（通信与信息系统专业论文）基于stm1级光传输网自愈系统监控软件的研究与实现.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于s t m 1 级光传输网自愈系统监控软件的研究与实现 摘要 根据当前军队指挥自动化网络及其现存问题，给出了一套提高网络可靠 性、可用性的解决方案，本文详尽叙述了s t m 1 级光传输网络特点与监控系 统的技术设计方案和系统组成软硬件的主要性能指标与技术要求，给出了系 统各模块的设计框图和功能流程图，并在v c + + 编程环境下完成了相关软件 的开发。 软件的设计从专业化角度出发不仅提供了强大的数据库查询功能和信道 使用率的分析功能，丽且考虑到串口操作、故障报表、用户管理等功能的实 用性，在界面效果上也兼具了许多专业因素如故障告警信号灯等。作为光传 输网自愈系统中的监控软件，本软件不仅能准确地提供自愈装置故障和链路 故障的提示功能，还能够提供手动操作功能，提高工作效率，充分反映系统 设计要求。该软件作为一种开放式，可视化的上层监控软件，结合本系统的 自愈装置，可应用于军队光传输网自愈系统。 本文主要完成的工作包括以下几个方面：建立故障数据库，设计了相关 信息表，并利用v co d b c 实现故障数据的数据库存取；自定义串口通信协 议并在自己封装的多线程串口类的基础上开发多串口通信应用程序：将g d i 作为主要的绘图手段，在监控拓扑视图上实对显示、刷新龉控链路当前使用 情况；在控制面板视图上集成手动、故障告警等使用频率较高的操作，提供 本地时钟和当前登陆用户信息来创建交互式操作环境：在故障列表视图中允 许对数据库各信息表内容的查询，提供信道利用率的分析和统计功能，可以 结合自愈装置的安装来添加、编辑、删除数据库中的记录，并允许生成报表 并打印。 关键诃：自愈；s q l s c r v c r 数据库；多线程；多串口通信 n 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fs u p e r v i s o r s y s t e mi ns e l f - h e a l i n gs y s t e mb a s e do ns t m 一1 l e v e lf i b e rt r a n s m i s s i o n a b s t r a c t i n t h i sa r t i c l e ，b a s e do nt h et o p o l o g ys t r u c t u r ea n dp r e s e n tp r o b l e m so f m i l i t a r yf i b e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，t h et e c h n o l o g ys c h e m eo ft h es t m 一1l e v e l f i b e rt r a n s m i s s i o ns e l f - h e a l i n gs y s t e ma n ds u p e r v i s i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e c a p a b i l i t yt a r g e ta n dt e c h n o l o g y ，r e q u e s to ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r e d e s c r i b e di nd e t a i l t h ec o r r e l a t i v ep r o g r a m sa r ed e v e l o p e du n d e rv i s u a lc + + 6 0e n v i r o n m e n t s ，a n dt h ef l o w c h a r ti sa l s op r e s e n t e d p r o c e e d i n gf r o ms p e c i a l i z a t i o n ，t h i s s o f t w a r en o to n l y p r o v i d e ss t r o n g f u n c t i o n sl i k ed a t a b a s e q u e r y i n ga n du t i l i z a t i o nr a t i oa n a l y s i n g ，b u ta l s o c o n s i d e r st h ep r a c t i c a b i l i t yo ff u n c t i o n sl i k es e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，d a t ar e p o r t s ， u s e rm a n a g e m e n ta n ds oo n ，m e a n w h i l e ，o f f e r sm a n yp r o f e s s i o n a lu ie l e m e n t s l i k eg u a r d i n gl i g h t i tc a nc o r r e c t l yp r e s e n tt h el i n ka c c i d e n t sa n ds e l f - h e a l i n g d e v i c e sa c c i d e n t s ，p r o v i d em a n u a lo p e r a t i o n ，a l lo ft h e s ei n c r e a s et h ee f f i c i e n c y o fw o r k i n ga n df u l l yr e f l e c tt h es y s t e m 。sd e s i g nr e q u i r e m e n t s a sas u p e r v i s o r s o f t w a r e ，i tc a nb ea p p l i e dt ot h ea r m ys t m 1l e v e l f i b e rt r a n s m i s s i o n s e l f - h e a l i n gs y s t e mg e n e r a l l yc o m b i n i n gw i t hs e l f - h e a l i n gd e v i c e s w h a tt h i sp a p e rh a sf i n i s h e dm a i n l ya s f o l l o w s ：b u i l d i n gt h ea c c i d e n t d a t a b a s ea n dd e s i g ns o m et a b l e s ；u s i n go d b ct oa c c e s st h ed a t a so fd a t a b a s ea n d d e v e l o p i n gm u l t i s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a mo ns e l f - d e f i n e dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n ds e l f - p a c k e ds e r i a lp o r tc l a s sw h i c hb a s e dm u l t i t h r e a d ，d r a w i n gt h e w o r ks t a t eo ft h el i n ka n ds e l f - h e a l i n gd e v i c e so ns u p e r v i s o rt o r p l ev i e wb y a d o p t i n gg d i ，i n t e g r a t i n gh i g hf r e q u e n c yo p e r a t i o n sl i k em a n u a l ，g u a r d i n ga n d b a s i ci n f o r m a t i o nl i k eu s e rn a m e ，m e a n w h il ep r o v i d i n gf u n c t i o n so fd a t a b a s e q u e r y i n ga n du t i l i z a t i o nr a t i oa n a l y s i n g ，a l s oa l l o w i n gg e n e r a t i n gr e p o r td a t aa n d p r i n t i n g k e y w o r d s ：s e l f - h e a l i n g ；s q ls e r v e rd a t a b a s e ；m u l t i t h r e a d ；m u l t i s e r i a l c o m m u n i c a t i o n - i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：力附 日期：如7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意。) 学位论文作者签名：j i 钟导师签名：毒卅丰叫l 签字日期：山叮f 签字日期： 跏7 ， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研发背景 第一章绪论 近十年来，计算机的普及、通信网络的数字化使得网络无所不在。在感受网络 带来的方便和巨大效益的同时，网络故障导致的危害也正引起人们越来越广泛的关 注。 ( 1 ) 网络自身技术的发展，潜在地加剧了网络故障的危害性 现代网络的速度不断地提高、容量不断地加大，9 0 年代通信速率己经向着千兆 位每秒的量级迈进，一条2 4 g b p s 的单模光纤中能传输3 2 0 0 0 个话路。同时网络提 供的服务更加丰富，集成了数据、声音、图象以及视频的传输。网络中服务流量的 增多与集中，使得一个故障，如一条链路的损坏，就会波及大量用户。在这样高速、 大容量、多种服务存在的网络中，网络故障引起的后果将比以前严重得多1 1 1 ( 2 ) 社会对网络的依赖，导致了网络故障潜在危害性的增加 网络作为国家基础设施开始建设和普及，规模不断扩大，用户数不断猛增。越 来越多的人使用电子邮件、远程文件传送、远程办公自动化、远程登录等网络服务； 政府、企业纷纷组建自己的内部网络，实现办公自动化、电视会议等，并通过连接 出口与外部交流信息；股市行情传递、e d i 、电子银行等业务又将金融、商业的运 作网络化；科研机构利用网络建立“合作实验室”，实现远程医疗、分布计算等等 随着社会生产、生活的各个方面开始使用并依赖于网络，网络中传输的信息价值日 益加大，网络故障也会影响到社会的各个方面，造成愈加恶劣的后果【2 1 。例如，根 据统计数字，网络服务中断- - 1 1 时，航空公司将损失2 4 0 万美元的收入；商业用户 和投资银行将损失6 0 0 万美元；而网络中断两天将足以使得银行倒闭。 在实际环境中，自然灾害、人为破坏、软件错误以及工作失误等等引起的网络 故障是难以避免的。因此在网络服务不断普及、网络性能不断提高的今天，人们更 加强烈地要求网络安全、可靠地运行，能够对付故障；同时在故障发生时，尽快从 故障中恢复，尽量减少故障对用户的干扰和引起的损失，一句话就是要提高网络的 生存性。因此，网络生存性是信息时代中社会正常生产、生活的重要保障条件【“。 特别需要指出的是，网络生存性一直也是军事领域关心的问题。现代及未来的 战争被称为“信息战”，从作战指挥、控制、通信等等各方面都离不开网络的支持； 而计算机、通信网络等信息系统也成为军事打击和恶意破坏的重点，故障情况更为 严重。如何提高军用网络的生存性，尤其是针对军队新的应用要求，利用现代新的 网络技术，在战争等恶劣环境下保证关键任务的完成，已成为信息战争取得胜利的 重要保障条件p j 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 课题研发目的与意义 随着信息化技术和军区信息化建设的不断发展进步，计算机网络应用已深入军 队各个层级用户，围绕计算机网络开展的作战指挥、日常办公等诸多应用已成为军 事工作的重要组成部分。然而这些应用越来越普及的同时，对网络连接及应用服务 也提出了更高的要求，尤其是对于军队计算机专用网络更要求提供连续、不问断的 全时段服务，以保证作战指挥、机关办公和部队训练的需要。光纤传送网是国防通 信网的重要组成部分，是军队信息化的重要基础设施之一，并以其公用性和覆盖性 成为军队作战指挥和日常办公的必要条件。作为承载军队信息系统各类业务网的平 台，光纤传送网在军事信息系统中处于基础性、先导性和战略性的重要地位。其运 行的稳定与可靠程度，对各个业务网和整个战区通信网具有决定性的影响。光纤传 送网一旦阻断将对作战行动和军队建设造成重大的损失。然而，目前战区光纤通信 网干线采用低等级的多路由人工切换保护技术，作为全网主要的安全性保护机制， 这非常不利于今后高速率大容量网络生存能力的提高，也不利于高等级自愈保护技 术的运用。同时由于系统采用的是手动处理方法，所以发生故障时所需要的恢复时 间很长，这是不能满足战区军事斗争准备的新形式对光纤传送网的要求的。有鉴于 此，在现有光纤传送网网络的基础上开发一套具有自动切换，故障恢复时间短等特 点的光纤自愈系统的必要性就凸现出来着眼于军区专用网络连接实际情况，本课 题研究重点解决基于s t m 1 级光纤传输系统的自愈问题，进一步提高现有光纤网络 连接可靠性和服务完整性同时，对提高网络的连通性、安全性、可靠性具有重要 的现实意义，是提高网络综合效益的总体技术之一，使网络在平时与战时为军队服 务起到切实的作用。 1 3 国内外研究概况 在故障发生后，通过恢复技术来恢复受故障影响的服务流量，是提高网络生存 性 4 1 的主要手段，也是目前网络生存性研究的重点。 近几年，为实施大容量光纤网络，各领域均较集中地研究了宽带光纤网络的恢 复技术【，1 ，并将其中一些技术付诸实用。主要可分为：保护切换、自愈环和自愈网 三类。 ( 1 ) 保护切换( p s ) 保护切换是指对网络中的工作实体建立备用实体，在发生故障时进行切换。如 s d h s o n e t a p s ( 自动保护切换) 技术，通过与现在两节点问建立备用物理连接，当 网络出现故障时( 这里是指线缆折断) 完成自动切换保护a p s 又分为两种，一种是 l ：n 的分级保护结构，是n 个工作光纤系统共享一个保护光纤系统，如图所示。 另一种是l ：l 的结构，采用l ：l 的备用保护，可以对光纤折断这样的故障提供1 0 0 2 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 的生存性保护。a p s 由硬件控制，具有快速响应、完全恢复和操作简单等优点，缺 点是成本大，恢复区域小。s d h s o n e t a p s 协议在9 2 年时由a n s it i x i ，4 标准化。 拦 工作实体i o 蓦 图1 1s d h l n a p s 结构 f i g 1 1t h es d h1 ：n a p ss t r u c t u r e ( 2 ) 自愈环( s h r ) 白愈环通过环状拓扑和冗余容量来实现对故障的恢复，思想与l a n m a n 中环 状网络容错类似，对于单根光纤的折断和单设备的失败能够达到1 0 0 的恢复。以 前的环状结构主要是用于局域网，标准化后的s d h s o n e t , 由于其较简单的控制机 制，高速的分插复用能力，己达到了局间网的要求 ( 3 ) 自愈网( s h n ) 自愈网是在任意的网状网络拓扑结构中，根据网络连接度形成的路由多样性。 在故障发生后，对受影响的服务重新连接路由，利用网络中的空闲容量建立变更路 径，恢复服务。如图1 2 所示，s h n 不需要备用设备，相比以上两种机制更为经济 和灵活 圈1 2s d hs h n 结构 f i g 1 2t h es d h s h ns t r u c t u r e s h n 技术最大的好处是可以利用网络物理设备布局的分散性来达到经济有效 的生存性，在网状自愈网中每条线路上的空闲容量都可以为其他线路的生存性作贡 献，网络的空闲资源并不为指定的线路或环恢复专用，而是全网共享。其中由加 一3 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 拿大a l b e r t 大学的w ，d ( ；r o v e r 提出的分布式动态路由方式自愈技术，简称分布式自 愈技术是目前应用最广泛和研究最多的一种技术。 以上三种恢复技术，以在s d h s o n e t 中的实现为例，比较结果见表1 i 表1 1s d h s o n e t 恢复机制比较表 t a b l e l ，it h es d h s o n e tr c c o v e r ym e c h a n i s mc o m p a r el i s t 一般地说a p s 、s h r 适于点到点的保护或用于较小规模的网络，通过占用专门 空闲容量完成恢复，速度较快。s h n 适用于全局网络，无需专门空闲容量，比较灵 活，但是恢复速度相对较慢。 1 4 本文所作内容 本课题利用v c + + 的可视化编程技术开发基于s q ls c r v e r 2 0 0 0 数据库的监控软 件，并对监控数据进行收集、分析、处理。 。 具体来说，主要研究内容有： 1 利用v c 提供的o d b c 数据库接1 3 技术，使用标准函数和结构化查询语言 ( s q l ) 对数据库进行操作，编制简洁明了的界面。完成了监控系统关于串口配置信息 的获取以及监控信息的存储、管理与分析。基于s q l s c r v e r 数据库，制定监控系统 的数据库存储结构。 2 分析并制定上层监控系统与下层自愈装置之间的通讯协议：保证在高速通 信的条件下，准确接收数据。 3 利用w i n d o w s 多线程技术、w i n 3 2a p i 函数和重叠操作模式在v i s u a lc + + 6 0 编程环境下，完成了多线程串口通信模块的开发，实现了对多串口数据的接收 本论文的章节安排如下： 第一章( 绪论) ：介绍了课题的研发背景、研究的目的、意义、国内外研究概况。 第二章( 网络自愈技术) ：介绍了自愈的概念及目前已被应用的各种网络自愈技 术。 4 东北大学硕士学往论文第一幸绪论 第三章( 自愈系统的总体设计) ：首先分析了当前运行的网络拓扑，给出了本课 题设计和实现的自愈系统设计思想，最后给出了拟实现的网络拓扑，详细讲述了自 愈系统总体功能。 第四章( 自愈系统的监控软件总体设计) ：详细讲述了监控软件在整个自愈系统 中的作用模块框图及其实现的功能。 第五章( 串1 3 通信模块的实现) ：详细讲述了监控软件中串口通信模块的设计以 及内部函数的流程。 第六章( 故障列表视图模块的实现) ：详细讲述了监控软件的后台数据库的设计， 给出了各表的基本结构，以及与数据库相关的各功能的实现。 第七章( 监控网络拓扑视图模块的实现) ：详细讲述了监控软件用于实现网络拓 扑自绘的相关技术，以及内部函数的流程。 第八章( 控制面板视图模块的实现) ：详细讲述了监控软件中控制面板视圉实现 所涉及的各种技术。 最后对论文的工作进行了总结，并提出存在的问题和改进的方向。 1 5 课题研究方法及技术路线 i 5 1 开发工具的选择 为开发基于w i n d o w s 操作平台的3 2 位数据采集与处理系统，软件设计应符合 以下需求州。 具有在w i n d o w s 下实时访问i o 端口功能； 支持3 2 位编程； 代码执行速度快、界面友好、使用方便； 开发周期短、代码可重用性好、效费比高。 根据v c ，v b ，d e l p h i 三种流行开发工具的不同特点，考虑对开发工具的熟悉 程度以及不同开发工具提供的开发手段。系统采用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 作为前 端开发工具实现功能。利用v i s u a lc + + 编程工具与s q ls e r v e r 数据库的结合，采用 面向对象的编程方法，设计出具有良好人机对话环境的软件，实现快速而准确的监 控数据的采集、存储与分析。 1 5 2 关键技术 利用串行口进行通信具有结构简单、编程方便、成本低廉等特点【7 l 。目前常用 的串行通信方法主要有三种： 使用串行通信控件m s c o m m ： 在单线程中实现自定义的串口通信类； 一5 东北大擎硕士学位论文 第一幸绪论 在多线程下实现自定义的串口通信类。 前两种方法适用于功能较为单一的数据通信，实现方法比较简单；第三种方法 由于采用多线程方式，所以，可并发执行多个程序并充分利用c p u 的工作时间提高 了运行效率，使得串口通信的应用更适合本课题研发的监控软件的要求。 多线程串行口通信1 s w i n d o w s 编程中的一个重点和难点，在v i s u a l c h 6 0 环境 下，通过采用创建事件对象来保持线程同步、利用多个监听函数提高数据接收效率 和可靠性等措施实现多线程串行口通信。 三种串行通信方法各有特色，具体实现中，在保证系统正常运行的基础上，选 择了其中多线程自定义的串口通信类方法。 一6 东北大学司l 士学位论文 第二章网络自愈技术 第二章网络自愈技术 2 1 自愈概念的提出 自1 9 8 8 年提出s d h 作为种全新的传输体制以来，发展十分迅猛。大量产 品进入实用化。s d h 由于强大的管理维护功能及灵活的组网特性，是传输网发展 的必然趋势。现在通信网受到诸如自然灾害、软硬件的故障等多方面的危害。而 用户业务要求越来越高级别的可靠性，为满足这样的要求，通信网必须具有智能 化的生存性( s u r v i v a b i l i t y ) 控制能力，即对节点或链路的故障有坚固性，并且有 固有的容错以及自愈能力，能很快地从失效中恢复过来。 自从w d g r o v e r i9 】在1 9 8 7 年提出自愈( s e l f - h e a l i n g ) 的概念以来，在国外 得到广泛的深入的研究。自愈是指网络在发生失效时，不需要人工干预，就能够 很快地、得体地接近1 0 0 恢复失效所涉及的业务。自愈要求设备有冗余度和网 络的智能性，以便很快地交互网络诊断结果。自愈只考虑重构业务通道，并不管 具体失效元件的修复或更换，后者需要人工干预才能完成。 2 2 自愈技术的分类与性能指标 从网络拓扑结构可分为：自愈网络( s h n ) 的自愈技术【t o l l 1 1 【1 2 l i t 3 1 【1 5 】【1 6 l 和自 愈环( s h r ) 的自愈技术，s h n 是针对网状拓扑结构，而s h r 是针对环形网， 因此s h n 应用范围较广，但由于环是光纤系统的最佳拓扑结构，所以s h r 在城 域网互连、接入网方面有很好的应用前景。 从应用研究角度又可分为：同步转移模式( s t m ) 的自愈技术【2 】1 3 】【4 l 和异步 转移模式【1 4j 【i s l l l 6 1 的自愈技术，s t m 的技术是基于p d h s d h d x c 的自愈技术， 其研究较早、成果也较多，而a t m 的自愈技术是基于a t m 中虚通道( v p ) 交叉 连接技术，是最近才开始研究的。 另外，从控制方法可以分为：集中式控制自愈技术、分布式控制自愈技术和 混合式控制自愈技术。从使用设备可以分为：专用设备自愈技术和动态设备自愈 技术。按重定通道的路由计划可分为：预定路由自愈技术和动态搜索路由自愈技 术。按恢复的颗粒性级别可分为：基于链路的自愈技术和基于通道的自愈技术。 衡量自愈技术的性能指标有：恢复率、恢复时间。 恢复率定义为已恢复的通道数与原失效的总通道数之比，或定义为己恢复的 失效容量与原失效的总容量之比，后者较前者严密。 恢复时间是和恢复率紧密相关的，定义为以一定的恢复率为目标，恢复网络 所需时间。显然允许的恢复时间越长，恢复率也就越高( 接近或可能达到1 0 0 ) 。 在某一自愈技术中，选定恢复时间和恢复率是一种折中方案。另外恢复时间不仅 与采用的自愈技术有关，也与网络中的数字交叉连接系统( d x c ) 的c p u 处理速 1 表北大学硕士学位论文第二幸网络自愈技术 度有关，且与恢复消息传输速度有关。 2 3s d h 网络中的自愈技术 目前有3 个自愈体系：自动保护切换( a p s ) 、自愈环( s h r ) 、以及基于数字交 叉连接的自愈网( s h n ) 2 3 1 自动保护切换( a p s ) a p s 通过向备用系统切换来恢复业务。防止光缆被切断，需要l ：1 的a p s ， 并且备用系统必须选取不同的路由，即异径保护( o r p ) 。在d r p 中，保护线路物 理上不与被保护的服务线路在一起，因而能够避免光缆切断时的服务中断 2 3 2 自愈环( s 胍) s h r 有多种细致的分类，基本上可以看成是l ：1 或1 ：n 的a p s 的扩充。 例如单向s h r ( o s h r ) 使用2 条互为反方向的光缆，环上的节点对2 个方向来的 信号形成l ：l 的保护而共享保护环s h r 类似于l ：n a p s 系统。 2 - 3 3 基于数字交叉连接的自愈网( s h n ) s f i n 是基于数字交叉连接( d c s ) 的自愈机制。与预先保留容量的a p s 及s h r 相比s h n 具有优越性，它能够灵活地处理网络故障或业务量的变化，进行资源自 组织。s h n 在每个节点上配置d e s ，利用光波跨接( s p a n ) f # 成节点间的连接。当 一个跨接失效，导致两个节点间服务通道中断时，通过对其它跨接上的备用通道 进行交叉连接形成恢复通道。目前，s h n 在实际应用中一般采取中心控制器对恢 复过程进行控制。这要求控制器在它的数据库中维护一个网络视图。在收到故障 信息时，控制器识别受影响的设备，通过计算决定迂回路由，并指示d c s 实现这 些路由，从而恢复服务。与集中式控制方法相对应，s h n 也可以采用分布式控制 方法。分布式控制方法在d c s 之问利用“扩散”机制传递信号，建立恢复通道。分 布式控制方法明显的优点是处理器的负载对网络规模不敏感，因为各个节点上的 处理只在其周围有限的范围内进行，仅限于与相邻的节点交换信息，因而明显地 缩短了恢复时间。并且，由于与d c s 紧偶合，消除了”数据库同步”的难题( 集中 控制器需要维护d c s 交叉连接状态的精确视图1 。 2 4s d h 网络拓扑结构与自愈原理 任何复杂的s d h 网络都是由s d h 网元设备通过光缆互连而成。网元设备和 光缆的几何排列就构成了网络的拓扑结构。不考虑网元设备的具体功能，网络有 效性( 信道利用率) 、可靠性、经济性与网络的拓扑结构有很大关系。 s d h 传输网络的拓扑结构可以分成四种类型： 形( c h a i n ) ，形( s t a r ) ，环形 - 8 东北大学硕士学位论文 第二幸网络自愈技术 ( r i n g ) f l l 网格形( m e s h ) 。如图2 1 所示。 q 搽 ( a ) 链形 ( b ) 星形 黯圈 ( c ) 环形 ( d ) 网格形 。 图2 1s d h 传输网络拓扑 f i g 2 it h es d ht r a n s m i s s i o nn e t w o r kt o p o l o g y 链形网络由一组传输节点串联组成。在链路终端的两个节点称为终端节点， 由s d h 终端复用设备( t m ) 构成，中间节点一般由分插复用设备( a d m ) 或中继设 备( r e g ) 组成。链形网是s d h 早期应用中比较常用的形式，类似于p d h 线路系 统。当链形网仅由两个终端节点构成时，就形成了典型的点到点的网络结构当 链形网中某个中间节点延伸出一条子链路( 支路) 时，可形成树形网。 在星形网中，网上所有的传输业务都要通过一中心节点( 称为枢纽点) 才能完 成传送连接，而其余节点之间互相不能直接相连。这种网络具有带宽分配管理上 的灵活性。但当枢纽节点发生故障时，整个网络将失效。星形网结构常用于用户 接入网中。 环形网可以看成是链形网中两个终端节点互连后自成环路形成的闭合链路。 环形网上的节点一般由a d m 组成。这种类型的网络最大的优点是具有很高的生 存性。其超高速的白愈能力对现代大容量光纤网络的规划至关重要，因而在s d h 网络保护研究中受到特殊重视，应用范围也十分广阔。通常把由s d h 传输设备构 成的环形网络称为自愈环( s h r ) 。 格形网可以看成是多个s d h 环形网的交叉叠加而成。它是s d h 应用中比较 理想的网络结构。格形网中每个节点都可以通过一条或多条链路与两个以上的其 它节点连接。节点可由a d m 或d x c ( 数字交叉连接设备) 组成。格形网除了具有 环形网自愈的机理外，还有路由重新选择保护恢复的能力。在传输网络中具有很 大的优势。 以上四种网络的基本拓扑结构各具特色，总结见表2 1 。应用中选择哪种结 构应综合考虑。网络的生存性、灵活性、支持业务的能力以及建设费用与网络今 后的发展等都是要考虑的主要因素之一。一般而言，铁路干线通信，跨洋光缆通 信采用链形网较多，用户网常采用星形网，而接入网可选用环形网，国家长途网 9 表北大学硕士学位论文 第二章罔络自愈技术 可能需要格形网。 表2 1 自愈能力比较表 t a b l e2 1a b i l i t yo fs e l f - h e a l i n gc o m p a r el i s t 1 0 东北大学硕士学位论文第三幸自愈系统的总体需求分析 第三章自愈系统的总体需求分析 3 1 现阶段系统运行过程中存在的问题 光纤传送网是国防通信网的重要组成部分，是军队信息化的重要基础设施之 一，并以其公用性和覆盖性成为军队作战指挥和日常办公的必要条件。作为承载 军队信息系统各类业务网的平台，光纤传送网在军事信息系统中处于基础性、先 导性和战略性的重要地位，其运行的稳定与可靠程度，对各个业务网和整个战区 通信网具有决定性的影响。军区现行网络如图3 1 ： 图3 1 军区现行网络拓扑 f i g 3 1t h ep r e s e n tm i l i t a r yn e t w o r kt o p o l o g y 根据对目前军区光纤网的设备应用和技术状况分析来看，我们可以直接看出： 第一，这是一个传统网络设计方案，即依业务建网。光纤网干线上运行着中 兴、华为、烽火等多厂家设备，由于各厂家设备技术体制不同并且各厂家之间的 月管协议不兼容。造成了s d h 协议中规定的光纤链路自愈环功能失效。 第二，网络中主要有数据和语音两种业务。目前战区光纤通信网干线采用低 等级的多路由人工切换保护技术，作为全网主要的安全性保护机制，这非常不利 于今后高速率大容量网络生存能力的提高，也不利于高等级自愈保护技术的运用。 同时由于系统采用的是手动处理方法，所以发生故障时所需要的恢复时问很长， 这样不能满足战区军事战争对光纤传送网的要求的。 第三，网络拓扑为树型。根据第二章第2 4 节内容可知，树形结构属于星型 1 1 东北大擘硕士学位论文第三章自愈系统的总体需求分析 与链型的结合，自愈能力差 3 2 自愈系统的总体设计目标 系统的设计目标是在现有网络结构不变的基础上，增加一部分设备使现有系 统拥有自动故障恢复功能，也就是说要求使现有通信系统具有自愈能力。 根据实际网络拓扑结构和网络存在的问题及系统的设计目标，在现行网络的 光自愈机制不起作用的情况下，设计一个造价相对较低，并能够满足应用层实时 性要求的链路层自愈系统。该系统能够对重要方向的关键业务实现保护，备份。 圈3 2 拟买现的目标系统拓扑 f i g 3 2t h em i l i t a r yn e t w o r kt o p o l o g yi np l a n 本课题给出的系统解决方案是在现行网络上安置自行研发的s t m 1 自愈装 置。它能够从s t m 1 链路上捕获s d h 信令，并分析出可能发生的故障，由此产 生一个链路切换触发信号：在此信号的触发下，系统可以在s t m 1 级别的链路上， 用备用链路取代发生故障的链路，以实现对关键业务的保护。 硬件装置和监控终端之间的通信是通过管理接口( 本系统中采用串1 ：3 通信的 形式) 。本课题设计的自愈系统对目前网络拓扑结构影响最小实现起来简单，系 统可靠性高。拟实现的目标网络拓扑如图3 2 ： 1 2 东北大学硕士学位论文 第三章自愈系统的总体需求分析 3 3 自愈系统的总体功能 3 3 1 自愈系统功能 1 s t m 1 级的链路切换功能 由于采用一对一备份，所以算法只是简单的切换 2 自愈装置自检功能 监控终端主动发起，硬件装置与监控终端通过r s 2 3 2 串口通信，由硬件装置 来检测硬件装置的工作状态，并通过串口返回信息。 3 链路探测功能 实现方式有两类，一类由监控终端主动发起，简称主动方式。另类由硬件 装置定时通过r s 2 3 2 串口与监控终端通信报告状态，简称被动方式。本系统中采 用主动方式。 4 故障统计功能 驻留于监控软件中，提供对链路利用率( 反映光纤信道质量好坏) 与故障率的 分析。 5 报表功能 驻留于监控软件中，可以从数据库中提取致据，生成报表，并打印。 6 查询功能 驻留于监控软件中，可以从数据库中按用户选择条件进行查询，同时提供打 印功能 7 报警功能 驻留于监控软件中，将监控到的故障情况实时提供给用户 3 3 2 系统功能分布 上述各个功能的实现是需要系统各个物理部件紧密合作的，它们共同完成一 个复杂功能，因此软件( 逻辑部件) 与硬件之间的对应关系，功能划分( 即某种特定 功能是由软件完成还是由硬件完成) ，系统中的软件是由哪个硬件来承载是非常重 要的一项设计内容。本小节要描述的就是各个功能( 逻辑功能) 与系统软硬件单元 之间的对应关系。这种对应关系如表3 】所示。表中用对号来表示各个功能与系 统软硬件之间的对应关系。例如，链路选择功能是由硬件装置单独承载的，也就 是说实现该功能的软件完全位于硬件装置上；链路状态探测功能是由硬件装置和 监控终端共同承载的，这意昧着实现该功能的软件是由多个软件单元组成的，它 们分别由不同的硬件来承载，并在物理通信链路和通信协议的支持下相互合作共 同完成同一个功能。 1 3 东北大学硕士学位论文第三章自愈系统的总体需求分析 表3 1 系统功能分布 t a b l e3 1s y s t e mf u n c t i o nd i s t r i b u t i o n 1 4 东北大学硕士学往论文 第四章自愈系统的监控软件总体设计 第四章自愈系统的监控软件总体设计 4 1 概述 上层监控系统负责对下层自愈模块的实时监控，同时它又是系统和用户的信 息交互的窗口。在本章里，我们具体讨论了上层监控系统的设计和开发，重点论 述软件的程序结构框架和界面设计。如图4 1 图4 i 自愈系统总体结构图 f i g 4 1t h ew h o l es t r u c t u r eo fs e l f - h e a l i n gs y s t e m 4 2 监控软件系统的功能模块结构 本软件采用模块化的设计方案，以主模块嵌套子模块的形式实现各级功能， 这样可以使整个软件结构层次化，且更易于维护与升级。主模块共有四个，分别 为串口通信模块、故障数据库模块、监控网络拓扑视图模块、故障列表视图模块、 控制面板视图模块。后三个主模块对应主窗口分屏后的三个子窗口，它们的所有 操作均封装在子窗口对应的视图类中。其中，监控网络拓扑视图模块包括全部链 路绘图模块、故障链路绘图模块、当前链路绘图模块；故障列表视图模块包括信 息报表生成与打印模块、信息管理模块、数据统计模块：控制面板视图模块包括 手动操作模块、告警操作模块、本地时钟模块、用户管理及系统参数模块、工具 菜单模块；串口通信模块、故障数据库模块为其它三个主模块提供所需的相关数 1 5 东北大学硕士学位论文 第四章自愈系统的监控软件总体设计 据。主模块包含子模块的所有功能，子模块的具体设计将在后面的几个章节中作 详细的介绍。整个上层监控软件系统的功能模块如图4 2 所示： 自 愈 系 统 监 控 软 件 监控拓扑视图模块 串口通信模块 故障列表视图模块 故障数据库模块 制面板视图模块 全部链路绘图模块 故障链路绘图模块 当前链路绘图模块 报表生成与打印模块 信息管理模块 数据统计模块 手动操作模块 告警操作模块 本地时钟模块 用户管理模块 系统参数模块 工具菜单模块 图4 2 监控系统软件模块结构图 f i g 4 2t h es t r u c t u r eo ff u n c t i o nm o d u l ei ns u p e r v i s i o ns y s t e m 4 3 监控软件系统的功能模块分析 4 3 1 串口通信与故障数据库模块 串口通信模块是本软件重要组成部分之一，主要负责上下层之间的串口通信， 通信内容包括命令帧或数据帧的发送与接收。经过分析实际情况，依据查询效率 要高这个要求，决定采用自定义的通信协议，以上层监控系统为主机，下层自愈 装置为从机，主机定时查询从机，从机只有在接收到针对自己的命令帧才会被动 地作一次应答。程序使用基于多线程的编程方法，避免了串口等待故障数据时死 机的现象。故障数据将以消息的形式发送到处理线程，故障数据的监视线程与处 理线程分工十分明确，这样便大大减小了出错的机率，保证了故障数据的安全， 为监控网络拓扑视图等主模块的正常运行奠定了基础。 故障数据库模块提供自愈装置信息表、光纤链路信息表、自愈装置故障信息 表、光纤链路故障信息表与统计信息表来存储不同种类的信息。自愈装置信息表 和光纤链路信息表为站点拓扑视图模块提供绘图用的坐标信息，同时也为自愈装 置维护模块和光纤链路维护模块提供链路名字等信息以便对其的添加、修改与删 除操作；自愈装置故障信息表和光纤链路故障信息表为报表输出、数据统计、信 息查询等子模块提供所有自愈装置和光纤链路的故障历史信息，如故障的时间与 原因等；统计信息表为数据统计模块提供光纤链路和自愈装置的利用率、光纤链 路故障率、光纤链路故障时间等信息：用户信息表为用户管理子模块及用户登录 对话框提供用户名、用户身份及用户密码等信息。该模块提供自动登录数据源的 1 6 东北大学硕士学位论文第四幸自愈系统的监控软件总体设计 功能，省去了手工登录数据源的诸多麻烦。 4 3 2 故障列表视图模块 故障列表视图本身就是故障数据库的显示窗口，除了能够以列表的形式如实 地反映各个信息表的内容并对这些信息定时刷新之外，还通过对相关信息的添加、 修改、删除操作实现对所监控的光纤链路和自愈装置的日常维护。该模块允许将 所有数据库按照用户指定要求输出自定义报表，并且打印。该模块还支持以饼图 形式反映所有光纤链路和自愈装置的利用率情况。 4 3 3 监控网络拓扑视图模块 监控网络拓扑视图模块使用g d i 方法实时绘制当前监控网络的运行情况。监 控网络拓扑视图可以列出所有与本地监控中心计算机连接并且已在数据库中注册 的自愈装置和受监测的光纤链路，各链路使用情况按颜色来区分，绿色表示链路 工作在主用方式，红色表示链路工作在备用方式。软件通过分析各自愈装置应答 帧的故障信息来实时地自动刷新拓扑视图，以反映当前监控网络的使用情况 4 3 4 控制面板视图模块 控制面板提供使用频率最高的操作。这些操作包括：系统相关操作，如启动 定时监控，关闭定时监控，手工探测等。故障告警相关操作，如自愈装置故障告 警提示、光纤链路故障告警提示，清除全部告警、清除相应告警。该模块还提供 监测软件的一些基本信息如本地实时时钟，当前登录用户的用户名及其身份等。 用户身份分为系统管理员与信息录入员两级。系统管理员拥有最高权限，对系统 的操作不受任何的限制，而信息录入员只能执行故障历史查询与报表打印功能。 通过系统参数设置完成系统中可选功能的开关。这些参数在为用户提供了更多的 人机互动，方便最终用户快速熟悉系统环境，省去许多重复性操作的同时也对用 户的误操作加了层保险，让其有挽回的余地，使软件更加人性化。主要参数包 括：开机自动运行、运行自动连接、按钮操作提示、系统后台运行等，这些参数 均保存在注册表中。 程序主界面如图4 3 。 1 7 东北大学硕士学位论文 第四章自愈系统的监控软件总体设计 图4 3 程序主界面 f i g 4 3t h ed i a l o go fm a i nd a m e 1 8 东北大擘硕士学住论文第五章串口通信模块的实现 第五章串口通信模块的实现 5 。l 故障数据的数据结构 故障数据反映了链路和自愈装置故障的原因与故障持续的时间，这些故障数 据将作为整个统计、分析及预测的依据，因此在选择故障数据的数据结构时应遵 循以下两个基本原则： 1 必须能够把全部数据都包含进来，即不能丢失故障信息： 2 在允许的情况下尽可能选择占用存储空间小的数据类型，因为当库中记录 数目增多时，存储空间会耗费的很快、很大。 首先应该明确故障数据的定义，然后根据这个定义来设计故障数据的数据结 构。经分析现场实际情况及软件所需