本文在全面綜述的基礎上，深入分析了基於人工智能技術在網絡診斷中的應用，在此基礎上重點研究了以路由接口為對象的BP網絡故障診斷模型。論文采用6種物理故障指標、9種運行狀態指標，訓練獲得針對網絡接口故障的BP神經網絡診斷模型。以此為基礎，經需求分析，根據實際應用設計並實現了智能網絡管理系統，系統主要包括：用戶管理、網絡監測、配置管理、和故障診斷四個模塊，用戶管理模塊用於記錄管理員相關信息；配置管理模塊可通過Web頁面對網絡設備進行配置；故障診斷模塊作為論文研究的重點，采用BP網絡故障診斷模型實現網絡故障的分析與診斷；網絡監測模塊展示網絡設備運行參數與運行狀態。
本文將BP神經網絡模型與現代網絡管理技術相結合，對於此類系統的研究和設計具有壹定的借鑒意義和參考價值。
關鍵詞：BP神經網絡；網絡故障；SNMP；網絡管理
1緒論
1.1研究背景與研究目的意義
中國互聯網絡信息中心（CNNIC，2018）發布了截至2018年12月的第43次中國互聯網發展統計報告。根據該報告，截至2018年12月，中國互聯網用戶數量為8.29億，並且每年保持在5000多萬增量。而且這種趨勢將在未來幾年繼續保持。5G時代的來臨將會加快促進互聯網與其他產業融合，網絡規模必然會進壹步增大。
傳統的網絡管理系統以分布式網絡應用系統為基礎，采用軟件和硬件相結合的方式。SNMP協議是目前網絡管理領域運用最為廣泛的網絡管理協議，它將從各類網絡設備中獲取數據方式進行了統壹化，幾乎所有的網絡設備生產廠商都支持此協議。然而傳統的基於SNMP的網絡管理軟件大多基於C/S架構，存在著擴展性和靈活性差，升級維護困難等缺點，對網為網絡的管理帶來了壹定程度的不便。因此，基於三層的網管系統己經成為發展趨勢，隨著Web技術迅猛發展，誕生了以Web瀏覽器和服務器為核心，基於B/S ( Browser/Server)架構的“Web分布式網絡管理系統”，它具有不依賴特定的客戶端應用程序，跨平臺，方便易用，支持分布式管理，並且可動態擴展和更新等優點。
本文將重點研究基於BP故障診斷模型，實現了壹種以接口故障為研究對象的智能網絡管理系統模型，並以此為基礎，設計與實現基於web的智能網絡管理系統，不僅可以通過對網絡數據實時監控，而且基於BP網絡故障診斷模型可以診斷通信網中的接口故障，在壹定程度上實現網絡故障管理的自動化。該系統在保證網絡設備提供穩定可靠的網絡服務同時，也可以降低企業在維護網絡設備上的成本。
1.2國內外研究現狀
網絡設備管理是指對各種網絡設備(如核心層、匯接層、接入層路由與交換設備、服務器和計算機)進行各種操作和相關配置，管理服務器（Manager）用來處理網絡信息，配合管理服務器對網絡信息處理並管理的實體被稱為代理服務器（Agent），被管對象是指用於提供網絡服務或使用網絡服務等設備的全部資源信息，各種不同的被管對象構成了管理信息庫。在實際的網絡管理過程當中，管理服務器和代理服務器以及代理服務器和被管對象三種實體之間都是通過規範的網絡管理協議來進行信息的交互（王鶴 2015）。
相比國外的網絡管理系統及產品，國內相應的網絡管理系統和產品起步比較晚，但是隨著互聯網技術的發展網絡管理軟件發展勢頭迅猛，誕生了很多優秀的網絡管理軟件，這些軟件已經廣泛運用在我國網絡管理領域。
1.2.1國外研究現狀
目前國外大型網絡服務商都有與其產品相對應的網絡管理系統。從最初步的C/S架構逐步過渡到現在的B/S架構。比較著名的:Cabletron系統公司的SPECTRUM,Cisco公司的CiscoWorks，HP公司的OpenView,Tivoli系統公司的TH NetView。這些網絡管理產品均與自家產品相結合，實現了網絡管理的全部功能，但是相對專業化的系統依舊采用C/S架構。
NetView這款管理軟件在網絡管理領域最為流行。NetView可以通過分布式的方式實時監控網絡運行數據，自動獲取網絡拓撲中的變化生成網絡拓撲。另外，該系統具有強大的歷史數據備份功能，方便管理員對歷史數據統計管理。
OpenView具有良好的兼容性，該軟件集成了各個網絡管理軟件的優勢，支持更多協議標準，異種網絡管理能力十分強大。
CiscoWorks是Cisco產品。該軟件支持遠程控制網絡設備，管理員通過遠程控制終端管理網絡設備，提供了自動發現、網絡數據可視化、遠程配置設備和故障管理等功能。使用同壹家產品可以更好的服務，因此CiscoWorks結合Cisco平臺其他產品針對Cisco設備可以提供更加細致的服務。
Cabletron的SPECTRUM是壹個具有靈活性和擴展性的網絡管理平臺，它采用面向對象和人工智能的方法，可以管理多種對象實體，利用歸納模型檢查不同的網絡對象和事件，找到它們的***同點並歸納本質。同時，它也支持自動發現設備，並能分布式管理網絡和設備數據。
1.2.2國內研究現狀
隨著國內計算機發展迅猛，網絡設備規模不斷擴大，拓撲結構復雜性也隨之日益增加，為應對這些問題，壹大批優秀的網絡管理軟件應運而生。像南京聯創OSS綜合網絡管理系統、邁普公司Masterplan等多個網絡管理系統。華為公司的iManager U2000網絡管理系統，北京智和通信自主研發的SugarNMS開源網絡管理平臺，均得到較為廣泛應用。
Masterplan主要特點是能夠對網絡應用實現良好的故障診斷和性能管理，適用於網絡內服務器、網絡設備以及設備上關鍵應用的監測管理。
SugarNMS具有壹鍵自動發現、可視化拓撲管理、網絡資源管理、故障管理、日誌管理、支付交付等功能，並提供C/S和B/S兩種使用方式。
iManager U2000定位於電信網絡的網元管理層和網絡管理層，采用開放、標準、統壹的北向集成，很大程度上縮短OSS集成時間，系統運行以業務為中心，縮短故障處理時間，從而減少企業故障處理成本。
近些年來，隨著人工智能技術的崛起，越來越多的企業開始將人工智能技術應用在網絡管理上面，替代傳統的集中式網絡管理方式。為了減小企業維護網絡的成本，提高網管人員工作效率，智能化、自動化的網絡管理系統成為許多學者研究的熱點。
1.3神經網絡在網絡管理中的適用性分析
網絡管理的功能就是對網絡資源進行管控、監測通信網絡的運行狀態以及排查網絡故障。管控網絡資源，本質上就是管理員為了滿足業務需求下發相關設備配置命令改變網絡設備狀態，以保證穩定的服務；監測網絡運行狀態壹般是指周期的或者實時的獲取設備運行狀態進行可視化，以方便管理員進行分析當前設備是否正常運行。排查網絡故障是管理員通過分析網絡設備運行數據與以往數據進行比較或者根據自身經驗進行分析，確定故障源頭、故障類別、產生原因、解決方法。故障排除是針對前壹階段發現的網絡故障進行特征分析，按照診斷流程得出結果，執行特定的指令動作來恢復網絡設備正常運行（洪國棟，2016）。
神經網絡具有並行性和分布式存儲、自學習和自適應能力、非線性映射等基本特點。當下最為流行的神經網絡模型就是BP(Back-Propagation)神經網絡，是壹種按照誤差逆向傳播算法訓練多層前饋神經網絡，屬於監督式學習神經網絡的壹種。該模型分為輸入層、隱含層以及輸出層，網絡模型在外界輸入樣本的刺激不斷改變連接權值，將輸出誤差以某種形式通過隱含層向輸入層逐層反轉，使得網絡輸出不斷逼近期望輸出，其本質就是連接權值的動態調整。BP神經網絡擁有突出的泛化能力，善於處理分類問題。
BP網絡是目前常用的誤差處理方式，在眾多領域得到了廣泛的應用，它的處理單元具有數據量大、結構簡單等特點，並且神經網絡以對大腦的生理研究成果為基礎，模擬大腦某些機制與機理組成十分繁雜的非線性動力學系統，其在處理網絡設備運行中的數據時以及在比較模糊信號問題的時候，能夠自主學習並得出需要的結果。能夠將模型中輸入輸出矢量進行分類、連接、來適應復雜的傳輸存儲處理。因此，本文會基於現有網絡管理技術結合BP神經網絡去解決網絡故障問題。
1.4本文主要研究目標
1.4.1本文研究目標
針對傳統網絡管理中故障方案的問題與不足，本文探究基於BP神經網絡的方法來構建基於通信網接口故障診斷模型。通過構建的通信網接口故障診斷模型可以有效的診斷接口故障並判別出故障類型。推動現有網絡管理系統更趨近於智能化。以此為基礎，分析、設計、實現基於三層架構的智能網絡管理系統
1.4.2技術路線
智能網絡研究首先要確定該系統的開發技術路線，課題研究的主要過程首先是在查閱相關科研資料的基礎上，搭建實驗環境。在保證網絡正常通信的前提下采集各個端口的流入流出流量，記錄設備的運行狀態並對設備進信息進行管理。同時布置實驗環境相應故障，包括：改變端口狀態、更改端口ip地址、子網掩碼，采集通訊網絡接口故障發生時網絡拓撲中產生的異常數據。查閱BP神經網絡在故障在診斷方面的相關論文，基於網絡通訊設備接口的常見故障以及相關故障文檔構建BP神經網絡故障模型，並判斷故障模型的有效性。逐步地實現系統的全部功能。最後進行系統測試，得出結論，應用於實際。
1.5本文組織結構
本文主要由六個章節構成，各章節主要內容如下：
第壹章緒論。本章首先簡要介紹了網絡管理系統當前的發展及應用現狀從而進壹步分析出建立智能網絡管理系統的重要意義。闡述了網絡管理系統國內外研究現狀。最後論述了本文研究目的與組織結構。
第二章相關概念及相關技術。本章對SNMP的相關技術進行詳細介紹，SNMP組織模型 、SNMP管理模型、SNMP信息模型、SNMP通訊模型。然後對前端框架Vue和繪圖插件Echarts技術進行介紹，其次介紹了常見的故障分析技術，專家系統、神經網絡等，最後對神經網絡基本概念和分類進行簡要描述。
第三章基於BP神經網絡故障推理模型。介紹了BP神經網絡的基本概念、網絡結構、設計步驟、訓練過程，以接口故障為例詳細介紹了BP神經網絡故障模型的構建過程。
第四章智能網絡管理系統分析與系統設計。首先進行了需求分析，其次對體系結構設計、系統總體模塊結構設計進行說明，對系統各個功能模塊分析設計結合活動圖進行詳細說明，最後對數據庫設計進行簡要說明。
第五章智能網絡管理系統的實現。對整體開發流程進行了說明，對用戶管理模塊、配置管理模塊、設備監控模塊、故障診斷模塊實現流程進行描述並展示實現結果。
第六章系統測試與結論。並對系統的部分功能和性能進行了測試，並加以分析。
第七章總結與展望。總結本文取得的研究成果和存在的問題，並提出下壹步改進系統的設想與對未來的展望。
2相關概念及相關技術
2.1網絡管理概述
網絡管理就是通過合適手段和方法，確保通信網絡可以根據設計目標穩定，高效運行。不僅需要準確定位網絡故障，還需要通過分析數據來預先預測故障，並通過優化設置來降低故障的發生率。
網絡管理系統的五大基本功能，分別為:配置管理、性能管理、故障管理、計費管理和安全管理：
1）配置管理：配置管理是最重要和最基礎的部分。它可以設置網絡通訊設備的相關參數，從而管理被管設備，依據需求周期的或實時的獲取設備信息和運行狀態，檢查和維護設備狀態列表，生成數據表格，為管理員提供參考和接口以更改設備配置。
2）性能管理：性能管理是評估系統網絡的運行狀態和穩定性，主要工作內容包括從被管理對象獲取與網絡性能相關數據，對這些數據進行統計和分析，建立模型以預測變化趨勢、評估故障風險，通過配置管理模塊修改網絡參數，以確保網絡性能最優利用網絡資源保證通信網絡平穩運行。
3）故障管理：故障管理的主要功能就是及時辨別出網絡中出現的故障，找出故障原因，分析並處理故障。故障管理壹般分為四個部分：（1）探測故障。通過被管設備主動向管理站發送故障信息或者管理站主動輪詢被管設備兩種方式發現故障源。（2）發出告警。管理站發現故障信息之後，會以短信、信號燈等方式提示管理員。（3）解決故障。對故障信息進行分析，明確其故障原因和類型，找到對應方法得以解決。（4）保存歷史故障數據。對歷史故障數據進行維護備份，為以後的故障提供壹定依據，使得處理網絡故障更為高效。
4）計費管理：計費管理主要功能是為客戶提供壹個合理的收費依據，通過將客戶的網絡資源的使用情況進行統計，例如將客戶消費流量計算成本從而向客戶計費。
5）安全管理：目的就是保證網絡能夠平穩安全的運行，可以避免或者抵禦來自外界的惡意入侵，防止重要數據泄露，例如用戶的個人隱私泄露問題等。
根據網絡管理系統的體系結構和ISO定義的基本功能，基於Web的網絡管理系統基本模型如圖基於Web的網絡管理系統基本模型所示，整個模型包括六個組成部分:Web瀏覽器，Web服務器，管理服務集，管理信息庫，網絡管理協議，被管資源。
2.2 SNMP協議
簡單網絡管理協議SNMP(Simple Network Management Protocol)，既可以作為壹種協議，也可以作為壹套標準。事實上SNMP己經成為網絡管理領域的工業標準，從提出至今***有八個版本，在實踐中得到廣泛應用的有三個版本，分別是SNMPv1, SNMPv2c和SNMPv3（唐明兵2017）。最初的SNMPv1主要是為了滿足基於TCP/IP的網絡管理而設計的，但是隨著網絡管理行業的迅猛發展，第壹版本的SNMP協議已經不適應網絡行業的發展，身份驗證、批量數據傳輸問題等暴露導致SNMPv1難以支持日益龐大的網絡設備。第二版本就演變成了壹個運行於多種網絡協議之上的網絡管理協議，較第壹版本有了長足的進步，不僅提供了更多操作類型，支持更多的數據類型而且提供了更加豐富的錯誤代碼，能夠更加細致的區分錯誤，另外支持的分布式管理在壹定程度上大大減輕了服務器的壓力。但是SNMPv2c依舊是明文傳輸密鑰，其安全性有待提高。直到1998年正式推出SNMPv3，SNMPv3的進步主要體現在安全性能上，他引入USM和VACM技術，USM添加了用戶名和組的概念，可以設置認證和加密功能，對NMS和Agent之間傳輸的報文進行加密，提升其安全性防止竊聽。VACM確定用戶是否允許特定的訪問MIB對象以及訪問方式。
2.2.1 SNMP管理模型與信息模型
SNMP系統包括網絡管理系統NMS（Network Management System）、代理進程Agent、被管對象Management object和管理信息庫MIB（Management Informoation Base）四部分組成.管理模型圖如圖所示：
1）NMS稱為網絡管理系統，作為網絡管理過程當中的核心，NMS通過SNMP協議向網絡設備發送報文，並由Agent去接收NMS發來的管理報文從而對設備進行統壹管控。NMS可以主動向被管對象發送管理請求，也可以被動接受被管對象主動發出的Trap報文。
2）Agent相當於網絡管理過程中的中間件，是壹種軟件，用於處理被管理設備的運行數據並響應來自NMS的請求，並把結果返回給NMS。Agent接收到NMS請求後，通過查詢MIB庫完成對應操作，並把數據結果返回給NMS。Agent也可以作為網絡管理過程中的中間件不僅可以使得信息從NMS響應到具體硬件設備上，當設備發生故障時，通過配置Trap開啟相應端口，被管設備也可以通過Agent主動將事件發送到NMS，使得NMS及時發現故障。
3）Management object指被管理對象。壹個設備可能處在多個被管理對象之中，設備中的某個硬件以及硬件、軟件上配置的參數集合都可以作為被管理對象。
4）MIB是壹個概念性數據庫，可以理解為Agent維護的管理對象數據庫，裏面存放了被管設備的相關變量信息。MIB庫定義了被管理設備的壹系列屬性：對象的名稱、對象的狀態、對象的訪問權限和對象的數據類型等。通過讀取MIB變量的值， Agent可以查詢到被管設備的當前運行狀態以及硬件信息等，進而達到監控網絡設備的目的。Agent可以利用修改對應設備MIB中的變量值，設置被管設備狀態參數來完成設備配置。
SNMP的管理信息庫是樹形結構，其結構類型與DNS相似，具有根節點且不具有名字。在MIB功能中，每個設備都是作為壹個oid樹的某分支末端被管理。每個OID（object identifier，對象標識符）對應於oid樹中的壹個管理對象且具有唯壹性。有了樹形結構的特性，可以高效迅速地讀取其中MIB中存儲的管理信息及遍歷樹中節點，讀取順序從上至下。目前運用最為廣泛的管理信息庫是MIB-Ⅱ，它在MIB-Ⅰ的基礎上做了擴充和改進。MIB-Ⅱ結構示意圖如2.3圖如所示：
（1）system組：作為MIB中的基本組，可以通過它來獲取設備基本信息和設備系統信息等。
（2）interfac組：定了有關接口的信息，例如接口狀態、錯誤數據包等，在故障管理和性能管理當中時常用到。
（3）address translation組:用於地址映射。
（4）ip組：包含了有關ip的信息，例如網絡編號，ip數據包數量等信息。
（5）icmp組：包含了和icmp協議有關信息，例如icmp消息總數、icmp差錯報文輸入和輸出數量。
（6）tcp組：包含於tcp協議相關信息，例如tcp報文數量、重傳時間、擁塞設置等。應用於網絡擁塞和流量控制。
（7）udp組：與udp協議相關，可以查詢到udp報文數量，同時也保存了udp用戶ip地址。
（8）egp組：包含EGP協議相關信息，例如EGP協議下鄰居表信息、自治系統數。
（9）cmot組：為CMOT協議保留
（10）transmission組：為傳輸信息保留
（11）snmp組：存儲了SNMP運行與實現的信息，例如收發SNMP消息數據量。
2.2.2 SNMP通訊模型
SNMP規定了5種協議基本數據單元PDU，用於管理進程與代理進程之間交換。
（1）get-request操作：管理進程請求數據。
（2）get-next-request操作：在當前操作MIB變量的基礎上從代理進程處讀取下壹個參數的值。
（3）set-request操作：用於對網絡設備進行設置操作。
（4）get-response操作：在上面三種操作成功返回後，對管理進程進行數據返回。這個操作是由代理進程返回給管理進程。
（5）trap操作：SNMP代理以異步的方式主動向SNMP管理站發送Trap數據包。壹般用於故障告警和特定事件發生。
SNMP消息報文包含兩個部分：SNMP報頭和協議數據單元PDU。根據TCP/IP模型SNMP是基於UDP的應用層協議，而UDP又是基於IP協議的。因此可以得到完整的SNMP報文示意圖如下：
（1）版本號表示SNMP版本，其中版本字段的大小是版本號減1，如果SNMPv2則顯示的字段值是1。
（2）團體名（community）本質上是壹個字符串，作為明文密鑰在管理進程和代理進程之間用於加密傳輸的消息，壹般默認設置成“public”。
（3）請求標識符(request ID)用於消息識別。由管理進程發送消息時自帶壹個整數值，當代理進程返回消息時帶上該標識符。管理進程可以通過該標識符識別出是哪壹個代理進程返回的數據從而找到對應請求的報文。
（4）差錯狀態(error status)表示出現錯誤時由代理進程返回時填入差錯狀態符0～5中的某壹數字，數字對應相關錯誤信息。差錯狀態描述符如下表：
（5）差錯索引(error index)表示在通信過程當中出現上表2.2的差錯時，代理進程在應答請求時設置壹個整數，整數大小對應差錯變量在變量列表中偏移大小。
（6）變量名-值對以key-value的方式存儲變量名稱和對應值。
（7）trap報文是代理進程主動向管理進程發送的報文，不必等待管理進程下壹次輪詢。SNMPv2的trap報文格式較SNMPv1的trap報文格式更趨近於普通的SNMP響應報文，更加統壹化。以SNMPv2為例的trap報文格式如下：
trap類型已定義的特定trap***有7種，後面的則是由供養商自己定制。Trap類型如下表所示：
2.2.3 SNMP組織模型
SNMP代理組織分成分散式和集中式模型。在分散模型中，每壹個服務器對應壹個SNMP代理，可以理解為壹壹對應的關系，管理站分別與每個被管服務器上的代理進行通信。
集中模型當中，在管理服務器上只創建壹個SNMP代理。管理站只與管理管理服務器上的SNMP代理進行通信， SNMP代理接收來自某壹固定區域的所有數據。如圖2.6所示：
2.3 Vue
為實現前後端分離開發的理念，Vue應運而生。作為構建用戶界面框架的Vue.js簡單易上手使得前端開發人員不必再編寫復雜的DOM操作通過this來回尋找相關節點，很大程度上提高了開發的效率。通過MVVM框架，可以自動完成視圖同步數據更新，在對實例new Vue（data:data）進行聲明後data中數據將與之相應的視圖綁定，壹旦data中的數據發生變更，視圖中對應數據也會發生相應改變。Vue.js基於MVVM框架實現了視圖與數據壹致性，MVVM框架可以分為三個部分：Model、ViewModel、View。MVVM框架模式：
Vue.js的理念是“壹切皆為組件”，可以說組件是Vue.js的最強大功能。組件可以擴展HTML元素，將HTML、CSS、JavaScript封裝成可重用的代碼組件，可以應用在不同的場景，大大提高效率。它與傳統的JavaScript相比，采用虛擬DOM渲染頁面。當有數據發生變更時，生成虛擬DOM結構與實際頁面結構對比，重新渲染差離部分，進壹步提供了頁面性能。
2.4 Echarts
Echarts（Enterprise Charts），它是由百度公司研發的純JavaScript圖表庫，可以流暢的運行在PC和移動設備上。ECharts兼容當前主流瀏覽器，底層依賴輕量級Canvas庫ZRender，Echarts提供直觀、生動、交互性強、高度自定義化的可視化圖標。ECharts包含了以下特性：
1）豐富的可視化類型：既有柱狀圖、折線圖、餅圖等常規圖，也有可用於地理數據可視化的熱力圖、線圖等，還有多維數據可視化的平行坐標。
2）支持多種數據格式***存：在4.0+版本中內置的dataset屬性支持直接傳入包括二維表中。
3）多維數據的支持：可以傳入多維度數據。
4）移動端優化：特別針對移動端可視化進行了壹定程度優化，可以使用手指在坐標系中進行縮放、平移。
5）動態類型切換：支持不同類型圖形隨意切換，既可以用柱形圖也可以用折線圖展示統壹數據，可以從不同角度展現數據。
6）時間軸：對數據進行可視化的同時，可以分為周期或者定時進行展示，所有利用時間軸可以