论
1.1课题背景
随着1957年10月人类第一颗人造卫星的发射，航天技术和信息技术进入了飞速发展和应用阶段。
卫星由于其通信距离远、覆盖范围广、机动灵活、通信线路稳定可靠等诸多优势被逐渐应用到军事、经济、通信、导航、预警、气象、资源探测等各个领域[1]。
在早期的五六十年代，人类发射的卫星规模、重量较小，功能也较单一，七十年代以后，随着航天技术的不断成熟，人们对卫星性能要求的不断增加，对空间信息的要求不断提高[2]。
目前包括美国、俄罗斯在内的各航天军事强国，都相继展开了以不同种类卫星组网为核心的空间网络技术研究，以期在未来通过强有力的空间网络保障获得信息优势和决策优势[3]。
近年来，我国航天事业也有了长足的发展，越来越多的中低轨道的对地观测、气象应用等卫星进入太空，使得卫星在各领域内的应用越来越广泛，同时国防、国土资源管理、气象预报、灾难预防和救灾等各重要领域对卫星的依赖性越来越大[4]。
宽带多媒体卫星系统是由宽带多媒体卫星、地面网管控制传输中心及远端卫星终端设备组成的系统,可与地面网络通过标准接口互连互通[10~16]。
随着时间的推移，宽带多媒体卫星系统的用途也将越来越宽广。
无论对于何种任何网络，高效和可靠的网络管理都将是一个重要而且必需的内容，对于复杂而庞大的卫星网络系统更是如此。
宽带多媒体卫星网络的网络管理不同于传统的地面网络管理系统，也不同于卫星的地面监控系统，而且宽带多媒体卫星与利用传统通信卫星进行多媒体通信的概念不同，后者是利用早期的弯管式通信卫星，采用透明信道，不利于带宽的选择以及协议通信优势的发挥，而宽带多媒体卫星是采用ATM交换技术，具有星上处理功能，能够充分地利用转发器资源，最大限度满足信息传输速率的要求，提高频率复用度，是多媒体信息利用卫星进行传播的管理系统，必须要在系统所在的各个层面上提供强大而高效的管理和控制。
然而，系统独有的网元节点和运行特性以及未来星间联网的发展趋势却给网络管理技术带来了新的挑战，成为网络管理的难点所在。
为了使宽带多媒体卫星网络系统达到相对自主、高效运行，并保证信息的安全和可靠传输，单靠目前的网络管理技术是难以实现的，因此，迫切需要开展有针对性的网络管理技术的研究[15-19]。
1.2国内外研究现状
随着经济和世界全球信息化的快速发展，市场对宽带的需求越来越旺盛，与此同时，卫星通信技术有了新的突破，宽带多媒体卫星越来越得到世界范围的认可。
国外对宽带多媒体卫星的研究工作起步较早，美国和欧洲都掌握了宽带多媒体卫星的多项关键技术。
欧洲大陆提出了六个多媒体卫星通信系统计划[9]，即欧空局的ARTEMIS卫星系统和EuroSkyway卫星系统，法国AlcateEspace公司的Skybridge计划，德国的DFS哥白尼计划，卢森堡的ASTRA-1H和ASTRA-1K计划。
除上述计划外，还有欧盟的SECOMS/ABATE试验计划等[17]。
以前的宽带卫星系统为一至三代，现在欧洲和美国几家大公司开发的宽带卫星系统是属于新一代宽带卫星通信系统—多媒体通信卫星网络，即称之为第四代，它的主要特点是采用星上处理和交换，把通信路由功能从地面中央设备转移到空间卫星上，改星上电路交换方式为快速数据分组交换方式，这种方式极大地提高了下行链路的利用效率，可以使网络业务提供商为用户提供数千兆的通信容量，满足多种通信的需求[8]。
上世纪90年代美国、欧洲涌现出了20多个“宽带卫星”计划，比如：
美国Motorola承建的“Teledesic”系统，阿尔卡特公司的“天桥（SkyBridge）”系统、休斯公司的“太空之路（Spaceway）”系统、洛克希德·马丁公司的“宇宙链路（Astrolink）”系统，这些系统应用于军事、经济各个领域，为不同用户提供各种各样的通信服务，包括互联网应用，宽带多媒体移动通信等[10]。
美国自1997年以来，美联邦通信委员会（FCC）已开展了四轮多媒体卫星通信系统牌照申请的工作（NoticeofProposedRuleMaking，简称NPRM），各个公司可以为各自提出的系统申请新的卫星频段（Ka或Q/V频段）或是采用Ku频段中的非静止轨道卫星频段。
至今已经提出了23个Ka波段系统（涉及91颗静止轨道卫星（GSO）和500颗非静止轨道卫星（NGSO）、16个Q/V系统（涉及95颗GSO卫星和66颗NGSO卫星）和6个Ku波段NGSO系统（涉及238颗NGSO卫星）。
最终获得FCC许可证的Ka频段系统有14个，其中有名的系统是Astrolink、Echostar、Spaceway、Millenium、NetSat28、Orion、Teledesic等[15-19]。
与欧美等其它国家相比，我国的多媒体通信卫星起步较晚。
但事实上中国是世界上最适合发展卫星通信的国度之一，有三分之二的国土面积不适宜铺设地面光缆，生活在那里的人民要享受宽带多媒体信息服务，空中宽带可能是唯一途径。
而在地面网比较发达或即将发达的地区，虽然卫星通信有可能不是主要传输手段，但依然可能成为地面网很好的补充。
从1984年我国第一颗实用通信卫星投入使用，这期间通信卫星的技术发展有了跨越式的进步。
到2000年4月底，我国国际互联网的总带宽已达700MHz，其中利用卫星的带宽为208MHz。
国内的因特网用户已达1000万，按目前国际发展现状，如有10％的用户通过卫星接入因特网，则其用户可达100万，可见其潜力巨大。
就宽带多媒体卫星而言，典型的应用是中国教育卫星宽带多媒体传输平台，这是教育部现代远程教育工程，己完成了与中国教育科研网的高速互联[19]。
目前，虽然我国还没有自己的宽带多媒体卫星通信系统，但利用现有的通信卫星进行多媒体通信的应用却是方兴未艾。
国内针对宽带多媒体卫星网络的管理研究尚处于预研阶段。
中国气象局卫星通信网采用SNMP技术和产品实现对卫星通信的射频、中频等设备的集中、统一管理，进而与采用标准商用SNNP协议的地面网络的实现统一管理[20]。
综上所述，宽带多媒体卫星网络管理系统是我国正在建设中的新一代宽带多媒体卫星系统的重要组成部分。
但是针对它的网络管理系统还十分不完善，而配置管理和性能管理又是网络管理中非常重要的模块，所以针对宽带多媒体卫星网络管理系统研究其配置管理和系能管理以提高网络的使用效率、保证卫星系统的安全可靠和有效运行具有十分重要的现实意义。
1.3本文研究内容
为了使卫星网络能够长期可靠的运营，保证多种业务传输的质量，卫星网络管理系统成为卫星系统中主要研究工作。
通过检测他的运行状态，性能数据等方法，可以及时发现网络故障并加以解决，优化网络资源分配，从而使网络高效正常运行，怎么保证网络性能和服务质量，是网络管理中研究的关键，也是本文的研究重点。
本文以卫星网络管理系统的研究为主线，着重对配置管理和性能管理进行研究。
第一章介绍了宽带多媒体卫星网络以及国内外卫星网络管理的研究现状。
第二章对宽带多媒体卫星网络、管理体系结构各部分功能进行了详细的介绍，研究ATM技术在宽带多媒体卫星网络中的应用。
第三章对宽带多媒体卫星网络管理系统的总体叙述。
第四章对宽带多媒体卫星网络的网络管理系统的配置管理进行研究设计并进行仿真。
2宽带多媒体卫星网络
宽带多媒体卫星系统是由宽带多媒体卫星、地面网管控制传输中心及远端卫星终端设备组成的系统，可与地面网络通过标准接口互连互通[22]。
根据星上有效载荷的配置情况，宽带多媒体卫星系统可以分为“透明”转发的通信卫星系统和具有星上处理和交换能力的通信卫星系统。
“透明”通信卫星对信号只进行频率变化和功率放大，并不对信息本身进行处理，所有的数据信息处理和通信协议处理都在通信卫星系统的用户终端、关口站和地面网络管理控制中心进行。
“透明”转发卫星的系统灵活性受到了很大的限制，对于日益增长的地面终端用户数量及多种业务传送需求显得力不从心。
新一代宽带多媒体卫星系统采用星上处理和交换机制，具有信道化处理、星上信号再生、信息存储交换等多种处理能力，大大提高了信息传输质量和系统的灵活性，以适当增加星上设备处理能力的方式大大降低了地面设备信息处理的压力，为拓展地面应用系统开辟了宽阔的渠道[25]。
本章研究了卫星网络的拓扑结构，并讨论了ATM技术和ATM技术在宽带多媒体卫星网络中的应用。
2.1宽带多媒体卫星网络拓扑结构
宽带多媒体卫星系统中的通信实体由空间段和地面段两部分构成。
空间段为一GEO卫星，星上具有基带信息处理和ATM交换的功能[22]。
地面段由一个网络控制中心以及若干个地面终端和关口站构成。
关口站主要提供宽带多媒体卫星系统和地面固定网络的互通能力，也可以供用户终端接入卫星通信网；专用终端为宽带多媒体卫星用户提供直接接入服务，能够提供多种不同的业务接入类型，专用终端可根据用户需求和性能选用不同配置；网络控制中心是宽带多媒体卫星系统监测网络整体性能，管理和控制网络资源以及维护网络正常运行的核心，负责全网基本管理参数的收集和处理,管理策略的制定和调整，管理行为的发动和实施以及各种业务的接入和发布等工作[22]。
系统采用ATM传输交换体制，通过标准接口与地面网络互联互通，为用户提供视频、数据通信以及互联网接入等各类服务。
宽带多媒体卫星网络的网络拓扑结构[22]如图2.1所示。
图2.1宽带多媒体卫星系统的网络拓扑结构
在宽带多媒体卫星网络系统中采用多波束通信方式，由32个点波束构成。
由于采用GEO卫星，其覆盖方式既是卫星固定覆盖同时也是地球固定覆盖。
每个波束分配一个转发器，每一个转发器带宽是128MHz。
系统上行采用MF-TDMA多址方式，每个点波束由48个子载波组成，每个子载波的带宽为2Mbps，采用TDMA方式接入，可以支持的终端上行速度为16kbps～2Mbps；关口站可以根据带宽预分配的情况，支持2Mbps～100Mbps的上行速率；网络的下行采用TDM多路复用方式，每个波束采用单载波，可以支持100Mbps的数据速率。
关口站的数量可以根据该波束覆盖下的地区内业务量而定[17]。
2.2ATM技术
2.2.1ATM技术简介
ATM（AsynchronousTrallsferMode）顾名思义就是异步传输模式，是国际电信联盟ITU-T制定的标准，根据多年的实践运用，国际电信联盟经过协调研究，于1988年正式命名为AsynchronousTrallsferMode技术，推荐其为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式[28]。
ATM是一种面向连接的快速分组交换技术。
ATM信元有48个字节信息域和5个字节的头。
头中的VPI和VCI保存有路由信息。
ITU-T的规范I.356建议[29]定义了ATM中的一些服务质量性能参数；信元差错率CER、信元丢失率CLR、信元误差率CMR、严格信元块错误率SECBR、信元传输时延CTD、信元时延抖动CDV、平均传输时延MCTD。
并且将不同业务主要分为4种业务类型，即：
恒定比特率（CBR，constantbitrate）、可变比特率（VBR，variablebitrate）、可用比特率（ABR，availablebitrate）和未定比特率（UBR，unspecifiedbitrate）业务。
这些不同的业务类型具有各自不同的业务特性和QoS要求[29]。
地面ATM对于不同多媒体业务的调度策略，常称为ATM网络连接允许控（CAC，ConnectionAdmissionControl），已有非常广泛的研究，大致可分为基于模型和基于测量两大类[28]。
上述四种业务中，UBR业务适合于那些非实时的、无QoS要求的应用。
由于UBR业务不要求任何的QoS保证，因此对于该业务可以不执行CAC过程，任何属于UBR业务的连接建立请求均能被网络接受，但网络并不为其分配相应的资源（如带宽），当网络空闲时就传送UBR业务信元，当网络拥塞时，首先可以丢弃UBR信元。
因此地面ATM资源调度策略的相关研究文献大多主要将重点放在CBR、VBR和ABR等高等级业务的连接允许控制机制上。
这会对Internet中大量存在的尽力传输业务（UBR业务）有很大的负面影响[30]。
在保证高等级业务QoS前提下，尽量提高UBR业务的性能这方面的研究文献还比较少。
ATM是一种传输模式，在这一模式中，需要传输的信息被用户封装为信元，由于来自用户的各个信元不需要周期性出现，因此这种传输模式是异步的[31][32]。
ATM信元分为固定的53字节，由2个部分组成，分为信头和信元净荷。
信头由5个字节组成，主要功能是确定虚通道和虚通路。
在信头的组成部分中，虚通道标识符（VPI）和虚通路标识符（VCl）是最重要的。
这两个部分构成了一个信元的路由信息，该信息表示这个信元的来源和去处，并完成相应的路由控制；信元净荷由48个字节组成，用来装载来自不同用户，不同业务的数据。
如图2.2所示：
图2.2信元的基本结构
封装成统一格式的信元传递到接收端后转化成所需的格式。
由于ATM技术交换过程简单，省略了不必要的数据校验，信元格式固定容易处理，因此ATM交换速率大大高于传统的数据网。
由于ATM拥有网络传输数据的速率较高的特点，因此，ATM网络采取了一些有效的业务流量监控机制，把网络拥塞发生的可能性降到最低。
对不同的业务进行不同的处理，分配不同的网络资源，这样就保证了不同的业务在网络中相互独立，互不影响。
2.2.2ATM交换原理
与传统的IP传输方式是面向无连接的方式不同，ATM传输是一种面向连接的交换方式，ATM采用了虚连接技术，将逻辑子网和物理子网分离。
当信元到达交换机时，ATM交换机根据ATM信元的头部信息，参照ATM路由表进行交换。
其工作过程大致是：
ATM交换机接受来自指定输入端口、带有VPI/VCI标记的特定信元，然后根据VPI/VCI的标示查找对照表找出其对应的交换机输出端口，对照表将给出该交换机的一个对应输出端口以及用于更新信头的VPI和VCI值，再按照新的VPI/VCI值进行转发。
ATM交换机和VPI/VCI的关系如图2.3所示：
图2.3VPI/VCI交换过程示意图
由于ATM采用了虚连接技术，可以将逻辑子网和物理子网分离，在两个通信实体之间建立虚通路，将路由选择与数据转发相分离，使传输中间的控制较为简单，进而解决了路由选择瓶颈问题。
设立两级寻址，虚通道由多条复用的虚通路组成的，网络的管理和交换功能只需作用在虚通道一级，降低了网络管理控制的复杂性。
不同连接的数据通过虚通道和虚通路标示符来进行区分，同一条通路上传输的数据单元均在相同的物理线路上传输，信元会按照从源节点发送的顺序先后到达接收端，因此避免了分组交换中无序接收的缺点，保证了数据的连续性，更适合于多媒体数据的传输[11]。
2.3ATM在宽带多媒体卫星通信网络中的应用
2.3.1卫星ATM网络的优点
尽管每个ATM信元53字节有5个字节报头，冗余量占9.4%。
但效率提高的主要原因是灵活的带宽分配。
宽带多媒体卫星通信网络将卫星通信和ATM技术的优势结合起来，具有宽带宽、传输速率高、可以灵活分配带宽以及可以满足多媒体业务的需求等特点。
还具有以下优点：
[32][33][34]
1.覆盖面积广。
卫星可以在其波束覆盖范围内的任意地区提供多媒体业务。
2.简易交换的控制过程。
ATM交换是根据信元头中VPI/VCI进行的，因此不需要外部的控制就可以进行路由交换，所以交换的控制被降到了最低程度。
3.信息处理速度快。
由于ATM信元有其固定的格式，信息的存储、传输、处理均以信元为基本单位，因此信息的处理速度较快。
4.网络的灵活性较高。
ATM可以传输不同速率的业务，因此，传输速率不相同的各终端均能接入到网络中，实现相互兼容。
此外，可以通过对各个终端定义不同的虚通道地址，可以建立不同的网络层次结构，满足特定的要求。
5.网络控制和管理简易。
由于ATM信元规定好了其特定的标识符，因此可以在网络中定义一条或多条信令通道，还可以为网管信息定义特定的信道，这样利用这些通道各地球站、网络管理中心、星上控制器之间，传送管理和控制信息就变得更加的简单。
6.提供的服务具有种类多、灵活的特点。
在不同的地点建立ATM网络以后卫星可以提供十分灵活的多点传输、网络互连以及多媒体通信的要求。
由此可见，ATM技术应用于卫星网络上，既可以发挥卫星投资少、见效快、通信容量大等特点，又能充分发挥ATM网的灵活性和适应性。
卫星通信与ATM网的结合，为人们能够即时、便捷、低费用的获取信息提供了一个良好的平台。
2.3.2卫星ATM网络的结构
卫星ATM网络结构有两种基本类型：
一种是采用星上交换的卫星ATM结构；另一种是采用透明弯管的ATM结构。
采用星上交换的卫星ATM结构中，交换部分是卫星的有效载荷，卫星负责ATM信元的交换，星上处理功能一般分布在地面网络管理中心与卫星ATM交换机之间。
根据网络的连接类型将网络划分为3种网络结构[22]：
1.ATM网络接入，使用低速的卫星链路将远程ATM主机连接到地面网络上，星上交换与地面ATM网络的接口是网络与网络接口（NNI），ATM主机与星上交换之间的接口是用户网络接口（UNI）。
2.网状ATM，在网络中若干个卫星通过卫星之间的链路在空中形成一个ATM网络，提供ATM网络的接入与互连功能，卫星与卫星之间的接口是NNI。
3.ATM网络互连，在这个网络中，卫星作为一个ATM网络的节点，它通过高速链路与多个地面ATM网络互连，接口是NNI。
在采用透明弯管的ATM结构中，卫星上不具备处理和交换功能，卫星上只需配备最小的缓冲器，所有协议的处理都是在地面的用户终端、关口站和网络管理控制中心完成。
星上交换对于网络通信的连接安
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