（信号与信息处理专业论文）var综合多业务光传输交换系统的设计——系统设计.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 v a i l 综合多业务光传输交换网络平台的设计 一一系统设计 摘要 随着社会的发展，人们安全意识的提高，视频监控传输系统开 始从传统的模拟化、本地化的监控传输系统逐渐演变为全数字化 的、多级联网化的、综合化的、宽带化的多业务传输交换系统， 针对视频监控技术的这一发展特点，我们前瞻性地提出了v a r 综合 多业务光传输交换网络平台。v a r 系统采用先进的高速光通信技 术和独特的实时光自愈环网架构，将实时视频、压缩视频、音频、 数据、以太网和开关量等信号的传输集成到一个统一的光平台上 进行传输，具备自愈保护功能并支持多种网络拓扑结构，可与现 存的网络无缝地融合，实现高达3 2 - - 4 0 g 的大容量数据交换。本文 主要就是介绍v a r 系统的系统设计研究。 文中首先介绍了目前视频监控系统的现状和研究意义，接着详 细介绍了v a r 系统中各模块的功能和主要组成部分，制定了v a l l 系统中的数据传输协议和c p u 控制协议，并在v a r 组网中提出 了自定义的快捷的路由方式。然后以v a r 系统中的千兆数据接口 作为系统硬件开发上的一个例子，详细描述了其开发中各模块的 功能和各模块的全部功能仿真图并给出了其中部分程序。最后是 j 塑垩三些奎堂婴主兰堡丝苎 根据v a r 系统的需求制定了系统的基于s n m p 的网络管理体系， 实现相关的各类网管功能；并详细介绍了用n e t - s n m p 开发包在 l i n u x 系统下开发v a r 系统的s n m p 网管代理，设计了v a r 系 统的m i b 文件实现了相关的g e t 、s e t 等功能。最后是对整个设计 的回顾并提出了一些尚未解决的问题。 关键词：v a r ，视频监控系统，传输，交换，s n m p ，网络 管理体系，千兆 浙江工业大学硕士学位论文 d e s i g no fm u l t i - s e r v i c e so p t i c a lt r a n s m i s s i o na n d s w i t c h i n gi n t e g r a t e ds y s t e mv a r - s y s t e md e s i g n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y ，p e o p l e s o p i n i o no n s a f e t yi si m p r o v i n g ，a n dt h e m o n i t o rs y s t e mi m p r o v e sf r o mt h e t r a d i t i o n a la n a l o g y ，l o c a l i z a t i o nt od i g i t i z a t i o n ，s e r v i c ed i v e r s i f i c a t i o n ， f u n c t i o ni n t e g r a t i o n ，a n dm o d u l a r i z a t i o n f o rt h e s ep u r p o s e s ，w e d e s i g nt h e “v a rm u l t i - s e r v i c e so p t i c a lt r a n s m i s s i o na n ds w i t c h i n g i n t e g r a t e dn e t w o r k i tu s e sa d v a n c e dh i g h s p e e do p t i c a lt r a n s m i t t e c h n o l o g ya n ds p e c i a ln e t w o r kt r u s sw i t ho p t i c a ls e l f - h e a l e dr i n g i t a l s oc a nt r a n s p o r tm u l t i p l es i g n a n l sa sr e a l - t i m ev i d e o ，v i d e oi n c o n d e n s a t i o n , v o i c e ，a n de t h e m e td a t a , e t c t h ev a rn e t w o r kc a l l c o n n e c tt oa n ye x i s t e dn e t w o r k , a n dt h ev a rs y s t e m i ss w i t c ha b i l i t y c a nb e3 2 4 0 gt h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h es t u d ya n dd e s i g no f v a rs y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e rd e s c r i b e st h es i t u a t i o na n ds t u d yp u r p o s eo ft h e v i d e o m o n i t o r i n gs y s t e m s e c o n d l 弘i ti s a b o u tt h ef u n c t i o na n d r e a l i z a t i o no ft h ev a rs u b - m o d u l e s ，m a k e st h ep r o t o c o lo fd a t a 浙江工业大学硕士学位论文 t r a n s m i s s i o na n dc o n t r o lp r o t o c o l ，b r i n g so u tv a r so w nr o u t em o d e t h i r d l y , i td e s c r i b e st h eg i g a b i tc o n v e r s i o ni n t e r f a c ea sap a r ti nv a r s y s t e ma s ap a r to fi t s h a r d w a r e ，i n c l u d et h e f u n c t i o no fi t s s u b - m o d u l e sa n dt h ee m u l a t i n gp l o t s f i n a l l y , i td e s c r i b e st h ed e s i g n o fv a r ss t r u c t u r eo fn e t w o r km a n a g e m e n tb a s e do ns n m p , a n dt h e d e s i g no fs n m pa g e n ti nl i n u xw i t hn e t - s n m pp a c k a g e ，a n dd e f i n e t h em i bf i l eo f v a rs y s t e ma n da c h i e v et h es e ta n dg e tf u n c t i o n k e yw o r d s ：v a r ，t r a n s a c t i o n ，s w i t c h ，s n m p ，g i b i t a tm a c 浙江工业大学硕士学位论文 图列 图2 1v a r 综合多业务光传输交换平台网络拓扑图4 图2 - 2v a r 综合多业务光传输交换平台的基本架构。6 图2 3 交换模块的存储结构8 图2 - 4 v a r 主从同步方案图9 图2 - 5v a r 系统中心与i j i 端、终端接收系统的时钟同步模型9 图2 - 6 控制命令帧1 1 图3 1 数掘传输的方式示意图1 2 图3 - 2 数据传输协议帧1 3 图3 3 千兆m a c 帧格式1 4 图3 - 4 随机数产生仿真图1 6 图3 5c r c 8 仿真波形图1 9 图3 - 6 发送模块的状态转换图2 0 图3 7 发送模块的项层文件2 1 图3 - 8 数据发送开始i ；i 的状态转换仿真图2 1 图3 - 9s t a t e f c s 中输出c r c 值2 2 图3 1 0 输出c r c 值的验证2 2 图3 1 1 没有扩展位的帧发送状态图2 3 图3 1 2 需要填充字节的发送过程2 3 图3 1 3 发送冲突时的发送过程2 3 图3 1 4 增加扩展位时的发送状态2 4 图3 1 5 接收模块状态转换图2 5 图3 1 6 接收模块顶层文件2 6 图3 17 接收模块仿真图1 2 6 图3 18 接收模块仿真图2 2 7 图3 1 9p a u s e 控制帧的格式2 7 图3 2 0 流量控制的仿真图2 8 图3 2 1 时钟模块的时序仿真。2 9 图3 2 2 管理帧的读入与输出时序仿真图3 0 图3 2 3g m i i 管理帧时序仿真图3 l 图3 - 2 4 v a r 系统与计算机的通信3 2 图4 1s e t 的简要操作流程图3 6 图4 2g e t 和g e t - n e x t 的简要操作流程图3 7 图4 3t r a p 的简要操作流程图3 9 图4 - 4s n m p 管理模型4 0 图4 5 s n m p 协议环境4 l 图4 6m m 树的上层结构4 2 图4 7v a rm m 中描述的v a r 节点下各变量的节点号4 7 图4 8 c o n f i g u r e 之后显示的n e t - s n m p 配置内容4 9 图4 9s n m p g e t 查询系统启动后的时间4 9 图4 1 0s n m p w a l k 和s n m p g e t 演示图5 1 图4 1 1s n m p s e t 功能演示图。5 3 浙江工业大学硕士学位论文 衣穸u 表3 - lg m i i 管理帧结构2 9 表4 _ lv a l l 部分配置管理列表3 5 表4 2v a r 部分性能管理列表3 6 表4 3v a r 部分故障管理列表3 8 表4 - 4v a r 部分安全管理列表3 9 表4 _ 5a s n 1 语法中常见符号特定含义。4 2 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 a i c ( a d v a n c e di n t e r r u p tc o n t r o l l e r )高级中断控制器 a s n 1 ( a b s t r a c ts y n t a xn o t a t i o no n e )抽象语法定义 b e r ( b a s i ce n c o d er u l e )基本编码规则 c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k )循环冗余校验 c s m a c d ( c a r d e rs e n s e ，m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t ) 载波侦听、 带冲突检测的多路访问 d r a m ( d y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e r a o r y )动态随机存储器 e b i ( e x t e r n a lb u si n t e r f a c e )外部总线接口 i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s ) 电气和电子工程师协会 i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c ei n t e m e t )i n t e r n e t 工程任务组 i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 )互联网协议 i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n )国际标准化组织 l v d s ( l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g )低电压差分信号 m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 )媒体接入控制 m i b ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 管理信息库 o q ( o u t p u tq u e u i n g ) 输出排队 o l d ( o b j e c ti d e n t i f i e r )对象标识符 p c s ( p h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e r )物理编码子层 p d c ( p e r i p h e r a ld m a c o n t r o l l e r )外设数据控制器 p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 协议数据单元 p m c ( p o w e rm a n a g e m e n tc o n t r o l l e r )电源管理控制器 q u s ( q u a l i t yo f s e r v i c e )服务质量 r f c ( r e q u e s tf o rc o m m e n t )请求注解 s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 )简单网络管理协议 t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 )传输控制协议 u a r t ( u u l v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a u s m i t t e r ) 通用异步接收发送装置 o d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 用户数据报协议 v a r ( v i d e oa n yr o u t e )视频任意路由 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不 包含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工 业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法 律责任。 作者签名：肛午萄书l日期：2 0 0 7 年2 。月1 。目 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，同意学 校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。本人授权浙江工业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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：丝 勾套l日期：卿i 一月4 1 ，日 导师签名= 硼日期带f 硼中 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 随着社会的发展，人们安全意识的提高，视频监控范围的扩展，视频监控传 输系统开始从传统的模拟化、本地化的监控传输系统逐渐演变为全数字化的、多 级联网化的、综合化的、宽带化的多业务传输交换系统。 1 1 目前视频监控传输交换系统分析【1 l 1 1 1 光端机+ 模拟矩阵的传统模式 光端机加模拟矩阵的传统模式从上世纪8 0 年代末起就开始应用，而且可以 说到目前为止，视频监控系统绝大多数还在采用这种模式。此模式的最大特点是 视频传输与交换系统是完全独立的两个子系统：视频传输采用光端机( 一般是点 对点数字非压缩视频光端机或数字非压缩级联光端机) ，视频切换则采用模拟矩 阵。这种模式在系统规模不是很大，联网功能不是很复杂时还是非常有效的。在 近二十年的发展过程中，该模式技术上的进步主要表现在如下两个方面： ( 1 ) 、视频光端机从f m 模拟光端机发展为数字非压缩光端机；从点对点光 端机发展为数字级联光端机。 ( 2 ) 、矩阵从单机模拟矩阵到模拟矩阵联网；联网数据从r s 2 3 2 4 2 2 到走i p 通道。 传统模式经过近二十年的发展完善，虽由于其稳定的表现和简易的操作维护， 而占据了市场的主流；但随着系统规模的不断扩大，模拟视频技术的发展瓶颈已 越来越明显： 一方面，以模拟矩阵为核心的视频联网监控系统需要大量的中间接入设备， 如光端机、矩阵、视频分配器等等，而这些设备又有不同的品牌，不同的型号以 及不同的品质，这样就导致了整个系统过于复杂，无法做到统一、方便和有效的 管理。同时，这些设备间的连接完全靠模拟视频互连，多次连接过程对视频信号 的损伤严重。 另一方面，现在的光端机几乎都己采用数字非压缩技术，如果没有模拟矩阵， 光端机之间已完全可以采用数字级联的方式进行多级联网。为了与模拟矩阵连接， 在整个联网系统的视频传输过程中视音频信号不得不经过多次的a d 、d a 转换， 使系统图像质量无法得至0 保证。而且，模拟的视频信号本身每经过一次传统模拟 矩阵也都会产生一定的损耗。 因此，在日益庞大的联网监控系统中，传统模式已越来越不适应系统的发展 需求。面对多种、复杂的视频管理系统， 浙江工业大学硕士学位论文 协调工作。维护、维修的工作不管是对工程实施人员还是最终使用者来说都是极 为头疼的事。各种系统、各种设备之间的协调、问题的排查、责任的纠纷等等问 题都会给上述相关人员或单位带来极大的困扰。 传统模式在面对大规模、多级别远距离联网等诸多问题显得力不从心，限于 模拟矩阵技术的瓶颈，很难找到合适的、从根本上解决问题的方法，这使得人们 不得不去开发新型的系统和新型的视频传输交换技术。 1 1 2 基于视频压缩技术的网络虚拟矩阵技术 2 0 0 0 年后，随着数字视频压缩技术的发展，数字产品逐渐大量进入监控系统， 针对上述模拟矩阵的诸多问题，人们提出了网络虚拟矩阵的全数字化矩阵概念。 网络虚拟矩阵和传统模拟矩阵不同，它以视频压缩模块( 或视频编码软件) 代替模拟矩阵中的视频输入模块，以视频解压缩模块( 或视频解码软件) 代替模 拟矩阵中的视频输出，以网络视频服务器代替模拟矩阵主机，以基于t c p i p 协议 的i p 网代替模拟总线( 或模拟视频总线结合i p 控制总线) ，以数字高速处理芯片 代替模拟电开关，运用高速处理芯片的运算完成视频从输入到输出的切换。 网络虚拟矩阵以口网为媒质，基于t c p i p 协议，通过网络视频服务器完成视 频的调度。我们可以将整个口视频专网看作是一个巨大的矩阵交换系统，其基本 硬件则是由视频编码设备、视频解码设备以及网络交换机、路由器组成。另外， 视频编码、解码过程也可以由软件来完成，所以网络虚拟矩阵可能并不是一个具 体的硬件设备，而只是一个具有特定功能的系统。 网络虚拟矩阵作为一种数字矩阵技术，充分发挥了数字技术的优势，在很多 方面解决了模拟矩阵技术无法解决的难题，如视频的无损交换、复制与存储，支 持任意网络拓扑结构等等，但是这种数字矩阵技术远非完善： 首先，网络虚拟矩阵技术是基于p 网的，限于网络带宽的限制，必须在模拟 视频数字化的过程中对视频信号进行数字压缩。视频数字压缩技术的产生，主要 基于视频应用需求与下列条件的限制：首先来自节省存储空间的要求，其次是数 字传输系统带宽的限制。也可以说，选用视频数字压缩技术，通常是在外在条件 的限制下不得已而为之的手段。 其次，这种数字矩阵技术都是基于压缩视频，而目前的压缩算法基本上是基 于d c t 的技术，无论是m p e g 2 还是m p e g - 4 等，都还没有根本性的进展，当 网络带宽得不到保证时不可避免地会产生马赛克等问题。其在图像质量、延时、 带宽占用等各方面都还需要进一步改进。 采用基于视频压缩技术的网络虚拟矩阵依赖于图像压缩技术而有不可克服的 缺点，其图像质量和图像的延时无法满足实时视频监控的要求，需要寻找另外的 技术来解决这些问题。 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 研究意义 正是考虑到目前视频监控市场上那些产品所存在的上述问题，有针对性地提 出了v a r ( v i d e o a n y r o u t e ) 综合多业务光传输交换平台，它融合了数字视频光 纤传输技术和数字视频交换技术，在不降低网络性能和可靠性的前提下提供了更 加经济有效的大容量视频综合接入解决方案。从总体上来说，v a r 系统具有如下 特点： 1 v a r 系统采用先进的高速光通信技术和独特的实时光自愈环网架构，将视 频、音频、数据、以太网和开关量等信号的传输集成到一个统一的光平台上进行 传输，具备自愈保护功能并不再需要各种外连的设备如：p c m 设备、各种复用器、 交换机、数据终端适配器、图像编解码器等。 2 v a r 的光传输系统能组成多种拓扑结构的传输网络，支持星型、树型、环 型、混合型等各种拓扑结构。 3 v a r 的光传输系统能够传输所有格式的数字视频信号，包括数字非压缩视 频、m p e g 2 、m p e g 4 、h 2 6 4 等。 4 v a r 系统的传输与交换都采用了i p 协议，具有高度的互通性。同时又具有 专网的传输交换性能。 从v a r 系统的特点可以看到其作为新一代视频监控系统的中间力量将取代当 i ；i 那些存在有不同问题的视频监控产品。 1 3 主要工作和内容安排 v a r 系统主要包括输入输出子系统、交换子系统、同步模块以及c p u 卡等多 部分。本次毕业设计的主要工作是完成v a r 系统框架的设计、系统传输和控制协 议的制定、输入子系统的软硬件设计以及系统的基于s n m p 的网管代理开发。 论文的内容安排如下： 第一章绪论介绍本课题目前的研究背景。国内外现状和研究意义，以及本次 毕业设计所要做的工作。 第二章介绍系统框架的设计以及各部分协议的制定。 第三章详细介绍了用以实现系统数据传输的传输协议以及传输方式，采用标 准的千兆以太网接口作为数据传输口并给出了此接口的详细设计过程，并给出了 它各部分的功能仿真图。 第四章主要介绍了自定义的基于s n m p 的v a r 的网络管理体系，设计了v a r 系统的m i b 库，详细描述了在l i n u x 系统下开发基于s n m p 网管代理的过程。 最后是对整个毕业设计期间工作的总结和展望。 3 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 序言 第二章v a r 系统框架设计 作为视频监控网络中的最新一代产品，v a r 系统向用户提供了一个集视频、 音频、数据、开关量等信号于一体的高性价比的综合多业务光传输交换网络平台， 替代了传统的光端机+ 视频分配器+ 模拟矩阵+ 编解码器+ 视频综合管理软件+ 光端 机网管软件等众多设备，使得系统变得异常简洁明了；同时，v a r 系统可以组成 多种拓扑结构的专用v a r 网络，也可以自由地接入到i n t e r n e t 网络，还可以把单 一的v a r 系统作为数字视频矩阵使用。 2 2 m a r 系统网络体系结构 在实际的应用中，v a r 系统组成的网络拓扑结构一般以树型为主，同时包括 星型的混合型网络拓扑结构。见图2 1 。网络中的每个v a r 系统都同时具有传输 和交换多种业务类型的功能，可以分别根据需要接入到i n t e r a c t 等其他网络。 圈2 - 1v a r 综合多业务光传输交换平台网络拓扑图 处于不同树枝的v a r 节点可以表示不同等级的监控中心，比如最上层的代表 4 浙江工业大学硕士学位论文 省级的监控中心，下面依次为市、区等。在每一个节点，可以通过前端接入目前 的大多数业务( 视频、音频、数据等) ，同时可以接收从上级v a r 系统中心下传 的各类业务( 视频除外) 。通过终端接收系统接入目前的大多数业务( 音频、数据 等，不包括视频) 。系统能够对全网接入的业务进行管理、控制、交换，实现全网 视频及多业务的共享和统一调度。这个管理需要上层软件的调度，通过上层软件， 不同的层次享有不同的管理权限。另外，对于那些没有处于v a r 系统组成的专网 的节点，即使没有v a r 系统也可以通过疋网接收来自v a r 专网的数据流，节省 组网费用。 v a r 的数据路由方式是我们自己设计的，不同于像r i p ( 路由信息协议，r o u t i n g i n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 那种距离矢量路由选择协议，纯粹地选择源目两地白j 的最 小跳数；也不同于o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ，开放最短路径优先) 根据开 销选择最短的路径进行数据的传输。在v a r 专网中，路由的路径选择由网管计算 机控制，网管计算机随时查询网络中各v a r 系统的空闲状态，忽略路径的长短， 根据当前路径上的系统的空忙状态决定传输路径，比如在如图2 7 的网络中，本 地v a r 系统a l 已经有一个通道的数据在上传给上级的v a r b l ，而现在要另传一路 数据给更上一级的v a re l ，此时无法通过上级的v a rb l 中转，网管计算机可以 通过命令，让a l 的数据先传给同级的v a ra 2 甚至a 3 ，再上传给它们的上级v a r b 2 ，再由b 2 送至c l ，完成本次数据的传送。这样就不存在排队问题，更符合像实 时视频这样的数据类型，以最快的方式到达目的地，尽可能地减小延时。 v a r 网络作为一种综合业务网，需要支持多种类型的业务，如语音、高清晰 度非压缩数字视频、压缩视频数据、i p 数据以及开关量控制数据等。不同类型的 业务对传输交换要求不同，主要表现在以下四个方面： 1 ) 不同的业务所需要的传输速率是不同的。如高清晰度电视( h i g hd e f i n i t i o n t e l e v i s i o n h d 1 1 g b p s ，非压缩数字视频需要1 2 5 m b i t s ，而语音只需要6 4 k b i t s 即可。其传输速率的跨度为几个数量级，这就要求数据传输能力的粒度较细。 2 ) 不同的业务的突发性表现是不同的。如语音业务的传输速率是恒定的，而 某些数据的传输速率在1 5 0 m b i t s 之间变化，可能在很短的时间内有大量的数据 要传输。 3 ) 不同的业务对传输的可靠性要求不同。如数据传输对内容的正确性要求较 高，而语音视频对可靠性要求低。 4 ) 不同的业务对传输时延( t r a n s i td e l a y , t d ) 和传输数据抖动( j i t t e r ) 方面的要 求不同。音、视频数据在这方面的要求远高于文本数据。如典型的电视节目可容 忍的端到端的累计传输时延变化必须小于0 5i n s ，而可容忍的传输偶然时延变化， 即抖动必须小于等于l m s ；未压缩的话音数据可容忍的传输时延为2 0 0 m s ，可容忍 的抖动为1 5 0 m s 。这与文本数据可容忍的秒级，甚至数十秒时延和抖动相比，完 全代表了两个极端的数据传输和交换要求。 5 浙江工业大学硕士学位论文 v a r 网络设计要能支持这些不同特征的业务，就必须向它们提供不同级别的 服务。在本系统中将这些业务划分为三个等级，其中语音和高清晰度非压缩数字 视频业务速率恒定，对时延或抖动比较敏感，需要网络提供固定带宽并且提供最 高级别q o s ，尽量减少其延时和抖动；其次是压缩视频数据具有一定的突发性， 对时延的要求也比较高，网络传送带宽不固定，但是不允许用户端在本文数据结 构基础上向下复用，交换时提供第二级别的服务；最后是m 以及其它一些业务数 据，允许用户端在本文数据结构的基础上进一步向下复用，该复用为路径驱动， 可以提高网络带宽的利用率。 后面制定数据传输协议与c p u 控制协议时考虑的数据传输的优先级就是依据 此处的业务等级划分。 2 3v a r 系统 单一的v a r 系统主要包括输入输出模块、 管模块等部分，如图2 2 所示。 输入模块交换模块 交换模块、电源模块以及控制和网 输出模块 图2 - 2v a r 综合多业务光传输交换平台的基本架构 下面将详细介绍每个模块的基本功能和架构。 2 3 1 输入输出模块 输入模块包括前端的业务输入接口、千兆数据转换口、处理器、背板的高速 接口和实现系统互连的高速口等几个主要部件组成。其中，业务输入接口包含了 接收远端压缩和非压缩视频、音频的光口，本地的音频口、视频源接口、以及接 6 浙江工业大学硕士学位论文 收以太网、e 1 、开关量等其他类型的数据接口；千兆数据转换口主要用于连接公 共网络或实现v a r 系统问的互连，形成v a r 专网；背板高速接口实现系统内子 模块之间的互连。从业务输入接口接收的数据按照不同类型分别把多路低速数据 复合成高速数据，然后根据自定义的协议在数据前加上协议报头，通过千兆数据 传输口再经i n t e r n e t 发送至远端目的节点，或者经背板高速接口至交换模块，然后 转至输出模块显示或发往v a r 专网中的另一节点处理。系统所使用的传输协议将 在后面介绍。 输出模块与输入模块相类似，只是它们的功能基本相反。输出模块直接从交 换模块中接收高速数据流，然后剥离上面的协议报头并把复合的数据分解为多路 单一的数据，再根据c p u 的指示分别送往指定的端口输出显示。或者，有些需要 传递至其他v a r 系统的数据则只需要保持原来的高速数据流状态，按照c p u 的 要求发送至与目的系统相连的接口送出。 2 3 2 交换模块 交换模块是v a r 系统的核心模块，它的目标就是实现1 6 x1 6 的数字信号的 任意交叉连接，每路数据速率可达l g ，系统的吞吐量最高可达3 2 g - - 4 0 g ，并且 能提供低延时、低抖动的传输和适应实时视、音频q o s 要求的交换能力。因此， 在交换模块的设计中，采用了定长交换、输出排队、共享存储结构等一系列的关 键技术来满足系统的这些要求。 交换模块的内部结构如图2 3 所示。它采用了并行局部共享存储结构，即将其 存储结构分为s m 0 到s m 3 四个子模块，每个子模块由一个具有2 0 g b p s 输入输出 能力的双端口r a m 组成，并且对应1 6 个输入端口和4 个输出端口。在其周围有 用于输入帧定位、查询输出地址和输出过滤功能的输入控制模块；实现输入选择、 缓存和串并转换的输入选择转换模块；实现地址管理、地址解析和输出队列管理 的地址及输出队列管理模块；实现数据重新组帧的输出控制模块；决定存储器在 某一时刻需要服务的输出端1 ：3 中某优先级队列的数据帧的o q 调度器。 7 塑坚三些查堂堡主竺堡堡壅 r 一一一一一一一一 图2 - 3 交换模块的存储结构 交换模块的工作流程如下：从输入模块处传来的数据帧首先进入交换模块中 的输入控制子模块，其中的输入帧定位解析模块识别帧的起始位置，并将数据帧 头部的有用信息送至其它相关部分，比如源地址( s a ) 送至输出地址查询模块， 该模块根据c p u 的指令查找目的地址( d a ) ，以便将数掘送至目的节点：优先级 信息送至输出队列管理器，用于将数据帧按照输出端口及优先级别来分配服务时 隙。 在数据帧进入子存储单元的过程中，首先由地址管理器通过搜索内部的地址 管理线性表给出存储器的空闲地址，然后由输入控制器将数据帧写入到给出的空 闲地址区域，并且将线性表中该地址对应的标志位置为o ，此外还要将数据帧的 存储地址和优先级信息发送给输出队列管理器；最后输出队列管理器根据数据帧 的输出端口和优先级信息选择相应的输出地址队列，并将数据帧的存储地址写入 到相应的输出地址队列。 在数据帧从子交换单元读出的过程中，首先由o q 调度器执行选择算法来确定 输出地址队列号，确定以后给出输出允许信号来使能某个地址f i f o 的读出允许 端；接着输出管理器根据输出地址队列号选择输出地址队列，从输出地址队列中 读出数据帧存储地址，然后从存储器模块中读出数据帧，并释放该地址，同时将 地址管理线性表中该地址对应的标志位重新置为l 。最后，输出控制器利用查表 得到的d a 替换数据帧头中的原有信息，发送到输出连接。 8 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 3 时钟同步模块 v a r 系统时钟同步机制的设计包括两个方面。一方面是v a r 传输交换网络的 同步机制。另一方面是v a r 系统中心与前端、终端接收系统的同步机制。 在v a r 专网中，时钟采用的是主从同步的方式，把其中一个系统的时钟设置 为主时钟( 此系统一般为等级最高的那个时钟，同时在另一系统中设置一个备用 的主时钟，以便当作为主时钟的系统故障时保持系统的稳定性) ，其他系统的时钟 都被设置为从时钟。主时钟的信号通过时钟链路传递给其他系统，作为它们的时 钟源，这样经过处理后的从时钟就可以与主时钟保持一致，实现v a r 网络的同步 性。 基准时钟瓣 图2 4 v a r 主从同步方案图 v a r 系统中心与前端、终端接收系统的同步机制设计中，我们采用了基于缓 存的自适应时钟恢复方法。实际应用中，前端、终端接收系统指光端机等接入和 输出设备。v a r 系统中心与前端、终端接收系统一般会利用现有的分组网络进行 连接。据此我们定义v a r 系统中心与前端、终端接收系统的同步模型。 图2 - 5v a r 系统中心与前端、终端接收系统的时钟同步模型 同步模型中，发送端指v a r 系统中心，接收端指前端或终端的接收接收系统。 中间的分组网络实际应用中一般为工业以太网。由于发送端与接收端之间的信道 资源有限，此时，不可能有专门的链路资源来传送时钟。因此，在接收端我们选 择从接收到的业务流中提取时钟信息。具体的提取流程上，我们选择了基于缓存 的自适应同步方法，工作过程如下：接收端将到达的数据包放入一个缓存器。接 收端根据本地时钟读取缓存器中的数据包，并持续监测缓存中的剩余数据包量。 根据缓存中的剩余数据量来启动相应的控制算法，使接收端缓存的数据量维持在 9 浙江t 业大学硕十学位论文 一恒定值附近，从而调整本地时钟频率使之接近源时钟。 2 3 40 p u 控制模块 2 3 4 1c p u 控制模块的组成 控制模块主要部件是c p u ，采用的是基于a r m 9 2 0 t 处理器的a t 9 1 r m 9 2 0 0 嵌入式系统。a t 9 1 r m 9 2 0 0 包括一个高速片上s r a m 工作区及一个低等待时间的 外部总线接h ( e b i ) ，以完成应用所要求的片外存储器和内部存储器映射外设配置 的无缝连接。e b i 有同步d r a m ( s d r a m ) 、b u r s tf l a s h 及静态存储器的控制器， 并设计了专用电路以方便与s m a r t m e d i a 、c o m p a c t f l a s h 及n a n df l a s h 连接。 高级中断控制器( a i c ) 通过多向量，中断源优先级划分及缩短中断处理传输时 间来提高a r m 9 2 0 t 处理器的中断处理性能。 外设数据控制器( p d c ) 向所有的串行外设提供d m a 通道，使其与片内或片外存 储器传输数据时不用经过处理器。这就减少了传输连续数据流时处理器的开销。 包含双指针的p d c 控制器极大的简化了a t 9 1 r m 9 2 0 0 的缓冲器连接。 并行i o ( p i o ) 控制器与作为通用数据的i o 复用外设输入输出口线，以最大程 度上适应器件的配置。每条口线上包含有一个输入变化中断、开漏能力及可编程 上拉电阻。 电源管理控制器( p m c ) 通过软件控制有选择的使能禁用处理器及各种外设 来使系统的功耗保持最低。它用一个增强的时钟产生器来提供包括慢时钟( 3 2l d - i z ) 在内的选定时钟信号，以随时优化功耗与性能。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了许多标准接口，包括u s b2 0 全速主机和设备端口及与多 数外设和在网络层广泛使用的1 0 1 0 0b a s e t 以太网媒体访问控制器( m a c ) 。此外， 它还提供一系列符合工业标准的外设，可在音频、电信、f l a s h 卡红外线及智能 卡中使用。 在a t 9 1 r m 9 2 0 0 中还用到了由一根时钟线及一根传输速度达到4 0 0 k b s 的数据 线组成的两线接口( t w i ) ，即板上1 2 c 总线的接口，因为需要a t 9 1 r m 9 2 0 0 读取 存储在e e p r o m 中的地址信息。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 中支持r s 4 8 5 总线功能的是通用同步异步收发器( u s a r t ) ， 它提供一个全双工通用同步异步串行连接，支持多种标准的数据帧格式可编程； 接收器执行奇偶错误、帧错误及溢出错误检测，超时时可变长帧处理，发送器时 间保障方便与远程器件通信，并能支持多点通信。 本网络采用带外信令传输方式，将系统划分为用户数据传输与交换平台和信 令控制管理平台( 网络具体的协议模型将在下文中介绍) 。因此控制模块要完成 v a r 网络的平面控制管理任务。除了控制信令的传输交换处理的具体步骤和路由 解析功能外，还要实现环境管理、配置管理、性能和记账管理、问题管理、操作 1 0 浙江工业大学硕+ 学位论文 管理和变化管理等多种网络管理功能。系统的网络管理功能采用的是基于s n m p 的网络管理协议，在l i n u x 系统下进行代理开发，再移植到系统上。基于s n m p 的网管代理开发将在第四章详细介绍。 2 3 4 2c p u 控制协议 c p u 的控制协议采用的是速率为9 6 0 0 波特率的r s 4 8 5 的通讯协议：l 位逻辑0 的 起始位，8 位数据位( 1 个字节) ，l 位可选择的奇( o d d ) 偶( e v e n ) 校验位，l 位逻 辑l 的停止位，共l l 位串行数据。每次先由c p u 把l l b i t 的命令数据存储于寄存器， 在时钟高电平时收到数据控制线( s c l ) 的下降沿时开始把寄存器中的数据传到 其他模块上并在数据控制线的上升沿结束一次传输。但是考虑到控制的需要，实 际上每次控制协议传输包含9 个字节的数据，如图2 - 6 所示。 首先是2 字节的设备号( e q u i p m e n ti d ) ，包括了6 b i t 的机框号、6 b i t 的卡号以 ) 及4 b i t 的通道号，以保证准确地控制具体的每一路数据；l 字节的t y p e 位包含l b i t 的d i r e c t i o n ，最高位的0 表示由c p u 向各模块发送命令，1 表示模块对c p u 命令的响 应，剩余的7 b i t 表示命令的类型，查询或要求发送数据等：6 字节的d a t a 包含了c p u 与各模块之间通信的具体命令，比如将本地某一通道中的数据传送至数据中给出 的目的地址显示。 2 3 小结 船：匾l b 盈i 盈( 7 b i t ) 1 y p e ：i ( t ) l 。 l 图2 - 6 控制命令帧 本章首先介绍了v a r 系统组网后的特点与应用。使得对整个v a r 系统框架 有个整体性的了解。然后逐个介绍了v a r 系统的各模块的功能以及其构成，从输 入输出模块中数据接口在系统中的应用，各