（光学工程专业论文）ops网络管理系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 光分组交换网络是目前很有研究价值的下一代全光网络。作为一种面向p 业 务的光网络技术，它在光层上直接承载互联网业务，数据分组将以光的形式直接 在光分组交换网络中传输和交换，实现了口与光层的融合。可以说，光分组交换 是目前广泛应用于光网络中的电交换系统在光域上的延伸，它克服了使用电交换 存在的若干问题。 网络管理系统可以给网络管理员提供良好的信息来源，减少网络故障，缩短 网络失效时间，最大程度地提高运营商利润。随着用户对网络的性能要求越来越 高，如果没有一个高效的网络管理系统对网络系统进行管理，那么很难保证为广 大用户提供令人满意的服务。网络管理是网络发展中一个很重要的关键技术，对 网络的发展有很大的影响，并成为现代信息网络中最重要的问题之一。它的重要 性已经在各方面得到了体现，并为越来越多的人所认识。所以，为光分组交换网 络设计一个稳定、高效的网络管理系统十分必要。 本文完成了一种光分组交换网的网络管理系统的设计与实现。该系统包括核 心节点网络管理模块、s n m p 代理端和管理端三部分。代理端通过r s 2 3 2 接口实 现对设备的管理；管理端通过s n m p 协议和代理端交换管理信息，从而实现对设 备的远程管理。论文对o p s 网络管理系统进行了详细的分析，并在此基础上给出 了各个部分的实现方法。在该系统中网络管理模块采用f p g a 实现，它为整个网 络管理系统的正常有效运行提供了必要的硬件支持。代理端程序在l i n u x 环境下运 行，实现了与设备的通信和与管理端s n m p 消息的交互。管理端程序在w i n d o w s 环境下运行，提供了图形化的用户界面，实现了配置、性能和故障管理。该系统 能够使光分组交换网络稳定、高效地运行。 关键词：光分组交换、简单网络管理协议、现场可编程逻辑阵列 a b s t r a c t a s 廿l en e x tg e n e r a t i o n o p t i c a ln e t w o r kw h i c hi si pt r a 伍c s 硎e n t e d l eo p s n e t w o r kw i l lt r a n s p o r ti n t e r n e tt r a f f i c so v e ro p t i c a ll a y e rd i r e c t l y , i pp a c k e t si nt h e n e t w o r kw i l lb et r a i l s m i t t e di no p t i c a ld o m a i n t h eo p s n e t w o r ks o l v e sm a n yp r o b l e m s i ne l e c t r i c a ls w i t c h i n g n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mc a np r o v i d eag o o di n f o r m a t i o ns o u r c ef o r 跹 a d m i n i s t r a t o r i tc a nr e d u c et h en e t w o r ke r n e r g e n e yo ff a i l t u r e , s h o r t e n l e 缸l eo f n e t w o r kr e c o v e r ya n di n c r e a s ep r o f i tt ot h el a r g e s te x t e n t w i t hd e m a n d s o fn e 觚o r k p e r f o r m a n c eb e c o m i n gh i g h e l a n dh i g h e r , u s e r sc a nn o tb es a t i s f i e dw i t ht h es e f 、d c e si f t h e r ew a sn o ta l le f f c i e n t n e t w o r km a n a g e m e n t s y s t e m n e t w o r km a n a g e m 既l t t e c h n o l o g yn o wi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nt h en e t w o r ko p e r a t i o n i t s i m p o r t a n c ei nt h eo p sn e t w o r ki sr e c o g n i z e db ym o r ea n dm o r e p e o p l e s oi ti sv e r v n e c c e s a r yt od e s i g nas t a b l ea n de f f i c i e n tn e t w o r km a n a g e m e n ts ) ，s t e m f o ro p s n e t w o r k t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f m a n a g e m e n ts y s t e mi nt h e o p sn e t w o r k t h es y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s ：t h en e t w o r k m a n a g e m e n tm o d u l ei nt h e g o r en o d e ，t h ea g e n ta n dt l l em a n a g e r t h r o u g hr s 2 3 2 i n t e r f a c e , t h ea g e n tc a l lm o n i t o r l o c a lc o m p o n e n t s ，a n dt h r o u g hs n m pp r o t o c o l ，t h em a n a g e r e x c h a n g e si n f o 肋a t i o n w i t ht h ea g e n t ，b yw h i c hi ta c h i e v e sr e m o t em a n a g e m e n t t h et h e s i sm a k e s at h o r o u g h a n a l y s i so nt h eo v e r a l lo p sn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t 啪，a n df u r t h e r m o r es h o w sm e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe v e r yp a r t t h en e t w o r km a n a g e m e n tm o d u l ei nt h ec o r e n o d ei si m p l e m e n t e du s i n gf p g a ，w h i c hi se s s e n t i a lf o r t h e s y s t e mo p e r a t i n gp r o p e r l v t h ea g e n to p e r a t e si nl i n u xe n v i r o n m e n t , w h i c hi sa b l et o e x c h a n g es n m pr u e s s a g e w i t ht h em a n a g e r t h em a n a g e ro p e r a t e si nw i n d o w se n v i r o n m e n t , w h i c hp r o v i d e s g r a p h i c a lu s e i n t e r f a c ea n ds u p p o r t st h ef u n c t i o n si n c l u d i n gp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o n ， p e r t b r m a n c em o n i t o r i n ga n de m e r g e n c yd e t e c t i o n t h es y s t e mc a nm a k eo p sn e t w o r k o p e r a t es t a b l ya n de f f i c i e n t l y k e y w o r d s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) ，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 o l ( s n m p ) ，f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) i i 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：至盘日期：2 。 年岁月二2 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：至建导师签名： 日期：2 0 0 1 年f 月工工日 第一章绪论 1 1 光分组交换网络概述 1 1 1 产生背景 第一章绪论 从2 0 世纪9 0 年代开始，因特网( i n t e m e t ) 业务迅猛增长，这给人们的生活、 生产方式带来极大的变化。丰富多彩的因特网业务给光通信技术的发展提出很大 挑战，即这些新业务所占用的光纤资源越来越多。现在光通信面临的挑战是如何 将拥有巨大传输带宽的光传输技术与高效、灵活的p 交换技术结合起来，以实现 光通信技术与p 技术无缝融合，减少光电光( o e o ) 的转换。在这种通信大背 景下，光分组交换技术便应运而生了【l 】。o p s 的提出一方面是受到因特网业务的拉 动，另一方面是受到不断发展的光交换技术的推动【2 1 。 o p s 网络从提出到发展的过程中，许多国家的公司、科研机构、高校等单位 都积极参与了o p s 网络的相关项目。最早开始的o p s 项目有欧洲的a t m o s 、 w a s p n e t 和k e o p s 等，这些项目对o p s 网络结构进行了初步探讨，对o p s 技 术可行性进行了初步论证。其中，1 9 9 3 年由法国阿尔卡特公司联合欧洲诸多高校 实施的k e o p s 项目提出了实用化的o p s 节点结构和功能单元，并首次建立了o p s 试验系统。不久，中国以及亚洲的其他一些国家也开始了o p s 网络的研究。这些 o p s 网络的研究成果在o f c 等国际会议以及i e e e 等国际期刊上都有报道，研究 内容涉及从器件、系统、子系统到网络结构、网络流量、分组组装等各个层面。【3 5 】 1 1 2 技术特点 o p s 网络是分组交换技术向光网络的融合，在网络中通过光分组的格式来承 载数据业务。光分组中净荷的传输和交换在光域中完成，而信头的处理和控制在 光域或电域中完成。o p s 具有大容量、数据率和格式的透明性、- q i e 置性等特剧6 1 ， 这对未来支持不同类型的数据是非常重要的。o p s 能够提供端到端的光通道或者 无连接的传输，它的主要优点是带宽利用率高，而且能提供各种服务，满足客户 需求【7 1 。 电子科技大学硕士学位论文 图1 1 所示的是传统骨干光网络节点和分组交换光网络节点的比较【引。由图可 知，传统光骨干网络中，由于上层的口业务的特性是非连接的，而底层的光传送 网是线路交换的，m 包必须通过多层的协议栈加载至光传送网。而光分组交换网 络中，经过口路由器会聚的分组信号将直接加载光网络，因此它有着非常突出的 优点：首先它可以采用统计复用的方式高效、快速地分配光纤传输系统提供的 -一一一一一一一j一一一一- a t m p p p s d h w d m + o x c ， 秦 电 光 ( a ) 传统光网络节点( b ) 光分组交换网络节点 图1 - 1 传统骨干光网络节点与光分组交换网络节点的比较 巨大带宽；其次，它对进入网络的数据分组的格式是透明的，即不同格式、不同 比特率和不同性能的数据分组的转发都在光域上进行，因此可以突破光电电光转 换瓶颈、避免多重协议栈和复杂的协议转换。而且，光分组交换技术并不意味要 抛弃较为成熟的电子i p 路由技术，而是与之有机的结合，充分发挥电子技术与光 子技术的优点，即：p 电子路由器完成业务会聚，分类、流控制，服务质量( q o s ) 保证等复杂的处理功能：光信头处理单元进行光信头识别、删除和重写等简单的 信号处理；光净荷处理单元进行光净荷存贮、转发和路由等的全光透明处理。因 此光分组交换网络被认为是一种非常高效、灵活和可靠的承载互联网口业务方案。 比较o p s 技术特点与因特网业务及其特点，可以发现o p s 网络利用o p s 技 术的优势能够满足因特网业务的发展需要。o p s 更适合承载突发性大且分布非对 称的i p 等数据业务，这主要表现在1 7 ：( 1 ) 利用o p s 网络可以直接在光域中完成 i p 分组的打包与复用、传输与交换，从而避免了o e o 的转换；( 2 ) 由于o p s 网 络是对波长通道实施统计服用，所以带宽分配灵活，资源利用率高，可以实现对 任意大小的颗粒进行交换与传送；( 3 ) 通过对光分组交换信头的操作可以实现菲连 接的和面向连接、优先级的服务，因此灵活性很高；( 4 ) o p s 网络可以通过冲突解 决方案来降低光分组的分组丢失率，因此d 分组经过o p s 网络承载后，将使q o s 2 第一章绪论 得以提高。由于o p s 网络能够实现非连接的和面向连接的服务，所以它除了能承 载m 等数据业务外，还可以承载话音业务，从而o p s 网络成为下一代网络( n g n ) 的理想承载平台【9 】。 1 2 网络管理意义与发展 研究表明，一个普通的局域网络在一年中平均出现重大故障二十次，由此产 生的服务失效时间长达十六小时。对于像a t & t 这样的运营公共通信网络的企业 来说，四小时的网络失效就可能带来几千万甚至上亿美元的损失【lo 】。网络管理系 统可以给网络管理员提供良好的信息来源，减少网络故障，缩短网络失效时间， 最大程度地提高运营商利润。所以，企业在选择良好的网络设备和网络操作系统、 应用软件的同时，也会选择优秀的网络管理系统，为它们的网络提供最好的服务。 当前计算机网络的发展特点是：网络规模不断提高，复杂性不断增加，网络 的异构性越来越高。一个网络往往由若干大大小小的子网构成，集成了多种网络 操作系统平台，包括不同厂家、公司的网络设备和通信设备等。同时，网络中还 有许多网络软件提供各种服务。随着用户对网络的性能要求越来越高，如果没有 一个高效的网络管理系统对网络系统进行管理，那么很难保证为广大用户提供另 人满意的服务。网络管理是网络发展中一个很重要的关键技术，对网络的发展有 很大的影响，并成为现代信息网络中最重要的问题之一。它的重要性已经在各方 面得到了体现，并为越来越多的人所认识】。 i e e e 通信学会下属的网络运行与管理专业委员会( c o m m i t t e eo fn e t w o r k o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t1 从1 9 8 8 年起每两年举办一次网络运行与管理专题讨 论会。国际信息处理联合会( i n t e r n a t i o n a lf e d e r a t i o nf o ri n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) 也 从1 9 8 9 年开始每两年举办一次综合网络管理专题讨论会。 近年来，陆续有一些厂商和组织推出自己的网络管理解决方案。比较有影响 的是：网络管理论坛的o m n i p o i n t 和丌放软件基金会( o s f ) 的d m e ( d i s t r i b u t e d m a n a g e m e n te n v i r o n m e n t ) 。另外各大计算机与网络通信厂商已经推出了自己的网 络管理系统，如h p 的o p e n v i e w 、i b m 的n e t v i e w 系列、f u j i t s u 的n e t w a l k e r 及 s u n s o f l 的s u n n e tm a n a g e r 等等。 3 电子科技大学硕士学位论文 由于网络管理系统对一个网络系统的高效运行非常重要，因此在我国大力推 广网络管理系统的研究与应用十分重要。我们的观点是，在应用方面采取引进与 自主开发相结合的方式。国内对网络管理的研究与应用并不深入，与国外先进水 平有一定的差距，完全自己开发难度较大，而仅仅依靠国外的产品也并不好，国 外的网络管理产品并不一定很适合我国的网络应用环境，而且这对我们自己的网 络管理研究也不利；在研究方面，应跟踪国外先进技术，推广网络管理技术在我 国的应用，以提高网络在我国的应用效率和作用。上海交通大学和金桥网络中心 较早开展了这方面的合作，并与日本f u j i t s u 公司合作开发了网络管理系统 n e t w a l k e r 的中文系统。同时开发了基于w i n d o w s 平台的自主独立版权的g l o d v i e w 网络管理系统，达到国内网管研究的领先水平。 1 3 课题来源及本文的主要研究内容 本文主要对o p s 网络管理系统的设计和实现进行研究，课题来源于国家8 6 3 面上项目“基于多重光正交码光标签的光分组交换系统 。 论文的主要安排如下： 第一章先对光分组网络的产生背景和技术特点进行介绍，然后介绍网络管理 的意义和发展，指出了建立光分组网络管理系统的必要性。 第二章对o p s 网络进行了介绍，描述了边缘节点、核心节点和光标签产生模 块的结构；然后介绍o p s 网络管理系统中所选择的网络管理协议，包括协议的体 系结构、操作原语和数据格式。最后介绍了整个网络管理系统的整体设计方案。 第三章首先讨论了o p s 核心节点网络管理模块的设计，然后利用f p g a 完成 了该模块的设计，对各个功能模块进行了测试。 第四章介绍了o p s 核心节点s n m p 代理的设计，根据该设计完成了软件的实 现，并对该软件的功能进行了测试。 第五章介绍了o p s 网络管理端设计，根据该设计完成了软件的实现，并对界 面所提供的功能进行了测试。 第六章为全文总结，说明了作者的主要工作，指出本文的不足并展望了以后 的工作。 4 第二章o p s 网络管理系统总体设计 第二章o p s 网络管理系统总体设计 2 1o p s 网络介绍 基于多重o o c 光标签的光分组交换模型是由本课题组提出。采用o c d m 技 术中的基于f b g 的编码器和解码器产生标签和实现标签解码，标签由3 个o o c 串行排列组成。o p s 网络由一个核心交换节点和三个边缘节点通过双纤连接构成， 其结构如图2 1 所示。o p s 网络的功能如图2 2 所示，边缘节点的发送端将以太网 接入的业务汇聚和组装成等长的净荷信号，并产生光码标签，形成光分组信号发 送到核心交换节点：接收端检测和恢复净荷信号，并重新组成以太帧发回到以太 网中。核心节点检测光标签信息，用于控制光交换矩阵和竞争解决单元，同时擦 除旧的标签，插入新的标签。 图2 - 1o p s 网络结构图 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 1 核心节点 t 广i ! 唰。 il ：ir l 一一j 图2 - 2 0 p s 网络功能框图 附脚习 w f 轴h 1 一h l 【j一 离 t r m m w l n l _ i i o p s 核心节点的主要功能是检测和接收到达的分组，从分组的标签中提取出 路由信息，并根据路由信息为分组配置正确的光路使其从预期的端口输出。核心 节点主要由标签接收单元，标签擦除单元，控制单元。光交换矩阵及新标签产生 单元构成，系统结构如图2 3 所示。在核心节点光分组被分成两路：一路用于标签 图2 - 3 核心节点系统结构图 6 瑟式 第二章o p s 网络管理系统总体设计 提取，携带路由信息的光标签进行光电转换后，输入标签处理单元进行处理，提 取出光分组的路由信息并输入到交换控制单元控制交换过程；另一路分组信号首 先完成净荷与标签的分离，得到的净荷保持为光信号，通过光纤延时线( f i b e rd e l a y l i n e ：f d l ) 延时一段时间，待交换控制单元配置好光路后进入交换矩阵进行交换。 控制单元采用f p g a 技术，各功能模块采用v e r i l o gh d l 描述语言编程实现。 控制单元接收各个标签接收单元输入的标签代码信号，将该标签代码送入相应的 本地路由表进行查找，将查找路由表的结果送入调度模块进行调度，最后配置光 交换矩阵以及竞争解决单元，完成分组的一次交换。核心节点同时把在进行上述 图2 _ 4 核心节点控制单元结构图 控制操作时产生的关键数据通过串口送到网络管理单元。控制单元的总体结构如 图2 4 所示，包括路由表查找模块、调度模块、竞争解决单元、光交换矩阵配置模 块、新标签产生模块等。 2 1 2 边缘节点 边缘节点在收到来自i p 层的业务数据后，提取i p 包中的目的i p 地址，查找 标签转发表，将对应的标签发送给标签生成模块产生光标签；之后再在i p 包前加 上保护带( 同步码) 和开始标志，在i p 包后加上结束标志，从而生成了光净荷， 并将其发送到2 合1 耦合器与光标签耦合后生成光分组。光净荷格式如表2 1 所示。 7 电子科技大学硕士学位论文 表2 - 1 光分组净荷格式 类型内容长度 同步码 5 5 5 5 4 4 0 b y t e s 开始标志 d 5 5 5 2 b y t e s 有用数据口分组跟m 分组一致 结束标志 d d 5 5 2 b y t e s 边缘节点的结构图如图2 5 所示。边缘节点选用了型号为e p 2 c 3 5 f 6 7 2 的 f p g a ，而整个程序采用了基于n i o si i 的软核处理器，以及m i c i o c o si i 操作系 统来实现。 2 1 3 光标签产生模块 图2 5 边缘：宵点结构图 标签产生模块采用一个3 x 3 的光开关和三个光编码器构成。宽谱光源发出的 连续波经过脉冲调制后，产生编码脉冲，经过l 3 分支器将编码脉冲延迟到各编 码时隙，通过3 x 3 光开关将各时隙的光脉冲切换到各光编码器产生光码，三路光 8 第二章o p s 网络管理系统总体设计 码信号经过耦合器耦合成光码标签信号，如图2 - 6 所示。通过控制信号将光开关切 换成不同的交换模式将产生不同光码组合的光码标签输出。光编解码器采用在光 纤上根据光正交码的要求刻3 个光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 的 方法实现。 图2 - 6 光标签产生模块 2 2 网络管理系统中的管理协议 目前，在网络管理中两种比较常用的协议是s n m p 协议和c m i p 协议。我们 在设计o p s 网管系统时选择了基于s n m p 的管理体系，有如下考虑： ( 1 ) 对于o p s 系统的管理，至今没有一种统一的标准。按照i t u t 的建议， c m i p 一般运行在标准的o s i 协议上，要实现o s i 规定的七层协议栈是比较复杂的。 ( 2 ) 虽然i t u t 最近的建议考虑了将c m i p 建立在t c p i p 之上，但c m i p 协 议本身也是复杂的，实现c m i p 的代价大大高于实现s n m p 1 2 】。 ( 3 ) 从效率上看，s n m p 不如c m i p ，存在网络消息过多的问题，但对于节点 数不多、信令简单的本系统来说，完全能够满足要求。 ( 4 ) 在规模不大的o p s 网络，对一般的管理数据通信的实时性要求不高，采 用s n m p 定时查询方式可以替代主动上报。对于必要的报警，s n m p 的t r a p 可以 满足要求。 ( 5 ) s n m p 没有c m i p 中的对管理对象建立和删除命令，但管理者可以通过 s n m p 中s e t 请求对某对象状态的设置来通知网元或其代理【i3 1 。 2 2 1s n m p 协议的结构 s n m p 为应用层协议，是t c p i p 协议族的一部分。它通过用户数据报协议( u d p ) 9 电子科技大学硕士学位论文 来操作。管理端对位于管理端中心的m i b 的访问进行控制，并提供网络管理员接 口。管理端通过s n m p 完成网络管理。图2 7 中描述了s n m p 协议的结构，s n m p 是运行在应用层的协议。从管理端发出3 类与管理应用有关的s n m p 的消息：g e t 、 g e t n e x t 和s e t t l 4 1 。3 类消息都由代理端用r e s p o n s e 消息应答，该消息被上交给管 理应用。另外，代理者可以发出t r a p 消息，向管理端报告有关m m 及管理资源的 事件。由于s n m p 依赖u d p ，而u d p 是无连接型协议，所以s n m p 也是无连接 型协议。在管理端和代理者之间没有在线的连接需要维护。每次交换都是管理端 和代理者之间的一个独立的传送。 s n m ps n m p 管理系统被管理系统 2 2 2 管理构建 图2 - 7s n m p 协议结构图 为了完成管理任务，s n m p 使用另外两个协议：管理信息结构( s m i ) 和管理 信息库( m i b ) 。换言之，在i n t e m e t 上的管理信息是通过s n m p 、s m i 和m i b 三 个协议的协作来完成的【15 1 ，如图2 8 所示。 1 0 第二章o p s 网络管理系统总体设计 图2 - 8 网络管理的构建 这些协议之间的相互作用如下： s n m p 的作用 s n m p 在网络管理中起着特殊的作用。它定义了从管理端发送到代 理段以及从代理端发送到管理端的信息格式。它还解释结果和进行统计 ( 常常还要依靠其它管理软件的帮助) 。所交换的分组包含对象( 变量) 名和它们的状态( 值) 。s n m p 负责读取和改变这些数值。 s m i 的作用 要使用s n m p ，需要有一些规则。需要命名对象的规则。这一点特 别重要，因为s n m p 中的对象形成了一种层次结构( 一个对象可以有一 个父对象和几个子对象) 。还需要定义对象类型的规则。需要这些通用规 则的原因是，我们并不知道发送、接收或者存储这些数值的计算机的体 系结构。 s m i 是定义这些规则的规则。但是，s m l 只是定义了这些规则，并 没有定义在一个实体中可以管理多少个对象，或哪个对象使用哪一种类 型【1 6 j 。s m i 是许多通用规则的集合，这些规则用来命名对象和列出它们 的类型清单。对象和类型的关联并不是s m i 应当做的事。 m i b 的作用 对于每一个被管理的实体，m i b 协议必须定义对象的数目，必须按 照s m i 定义的规则给这些对象命名，并且还必须使每一个命名的对象和 一种类型联系起来。m i b 创建一组为每一个实体定义的对象，这点和数 据库相似( 数据库中主要的元素没有值的名字和类型) 。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3s n m p 操作原语 s n m p 支持轮询和事件驱动两种访问方式，s n m p 使用如下五种通信原因获 取管理信息【17 】： g e t ：由管理端发给代理端的请求命令，请求一个m m 变量值； g e t n e x t ：由管理端发给代理端的请求命令，要求将被说明目标 的下一个目标的m m 值送回到管理端； r e s p o n s e ：是代理端对于收到的请求的一个应答，此请求是要 求将指定数据送到管理端； s e t ：由管理端发出，命令代理端去改变一个m i b 变量值； t r a p ：代理端检测到某种预先说明了的状态时，向管理端发送 的一个非请求消息； g e t 和r e s p o n s e 实现了请求响应机制，s n m p 使用轮询的方法实现这一 机制。但是t r a p 消息使用基于事件驱动机制的方法实现。为了保证协议尽可能简 单，管理信息的通信主要采用轮询方法。仅当代理检测到不正常的情况出现时， 它才向管理者发送t r a p 消息。 2 2 4s p 消息格式 s n m p 管理端和代理端之间的信息交换以s n m p 消息的形式进行，每条消息 都包含指示s n m p 版本的版本序列和5 种协议数据单元类型中的一种，消息的格 式如图2 - 9 所示。其中，g e tp d u 、g e t n e x tp d u 、s e tp d u 和r e s p o n s ep d u 具有 相同的格式，r e p o n s e p d u 的钮l o rs t a t u s 和e t r o ri n d e x 字段永远设置为0 。这种约 定减少了s n m p 实体要处理的各种p d u 格式。 各个字段的解释如下： v e r s i o n ：s n m p 版本； c o m m u n i t y ：s n m p 代理和一些s n m p 应用程序实体的任意集 合的组合( 公共体名称作为鉴别s n m p 消息的口令) ； r e q u e s ti d ：通过给每个请求提供一个独有的i d 来区分未处理 请求； e r r o rs t a t u s ：通常表示在处理请求时出现的异常： e r r o ri n d e x ：当l x l o rs t a t u s 非零时，可能由列表中导致异常的 1 2 第二章o p s 网络管理系统总体设计 变量来提供附加的信息； v a r i a b l e b i n d i n g s ：变量名称和相应取值的列表； e n t e r p r i s e ：产生t r a p 的对象的类型：基于s y s o b j e c t l d ； a g e n t ：产生 的对象的地址：a d d rt r a p g e n e r i ct r a p ：通用t r a p 的类型； s p e c i f i c ：具体 代码；_ t r a pt r a p t i m es t a m p ：上次初始化网络实体和产生t r a p 之间的所持续时 间；包含s y s u p t i m e 的取值； ( i ) s n m pm e s s a g e ( b ) g e tp d u 、g e t n e x tp d u 、s e tp d u ( c ) r e s p o n s ep d u ( d ) t r a p p d u ( c ) v a r i a b i e b i n d j n 謦 图2 - 9s n m p 消息格式 2 3 网络管理系统设计方案 由于o p s 网络目前主要处在试验阶段，所以对该网络的管理也是针对其试验 网进行的。o p s 网络管理系统的结构如图2 1 0 所示。整个网络由一个核心节点和 三个边缘节点构成，网络呈现星型结构。每个节点都看作一个被管理资源分别与 一台运行s n m p 代理程序的电脑通过串口线相连。代理端通过交换机和一台作为 管理端的位于远端的电脑相连。代理端和管理端通过s n m p 协议提供的五种原语 完成消息的交互。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 二：? 7 一网线 审 f o p s 核心节点 - i-，。-、， i o p s 边缘节点i o p s 边缘节点 l 图2 1 0o p s 网络管理系统结构图 由于处于试验阶段，o p s 网络如何管理并没有统一标准，所以借用i s o 在 i s o i e c 7 4 9 8 4 文档中定义的网络管理的五大功能，即故障管理( f a u l t m a n a g e m e n t ) 、配置管理( c o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n t ) 、计费管理( a c c o u n t i n g m a n a g e m e n t ) 、性能管理( p e r f o r m a n c em a n a g e m e n t ) 和安全管理( s e c u r i t y m a n a g e m e n t ) ，来探讨o p s 网络管理系统应实现的功能。 故障管理 故障管理涉及的是在网络中出现的故障，例如设备或软件故障，以及工作不 正常的通信服务。故障管理需要考虑监控网络来确保一切顺利，并且在网络不正 常的情况下作出响应。为了确保用户不会遇到服务中断，或者在出现服务中断时 将它们的影响降低到最小，有效的故障管理非常关键。 对于o p s 网络这样的试验网络，故障管理应主要集中到器件的失效报警，如 光开关配置出错、半导体光放大器温度过高和电源报警等。 配置管理 为了使网络能够完成预期的工作，可能需要先告诉它要做什么也就是对 网络进行配置。配置管理包括的功能可以执行将配置传递到网络设备的操作，还 1 4 第二章o p s 网络管理系统总体设计 可以执行对这些配置设置进行修改的操作。配置管理是设置网络使其能够提供服 务的核心，一般说来，它也是网络管理的核心【1 8 】。如果没有有效的配置管理，网 络提供商将很难追踪在网络中实际部署的内容，甚至很难提供诸如启动服务等基 本功能。 在o p s 网络管理系统中，提供对网络及用户侧的接口参数进行配置，如可配 置核心节点标签转发表信息；可配置边缘节点的口地址；可配置能够支持同时连 接的用户数目：可配置对光分组交换过程中所使用的光标签库。 计费管理 计费管理的主要指的是正确地计算和收取用户使用网络服务的费用。但这并 不是唯一的目的，计费管理还需要要进行网络资源利用率的统计和网络的成本效 益核算。对于以营利为目的的网络经营者来说，计费管理功能无疑是非常重要的。 由于o p s 网络尚处于试验网阶段，因此这里列出仅作为以后可能研究的课题， 本文不做深入阐述。 性能管理 性能管理的目的是维护网络服务质量( q o s ) 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【1 8 】。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。 在o p s 网络管理系统中，提供对核心节点和边缘节点性能测试分析及结果显 示。可以获取如系统传输速率、系统误码率、光开关工作状态、半导体光放大器 的温度等性能信息。这些信息会被保存，以供随时查找和处理。 安全管理 安全管理包括两方面的含义：管理安全和安全管理【18 1 。管理安全涉及确保管 理操作本身是安全的，这一问题的很大一部分是确保对管理系统的访问严格限于 授权用户。安全管理则涉及管理网络本身的安全，而不是管理系统的安全。 由于o p s 网络尚处于试验网阶段，因此这里列出仅作为以后可能研究的课题， 本文不做深入阐述。 o p s 网络管理系统的实现模型如图2 1 1 所示。本o p s 网络管理系统通过“基 于陷阱的轮询对o p s 系统进行控制和管理的。管理端一直轮询的获得设备的各 种数据，一旦设备出现紧急情况就以t r a p 的形式报告给管理站。具体地讲：代理 1 5 电子科技大学硕士学位论文 不问断的轮询被管理的参数，将其放入m m 中，而管理端也是轮询的读取m m 中 的数据并将其传送给图形界面，供管理员查看。反过来，管理端监听代理端发送 的t r a p 信息，这种t r a p 信息是由被管理资源产生并通知代理端的。 被管理系统 图2 - i1o p s 网络管理系统的实现模型 一般情况下，管理端和代理端可用较长时间间隔来轮询被管理设备；当发生 异常事件时，管理端和代理端立即中断轮询来处理事件并产生告警信息，完成后 重新启动轮询。这样可以有效地节约网络容量和代理端的处理时间。网络基本上 不传送管理端不需要的管理信息，代理端也不会无意义地频繁应答信息请求。 2 3 1 代理端设计方案 s n m p 代理主要负责处理三件事情：第一，代理端通过s n m p 协议与管理端 进行通信，获取管理端发送的管理指令并响应该管理指令，或者以告警信息( t r a p ) 的形式向管理端报告被管理对象发生的一些重要事件。第二，代理端与被管理的 设备间采用专用管理协议进行通信( 多为自定义协议) ，获取被管理设备对象的信 息，完成参数配置，以及性能统计。第三，代理端还必须负责维护m i b ，包括读 取或者修改m i b 中的各种变量值。 由此看见，o p s 节点s n m p 代理软件的结构应包括串行通信模块、m i b 模块 和s n m p 协议模块，其软件结构如图2 1 2 所示。 1 6 第二章o p s 网络管理系统总体设计 图2 - 1 2o p s 节点s n m p 代理的软件结构 串行通信模块的作用是负责s n m p 代理于节点的数据传输与交互。m i b 模块 包括m m 表和m i b 表操作两部分。其中m i b 表用于存放各种统计管理信息，m i b 表操作模块则提供m i b 表初始化和存取等操作的接口函数。s n m p 协议模块完成 s n m p 协议的实现，负责在端口号为1 6 1 的端口上接收管理端的操作请求并响应 请求，在端1 ：3 号为1 6 2 的端e l 发送告警信息( t r a p ) 或者需要响应的通告。 2 3 2 管理端设计方案 管理端定期地、自动地采集代理端提供的参数，接收其发送来的告警( t r a p ) 信息报告，并将相关信息的发生时间、发生的设备、发生后的状态等数据记录到 本地数据库，以适应分析的要求。管理端以图形化界面形式显示各项信息，并且 提供人机接口，供管理员查看、配置使用。 管理端的实现模型如图2 1 3 所示，包括s n m p 通信模块、图形界面、数据管 理模块和数据库四部分组成。s n m p 通信模块和代理端实现s n m p 消息的交互， 然后将数据交给数据管理模块处理。数据管理模块负责对数据库的读写等操作， 它可以将从s n m p 通信模块获取的数据写入数据库，也可以将数据库的数据读取 出来提供给图形界面程序。图形界面程序将网络管理系统要实现的配置管理、性 能管理和故障管理功能以图形化的方式表现出来。图形界面中应该包括链路配置、 路由表配置和读取、告警信息获取、流量统计等功能的显示。在本系统中，因为 需要统计的数据量较小，并不需要数据库这种资源。所以，在本系统中图形界面 的数掘直接来源于s n m p 通信模块。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 2 4 本章小节 图2 1 3s n m p 管理端的实现模型 本章首先介绍了o p s 网络的结构，对其中的核心节点、边缘节点和光标签产 生模块进行了介绍。然后对光分组交换网络管理系统中的管理协议进行了介绍， 分析了协议的结构、管理构建、s n m p 操作原语和s n m p 消息的格式。最后，提 出了网络管理系统的整体初步设计方案，并进一步给出了代理端和管理端的设计 方案。 1 8 第三章o p s 核心节点网络管理模块设计与实现 3 1 引言 第三章o p s 核心节点网络管理模块设计与实现 o p s 核心节点以一片f p g a 芯片为中心，具有标签信号和随路时钟输入接口、 光开关控制接口、光门驱动接e l 和r s 2 3 2 接口。f p g a 中实现的功能模块是：控 制模块和网络管理模块。其中控制模块的功能单元有：( 1 ) 输入标签信号缓存单 元：( 2 ) 二进制标签信号转换单元；( 3 ) 旧标签信号擦除控制单元；( 4 ) 标签转 发表单元；( 5 ) 调度算法单元；( 6 ) 光开关控制单元；( 7 ) 新标签信号控制单元。 其各部分功能介绍如下： 图3 - 1 网络管理模块结构框图 ( 1 ) 输入标签信号缓存单元：采用经过处理的脉冲信号的随路时钟对脉冲信 号进行缓存，并采用系统时钟读取出三路脉冲信号，该单元主要解决检测到的光 码自相关脉冲与系统时钟失配的问题。 ( 2 ) 二进制标签信号转换单元：由于输入的标签信号是三路脉冲信号，不利 于表示和进行查表操作，该单元实现将其转换为易于处理的一路二进制信号。 ( 3 ) 旧标签擦除单元：该单元在检测到标签三路标签脉冲信号中的任一个脉 冲后，产生一控制信号关闭光门略大于标签长度后重新打开。 ( 4 ) 标签转发表单元：由f p g a 中的r a m 来实现，为了简化查表功能，每 个输入端口都有一张标签转发表。查表的过程就是采用存储地址递增的将r a m 中 的b 7