（通信与信息系统专业论文）cernet卫星信道动态备份系统分站系统设计与实现.pdf

摘要 学科专业：通信与信息系统 论文题目：c e r n e t 卫星信道备份系统分站系统设计 硕士生：张剑涛导师：严梅副教授 ( 中国教育和科研计算机网c e r n e t 是由国家教育部领导和主持建设。连接我 国教育系统和科研单位的全国性计算机互连网络。开发c e r n e t 主干网卫星信道 t 巩念符份系统的同的是为了提高c e r n e t 手干网的可靠性和卫星系统的利用率， 优化主干网卫星通信系统转发器的效率j 一 整个卫星信道备份系统由主站和分站系统共同组成本文主要完成分站系统 的设计与实现。文章详细介绍了分站系统结构、通信方案、硬件结构、软件结构 及实现等，以及分站软件系统涉及的多种技术，如l i n u x 下的进程间通信，m y s q l 数据库，用p h p 实现动态主页，s o c k e t 编程等等。最后在l i n u x 系统下完成了分 站系统的软件实现，分站软件系统运行正常，通过测试。 【关键词】 c e r n e t ，卫星信道，分站系统，l i n u x ，p h p ，s o c k 吼，m y s q l 第3 顷菇3 页 皇王型盔堡主望些堡塞= 里墨笪望塑查查堕墨竺坌塑i 型盐兰兰婴一 a b s t r a c t s u b j e c t ：c o m m u n i c a t i o na n d i n f o r m a t i o ns y s t e m t i t l e ：d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f s u b o r d i n a t i v es t a t i o ns y s t e mo f c e r n e ts a t e l l i t ec h a n n e l d y n a m i cb a c k u ps y s t e m p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：z h a n g j i a n t a o s u p e r v i s o r ：y a nm e i c e r n e t i saw i d ea r e an e t w o r kw h i c hi sd e s i g n e da n ds u p e r v i s e db ye d u c a t i o n b u r e a uo fc h i n a i tc o n n e c t sn e t w o k so fe d u c a t i o nu n i t sa n dr e s e a r c hu n i t s t h e o b j e c t i v eo f c s c d b s p r o j e c t ( c e r n e t s a t e l l i t ec h a n n e ld y n a m i c b a c k u ps y s t e m ) i s t oi m p r o v e c r e d i b i l i t ya n de f f i c i e n c yo f c e r n e t b a c k b o n e ，m a k ef u l lu s eo f c e r n e t s a t e l l i t ec h a n n e l t 1 1 i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h er e q u i r e m e n to fc e r n e ta n dt h ed e s i g no b j e c t i v eo f c s c d b sp r o j e c t , t h e nd e s c r i b e st h eg e n e r a ld e s i g no fc s c d b s 1 1 1 ee m p h a s e so f t h i s p a p e ri s f o c u s e do ni n t r o d u c i n gt h ed e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gt h es u b o r d i n a t i v e s t a t i o n s y s t e m ，i n c l u d i n gs y s t e ms t r u c t u r e ，s c h e m e o fc o m m u n i c a t i o n ，h a r d w a r e d e s i g n i n g ，s o f t w a r ed e s i g n i n ga n d s oo n a tt h es a m et i m e ，i n t r o d u c i n gt h er e l a t e d t e c h n o l o g i e so f s u b o r d i n a t i v e s t a t i o ns y s t e m ，f o r e x a m p l e i p co nl i n u x ，p 避m y s q l , e t c f i n a l l y ，t h es u b o r d i n a t i v es t a t i o ns y s t e mi si m p l e m e n t e du n d e rl i n u x ，w h i c hi s t e s t e dw o r k i n gw e l l 【k e y w o r d 】 c e r n e ts a t e l l i t ec h a n n e ls u b o r d i n a t i v es t a t i o ns y s t e m l i n u xi p cp h p m y s q l s o c k e t 第4 页共4 页 ! ! ! 型叁! ! ! ：! 些堕兰= ! ! 里笪堂些变苎丝墨堕竺苎墨竺笪旦上塑些l 一 c e r n e t 卫星信道动态备份系统 分站系统设计与实现 第1 章c e r n e t 主干网与课题简介 中国教育和科研计算机网c e r n e t 是由国家教育部领导和主持建设，连接我 国教育系统和科研单位的全国性计算机互连网络。c e r n e t 近期正在进行主干网 的升级，将主干通信信道从原有的卫星信j 酋+ d d n 备份信道升级为d w d m s d h 信道+ 卫星备份信道，使得主干网的速率提升到6 2 2 m b p s - 2 5 g b p s 。 本项目采用动态备份方式，开发c e r n e t 主干网卫星信道动态备份系统的相 关程序代码，提高主干网的可靠性和卫星系统的利用率，优化主干网卫星通信系 统转发器的效率。 1 1c e r n e t 主干网拓扑变迁情况 中国教育和科研计算机网( c e r n e t ) 是我国政府首批批准的四大互联网之 一，c e r n e t 示范工程1 9 9 4 年1 1 月由国家计委立项建设。1 9 9 5 年1 2 月c e r n e t 示范工程项目提前一年通过国家鉴定验收，该项目由国家教育委员会主持，清华 大学等十所高校承担示范工程的建设。1 9 9 7 年由国家计委立项，对c e r n e t 主 干网进行了升级，采用天地信道联合组网，提高了网络的速率、覆盖范围、以及 信道的可靠性。c e r n e t 目前已经联网的教育科研单位已有近5 0 0 个，联网城市 超过7 0 个，网络用户已近1 0 0 万人。 在1 9 9 5 年c e r n e t 示范工程建设中，主干网租用电信的d d n 线路，基本 速率为6 4 k b p s ，网络拓扑如图1 】所示： 笫5 畎共5 页 电子科大颁士毕业论文一j ! 里情：i 苴动态备份系统分站系统设计与实现 图1 - 1 c e r n e t 主干网拓扑( 1 9 9 5 ) 1 9 9 缸1 9 9 7 年，在原网络拓扑的基础上，部分主干网线路升级为5 1 2 k b p s ， 并增加了北京至武汉的5 1 2 k b p s d d n 和北京至南京的5 1 2 k b p s d d n ，网络拓扑如 图】- 2 所示： 图1 - 2 c e r n e t 主干网拓扑( 1 9 9 7 年8 月) 第6 甄共6 页 皇王登盔堡主望些丝兰= 墨里塑堡望查墨丝墨竺坌苎墨竺堂盐兰兰墨一 1 9 9 7 1 9 9 9 年，c e r n e t 采用d d n 信道和卫星信道联合组建新的主干网a 其中利用卫星信道将c e r n e t 主干网核心信道升级到2 m ，继续保持6 4 k - 5 1 2 k d d n 信道作为备份信道。网络拓扑如图1 - 3 所示： 图1 - 3c e r n e t 天地信道联合主干网拓扑( 1 9 9 8 年) 1 9 9 9 年，c e r n e t 立项开始建设采用在光纤网络s d h 上直接运行m 技术u p o v e rs d h ) 的高速主干网，基本速率将达到6 2 2 m 2 5 g 。卫星信道将作为主干网 的备份信道，部分d d n 信道仍作为备份信道。网络拓扑如图1 4 所示： 第7 页共7 页 皇王型盔堡主望些丝塞= 里星笪塑垫查查丝墨璺兰型坐堕型壁生塑墅坠一 、 、 图l 一4c e r n e t 主干网升级拓扑 1 2c e r n e t 主干网需求分析 在采用了s d h 作为主干网以后，c e r n e t 的网络带宽得到了极大提高，有 效解决了d d n 和卫星信道作为主干产生的瓶颈。现在i p 宽带网普遍采用7 - - 种 技术：i po v e ra t m ，i p o v e rs d h ，i po v e rd w d m 。采用i po v e rs d h 具有以下 优点： ( 1 ) 对i p 路由的支持能力强，具有很高的i p 传输效率。 ( 2 ) 符合i n t e m e t 业务的特点，如有利于实施多路广播方式。 ( 3 ) 能利用s d h 技术本身的环路，故可利用自愈合( s e l f - h e a l i n gr i n g ) 能力 达到链路纠错：同时又利用o s p f 协议防止设备和键路故障造成的网络停顿，提 商嘲络的稳定性。 ( 4 ) 省略了不必要的a t m 层，简化了网络结构，降低了运行费用。 s d h 是比较稳定的网络，在主干网升级以后，卫星信道就仅仅作为了备份信 道使用，造成了很大的浪费，因为在绝大部分情况下这7 条卫星信道都处于闲置 状念，而租用卫星信道的钱相当的高。所以如果能够将2 条卫星信道作为7 条的 备份，将另外5 条出租的话将会带来可观的经济效益，因而产生了开发一个卫星 第8 页共8 页 皇王型查堕：! 兰些丝苎= 卫星笪堕垫查墨丝墨! 堕塑墨竺里里兰堕墅墅一 信道动态备份系统的需求。 1 3 动态卫星信道备份系统对节省带宽而带来的经济效益 的计算 为 假定每条线路出现故障的概率为p ，则 1 ，线路无故障概率为c 7 7 ( 1 - p ) “7 p 0 2 有仅有一条出现故障的概率c 7 6 + ( 1 - p ) 6 p “1 有仅有两条出现故障的概率为 有仅有三条出现故障的概率为 有仅有四条出现故障的概率为 有仅有五条出现故障的概率为 有仅有六条出现故障的概率为 c 7 5 7 l - p ) “5 + p a 2 c 7 4 。( 1 - p ) 4 p 3 c 7 3 + ( 1 - p ) “3 。p 4 c 7 2 ( 1 - p ) 2 p 5 c 7 1 ( 1 - p ) “1 p 6 假定地面线路的可用性为9 0 ，则可根据公式算出 地面线路情况出现概率静态分_ 配动态分配线路带 宽 1 线路无 9 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 4 8 00 9 4 5o 0 0 故障 2 有仅有 9 5 5 4 1 6 8 3 2 9 9 5 9 6 0 4 8 08 6 2 5 4 , 0 9 6 0 0 一条出现故障 3 有仅有 0 4 3 4 6 7 6 8 2 1 3 2 0 6 0 4 8 01 6 3 0 5 4 ，0 9 6 0 0 两条出现故障 4 有仅有 0 0 1 0 9 8 6 7 0 7 7 2 5 6 0 4 8 01 6 3 0 3 2 , 4 2 7 0 0 三条出现故障 5 有仅有 0 0 0 0 1 6 6 6 1 7 2 3 0 6 0 4 8 01 6 3 0 1 1 ，8 2 0 0 0 四条出现故障 6 有仅有 0 0 0 0 0 0 1 5 1 6 0 8 5 6 0 4 8 01 6 3 0 1 1 。4 5 6 0 0 五奈出现故障 7 有仅有 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 6 6 4 6 0 4 8 0 1 6 2 9 7 1 2 1 3 0 0 六条出现故障 9 七条线 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 7 6 0 4 8 0 1 6 3 0 11 0 4 0 0 0 路都出现故障 9 9 9 8 8 8 4 5 1 5 1 2 8 0 籀9 页共9 页 $ 1 7 6 0 0 0 $ 1 7 6 o o o $ 1 7 6 0 0 0 皇王型盔堡主望些丝苎= 里星笪堕垫查查丝墨竺坌苎墨竺壁生兰苎苎l 一 由计算表得出结论：我们开发的动态备份系统在可靠性为9 9 9 9 的情况下一 ，1 i 。竹约了1 7 6 万荚圆，可见丌发卫星动态备份系统在保证了c e t n e t 主干通信网 的可靠性的前提下将会带来巨大的经济效益。 1 4 项目目标 根据c e r n e t 主干网采用卫星信道进行动态备份的需求，本系统的设计目标 如下： 针对c e r n e t 主干网采用卫星信道作为备份线路的需求，为了提高备份线路 生效的自动性与及时性，降低卫星系统的维护开销，节约卫星信道资源，设计开 发卫星信道动态分配系统，采用一定的策略临时建立释放卫星信道，避免影响 c e r n e t 主干网的路由状况，保证整个c e t n e t 主干通信网的连通性。通过系 统的设计开发，突破若干关键技术，实现c e r n e t 主干网信道的动态备份。 本论文设计目标： 根据卫星信道动态备份系统总体设计方案的要求，完成分站系统通信方案设 计，硬件结构设计，软件结构设计及实现，通过与主站系统的交互，共同实现卫 星信道备份系统。 第1 0 页共1 0 页 坐王丛生些土兰些丝苎：型星堕堕垫查墨丝墨竺三兰苎墨竺堡旦皇兰堡一 第2 章卫星信道动态备份系统方案 2 1 系统功能 本系统为了保证c e r n e t 主干网的可靠性，通过基于策略的控制体系，实现 卫星信道的动态备份，以及卫星网管中心与主、分站网管中一t j , x t 本系统的配置监 控管理。 系统主要功能设计如下： 卫星信道的动态备份策略 卫星信道的动态备份策略是整个系统正常工作的基础和依据，主要包括卫星 信道的使用策略和系统的通信策略。 备份信道的动态建立与拆除 系统按照策略自动选择合适的卫星信道，采用主从控制方式动态建立或拆除 该备份链路。 系统的配置监控管理 为卫星网管中心和主、分站网管中心对本系统的配置监控管理提供多种手段， 包括：远程登录( t e l n e t ) 方式和基于w e b 的方式。 2 2 系统结构 卫星信道动态分配系统设计采用主从结构，由一个主站子系统和七个分站予 系统构成。主站子系统和分站子系统的物理分布与c e r n e t 卫星主干网的物理分 布相一致。 第1 i 页共1 1 页 系统结构示意图如图2 - l 所示 图2 1卫星信道动态分配系统的结构 2 3 系统卫星信道的设计 本系统的卫星信道主要由连接主站子系统和分站子系统的s d m - 3 0 0 的 a s 、n q c 通道，以及连接中心和地区网的主干路由器的s d m 3 0 0 的数据通道共同 构成。根据a s y n c 通道和数据通道的使用特点，卫星信道可分为两种类型：控 制信道和业务信道。 2 3 1 信道构成设计 山于本系统采用一个主站、七个分站的主从结构，因此如何在主站与分站之 阳j 构成控制信道和业务信道是系统总体设计的一个重要问题。 控制信道的构成 控制信道主要使用s d m 3 0 0 的a s y n c 通道，传输主站子系统和分站子系统 间的监控管理信息。控制信道的接口采用r s 4 8 5 标准，因此根据r s 4 8 5 接口特性， 控制信道的构成有两种方式：1 条共享信道方式和7 条子信道方式。 在共享信道的方式中，一个主站s d m - 3 0 0 和七个分站的s d m - 3 0 0 共同守候 在一条控制信道上，其信道相关参数的设置完全一致。 第1 2 页共1 2 页 电子科大硕士毕业论文一卫星佰道动态备份系统分站系堕设计复! 篁堡 在子信道方式中，主、分站间的七对s d m - 3 0 0 分别守候在各自独立的控制 子信道到上，此时的控制信道将由7 条独立的子信道构成。 业务信道的构成 业务信道主要使用s d m - 3 0 0 的数据通道。提供c e r n e t 主干网路由器间的 备份点到点链路，其接口采用与路由器接口相一致的v 3 5 标准。由于共有7 个分 站，因此最多将会形成7 条备份链路，每一条备份链路就是一条相对独立的业务 信道，即为一个独立的子网。该信道两端所连接的路由器接口都必须分配一个固 定的i p 地址，以便构成主干路由。 因为本系统的运行将不影响c e r n e t 主干网的路由，即备份信道的建立和拆 除不能导致c e r n e t 主干路由器配置的修改，所以业务信道将采用予信道的方式 构成，根据需要动态分配并调整每个业务子信道的带宽和相关卫星参数。 小结 由于业务信道最多有7 条子信道，因此主站子系统和分站子系统中分别各需 要7 个s d m - 3 0 0 ，接入7 个路由器的广域网接口。控制信道如果采用共享方式， 主站子系统中还需要添加1 个s d m - 3 0 0 ，为了节省系统开销、简化系统的运行维 护，控制信道亦采用子信道的方式与业务信道共同使用7 对s d m - 3 0 0 。整个系 统的工作方式即变成根据具体情况在相应的一条链路上进行控制信道与业务信道 的切换操作。 卫星设备的连接如图2 2 所示： 第1 3 页共1 3 页 鱼王型查堕主兰些丝塞= ：! ! 墨笪堕些查墨丝墨竺坌堂至堕望盐兰兰璺一 r 控匍怖勘刘蝌酋a s 验l 撒v 3 5 k - n 妾 图2 - 2 系统卫星信道使用连接图 2 3 2 信道带宽设计 本系统卫星信道的带宽主要依据卫星通信公司所提供的总带宽进行具体的设 计分配。 控制信道的带宽 当主站子系统和分站子系统间的地面主干线路正常工作时，控制信道主要传 输整个系统的监控管理信息。因此整个控制信道上的信息主要是数据信息，流量 较小。传输不频繁，带宽需求量不高。本系统控制信道设计使用i m 的总带宽， 每条控制子信道的带宽设计使用1 2 8 k 。 业务信道的带宽 当主站子系统和分站子系统间的地面主干线路发生故障时，系统根据 c e r n e t 网管中心的指令，将该主、分站子系统间的卫星信道从控制信道自动切 换至业务信道，保证c e r n e t 主干网的连通性和可靠性。由于业务信道是地面主 干线路的备份线路，当主干线路失效时，该线路上的所有传输信息将全部转移到 业务信道，这些信息除了数据信息外，还可能有音频、视频信息，因此业务信道 的带宽需求量要远远大于控制信道。另一方面，考虑到备份信道的l 临i 对性和使用 第1 4 页共1 4 页 皇王型盔堡主望些堡壅= 里星笪垄垫查查丝墨苎坌苎墨苎望盐兰兰墨一 时州十对较短在系统卫星信道设计中业务信道的总带宽为8 m 。 由于业务子信道的个数根据c e r n e t 地面线路的状况动态变化，为了提供总 带宽的利用率，每一条业务子信道的带宽也将随着信道个数的不同而动态调整： 当需要建立n 条业务子信道时，每一条子信道的带宽为( 8 p ) m ，其中p = n 或 者2 ”( n = 1 ，2 ，3 ) 。 本系统业务信道的带宽分配具体如卜_ ： 当需要建立l 或2 条业务子信道时，每条子信道带宽均为4 m ； 当需要建立3 或4 条业务子信道时，每条子信道带宽均为2 m ： 当需要建立5 、6 或7 条业务子信道时，每条子信道带宽均为1 m ； 虽然这种分配方案在某些情况下浪费了带宽，但是整个系统的实现较为简单， 系统开销较小，提高了系统的运行效率。 2 4 系统控制体系 本系统的控制体系主要包括卫星信道的监控和系统工作状态的监控。 2 4 1 卫星信道的监控 卫星信道的监控主要分为两部分：卫星信道的工作状态监控，控制信道与业 务信道间的切换控制。 卫星信道的工作状态监控 卫星信道的工作状态监控是指主站对连接7 个分站的7 条卫星信道工作状态 的监控。监控方式采用主从方式下的正常响应模式，即主站依次轮询位于主站子 系统的7 个s d m - 3 0 0 ，获取每条卫星信道当前的工作状态参数，从而知道该信道 是控制信道还是业务信道。 控制信道与业务信道间的切换控制 控制信道与业务信道间的切换控制对应于备份卫星信道的建立与拆除操作。 “j - ：j z i f i 收到建立某条卫星信道的指令后，主站将控制该卫星信道所对应的分站， 共同完成从控制信道向业务信道切换的操作，建立备份卫星信道。当主站收到拆 除某条卫星信道的指令后，主站将控制该卫星信道所对应的分站，共同完成从业 第1 5 _ 且共i5 页 皇兰型盔塑主望些丝塞= 里星笪塑垫查墨丝墨竺坌苎墨苎丝盐量壅翌一 务信道向控制信道切换的操作，拆除备份卫星信道。由于业务信道的带宽等参数 与业务信道的个数相关，因此在以上两种切换操作中还将涉及到其他业务信道的 参数调整控制。 2 4 2 系统工作状态的监控 系统工作状态的监控主要是指对主站子系统和各个分站子系统的工作状态监 控。 主站子系统的工作状态监控 主站子系统的工作状态监控主要由主站控制器通过对主站设备的工作状态监 控来实现。 分站子系统的工作状态监控 分站子系统的工作状态监控主要由主站子系统通过轮询方式控制完成。主站 控制器依次向各个分站子系统的分站控制器发送监控命令，分站控制器将收集到 的术站设备工作状态信息汇总后送往主站控制器。 第1 6 页共1 6 页 皇王型查堡圭望些丝塞= 里墨笪壅i 堕墨丝壹塑型堕望墼墅墅上曼壅璺一 第3 章分站系统总体设计 3 1 分站功能描述 信道转移功能 根据主站命令改变卫星m o d e m 的工作频率及带宽，使之转移n 乒3 # b - - 条信 道，这是最基本的功能。这其中又分为几种情况： a 从控制信道状态转移到业务信道状态。 这属于建立链路功能，即s d h 链路出现故障时建立卫星链路，保证c e r n e t 主t 的连通性。 b 从业务信道状态返回到控制信道状态。 这属于拆链功能，既s d h 链路恢复正常已不需要卫星链路的情况下拆除链 路，卫星m o d e m 转入控制信道状态，等待主站的轮询或命令。 c 从一条业务信道转移到另一条业务信道。 当需要建立的业务信道从2 条变成3 条或从4 条变成5 条时，原来的业务信 道需要做相应调整，改变原来的频率及带宽。 通过t e l n e t 配置监控管理 分站网管中心通过t e l n e t 登录到分站控制器上，对分站进行配置，监控， 查询和管理功能。因为对参数的配置，管理非常重要，影响到卫星链路动态备 份系统能否正常运行，所以运行配置管理的程序必须要有管理员帐号，这样就 保证了安全性，以免系统遭受破坏。 配置功能 具体配置参数有： 分站的i p 地址：分站系统控制器网卡i p 地址。 p p p 链路i p 地址：包括分站拨号服务器i p 地址以及当客户拨通 拨号服务器建立p p p 连接后分配给客户的i p 地址。 分站站名：分站的名称，如成都，武汉，上海等，用于显示分站的 第1 7 页共1 7 贝 有关信息。 分站号：在主站与分站的通信过程中为了简化名称而给分站起的号 码。 卫星m o d e m 地址：卫星m o d e m s d m 3 0 0 的硬件地址，这个地址 是通过s d m 3 0 0 前端面板进行设鼍的。 电话号码：分站拨号m o d e m 所接电话的号码。 查询功能：为了对卫星m o d e m 的当前工作状态进行监控，必须要提供 查询功能。 查询功能包括 s d m 3 0 0 目前工作状态查询：如工作在哪条信道，是业务信道还是 控制信道，信道频率及带宽，调制器状态，解调器状态，接口状态等。 s d m 3 0 0 统计信息查询：包括当前信道通信时间长短，误码率，信 噪比，调制器的错误报告和警告报告，解调器的错误报告和警告报告等 等。 基于w e b 管理监控功能 为了方便管理员，同时提供了基于w e b 的管理功能。分站网管中心可以通 过h t t p 的方式方便的浏览网页，对分站控制器进行监控。 不过为了可靠性及安全性，w e b 的权限受限，它所提供的功能是基于t e l n e t 配置管理的子集。主要是提供查询功能。 响应轮询功能 随时准备相应主站的轮询及命令。 对于主站的查询返回相应的查询信息，包括分站系统信息，分站卫星 m o d e m 工作状态等。 告警功能 当定时器连续三次超时还未从卫星m o d e m 的异步信道收到轮询信息时，说 明卫星信道出现故障，如果s d m 3 0 0 工作在业务信道那么就返回守侯信道，并通 过以太网向主站发出告警信息。 记录历史信息 对分站工作情况进行记录，保存在数据库中。包括分站建立卫星链路的时间， 拆除链路的时间，出错报告等。 笫1 8 ：5 ；f 共1 8 页 电子科大硕士毕业论文一卫星信邋动态蔷份系统分站系统设计与实现 3 2 通信方案 为了完成卫星信道动态备份和监控管理功能，整个分站系统的通信由三部分 构成： 分站子系统内部的通信； 主、分站子系统间的通信： 分站子系统与其它系统( 卫星网管中心和主、分站网管中心) 间的通信。 系统的通信框图如图3 3 所示： 图3 - 3 卫星动态分配系统通信框图 3 2 1 分站子系统内部的通信 分站子系统内部通信主要是实现对本子系统中卫星调制解调器s d m - 3 0 0 和 一个室外单元o d u 的配置与监控。 通信线路 分站控制器分别连接卫星调制解调器s d m - 3 0 0 和室外单元o d u 的远程接口 第j 9 页共j 9 页 皇王塑盔堡圭望些兰塞= 里里笪塑垫查墨丝墨鉴坌些墨笙堂盐兰兰型_ _ 一 ( r e m o t e 口1 各自构成一条半双工模式的串行通信链路称为r e m o t e 通 道( 图3 4 ) 图3 - 4分站子系统内部的通信 通信方式 r e m o t e 通道的通信方式采用f 常响应模式即通信由控制主机发起卫星 设备仅在收到控制命令时才发送状态响应信息。 信息格式 r e m o t e 通道上主要传输两种信息：控制主机发往卫星设备的控制命令和卫 星设备发往控制主机的状态响应。它们的数据格式均采用标准a s c i i 编码的字符 串格式。 3 2 2 主、分站子系统间的通信 主、分站子系统间的通信主要完成主站子系统对分站子系统的监测与控制功 能。具体的通信是在主站控制器和分站控制器之间进行的 主站和分站之间的通信方式采用了正常响应模式( n r m ) 即分站只有在被 主站轮询以后才能传输数据。这种模式适用于非平衡的多点链路结构因为在卫 星信道备份系统中主站和分站是一对多的关系它们之间的通信数据大部分是通 过r s - 4 8 5 接口的卫星异步信道如果几个分站同时主动向主站发送数据势必 会造成异步信道的碰撞所以分站只能等待主站的轮询然后才能发送数据这 样就避免了碰撞的情况所以它们之间的通信方式采用了正常响应模式 通信线路 主站控制器与分站控制器间的通信线路有两种一是地面线路第二种是由 上分站卫星设备构成的卫星信道 地面线路有两条一是通过局域网连入c e r n e t 所构成的以太网线路另一 条是通过p s t n 构成的广域网拨号线路 第2 0 州捉2 0 贝 皇王型盔堡主望些望苎= 里里笪望垫查鱼丝墨苎堂堂至竺堂旦兰兰型一- 一 卫星信道共有两条通道：一条是由s d n 0 3 0 0 的d a r a i o 接口引出的a s y n c 通道( 多点结构) ；另一条是由s d m - 3 0 0 的d a t ai o 接口引出的连接主、分站 网管中心路由器的数据通道( 点- 点结构) a ( 图3 - 5 ) 图3 5主，分站之间的通信 在启动某条备份卫星链路以前，主站控制器与该卫星链路所对应的分站控制 器之间通过a s y n c 通道通信：启动某条备份卫星链路以后，主站控制器则采用 数据通道通过c e r n e t ( t c p i p 网络) 与相应的分站控制器进行通信。 a s y n c 通道的a s y n c 接口可以被设置成为半双工模式或全双工模式，其 波特率为1 1 0 - - 3 8 4 0 0 。数据通道的数据接口可以被设置成为标准的g 7 0 3 、r s 4 2 2 或v 3 5 接口，本系统中数据通道主要连接路由器的串行i d ，因此根据路由器的串 r 口类型采用v 3 5 标准的数据接口。 通信方式 局域网线路采用以太网通信方式，拨号线路采用点到点的通信方式。 a s y n c ( 异步) 通道的通信采用正常响应模式( n r m ) 。即分站只有在被主 站轮询以后才能传输数据。这种模式适用于非平衡的多点链路结构。因为在卫星 倍道备份系统中主站和分站是对多的关系，如果几个分站同时通过异步信道主 动向主站发送数据，势必会造成异步信道的碰撞。所以分站只能等待主站的轮询， 然后才能发送数据，这样就避免了碰撞的情况。所以它们之间的通信方式采用了 正常响应模式 笫2 l “共2 i m 电予科大顾士毕业论文一卫星俯邋动态需份系缝分站爱堡墼寸复兰坚些 主、分站网管中心路由器之间的数据通道采用点到点的广域网通信方式，主、 分系统控制器通过以太网连入主、分站网管中心。 信息格式 以太网线路和拨号线路分别采用以太网帧格式和p p p 帧格式传输t c p i p 数 据。a s y n c 通道实际上是一个透明信道。主要传输主站控制器发往分站控制器 的轮询信息和监控信息，以及分站控制器的响应信息。因此本系统为这三类信息 设计了一种类似于t c p i p 网络中数据帧的格式，称其为a s y n c 帧。 数据通道采用路由器对应接口所配置的广域网数据帧格式，主、分站控制器 与主、分站网管中心之间采用以太网帧格式，均进行标准的t c p i p 通信。 3 2 3 分站子系统与其它系统间的通信 主、分站子系统与其它系统间的通信主要完成卫星网管中心对主、分站卫星 设备的监控，以及主、分站网管中心对主、分站子系统的监控。具体的通信是在 主、分站子系统和卫星网管中心及主、分站网管中心之间进行的。 通信线路 主、分站予系统与其它系统间的通信线路有两种，一种是与卫星网管中心连 接的拨号线路，另一种是与主、分站网管中心连接的以太网线路。 据。 通信方式 拨号线路采用点到点的通信方式，以太网线路采用以太网通信方式。 信息格式 拨号线路和以太网线路分别采用p p p 帧格式和以太网帧格式传输t c p i p 数 3 3 分站软件涉及的协议 软件的实现是以协议为基础的，首先要制定好一个完善的协议，在此基础上软 件的实现才有意义，才能保证软件的可靠性，同时一个好的协议也可以简化软件的 第2 2 页共2 2 页 ! ! 互塑盔堡生篁些丝兰二兰墨堕堕塑查墨丝墨竺坌苎墨竺竖旦点塑塑l 一 实现所以，软件的实现实际上是为协议服务的因此，在介绍分站系统软件设计之前， 有必要先介绍一下相关协议 3 3 1 分站卫星m o d e m 初始配置协议： 该过程采用表驱动的方式，从相应的分站系统控器上的数据库中调入适 当的参数表，从而完成初始化过程。控制器将对初始化的结果进行记录， m o d e m 在初始化完成后转入“守候状态”。 分站系统的m o d e m 初始化过程如下所示： 分站系统控制器 分站m o d e m + 分站m o d e m 进入守侯状态 1 )分站系统控制器向分站m o d e m 发出初始化命令； 2 ) 分站系统控制器在规定时间内收到分站m o d e m 的a c k 信号， 则初始化成功；分站m o d e m 进入“守侯状态”。等待轮询。 3 )分站系统控制器在规定时间内未收到主，分站m o d e m 的a c k 信 号，则由分站系统控制器重发初始化命令；分站系统控制器若重发三次仍 未在规定时间内未收到分站m o d e m 的a c k 信号，则认为该m o d e m 初始 化失败：分站系统控制器记录，并上报。 第2 3 页共2 3 孤 3 3 2 轮询协议 正常情况下的基本操作：由主站系统控制器通过卫星监控信道或通信信道定 期向分站系统发出轮询请求命令，分站系统正确接收后返回所需要的信息，返回的 信息除了简单的确认以外，还可以包括各种其他分站系统的信息。主站系统控制 器收到确认信息并记录。以定期获得监控等信息： 当有主分站m o d e m 正常退出时： 如果是主站m o d e m 要退出：通过定期的轮询请求命令通知分站m o d e m 退回到“守侯状态”或“退出系统”，在得到分站系统的确认后，主站m o d e m 才能退回到“守侯状态”或“退出系统”。 如果是分站m o d e m 要退出：当得到主站系统的轮询命令后，除返回主站 系统所需的信息外，需提出主动退出的请求。仅当在得到主站系统的确认信 息后，分站m o d e m 才能退回到“守侯状态”或“退出系统”；同时主站m o d e m 也退回到“守侯状态”或“退出系统”。 对于正常退出的主站m o d e m 或分站m o d e m ，主站系统要保留记录； 若主站m o d e m 或分站m o d e m 未在轮询时退出，则视为非正常退出。对 于轮询的错误信息，主站系统控制器要记录、上报，并告警。 3 2 3 建立和拆除卫星备份链路协议 本系统要求仅当c e r n e t 的s d h 骨干网的某链路发生故障后才能启动 已有的7 条卫星信道中的一条或多条作为备份信道。目前c e r n e t 的骨干网 是通过7 条卫星信道连接全国8 个城市的1 0 所节点学校。 建立卫星备份链路将主要采用表驱动的方式进行，即各个主站和分站都 在本地保留一个拥有各种情况下的参数表数据库。当主站系统控制器根据“卫 星备份链路建立算法”得出需要建立适当的某条或多条卫星链路时，它将请 求，相应的方式通知相应的主站m o d e m 和分站m o d e m 从数据库中调入适当的 参数表，以建立卫星备份链路。 第2 4 颤共2 4 r 贝 皇王型盔堡主堂些丝兰= 里星塑堂垫查墨堕墨竺坌些墨竺塑堕皇兰堡一 若c e r n e ts d h 主干网中发生故障的链路恢复通信，本系统在得到 c e r n e t 网络中心的通知后，要能动态地拆除已经建立好的卫星备份链路， 尽快恢复c e r n e ts d h 主干网的通信。 1 、通常情况下分站系统建立和拆除卫星备份链路 1 )分站系统建立卫星备份链路的流程图如下所示： 2 )分站系统拆除卫星备份链路的流程图如下所示： 筛2 5 贝麸2 5 贝 皇王壁盔堡主望些堡苎= 里星盟堕垫查查塑曼苎坌苎墨竺塑盐兰兰型_ _ 一 上报”未收到主站 的轮询信息”，记 录并报警 通情状态 二 收割上站发出的” 拆除卫星备份硅路 。的由令 二 二 从站系鲑政变 教成功拆除卫甩 蔫价链路 黔三企 守侯状态 2 、切换过程中，主站和分站建立和拆除卫星备份链路 当需要建立第三、五条卫星备份链路时，根据“信道分配协议”，对于已经处 于通信状态的卫星备份链路要做出适当的调整，重新分配信道，才能完成信道的 切换过程。此过程的状态转移图如下： 第2 6 撕荚2 6 页 皇王型查型主望兰竺丝苎= 里里塑塑苎查查堕墨丝坌苎墨垫堂旦兰些苎一 在“切换状态”过程中，分站系统重新分配信道的流程图如下所示： 3 4 分站硬件设计 3 4 1 硬件组成 分站子系统的硬件组成基本上与主站子系统一样，由以下设备组成： 1 个带有多串口卡和以太网卡的控制器 l 套卫星设备，包括1 个s d m - 3 0 0 、1 个o d u 和1 个卫星天线 第2 7 页麸2 7 页 皇王型查堡主望些堕苎= 里星笪堂垫查墨堕墨望坌苎墨竺堂旦当塑蔓生一 外置式电话m o d e m 连接电缆 3 4 2 硬件连接 分站子系统内部及外部的硬件连接也基本上类似于主站子系统，连接示意图 如图3 - 6 所示： 图3 6分站子系统的硬件连接示意图 分站控制器与分站s d m 3 0 0 的连接 分站控制器与分站s d m - 3 0 0 之间有两条连接。一条是通过主站控制器的一 个r s 4 8 5 接口连接分站s d m 3 0 0 的r e m o t e 口，构成r e m o t e 通道，控制分 站子系统内部的s d m 3 0 0 。另条是分站s d m 3 0 0 通过y 型电缆的r s 4 8 5 接口 连接分站控制器的另一个r s 4 8 5 接口，与主站卫星设备构成a s y n c 通道，接受 主站子系统的控制。 这两条连接的接口均为9 针的r s 4 8 5 接口。区别于主控站与主站s d m 3 0 0 m 的菊花链连接，分控站与分站s d m 3 0 0 间的两条连接均采用点对点方式。 分站控制器与分站o d u 的连接 第2 8 页共2 8 页 皇王型大塑望些堡奎= 里里堕堕塑查墨丝! ! ! 坠塑墨竺里盐兰兰望一 分站控制器通过一个r s 2 3 2 接口按照点对点方式连接分站o d u 设备的 r e m o t e 接口 分站子系统的外部硬件连接主要是分站子系统与卫星网管中心和分站网管中 心的连接。 分站子系统与卫星网管中心的连接 分站控制器通过r s 2 3 2 接口连接本地电话m o d e m 利用p s t n 建立分站子 系统与卫星网管中心之间的拨号连接， 分站子系统与分站网管中心的连接 分站子系统与分站网管中心的连接有两条：一条是分站控制器通过以太i 网卡 址倭州目阻亩i 琏且刚以a 阳珏便；力一尔旭玎里白3 u l v l 。j u u 通uy 型吧现h uv j ) 接口连接路由器所建立的点到点连接： 3 4 3 系统控制器的硬件结构 系统控制器是其相应子系统硬件结构中的核心构件，是整个系统正常运行的 关键因此要求控制器稳定可靠能够7 * 2 4 小时不间断运行，具有良好的散热 性能和电磁屏蔽性能。 主站控制器和分站控制器虽然处于不同的子系统，实现不同的功能，但是它 们在系统中的硬件连接大致相同，在硬件结构设计方面的唯一区别是主站控制器 多了一个连接伺服器的r s 2 3 2 接口，因此，本方案设计中，主站控制器和分站控 制器采取相同的硬件结构 系统控制器的硬件平台设计采用机架式服务器首先机架式服务器性能稳 定可靠有良好的通风散热设计电磁屏蔽性能优良可以保证7 * 2 4 小时不间 断工作其次相比于工控p c 机架式服务器设计标准对网络和l i n u x 操作系 统的支持较好但是机架式服务器由于机箱空间和i o 扩展能力有限不易安 装扩展板卡本方案选用i n t e li s p11 0 0 型机架式服务器主要特性如下 高l u 4 3 1 8 m m长2 2 时5 5 8 8 0 m m 可安装在标准1 英寸机架上 外形尺寸5 5 8 8 0 * 4 2 5 4 5 * 4 3 1 8 按照7 * 2 4 小时不间断服务设计的机箱及散热系统 工作时的环境温度为+ l0 - - + 3 5 第2 92 f 芙2 9 页 皇王型查堡圭望些堡壅= 翌里堕丝垫查查丝至竺坌苎墨竺堂堂皇壅墨一 i n t e lp e n t i u mi i i 或赛扬处理器，i n t e l8 2 4 4 0 b x 主板，支持l i n u x 操作系 统。 有一个全长p c i 扩展槽和一个半长p c i 扩展槽，可用于扩展i o 端口。 两个串行口( r s 2 3 2 ) ，面板一个，可用于日常维护：背板一个，可按外 置电话m o d e m 。 支持两个i d e 硬盘，可以做冗余符份。 最多支持高达1 g b 的e c c s d r a m 。 双i n t e lp r o 1 0 0 + l l 务器网卡。 i n t e l 基于w e b 的管理。 面板提供9 个状态监视灯，其中2 个为用户可编程，可以用来监视机器 工作状态。 由于系统控制器需要2 个r s 4 8 5 接口、2 - 3 个r s 2 3 2 接口和1 个以太网接口， 因此需要在i n t e li s p1 1 0 0 型机架式服务器上安装一个多串口的扩展板卡。本方案 选用m o x a i n d u s t i o c p 1 1 4 系列的p c i 工业通信四串口卡，主要特性如下： 采用p c i 总线，提供4 个可切换的，独立的r s 2 3 2 和r s 4 2 2 ，4 8 5 串口。 在多点应用环境中，每个r s 4 2 2 ，4 8 5 串口最多能控制3 2 个设备。 i o 控制器为4 个1 6 c 5 5 0 c 或相容的u a r t ，每个具有1 6 b y t e 的t x