（通信与信息系统专业论文）epon网络性能管理系统设计与实现.pdf

i 摘摘 要要 epon（ethernet over passive optical network,以太无源光网络）充分体现了以太 网技术成熟、成本低、兼容性好以及 pon 不使用有源节点、对业务透明传输、建设 运营维护成本低的特点， 代表了接入网光纤化、 ip 化的发展方向。 2000 年 11 月， ieee 成立了 efm（ethernetinthefirstmile）研究组，负责研究和讨论 epon 技术 及其标准化工作。通信网的骨干部分发生变化，使得 epon 成为宽带接入以及最终 实现 ftth 的主要手段。因此，如何有效管理网络资源成为研究的热点。 论文提出了一种管理 epon 网络性能的方案。根据 epon 网络管理的特点，把 系统分为实时，定时和历史三种管理方式，实时管理模块可以实时显示 epon 设备 的即时性能数据；定时管理模块可以预先设定采集的时间段和设备，在完成采集之 后可以提供一段时间的性能曲线图；历史管理模块在设置采集对象，并开启服务器 之后就开始采集设备性能数据，可以提供相当长时间的性能变化曲线。通过以上三 种性能管理，系统可以直观的显示 epon 设备运行情况，并可以分析设备的性能变 化趋势，有助于用户为改善 epon 网络性能作出决策。 通过采用 j2ee 架构和 mvc 模式开发，使得系统具有良好的可扩展性和跨平台 运行能力。通过 rmi 负责客户端和服务器的通信，使得系统具有分布式资源共享能 力。通过 adventnet 开发包完成数据采集，使得系统可以支撑多种接口协议。 最后通过实际使用证明系统功能完备，具有良好的稳定性。 关键词：关键词：epon 网络性能管理 rmi mvc ii abstract epon（ethernet over passive optical network）have many excellence, such as based on mature ethernet, low cost, good compatibility, passive node, the transmission of operational transparency and build-operate-maintain low-cost. epon represent the direction of the optical fiber technology to access and ip-based. november 2000, the ieee formed efm (ethernet-in-the-first-mile) study group to examine and discuss epon technology and its standardization work. communications network backbone of changes made epon broadband access, and eventually became the principal means of achieving ftth. therefore, how to effectively manage network resources become research hot spot. the paper presented an epon network performance management programme. based on the characteristics of the epon network management, system is divided into real-time, regular and historical management. real-time management module can immediately show the immediate epon equipment performance data; regular collection management module can pre-set time and equipment parameters, the system can provide a period of performance charts after completion of the collection; after user set collection targets and begin servers, management modules began collecting equipment performance data. then system can provide the long time performance curve. using these three performance management system can be visual show epon equipment operations, and can analysis the equipment performance trend, help users to improve the performance of epon network. through the use of j2ee development framework and mvc model, a good system can be made to expand and cross-platform operation. through the rmi technology which is responsible for the communication between client and server, system has distributed resource sharing capabilities. the completion of data collection through adventnet development kits enable system can support multiple network protocol. finally, through the use of practical system, epon nms is proved functions, a good stability. key words: epon network performance management rmi mvc 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 随着 internet 的迅速普及，网上内容的爆炸性扩充，一个巨大的网络社会已然形 成，人们的生活、学习和工作越来越离不开网络。正如在现实生活中美好生活离不 开高速畅捷的交通一样，人们对网络带宽的需求也在不断提高。毫无疑问，光纤在 传输带宽方面具有无与伦比的优势。经过多年的发展，长途干线光纤通信网络几乎 已经铺满全球。此时，接入网带宽成为整个传输网络的瓶颈，并开始迎接光通信时 代的到来。 ftth 一直被认为是接入网的明日之星，也是宽带发展的最终理想。因为它能够 满足各类用户的多种需求像，三高速通信、家庭购物、实时远程教育、视频点播 (vod)、高清晰度电视(hdtv)等等，这些业务都是铜线或双绞线勉力为之才能达到 的目标，而对 ftth 来说则是轻而易举。100m/秒带宽的 ftth 成为实现电话、有线 电视和上网的三网合一的最佳保证。 无源光网络（pon）的概念由来已久，它具有节省光纤资源、对网络协议透明 的的特点，在光接入网中扮演着越来越重要的角色。同时，以太网（ethernet）技术 经过二十年的发展，以其简便实用，价格低廉的特性，几乎已经完全统治了局域网， 并在事实上被证明是承载 ip 数据包的最佳载体。随着 ip 业务在城域和干线传输中 所占的比例不断攀升，以太网也在通过传输速率、可管理性等方面的改进，逐渐向 接入、城域甚至骨干网上渗透。而以太网与 pon 的结合，便产生了以太网无源光网 络（epon，ethernet passive optical network） 。它同时具备了以太网和 pon 的优点， 正成为光接入网领域中的热门技术。 一个好的接入网也需要一个好的网络管理系统来监控、管理，如何保障 epon 稳定正常得工作就成为该网元设备管理系统（ems）需要承担的主要功能。该 ems 中的性能管理系统负责网元性能的检测，其中包括历史性能分析、实时性能显示以 及定时性能分析。本文主要介绍性能管理系统的设计和实现。 2 1.2 网络性能管理研究介绍网络性能管理研究介绍 在分析具体的接入网 epon 网络之前，有必要对网络管理以及其中的性能管理 进行了解，并介绍常用的网络管理协议和技术。 1.2.1 网络管理概述网络管理概述 网络管理是计算机网络发展的必然产物，它随着计算机网络的发展而发展。早 期的计算机网络主要是局域网，在一定范围内连接数百台计算机，因此最早的网络 管理是局域网管理1。由于局域网管理主要保证在局域网内的所有计算机能够顺利传 递和共享文件，因此早期的局域网管理系统与网络操作系统密不可分。而 internet 的 出现打破了网络的地域限制，跨地域的广域网络得到飞速发展，这时的网络管理不 再局限于保证文件的传输，而是保障连接网络的网络对象(路由器、交换机、线路等) 的正常运转，同时监测网络的运行性能，优化网络的拓扑结构2。网络管理系统也因 此越来越独立，越来越复杂，功能也越来越完备，网络管理也发展成为计算机网络 中的一个重要分支，国际上各种网络管理的标准也相继制定，网络管理逐步变得规 范化、制度化3。 1.2.2 网络管理的五大功能网络管理的五大功能 网络管理涉及网络资源和活动的规划、组织、监视、计费和控制。国际标准化 组织 iso 在 iso/iec 7498-4 文档中定义了故障、配置、性能、计费和安全五大 osi 管理功能域4, 5。这些网络管理功能包含了不同的管理内容和目标，但相互之间不是 孤立的，完成某项管理功能往往需要其他管理功能的配合。 故障管理 故障管理是网络管理中最基本的功能之一。当网络中某个组成部分发生故障时， 网络管理系统必须迅速查找到故障并及时排除。故障管理的主要任务是发现和排除 网络故障。故障管理用于保证网络资源的无障碍无错误的运营状态，包括障碍管理、 故障恢复和预防保障。障碍管理的内容有告警、测试、诊断、业务恢复、故障设备 更换等。预防保障是为网络提供自愈能力，在系统可靠性下降，业务经常受到影响 的准故障条件下实施。 故障管理应包括： 故障检测：维护和检查差错日志;接收故障报告。 3 故障诊断：寻找故障发生的原因，可执行诊断测试，以寻找故障发生的准确位 置。 故障纠正：将故障点从正常系统中隔离出去，并根据故障原因进行修复。 配置管理 配置管理负责网络的建立、业务的展开以及配置数据的维护。配置管理具有初 始化网络，和配置网络的功能，以使其提供网络服务。配置管理是一组辨别、定义、 控制和监视组成一个通信网络的对象所必要的相关功能，目的是为了实现某个特定 功能或使网络性能达到最优。 配置管理是一个中长期的活动。它要管理的是网络增容、设备更新、新技术的 应用、新业务的开通、新用户的加入、业务的撤销、用户的迁移等原因所导致的网 络配置的变更。网络规划与配置管理关系密切，在实施网络规划的过程中，配置管 理发挥最主要的管理作用。 配置管理包括： 设置开放系统中有关路由操作的参数； 被管对象和被管对象组名字的管理； 初始化或关闭被管对象； 根据要求收集系统当前状态的有关信息； 获取系统重要变化信息； 更改系统的配置。 性能管理 性能管理的目的是维护网络服务质量(qos)和网络运营效率。为此，性能管理要 提供性能监测功能、性能分析功能以及性能管理控制功能。同时，还要提供性能数 据库的维护以及在发现性能严重下降时启动故障管理系统的功能。 网络服务质量和网络运营效率有时是互相制约的。较高的服务质量通常需要较 多的网络资源(带宽、cpu 利用率等)，因此在制定目标时要在服务质量和运营效率 之间进行权衡。在网络服务质量必须优先保证的场合，就要适当降低网络的运营效 率指标；相反，在强调网络运营效率的场合，就要适当降低服务质量指标。但在一 般的性能管理中，维护服务质量是第一位。 性能管理评估系统资源的运行状况及通信效率等系统性能。其功能包括监视和 分析被管网络及其所提供服务的性能机制。性能分析的结果可能会触发某个诊断测 4 试过程或重新配置网络以维持网络的性能。性能管理收集分析有关被管网络当前状 况的数据信息，并维持和分析性能日志。性能管理的一些典型功能包括： 从被管对象中收集与性能相关的信息; 对被管对象的性能数据的统计，与性能有关的历史数据的产生、记录和维护; 分析当前的统计数据以检测性能故障、产生性能告警、报告性能事件; 形成并改进性能评价准则和性能门限。 安全管理 安全管理采用信息安全措施保护网络中的系统、数据以及业务。安全管理与其 他管理功能有着密切的关系。安全管理要调用配置管理中的系统服务对网络中的安 全设施进行控制和维护。当网络发现有安全方面的故障时，要向故障管理通报安全 故障事件以便进行故障诊断和恢复;安全管理功能还要接收计费管理发来的与访问权 限有关的计费数据和访问事件通报。 网络中主要有以下几方面的安全问题： 网络数据的私有性(保护网络数据不被侵入者非法获取)； 授权(防止侵入者在网络上发布错误信息)； 访问控制(控制对网络资源的访问)。 相应地，网络安全管理包括对授权机制、访问机制、加密和加密关键字的管理， 另外还要维护和检查安全日志，包括： 创建、删除、控制安全服务和机制； 与安全相关信息的发布； 与安全相关时间的报告。 计费管理 计费管理记录网络资源的使用，目的是控制和监测网络操作的费用和代价，它 可以估算出用户使用网络资源可能需要的费用和代价。网络管理员还可以规定用户 可使用的最大费用，从而控制用户过多地占用和使用网络资源，这也从另一方面提 高了网络的效率。另外，当用户为了一个通信目的的需要使用多个网络资源，计费 管理应能计算出总费用。 计费管理中包括以下几个主要功能： 统计网络及其所包括的资源的利用率，以使网络管理者确定不同时期和时间段 的费率； 5 根据用户使用的特定业务在若干个用户之间分摊费用； 计算用户应支付的网络服务费用6。 1.2.3 网络管理的标准和协议网络管理的标准和协议 随着网络管理系统的迫切需求和网络管理技术的日臻成熟，网络管理的标准呼 之欲出。当前制定网络管理标准的相关组织主要有三个，分别是 iso、ietf 和 itu-t(ccitt)。iso 的主要管理标准是 cmis（公共管理信息服务）和 cmip（公 共管理信息协议） ；ietf 将 snmp 作为首先在 internet 上实现的网络管理标准；而 国际电信联盟 itu-t 提出并制定了一套电信网络管理国际标准 tmn（电信管理网 标准） 。 网络管理系统中最重要的部分就是网络管理协议，它定义了网络管理者与网管 代理间的通信方法。目前网络管理中使用最普遍的有两种管理协议：一个是在局域 网 lan 管理中盛行并且有许多网络设备支持的简单网络管理协议（simple network management protocol，snmp） ；另一个是在大规模网络中应用的公共管理信息协议 (common management information protocol，cmip) 7- 9。 snmp 首先是 ietf 的研究小组为了解决在 internet 上的路由器管理问题提出 的， 是internet上的一个标准网络管理协议。 由于tcp/ip协议的广泛应用， 加上snmp 的简单性、易实现性、可伸缩性、健壮性等特点，使得 snmp 发展很快，已经超 越传统的 tcp/ip 环境，受到更为广泛的支持，成为网络管理方面事实上的标准。 目前 snmp 已经被设计成与协议无关的网管协议，可以在 ip、ipx、appletalk 等 协议上使用10。 cmip 是由 iso 制定的网络管理协议。作为国际标准，cmip 着重于普适性， 主要针对 osi 七层协议模型的传输环境而设计，采用报告机制，具有许多特殊的设 施和能力，需要能力强的处理机和大容量的存储器，因此目前支持它的产品较少11。 cmip 与 snmp 相比，两种管理协议各有所长。snmp 是 internet 组织用来管 理 tcp/ip 互联网和以太网的，由于实现、理解和排错很简单，所以受到很多产品 的广泛支持，但是安全性较差。cmip 是一个更为有效的网络管理协议，一方面采 用了报告机制，具有及时性的特点；另一方面把更多的工作交给管理者去做，减轻 了终端用户的工作负担。此外，cmip 建立了安全管理机制，提供授权、访问控制、 安全日志等功能。但由于 cmip 涉及面很广，大而全，所以实施起来比较复杂且花 6 费较高12。 在网络管理中，一般采用网络管理者网管代理模型，无论是 iso 的网络管 理，还是 ietf 的网络管理，现代网络管理系统基本上都由以下 4 个要素组成：网络 管理者、网管代理、网络管理协议和管理信息库13。 图 1-1 网络管理系统的体系结构 在网络管理系统的发展过程中，自然形成了集中式网络管理、分布式网络管理 以及集中式和分布式相结合的网络管理体系结构，它们各有特点，适用于不同的网 络系统结构和不同的应用环境。比较好的经验是选择一种和单位组织结构最为相似 的网络管理体系结构14。 1.2.4 网络性能管理的基本功能网络性能管理的基本功能 在internet的发展历史上， 网络性能的管理一直是一个比较薄弱的环节。 在internet 发展的初期，由于网络的规模比较小，整个网络互连的技术还没有成熟，网络的性 能问题也比较简单，用户对网络的可靠性要求不太高，传统的网络性能管理是由网 络系统管理人员手工完成的。然而，网络技术的飞速发展，尤其是 internet 的巨大成 功，使用户对网络的期望值也随之增加。今天越来越多的用户把网络看作是一种生 活和办公的基本设施，就像电话一样，几分钟的线路故障或偶尔的响应时间过长都 是难以接受的。另一方面，网络规模的扩大导致影响网络性能的因素也增多了，如 网络设备(交换机，调制解调器，路由器以及通信线路等)的失效问题，主机和终端的 故障问题，网络应用软件中出现的问题，网络安全保密问题以及用户自身的问题(如 操作错误)等。因此，如何在不断复杂化的网络环境下，保持网络可靠的运行性能， 向用户提供良好的服务就成为网络性能管理研究中的一个十分突出的问题15。 性能管理包括一系列管理功能，以网络性能为准则收集、分析和调整管理对象 的状态，其目的是保证网络可以提供可靠、连续的通信能力并使用最少的网络资源 7 和具有最小的时延。网络性能管理的功能应该包括： （1）性能监控和性能数据采集。定时收集被管理设备的性能数据，自动生成性 能报告。 （2）阀值控制。对每一个被管对象的每种属性设置阀值，通过设置阀值并进行 阀值检查，可以在网络将出现性能问题时及时向管理人员告警。 （3）性能分析。对性能历史数据进行分析、统计和整理，计算性能指标，对性 能状况做出判断，为网络规划提供参考。 （4）可视化的性能报告。对数据进行检索和处理，生成性能趋势曲线，以直观 的图形显示反映性能分析的结果。 （5）实时性能监控。提供实时数据采集、分析和可视化工具，并可任意设置数 据采集的时间间隔16。 1.2.5 网络性能评价与分析的方法网络性能评价与分析的方法 任何一个计算机网络系统，可以由多种多样的计算机平台，通过各种各样的传 输媒体构成不同的拓扑结构，并且采用相应的多种信道访问控制方式，因此计算机 网络的性能评测是非常复杂的，目前国内外普遍采用并发展相对成熟的有以下三种 方法： （1）测量法17 通过对实际计算机网络系统本身进行观测，收集各种参数及事件的统计资料并 加以分析，来对现有网络性能进行评价与分析。这种方法一般用来考察现有网络的 运行状况和性能状况、验证模型的假设或人们的猜想，再按照网络性能的要求对网 络参数或设施进行调整，以期得到网络的最佳性能。此种方法的优点是直观且易操 作，同时其他方法在一定程度上也依赖于它，其局限性表现为所测系统必须是已经 存在的系统，并且这种方法所需的时间耗费也较大。 （2）模型分析法18 这种方法的基本思想是为实际系统建立数学模型，并通过求解表达式来分析网 络系统性能。作为一种数学工具，排队论在过去的研究中起到了重要作用，而且收 到了很好的效果。因为排队论所研究的问题主要是等待队列和服务队列中的一些现 象，而在计算机网络中，经常碰到报文发送、询问处理、输入输出设备请求等，这 些都是等待队列和服务队列的问题，因而可能用排队论来进行网络的某些性能进行 分析，但由于网络业务流的迅速增加使得排队论在分析大规模复杂网络时遇到了很 8 大的困难，人们开始用新的数学模型：自相似模型来解决此问题。这种方法的优点 是所需的耗费较小，其缺点为准确度较低且高性能模型的建立较困难。 （3）模拟法19 在很多情况下，网络性能太复杂，应用其它方法难以处理，这时模拟法是唯一 可行的分析网络的方法。应用前面的分析方法求解，有时需要做出许多假设，因而 产生的误差有时会难以接受。虽然模拟过程可能要耗费很多时间与其他资源，但它 能获取比排队模型等更为精确的分析模型。模拟法最终是通过计算机程序实现的， 通过程序运行得到的结果来分析网络的性能。此种方法的精确度较高，但耗费较大。 由于网络系统的日益复杂性使得用单纯的一种方法难以准确有效的刻画网络系 统的性能，因此，如何将上述三种方法有效的结合起来将是日后研究的重点，同时 也是网络性能评价与分析研究领域迫切需要解决的问题。 1.2.6 网络性能管理的过程网络性能管理的过程 性能管理过程往往从需要获得性能数据的请求开始。例如，操作员需要知道更 详细的性能数据，要进行定期的性能数据采集或了解服务质量水平(性能)下降的原因 等等。性能管理功能域要确定不同情况下所需要的性能数据，并根据这些日标，从 网络中或从网络管理系统中取得有关性能统计数据和各个参数的门限值。在向服务 请求者做出服务响应的同时，也判断性能是否达到了规定的指标。如果未达到规定 的性能指标，则要调整网络，改进性能，使网络运行在规定的性能等级上。最后， 每一次性能管理操作的过程都应存档，以备下次参考。 性能管理的全过程可以用如图 1-2 所示的模型来表示。在这个过程中包括了用 户或操作员对性能管理准则的修改、性能管理设施对网络性能的监视、与性能准则 的比较以及执行资源调整动作等。 9 设置或修改测试准则 接收被监控设备的性能指标 网络设备调整 测试准则满意吗？ 网络性能满意吗？ y n n y 图 1-2 网络性能管理的流程 1.3 网络管理发展状况网络管理发展状况 我们大致可以将网络管理系统划分为三代。 第一代网管就是最常用的命令行方式，并结合一些简单的网络监测工具，它不 仅要求使用者精通网络的原理及概念，还要求使用者了解不同厂商的不同网络设备 的配置方法。这种方式的优点是具有很大的灵活性，缺点是风险系数增大，容易引 发误操作，而且不具备图形化和直观性,比如网络探测工具 netxray 可以运行在多种 协议之下，包括 tcp/ip，spx/ipx 等，工作在网络环境的底层，拦截所有正在网络 上传输的数据并进行筛选处理，实时分析网络状态和设备布局，但第一代网管工具 只能统计和分析网络的数据，并不能监控设备的状态，因此需要配合一系列 cli 命 令直接在设备上查看系统和端口信息。 第二代网管有着良好的图形化界面，用户无须过多了解设备的配置方法，就能 图形化地对多台设备同时进行配置和监控，大大提高了工作效率，但仍然存在由于 人为因素造成的设备功能使用不全面或不正确的问题，比如ciscoview 是一个基于 gui 的设备管理软件应用程序，可以图形的方式显示 cisco 的物理视图。另外，它 还提供配置和监视功能以及基本的故障排除功能。借助 ciscoview 可以更容易地理 解设备提供的大量管理数据，网络管理员无需对远程站点上的每台设备进行物理检 10 测就能够全面查看 cisco 产品。 第三代网管相对来说比较智能，是真正将网络和管理进行有机结合的软件系统， 具有“自动配置”和“自动调整”功能，对网管人员来说，只要把用户情况、设备情况 以及用户与网络资源之间的分配关系输入网管系统，系统就能自动地建立图形化的 人员与网络的配置关系，并自动鉴别用户身份，分配用户所需的资源(如电子邮件、 web、文档服务等)，同时，整个企业的网络安全得以保证；因此第三代网管系统是 企业级的管理平台，由多个软件包构成，涉及到 osi 全部七层协议集。目前第三代 系统可选的范围比较广，例如ca unicenter tng、ciscoworks2000、hp openview、 ibm tivoli、aprisma spectrum 等。这些网管软件通常包括一系列的子系统，有些 子系统具有第二代系统的功能，如 ciscoworks 中的 ciscoview。有些系统集成了其 他系统的一些子系统以增强功能20。 国内网管软件近几年也取得一定的发展，但总体来说较大型的成熟的软件不多， 国产软件的优势在于本地化，用户对界面的可操作感强，但大部分软件只相当于国 外第三代网管系统中的某个子系统功能，网络的监控功能比较强，缺乏自动解决问 题和管理用户资源的能力，而且软件更新和售后服务连贯性不强。 网管软件目前主要存在两方面的问题：一是 ibm tivoli, hp openview, ca unicenter 等国外网管软件价位太高，实施和维护也比较繁杂；二是免费的网管软件 在技术支持、软件服务等方面比较落后21。 1.4 课题来源课题来源 本系统属于国家 863 计划重点项目： “基于千兆以太网的宽带无源光网络系统” ， 是该项目的 ems（网元设备管理系统）中网络性能管理部分。ems 网管系统的功能 规划为以下 4 大部分：配置管理、告警管理、性能管理、安全管理，其中的性能管 理是本文的关注对象。 1.5 研究内容和目标研究内容和目标 本文的研究重点在于设计基于大型 epon 网络的性能管理方案，研究并实现能 够对 epon 设备的性能进行分析系统，最后通过在实际 epon 网络中运行来验证该 系统的正确和可靠性。具体研究目标是：提供一个直观、通用性强的性能分析平台， 11 实现大规模 epon 网络性能分析服务，能够为网络设备的性能管理提供可靠的定量依 据，实现对网络设备全面性能管理的支持;对服务进行验证和比较，保证服务的可持续 性发展。 本文的具体研究内容包括： （1）根据目前网络的现状和发展趋势，结合实际网络性能管理系统建设经验， 对网络性能指标、网络性能管理方式、管理功能需求等方面进行分析和研究。 （2） 了解epon网络运行模式、 组建方式以及主要设备的性能指标。 通过对epon 网络的分析和客户需求的了解，总结出针对 epon 网络性能管理的特殊需求。 （3）研究各种基于 j2ee 的关键技术，并设计出实现本系统的方法。 （4）根据设计的网络性能管理系统体系结构，以 epon 网络为试验平台，设计 并实现一个性能分析的原型系统，并对系统进行验证。 1.6 本文的工作与组织本文的工作与组织 本文介绍了一种用 j2ee 架构实现对 epon 网络进行性能管理的方案。本方案采 用 mvc(模块视图控制器)模式完成内部程序的接口控制，使用 rmi 实现客户端 和服务器之间的通讯，用 hibernate 使关系数据库对象化，并采用 adventnet 的开发 包采集性能数据。本系统能够监测 epon 网络的实时，定时和历史性能。全文组织 如下： 第二章介绍 epon 的基本情况和 epon 性能网管的结构； 第三章介绍了本性能系统的设计方案； 第四章介绍了实现本系统的几个关键技术，以及是如何在本系统中应用的； 第五章介绍了本系统的运行和测试情况； 第六章总结本系统的不足和可以改进的地方。 12 2 项目论证项目论证 2.1 目标网络分析目标网络分析 2.1.1 目标网络概况目标网络概况 早在 2000 年 11 月，来自 80 多家公司的 200 多名专家组成了一个 ieee 的研究 组，开始研究以太网在用户接入网中应用的问题，后来在 2001 年 9 月，这个研究组 正式成为 ieee 的第一英里以太网（efm）工作组（task force） 。在 802.3 协议框 架内，制定 epon 标准是这个工作组最重要的任务之一。在制定 epon 标准的过程 中，efm 工作组又划分为 pmd、p2mp 和 oam 三个小组分别研究 epon 的物理 层（特别是光接口）规范，点对多点的控制协议和 oam。pmd 小组的研究成果是 定义了两种 epon 的光接口：1000base-px10-u/d 和 1000base-px20-u/d，分别指 工作在 10km 范围和 20km 范围的 epon 光接口；p2mp 小组的研究成果是定义了 mpcp（多点控制协议） ，使 epon 系统具备了下行广播发送，上行 tdma（时分多 址接入）的工作机制;oam 小组的工作成果是定义了可选的 oam 层功能，力图在 epon 系统中提供一种运营、管理、维护的机制，使其具有符合电信应用要求的接 入网的特性。上述内容于 2004 年 4 月通过的 ieee802.3ah 标准中有描述22。 pon 的英文全称为 passive optical network，即无源光网络，它与目前应用最 为广泛、已成为局域网上标准的以太网（ethernet）结合在一起，便形成了 epon， 它是继 apon 技术之后又一受到广泛关注的用户接入技术。它采用点到多点的拓扑 结构，利用光纤和光无源器件进行传输，在以太网上提供多种类型业务的一种新的 接入网技术。图 2-1 给出了 epon 的系统构成，从中可以看到它主要由以下几部分 构成：提供操作维护管理（oam）网络的网元管理系统（ems） 、位于中心局内的 光线路终端(olt)、进行光信号的分支和合并的光配线网(odn)、连接各用户的光网 络单元(onu)等，而 odn 由光传输媒质光纤和光分支器件(obd)组成23。 olt 一般位于中心局内， 它提供与 odn 之间的光接口。 在 odn 网络侧， olt 应提供至少一个网络接口。olt 也提供传送到 onu 所需各种业务的手段。 onu 连接 pon 的用户侧，提供用户数据、图像和电话网络与 pon 的接口。 13 onu 的基本功能是接收光信号，并将其转换成用户需要的格式(以太网、ip 多播、 pots、t1)。epon 一个特有的性能是 onu 除了接收光信号并进行转换之外，还 提供第 2、3 层的交换功能，允许企业业务在 onu 内部实现路由。epon 还可以 利用第 3 个波长来传输图像业务。 olt onu tdm/pstn网络 sdh/atm网络 视频中心 ip网络 ems obd obd onu onu onu onu odn 图 2-1 epon 系统结构图 odn 即光配线网络由单模光纤和分路/耦合器、连接器、光纤接头等无源器件 组成（这些光缆和器件均在室外） 。有源器件如 olt 和 onu 在 odn 的两端。光 信号在 odn 中的传输时，wdma 把各 onu 的上行信号分别调制为不同波长的 光信号，即每个 onu 占用一个波长，经过合波器耦合到同一根光纤传输到 olt， 在 olt 中利用分波器分别取出属于各 onu 的不同波长的光信号，再分别通过光 电探测器解调为电信号，下行则采用广播方式。 由于 on 位于每个 fttb 和 ftth 应用的用户位置，其费用将由多个用户共同 分摊，onu 的设计和费用是建造 ethernet pon 系统的关键因素。通常 onu 的费用 占 fttb 的 70，在 ftth 中，onu 的成本占接近 80。 epon 系统中的 olt/onu 都是典型的嵌入式系统，它们以 mpc8245 作为 14 cpu，各带有 32m 的 sdram 和 4m 的 flash 作为存储设备，外围有 bcm5615 交换 芯片及以太网口、串口设备，还有引导程序、嵌入式操作系统和应用程序都烧写在 flash 中，从而使 olt/onu 具有交换机的基本功能，epon 系统成为可配置可管 理的网络系统24。 2.1.2 epon 网络的工作原理网络的工作原理 epon 采用单纤波分复用技术（上行 1310nm，下行 1490nm） ，仅需一根主干光 纤和一个 olt，传输距离可达 20km。在 onu 侧通过 1：32 光分路器可分送至最多 32 个用户。 epon 可同时传输 tdm、ip 数据和视频广播，其中 tdm 和 ip 数据采用 ieee 802.3 以太网帧格式进行传输，辅以电信级的网管系统，足以保证传输质量。视频业 务可在扩展的第 3 波长（1550nm）上传送。 从 olt 到多个 onu 的下行方向上，各种业务以广播方式下传，通过 odn 的 1：n 无源光分路器分配到 pon 上所有的 onu。对于上行方向，来自各个 onu 的 多种业务信息互不干扰地通过 odn 的无源光分路器耦合到同一根光纤，最终送至局 端的 olt。上/ 下行的数据传输有很大不同。 下行数据传输(见图 2-2)。 图 2-2 epon 下行传输数据 数据从 olt 到各 onu 采用广播式下行。数据以分组形式组织，每个分组的 头部标识该分组的目的地。此外，有些分组可发往所有 onu（广播） ，或一组特定 的 onu（组播） 。在光分路器处，业务被分为 n 路，以到达各个 onu。当数据到 达 onu 时，根据过滤规则，它仅接收属于自己的分组，丢弃给其它 onu 的分组。 15 如图 2-2 中，onu1 收到分组 1、2、3，但它仅传送分组 1 至终端用户 1，而丢弃 分组 2、3。 上行数据传输(见图 2-3)。 图 2-3 epon 上行传输数据 上行业务采用 tdma（时分多址接入） 。各 onu 被分配一定的时隙，各时隙之 间相互同步，故从各 onu 来的上行分组不会相互影响。这些数据按时隙耦合到公 用的光纤，形成上行帧。如图 2-3，各 onu 的 tdm 控制器，从 olt 获得时钟信息， 控制分组在指定的时隙完成上行传送。当 onu 暂无业务传送时，其时隙可由一个空 闲信号填充25。 2.1.3 epon 性能网管的结构性能网管的结构 epon 系统的管理对象为 olt（optical line terminal，光线路终端）和每个 olt 对应的不多于 32 个 onu（optical network unit，光网络单元）。onu 通过 光纤连接在 olt 上。epon 网管系统采用的是带内网管方式，因此在 ems （element management system，网元管理系统）管理站到 olt 和 onu 之间不需 要增加专门的网管通道。由于 epon 的网络拓扑结构是点对多点的方式，因此 ems 管理站通过电缆或者光纤连接到 olt 上，就可以同时实现对 olt 和多个 onu 的管理了26。 16 snmp manager 数据库 snmp应用程序 网管界面 ems f接口 mib snmp agent f接口 consol e 接 口 snmp olt snmp agent mib consol e 接 口 onu1 snmp agent mib consol e 接 口 onu2 snmp agent mib consol e 接 口 onun snmp 图 2-4 epon 网络的 snmp 结构 2.2 系统需求分析系统需求分析 2.2.1 实时性能管理需求分析实时性能管理需求分析 下面利用表格对实时性能管理进行需求的描述： 表 2-1 实时性能管理需求描述 实例 use case id：pon_pm_1_1 实例名称 use case name： 实时性能管理 执行者 actor：用户 描述 description：用来管理实时性能监控，包括开始、停止、清除和关闭。 先决条件 preconditions： 整个系统的相关服务启动后 预期结果 postconditions： 通过选择采集任务，采集设备和轮询时间的选择可以确定一个任务， 并在窗口将性能曲线显示出来。 使用频率 frequency of use： 经常 always 17 续表 2-1 实时性能管理需求描述 正常过程 normal course of events： 1. 在用户界面的菜单栏上依次点击性能管理实时性能管理，弹出 实时性能管理窗口。 2. 在实时性能管理窗口中，左边是系统设备网管参数目录树，显示 当前可以采集的参数。同时在窗口下边可以选择需要采集的设备、轮 询时间，并有开始、停止、清除、关闭按钮。窗口的右边是实时性能 曲线图。 3. 在实时性能管理窗口中，下边选择采集设备类型和轮询时间，并 且有开始、停止、清除和关闭的按钮。 4. 当点击开始按钮时，就会根据所选择的采集设备、轮询时间和采 集参数实时显示性能曲线。而点击停止按钮时，采集停止，性能曲线 保持不变。点击清除按钮时,停止采集,并清除性能曲线。点击关闭按 钮时，关闭实时性能管理窗口。 5. 实时性能曲线中横轴是时间轴，表明采集数据的时间。纵轴是采集 的数据值，根据不同的任务选用不同的单位。具体的采集参数任务见 表 22。 可选过程 alternative courses： 1. 从工具栏图标中进入实时性能管理窗口。 2. 在拓扑图中点击设备的右键菜单选项，进入实时性能管理窗口。 3. 在用户界面的左侧设备树型图上选择相应的设备，点击右键菜单 选项，进入实时性能管理窗口。 其他操作与正常过程的操作步骤相同 表 2-2 采集参数列表 性能参数任务名英文名称 接受字节总数ifreceivebytes 发送字节总数ifcastbytes 接受单播包数ifinucastpkts 发送单播包数ifoutucastpkts 入站错误包数ifinerrors 出站错误包数ifouterrors 入站丢包数ifindiscards 出站丢包数ifoutdiscards 2.2.2 定时性能管理需求分析定时性能管理需求分析 下面利用表格对定时性能管理进行需求的描述，分为两个部分：定时性能设置 和定时性能查询。 18 表 2-3 定时性能设置需求列表 实例 use case id：pon_pm_2_1 实例名称 use case name： 定时性能管理 执行者 actor：用户 描述 description：通过设置一定的时间段来采集性能数据，并用曲线图的方式显示给用 户。系统按照一定的格式将性能数据输出到 ascii 文件中,用户可以 将该 ascii 文件输出到外围存储设备进行存储,或按用户指定的格式 输出到打印机上。 先决条件 preconditions： 时间段的选取是任意的 预期结果 postconditions： 按照用户设定的时间来采集性能数据,并以曲线图的方式将性能数据显 示给用户，并统计这一时间段的性能的统计值。 使用频率 frequency of use： 经常（always） 正常过程 normal course of events： 1. 在菜单栏中单击性能管理-定时性能设置,弹出定时性能设置窗 口。 2. 在对话框中有 4 个定时性能数据采集的组合条件选择下拉框，分 别在这四个下拉框中选择监视对象,选择性能数据采集周期（15 分钟或 24 小时） ，选择采集数据的时间段，选择性能参数（可以 多选） 。选择好后确认。 3. 点击确定按钮，将设置好的参数保存。 4. 另外还有取消和退出按钮。 表 2-4 定时性能查询需求列表 实例 use case id：pon_pm_2_2 实例名称 use case name： 定时性能管理 执行者 actor：用户 描述 description：查看通过设置定时后采集到的性能数据，并用曲线图的方式显示给用 19 户。系统按照一定的格式将性能数据输出到 ascii 文件中,用户可以 将该 ascii 文件输出到外围存储设备进行存储,或按用户指定的格式 输出到打印机上。 先决条件 preconditions： 时间段的选取只有 15 分钟和 24 小时 预期结果 postconditions： 按照用户设定的时间来采集性能数据,并以曲线图的方式将性能数据显 示给用户，并统计这一时间段的性能的统计值。 使用频率 frequency of use： 经常（always） 正常过程 normal course of events： 1. 在菜单栏中单击性能管理-定时性能查询,弹出定时性能查询窗 口。 2. 在窗口的左边设备管理树中选中一个设备,右边会将该设备的定时 任务列表显示。 3. 选择定时任务列表中的一列,然后点击查看按钮，将会弹出定时性 能显示窗口,显示所设置的定时性能任务。 2.2.3 历史性能管理需求分析历史性能管理需求分析 下面利用表格对历史性能管理进行需求的描述，分为两个部分：历史性能设置 和历史性能查询。 表 2-5 历史性能参数设置需求列表 实例 use case id：pon_pm_3_1 实例名称 use case name：