基于SNMP舰船电力监控网络管理的实现.docx
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基于SNMP舰船电力监控网络管理的实现
基于SNMP舰船电力监控网络管理的实现
韩江桂+邵英+钱美
收稿日期：
2013-06-24
作者简介：
韩江桂（1976—）：
女，新疆乌鲁木齐人，讲师，博士研究生，研究方向：
机电一体化。
通讯联系人，E-mail：
Qianmei2001@
：
1003-6199（2014）03-0065-04
摘要：
电力监控网络是大型舰船电力系统重要的功能组成。
分析舰船能量管理系统监控网络的特点，细化舰船监控网络网络管理的功能。
基于SNMP实现舰船电力监控网络管理的各项功能，重点介绍现场CAN网络的监控管理代理的实现方法和网络管理软件的实现过程。
试验证明，该管理软件能够使管理员直观，快捷地监控网络的运行状态，配置网络参数，查询历史运行记录，达到了预期要求。
关键词：
综合电力系统；能量管理系统；网络管理；SNMP协议
TP27：
A
ImplementationofShipboardPowerMonitoring
NetworkManagementbasedonSNMP
HANJiang-gui1，SHAOYing2，QIANMei2
（1.Dynamicalengineeringinstitute，Wuhan，Hubei430033，China；
2.Electricalengineeringinstitute，NavyUniversityofEngineering，Wuhan，Hubei430033，China）
Abstract：
PowerMonitoringNetworkisoneimportantfunctionofPowerSysteminsmartshipboard.Firstly，thecharacterwasanalysed，andthefunctionofNetworkManagementwasintroducedindetail.ThenthenetworkmanagementsoftwarewasimplementedbasedonSNMP.TheImplementationmethodofCANNetworkManagementAgentandImplementationprocessoftheManagementsoftwareweregiveninfocus.ThetestresultshowsthattheNetworkManagercansimpleandintuitionisticmonitorthenetworkstatus，configurethenetworkdeviceparameter，andquerythenetworkhistoryrecord.Thefunctionsofthenetworkmanagementsoftwaremettheexpectdemand.
Keywords：
integratedpowersystem；powermanagementsystem；networkmanagement；simplenetworkmanagementprotocol
1前言
随着舰船向大型化、智能化方向发展，以及综合电力系统、能量管理系统等概念的提出[1，2]，舰船电力系统的信息化程度越来越高，其信息网络的规模越来越大，越来越复杂，电力系统的各种功能对网络的可靠性、实时性和安全性性能依赖越来越强。
舰船电力监控网络性能在系统设计前就需要认真规划，但后期的网络运行管理也同样重要，因此舰船电力监控网络管理已经成为大型舰船电力监控网络迫切需要解决的问题之一。
本文将讨论现代大型舰船电力信息网络的网络管理的功能及实现方法等相关问题。
2电力监控网络的特点
舰船能量管理系统的信息网络是一种工业控制网络，通常采用“二层网络，三级设备”的网络构架[3，4]，如图1。
上层为冗余的高速交换式工业以太网，连接各种监控主机，下层为现场总线CAN和工业以太网组成的现场网络，连接现场设备，上下两层通过网关和交换机设备连接。
如图1：
舰船电力监控网络是一种工业监控网络，和其它信息网络相比主要有以下特点：
1）在网络的结构上。
舰船能量管理系统中设备比较集中，设备之间的距离比较短，网络的覆盖面积比较小，属于一般的局域网，具有较高的网络效率。
2）在网络性能要求上，舰船强调安全性、可靠性、实时性，不但要保证网络数据的可靠安全传输，还要保证网络设备的可靠运行。
这要求网络设备和网络协议简单有效，所以现场大量采用现场总线设备或工业以太网设备，提高系统的运行效率。
3）在网络的开放性上。
通常计算机信息网络的结构比较开放，可以根据实际需求增加网络设备，但是舰船监控网络是个相对封闭的局域网，在一艘舰船建好运行之后，其网络结构及存在的网络设备就已确定，一般不会变动。
4）在网络设备的行为上。
一般计算机信息网中对于一个网络设备（如一台计算机），它的设备行为是不固定的，可以运行web，电子邮件，QQ，等多种应用软件。
但是舰船监控网络中网络设备的行为是固定的，每种网络设备都其具体的、特定的功能，如数据采集，设备控制等功能。
舰船监控网络的功能特点与一般信息网络有一定的差别，其网络管理的功能应立足于满足其性能管理的需求。
3网络管理的功能
网络管理是对网络的配置、运行状态等全部的操作和维护性活动。
国际标准化组织（ISO）将网络管理划分为五个功能域：
故障管理、配置管理、计费管理、性能管理和安全管理[5，6]，包涵网络管理所有的功能。
舰船能量管理系统信息网络管理应根据起自身特点进行细化，有针对性实现满足其需求的部分功能。
1）性能管理。
能量管理系统信息设备的性能影响整个能量管理系统功能的实现，系统中存在大量CAN和以太网终端设备，受环境影响，其接口状态，通信流量变化极快，因此需要对网络性能进行实时监控。
主要包括监控网络拓扑结构的变化，网络设备的运行状态，以及检测网络各设备端口的流量变化。
使管理员及时了解网络的性能，并及时对网络性能的变化做出反应。
2）配置管理。
能量管理系统需要信息设备可控，这其中包括设备对象的初始化，启动、关闭，以及改变管理对象的属性参数。
为管理员提供管理网络设备，优化网络性能的接口。
3）故障管理。
故障管理包括故障记录，故障查询，是能量管理信息网络故障后诊断，恢复的重要依据。
能量管理系统信息网络的故障管理主要指记录网络重要操作，及故障信息，为管理员查询和修复网络故障提供依据，保证网络有效地运行。
4）安全管理。
网络安全是能量管理系统网络管理的重要功能。
能量管理系统网络是开放的计算机局域网，其安全管理主要涉及标识网络中重要设备，监视并控制网络设备的的接入，和对网络信息的访问控制。
因此对重要设备和信息的访问需要设定必要的安全机制。
根据舰船信息网络特点及对网络性能需求所设计出的网络管理应具有的功能，能够很全面的保证网络的性能，可以实现对舰船能量管理平台网络的综合化管理，实现对信息网络设备的性能监控、配置管理、故障管理，为舰船能量管理各种功能的实现提供可靠的信息传输服务。
4网络管理的实现
SNMP是IETF组织于1990年正式提出的一套基于TCPPIP的应用层网络管理协议[5]，是目前广泛使用的一种网络管理协议，同时也得到了各网络设备制造商的支持。
SNMP采用管理者（manager）和代理（agent）模式。
通常一个标准的网管系统包括4个部分：
网管站（NMS）、代理（Agent）、简单网管协议（SNMP）和管理信息库（MIB），如图2。
代理是常驻在网络节点设备（如路由器、服务器等）上的软件。
它通过接收来自网管站的指令和发送响应信息，操作MIB并对网络设备进行监控和配置。
网管站和代理通过发送SNMP消息进行通信，网管站也可单向接收来自代理的未被请求的消息，了解网络中发生的异常事件（trap）。
通常的以太网设备和交换机直接支持SNMP网络管理协议，已经具有代理进程和MIB库。
因此网络管理实现时，只需要实现CAN网络管理代理，以及网络管理软件的功能。
1）CAN网络管理代理的实现
CAN网络设备不能直接支持SNMP协议，因此需要一个CAN网络的管理代理。
CAN网络代理运行于网关，采用VxWorks嵌入式系统实现，主要实现3个功能。
①接收所在CAN网络的数据包。
一方面按照既定协议将其重新封装成以太网数据包并转发；同时解包获得ID，字节长度信息，并刷新MIB库信息供网络管理站点调用。
②接收上层以太网管理站点的配置指令，并转发至对应CAN节点。
③CAN节点周期性发送心跳报文，当网关在一定时间内未能收到任意CAN节点的心跳报文，则判定其故障离线，并发送trap信息。
在采用SNMP实现CAN网络监控管理时，重要的一个工作是MIB库的设计，以使得在管理者与代理之间使用同一个MIB作为网络信息传输的基础。
图3是远程监控MIB库的对象标识命名树结构示意图，可按路径寻找到CAN网络的对象标识（OID）为1.3.6.1.4.1.1000，或者也可表示为iso.org.dod.internet.private.enterprise.CANNodeList。
CAN管理代理统计CAN总线所有设备的相关信息，并通过以太网与网络管理站交互，以实现CAN网络的管理。
CAN网络管理代理主要统计CAN设备节点的设备状态，输出/输入字节流量、包流量，并根据管理站点指令配置CAN节点的ID，设备名称，滤波器字节等参数。
其数据结构如下：
由于实际运行于同一网段的CAN设备总数是有限的（受存储空间限制，这里设CAN节点数<128），当CAN节点离线时间超过一定时间（10s），则判定其离线，并从CANNodeList中删除。
2）网络管理软件的实现
网络管理软件基于VisualStudio2010实现，在设计过程中，利用SNMP的PDU数据协议以及MIB信息库，构建实现了SNMP管理端程序以及相关数据库表。
本系统主要包含如下功能界面，即：
性能监控界面，配置管理界面，流量查询界面，事件查询界面。
共同完成网络管理的各项功能，软件实现流程如图4。
（1）性能管理页面主要完成网络拓扑的生成与现实，实时显示网络设备和链路的工作状态、流量状态，以便管理者实时了解网络的工作状态，查询设备的信息，如图5。
（2）配置管理界面主要完成网络设备的配置。
对于CAN和以太网终端设备，可以配置其节点的ID，设备名称，滤波器字节，速率等。
以太网交换机提供了丰富的配置功能，通过配置VLAN、QoS可以优化网络的实时性能；通过配置生成树（STP/RSTP）、链路聚合（Trunking）等协议可以实现网络冗余，提高网络的可靠性；通过配置SNMP群组及设定密码可以实现安全管理，保障重要设备的重要参数不被非法访问和修改。
（3）流量查询和事件查询可以查询网络的历史运行状况，用于网络故障诊断，故障管理等功能。
总之，通过4个功能界面基本实现了，管理员能够直观，快捷监控网络的运行状态。
图5网络管理监控界面
5总结
电力系统大型船舶的重要组成部分，电力监控网络的管理是大型舰船电力系统重要的功能组成，本文针对舰船电力监控网络的特点，基于SNMP协议实现了网络管理的各项功能，试验证明，该管理软件能够使管理员直观，快捷监控网络的运行状态，达到了预期要求。
随着舰船大型化，现代化的发展，舰船电力系统的规模越来越大，设备网络越来越复杂，对网络管理的要求将越来越多，管理的自动化和智能化程度也越来越高，网络管理的功能和实现方法也有必要进一步研究。
参考文献
[1]马伟明.舰船动力发展的方向-综合电力系统[J].上海海运学院学报，2004，25
（1）：
1-11.
[2]方万水，李炜，蔡敬标.国外舰船综合平台管理系统发展概述[J].舰船科学技术，2005，27
（1）：
94-96.
[3]汤洁，万曼影.CAN网络在舰船系统中的应用[J].江苏船舶，2000，17（3）：
38-41.
[4]吴瑞林，韩小钢，常汉宝.现场总线技术在舰船监控系统中的应用[J].海军工程学院学报，1999（3）：
123-126.
[5]杨家海.网络管理原理与实现技术[M].北京：
清华大学出版社，2000.
[6]武孟军，任相臣.VisualC++开发基于SNMP的网络管理软件[M]北京：
人民邮电出版社，2009.
1）性能管理。
能量管理系统信息设备的性能影响整个能量管理系统功能的实现，系统中存在大量CAN和以太网终端设备，受环境影响，其接口状态，通信流量变化极快，因此需要对网络性能进行实时监控。
主要包括监控网络拓扑结构的变化，网络设备的运行状态，以及检测网络各设备端口的流量变化。
使管理员及时了解网络的性能，并及时对网络性能的变化做出反应。
2）配置管理。
能量管理系统需要信息设备可控，这其中包括设备对象的初始化，启动、关闭，以及改变管理对象的属性参数。
为管理员提供管理网络设备，优化网络性能的接口。
3）故障管理。
故障管理包括故障记录，故障查询，是能量管理信息网络故障后诊断，恢复的重要依据。
能量管理系统信息网络的故障管理主要指记录网络重要操作，及故障信息，为管理员查询和修复网络故障提供依据，保证网络有效地运行。
4）安全管理。
网络安全是能量管理系统网络管理的重要功能。
能量管理系统网络是开放的计算机局域网，其安全管理主要涉及标识网络中重要设备，监视并控制网络设备的的接入，和对网络信息的访问控制。
因此对重要设备和信息的访问需要设定必要的安全机制。
根据舰船信息网络特点及对网络性能需求所设计出的网络管理应具有的功能，能够很全面的保证网络的性能，可以实现对舰船能量管理平台网络的综合化管理，实现对信息网络设备的性能监控、配置管理、故障管理，为舰船能量管理各种功能的实现提供可靠的信息传输服务。
4网络管理的实现
SNMP是IETF组织于1990年正式提出的一套基于TCPPIP的应用层网络管理协议[5]，是目前广泛使用的一种网络管理协议，同时也得到了各网络设备制造商的支持。
SNMP采用管理者（manager）和代理（agent）模式。
通常一个标准的网管系统包括4个部分：
网管站（NMS）、代理（Agent）、简单网管协议（SNMP）和管理信息库（MIB），如图2。
代理是常驻在网络节点设备（如路由器、服务器等）上的软件。
它通过接收来自网管站的指令和发送响应信息，操作MIB并对网络设备进行监控和配置。
网管站和代理通过发送SNMP消息进行通信，网管站也可单向接收来自代理的未被请求的消息，了解网络中发生的异常事件（trap）。
通常的以太网设备和交换机直接支持SNMP网络管理协议，已经具有代理进程和MIB库。
因此网络管理实现时，只需要实现CAN网络管理代理，以及网络管理软件的功能。
1）CAN网络管理代理的实现
CAN网络设备不能直接支持SNMP协议，因此需要一个CAN网络的管理代理。
CAN网络代理运行于网关，采用VxWorks嵌入式系统实现，主要实现3个功能。
①接收所在CAN网络的数据包。
一方面按照既定协议将其重新封装成以太网数据包并转发；同时解包获得ID，字节长度信息，并刷新MIB库信息供网络管理站点调用。
②接收上层以太网管理站点的配置指令，并转发至对应CAN节点。
③CAN节点周期性发送心跳报文，当网关在一定时间内未能收到任意CAN节点的心跳报文，则判定其故障离线，并发送trap信息。
在采用SNMP实现CAN网络监控管理时，重要的一个工作是MIB库的设计，以使得在管理者与代理之间使用同一个MIB作为网络信息传输的基础。
图3是远程监控MIB库的对象标识命名树结构示意图，可按路径寻找到CAN网络的对象标识（OID）为1.3.6.1.4.1.1000，或者也可表示为iso.org.dod.internet.private.enterprise.CANNodeList。
CAN管理代理统计CAN总线所有设备的相关信息，并通过以太网与网络管理站交互，以实现CAN网络的管理。
CAN网络管理代理主要统计CAN设备节点的设备状态，输出/输入字节流量、包流量，并根据管理站点指令配置CAN节点的ID，设备名称，滤波器字节等参数。
其数据结构如下：
由于实际运行于同一网段的CAN设备总数是有限的（受存储空间限制，这里设CAN节点数<128），当CAN节点离线时间超过一定时间（10s），则判定其离线，并从CANNodeList中删除。
2）网络管理软件的实现
网络管理软件基于VisualStudio2010实现，在设计过程中，利用SNMP的PDU数据协议以及MIB信息库，构建实现了SNMP管理端程序以及相关数据库表。
本系统主要包含如下功能界面，即：
性能监控界面，配置管理界面，流量查询界面，事件查询界面。
共同完成网络管理的各项功能，软件实现流程如图4。
（1）性能管理页面主要完成网络拓扑的生成与现实，实时显示网络设备和链路的工作状态、流量状态，以便管理者实时了解网络的工作状态，查询设备的信息，如图5。
（2）配置管理界面主要完成网络设备的配置。
对于CAN和以太网终端设备，可以配置其节点的ID，设备名称，滤波器字节，速率等。
以太网交换机提供了丰富的配置功能，通过配置VLAN、QoS可以优化网络的实时性能；通过配置生成树（STP/RSTP）、链路聚合（Trunking）等协议可以实现网络冗余，提高网络的可靠性；通过配置SNMP群组及设定密码可以实现安全管理，保障重要设备的重要参数不被非法访问和修改。
（3）流量查询和事件查询可以查询网络的历史运行状况，用于网络故障诊断，故障管理等功能。
总之，通过4个功能界面基本实现了，管理员能够直观，快捷监控网络的运行状态。
图5网络管理监控界面
5总结
电力系统大型船舶的重要组成部分，电力监控网络的管理是大型舰船电力系统重要的功能组成，本文针对舰船电力监控网络的特点，基于SNMP协议实现了网络管理的各项功能，试验证明，该管理软件能够使管理员直观，快捷监控网络的运行状态，达到了预期要求。
随着舰船大型化，现代化的发展，舰船电力系统的规模越来越大，设备网络越来越复杂，对网络管理的要求将越来越多，管理的自动化和智能化程度也越来越高，网络管理的功能和实现方法也有必要进一步研究。
参考文献
[1]马伟明.舰船动力发展的方向-综合电力系统[J].上海海运学院学报，2004，25
（1）：
1-11.
[2]方万水，李炜，蔡敬标.国外舰船综合平台管理系统发展概述[J].舰船科学技术，2005，27
（1）：
94-96.
[3]汤洁，万曼影.CAN网络在舰船系统中的应用[J].江苏船舶，2000，17（3）：
38-41.
[4]吴瑞林，韩小钢，常汉宝.现场总线技术在舰船监控系统中的应用[J].海军工程学院学报，1999（3）：
123-126.
[5]杨家海.网络管理原理与实现技术[M].北京：
清华大学出版社，2000.
[6]武孟军，任相臣.VisualC++开发基于SNMP的网络管理软件[M]北京：
人民邮电出版社，2009.
1）性能管理。
能量管理系统信息设备的性能影响整个能量管理系统功能的实现，系统中存在大量CAN和以太网终端设备，受环境影响，其接口状态，通信流量变化极快，因此需要对网络性能进行实时监控。
主要包括监控网络拓扑结构的变化，网络设备的运行状态，以及检测网络各设备端口的流量变化。
使管理员及时了解网络的性能，并及时对网络性能的变化做出反应。
2）配置管理。
能量管理系统需要信息设备可控，这其中包括设备对象的初始化，启动、关闭，以及改变管理对象的属性参数。
为管理员提供管理网络设备，优化网络性能的接口。
3）故障管理。
故障管理包括故障记录，故障查询，是能量管理信息网络故障后诊断，恢复的重要依据。
能量管理系统信息网络的故障管理主要指记录网络重要操作，及故障信息，为管理员查询和修复网络故障提供依据，保证网络有效地运行。
4）安全管理。
网络安全是能量管理系统网络管理的重要功能。
能量管理系统网络是开放的计算机局域网，其安全管理主要涉及标识网络中重要设备，监视并控制网络设备的的接入，和对网络信息的访问控制。
因此对重要设备和信息的访问需要设定必要的安全机制。
根据舰船信息网络特点及对网络性能需求所设计出的网络管理应具有的功能，能够很全面的保证网络的性能，可以实现对舰船能量管理平台网络的综合化管理，实现对信息网络设备的性能监控、配置管理、故障管理，为舰船能量管理各种功能的实现提供可靠的信息传输服务。
4网络管理的实现
SNMP是IETF组织于1990年正式提出的一套基于TCPPIP的应用层网络管理协议[5]，是目前广泛使用的一种网络管理协议，同时也得到了各网络设备制造商的支持。
SNMP采用管理者（manager）和代理（agent）模式。
通常一个标准的网管系统包括4个部分：
网管站（NMS）、代理（Agent）、简单网管协议（SNMP）和管理信息库（MIB），如图2。
代理是常驻在网络节点设备（如路由器、服务器等）上的软件。
它通过接收来自网管站的指令和发送响应信息，操作MIB并对网络设备进行监控和配置。
网管站和代理通过发送SNMP消息进行通信，网管站也可单向接收来自代理的未被请求的消息，了解网络中发生的异常事件（trap）。
通常的以太网设备和交换机直接支持SNMP网络管理协议，已经具有代理进程和MIB库。
因此网络管理实现时，只需要实现CAN网络管理代理，以及网络管理软件的功能。
1）CAN网络管理代理的实现
CAN网络设备不能直接支持SNMP协议，因此需要一个CAN网络的管理代理。
CAN网络代理运行于网关，采用VxWorks嵌入式系统实现，主要实现3个功能。
①接收所在CAN网络的数据包。
一方面按照既定协议将其重新封装成以太网数据包并转发；同时解包获得ID，字节长度信息，并刷新MIB库信息供网络管理站点调用。
②接收上层以太网管理站点的配置指令，并转发至对应CAN节点。
③CAN节点周期性发送心跳报文，当网关在一定时间内未能收到任意CAN节点的心跳报文，则判定其故障离线，并发送trap信息。
在采用SNMP实现CAN网络监控管理时，重要的一个工作是MIB库的设计，以使得在管理者与代理之间使用同一个MIB作为网络信息传输的基础。
图3是远程监控MIB库的对象标识命名树结构示意图，可按路径寻找到CAN网络的对象标识（OID）为1.3.6.1.4.1.1000，或者也可表示为iso.org.dod.internet.private.enterprise.CANNodeList。
CAN管理代理统计CAN总线所有设备的相关信息，并通过以太网与网络管理站交互，以实现CAN网络的管理。
CAN网络管理代理主要统计CAN设备节点的设备状态，输出/输入字节流量、包流量，并根据管理站点指令配置CAN节点的ID，设备名称，滤波器字节等参数。
其数据结构如下：
由于实际运行于同一网段的CAN设备总数是有限的（受存储空间限制，这里设CAN节点数<128），当CAN节点离线时间超过一定时间（10s），则判定其离线，并从CANNodeList中删除。
2）网络管理软件的实现
网络管理软件基于VisualStudio2010实现，在设计过程中，利用SNMP的PDU数据协议以及MIB信息库，构建实现了SNMP管理端程序以及相关数据库表。
本系统主要包含如下功能界面，即：
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