（通信与信息系统专业论文）接入网环境动力监控系统的设计与实现.pdf

学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名 霪数 日期：墨! ! ! ：7 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名 魄趸救 导师虢屏嗬 日期 华东师范人学硕士学位论文摘要 摘要 随着通信事业的迅猛发展，接入网技术己经获得了广泛的应用。接入网是最 复杂的网络系统之一，因而也是最难管理的网络之一。在接入网网管系统的建设 中，除了要面对网管系统建设中的通用问题外，还要面对接入网网管系统建设的 特殊问题。本文以对环境监控系统的管理为例研究网管接口，提出了自定义的网 管接口小f 网管协议，具有比较好的扩展性。 通信设备的增多和复杂化要求开发现代化的e p m ( e n v i r o n m e n tp o w e r m a n a g e m e n t 环境动力监控) 。早期的e p m 系统一般都是针对特定的应用直接基于 硬件层次进行开发，可移植性和可维护性都比较差。本文设计了一种新的软件方 案简化这种由于提出新需求而产生的改动，同时提高e p m 软件系统的可移植性。 s d l ( 规范描述语言) 广泛应用于通讯协议的描述中。本论文将研究用s d l 来开发接入网的e p m 系统，对e p m 系统用s d l 进行描述和设计，同时为了屏蔽硬 件系统的具体细节引入了s d l 支撑层，支撑层对上层应用程序提供标准的s d l 原 语接u ，便于上层软件的开发和移植。这是对嵌入式系统开发模式的一种研究， 可以准，“应用到其它的应用中。 本文围绕e p m 研究了接入网网管接口、提高应用系统开发的可移植性、程 序的远程下载实现这三大方面的内容。期望通过e p m 的研究达到对接入网系统 窥一斑见全豹的效果。 关键词： 接入网，环境动力监控( e p m ) ，s d l ，数据无损压缩算法 兰查堕蔓奎堂堡主堂篁笙塞釜空! 竺! 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 e l e c o m m u n i c a t i o n ，a nt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e d i n t e r n a t i o n a le x p e r tr e g a r d sb r o a d b a n da c c e s sn e ta st h el a s tm i l ea n da l s oa st h em o s t d i f f i c u l ta n dm o s te x p e n s i v ep a r to fi n f o r m a t i o nh i g h w a y l h et e l e c o m m u n i c a t i o n o p e r a t o r s t h e n p u t f o r w a r dt m nt os o l v en e t m a n a g e m e n tc r i s i s i nt h ep a p e r , t h eb a s i cm o d e l so ft m n a r ei n t r o d u c e d ；t h es t r o n g p o i n t sa n dt h es h o r t c o m i n g so ft h e ma r e d i s c u s s e d t h em a n a g e m e n to fa ni s c o m p l i c a t e d t h ep a p e rs t u d i e st h em a n a g e m e n to fa n0 nu l eb a s eo fe p m ( e n v i r o n m e n tp o w e rm a n a g e m e n t ) ，a n dd e f i n e sas e to fm a n a g e m e mi n t e r f a c ew h i c h c a nb ce x t e n d e de a s i l y t h ed e v e l o p m e n to ft e l e c o m m u n i c a t i o na s k sf o ram o d e r n i z e dw a yt ow a t c ha n d m a i n l a i nt h ee q u i p m e n t s d e v e l o p i n gf p mc a r li m p r o v ef l a ea c c u r a c ya n ds p e e do r m a i n t e n a n c e ，a n dc a na l s os a v et h ec o s t b yu s i n ge p m ，t h ew a r n i n g sc a i lb es e n tt o t m ni n t i m e t h ee a r l ye p mi sd e v e l o p e do nh a r d w a r el e v e l ，a n dh a sc l o s el i n kw i t hh a r d w a r e a n ds p e c i a la p p l i c a t i o nt h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt od e s i g nan e ws e to fs o f t w a r e s c e n a r i ot h a tc a ns i m p l i f yt h em o d i f i c a t i o na n dm a k et h er e p l a n te a s i e r t h ed e s i g nu s e ss d lt od e v e l o pe p mf o ra n 1 no r d e rt os c r e e nt h eh a r d w a r e a ns d lr si sd e s i g n e d t h es d lo sp r o v i d es p e c i f i e ds d l i n t e r f a c e ，w h i c hm a k e s t h ed e v e l o p m e n ta n dr e p l a n t i n ge a s i e r 、i tc a na l s ob e r e g a r d e d a st h es t u d yo f d e v e l o p i n gm o d e lf o re m b e d d e ds y s t e m ，t h u sc a l lb eu s e di no t h e ra p p l i c a t i o n t h en e tm a n a g e m e n ti n t e r f a c eo fa n ，h o wt oi m p r o v et h er e p l a n to f a p p l i c a t i o n s y s t e ma n dt h el o n g d i s t m l c eu p g r a d eo fp r o g r a ma r et h r e em a i np a r t sa n di m p o r t a n t i n n o v a t i o n so f t h ep a p e r k e yw o r d ： a n ，s d lr s ，l z s s ，e p m 华东师范火学硕士学位论文 论文研究背景及研究意义 绪论 近年来，随着通信事业的迅猛发展，接入网技术已经获得了广泛的应用，接 入网技术的应用是本地交换网实现“大容量、少局所”以及对大用户实现重叠覆 盖的基础，综合接入将是今后发展的重点。国际权威专家把宽带综合信息接入网 比作信息高速公路的“最后一英里”，并认为它是信息高速公路中难度最高、耗 资最大的一部分，是信息基础建设的“瓶颈”。 随着网络规模的急速膨胀，运营业的网络管理( 特别是由于接入网中物理节 点显著增加) 以及许多相关问题日趋复杂化，网管危机丌始出现。电信管理网 ( t m n ) 概念的提出就是运营业寻求高效管理能力解决网管问题的又一新的努力。 接入羽是最复杂的网络系统之一，因而电是最难管理的网络之一。在接入网网管 系统的建设中，除了要面对网管系统建设中的通用问题外，还要面对接入网网管 系统建设的特殊问题。因此对于接入网的网管接口的研究很有意义。 通讯设备的发展需要现代化的监控维护手段。随着设备的增多，以前的看门 值守方式已不适用，不能适应现代技术的飞速发展需求。开发现代化的 e p m ( e n v i r o n m e n tp o w e rm a n a g e m e n t 环境动力监控) 可以提高维护的及时性和准 确性，实现无人值守，节省运行费用，提高维护水平，保证被监控系统的异常告 警能及时上报局端的网络管理系统，以便网络管理员及时采取正确的措施解决故 障，达到提高效率、减员增效的目的。 本设计完成的主要工作 本文围绕e p m 研究了接入网网管接口，提出自定义的小f 网管接口，该种接 口具有较好的可扩展性；在e p m 的系统设计中，引入了s d l r s ( s d l 语言设计 的支撑层) 和分层设计的思想，提高了系统的可移植性；设计实现了一种电源管 理机制可以支持多种电源的监控；另外考虑到系统升级，还实现了升级程序的远 程下载功能；为了缩短程序升级时间，研究了改进的l z s s 无损压缩算法。 羔：! ! 堕堕查堂耍主堂垡堡塞 堕堡 论文主要创新之处 提出白定义的小f 网管接口 s d l r s 即s d l 支撑层的实现 s d l 分层设计方法，可以推广应用到其它嵌入式系统的设计中 支持不同协议的多种电源的监控 改进的具有自适应性的l z s s 无损压缩算法 远程下载程序 论文结构和内容 第部分：第一章“接入网”介绍了接入网的基本概念，近年接入网的研究 重点，以及论文选用e p m 来研究接入网的原因。 第二部分：第二章到第四章详细介绍了环境动力监控系统的设计实现。通过 引入s d l 支撑层，s d l 分层设计来提高系统的可移植性和扩展性。 这一设计方法不仅对本系统有效，而且还可以扩展应用到其他的嵌 入式系统的设计当中。 第三部分：第五章到第七章具体介绍了本环境动力监控系统的一些特色之处， 包括多种电源监控机制；小f 网管协议；远程下载程序等。 华东师范大学硕士学位论文 第一章接入网 第一章接入网 随着通信技术的飞速发展，高速数据、高质量图像等宽带业务的需求也日趋迫 切。市场的推动，加速了宽带综合业务数字网的开发和应用进程。在早期的通信 网中，交换局和用户终端之间通常采用z 接口，它们之间以模拟用户线连接。随 着光纤和数字用户系统的引入，继续采用z 接口已满足不了广大用户对新业务的 要求。此外，数字业务的发展要求交换局至用户终端设备之间实现透明的数字连 接，要求用户接口数字化。因此，用户线这一部分已逐渐成为整个电信网发展的 最后瓶颈；加之用户线这部分的成本要占整个电信成本的3 0 5 0 ，因此接入 网技术越来越受大家的重视。 近年来，各种用户环路新技术的开发与应用特别活跃，复用设备、数字交叉连 接设备、用户环路传输系统、无源光网络等的引入，增强了用户环路的功能和能 力，给接入网的发展提供了可能。 1 1 接入网的基本概念 根据i t u t 规定，接入网( a n ) 是指由业务节点接口( s n i ) 和相关用户网 络接口( u n i ) 之问的一系列传送实体所组成的，为传送电信业务提供所需传送 承载能力的实施系统，它可以经由q 3 接口进行配置和管理。传送实体提供必要 的传送承载能力，对用户信令是透明的，不作处理。它可以被看作与业务和应用 无关的传送网，主要完成交叉连接、复用和传输功能，一般不含交换功能。 接入网所覆盖的范围可由三个接口定界：网络侧经由业务节点接口( s n i ) 与 业务节点( s n ) 相连；用户侧经由用户网络接口( u n i ) 与用户相连；管理功能 经q 3 接口与电信管理网( t m n ) 相连。如下图1 一l 所示： 卜 s n l ，j 图l - 1 接入网的定界 华东师范大学硕士学位论文第一章接入网 接入网相对核心网而言，其环境、业务量密度，以及技术手段等均有很大差 别。用户线路在地理上是星罗棋布，建设投资比核心网大得多；在传送内容上是 图像等高速数据与语音低速数据并存；在方式上是固定或移动各有需求。此外， 已有体制种类繁多，如电信部门的铜缆话路通信模式、有线电视的同轴电缆单向 图像通信模式，以及蜂窝通信的移动通信模式等，接入网的情况相当复杂。 根据传输方式，接入网可分为有线接入网和无线接入网两种接入方式。 r 光纤到路边( f t t c ) 厂一光纤接入网j 光纤到大楼( f t t b ) l 光纤到用户( f t t h ) jl 光纤到办公室( f t t o ) 1，高速率数字用户线( h d s l ) f ，有线接入嘲l 非对称数字用户线( a d s l ) l 铜缆接入刚单线对数字用户线( s d s l ) 1 i 甚高速率数字用户线( v d s l ) 接入网jl 速率自适应数字用户线( r a d s l ) 共享查询区一 共享配置区。 华东师范大学硕士学位论文 第五章电源管理 并向电源发送下行应答，表示确认收到电源发来的重要数据包。 b ) 实时数据，对z x d u 9 0 eu p c m dr 类型数据进行处理。 来自电源的上行数据流一，共享查询区。等到网管命令提出查询请求时， 从共享查询区中提取所需要的数据上发给网管。 c ) 告警数据，对z x d u 9 0 eu p c m da 类型数据进行处理。 来自电源的上行数据流一 共享配置区。 发告警和告警恢复消息给告警处理模块( p r o c a l a r m ) 。比较共享查 询区和输入数据流，如果是新增告警，则将对应告警码作为参数向网管发告 警消息；如果是已有告警消除，则发告警恢复；如果两个状态一样，则不发 任何消息。 注意，e p m 收到告警消息后会向电源发送确认，表示收到该消息，避 免电源重复发送统一告警。 处理上行数据流，对于配置数据，将上行数据送给共享配置区和共享查询区： 对于查询数据，将上行数据送给共享查询区；对于告警数据，则要负责提取出告 警数据对应的告警码，发给告警模块。 有的电源( 例如z x d u 4 5 ) 不足将上行命令分成告警( a ) ，实时( r ) ，属性 ( p ) 等类型，而是直接根据卜行数据流中的命令码部分，判断后续处理方法。 2 )根据不同的命令类型和命令码进行设置和查询，处理函数为a c t i o n z x d u 9 0 e _ g e t f t m c ( b y t eu c c m d t y p e ，b y t eu c c m d c o d e ) 。该部分对应的 s d l 图如下5 3 所示： 兰查堕蔓查堂堡圭兰垡堡壅 一堡重量鲎! 笪里 命令类型 f 规定格式， 0 茎! 墨 图5 - 3e p m 查询设置处理 曲对于查询命令f rt y p er ，分解命令码后，对应命令码x x 的处理函数 为f u n cz x d u 9 0 eg e t x x ，该函数的作用是：从共享查询区中获得所需数 据，作为应答信号发给t i v i n 。注意，上行数据是在1 ) 所述的，处理来自 电源的上行数据流时被送到共享查询区中的。 b ) 对于设置命令f rt y p es ，分解命令码后，对应命令码x x 的处理函数 为f u n cz x d u 9 0 es e t x x ，该函数的作用是：将数据送给共享配置区，并 封装到下行命令中发给电源。概括的说，其作用是将下行命令转换为电源 所需要的格式。 3 ) 扫描电源配置数据区，函数为v o i dz x d u 9 0 e _ s c a n p o w e r c f g ( b y t e u c d e v i c e n o ，b y t e + p s h a r e c f g ) 下行命令：将该电源共享配置区( p s h a r e c f g ，由参数传入) 中的电源配置 发送给电源，并设置局站编号。 调用方式为：在电源管理模块p o w e r m n g 中定时调用。 4 )添加电源查询消息，函数为v o i dz x d u 9 0 e _ a d d q u e r y m s g t o q u e u e ( b y t e u c d e v i c e n o ) 。 由电源管理模块p o w e r m n g 定时调用，作用是定时向电源下发查询命令。 综合1 ) 和4 ) ，对电源是定时的进行查询和设置。 华东师范大学硕士学位论文 第五章电源管理 5 6 电源管理模块 电源管理模块处理所有与电源相关的配置、查询、告警等命令和消息。由网 管下发的电源配置消息由总控模块转发至电源管理模块处理：智能电源向e p m 发送的告警等消息出运行支撑发送到总控模块，由总控模块转发到电源管理模块 处理。 对于智能电源的处理采取如下方式： 对所有的电源设备，网管用统一的命令接口进行管理。例如，对于电源温度 告警范围的设置，网管只有一个命令码和相同的命令格式。在e p m 上，则采用 不同的处理函数处理，即：每种电源都有自己的处理这一命令的函数实现，电源 之间的差别被屏蔽在e p m 上，这种设计的优点在于网管系统对用户接口统一， 方便使用。不利之处是增加一种电源就需要升级e p m 的软件版本。为了解决e p m 软件版本升级的难题，本文设计了一种方案使得e p m 具有远程软件版本下载的 功能，这样可以通过网管进行e p m 版本升级，而不用维护人员到现场升级，这 在第七章将会详细描述。 由于电源协议中无法根据电源回应的数据确定是对哪个命令的应答，因此我 们为每一个电源提供一个命令队列，浚队列由电源管理模块统一维护，包括插入 新命令到队列、维护队列长度。 电源管理模块发挥的作用见下图。 1 、r 一 j i 电源的告警等消息l 【，j j ， 电源配置消息 图5 _ 4 电源管理模块的作用 电源管理模块对应进程p r o c e s s c s v p o w e r c f g 的s d l 图见图5 - 5p o w e r c f g _ l n i t 和图5 - 6p o w e r c f g _ i d l e 。 器笔 华东师范大学硕士学位论文 第五章电源管理 图5 - 5 初始化部分的s d l 图 图5 5 表示，当系统处于i n l t 状态时，收到初始化消息就初始化电源，收到运 行消息则切换状态至i d l e 态。 图5 - 6 正常工作部分的s d l 图 图5 - 6 表示，当系统处于i d l e 态时，收到来自电源的上发数据和来自网管的下 发数据时，根据命令帧类型( 透传，查询，设置) 分别处理。t o ，t 1 ，他是三 个定时器，作用分别是定时将消息队列中的命令下发给电源，定时检查链路状态， 定时向队列添加电源查询命令。 华东师范大学硕士学位论文 第六章接入网网管 6 1 电信网络管理系统 第六章接入网网管 电信网络管理系统的基本概念是提供个有组织的网络结构，以取得各种类 型的运行支撑之间、运行支撑与电信设备之间的互连，它是采用商定的具有标准 协议和信息的接口进行管理信息交换的体系结构。 国际电信联盟( i t u ) 针对电信网络管理系统制定了一系列标准化文档，并 称之为t m n ( t e l e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k ) ，提出t m n 体系结构的 目的是支撑电信网和电信业务的规划、配霞、安装、操作和组织。从理论和技术 标准的角度来看，t m n 就是一组原则和为实现原则中定义的目标而制定的一系 列的技术标准和规范：从逻辑和实施方面考虑，t m n 就是一个完整独立的管理 网络，是各种不同应用的管理系统按照t m n 标准接口互连而成的网络，这个网 络在有限点上与电信网接e l ，与电信网的关系是管理网与被管理网的关系。 电信网络管理系统是对目前所有管理电信通信网络的软硬件系统的总称，而 t m n 是i t u 针对电信网络管理系统制定的一种实施标准和规范，按照t m n 规 范研发的电信网络管理系统应该说具有更好的互连性和适用性。 6 1 1 电信网络管理系统的结构 电信网络管理模型主要有：管理者一代理管理模型、客户一服务器模型等。本 设计自定义的网管采用的是客户一服务器模型。 客户服务器网络模型 在t c p f l p 互联网中，最重要的进程间相互作用的模型是客户一服务器 ( c l i e n t - s e r v e r ) 模型，客户和服务器分别是两个应用程序( 进程) ，客户向服务 器发出服务请求，服务器作出响应，这是客户- n 务器模型相互作用的简单过程， 如图6 2 所示，其中服务器一般意味着数据库服务器如o r a c l e 、s y b a s e 、m s s q l s e r v e r 等。 华东师范大学顾士学位论文 第六章按入网网管 图6 - 2 客户一服务器模型( 二层) 客户一服务器模型是随着互联网络的发展而发展起来的：首先，在互联网络 中大量客观地存在着资源分布和运算能力不均等的现象，而客户一服务器模型中 服务器拥有客户所不具备的硬软件资源和运算能力，客户请求服务同时服务器提 供服务，两者所处的不平等地位与实际情况恰好相符；其次，互联网进程间通信 完全是异步的，谁也不知道谁会在什么时候发起一次进程通信，而客户一服务器 模型中每次通信均由随机启动的客户进程发起，服务器进程从开机起就处于等待 状态，这样可以保证服务器随时对客户请求作出响应，另外客户与服务器之间的 请求应答模式为相互通信进程之间的数据同步传输提供了有力的支持。 但是图6 2 所示的客户一服务器模型对于系统的开放性、扩展性而苦都是不 利的，因此图6 3 所示的三层结构得到了更为广泛的应用。 图6 3 窖户一服务器模型( 三层) 在三层结构中，客户机的业务处理大量放在应用服务器端实现，使得客户专 注于人机接口而服务器专注于业余处理并能够减少客户和服务器之间的流量，这 也是所谓瘦客户一胖服务器的概念。 6 1 2 电信网络管理系统的功能 电信网络管理系统的管理功能根据应用范围的不同划分为五个大类：性能管 理、故障管理、配置管理、计费管理和安全管理。至于一个电信网络管理系统应 该配置什么样的管理功能，则取决于所需要的管理业务，与不同的电信设备相关， 并不要求必须具备标准中定义的所有功能，比如交换网管理应该有计费、性能、 故障、配置和安全管理功能，而信令网管理系统则可能只需要性能、配置和安全 管理。 华东师范大学硕士学位论文 第六章接入两网管 6 2 接入网网管遇到的问题 6 2 1 接入网网管遇到的问题 接入网是迄今为止，各种技术综合最多的一个网络。仅从传送技术的角度 来说，就有p d h 、s d h 、p o n 、a t m 、d l c 、h f c 和各种无线传送技术等。以 目前的技术水平，对采用单一传送技术的网络( 如s d h ) 进行综合管理已经感 觉到它的技术难度了，而对于接入网这样一个采用多层次、多范围的网络，其综 合管理的困难程度可想而知。 接入网是一个用户敏感性最强的网络。接入网直接面对用户，用户对业务 质量方面的问题都是通过接入网感觉到的。一旦接入网发生问蹶，用户肯定会感 觉到，甚至其它业务网的问题有时也会通过故障传播由接入网使用户感觉到。由 于网管系统的作用之一就是为保证业务质量提供支持，因此，用户敏感性强的网 络管理比一般的网络管理困难要大得多。 接入网是与其它业务网关系最密切得网络。接入网是本地电信网的一部 分，和本地网的其它部分关系非常密切。一般的业务网的网管是可以先单独建立， 以后再考虑和其它网管的综合问题。而接入网网管系统的建设一开始就必须要考 虑和本地电信网中其它部分网管系统的综合问题，不解决和其它网管的综合问 题，接入网网管就不能开始运行。 接入网又是一个变化最快的网络，由于接入网本身还在不断发展，一些可 用于接入网的新技术还将不断出现，而且，很难预料会出现什么样的新技术，因 此我们在对接入网的认识、使用和建设方法上都可能存在一个认识的变化过程。 对于建立这样一个还会不断发生变化的网络的网络管理系统，并要保证该网管系 统的可持续性建设，这就对于其网管系统规范提出了很高的要求。 接入网是一个适应性要求最高的网络。对接入网各个方面的适应性，比其 它网络的要求都要高，如，接入网带宽的范围、地理覆盖的范围、接入业务的种 类、电源和环境的要求等等，这些在其它业务网中不存在的问题，在接入网中变 成了不可回避的问题。这些问题不仅对接入网的适应性提出了很高的要求，也对 接入网网管规范提出了很高的要求。 6 2 2 管理范围 接入网的管理范围主要包括以下三个方面。 华东师范大学硕士学位论文 第六章接入网嗣管 一般的网络管理 主要是接入网的配置管理和性能管理，包括各种类