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網絡故障診斷范文第1篇

世紀之交，全球因特網高速發展。抓住機遇，迎接挑戰，我國的網絡建設方興未艾。政府上網工程拉開序幕，網絡建設的新已經到來。網絡診斷是管好、用好網絡，使網絡發揮最大作用的重要技術工作之一。本文首先簡單介紹網絡及路由器的基本概念，簡述分層診斷技術，結合討論路由器各種接口的診斷，綜述互聯網絡連通性故障的排除。

二．網絡與路由器概述

網絡診斷是一門綜合性技術，涉及網絡技術的方方面面。為方便下面的討論，首先簡單回顧一下網絡和路由器的基本概念。

1．計算機網絡是由計算機集合加通信設施組成的系統，即利用各種通信手段，把地理上分散的計算機連在一起，達到相互通信而且共享軟件、硬件和數據等資源的系統。計算機網絡按其計算機分布范圍通常被分為局域網和廣域網。局域網覆蓋地理范圍較小，一般在數米到數十公里之間。廣域網覆蓋地理范圍較大，如校園、城市之間、乃至全球。計算機網絡的發展，導致網絡之間各種形式的連接。采用統一協議實現不同網絡的互連，使互聯網絡很容易得到擴展。因特網就是用這種方式完成網絡之間聯結的網絡。因特網采用TCP/IP協議作為通信協議，將世界范圍內計算機網絡連接在一起，成為當今世界最大的和最流行的國際性網絡。

2 .為了完成計算機間的通信，把每部計算機互連的功能劃分成定義明確的層次，規定了同層進程通信的協議及相鄰層之間的接口和服務，將這些層、同層進程通信的協議及相鄰層之間的接口統稱為網絡體系結構。國際標準化組織（ISO）提出的開放系統互連參考模型（OSI）是當代計算機網絡技術體系的核心。該模型將網絡功能劃分為7個層次：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

3 .TCP/IP即傳輸控制協議和網間互聯協議是一組網絡協議。TCP/IP起源于美國ARPANET網，發展至今已成為因特網使用的標準通信協議。使用TCP/IP能夠使采用不同操作系統的計算機以有序的方式交換數據。

4 .路由器是一種網絡設備，是用于網絡連接、執行路由選擇任務的專用計算機。路由器工作于網絡層，對信包轉發，并具有過濾功能。路由器能夠將使用不同技術的兩個網絡互連起來，能夠在多種類型的網絡之間（局域網或廣域網）建立網絡連接。它將處在七層模型中的網絡層的信息，根據最快、最直接的路由原理從一個網絡的網絡層傳輸到另一個網絡的網絡層，以達到最佳路由選擇。同時在內部使用高檔微處理器，用高速的內部總線連接適合各種網絡協議的接口卡。并具有多種網管功能，能監視與路由器相連接的一些網絡設備和它們的配置運行情況。

5 .CISCO路由器是目前網絡建設中使用最多的一種路由器，有多種檔次、多種系列，目前常用的當屬2500系列，本文以2500系列為例討論。2500系列路由器是固定接口的多協議路由器，支持CISCO IOS全部功能。根據特定的協議環境分為以下四種類型：固定配置的路由器（2501）、帶HUB口的路由器（2507）、摸塊化的路由器（2514）和訪問服務器（2511）。它們結構簡單、操作方便、易于配置和管理，是一種用于小規模局域網和廣域網網絡層中繼的路由設備。

6．CISCO IOS是CISCO所特有的互連網操作系統，所有的CISCO產品都運行IOS，IOS將它們無縫連接在一起協同工作。給用戶提供一個可支持任意硬件界面、任意鏈路層、網絡層協議的可擴展的開放型網絡。IOS支持眾多的協議，包括各種網絡通信協議和路由協議等。CISCO IOS已成為工業界網際網互聯的事實標準。CISCO IOS提供幾種不同的操作模式，每一種模式提供一組相關的命令集、不同的操作權限和操作功能。基于安全目的，CISCO用戶界面中有兩級訪問權限：用戶級和特權級。第一級訪問允許查看路由狀態，叫做用戶EXEC模式，又稱為查看模式；第二級訪問允許查看路由器配置、修改配置和運行調試命令，叫做特權EXEC模式，又稱為配置模式。在特權級中，按不同的配置內容，可進入不同的配置模式，如全球配置模式、接口配置模式、線配置模式等。

三．網絡故障診斷概述

網絡故障診斷應該實現三方面的目的：確定網絡的故障點，恢復網絡的正常運行；發現網絡規劃和配置中欠佳之處，改善和優化網絡的性能；觀察網絡的運行狀況，及時預測網絡通信質量。

網絡故障診斷以網絡原理、網絡配置和網絡運行的知識為基礎。從故障現象出發，以網絡診斷工具為手段獲取診斷信息，確定網絡故障點，查找問題的根源，排除故障，恢復網絡正常運行。

網絡故障通常有以下幾種可能：物理層中物理設備相互連接失敗或者硬件及線路本身的問題；數據鏈路層的網絡設備的接口配置問題；網絡層網絡協議配置或操作錯誤；傳輸層的設備性能或通信擁塞問題；上三層CISCO IOS或網絡應用程序錯誤。診斷網絡故障的過程應該沿著OSI七層模型從物理層開始向上進行。首先檢查物理層，然后檢查數據鏈路層，以此類推，設法確定通信失敗的故障點，直到系統通信正常為止。

網絡診斷可以使用包括局域網或廣域網分析儀在內的多種工具：路由器診斷命令；網絡管理工具和其它故障診斷工具。CISCO提供的工具足以勝任排除絕大多數網絡故障。查看路由表，是解決網絡故障開始的好地方。ICMP的ping、trace命令和Cisco的show命令、debug命令是獲取故障診斷有用信息的網絡工具。我們通常使用一個或多個命令收集相應的信息，在給定情況下，確定使用什么命令獲取所需要的信息。譬如，通過IP協議來測定設備是否可達到的常用方法是使用ping命令。ping從源點向目標發出ICMP信息包，如果成功的話，返回的ping信息包就證實從源點到目標之間所有物理層、數據鏈路層和網羅層的功能都運行正常。如何在互聯網絡運行后了解它的信息，了解網絡是否正常運行，監視和了解網絡在正常條件下運行細節，了解出現故障的情況。監視那些內容呢？利用show interface命令可以非常容易地獲得待檢查的每個接口的信息。另外show buffer命令提供定期顯示緩沖區大小、用途及使用狀況等。Show proc命令和 show proc mem命令可用于跟蹤處理器和內存的使用情況，可以定期收集這些數據，在故障出現時，用于診斷參考。

網絡故障以某種癥狀表現出來，故障癥狀包括一般性的（象用戶不能接入某個服務器）和較特殊的（如路由器不在路由表中）。對每一個癥狀使用特定的故障診斷工具和方法都能查找出一個或多個故障原因。一般故障排除模式如下：第一步，當分析網絡故障時，首先要清楚故障現象。應該詳細說明故障的癥侯和潛在的原因。為此，要確定故障的具體現象，然后確定造成這種故障現象的原因的類型。例如，主機不響應客戶請求服務。可能的故障原因是主機配置問題、接口卡故障或路由器配置命令丟失等。第二步，收集需要的用于幫助隔離可能故障原因的信息。向用戶、網絡管理員、管理者和其他關鍵人物提一些和故障有關的問題。廣泛的從網絡管理系統、協議分析跟蹤、路由器診斷命令的輸出報告或軟件說明書中收集有用的信息。第三步，根據收集到的情況考慮可能的故障原因。可以根據有關情況排除某些故障原因。例如，根據某些資料可以排除硬件故障，把注意力放軟件原因上。對于任何機會都應該設法減少可能的故障原因，以至于盡快的策劃出有效的故障診斷計劃。第四步，根據最后的可能的故障原因，建立一個診斷計劃。開始僅用一個最可能的故障原因進行診斷活動，這樣可以容易恢復到故障的原始狀態。如果一次同時考慮一個以上的故障原因，試圖返回故障原始狀態就困難的多了。第五步，執行診斷計劃，認真做好每一步測試和觀察，直到故障癥狀消失。第六步，每改變一個參數都要確認其結果。分析結果確定問題是否解決，如果沒有解決，繼續下去，直到解決。

四．網絡故障分層診斷技術

1． 物理層及其診斷

物理層是OSI分層結構體系中最基礎的一層，它建立在通信媒體的基礎上，實現系統和通信媒體的物理接口，為數據鏈路實體之間進行透明傳輸，為建立、保持和拆除計算機和網絡之間的物理連接提供服務。

物理層的故障主要表現在設備的物理連接方式是否恰當；連接電纜是否正確；MODEM、CSU/DSU等設備的配置及操作是否正確。

確定路由器端口物理連接是否完好的最佳方法是使用show interface命令，檢查每個端口的狀態，解釋屏幕輸出信息，查看端口狀態、協議建立狀態和EIA狀態。

2． 數據鏈路層及其診斷

數據鏈路層的主要任務是使網絡層無須了解物理層的特征而獲得可靠的傳輸。數據鏈路層為通過鏈路層的數據進行打包和解包、差錯檢測和一定的校正能力，并協調共享介質。在數據鏈路層交換數據之前，協議關注的是形成幀和同步設備。

查找和排除數據鏈路層的故障，需要查看路由器的配置，檢查連接端口的共享同一數據鏈路層的封裝情況。每對接口要和與其通信的其他設備有相同的封裝。通過查看路由器的配置檢查其封裝，或者使用show命令查看相應接口的封裝情況。

3． 網絡層及其診斷

網絡層提供建立、保持和釋放網絡層連接的手段，包括路由選擇、流量控制、傳輸確認、中斷、差錯及故障恢復等。

排除網絡層故障的基本方法是：沿著從源到目標的路徑，查看路由器路由表，同時檢查路由器接口的IP地址。如果路由沒有在路由表中出現，應該通過檢查來確定是否已經輸入適當的靜態路由、默認路由或者動態路由。然后手工配置一些丟失的路由，或者排除一些動態路由選擇過程的故障，包括RIP或者IGRP路由協議出現的故障。例如，對于IGRP路由選擇信息只在同一自治系統號（AS）的系統之間交換數據，查看路由器配置的自治系統號的匹配情況。

五．路由器接口故障排除

1． 串口故障排除

串口出現連通性問題時，為了排除串口故障，一般是從show interface serial命令開始，分析它的屏幕輸出報告內容，找出問題之所在。串口報告的開始提供了該接口狀態和線路協議狀態。接口和線路協議的可能組合有以下幾種：1）串口運行、線路協議運行，這是完全的工作條件。該串口和線路協議已經初始化，并正在交換協議的存活信息。2）串口運行、線路協議關閉，這個顯示說明路由器與提供載波檢測信號的設備連接，表明載波信號出現在本地和遠程的調制解調器之間，但沒有正確交換連接兩端的協議存活信息。可能的故障發生在路由器配置問題、調制解調器操作問題、租用線路干擾或遠程路由器故障，數字式調制解調器的時鐘問題，通過鏈路連接的兩個串口不在同一子網上，都會出現這個報告。3)串口和線路協議都關閉，可能是電信部門的線路故障、電纜故障或者是調制解調器故障。4）串口管理性關閉和線路協議關閉，這種情況是在接口配置中輸入了shutdown命令。通過輸入no shutdown命令，打開管理性關閉。

接口和線路協議都運行的狀況下，雖然串口鏈路的基本通信建立起來了，但仍然可能由于信息包丟失和信息包錯誤時會出現許多潛在的故障問題。正常通信時接口輸入或輸出信息包不應該丟失，或者丟失的量非常小，而且不會增加。如果信息包丟失有規律性增加，表明通過該接口傳輸的通信量超過接口所能處理的通信量。解決的辦法是增加線路容量。查找其他原因發生的信息包丟失，查看show interface serial命令的輸出報告中的輸入輸出保持隊列的狀態。當發現保持隊列中信息包數量達到了信息的最大允許值，可以增加保持隊列設置的大小。

2．以太接口故障排除

以太接口的典型故障問題是：帶寬的過分利用；碰撞沖突次數頻繁；使用不兼容的幀類型。使用show interface ethernet命令可以查看該接口的吞吐量、碰橦沖突、信息包丟失、和幀類型的有關內容等。

1）通過查看接口的吞吐量可以檢測網絡的利用。如果網絡廣播信息包的百分比很高，網絡性能開始下降。光纖網轉換到以太網段的信息包可能會淹沒以太口。互聯網發生這種情況可以采用優化接口的措施，即在以太接口使用no ip route-cache命令，禁用快速轉換，并且調整緩沖區和保持隊列。

2）兩個接口試圖同時傳輸信息包到以太電纜上時，將發生碰橦。以太網要求沖突次數很少，不同的網絡要求是不同的，一般情況發現沖突每秒有3、5次就應該查找沖突的原因了。碰橦沖突產生擁塞，碰橦沖突的原因通常是由于敷設的電纜過長、過分利用、或者“聾”節點。以太網絡在物理設計和敷設電纜系統管理方面應有所考慮，超規范敷設電纜可能引起更多的沖突發生。

3）如果接口和線路協議報告運行狀態，并且節點的物理連接都完好，可是不能通信。引起問題的原因也可能是兩個節點使用了不兼容的幀類型。解決問題的辦法是重新配置使用相同幀類型。如果要求使用不同幀類型的同一網絡的兩個設備互相通信，可以在路由器接口使用子接口，并為每個子接口指定不同的封裝類型。

3． 異步通信口故障排除

互連網絡的運行中，異步通信口的任務是為用戶提供可靠服務，但又是故障多發部位。主要的問題是，在通過異步鏈路傳輸基于LAN通信量時，將丟失的信息包的量降止最少。

異步通信口故障一般的外部因素是：撥號鏈路性能低劣；電話網交換機的連接質量問題；調制解調器的設置。檢查鏈路兩端使用的調制解調器：連接到遠程PC機端口調制解調器的問題不太多，因為每次生成新的撥號時通常都初始化調制解調器，利用大多數通信程序都能在發出撥號命令之前發送適當的設置字符串；連接路由器端口的問題較多，這個調制解調器通常等待來自遠程調制解調器的連接，連接之前，并不接收設置字符串。如果調制解調器丟失了它的設置，應采用一種方法來初始化遠程調制解調器。簡單的辦法是使用可通過前面板配置的調制解調器，另一種方法是將調制解調器接到路由器的異步接口，建立反向telnet,發送設置命令配置調制解調器。

show interface async 命令、show line命令是診斷異步通信口故障使用最多的工具。show interface async 命令輸出報告中，接口狀態報告關閉的唯一的情況是接口沒有設置封裝類型。線路協議狀態顯示與串口線路協議顯示相同。show line命令顯示接口接收和傳輸速度設置以及EIA狀態顯示。show line命令可以認為是接口命令（show interface async）的擴展。show line命令輸出的EIA信號及網絡狀態：

noCTS noDSR DTR RTS：調制解調器未與異步接口連接。

CTS noDSR DTR RTS：調制解調器與異步接口連接正常，但未連接遠程調制解調器。

CTS DSR DTR RTS：遠程調制解調器撥號進入并建立連接。

確定異步通信口故障一般可用下列步驟：檢查電纜線路質量；檢查調制解調器的參數設置；檢查調制解調器的連接速度；檢查rxspeed 和txspeed是否與調制解調器的配置匹配；通過show interface async 命令和 show line命令查看端口的通信狀況；從show line命令的報告檢查EIA狀態顯示；檢查接口封裝；檢查信息包丟失及緩沖區丟失情況。

網絡故障診斷范文第2篇

關鍵詞:校園網;結構;故障;診斷;排除

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)33-9181-03

Network Fault Diagnosis and Elimination in the Campus Network of College

WU Tao

(Information and Engineering Department,Lu'an Vocational and Technical College, Lu'an 237158,China)

Abstract: Based on the rapid development of college campus network,the paper introduces the concept of college campus network and its basic composition. Meanwhile, the diagnosis and elimination of its common fault were narrated in details. The paper also provides different methods for the campus network users and working staff in the field of campus network management and maintenance to solve practical problems.

Key words: campus network; composition; fault; diagnosis; elimination

在21世紀的今天,大學校園作為培養世紀人才的搖籃,數字化進程日新月異,緊跟時代潮流。校園網給高校宣傳教育工作開辟了新的空間和渠道,同時也帶來了新的挑戰,它是當代世界高新技術運用與大眾傳媒相結合的產物。網絡的規模不斷擴大、網絡的復雜性不斷增長,網絡管理的研究和應用已成為當今國際上網絡領域的一個重要課題。

1 校園網簡介

校園網是在學校區域內為學校教育提供資源共享、信息交流和協同工作的計算機網絡信息系統。這里說的校園網是針對學校內部的計算機網絡,不是一般的企業網;它有自己的特點和規律,它要為學校的教育教學實現資源共享、信息交流、引導或輔助教學及協同工作等功能。校園網是利用現代網絡技術、多媒體技術及Internet技術等為基礎建立起來的計算機網絡,一方面連接學校內部子網和分散于校園各處的計算機,另一方面作為勾通學校校園內部網絡的橋梁。校園網是為學校的教學、管理、辦公、消息交流和通訊等服務的。

2 校園網絡結構

校園網的結構與學校的層次結構、校園網的規模和主干網的選擇關系密切。

2.1 校園網各層次構成

1) 校園網層次的構成

校園網建設依賴于校園網的大小和規模。根據校園網的大小和規模,可提供多種主干網絡及支干網絡的選配方式,然后根據自身網絡的情形進行搭配。

校園網層次化設計,使其網絡的結構也就是主干和支干設備的選擇與相應的組織邏輯結構相統一,這種設計的特點主要表現在:

(1) 網絡結構與實際的組織結構相對應,數據流量相一致;

(2) 網絡結構的層次性對應于網絡功能的層次性:

學校級(Campus)――高速網絡數據連接;

部門級(Department)――傳送部門間的數據:

工作組級(Workgroup)――連接用戶,傳送工作組間的數據;

(3) 根據網絡功能的不同選擇相應的網絡設備:

(4) 網絡易于升級擴展。

2) 校園網絡規模

劃分校園網絡的大小主要依據以下三個方面的內容,一是校園網網絡站點的多少;二是校園網的數據流量大小;三是校園網的分散程度。按照這種劃分可以將校園網分為三個級別的網絡:小型、中型和大型。如表1所示。

2.2 主干網絡

1) 光纖分布數據接口(FDDI)

光纖分布數據接口FDDI是目前成熟的LAN技術中傳輸速率最高的一種,可以提供100Mbps帶寬的高可靠性主干。但是價格高、網絡延遲大,帶寬難以擴展,技術上已顯得較為落后。現在校園網很少采用FDDI組建主干網。

2) 異步傳輸模式(ATM)

異步傳輸模式ATM是作為下一代多媒體通信的主要高速網絡技術出現的,從其開發的一開始,ATM就被設計成能提供聲音、視頻和數據傳輸。它為寬帶綜合業務數字信號提供了一種傳輸、復用和交換的方法,使語音、數據、圖形和影視以固定的信元長度在一個網中傳輸,提高了傳輸速率。

ATM作為校園網主干有以下優勢:

(1) ATM的容錯功能很強;

(2) ATM易于擴展至極高的速率;

(3) ATM的VLAN功能,可以提供設備間很高的傳輸速率;

(4) ATM對實時的語音和圖像傳輸延時較小;

(5) 校園網主干采用ATM技術易于與采用ATM設備的廣域網實現無縫連接。

3) 千兆以太網

以太網的快速發展先后經歷了快速以太網,交換式以太網和千兆以太網。目前,千兆以太網已經發展成為主流網絡技術。同其他高速網絡技術相比,千兆以太網最大的優點在于它對現有以太網具有良好的兼容性。廣大的以太網用戶(特別是校園網)可以對現有以太網進行平滑的升級,千兆以太網已成為校園網首選的主干網。千兆以太網、快速以太網和以太網的主要技術特性的比較,如表2所示。

4) 虛擬網(VLAN)

虛擬網VLAN在邏輯上類似于廣播域。或者說,可以將虛擬網VLAN類比成一組終端用戶的集合。它是一種通過將局域網內的設備邏輯地劃分成一個個網段從而實現虛擬工作組的新興技術。網絡管理員可以根據需要的不同,通過網絡軟件靈活地建立和配置相應的虛擬網,并為每個虛擬網分配所需的網絡帶寬。

合理地劃分VLAN對于校園網來說是十分關鍵的。VLAN的設計是系統集成的重點之一,由于劃分VLAN必須參照網絡安全原則及網絡流量分析,因此,VLAN的劃分要按照“事先設計,運行調整”的思路進行。

一般情況下,校園網從物理位置和邏輯功能上可劃分為教學網、辦公網、內部網等,由于各網段內對具體資源及數據安全要求都不相同,所以從內部網絡的安全角度考慮,對于各部門之間應該劃分VLAN,以便于采用基于策略的訪問控制。VLAN技術將整個網絡終端根據安全和流量均衡原則劃分為多個子網,大大降低了廣播包對整個網絡帶寬的消耗,提高了網絡的運行效率。

2.3 校園網的結構描述

根據防火墻和Internet接入方式的不同,一般將整個校園網以防火墻為中心分為三個部分:內網區、外網區和服務區。內網區主要是校園網內部用戶的集合,具體為學校辦公用戶、移動用戶、內網學生上機等;外網區主要是指整個校園網的Internet接入;服務區提供整個校園網的網絡功能,它是整個校園網的中心。

網絡故障診斷范文第3篇

一、一次只進行一次修改

這可能一條是最重要的法則。如果你時間比較緊張的話，這條法則可能是最難遵守的一條。你可以考慮問題的多個來源，但不要進行多個修改。否則，在你結束故障診斷的時候，就不能確切地知道自己是怎樣修復該問題的。更壞的情況是，可能由于多個修改導致出現別的問題，以至于新問題的出現掩蓋了用于解決原問題的方法。

例如，在對防火墻進行估值診斷的時候，我們將客戶在外部位置與內部位置之間進行移動；而同時，在我們分析防火墻配置的時候，不對防火墻配置進行修改。結果，我們知道該問題依賴于客戶位置。如果我們同時修改了防火墻規則，那么在移動客戶位置時并不一定能證明問題與移動客戶有關；我們可能已經錯誤地將注意力集中在防火墻規則集的變更上了。

二、開放思維

在解決一個困難的問題是，開放思維顯得十分重要。大多數人，尤其是有經驗的同志，傾向于在一個幾乎非意識的層面思考問題的許多方面。當你向希望了解結論又來的人進行解釋時，是否遇到過麻煩呢？或者是不是不知如何向他進行解釋呢？有時候，這些結論看起來是可靠的，它們來源于以前的經驗，但已經融入到了自己的經驗法則中。然而，有時候，這些結論受到不準確的感受、錯誤的假定、個人動機一級其他人為因素的影響。如果你認為在配置防火墻時沒有出現錯誤――一種很自然的假定――你也許不會認真分析防火墻配置。如果可行的話，與另一個同志一同工作，這樣有助于彼此客觀地開展工作。

三、換個角度考慮

有時候，當你不能看出問題的解決方法時，就需要換一個角度進行思考。當對問題進行故障診斷時，如果出現了死角，則反過來進行思考，這樣或許能夠提供很大的幫助。有系統地將你已經經歷的步驟向某個人解釋，這樣，你會發現自己的故障診斷方法中存在的漏洞。在任何情況下，靈感是一種強大的故障診斷手段，當難于找到一種解決方法時，靈感是必不可少的。

四、將重點一直放在問題修復上

我們認為，在你不清楚問題的起因之前，該問題是不會得到真正修復的。如果你不了解問題的真正起因，那么，即使這次修復了該問題，該問題也有可能在以后再次出現。當然，這時應當考慮具體的上下文。修復問題通常要比解釋問題發生的原因容易。如果該問題目前亟待解決，否則會直接影響到用戶的感受，則先修復它，然后再在以后調查問題的起因。

例如，我們可能很容易修復防火墻的問題――只需將備用的防火墻掛上去就行了。如果當時是上級部門緊急情況，我們當然會采取這種方法。那么一旦下次，備用的防火墻也出了問題，還會怎么辦呢？

五、不要實現一種比原問題帶來更多麻煩的修復方法

通常，這條準則值得考慮。你很可能不會通過查看線纜的某端來診斷光纖的問題。同時，與修復有關的麻煩不總是立刻就能察覺到，當你正在修復安全問題時，尤其如此。通常，為了讓某個服務或設備工作，安全問題往往不是很受重視。從長時間的角度來看，相對于原來的問題而言，新出現的問題會更加麻煩。例如，你不應當通過在規則集的頂上設置一條“允許任何東西”規則來修復防火墻問題。

六、應當記住：最難于診斷的問題往往是最容易忽略的問題

網絡故障診斷范文第4篇

關鍵詞：無線傳感器網絡；故障診斷；分布式；累積和控制圖；中值絕對偏差

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9081（2016）11-3016-05

0 引言

無線傳感網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由無數成本低廉、體積微小的傳感器節點組成，通常被隨機放置在監測區域中，節點之間以多跳的形式對采集數據進行傳輸，最后將這些數據以無線通信的方式傳送給觀測者[1]。如今，無線傳感器網絡已經廣泛應用于許多領域，如交通監控、工業控制、氣象觀測[2-4]。由于無線氣象傳感網的節點計算能力和能量有限，氣象信息具有復雜性、數據突發性等特點，自節點部署開始，經過較長時間運行后可能會發生故障，但是由于氣象傳感網處在無人監控和檢查的位置，節點本身運行的狀態無從得知，為了更好地了解節點狀態，就需要對節點進行故障檢測。

現階段，無線傳感器網絡的故障檢測根據任務執行主體可分為集中式檢測和分布式檢測[5]。集中式檢測算法中，文獻[6]首先將感知數據變換為故障特征空間中的向量，然后依據已知故障數據庫向用戶指示需要采取的相關措施（如校準、驗證讀數等），最后用戶根據傳感器的實際情況對故障數據庫進行更新，從而改進與優化故障檢測系統。對于大規模無線傳感網絡來說，目前基于匯聚節點的診斷方法存在許多缺點。首先，主動信息收集會導致通信方面的巨大開銷，大幅縮短了網絡系統的壽命；其次，由于網絡規模不斷擴大和不可靠的無線通信，后端上的故障推理機常常獲得不完整和不確定的信息，明顯降低了檢測精度； 最后，在匯聚節點上故障診斷方法的診斷延遲非常高[7]。

文獻[8]提出了一種分布式無線傳感器網絡節點故障診斷（Distributed Fault Detection，DFD）算法，事先設定固定閾值，將節點自身的傳感器測量值與鄰居節點相比較來判斷節點自身是否發生故障。但是該算法在節點的鄰居數較少或者整個網絡中節點發生故障概率較大時，故障診斷精度會大幅下降。文獻[9]通過融合鄰居節點的測量數據并對鄰居節點測量數據進行加權，衡量測量節點與節點的數據之間差異的方法最終判斷節點故障狀態。針對WSN中節點故障原因復雜，文獻[10]提出了一個WSN節點故障診斷方法，可以實現對具體故障進行診斷和判定，但是算法復雜性比較大，不適合節點數量較大的網絡。文獻[11]提出一種通過觀察節點采樣值數據變化率與時間特性相似度，判斷是事件發生還是節點故障的事件檢測方法。由于引入了節點可信度自適應調整機制，通過不斷排除故障節點，該方法能夠獲得較高的故障識別率。

現有的分布式故障診斷算法沒有充分利用傳感器節點采集數據的特點，使得算法的復雜度較高；僅僅利用傳感器網絡具有空間相關性的特點來實現故障檢測，消耗大量的能量，尤其是對于大規模無線傳感網絡而言。基于上述分析，本文采用分布式節點故障診斷算法，通過無線氣象傳感網內節點上搭載的氣象傳感器，對氣象要素進行采集，利用節點之間的氣象要素值存在時空相關性的特點，改進分布式節點故障診斷方法。通過節點自身歷史數據和鄰居協作方法融合進而提高無線氣象傳感器網絡的故障診斷精度，同時降低故障診斷的誤報率，節省節點間頻繁交互產生的開銷，使算法更加適用于節點資源有限的大規模無線氣象傳感網絡。

為了檢測錯誤的測量值，每個節點發生故障的概率相互獨立。無線傳感器網絡的節點故障分為兩類：硬故障和軟故障。當傳感器節點的某一模塊發生損壞而造成無法通信，稱之為硬故障；當傳感器節點雖然發生故障，但是仍然具有接收、發送、采集及處理數據的能力，只是節點采集的數據是錯誤的，稱之為軟故障。圖1中為節點s6發生軟故障的節點。在分布式傳感器網絡故障診斷算法里，針對的主要是節點軟故障的檢測；若周圍的鄰居節點都檢測不到某個節點，則可以判定該節點發生硬故障。

2 故障診斷算法

2.1 符號說明

相關符號說明如表1所示。

2.2 異常時間點的定位

由于傳感器節點有限的計算和存儲資源，使用一個輕量級的方法，將累積和控制圖和引導相結合來檢測觀測節點在滑動窗口下歷史數據的變化。本文采用累積和控制圖（Cumulative Sum Control Chart， CUSUM）結合引導方案來確定參數值是否發生了顯著變化[12]。

2.2.1 累積和控制圖的計算

累積和控制圖（CUSUM）主要依據序貫分析原理，對歷史采樣數據的偏差進行持續累積，更加靈敏地判斷出節點的失控或者受控狀態，有效地提高了發現節點異常的靈敏度。CUSUM是基于原始的時間序列構成。本文使用基于滑動窗口的策略來緩存最新的參數測量值。如圖2（a）所示，假設時間窗口的大小w為30，某個傳感器節點儲存最新的30個感知數據。

首先計算這組數據序列的累積和控制圖。設節點采樣時間間隔為T，T的選擇和系統響應時間相關，T應足夠大，以保證節點可以在采樣間隔時間內完成數據處理和發送[13]。設在t時刻節點si采集的數據Xti。對于數據{Xj*Ti}（1≤j≤w）表示為該數據序列上的數據點集合。累積和用{Cj}表示。這里定義C0=0，其他的累積和通過當前測量值與所有累積和的均值加上前一個累積和得出。具體計算公式如下：

累積和控制圖如圖2（b）所示。在累積和控制圖里，直線表明原始的值是相對穩定，波動的線是由原始測量值的變化量引起。累積和趨勢在圖中向上傾斜表明，這一時期的值高于總體的平均值；反之則低于總體的平均值。并且測定結果和預期值之間的差異愈大，累積和圖的傾斜愈陡。CUSUM算法優勢在于將整個過程小偏移累加起來，起到放大作用，提高小偏移的靈敏度。并且，通過觀察傾斜程度的變化，可找到過程出現變化的點。在每個時間窗口結束時，算法計算數據是否有任何突變：如果有，作為一個傳感器的異常時間點被標記。

圖2（b）中CUSUM曲線在C13變化，可以推斷這里是一個突變。由于無線氣象傳感網絡是一個以數據為中心的網絡，氣息要素具有實時更新和數據量大等特點，這里我們使用引導分析方案來對決策設置一個置信度來進一步提高檢測的精度和效率。如果沒有異常時間點，那么隨機重新排序的數據序列會模仿原始的累積和控制圖。

3 實驗與分析

本文使用Matlab軟件進行了一些實驗來評估所提算法的性能。所模擬的WSN監測區域為一個32×32單元的區域。假定1024個節點隨機部署且不可移動，不失一般性，我們假設每個節點的位置可以通過GPS或者其他定位技術得到，并且具有相同的通信半徑。實驗中節點上的感知數據服從正態分布，并且設θ1=90%，θ2=3。實驗分別從故障檢測精度和誤報率兩個方面對分布式故障檢測（Distributed Fault Detection，DFD）[8]與本文算法（Self-Distributed Fault Detection，SDFD）方法進行仿真與比較。為了使實驗結果更為客觀并消除隨機性因素，本文將每項實驗進行100次后計算平均值從而得出最終的實驗結果。

3.1 檢測精度

所謂檢測精度（Detection Accuracy，DA）指檢測出的故障數與所有故障數量的比值即：

DA=（|F∩Q|）/|Q|（15）

其中：F表示算法檢測到故障節點總數，Q表示實際故障節點數。

圖4分別表示在節點平均鄰居節點數為10、15、20時節點故障診斷精度隨節點故障率變化的趨勢。從圖4中可以看出，在相同的平均鄰居節點數下，兩種算法的故障診斷精度都隨節點故障率的增大而下降；當故障率大于15%時，在相同的平均鄰居節點數和節點故障率下，本文算法的故障診斷精度明顯優于DFD算法的故障診斷精度。由此可見，SDFD算法解決了隨著節點故障率增大而造成傳統鄰居協作方法失效的問題，當節點故障率較高、平均鄰居節點數較少時，也能達到較高的故障診斷精度。以圖4（b）為例，當節點故障率大于35%時，DFD算法的故障診斷精度迅速降低，而本文算法仍能達到90%以上的故障診斷精度。

3.2 誤報率

故障誤報率（False Alarm Ratio，FAR）指把正常節點誤判為故障節點的數目與正常節點總數的比值即：

其中：N為無線傳感器網絡中的節點總數，F表示算法檢測到故障節點總數，Q表示實際故障節點數。

圖5分別表示在節點平均鄰居節點數為10、15、20時節點誤報率隨節點故障率變化的趨勢。隨著節點的故障率增大，算法的誤報率隨之增加。從誤報率來看，DFD算法隨著節點故障率的增大而增大，但本文中算法的誤報率幾乎為0。圖5（b）中，在節點故障率為50%時，本文算法的誤報率仍然低于3%，相對于DFD算法降低了22%。這是由于在DFD算法中，要利用鄰居節點的感知數據進行比較，對所有分布在目標區域的節點與多個采樣時間進行故障診斷，尤其是在節點故障率較高時，耗費巨大能量的同時產生了大量的冗余計算，較多故障的鄰居節點的感知數據造成了算法的誤判；而SDFD算法，只需定位出發生異常的時刻，排除了數據正常的時刻，并且利用中值絕對偏差的方法進而降低了大量的計算與通信開銷，同時避免了很多冗余信息所造成的誤判。

4 結語

針對故障檢測算法計算冗余量大、誤報率高的缺點，本文討論了無線氣象傳感網絡下一種分布式的輕量級的故障診斷算法，該方法充分利用傳感器節點所采集氣象要素的時空相關性特點，引入 CUSUM方法分析單個節點上的歷史數據，結合網絡內鄰居節點間的數據交換和相互測試，對網絡中節點故障與否作出判斷，提高了診斷精度的同時降低了誤報率，尤其在大量冗余信息和節點故障率較高的情況下，仍能有效準確地進行故障診斷。實驗結果表明，在相同情況下，本文算法相比DFD算法能夠獲得較低的誤報率以及較高的故障檢測精度。下一步工作中，將深入研究本文提出的算法在復雜實際環境下的適用性，需要進一步優化算法，減少實際物理環境對算法性能所造成的干擾。

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網絡故障診斷范文第5篇

【關鍵詞】 網絡故障 快速 診斷

1 網絡故障診斷原則

網絡診斷是一門綜合性技術，以網絡原理、網絡配置和網絡運行的知識為基礎，從故障現象出發，以網絡診斷工具為手段獲取診斷信息，確定網絡故障點，查找問題的根源，排除故障，恢復網絡正常運行。

2 網絡故障診斷目的

確定故障點，恢復網絡的正常運行；發現規劃和配置中欠佳之處，改善和優化網絡性能；觀察運行狀況，及時預測網絡通信質量。

3 網絡故障分類

3.1 物理故障：主要指設備或線路損壞、插頭松動、嚴重電磁干擾等情況

①線路故障。首先用ping或fping來檢查線路的連通性。ping一般一次只能檢測到一端到另一端的連通性，fping一次可ping多個ip地址，能一次檢測一端到多端的連通性。如果連續幾次ping都出現“request time out”信息，表明網絡不通，這時就要檢查端口插頭。

②路由器故障。檢測這種故障，需要利用mib變量瀏覽器，用它收集路由器的路由表端口流量數據、計費數據、路由器cpu的溫度、負載以及路由器的內存余量等數據，通常情況下網絡管理系統有專門的管理進程不斷檢測路由器的關鍵數據，并及時給出報警。路由器cpu利用率過高和路由器內存余量太小都直接影響到網絡服務的質量。

③主機故障。該故障常見現象就是主機配置不當。如ip地址配置與其它主機沖突，或ip地址根本不存在，由此導致主機無法連通。另一故障就是安全故障。如，主機沒有控制其上的finger、rpc、rlogin等服務，攻擊者可以通過這些多余進程的正常服務或bug攻擊該主機，甚至得到管理員權限。發現主機故障一般比較困難，特別遇到黑客，一般可以通過監視主機的流量或掃描主機端口和服務來防止可能的漏洞，日常使用過程中，一定要安裝防火墻。

3.2 邏輯故障

邏輯故障一般是配置錯誤，也就是網絡設備的配置原因導致的網絡異常或故障。配置錯誤可能是路由器端口參數設定有誤，或路由器配置錯誤以至于路由器循環或找不到遠端地址，或者路由器掩碼錯誤等。

邏輯故障的另一類就是一些重要進程或者端口關閉，以及系統的負載過高。比如也是線路中斷，沒有流量，用ping發現線路端口不通，檢查發現該端口處于down的狀態，這就表明該端口已經關閉，導致故障，這時只需重新啟動該端口就可以了。還有一種情況是路由器的負載過高，表現為路由器cpu溫度、利用率太高，內存剩余太少等，如果因此影響網絡服務之來能夠，就直接的方法就是：更換更好的路由器。

4 網絡故障診斷的步驟

（1）分析故障時，要清楚故障現象，然后確定造成這種故障的原因。如，主機不響應客戶請求服務，可能是主機配置不當、接口卡故障或路由器配置命令丟失等。

（2）收集需要的用語幫助隔離可能故障原因的信息。向用戶提一些和故障有關的問題并從網絡管理系統、協議分析跟蹤、路由器診斷命令的輸出報告或軟件說明書中收集有用信息。

（3）根據收集到的情況考慮可能的故障原因、排除某些原因。如，根據某些資料可以排除硬件故障，就把注意力放在軟件上，對于任何機會都應該設法減少可能的故障原因，以至于盡快給出有效的診斷。

（4）根據最后的可能原因，建立診斷計劃，開始僅用一個最可能的故障原因進行診斷活動，最好不要一次考慮多個故障原因來處理。

（5）執行診斷計劃，認真做好每步測試和觀察，直到故障現象消失。

（6）每改變一個參數都要確認其結果，分析結果確定問題是否解決，如果沒有解決，繼續下去，直到解決。

5 網絡故障排除常用的網絡命令

（1）Ping：ping某個地址或者主機名，執行顯示響應時間，表明ping成功，當前主機與目的主機存在一條連通的物理路徑。ping成功，網絡不通，問題在網絡系統的軟件配置方面；若ping不成功，則線路不通，網絡適配器配置不正確，網絡連接被禁用或ip地址配置不正確等。

（2）Ipconfig：當主機系統能到達遠程主機但不能到達本地子網中的其他主機時，表示子網掩碼設置有問題，進行修改后故障便不會再出現，鍵入ipconfig/？可獲得使用幫助。

（3）Netstat：該命令列出本機和外部開放的端口及相應協議，也能看與本機聯機的IP。但最主要是用來看端口，通過顯示出的端口，我們能注意到哪些可能有問題，可以發現可疑程序打開了某個可疑端口，從而解決問題。

（4）Tracert：主要用于追蹤本地網絡到目的網絡之間經過了多少臺路由器。通過此信息我們可以檢查網絡故障的發生點。

（5）還有Route、Net、arp、nbtstat、ftp等等命令可能幫助我們處理網絡故障。

6 常見網絡故障排出工具：

萬用表、時域反射儀、高級電纜測試器、示波器、協議分析器等，了解這些工具的特性用途，熟悉操作方法對我們快速診斷網絡故障提供幫助。

附：日常網絡故障解決案例：

故障一：交換機堆疊在一起，網絡就變得非常慢，拆散交換機堆疊，網絡就重新快起來。

解決方案：問題在于一個有缺陷的堆疊矩陣模塊或堆疊接口模塊或堆疊表，改變堆疊模塊后將解決這類問題。

故障二：交換機變得比10m集線器還要慢，將交換機端口設置成10m，那么網絡速率將恢復到10m交換機應有的狀態，但是當端口被設置自適應或100m時，傳輸速率將變得非常低，甚至遠遠低于10m集線器，通過用戶操控臺電纜或設備視圖檢查受影響端口的情況，會發現該端口上有許多“短路”現象。

解決方案；這種情況是電磁干擾導致的，主要是設備室與電源電纜或電源開關機柜非常接近，而電源開關機柜的屏蔽效果不太好，解決方法是屏蔽電磁干擾。

故障三：交換機的一個端口變得非常緩慢，最后使整個交換機或整個堆疊都慢下來，通過控制臺檢查交換機的狀態，發現交換機的緩沖池增長的非常快，達到了90%或更多。

解決方案：不可預見的環境干擾也可能減慢交換機的速率，因為環境干擾會終止一個端口的數據包轉發，并占滿交換機的緩沖池，最好解決方法就是重新設置出錯的端口。