An Ontology-Based Configuration Management Model for Network Devices

Abstract

Konfiguraationhallinta on järjestelmän elinkaaren aikana sovellettava keskeinen systeemitekniikan käytäntö, jonka avulla organisaatio voi tunnistaa, hallita, ylläpitää ja todentaa konfiguraatioyksiköiden versioita. Organisaatio tallentaa tyypillisesti tietoja konfiguraatioyksiköistä konfiguraatiotietokantaan. Siksi tehokas konfiguraationhallinta edellyttää yhteistä kieltä ihmisten ja ohjelmistojärjestelmien välillä. Usein konfiguraatiotietokantasovellukset vaativat huomattavasti räätälöintiä, koska organisaation tarpeet ovat ristiriidassa vakiotoimintojen kanssa. Tallennepohjien ja suhdetyyppien määrittely konfiguraatioyksiköille on organisaation vastuulla. Tämä voi johtaa tietomalleihin, jotka ovat joko hyvin monimutkaisia tai joista puuttuu olennaista tietoa. Konfiguraatiotietokannan ylisuunnittelu voi johtaa huonoon ylläpidettävyyteen. Opinnäytetyön tarkoituksena oli kehittää tietomalli tietoverkon laitteiden konfiguraation hallitsemiseksi, joka mahdollistaa yhteisen kielen ihmisten ja ohjelmistoagenttien välillä. Lisäksi työssä ehdotetaan menetelmiä konfiguraatiotietokannan monimutkaisuuden vähentämiseksi ja sen ylläpidettävyyden parantamiseksi. Ohjelmistoagentit ja niiden soveltaminen jätettiin pois työstä ja vain ensimmäinen kehityskierros sisällytettiin opinnäytetyöhön. Lisäksi työssä kehitettiin prototyyppi, jolla osoitettiin ehdotetun sovelluksen toteutettavuus ja että sen toiminnallisuudet täyttävät vaatimukset. Prototyyppi hyödynsi Protégé ohjelmistoa ontologian kehittämisessä ja Maven Eclipse RDF4J sovellusympäristöä graafitietokantatestauksessa. Testivetoinen ontologian kehittäminen sisälsi käyttäjien vaatimusten määrittelemisen kysymysten muodossa, ontologian kehittämisen, ontologian todentamisen ja validoinnin. Opinnäytteen lopputuloksena syntyi ontologiaan perustuva tietomalli, joka mahdollistaa yhteisen kielen ihmisten ja ohjelmistoagenttien välillä. CIM-skeema on spesifikaatio ja käsitteellinen viitekehys ohjelmistojen ja laitteiden mallintamiseen luokkien, attribuuttien, luokkien välisten suhteiden ja periytymisen avulla. Koska kehitetty ontologia perustuu CIM-skeemaan, ohjelmistoagentit voivat kommunikoida tietokannan kanssa suoraan ja asiantuntijat voivat käyttää tietokantaa laskentataulukon avulla. Ontologian ylläpidettävyys saavutettiin ensisijaisesti suunnittelemalla yksinkertainen, pieni ja uudelleenkäytettävä ontologia hyödyntämällä parhaita käytäntöjä. Konfiguraatioyksiköiden määrää vähennettiin soveltamalla yhteistä mallia konfiguraatioyksiköille, jotka aiheuttavat vain vähäisen riskin järjestelmän toiminnalle. Lähestymistapa mahdollistaa myös hajautetut lähellä järjestelmiä olevat konfiguraatiograafitietokannat, joista voidaan tehdä kyselyitä keskitetysti SPARQL kielellä.

Configuration Management is a key system engineering practice applied over the system life cycle that allows an organization to identify, control, maintain, and verify the versions of configuration items (CIs). The organization typically stores information about configuration items in the configuration management database (CMDB). Therefore, the effective configuration management requires common vocabulary between people and software systems. Often, the CMDB applications require considerable customization because the needs of the organization conflict with standard functionalities. Defining templates and relationship types for configuration item records is the responsibility of the organization. This can result in data models that are either very complex or lack essential information. Designing the CMDB that is excessively complex can result in poor maintainability. The scope of the thesis was to develop the data model and the prototype for managing network device configurations that enables common vocabulary among people and software agents. In addition, the thesis suggests methods to reduce the complexity of the CMDB and improve its maintainability. Demonstration of the use of software agents was excluded and only the first development iteration was included in the thesis. The presentation prototype developed in the thesis presents that the proposed application is feasible and that its functionality meets the requirements. The prototype utilized Protégé in the ontology development and Maven Eclipse RDF4J in graph database testing. Test-driven ontology development included defining user requirements in the form of competency questions, ontology development, and ontology verification and validation. The result of the thesis was the ontology-based data model that enables the common vocabulary between people and software agents. The Common Information Model (CIM) Schema is a specification and conceptual framework for describing software and hardware elements that consist of classes, attributes, relationships between these classes, and inheritances. Because the developed ontology is based on the CIM Schema, software agents can communicate with the database directly, while the domain experts can communicate with the database using a spreadsheet. Ontology maintainability was achieved primarily by designing a simple, small, and reusable ontology utilizing best practices. The number of CIs was reduced by using the collective CI pattern for elements that pose little risk to the primary operation of the system. This approach also allows distributed CMDB graph databases close to systems that can be queried using SPARQL federated queries.