（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式系统的epon网络管理系统的研究与实现.pdf

l 海大学硕学位论文 摘要 本文主要的研究内容是基于嵌入式系统的e p o n 网络管理系统的研究与实 现，该项技术是实现以太无源光网络( e p o n ) 的关键技术之一。 本设计以$ 3 c 4 5 1 0 b 和$ 3 c 2 4 1 0 芯片为核心，以u c l i n u x 和a r m l i n u x 为操 作系统平台，搭建了一套e p o n 网络管理系统的硬件平台。同时，本文在分析 e p o n 网络管理系统需求的基础上，设计了e p o n 网络管理系统的总体架构，实 现了e p o n 网络管理系统的基本功能。经测试，该系统的各项性能指标均达到预 期设计目标。因为本系统采用基于a r m + l i n u x 的嵌入式系统方案，所以系统的 实现成本低、适用性广，具有较强的实用价值。 基于o a m 的传输机制是e p o n 网络管理系统的核心技术之一，本文通过 对o a m 的发现机制的研究，提出了一种基于t c p 协议的协商握手机制，解决 了o a m p d u 帧传输过程中的可靠性和高效性的问题，具有创新性。 同时，本文通过对i e e e 8 0 2 3 a h 协议中关于e p o nm i b 库描述的分析，设 计了一种新的m i b 库的建库模型和搜索算法，解决了基于嵌入式系统的e p o n 网络管理系统运行速度和硬件平台资源需求的问题，实现了一种低成本、高效 率的网络管理系统的方式，具有创新性。此外，本文对软件系统的设计采用了 多线程的机制，提高了系统的运行效率和稳定性。 e p o na g e n t x 协议与s n m p 协议的结合机制的实现是e p o n 网络管理系统 的难点问题之一，本文设计了一种m i b 库转换的机制，解决了这两种协议的结 合问题，具有创新性。 上述这些观点和设计并未脱离网络管理的基本理论范围，并从一定程度上 完善了现有网络管理系统的设计与实现方式。 由于e p o n 是一种新型的宽带接入网，还没有真正进入大面积的推广实用 阶段，如果本e p o n 网络管理系统和自主研发的e p o nm a c 控制芯片得到进 一步整合和优化，那么将会在不久将来的宽带接入网设备的竞争中取得优势地 位，并具有广阔的应用前景。 关键词：以太无源光网络、网络管理协议、嵌入式系统、l i n u x v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i s m o s t l y d i s c u s s e dt h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h en e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e mo fe p o nb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ，t h i st e c h n o l o g yi st h ek e y t e c h n o l o g yo f e p o n t h i sd e s i g nw a sb u i l taw h o l eh a r d w a r ef l a tw h i c hw a sb a s e do n $ 3 c 4 5 1 0 ba n d $ 3 c 2 410c h i p sa n da l s ow a sb a s e do na r m l i n u xo s m o r e o v e r , a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to fn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m ，i td e s i g n e d t h ew h o l es y s t e ma n d r e a l i z e dt h eb a s i cf u n c t i o no fe p o nm a n a g e m e n ts y s t e m t h es y s t e mp e r f o r m a n c e a c h i e v e dt h ed e s i g ng o a la f t e rt e s t t h i ss y s t e mw a sb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ，s o t h ec o s tw a s l o wa n di tw o u l db eu s e dw i d e l y t h eo a mt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi sac o r et e c h n o l o g yi nt h ee p o n m a n a g e m e n ts y s t e m t h i st h e s i sp u tf o r w a r dan e wn e g o t i a t i o nm e c h a n i s mb a s e d t c pb yt h er e s e a r c ho fd i s c o v e r ym e c h a n i s ma n ds o l v e dt h ep r o b l e mo f d e p e n d a b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c yi nt h eo a m p d u t r a n s m i s s i o np r o c e s s a tt h es a m et i m e ，t h i st h e s i sp u tf o r w a r dan e wm o d e lo fe p o nm i bl i b s b u i l d i n ga n ds e a r c ha r i t h m e t i cb a s e do nt h ed e s c r i p t i o no fe p o nm i bl i bi nt h e i e e e 8 0 2 3 a h ，i ts o l v e dt h ep r o b l e mo fs p e e da n dr e q u i r e m e n to f t h i ss y s t e m ，i ta l s o r e a l i z e dal o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c yn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m a l s ot h i st h e s i s i n t r o d u c e dt h em u l t i p t h r e a dm e c h a n i s mi no r d e rt oe n h a n c et h es y s t e m se f f i c i e n c y a n dd e p e n d a b i l i t y t h ec o m b i n a t i o np r o b l e mo fe p o na g e n t xp r o t o c o la n ds n m pp r o t o c o lw a sa d i f f i c u l t yi ne p o nm a n a g e m e n ts y s t e m t h i st h e s i sd e s i g n e dam i bc o n v e r s i o n m e c h a n i s ma n ds o l v e dt h i sp r o b l e m t h e s ev i e w p o i n t sa n dd e s i g nd i d n tb e y o n dt h ed o m a i no fn e t w o r km a n a g e m e n t t h e o r ya n dc o n s u m m a t e dt h er e a l i z a t i o nm o d eo fn e t w o r km a n a g e m e n ta tac e r t a i n e x t e n t a san e wb r o a db a n da c c e s sn e t w o r k ，e p o nh a dn e v e rb e e nu s e da b s o l u t e l y i f t h i ss y s t e mw a sc o m b i n e dt h ee p o nm a cc o n t r o lc h i pe x c e l l e n t l y , i tw o u l d h a v ea w i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：e p o n 、n e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l 、e m b e d d e ds y s t e m 、l i n u x i 二海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 社会的信息化建设以通信网络的建设为其硬件基础和必备条件，全球信息 高速公路的瓶颈不在骨干网，也不在城域网，而在于接入网。宽带接入正成为 世界和中国电信业新的业务增长点，各运营商都在大力发展宽带接入业务，而 e p o n 是宽带接入网的最新技术5 】1 3 1 】1 3 4 3 8 1 。当前的宽带接入网技术，无论双绞 线x d s l 、同轴电缆c a b l em o d e m 、5 类线l a n 都因带宽有限、可靠性差、安全 性不高而只能是过渡的技术。e p o n 系统是以光纤到家( f t t h ) 和光纤到楼( f t t b ) 为目标，是全光接入网的最经济的方式，是信息高速公路最初一英罩的最终解 决方案，是电话、电视、数据三网合一的最后归宿。它的实现将加快推进社会 信息化将的进程，具有重大意义。 通信网络的网络管理系统是通信网络的重要组成部分，网络管理技术一直 是通信网络技术中的研究热点和重点之一。网络管理系统是通信网络进行可靠、 高效、稳定运行的重要保证，基于e p o n 系统的宽带接入网建设也同样如此。网 络管理系统是e p o n 宽带接入网中的重要关键部分，新的网络管理系统的建设不 但要考虑对以前的设备、网管协议的兼容，还要考虑对今后发展的可扩展性， 所以对e p o n 的网络管理系统的研究是非常有必要的。 1 2e p o n 概况 典型的e p o n 系统如图卜1 所示2 1 ，它由o l t 、o n u 、o s 这三部分组成。 o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) 称为光线路终端，般放在中心机房( c o ) 。 上海人学硕士学位论文 o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 称为光网络单元，一般放在用户端。o s ( o p t i c a l s p l i t t e r ) 称为无源光纤分路器，是一个连接o l t 和o n u 的无源器件。 在一个e p o n 系统中，o l t 既是一个交换机又是一个多业务提供平台( m s p p ) ， 它提供面向无源光纤网络的光纤接口，是整个e p o n 系统的控制核心部件，它主 要完成的功能有： ( 1 ) 以广播方式向o n u 发送以太数据包； ( 2 ) 发起并控制o n u 注册和测距过程，记录测距信息； ( 3 ) 针对用户的q o s 要求分配o n u 的带宽，即控制o n u 发送数据的起始时刻 和发送时间窗口的大小； ( 4 ) 其它相关的以太网功能。 根据以太网向城域和广域方向发展的趋势，o l t 可以提供多个g b i t s 的以 太网接口，同时o l t 还可以支持其他流行的协议如a t m 、f r 及e 3 、s t m - 1 等速 率的t d m 连接，除了提供网络集中和接入的功能外，o l t 还要进行网络管理。 o n u 是用户接口单元，主要完成的功能有： ( 1 ) 选择接收0 l t 发送的广播数据包； ( 2 ) 响应o l t 发出的注册和测距命令： ( 3 ) 对用户的以太数据进行缓存，向o l t 报告缓存的队列情况； ( 4 ) 其它相关的以太网功能。 0 s 是一个简单部件，它不需要电源，可以置于全天候的环境中，一般一个 o s 的分线率为1 4 、1 8 、1 1 6 或1 3 2 ，并可以多级串接。在e p o n 中，0 l t 与 o n u 之间的距离最长可达2 0 k m 。 e p o n 相对于现有接入技术的优势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 与现有以太网的兼容性：以太网技术是迄今为止最成功和成熟的局域网 技术。e p o n 对现有i e e e 8 0 2 3 协议作一定的补充和延伸，把局域网变成 了接入网。在协议方面，这种兼容性使e p o n 系统比其他接入网在市场推 广方面具有更大的优势。 ( 2 ) 宽带宽：根据目前制订的国际标准，e p o n 的下行信道为千兆广播信道， 而上行为用户共享的千兆信道，这比目前的宽带接八方式，如c a b l e m o d e m 、a d s l 甚至a t mp o n ( 下行6 2 2 1 5 5 9 b p s ，上行共享1 5 5 m b p s ) 都 上海大学领二卜学位论文 要宽得多。 ( 3 ) 低成本：首先，由于网络采用的是无源p o n 的结构，e p o n 网络节省了大 量光纤、光器件及维护的费用；其次，以太网本身的价格优势，如廉价 的器件和安装维护，使e p o n 具有a t mp o n 所无法比拟的低成本的优势。 由于e p o n 系统具有上述这些优点，今后e p o n 系统一定会取代传统的以太 局域网，成为以太接入网的主要方式，从而最终实现光纤到楼、光纤到家，e p o n 系统是实现三网融合的最终解决方案。 1 3e p o n 网络管理概况 e p o n 系统具有规模大、功能复杂、支持多用户、提供多服务等特点，如何 使网络各个部件协同工作，如何更加有效地操作、维护和管理e p o n 系统，是 e p o n 系统必须解决的问题。只有通过强大的网络管理才能充分利用e p o n 网络 的强大功能，因此有效的网络管理能力是评价e p o n 网络的一个重要指标3 1 。 网络管理应当遵循如下原则： ( 1 )网络管理信息带来的通信业务量不应使总的网络通信流量明显增加： ( 2 ) 被管设备的协议代理不应该显著增加处理的开销，以免影响设备的主要 功能。 1 4 国内外e p o n 网络管理技术的发展现状 e p o n 的协议i e e e 8 0 2 3 a h 的正式文本已于2 0 0 4 年6 月底诞生。国外已有 多家公司推出了e p o n 产品【“，如a t r i c a 、c i s c o 、i n t e r n e tp h o t o n i c s 、s a li r a 和a 1 l o p t i c 等公司都研制了e p o n 产品，但e p o n 市场还并未产生。在2 0 0 1 年 7 月，中国网通采用了s a l i r a 的e p o n 设备开始了e p o n 的商用化试验，2 0 0 2 年9 月起在北京中关村等地进行试点。此外，中国网通配合长飞公司在2 0 0 4 年 进行了中国光谷的f t t h 示范工程，通过示范，a l l o p t i c 的e p o n 设备获得了 优选。长城宽带则在2 0 0 3 年8 月丌始与日商富士通合作进行e p o n 的布建，建 立首个与设备商合作的发展模式。而中国电信则采用了a l l o p t i c 的e p o n 产品 开始商业用户的试验。国内厂商如烽火、华为、中兴等的e p o n 产品尚处于研 发阶段，没有达到商用阶段。随着国际上g e p o n 标准的成熟，中国电信已明 r 海大学硕士学位论文 确表示将采用带宽分配灵活，可封装承载多种业务的e p o n g e p o n 技术作为 未来主要的光接入技术。目前，国内仅有上海贝尔阿尔卡特进行有关产品的开 发并保持与世界水平的同步，国内其他厂商的对g e p o n 产品的研发相对迟缓。 由于e p o n 是一种新型的宽带接入网，还没有真f 进入大面积的推广实用阶 段，可以况还没有真f 成熟的e p o n 网络管理系统，因此本课题的研究具有实际 的意义。 上海大学通信学院2 0 0 1 年申报和承担了上海市光科技专项行动计划项目 “e p o n 用突发千兆位光收发器”，并于2 0 0 5 年年初通过了专家组的验收。经过 四年跟踪i e e e 8 0 2 3 a h 和科技攻关，已自主掌握千兆位突发光收发技术，并致力 于开发e p o n 设备。本课题的主要目的就是为开发一套完备的e p o n 网络管理系 统打下基础，研究和解决在e p o n 网络管理系统的实现过程中的一些关键问题与 技术难点。 1 5 研究嵌入式l i n u x 环境下e p o n 网络管理系统的意义 和目的 从应用角度来说，网络管理技术是实现e p o n 系统的核心技术之一。随着网 络的带宽越来越大，多媒体业务的应用越来越多，人们对网络的依赖性越来越 强，因而对于网络的性能要求也越来越高。如果网络发生了故障，就会给用户 的工作和生活产生很大的影响，甚至会造成巨大的经济损失。作为一个网络提 供商，要尽量做到当故障发生后能够在最短的时间内发现并排除它，使网络尽 快恢复f 常的运行。这就要求对网络设备的运行情况进行监视，在设备出现故 障后能及时地通知网络管理人员，让他们采取措施进行修复，这就是网络管理 应该具有的最基本的功能，而对于e p o n 系统来说，这一点尤为重要。 e p o n 系统的千兆信道，对于网络设备f 常工作的要求是十分严格的，一旦 网络设备出现问题，如果没有完善健壮的网络管理系统，将导致整个网络瘫痪 而得不到及时的解决，并且大量带宽需求高的业务的服务质量得不到保证。因 此，一个好的网络管理系统，是e p o n 系统正常运行的保障。 在嵌入式系统上研究该技术，具有特别的现实意义。目前为止，大多数的 i 二海大学硕十学位论文 网络管理的实现是基于p c 机平台的。我们知道，并不是所有的网络设备都是 放在条件优越的机房内，还有许多用于条件恶劣的自然环境和工业环境的网络 设备。如果要对这些网络设备进行管理，现场往往需要的是即插即用的设备， 这种设备由于其专用性，要求可靠性更好、成本更低，操作更方便，因此这样 的设备就具有广阔的应用场合和广泛的应用前景。 从推广应用的经济角度来说，e p o n 结合了以太技术的简单性、光纤传输 的高带宽以及点到多点的传送方式，实现经济的、可控制的、多业务的宽带接 入。如果采用基于a r m 芯片的嵌入式平台来实现网络管理，那么相比基于通用 p c 机平台而言，节省了大量的硬件资源和实现成本。尤为重要的是，采用免费 的嵌入式l i n u x 操作系统和基于嵌入式l i n u x 操作系统平台下开发特定的网络 管理软件系统，就不需要额外购买操作系统和通用的网络管理软件， 基于上述的原则，本课题研究的目的是在嵌入式环境下，实现对e p o n 系 统进行有效的网络管理，该系统的实现，可以进一步降低整个e p o n 系统的构 建成本，更利于推广应用。 1 6 本文所做的主要工作，创新点及论文的结构 本课题的研究得到上海市重点学科建设项目资助( 编号：t 0 1 0 2 ) 和上海市 科技基金项目“综合业务光纤到户接入系统在临港新城应用的研究”( 编号： 0 4 d z l 2 0 4 5 ) 的资助，项目的开发凝聚了整个课题组成员的努力和智慧。本文作 者主要负责基于嵌入式系统的e p o n 网络管理系统的研究及本系统软硬件平台 的开发设计与实现。 本文作者所做的主要工作如下： ( 1 ) 从系统硬件设计的需求和可重用性等方面的考虑出发，设计基于 a r _ m 9 2 0 t 核处理器的嵌入式o l t 设备控制核心板和基于a r m 7 t d m i 核处理器的嵌入式o n u 设备控制核心板的硬件平台，并在此嵌入式硬 件平台上实现了对$ 3 c 2 4 1 0 和$ 3 c 4 5 1 0 b 的b o o tl o a d e r 的移植以及对 嵌入式l i n u x 内核和文件系统j f f s 2 的移植工作，建立起了e p o n 网络 管理系统开发的嵌入式系统平台，并且此平台可以作为通用嵌入式系统 的开发平台； 海犬学硕+ 学位论文 ( 2 ) 在分析e p o n 网络管理系统需求的基础上，提出了基于嵌入式系统的 e p o n 网络管理系统的总体架构，实现了s n m p 协议和i e e e 8 0 2 3 a h 规 定的a g e n t x 协议的有机结合来管理e p o n 系统的设计目标，该系统具 有支持e p o n 系统的动态扩展、系统的健壮性强等优点： ( 3 ) 根据e p o n 网络管理系统的系统需求，设计和实现了比较完整的e p o n 网 络管理软件。该软件系统共包含六个模块，这六个模块包括o l t 设备和 o n u 设备的核心板的底层驱动程序的设计及实现、m i b 库的设计及查 询m i b 的方案的实现、o a m p d u 帧的报文解析和处理模块、o l t 与 o n u 通信机制的设计实现、基于h t t p 协议的远程控制模块和基于 s n m p 的网络管理软件系统模块； ( 4 ) 根据0 l t 和0 n u 设备中m a c 层处理芯片的特点，给出了其底层驱动程序 中有关读操作的两种实现机制的设计方案，并得到了实际验证； ( 5 ) 深入探讨关于嵌入式l i n u x 的多线程机制在e p o n 网管系统的设计与实 现的问题，多线程机制的运用提高了本系统的运行效率和稳定性。 本文的主要创新点如下： ( 1 ) 通过对o a m 的发现机制的研究，提出了一种基于t c p 协议的协商握手 机制，解决了o a m p d u 帧传输过程中的可靠性和高效性的问题； ( 2 ) 通过对i e e e 8 0 2 3 a h 协议中关于e p o nm i b 库描述的分析，设计了一种 新的m i b 库的建库模型和搜索算法，解决了基于嵌入式系统的e p o n 网 络管理系统运行速度和硬件平台资源需求的问题，实现了一种低成本、 高效率的网络管理系统的方式； ( 3 ) 提出通过s n m p 协议和h t t p 协议这两种协议把对主代理o l t 的查询、 控制与管理相隔离，即管理数据平面和用户数据平面相隔离的设想，并 设计和实现了基于w e b 的远程管理控制方案； ( 4 ) 设计了一种m i b 库转换的机制，解决了s n m p 协议和e p o na g e n t x 协议 结合的问题。 论文的篇章结构安排如下： 第一章介绍了课题的背景、课题研究的意义、e p o n 的原理及特点和目前国 l 海大学硕1 ：学位论文 内外研究的现状，给出了本文作者所作的主要工作、创新点和论文的结构； 第二章在分析e p o n 网络管理系统需求的基础上，设计了e p o n 网络管理系 统的总体架构： 第三章介绍了基于嵌入式系统的e p o n 网络管理系统的硬件系统平台的设 计与实现的整个过程； 第四章介绍e p o n 网络管理系统的软件系统平台的设计与实现的整个过程； 第五章对e p o n 网络管理系统实现过程中的难点技术问题进行了分析并提 出解决方案。 1 7 本章小结 本章首先介绍了课题的背景、e p o n 及e p o n 网络管理的概述、国内外e p o n 网络管理技术的发展状况。然后指出了研究基于嵌入式l i n u x 环境下的e p o n 网 络管理系统的意义和目的。最后，着重指明了本文所完成的工作、理论创新点 和论文的结构。 r 海大学颂l 学位论文 第二章系统总体设计方案 本章通过对e p o n 网络管理系统需求的分析，提出了基于嵌入式系统的 e p o n 网络管理系统的总体架构，该系统具有支持e p o n 系统的动态扩展、系统 的健壮性强等优点。 同时，本文针对其嵌入式的特点，对所选择的嵌入式芯片和操作系统进行 了分析，采取基于a r m + l i n u x 的嵌入式系统方案，系统的实现成本低、适用性 广，具有较强的实用价值。 2 1 基于嵌入式系统的e p o n 网络管理系统需求分析 e p o n 网络管理系统主要是通过对e p o n 网络系统中的o l t 、o n u 的管理 信息进行实时监控来保证网络良好的运行状态1 1 【6 】。因此，e p o n 网络管理系 统的设计需要以下几点基本功能： 1 ) 具有友好的用户图形界面，便于管理员的操作； 2 ) 提供配置、故障、性能和安全四大基本的网络管理功能： 3 )e p o n 系统要符合i e e e 8 0 2 3 a h 协议的规范，也就是o l t 和o n u 之间的 通信要符合8 0 2 3 a h 规定的a g e n t x 协议，而且还要与s n m p 网络管理协 议有很好的兼容性： 4 )充分考虑系统的可扩充性及网络的规模，支持系统的动态扩展，能够对系 统进行更有效地管理； 5 ) 有完善的日志功能，当r 志选项使能时，对用户的操作、系统中设备的增 删和变化、告警历史及故障数据都有详细的日志记录。 2 2 基于嵌入式系统的e p o n 网络管理系统设计 基于嵌入式系统的e p o n 网络管理系统由o l t 、o n u 、w e b 客户端和网络 管理工作站( n m s ) 组成1 1 4 】 6 1 2 4 】，其中n m s 系统具备针对e p o n 的配置、 故障、性能和安全等管理功能，它通过s n m p 协议对e p o n 中的各个网元进行 管理，使整个系统能e 常高效地运行。当出现故障时能及时报告和处理，并协 调和保证系统的正常工作，从而使e p o n 系统的资源得到更加有效的利用。整 上海人学硕士学位论文 个e p o n 网络管理系统如图2 1 所示。 n m s 由一个三层结构和一个数据库构成，三层结构的上层是g u i 图形用 户界面，提供网络管理员操作的友好界面；中间层是配置管理( c o n f i g u r a t i o n m a n a g e m e n t ) 、故障管理( f a u l tm a n a g e m e n t ) 、性能管理( p e r f o r m a n c e m 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 m ) 等功能层；底层是s n m p 管 理器( s n m p m a n a g e r ) 和数据库，数据库存储管理对象的当前状况和故障、性 能和安全的日志。w e b 客户端是任意一台连上i n t e r n e t 的p c ，它可以通过h t t p 协议访问o l t 设备。根据o l t 设备所设定的访问权限的不同，客户端的用户 对整个嵌入式e p o n 网络系统的操作与控制也不同，比如，普通用户只能查询 某些状态信息，而超级用户则可以对设备进行维护和修改参数。通过s n m p 协 议和h t t p 协议这两种协议，将查询、控制和管理隔离，很好的体现了管理数据 平面和用户数据平面相隔离的思想。在e p o n 系统内部的o l t 与o n u 之间， 则采用8 0 2 3 a h 规定的e p o n o a m 的机制进行管理通信，o l t 作为主代理( m a i n a g e n t ) ，o n u 作为子代理( s u ba g e n t ) ，o l t 通过o a m 协议与o n u 进行通信 和收集信息，将它们转换为其他层能理解的内容进行传送，s n m p 管理器则直 接从0 l t 获得信息，从而完成整个系统之间必要的信息交流。 图2 - 1e p o n 网络管理系统框图 l 海大学硕，：学位论文 2 3 基于嵌入式系统的e p o n 网络管理系统的组成 2 3 1 管理工作站 管理工作站一般是一个独立的设备，它的主要任务是从s n m p 代理处收集 被管理设备的信息，将信息整理存储到数据库中，同时为客户端有序地提供管 理晃面和管理信息，向代理下达设置命令，接收代理的事件报告( t r a p ) ，并且 还要保证管理系统的安全。 图2 2 是本系统提出的一种架构设计示意图i ”】。它的结构要点如下： 管理刚通信接口 图2 2 管理站系统架构 1 ) 人机界面模块：只包含公共部分，负责全局的界面功能，各个功能块的特定 界面交互功能由各功能块自行实现； 2 ) 功能数据中心：将特定的界面和数据库接口相结合，形成独立性很强的功能 单元； 3 ) 轮询模块：设计为一个功能数据中心，具有与其它功能数据中心相一致的接 口方式； 0 上海大学硕 学位论文 4 ) 调度中心：在界面、各功能数据中心和通信线程问传递数据和消息，决定数 据流动的逻辑； 5 ) s n m p 协议单元：网络管理协议的通信实现部分，对各种s n m p p d u 进行 打包、拆包、发送和接收等一系列的操作； 6 ) 管理站通信接口：和o l t 通信的接口，s n m p 协议单元和o l t 中的代理 ( a g e n t ) 直接相连，作为网络管理协议通信的接口。 2 3 2w e b 浏览器客户端 w e b 浏览器客户端般是可以连入i n t e m e t 的p c 机，它与o l t 设备的通 信机制是基于h t t p 协议的，通过输入o l t 设备的i p 地址，可以对o t l 设备中 的有关信息和其本身的设备信息进行远程查询和控制，根据o l t 设备所设定的 访问权限的不同，客户端的用户对整个嵌入式e p o n 网络系统的操作与控制也 不同。 2 3 3 代理 在本系统中，有两种代理，即主代理( 在o l t 中) 和子代理( 在o n u 中) ， o l t 中的主代理和o n u 中的子代理都是用嵌入式系统来实现的，在第四章和 第五章中我们就将重点讨论基于嵌入式系统的o n u 予代理和o l t 主代理的设 计与实现。以下先对这两种代理的功能模块及其与管理站之间的通信作一个简 要的说明【2 3 1 d 2 i 。 o l t 管理系统的系统框图及其与管理器的通信如图2 3 所示。主代理o l t 模块主要包括： 1 ) s n m p 代理：主要实现o l t 与n m s 之间通过s n m p 协议进行通信的功能， 如s n m p 数据包的解析、组装等： 2 ) s n m p m i b ：主要实现s n m p m i b 库的建立、访问、设置、更改等的功能； 3 ) a g e n t x m i b ：主要实现a g e n t x m i b 库的建立、访问、设置、更改等的功能； 4 ) 数据采集模块：主要实现对物理层管理对象，如电压、温度、光功率等信息 的采集，并添加入a g e n t xm i b ； 5 ) m i b 转换模块：主要实现基于s n m p 协议的m i b 库和基于8 0 2 3 a h 中的 上海人学硕士学位论文 a g e n t x 协议的转化； 6 ) a g e n t x 代n - 由于子代理o n u 要向主代理o l t 注册自己的m i b 区域，所 以o l t 还要维护一张包含各个o n u 管理信息的表，表中包含变量的名、变 量的值、变量的o i d 以及变量的枝叶信息。s n m p 和i e e e 8 0 2 3 a h 中的o a m 协议转换时，就可以根据这个表的内容查找到所需要的信息组成相应的 o a m p d y 。 图2 3o l t 的系统框图及其与管理器的通信 子代理o n u 的系统框图如图2 - 4 所示，它相对于管理器来说是完全透明的， 其结构包括代理、网元m i b 、数据采集模块与f p g a 接口等。 子代理的功能模块与主代理的功能模块相比，子代理的功能模块只是主代 理的一部分，子代理必须实现以下的功能： 1 ) 与主代理o l t 建立通信机制； 2 ) 向主代理o l t 注册m i b 区域； 3 ) 初始化被管理对象，维护本地m i b ； 4 ) 对变量执行管理操作； 5 ) 当发生故障或者异常事件时发送通知给主代理o l t 。 匕海人学硕士学位论文 图2 - 4 子代理( o n u ) 的系统框图 由于e p o n 网络管理系统本身就是一个比较复杂的大系统，因此管理信息 数据的传输也比较复杂。文章首先对其传输流程做个简要的介绍，文章的第四 章将详细介绍其管理数据的软件实现过程。e p o n 网络管理系统的管理信息数 据的传输过程如下所示：通过数据采集模块，o l t 和o n u 代理分别将被管设 备的状态写入o l t 和o n u 的m i b 库中。管理器向主代理发送查询指令后，主 代理先判断是查询o l t 的还是o n u 里的m i b 信息，如果是o l t 的，则直接 查询o l t 的基于s n m p 协议的m i b ，把需要的信息经由s n m p 协议数据报打 包，再通过u d p f l p 协议和8 0 2 3 m a c 向数据通信网络物理层发送。数据通信 网络物理层上的管理器接收s n m p 协议数据报，就获得了o l t 设备的状态数据。 如果要查询的是o n u 中的m i b 信息，则首先要查询o l t 的基于s n m p 协议 的m i b ，如果未查询到有关信息，则调用o l t 的a g e n t x 主代理模块，以 o a m p d u 帧格式向o n u 发出请求，o n u 的从代理模块收到请求后，查找m i b ， 找到所需的信息，再组成带有所需信息的o a m p d u 帧，向o l t 发出响应。o l t 的主代理模块得到响应，从o a m p d u 帧中提取出有用信息存入到a g e n t xm i b ， 并调用m i b 转换模块，将信息转移到s n m pm i b 。与此同时，调用s n m p 代 理模块，将此信息经由s n m p 协议数据报打包，并再通过u d p i p 和8 0 2 3 m a c 向数据通信网络物理层发送。数据通信网络物理层上的管理器接收s n m p 协议 上海丈学硕士学位论文 数据报，就获得了o n u 设备的状态数据。通过以上的几大步骤，管理信息才 完成数据传输的整个过程。 2 4 嵌入式处理器选型 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。目前3 2 位嵌入式处理 器市场主要的产品是m o t o l o r a 公司p o w e rp c 系列，6 8 k c o l d f i r e 系列、m i p s 系列、i n t e l 公司的8 6 系列以及a r m 系列。其中使用最广泛的是采用a r m 内 核的一系列c p u ”】。由于a r m 系列有多达十几种的芯核结构，芯片内部的电 路组合结构千变万化，更有7 0 多家芯片生产厂家。因此如何选用芯片将会对系 统产生重要的影响。我们主要从以下几个方面来考虑f 7 f 8 】： 1 a r m 芯核的考虑。为了减少开发时间，降低开发难度，希望可以使用 l i n u x 操作系统。因此，我们根据a r m 芯核是否带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n t u n i t ) 功能，来选择u c l i n u x 或a r m l i n u x 。 2 中断控制器的考虑。a r m 内核只提供两个中断向量一快速中断( f i q ) 和标准中断( i r q ) 。但各个半导体厂商在设计芯片时加入了自己不同的中断控 制器，以便支持诸如串行口、外部中断、时钟中断等硬件中断。外部中断控制 是选择芯片必须考虑的重要因素，合理的外部中断设计可以很大程度的减少任 务调度的工作量。 3 芯片成本及开发难度的考虑。s a m s u n g 公司的a r m 7 和a r m 9 系列的 芯片在中国的嵌入式处理器市场占很大的份额。多家公司采用$ 3 c 4 5 1 0 、 $ 3 c 4 4 8 0 和$ 3 c 2 4 1 0 等芯片制作了开发板，因此互联网上相关的开发资源比较 丰富，这势必会大大降低开发难度，加快产品上市时间。 综上以上因素，由于o n u 设备放在用户端，成本因素较大，我们选择 s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 芯片作为o n u 设备的控制管理模块的核心处理芯片。 而o l t 设备放在局端，因此性能因素考虑较多，我们选择s a m s u n g 公司的 $ 3 c 2 4 1 0 芯片作为o l t 设备的控制管理模块的核心处理芯片。 l 海大学颂士学位论文 2 5 操作系统的选择 从2 0 世纪8 0 年代以来，陆续出现了一些嵌入式操作系统，这些操作系统 在研发人员的不断努力下，逐渐从简单走向了成熟。其代表性的产品主要有 v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、q n x 、l i n u x 等，国内比较著名的操作系统有d e l t a o s 等【9 1 1 0 】。 比较以上这些操作系统，我们最终选用的是l i n u x ，这基于以下几点考虑： 1 操作系统得易用性。l i n u x 系统的源代码是完全开放的，全世界数以万 计的工程师在共同维护着这个系统，产生了相当丰富的应用软件。 2 操作系统的互联性。l i n u x 的一大技术优势就是它采用了可移植的u n i x 标准应用程序接v i ，不光支持x 8 6 芯片，到目前为止，它可以支持二，三十种 c p u ，包括6 8 k 、p o w e r p c 、a r m 等。 3 商业因素。采用l i n u x 操作系统，突出的一个优点就是免版税。用户不 需要向任何组织交纳任何费用，在互联网上随时可以下载各种版本的l i n u x 源 代码。 2 6 基于嵌入式系统的e p o n 网络管理系统方案的特点 本章详细分析了基于嵌入式系统的e p o n 网络管理系统的方案设计，可以 看出这一方案具有以下的特点： 1 ) 采取嵌入式系统方案实现e p o n 网络管理系统，体现了其实现成本低，适 用性强等优点： 2 1s n m p 是在互联网上通用的协议，网络管理者能够方便地与城域网或广域 网进行网络联结和信息交流，并能很好地完成网络管理的基本功能，通过 s n m p 协议和h t t p 协议这两种协议，对主代理o l t 的查询、控制和管理隔 离，很好地体现了管理数据平面和用户数据平面相隔离的思想： 3 1 子代理o n u 对n m s 是完全透明的，也就是说网络管理者并不需要知道 e p o no a m 的存在，可以通过对主代理o l t 的访问来得到所需的o n u 的 对象实例并进行管理，并无额外的操作和负担： l 海大学坝十学位论义 4 ) 子代理o n u 只需实现e p o no a m ，通过e p o no a m 协议和主代理o l t 进行沟通，一切与管理站交互都由主代理o l t 完成。这为o n u 子代理的 设计与实现提供了基础； 5 ) 该系统支持e p o n 系统的动态扩展，增加或者删除o n u 变得很容易。当新 增一个o n u 时，并不需要在o l t 和n m s 端进行相应的初始配置，该o n u 将自行通知o l t 的主代理，并要求注册m i b 区域。o l t 则接受请求，分 配相应的索引并以s n m p 的消息格式通知网络管理站。同样，如果要删除 一个o n u ，o l t 则删除该o n u 注册的m i b 区域及索引值，并通知网络管 理站： 6 ) 各个o n um i b 库的是相对独立和分离，当某个o n u 出现故障时只对所在 进程产生影响，而不会破坏整个网络的运行，这样就提高了整个e p o n 网 络管理系统的健壮性。 2 7 本章小结 本章分析了基于嵌入式系统的e p o n 网络管理系统的需求，并在这个基础 上设计了e p o n 网络管理系统的总体架构，对其中的管理站、w e b 浏览器客户 端、主代理、子代理及其通信过程进行了阐述，提出了s n m p 和i e e e 8 0 2 3 a h 规定的a g e n t x 协议有机结合起来的e p o n 网络管理系统的设计。 同时，本文针对其嵌入式的特点，对所选择的嵌入式芯片和操作系统进行 了分析，最终确定了合适的芯片与操作系统。 根据以上的设计方案，本系统既能高效地对整个网络设备进行管理，又具 有支持e p o n 系统的动态扩展、提高系统的健壮性、可用性等优点，同时也满 足了市场对高性价比设备的最终要求，为今后推广应用打下基础。 上海大学硕士学位论文 第三章e p o n 网络管理系统的嵌入式系统 平台的设计与实现 本章首先介绍了e p o n 系统的整体的硬件体系架构，并且从系统硬件设计 的需求和核心系统可重用性等方面的考虑出发，提出了o l t 设备和o n u 设备 的控制管理模块采取核心板的设计方案，设计和实现了o l t 设备和o n u 设备 的c p u 核心模块的硬件电路，并针对其设计中的难点问题，如片选和中断的设 计进行了详细的分析。本文成功移植了p p c b o o t 和l i n u x 内核完成了e p o n 网络管理系统的嵌入式平台的搭建，为以后的e p o n 网络管理的应用软件的开 发奠定了良好的基础。 3 1e p o n 系统的硬件设计 如第一章所述，整个e p