（通信与信息系统专业论文）卫星动态备份系统系统设计.pdf

学科专业：通信与信息系统 论文题目： 摘要 卫星信道动态备份系统系统设计 硕士生：李德尔导师：雷维礼教授 长期以来使用卫星链路组网的网络都需要人工对卫星m o d e m 进行参数配置 和同常维护，难以做到按照需要动态地分配卫星信道资源。本文介绍了一种分布 式卫星m o d e m 控制系统一“卫星链路动态组网系统”，它可以按需求动态地配置 卫星m o d e m ，建立或拆除卫星链路。该系统被用于中国教育和科研网 ( c e r n e t ) s d h 主干网的卫星备份系统中，完成卫星信道的动态分配和卫星 m o d e m 的远程管理任务。 本文从整体的角度介绍了系统的设计目标和总体设计方案。本系统采用主 从站方式实现分布式控制，各个站点由计算机自动控制卫星设备，按照制定的协 议协调动作完成卫星链路的动态建立和拆除。系统通过卫星信道保持主从站间的 联系并动态地监测当前各个卫星信道的状态，对异常的设备采取恢复措施。卫星 信道的参数用数据库存储，管理员可以通过w e b 界面和字符界面两种方式对系 统进行管理。 本文分别介绍了硬件系统的设计思路和各个设备之间的接口关系，软件系统 的层次划分以及各个模块的功能要求和接口方式。此外，本文还介绍了系统专用 的通信协议的设计和实现方法以及卫星信道参数数据库的设计及数据库访问接 口， 关键字：卫星信道动蓉鲁份系统，分布武o ，通f ；面破 a b s l r a c t m a j o r ：c o m m u n i c a t i o n a n di n f o r m a t i o ns y s t e m t h e s i st i t l e ： s 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 ms y s t e md e s i g n p o s t g r a d u a t e ：l id e e r a d v i s o r ：p r o f l e iw e i l i i ns a t e l l i t en e t w o r k s ，t h ec o n f i g u r a t i o na n dm a i n t e n a n c eo fs a t e l l i t em o d e m sa r e o f t e nm a n u a l a n dt h e r e f o r ei tj sh a r dt oa l l o c a t es a t e l l i t ec h a n n e l sd y n a m i c a l l y i nt h i s a r t i c l e ，ad i s t r i b u t e d s a t e l l i t em o d e mc o n t r o l s y s t e m ，s a t e l l i t e c h a n n e ld y n a m i c b a c k u ps y s t e m ，i si n t r o d u c e d t h i ss y s t e mc a nd y n a m i c a l l yc o n f i g u r et h e s a t e l l i t e m o d e m s ，s e t u po rr e l e a s es a t e l l i t e l i n k s i ti su s e di nt h ec e r n e ts d hs a t e l l i t e b a c k u ps y s t e m ，t oa l l o c a t es a t e l l i t e r e s o u r c ea n dr e m o t e l ym a n a g es a t e l l i t ed e v i c e s t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h es y s t e m sd e s i g nt a r g e t sa n dt h es y s t e mp l a n t h e d i s t r i b u t e ds y s t e mc o n t r o li si m p l e m e n t e db ym a s t e r s l a v em o d e s a t e l l i t ed e v i c e si n e a c hn o d ea r ec o n t r o l l e da u t o m a t i c a l l yb yc o m p u t e r s ，a n dt h em a s t e rn o d ea n ds l a v e n o d e sm a n a g et h ei n t e r a c t i o n sb ys p e c i f i cc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l st os e t u p r e l e a s e s a t e l l i t el i n k s t h es y s t e mk e e p sm a s t e ra n ds l a v e si nt o u c ht h r o u g hs a t e l l i t ec h a n n e l s a n dm o n i t o rt h es t a t u so f e a c hc h a n n e li n d i r e c t l y w h e ni na b n o r m a ls t a t u s 。t h es y s t e m w i l l t r y t or e c o v e rt h ea b n o r m a ls a t e l l i t ed e v i c e c o n f i g u r a t i o nd a t ao fs a t e l l i t e c h a n n e l si ss t o r e di nd a t a b a s e o p e r a t o r sc a nm a n a g et h es y s t e mt h r o u g l lw e b m o d e o rc h a r a c t e rm o d e c o n f i g u r a t i o n i n t e r f a c e i nt h i sa r t i c l e ，w ei n t r o d u c et h ed e s i g np r i n c i p l e so ft h eh a r d w a r es y s t e ma n dt h e i n t e r f a c e sb e t w e e nd e v i c e s ，a l s ot h el a y e r sa n dm o d u l e so ft h es o f t w a r es y s t e m i n a d d i t i o n ，a s t w o i m p o r t a n tp a r t s i nt h ew h o l ed e v e l o p m e n t , t h ed e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f s y s t e ms p e c i f i cp r o t o c o l sa n d d a t a b a s ea r ea l s od e s c r i b e d k e y w o r d s ：s a t e l l i t e c h a n n e l d y n a m i cb a c k u p s y s t e m ，d i s t r i b u t e dc o n t r o l ， c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名毒德尔日期：加o z 年十月占日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 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。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：摩德、忿 导师签名 日期：劬2 年辛月6 日 皇王型垫查兰堡主堂焦堡壅! 里呈堕鲎垫查鱼丝墨竺墨竺塑生 一 第一章引言 1 1 课题背景 中国教育和科研计算机网c e r n e t 是连接我国教育系统和科研单位的全国 性计算机互连网络。在国家教委的主持下，1 9 9 4 年1 1 月由国家计委立项建设， 1 9 9 5 年c e r n e t 示范工程通过国家验收。经多年建设，目前已建立了位于北京 清华大学的c e r n e t 全国网络中心节点，及位于沈阳、上海、成都、西安、广 州等7 个地区的区域网络中心节点。全国网络中心和各区域网络中心由c e r n e t 的主干网络互联，如图1 1 所示。 图1 1c e r n e t 主干网拓扑( 1 9 9 5 年) 早期的c e r n e t 主干网租用电信的d d n 链路，带宽最大时为5 1 2 k b p s 。1 9 9 7 年c e r n e t 主干网进行首次升级，租用七条4 4 m b p s 的卫星信道作为主信道， 以原有的d d n 信道为备份信道联合组网，如图1 - 2 所示，提高了网络的速率、 覆盖范围、以及信道的可靠性。 电子科技大学硕士学位论文：i j 星信道动态备份系统系统设计 图1 - 2c e r n e t 天地信道联合主干网( 1 9 9 8 ) 图1 - 3c e r n e t 主干网升级拓扑 1 9 9 9 年，c e r n e t 立项建设s d h d w d m 光纤主干，运行速率升至6 2 2 m 2 5 g b p s 。原有的七条卫星信道和部分d d n 信道转为备份信道。主干网的结构如 图1 - 3 所示。由于s d h 环拥有较高的可靠性，用全部的5 4 m 卫星信道做实时备 屯子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态备份系统系统设计 节约的卫星信道每年可省1 7 6 万美元。 基于性能和成本的两方面考虑，c e r n e t 专家委员会和提供租用卫星信道 的神州通达公司共同立项开发“卫星信道动态备份”项目。 1 2 研究目的和意义 卫星信道动态备份项目的直接目的是为中国教育科研网c e r n e t s d h 主干 的卫星备份信道提供监控和组网功能。项目实施后将利用现有的5 4 m 卫星信道 资源f 5 4 m ) 中的一部分( 8 m ) 为c e r n e t 的s d h 主于阀提供备份。根据上述实际 情况，卫星信道动态备份系统采用分布式控制技术，对c e r n e t 各地区网络中 心的卫星m o d e m 状态进行实时监控，在s d h 主干链路出现故障的时候，迅速地 建立起一条或两条4 m b p s 的卫星链路保障重要通信。本项目的实施将在保证较 高可靠性的前提下，提高宝贵的卫星信道资源的利用率，降低运营成本。 另一方面。由于本项目中开发的卫星信道动态备份系统本质上是一个分布式 控制系统，其基本的功能是对s d m 3 0 0 系列的卫星m o d e m 进行远程监控和管理。 由于系统软件采用分层的模块化设计，只需要修改部分程序模块即可完成其他的 控制功能。修改后的系统可用于边远地区的卫星接入站。国内目前育很多交通不 发达地区，通信光缆难以铺设，卫星是重要的接入手段。而卫星设备的操作比较 复杂，需要高级技术人员才能对其进行配置，因此管理和维护十分不便。开发本 系统可以帮助卫星公司自动管理和配置远端的卫星设备，提高运营的灵活性，有 效地节约信道资源，降低运营成本。 本文首先从系统分析和设计的角度介绍卫星信道动态备份系统的总体设计， 其中包括系统的设计目标和体系结构设计。然后本文着重介绍了系统的硬件和软 件子系统的设计方案，各个模块的功能和接口设计。在接下来的内容中，本文具 体的介绍了系统的协议以及数据库的设计和实现方法。最后简介系统的模拟测试 的方法及结果，并得出结论。 屯子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态备份系统系统设计 第二章系统总体设计 2 1 可行性分析 c e r n e t 现有的卫星信道分布在全国范围内的七个地区网络中心与清华大 学的中心节点的点对点链路上。卫星信道的监测和控制由卫星网管中心通过对各 个网络中心机房内的卫星调制解调器s d m 3 0 0 和室外单元o d u 的统一控制完 成。卫星信道的建立、拆除和参数修改等操作需要相关的专业技术人员到现场或 者通过专用拨号线路配置卫星m o d e m 和户外单元o d u 设备。这种情况使得要 频繁地变更卫星信道参数实现按照需求建立和拆除卫星链路困难重重。因此，实 现卫星信道动态备份的首要任务就是对卫星m o d e m 进行计算机自动控制。此外， 信道的建立和拆除必须两地协同动作，步调一致，因此需要保证系统内部通讯顺 畅，命令和响应能及时传达。 实现计算机控制的前提是核心设备卫星调制解调器s d m - 3 0 0 和户外单元 o d u 有控制接口。经过对设备及其说明书的研究，我们发现s d m - 3 0 0 和户外单 元可以满足基本要求。以下是相关的介绍： s d m 一3 0 0 是一种高性能、全双工卫星调制解调器，其面板提供了基于菜单 方式的参数配置控制和状态显示功能，背板提供各种外部控制接口和数据接口。 与本系统的控制要求相关的接口主要有两个：远程接口( r e m o t e ) 和数据输入 输出接口( d a t a i o ) ，如图2 1 所示。 4 电子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态备份系统系统设计 r e m o t e 接口 r e m o t e 接1 3 是一个9 针的d c e 接口，可以设置成r s 4 8 5 ( 4 线2 线) 或 r s 2 3 2 标准接口。该接1 3 主要用于s d m 3 0 0 的远程监控。s d m 一3 0 0 的说明书上 明确提到，绝大多数面板上的配置命令均可通过r e m o t e 接口输入和执行。只 能用面板按键设置的设备参数，如设备地址等，对本系统所要实现的控制没有影 响。因此，可以用此端口完成系统需要的控制操作。 d a t a y o 接口 d a t ay o 接口是一个5 0 针的通用数据接口。在5 0 针接头中可以直接采用 v 3 5d c e 线连接路由器，或者采用工业标准的y 型电缆选择引出r s 4 8 5 线及v 3 5 d c e 线，分别构成a s y n c 通道( 传输a u p c a u t o m a t i cu p l i n kp o w e r c o n t r o l 及a s y n c 数据) 和数据通道，其中a s y n c 通道速率与数据通道速率之比为 1 1 5 。目前在c e r n e t 卫星系统中，d a t a i o 接口的连接采用第一种方式通过 v 3 5d c e 线连接路由器，传输数据信息。出于本系统需要独立的通信机制的考 虑，需要采用y 型电缆分离出a s y n c 通道。s d m 一3 0 0 的数据通道数据率为 1 2 8 k b p s 4 m b p s ，a s y n c 通道数据率力i k b p s 1 2 8 k b p s ，用于传送控制命令 可以满足要求。 户外单元o d u 设备也具有一个控制接口，接口标准为r s 2 3 2 。可以通过这 个接口发送o d u 控制命令。 综合以上的分析，可以得出结论：计算机自动控制卫星信道的操作具有设备 级硬软件可行性。同时因为s d m 3 0 0 卫星调制解调器提供异步通信的信道和接 1 3 以及相应的控制命令，为整个系统的通信体制的开发提供了极大的方便。事实 上在最后的设计开发过程中正是利用设备的这一特性设计了一个可以完全不用 借助于其他通讯手段的通信方式，大大增加了系统的可用性和适用性。 2 2 系统设计目标 卫星信道动态备份系统是应c e r n e t 网络管理中心和神州通达卫星通信公 司的要求开发的，其基本的目标是实现c e r n e t 主干网的卫星信道自动备份。 要求在s d h 光纤主干发生故障时，由c e r n e t 网络管理中心发出建立卫星链路 的命令，本系统按照要求迅速建立一条4 m b p s 的卫星链路并通知网管中心：当 s d h 链路恢复后，由网络管理中心发出拆除卫星链路命令，系统按照求拆除， 回收信道。 电子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态备份系统系统设计 根据用户的要求和实际使用的考虑，提出以下设计目标： 1 卫星信道动态备份系统为分布式控制系统，由位于北京的c e r n e t 网络 管理中心的主控节点和分布在7 个地区网络中心的分控节点组成。主控 节点和分控节点实现计算机自动控制。 2 用两条卫星信道作为七条s d h 主干链路的动态备份信道，在需要的时候 建立备份链路，完成备份任务后拆除链路。系统可以同时提供两个4 m b p s 的卫星链路，如果出现备份请求不能满足的情况，系统给出告警信息。 3 系统能通过w e b 界面或字符界面接收外界命令，按照要求完成卫星链 路的建立和拆除操作。界面设计友好、简洁，字符界面要求实现菜单方 式。另外，两种界面都要提供一定的安全手段和认证措施，防止恶意破 坏。 4 系统参数可远程配置，配置界面有w e b 方式和字符方式两种。系统具 备一定的容错和出错恢复能力，在操作不当，或者配置参数错误后，可 以自动恢复到初始状态。 5 监控功能。系统对所控制的卫星m o d e m 的运行参数和状态进行监控，记 录和统计相关数据，并存入数据库。用户可以通过用户界面访问和查询 统计数据，作为维护卫星m o d e m 的依据。 6 系统内部有独立的通信能力，多种通信手段，保证在某一种或两种通讯 方式失效的情况下依然能完成重要任务。采用的通信手段要求有：卫星 异步信道通信( 主要通信方式) ，利用p s t n 电话拨号m o d e m 通信，以 太网方式通信。 7 系统采用模块化设计，主要的功能模块可以被其他程序使用。控制过程 可以通过编程实现。适当修改或者添加部分程序模块，系统可以完成新 的应用。 2 3 体系结构设计 根据系统设计目标的要求，s c d b s 系统被设计为一个分布式控制系统，由 位于北京清华大学的c e r n e t 网络中心的主站控制计算机及相应的s d m 3 0 0 卫 星m o d e m 与位于c e r n e t 全国七个地区网络中心的从站控制计算机及相应 s d m 3 0 0 卫星m o d e m 组成。系统结构示意图如图2 2 所示。每一个s d m 3 0 0 设 备及相关的o d u 设备由所在地的从站控制机控制，而主站控制机与各从站控制 机的关系为主从关系。主站控制机定期的轮询从站控制机，检查当前的卫星信道 6 电子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态各份系统系统设计 的状态，并定期从从站控制机的数据库中获取状态信息。当有需要建立卫星备份 信道时，主站控制机向从站控制机发出命令，按照制订的协议控制从站的 s d m 3 0 0 卫星m o d e m 完成信道建立动作。 2 3 1 相关定义 图2 2 卫星动态组网系统结构示意图 控制信道：在卫星信道动态组网系统中，作为监控用的信道。信道数据 率1 6 k b p s ，主要用于主从站间保持联络、传送远程控制命令和响应。 业务信道：在卫星信道动态备份系统中，作为s d h 主干的备份链路使 用的卫星信道。信道数据率4 m b p s 。其作用是传送备份链路上的业务信 息。 7 电子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态各份系统系统设计 异步信道( a s y n cc h a n n e l ) ：卫星信道的带外数据通道，其最大数据速 率为卫星信道数据速率的1 8 7 5 。通过它来传送系统的控制命令和响应 信息。业务信道和控制信道都包含有独立的异步信道，但是数据传输速 率不同。 主站：位于c e r n e t 网络中心的子系统，由7 台s d m 3 0 0 卫星m o d e m ， 主站控制计算机，o d u 设备及其它附件组成。 从站：位于c e r n e t 各地区网络中心的子系统，由1 台s d m 3 0 0 卫星 m o d e m ，从站控制计算机，o d u 设备及其它附件组成。 2 3 2 卫星信道构成 由于本系统采用一个主站、七个从站的分布式结构，保持主站与从站之间的 通信成为必须解决的闯题。本系统中把卫星信道分为控制信道和业务信道两种。 在未启用卫星信道做备份的情况下，主站和从站用控制信道保持联系，业务信道 空闲。当需要建立卫星备份链路时，相应的从站在主站的协调下，控制其s d m 3 0 0 卫星m o d e m 将信道切换至业务信道，建立备份链路。系统的主站控制机通过卫 星信道的异步信道向各从站控制机传送控制命令和接收响应信息。信道够成如图 2 3 所示。 控制信道或业务信道 a s y n c 连接v 3 5 连接 图2 - 3 系统卫星信道使用连接图 屯子科技大学硕士学位论文；_ _ 卫星信道动态备份系统系统设计 控制信道的构成 控制信道是一条数据率只有1 6 k b p s 的卫星信道，因为其主要用途不是传送 大量业务数据，而是为主站和从站之间保持日常通信联系，不需要高数据率。系 统总共有7 条控制信道，分别对应七个主站与从站的连接，总共占用带宽i m b p s 。 控制计算机从卫星信道获取数据是通过s d m 一3 0 0 的异步信道，异步信道的数据 率是整个信道数据率的十六分之一。也即是说，当卫星m o d e m 的状态是处于控 制信道的时候，主站和从站用异步信道通信速率为1 k b p s 。当卫星m o d e m 处于 业务信道的时候，主站和从站用异步信道通信速率为1 2 8 k b p s ( 异步信道的最大 数据率) 。 业务信道的构成 本系统使用两条4 m b p s 的卫星信道作为业务信道。系统允许根据实际情况 增加或者减少业务信道的数量，也可以改变业务信道的带宽。业务信道使用 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。考虑到s d h 主干网同时出现两条以上 链路失效的可能性非常低，因此本系统仅使用两条业务信道。在s d h 主干网正 常的情况下，业务信道空闲待命。当需要建立备份链路时，主站和从站会自动切 换到一条业务信道上。如果此时两条业务信道已经被使用，系统则会给出业务信 道不可用信息。 在业务信道的设计过程中曾经考虑过把可用的备份带宽总量平均分配给需 要备份的链路的方案，该方案可以满足当两个以上链路失效时提供备份的需求。 但是从实用的角度出发，这个方案并不好。首先，如前所述，c e r n e t 的s d h 主干链路的失效率相当低，两条以上链路同时失效的概率更是小之又小，因此两 条备份信道不能满足要求的情况非常罕见，不值得为这样的小概率事件而增加系 统的算法的复杂度、降低运行效率和可靠性。其次，s d h 主干链路的同步数据 传输率达到6 2 2 m 以上，用一条4 m 的链路备份这样高速的主干已经显得捉襟见 肘，再把4 m 平均分成更小的几个信道，无异于用一条羊肠小路给8 车道的高速 公路做备份，所能产生的作用实在有限。最后，把4 m 信道分成几个小信道还会 造成不可避免的带宽浪费，十分不经济。因此综合考虑以上因素，决定只分配完 整的4 m 信道做业务信道。如果出现两条业务信道均被占用而仍然有建立备份链 路的要求，则系统产生告警信息通知管理员。 9 电子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态备份系统系统设计 2 , 3 3 系统监控方案 本系统监控的对象包括对卫星信道的监控和对系统工作状态的监控。 卫星信道的监控 卫星信道的工作状态监控是指主站对连接各从站的卫星信道的工作状态的 监控。监控方式采用主从方式下的正常响应模式，即主站依次轮询从站子系统 的控制计算机，获取各卫星信道当前的工作状态参数，以了解整个系统的工作状 态。主站和从站的控制机定期地查询所控制的s d m - - 3 0 0 卫星m o d e m 的工作状 态参数，掌握卫星m o d e m 的工作状态。 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卫星备份信道的建立与拆除操作， 这些操作按照本系统设计的链路建立协议和链路拆除协议进行，同时系统将根据 所处状态做出相应的反应。 当主站收到建立某条卫星信道的指令后，主站控制机将命令该卫星信道所对 应的从站控制机执行建立某条备份卫星信道的操作。两站按照事先规定好的建立 卫星链路的协议协同动作，控制机为相关的s d m - - 3 0 0 卫星m o d e m 配置信道参 数，完成由控制信道向业务信道切换的动作。当主站收到拆除某条业务信道的指 令后，主站将控制该卫星信道所对应的从站，按照事先规定好的拆除卫星链路的 协议协同动作，完成从业务信道向控制信道切换的操作。 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从站子系统的工作状态 监控。由主站控制机来负责掌握整个系统的状态，主站控制机的主进程中保存系 统的状态表，任何一个部分的状态改变都通过系统的状态监控机制发现并记录在 状态表中。 主站子系统的工作状态监控 主站子系统的工作状态监控由主站控制机轮询所控制的s d m - 3 0 0 卫星 m o d e m ，从其r e m o t e 端日读取系统参数来获取当前其工作状态。另一方面， 主站控制机周期性地通过各卫星信道( 包括控制信道和业务信道) 的异步信道轮 询从站控制机，获取相应信息，并以此间接的掌握卫星信道当前的状态。 从站子系统的工作状态监控 从站子系统的工作状态监控由从站控制机定期查询所管理的s d m - - 3 0 0 卫 电子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态各份系统系统设计 星m o d e m ，获取状态参数。同时，从站控制机要响应通过异步信道传来的主站 控制机的轮询命令。主站控制机依次向各个从站控制机发送监控命令，从站控制 机将收集到的本站设备工作状态信息汇总后送往主站控制机。在此系统中，从站 控制机不能主动向主站控制机发送消息，必须等到接到主站控制机的轮询消息或 者命令后，才能按照规定的协议传送信息。这种严格的主从通信的方式一方面 是由下层的r s 4 8 5 接口的通信机制决定，另一方面也便于系统设计。 2 2 4 系统通信方案 通信是卫星信道动态备份系统的重要组成部分，是完成分布式控制和系统监 控不可缺少的手段。整个系统的通信由三部分构成： 控制计算机与s d m 一3 0 0 卫星m o d e m ，户外单元o d u 设备的通信： 主站控制机与从站控制机间的通信； 主站控制机和从站控制机子与网管计算机间的通信。 系统的通信框图如图2 - 4 所示： 电子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态备份系统系统设计 图2 - 4 卫星信道动态备份系统通信框图 控制计算机与s d m 3 0 0 和o d u 的通信 本系统中控制计算机需要与s d m 一3 0 0 设备的r e m o t e 端口通信，发送卫星 m o d e m 的配置和监控命令：其次，控制机需要与户外单元o d u 设备的控制端口 通信，发送控制命令。主站和从站的情况有所不同：主站要控制7 个卫星m o d e m 和一个o d u 设备，从站只需控制一个卫星m o d e m 和一个o d u 设备。除此之外 除了传输信息的内容不同以外，在通信线路、信息格式和通信方式上均样。 1 通信线路 控制计算机分别连接卫星调制解调器s d m 一3 0 0 的r e m o t e 端口和户外单 元o d u 的远程接口，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2 - 5 ) 主站部分由于要控制多台s d m 3 0 0 设备所以要采用一种点对多 点的通信方式，在本系统中，我们选择标准r s 4 8 5 接口的多点通信方式。与o d u 远程接口的通信线路为r s 2 3 2 点对点方式。 2 通信方式 2 皇王型垫盔兰堡兰垡笙奎! 里墨堕堕垫查鱼堡墨竺至堕塑生 根据s d m 3 0 0 设备的说明书，r e m o t e 通道的通信方式采用正常响应模 式，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。 3 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。具体格式在s d m3 0 0 手册中有详细的说明。 图2 - 5 主从站系统内部的通信 主、从站子系统问的通信 主、从站控制机之间通信目的是传送主站的监控命令和从站的响应信息。通 信的方式为正常响应模式，即由主站控制机发起通信，从站控制机接到通信请求 后发送响应消息。主站控制枧轮询7 个从站控制机。从站控制机不能发起通信， 因为主站用r s 4 8 5 的多点通信方式串连7 个卫星m o d e m 的异步信道的输出接口， 如果在没有主站要求的情况下从站主动发信，则会干扰其他从站的通信。 】通信线路 主站控制机与从站控制机间的通信线路为卫星信道的异步信道。前面曾经介 13 电子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态备份系统系统设计 绍过，s d m 一3 0 0 的d a t a i o 接口可以用y 型电缆分出一个数据速率为信道数据 率十六分之一的异步信道。异步信道的接口标准为r s 4 8 5 标准，支持多点通信。 在主站方面，由于需要与七个s d m 3 0 0 设备通信，所以采用r s 4 8 5 的总线连接 方式，正常响应模式通信。而在从站方面，只控制个s d m - - 3 0 0 设备，可以 采用点对点方式连接的r s 4 8 5 接口，正常模式通信。如图2 - 6 图2 - 6 主从站子系统问的通信 2 通信方式 异步信道上的通信采用正常响应模式。主站控制机可以直接向从站控制机发 送信息，从站控制机只有在主站控制站轮询到自己时才能发送信息。 3 信息格式 异步信道主要传输主站控制机发往从站控制机的轮询信息和监控信息，以及 从站控制机的响应信息。本系统为这三类信息设计了一种类似于t c p 1 p 网络中 数据帧的格式，称其为a s y n c 帧。 主、从站与其它系统间的通信 主站与其它系统间的通信包括主站与c e r n e t 网络中心和卫星公司网络管 理中心的通信。主要涉及两方面内容：其一，c e r n e t 网管中心向主站控制机 1 4 皇王登塾奎堂堡主兰堕鲨兰：里里堕望垫查鱼堡墨竺墨竺堡生 发送建立卫星链路和拆除卫星链路的命令，以及主站控制机完成相应操作后的返 回信扈、。其二，网管中心对主、从站卫星设备的监控和配置。这两种通信发生的 频率不高，而且采用两种不同的通信方式，基本上可以保证在任何时候都可用， 不会出现系统无法访问的情况。 1 通信线路 主、从站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 p s t n 电话拨号线路，即普通固定电话线路。另一种是与主、从站网管中心连接 的以太网线路。如( j 纠2 7 ) 所示。 据。 图2 7 主，从站系统与其它系统间的通信 2 通信方式 拨号线路采用点对点的通信方式，以太网线路采用以太网通信方式。 3 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 电子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态备份系统系统设计 3 1 硬件系统构成 第三章硬件系统设计 卫星信道动态备份系统的硬件系统分为主站和从站两部分。两个部分的构成 基本相同，包括被控设备和控制计算机。主要的差别在主站部分有七个卫星 m o d e m ，而每个从站只有一个卫星m o d e m 。主站和从站的硬件系统构成包括以 下部分： s d m - - 3 0 0 卫星m o d e m ，户外单元o d u 设备及相关设施 控制计算机 多串口通信设备，连接电缆及其他附件 各部分之间的关系可简单描述为：主站和从站的控制计算机通过多串口通信 设备以串行方式与s d m - 3 0 0 卫星m o d e m 和o d u 设备的控制接口进行通信，发 送控制命令，接收反馈信息和数据。主站和从站分别连接其控制的卫星m o d e m 的异步数据通道接口，以此实现卫星信道的异步信道通信，该接口由y 型电缆 从卫星m o d e m 的d a t a i o 端口分出，接口为r s 4 8 5 标准。另外，主站和从站控 制计算机有以太网接口和p s t n 电话调制解调器，通过以太网线和电话线与网络 管理中心的网管计算机相连。 3 2 主站硬件设计 主站位于北京c e r n e t 网络运行中心机房，其硬件组成为： 主站控制计算机( 一台) s d m 3 0 0 卫星m o d e m ( 七台) ，户外单元o d u 设备( 一台) m o x a c p l l 4 多串口卡( 两个r s 2 3 2 接口，两个r s 4 8 5 接口) y 型数据o 电缆( 输入接口：5 0 针d 型接口，输出接口：v 3 5 + r s 4 8 5 ) 外置式拨号调制解调器 其他连接屯缆，包括以太网电缆( e d 4 5 接口) ，连接o d u 设备的电缆 ( r s 2 3 2 接口) 电子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态各份系统系统设计 各部分之间的连接关系如图3 - 1 所示 图3 - i 主站系统的硬件连接示意图 1 主站控制机与s d m 3 0 0 的连接 主站控制机与其下属的七个s d m 3 0 0 卫星m o d e m 之间的通信分别由两个接 臼完成。其一是到s d m 3 0 0 的r e m o t e 端口的连接；其二是与y 型电缆分出的 异步信道的r s 4 8 5 接口的连接。 s d m 3 0 0 的r e m o t e 端口可以设置为r s 4 8 5 接口。r s 4 8 5 接口标准支持总 线驱动，因此考虑使用菊花链方式连接七台s d m 3 0 0 的r e m a r e 端口和主站控 制机的端口，实现主站控制机与多个卫星m o d e m 的多点通信。采用这样的连接 方式，需要把主站控制机的端口设为主( m a s t e r ) ，s d m 3 0 0 上的端口定为从 ( s l a v e ) ，用主从方式通信，由主站来轮询卫星m o d e m ，只有被轮询到的卫星 m o d e m 允许发送消息，其它m o d e m 只能接收。s d m 3 0 0 卫星m o d e m 可以设置 地址，凡是非本机地址的帧将不被处理。此外，s d m 3 0 0 的r e m o t e 端口可以 用命令控制其是否向外发送信息。因此，可以通过软件控制保证r e m o t e 端口 适应主从模式的通信。 此外，主站控制机要与下属的七个卫星m o d e m 的异步信道输出端口通信。 类似于与r e m o t e 端口的通信，也采用菊花链的连接方式，主从通信方式。 2 主站控制机与外蹙式拨号调制解调器的连接 皇王型垫查堂堡圭兰焦堡苎! ：里星堕望塑查鱼盟墨竺墨堕堡盐 一 接口为主站控制机的串1 2 1 ( c o m l ) ，接口标准r s 2 3 2 。 3 主站控制机与户外单元o d u 设备的连接 接口为主站控制机上多串口卡的一个r s 2 3 2 端口，点对点通信。 3 3 从站硬件设计 从站位于c e r n e t 地区网络中心的机房，共有七个。每个从站的硬件组成 为： 从站控制计算机( 一台) s d m 一3 0 0 卫星m o d e m ( 一台) ，户外单元o d u 设备( 一台) m o x a c p l l 4 多串口卡( 两个r s 2 3 2 接口，两个r s 4 8 5 接口) y 型数据i 0 电缆( 输入接口：5 0 针d 型接口，输出接口v 3 5 + r s 4 8 5 ) 外置式拨号调制解调器 其它连接电缆，包括以太网电缆( r j 4 5 接口) ，连接o d u 设备的电缆 ( r s 2 3 2 接口) 从站各部分的连接关系如图3 2 所示： 图3 - 2 从站系统硬件连接示意图 1 从站控制机与s d m 3 0 0 的连接 屯子科技大学硕士学位论文：卫星信道动态备份系统系统设计 从站控制机仅控制一台s d m 3 0 0 卫星m o d e m ( 可以扩展为多台) ，因此采 用r s 4 8 5 点对点方式连接控制计算机和s d m 3 0 0 的r e m o t e 端口，考虑到与主 站一致的问题，通信方式仍然采用主从模式。 从站控制机与s d m 3 0 0 的异步信道输出端口的连接方式也用r s 4 8 5 的点对 点方式，主从模式通信。 2 主站控制机与外置式拨号调制解调器的连接 接口为主站控制机的串u i ( c o mj ) ，接口标准r s 2 3 2 。 3 从站控制机与户外单元o d u 设备的连接 接口为主站控制机上多串口卡的一个r s 2 3 2 端口，点对点通信。 3 4 控制计算机选型 控制计算机是卫星信道动态备份系统控制部分的核心构件，是软件运行的 硬件基础，负责整个系统的调度管理，命令的接受和分发，卫星信道参数存储。 控制计算机一旦出现问题，则整个系统将无法工作。因此，要求控制计算机必须 能够7 x 2 4 小时不间断，无故障运行，稳定可靠选择的第一要素。此外，它还必 须兼顾一定的处理能力，以便及时处理出现的各种情况。 综合价格和成本的考虑，本系统选用基于i n t e li a 3 2 架构的机架式服务器作 为控制计算机的基本平台。机架式服务器相比工业级p c 的优势在于： 安装方便。标准1 9 时机箱，可以直接安装在s d m 3 0 0 卫星m o d e m 的 机架上，能大幅度减少连接电缆的长度，降低空间电磁辐射对通信的 干扰。 按照服务器的标准设计，有良好的通风散热系统，能适应密集布置的 机架环境的散热要求。 电磁屏蔽性能优良，在有强烈辐射的m o d e m 附近，可减少由于空间电 磁辐射引起的运算出错。 选用高品质部件。核心部件：c p u 、主板、电源、硬盘，全部是经严 格筛选的服务器品质的产品，性能稳定可靠，能满足7 x 2 4 小时不间断 工作的要求。 皇王型丝茎堂堕圭堂焦堡苎：兰量堡堂垫查墨竺墨笙墨堕塑盐 一 一 虽然机架式服务器的机箱空间有限，扩展板卡的安装不方便，可扩展空间有 限，但本系统仅要求一个p c i 扩展接口，用来容纳多串口卡。多数1 u 规格的机 架式服务器均提供一个扩展插槽，可以满足需要。 根据以上的要求，本系统选择i n t e l1 s p1 1 0 0 型机架式服务器，它的主要特 性如下： 1 u 机架式服务器设计，可安装在标准1 9 英寸机架上。厚度为1 u ( 4 3 1 8 r a m ) 。外形尺寸：5 5 8 8 0 x 4 2 5 ，4 5 x 4 3 1 8 i n t e lp e n t i u mi i l 5 5 0 m h z 处理器，1 2 8 me c cs d r a m 内存，采用服务 器主板规格设计的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 双i n t e lp r o 1 0 0 + j 务器网卡 内置2 个串行口( r s 2 3 2 ) 。一个位于前面板，作为c o n s o l e 接口，管 理员可以通过此接口管理访问计算机；另一个接口位于后面板，可接 外置p s t n 调制解调器 支持两个i d e 硬盘，可以做冗余备份 内置软驱和光驱 按照7 x 2 4 小时不间断服务设计的机箱及散热系统 工作时环境温度在+ 1 0 * c 一+ 3 5 c i n t e l 基于w e b 的管理 前面板提供9 个状态监视灯，其中2 个为用户可编程，可以用来监视 工控机工作状态 3 5 多串口卡选型 卫星信道动态备份系统中，控制计算机需要多个串行通信的接口，分别与 s d m 3 0 0 卫星m o d e m 的r e m o t e 端口、异步信道输出端1 5 1 ，与o d u 设备控制 端口相连。另外，有的连接还需要采用r s 4 8 5 接口标准的端口，需要菊花链的 连接方式。这些内容在前面已经有过叙述，此处不再重复。而通常的计算机配置 都只内置2 个r s 2 3 2 接口标准的串行口，不能满足要求。另外，由于机架式服 务器仅提供p c i 扩展槽，无法使用传统的i s a 多串口卡。因此，需要安装一块 带r s 4 8 5 接口的p c i 多串口卡。主站控制机对接口的要求是：2 个r s 4 8 5 接口， 3 个r s 2 3 2 接口。从站控制机对接口的要求：2 个r s 4 8 5 接口，2 个r s 2 3 2 接口。 电子科技大学