（通信与信息系统专业论文）卫星信道动态备份系统主控模块的设计和实现.pdf

摘要 学科专业：通信与信息系统 论文题目： 卫星信道动态备份系统 主控模块的设计与实现 硕士生：李季导师：毛玉明教授 摘要： 针对c e r n e t 主干网升级的需要，本课题组设计和实现卫星信道动态备份 系统。该系统实施卫星信道动态备份策略，能够自动及时的建立或释放卫星备份 信道，从而提高c e r n e t 主干网络的可靠性，同时优化利用卫星通信资源。本 论文的目标是根据卫星信道动态备份系统总体设计方案的要求，设计和实现主站 和从站主控模块，其中包括系统核心模块一命令处理和状态控制模块，链路状态 轮询模块，配置管理界面模块。 本文首先介绍了卫星信道动态备份系统的总体设计方案，包括系统功能、系 统整体构成、信道分配、控制体系及软硬件结构等方面的设计；然后介绍了系统 主控模块的设计，包括软件开发环境和相关技术、上层软件模块涉及到的系统协 议、主站和从站软件的功能模块介绍；其次详细阐述了主从站各上层软件模块的 具体实现，包括主从站有限状态机的实现、系统状态表的实现、进程问通信模式、 主要通信报文和数据结构、主进程和轮询进程的具体流程以及基于t c l n c t 和w e b 的配置管理界面的实现；最后，介绍系统的软件测试，并作出了相应的结论。 【关键词】： 卫星信道动态备份s o c k e t 套接字配置管理界面p h p 进程间通信 、y 7 、- ?o o l a b s t r a c t s u b j e c t ：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 j o e ： d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o fm a i n c o n t r o l l i n gm o d u l e s o f t h es 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 m p o s t g r a d u a t e s t u d e n t ：l ij i s u p e r v i s o r ：m a oy u m i n g a b s t r a c t ： f o rt h en e e d so f u p g r a d i n gc e r n e tb a c k b o n e ，w ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h es c d b s ( s a t e l l i t ec h a n n e ld y n a m i cb a c k u ps y s t e m ) t h i ss y s t e mi sw o r k i n g u n d e ro u rd y n a m i c b a c k u pp o l i c y , a n d i tc a l ls e t u p o ro f fs a t e l l i t ec h a n n e l a u t o m a t i c a l l y i no r d e rt o i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t y o fc e r n e tb a c k b o n ea n d e c o n o m i z et h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nr e s o u r c ea tt h es a m et i m e t h eg o a l so fm y t h e s i sa r ed e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gt h eu p p e rs o f t w a r em o d u l e s ，i n c l u d i n gk e y m o d u l eo ft h ew h o l es y s t e m - - c o m m a n dh a n d l e ra n ds t a t ec o n t r o lm o d u l e l i i l l 【 p o l l i n gm o d u l e a n d c o n f i g u r a t i o ni n t e r f a c em o d u l e a b o v ea l l ，t h ed e t a i l so f t h es y s t e md e s i g no f s c d b sa r ed i s c u s s e di nm yt h e s i s ， i n c l u d i n g t h es y s t e mf u n c t i o n s ，s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h ep o l i c yo f a s s i g n i n gc h a n n e l ， t h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e nt h e u p p e r s o f t w a r e d e s i g n i n g i s i n t e r p r e t e d ，i n c l u d i n g t h e p l a t f o r m s o fs o l t w a r e d e v e l o p m e n t a n dc o r r e l a t i v e t e c h n o l o g y , t h ep r o t o c o l s i n v o l v e da n dt h es o f t w a r ef u n c t i o n a lm o d u l e f u r t h e r m o r e ，i i l l u m i n a t ei m p l e m e n t i n gs c h e m e so f u p p e rs o f t w a r em o d u l e s r e s p e c t i v e l y , s u c ha st h e f i n i 把s t a t em a c h i n e ，t h es t a t er e c o r dt a b l e ，t h ec o m m u n i c a t i o n sa m o n gp r o c e s s e s ， m a i nc o m m u n i c a t i o np a c k e t sa n di m p o r t a n td a t as t r u c t u r e s ，t h ep a r t i c u l a rf l o wo f m a i np r o c e s sa n dp o l l i n gp r o c e s sa n dr e a l i z a t i o no f c o n f i g u r i n ga n da d m i n i s t r a t i v e i n t e r f a c eb a s e do nt e l n e ta n dw e b a tl a s t ，t h es o f t w a r eo ft h es c d b si st e s t e d ，a n d t h ec o n c l u s i o n sa l ed r a w n f k e yw o r d s i ： s a t e l l i t ec h a n n e ld y n a m i cb a c k u ps o c k e t c o n f i g u r a t i o ni n t e r f a c e p h p c o m m u n i c a t i o n sa m o n gp r o c e s s e s j j 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。具我所知，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：蕉垒日期：。，年斗月五日 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秘后应遵守此规定) 签名： 痞晷 导师签名：孙阑 日期：埘)年q 月 日 皇三型垫查兰堡主堕塞= 里星焦堕垫查鱼丝墨堕圭丝堕堡塑垦生塑窒兰一 第一章 引言 1 1c e r n e t 简介 中国教育和科研计算机网( c e r n e t ) 是我国政府首批批准的四大互联网之一， c e r n e t 示范工程1 9 9 4 年1 1 月由国家计委立项建设。1 9 9 5 年1 2 月c e r n e t 示范 工程项目提前一年通过国家鉴定验收，该项目由国家教育委员会主持，清华大学等 十所高校承担示范工程的建设。1 9 9 7 年由国家计委立项，对c e r n e t 主干网进行 了升级，采用天地信道联合组网，提高了网络的速率、覆盖范围、以及信道的可靠 性。c e r n e t 目前已经联网的教育科研单位已有近5 0 0 个，联网城市超过7 0 个， 网络用户已j 丘1 0 0 万人。 建网之初考虑到高校的分布情况、通信基础设施的具体情况和地理位置等因素， 北京、上海、沈阳、广州、武汉、成都、南京、西安八大城市，既是我国公用分组 交换网及长途电话网的汇接节点，又是高等院校和科研院所相对较为集中的地区中 心，因此将主干网节点设置在这些城市，并以这些城市为中心，构筑地区网络。以 至于最终形成c e r n e t 是一个包括全国主干网、地区网和校园网在内的三级层次 结构的网络。 1 2c e r n e t 主干网的发展 在1 9 9 5 年c e r n e t 示范工程建设中，主干网租用电信的d d n 线路，基本速 率为6 4 k b p s ，网络拓扑如图1 - 1 所示： 电子科技大学硕士论奎二里墨焦望垫查鱼坌墨竺圭丝堡鉴堕望生翌窭里一 一一一 图1 - 1c e r n e t 主干网拓扑( 1 9 9 5 年) 1 9 9 6 1 9 9 7 年，在原网络拓扑的基础上，部分主干网线路升级为5 1 2 k b p s ，并 增加了北京至武汉的5 1 2 k b p s d d n 和北京至南京的5 1 2 k b p s d d n ，网络拓扑如图 1 2 所示： 图1 - 2c e r n e t 主干网拓扑( 1 9 9 7 年8 月) 1 9 9 7 1 9 9 9 年，c e r n e t 采用d d n 信道和卫星信道联合组建新的主干网。其 中，利用卫星信道将c e r n e t 主干网核心信道升到2 m ，继续保持原来d d n 信道 电子科技大学硕士论文一卫星信道动态备份系统主控模块的设计和实现 作为备份信道。网络拓扑如图1 3 所示 图l - 3c e r n e t 天地信道联合主干网拓扑( 1 9 9 8 年) 1 9 9 9 年，c e r n e t 立项开始建设采用在光纤网络s d h 上直接运行i p 技术( i p o v f f fs d h ) 的高速主干网，基本速率将达到6 2 2 m 2 5 g 。卫星信道将作为主干网的 备份信道，部分d d n 信道仍作为备份信道。网络拓扑如图1 - 4 所示： 图1 - 4 c e i u 腰t 主干网升级拓扑 电子科技大学硕士论文一卫星信道动态备份系统主控模块的超塑 ! ! 婴 1 3 项目背景和目标 在c e k n e t 采用地面光纤s d h 网络作为主干网的主要通信手段以后，主干网 的数据传输速度将大幅度的提高。同时，为了保证c e r n e t 主干网络的健壮性，抗 毁性，计划将原来的空中卫星信道改作为她面高速光纤网络的备份信道。具体的讲， 即是将每对主干网节点之间的空中卫星信道作为相对应的地面链路的备用通信链 路，使得当地面的高速s d h 通信发生意外中断时，能够迅速启用卫星通道传输数 据，就能够定程度地保证c e r n e t 网络的畅通和平稳，尽可能地减少对网络数据 传输的影响；而且，当地面s d h 光纤链路恢复能正常通信，相应的“空中”数据通路 能够自动的拆除，使数据传输转入地面通信。由此，希望能够实现个卫星信道各 份系统，用它能够一定程度的保障c e r n e t 主干网的有效传输。 但是，s d h 链路总体来说是比较稳定的，经过统计分析和计算，有三条或三条 以上s d h 链路出现故障的概率是非常小的。由此，如果我们为每一条地面s d h 链 路静态的分配一条卫星信道以用来在地面线路故障时备用，考虑到卫星通信资源的 宝贵和成本，这样的静态分配是相当不经济的。所以，设想能够建立一套动态的卫 星信道分配策略来对地面链路作备份，在绝大多数情况下能够对主干网提供保障。 基于上面的两个目的，提出本课题实现一个“卫星信道动态备份系统 ( s c d b s ) ”。 本课题的目标是： 针对c e r n e t 主干网升级的需要，设计和实现卫星信道动态备份系统，该系统 实施卫星信道动态备份策略，能够自动及时的建立或释放卫星信道，从而提高 c e r n e t 主干网络的可靠性，同时通过动态备份优化利用卫星通信资源。 本论文的目标是： 根据卫星信道动态备份系统总体设计方案的要求，设计和软件实现主站和从站 主控模块，其中包括系统核心模块一命令处理和状态控制模块，链路状态轮询模块， 配置管理界面模块。 皇王型垫盔堂堡主堡兰= 里呈堕壅塾查鱼丝墨堕圭丝堡垫塑丝盐塑塞堡一 第二章卫星信道动态备份系统的总体设计 2 1 系统总体设计介绍 2 1 1 系统功能简介 卫星信道动态备份系统( s c d b s ) 基本功能是，为了保证c e r n e t 主干网的 可靠性，通过基于策略的控制体系，实现对c e r n e t 主干网的卫星信道自动备份。 作为一个完整的系统，s c d b s 的主要设计目标如下： 卫星信道的备份策略 系统主旨是用较少的卫星通信带宽为c e r n e t 主干链路作动态备份。由此，动 态备份策略是整个系统正常工作的基础和依据，其主要包括：卫星信道设计、使用 策略和系统的通信策略。 备份信道的动态建立与拆除 系统能按照策略自动选择合适的卫星信道，采用主从控制方式在适时建立或拆 除备份信道。 系统的配置监控管理 为卫星网管中心和主、从站网管中心对本系统的配置监控管理提供多种手段， 包括远程登录( t e l n e t ) 方式和基于w e b 的方式。再由于系统采用分布式控制，要 求系统自身能够对本地或远程各设各、子系统起到良好的检测指挥和协调作用。 2 1 2 系统整体结构 卫星信道动态备份系统设计采用分布式主从结构，由一个主站子系统和七个从 站子系统构成。主站子系统和从站子系统的物理分布与c e r n e t 卫星主干网的物理 分布相一致。 皇三型茎奎堂堡主堕苎二里星焦堂塾查鱼堡墨苎圭丝璧茎盟堕塑塞塑一 系统整体结构示意图如图2 - 1 所示： 主站子系统 圣三 卫星ff 卫星ff 卫崖f7 卫星if 卫星ff 卫星f 卫星 m o d e m i m o d e m i m o d e m 【m o d e miim o d e m m o d e mii m o d e m s d m 3 0 0l ls d m 3 0 0 ls d m 3 0 0ljs d m 3 0 0 s d m 3 0 0ll s d m 3 0 0l f s d m 3 0 0 卫星通信链路 分站l ； 分站2 ； 分站3 ； 分站4 ； 分站5 ； 分站6 ； 分站7 图2 1 卫星动态备份系统示 各分站子系统 意图 如图中所示，主站系统位于北京c e i l , n e t 网络中心，从站子系统1 7 分别位 于设篝在上海、沈阳、广州、武汉，成都、南京、西安七个城市高校的c e r n e t 地 区网络中心。位于北京的主站系统主要由7 个卫星m o d e ms d m 3 0 0 ，一台主控机， 个0 d u ( o u t d o o ru n i t ) 设备构成，位于其他七个城市的从站结构相同，都是由 个卫星m o d e ms d m 3 0 0 和一台分控机，一个o d u 设备构成。 现在介绍一下在上图中出现的几个重要部件： a ) 主控机 皇王型堇奎堂堡主笙塞二兰星筻堕塑查鱼丝墨竺圭丝塑堡堕堡生翌窒堡一 位于北京主站，是整个系统的核心和首脑，控制主站七个卫星m o d e m ，控制所 有七条卫星链路的状态，负责和接收执行c e r n e t 网管中心管理员的控制命令：包 括建立或拆除卫星备份信道，以及查询配置卫星信道参数。 b ) 分控机 位于七个从站内，管理监测当地的s d m 3 0 0 ，配合主站完成卫星备份信道的建 立或拆除，以及卫星信道的配置工作。 c 1s d m 3 0 0 卫星调制解调器，总计有七对，分别对应七条卫星链路，每对卫星调制解调器 一个位于北京主站，另一个位于从站。 s d m 3 0 0 在本系统中扮演着极为重要的角色，因为每条卫星链路的信道切换直 接依靠更改该对s d m 3 0 0 的工作参数来实现。 在本系统中，主要使用了卫星m o d e m 两个非常重要的接口：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 ) 。远程接口主要用于各控制机对卫 星m o d e m 的远程控制，数据接口又被人为分隔为异步( a s y n c ) 通道和数据通道。 数据通道接口连接在各路由器上，异步通道接口连接在主控机上或各分控机上。 2 1 3 系统卫星信道 在本论文中，有关本系统信道将要涉三个名词：异步信道、控制信道和业务信 道。 异步信道，是所有卫星信道( 包括控制信道和业务信道) 的带外信道，由本课 题组成员自己定义的，是指数据从连接主站子系统和从站子系统的s d m 一3 0 0 的 a s y n c 通道传输，这些数据多是主控机和分控机间的控制命令或响应信息。 控制信道和业务信道的划分是对于卫星管理部门分配给本系统可用卫星通信带 宽按使用的特性来进行的。简单的讲，控制信道是作为监控用的卫星信道；业务信 道是动态建立的卫星备份链路所要使用卫星信道。控制信道和业务信道是本系统设 计的重点之一，详细的阐述如下。 控制信道 控制信道主要使用s d m 3 0 0 的a s y n c 通道，传输主站子系统和从站子系统间 的监控管理信息。控制信道的接口采用r s 4 8 5 标准。 电子科技大学硕士论文卫星信道动态备份系统主控模块的设计和实现 因为在地面主干线路正常工作时，控制信道主要传输系统命令或响应等管理信 息。考虑到整个控制信道上的信息流量较小，传输不频繁，带宽需求量不高。我们 设计控制信道数据率为1 6 k b p s ，系统总共有7 条控制信道，总共占用带宽1 1 2 k b p s 。 因为控制信道通过使用s d m 3 0 0 的异步通道传输数据，而异步通道的数据率是整 个通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 。 业务信道 业务信道主要使用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。本系统卫星设备的连 接如图2 2 所示： 一控制信道或业务信道a s y n c 连接 v 3 5 连接 图2 - 2 系统卫星信道使用连接图 当主站子系统和从站予系统间的地面主干线路发生故障时，系统根据c e r n e t 网管中心的指令，将该主、从站予系统间的卫星信道从控制信道自动切换至业务信 道，保证c e r n e t 主干网的连通性和可靠性。由于业务信道是地面主干线路的备份 线路，当主干线路失效时，该线路上的所有传输信息将全部转移到业务信道，这些 信息除了数据信息外，还可能有音频、视频信息，因此业务信道的带宽需求量要远 远大于控制信道。另一方面，考虑到备份信道的临时性和使用时间相对较短，在系 统卫星信道设计中业务信道的总带宽设计为8 m 。 本来业务子信道的个数可以根据c e r n e t 地面线路的状况动态变化，为了提供 皇三型垫查兰堡主堡奎二里星焦望垫查墨丝墨竺圭丝堡垫塑堡盐塑茎墨一 总带宽的利用率，每一条业务子信道的带宽也将随着信道个数的不同而动态调整。 但是，如第一章述，经过统计分析和计算，三条或三条以上s d h 链路出现故 障的概率是非常小的。所以，本系统将只考虑最多为两条s d h 地面链路备份的情 况。也就是说，业务信道的分配策略是；在正常情况下，系统不占有业务信道，当 需要建立一条业务子信道时，动态分配其带宽为4 m ，空闲4 m 当需要同时建立两 条业务予信道时，动态各分配带宽为4 m 。其他情况下，只保证最多建立两条业务 j 于信道。 虽然这种分配方案在某些情况下浪费了带宽，但是整个系统的实现较为简单， 系统开销较小，提高了系统的运行效率。 2 ，1 4 系统的控制体系 本系统的控制体系主要包括卫星信道的监控和系统工作状态的监控。 i 卫星信道的监控 卫星信道的监控主要分为两部分：卫星信道的工作状态监控，控制信道与业务 信道间的切换控制。 卫星信道的工作状态监控 卫星信道的工作状态监控是指主站对连接7 个从站的7 条卫星信道工作状态的 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。 控制信道与业务信道闻的切换控制 控制信道与业务信道间的切换控制对应于备份卫星信道的建立与拆除操作。当 主站收到建立某条备份卫星信道的指令后，主站将控制该卫星信道所对应的从站， 共同完成从控制信道向业务信道切换的操作，建立备份卫星信道。当主站收到拆除 某条卫星备份信道的指令后，主站将控制该卫星信道所对应的从站，共同完成从业 务信道向控制信道切换的操作，拆除备份卫星信道。 控制信道和业务信道间的切换，说到底其实质就是对主站和从站的卫星m o d e m 的参数按照预先设定好的值协同配置。 i f 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 皇三型垫奎堂堡主笙壅二里里堕堂垫查鱼丝墨竺圭丝堡堡塑堡生塑塞婴 一 控。 主站子系统的工作状态监控 主站子系统的工作状态监控主要由主控机通过对主站设备的工作状态监控来实 现。 从站子系统的工作状态监控 从站子系统的工作状态监控主要包括从站自身工作状态的监控和主站对从站工 作状态的监控。从站自身状态监控同主站一样，是由分控机对从站其他设备的工作 状态查询来实现。同时，主控机定期依次向各个从站子系统的分控机发送轮询命令， 再从分控机发送回来的响应来进行主站对从站工作状态的监控。 2 1 5 系统的通信方案 为了完成卫星信道动态备份和监控管理功能，整个系统的通信由三部分构成： 主、从站子系统内部的通信； 主、从站子系统间的通信； 主、从站子系统与其它系统( 卫星网管中心和主、从站网管中心) 间的 通信。 系统的通信框图如图2 3 所示： 圈2 3 卫星动态分配系统通信框图 1 主、从站子系统内部的通信 电子科技大学硕士论文= 里星堕望垫查鱼堕墨堕圭笙堡垫堕堡生! 堕壁坠一 主、从站子系统内部通信主要是实现对本子系统中若干卫星调制解调器 s d m 3 0 0 和一个室外单元o d u 的配置与监控，具体包括两部分：主控机与主站卫 星设备间的通信，以及分控机与从站卫星设备间的通信。这两部分通信除了传输信 息的内容不同以外，在通信线路、信息格式和通信方式上均一样。 通信线路 控制主机分别连接卫星调制解调器s d m 3 0 0 和室外单元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 - 4 ) 图2 4主站系统内部的通信 通信方式 r e m o t e 通道的通信方式采用正常响应模式，即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。 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。 2 主、从站子系统间的通信 主、从站子系统间的通信主要完成主站子系统对从站子系统的监测与控制功能。 具体的通信是在主控机和分控机之间进行的。 通信线路 皇王型垫奎兰堡主笙塞二里星焦望垫查鱼丝墨签圭丝堡堡塑堡生塑窒堡一 主控机与分控机间的通信线路主要是由主、从站卫星设备构成的卫星信道。 卫星信道共有两条通道：一条是由s d m 一3 0 0 的d a t ai 0 接口人为分出的 a s y n c 通道( 多点结构) ；另一条是由s d m - 3 0 0 的d a t a i o 接口引出的连接主、 从站网管中心路由器的数据通道( 点点结构) 。 丰站和从站间的通信示意图如下图所示： 图2 5 主站与分站子系统间的通信 在s c d b s 系统中涉及到的主站对从站的控制管理主要是使用异步a s y n c 信 道。s d m 3 0 0 的a s y n c 通道的a s y n c 接口可以被设置成为半双工模式或全双工 模式，其波特率为1 1 0 , - - , 3 8 4 0 0 。数据通道的数据接口可以被设置成为标准的g 7 0 3 、 r s 4 2 2 或v 3 5 接口，本系统中数据通道主要连接路由器的串行口，因此根据路由器 的串行口类型采用v 3 5 标准的数据接口。 通信方式 a s y n c 通道的通信采用正常响应模式。主控机可以直接向分控机发送信息， 分控机只有在主控机轮询到自己时才能发送信息。 主、从站网管中心路由器之间的数据通道采用点到点的广域网通信方式，主、 分控机通过以太网连入主、从站网管中心。 信息格式 皇王型垫奎堂堡圭笙奎二里星笪查垫查鱼丝墨竺圭堡堡垫塑墨塑! 壅型一 a s y n c 通道实际上是一个透明信道，主要传输主控机发往分控机的轮询信息 和监控信息，以及分控机的响应信息。因此本系统为这三类信息设计了一种类似于 f c p i p 网络中数据帧的格式，称其为a s y n c 帧。 数据通道采用路由器对应接口所配置的广域网数据帧格式，主、分控机与主、 从站网管中心之间采用以太网帧格式，均进行标准的t c p i p 通信。 3 主、从站子系统与其它系统间的通信 主、从站子系统与其它系统间的通信主要完成卫星网管中心对主、从站卫星设 备的监控，以及c e r n e t 主、从站网管中心对主、从站子系统的监控。具体的通信 是在主、从站子系统和卫星网管中心及主、从站网管中心之间进行的。 通信线路 主、从站子系统与其它系统问的通信线路有两种，一种是与卫星网管中心连接 的拨号线路，另一种是与主、从站网管中心连接的以太网线路。( 图2 - 6 ) 图2 - 6 主分站子系统与其它系统问的通信 通信方式 拨号线路采用点到点的通信方式，以太网线路采用以太网通信方式。 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 数据。 2 2 系统硬件结构 皇三型堇盔堂堡主笙壅二里星堕壅垫查鱼竺墨竺圭丝堡垫塑堡生型塞墨 本系统的硬件主要为软件系统提供运行平台和物理接口，为系统通信提供物理 通道，从而构建系统的控制体系。下面先介绍硬件构成中几个主要部件，然后再分 别介绍主从站的硬件结构。 2 2 ，l系统硬件重要构件 ，) 卫星m o d e ms d m 。3 0 0 s d m 3 0 0 的外部接口 s d m 3 0 0 是一个高性能、全双工的卫星调制解调器。它的面板主要提供基于菜 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和数据接口。 目前主要使用的外部接口有两个：远程接口( r e m o t e ) 和数据输入输出接口 ( d a t ai o ) 。 r e m o t e 接口是一个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 。 通过该接口主要实现对s d m 3 0 0 的远程监控功能。 d a t a i 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 5 d 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 5d 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 rc 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 哟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。在本系统中，采用y 型电缆分离出a s y n c 通道。 s d m 3 0 0 命令控制途径 卫星调制解调器s d m 3 0 0 、室外单元o d u 有两条途径可设置参数：一是通过 面板按键设置；二是通过r e m o t e 口程序设置，s d m 3 0 0 和室外单元o d u 的 r e m o t e 口均可设置成r s 4 8 5 或r s 2 3 2 。 目前，c e r n e t 主干网卫星系统由卫星网管中心通过第二条途径统一监控，其 中s d m 3 0 0 的r e m o t e 口设置为r s 4 8 5 ( 2 线) ，室外单元o d u 的r e m o t e 口设 置为r s 2 3 2 。输入给r e m 口r e 口的指令为a s c i i 码字符串，从r e m o t e 口返回的 信息也为a s c i i 码字符串。 b ) 控制主机的硬件结构 控制主机是其相应子系统硬件结构中的核心构件，是整个系统正常运行的关键。 皇王型垫奎堂堡主笙壅二里里笪望垫查鱼笪墨堕圭丝堡垫堕望兰翌窒望一 因此要求控制主机稳定、可靠，能够7 2 4 小时不问断运行，具有良好的散热性能和 电磁屏蔽性能。 主控机和分控机虽然处于不同的子系统，实现不同的功能，但是它们在系统中 的硬件连接大致相同，在硬件结构设计方面的唯一区别是主控机多了一个连接伺服 器的r s 2 3 2 接口。因此，在本方案设计中，主控机和分控机采取相同的硬件结构。 控制主机的硬件平台设计采用机架式服务器。首先，机架式服务器性能稳定、 可靠，有良好的通风散热设计，电磁屏蔽性能优良，n - - i 【= ! a 保证长时间不问断工作。 其次，相比于工控p c ，机架式服务器设计标准，对网络和l i n u x 操作系统的支持较 好。 本方案选用i n t e li s p1 1 0 0 型机架式服务器，主要特性如下： i n t e lp e n t i u mi l l 或赛扬处理器，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。 两个串行口( r s 2 3 2 ) ，面板一个，可用于日常维护；背板一个，可接外置电话 m o d e m 。 支持两个i d e 硬盘，可以做冗余备份。 双i n t e lp r o 1 0 0 + 服务器网卡。 i n t e l 基于w e b 的管理。 面板提供9 个状态监视灯，其中2 个为用户可编程，可以用来监视机器工作状 态。 c ) 多串口卡 由于控制主机需要2 个r s 4 8 5 接口、2 - 3 个r s 2 3 2 接口和1 个以太网接口，因 此需要在i n t e li s p1 1 0 0 型机架式服务器上安装一个多串口的扩展板卡。本方案选用 m o x al n d u s t i oc p 1 1 4 系列的p c i 工业通信四串口卡。主要特性如下： 采用p c i 总线，提供4 个可切换的、独立的r s 2 3 2 和r s 4 2 2 4 8 5 串口。在多点 应用环境中，每个r s 4 2 2 4 8 5 串口最多能控制3 2 个设备； i 0 控制器为4 个1 6 c 5 5 0 c 或相容的u a r t ，每个具有1 6 b y t e 的t x r x f i f o ； 提供r s 4 8 5 自动数据流向控制( a d d c ) 功能，或通过r t s 信号控制数据流向； 皇王型堇查兰堡圭垒奎= 尘墨焦望垫查鱼丝墨竺圭丝堡垫塑塑盐塑塞翌 内建终端电阻，无电压干扰的烦恼： 采用芯片流量控制，保证数据不丢失i 速率：2 0 - - 9 2 1 6 k b p s 。 2 2 ，2 主站子系统硬件结构 主站子系统位于北京a 姗t 网络运行中心( 即主站网管中心) ，负责接收 c e r n e t 主干网线路故障或恢复信息，做出相应决策，向从站子系统和主站卫星设 备发出控制命令，从而建立或拆除备份卫星信道。同时，主站子系统还将参与整个 系统的日常维护和管理工作。 1 ) 硬件组成 主站子系统的硬件由以下设备组成： 1 个带有多串口卡和以太网卡的控制主机 l 套卫星设备，包括7 个s d m 一3 0 0 、1 个o d u 、1 个卫星天线和1 个伺服器 外置式电话m o d e m 连接电缆 2 1 硬件连接 主站子系统内部及外部的硬件连接示意圈如图2 7 所示： o d u a s y n c 通道f - f o k 订j i i i i i ；j 孝，= ：二：二：二二一 堰 皇堡冀旦i ! 垩 赢 三= j = = 电话m o d c m 叫! 望丛! q ! ：! 曼! m 0 1 点垣遵j 网管中心主站网络控制中心 圈2 7 主站子系统的硬件连接示意图 一一一一；一一一 -_q。 羞票_ 蚤 z 息一 一信 ，控 一监一 态状 一路一 线r l 皇三型垫查堂堡圭迨壅二里墨堡壅塾查鱼丝墨竺圭丝堡垫堕堡茎塑壅堡一 主站子系统的内部硬件连接主要是主控机与主站卫星设备的连接。 主控机与主站s d m 3 0 0 的连接 主控机与主站s d m ，3 0 0 之间有两条连接。一条是通过主控机的一个r s 4 8 5 接 口连接主站s d m 3 0 0 的r e m o t e 口，构成r e m o t e 通道，控制主站子系统内部 的s d m 3 0 0 。另一条是主站s d m 3 0 0 通过y 型电缆的r s 4 8 5 接e l 连接主控机的另 一个r s 4 8 5 接口，与从站卫星设备共同构成a s y n c 通道，控制从站子系统。 这两条连接的接口均为9 针的r s 4 8 5 接口。由于主站有7 台s d m 一3 0 0 设备， 而r s 4 8 5 标准支持总线驱动，因此采用菊花链方式进行连接，将主控机上的r s 4 8 5 接口定为主( m a s t e r ) ，s d m 一3 0 0 上的r s 4 8 5 接口定为从( s l a v e ) ，构成主从站的 链路结构。 主控机与主站o d u 的连接 主控机通过一个r s 2 3 2 接口按照点对点方式连接主站o d u 设备的r e m o t e 接口。 主控机与伺服器的连接 主控机采用r s 2 3 2 接口按照点对点方式连接伺服器。 主站子系统的外部硬件连接主要是主站子系统与卫星网管中心和主站网管中心 的连接。 主站子系统与卫星网管中心的连接 主控机通过r s 2 3 2 接口连接本地电话m o d e m ，利用p s t n 建立主站子系统与 卫星网管中心之间的拨号连接。 主站子系统与主站网管中心的连接 主站子系统与主站网管中心的连接有两条：一条是主控机通过以太网卡连接网 管设备所建立的以太网连接；另一条是主站s d m 3 0 0 通过y 型电缆的v 3 5 接口连 接路由器所建立的点到点连接。 2 2 3 从站子系统硬件结构 从站子系统位于c e r n e t 各地区网络运行中心( 即从站网管中心) ，负责接收 皇三型垫查堂堡主堡塞二里星笪壅垫查鱼堡墨竺圭丝堡垫塑丝盐翌壅型一 羊u 处理主站予系统发来的控制信息，控制本地相关设备，从而与主站子系统一起完 成备份卫星信道的建立或拆除工作。同时，从站予系统也将参与整个系统的日常维 护和管理工作。 1 1 硬件组成 从站子系统的硬件组成基本上与主站子系统样，由以下设备组成： 1 个带有多串口卡和以太网卡的控制主机 1 套卫星设备，包括1 个s d m - 3 0 0 、1 个o d u 和1 个卫星天线 外置式电话m o d e m 连接电缆 2 ) 硬件连接 从站予系统内部及外部的硬件连接也基本上类似于主站子系统。主要包括分控 机与从站s d m 3 0 0 的连接、分控机与从站o d u 的连接、从站子系统与卫星网管中 心的连接、从站子系统与从站网管中心的连接。这里就不再赘述。 2 3 系统软件结构 本系统的软件主要设计运行在主控机和分控机上，完成系统控制和通信任务。 由于：主控机和分控机在系统中的职能不同，因此实现其职能的软件亦有不同设计。 但是，如果从计算机网络通信的层次性角度出发，主控机和分控机软件的总体层次 结构是一致的，其不同将由每层中的具体功能模块体现。 本方案中，主控机和分控机的软件平台采用l i n u x 操作系统，以l i n u x 系统 提供的开发环境和标准c 语言作为软件开发工具。 主控机和分控机的软件结构采用基本一致的模块化分层结构，根据系统的通信 方式和控制体系，设计为四层：硬件驱动层、通信接口层、命令控制层和人机接口 层。下面以主站总体结构为例，如图2 8 所示： 皇王型垫奎堂堡主堡壅二呈墨笪望垫查鱼丝墨堑圭丝矍垫塑望茎塑茎里一 主站软件系统 t e ln e t 服务器 字符界面配置模块 ! ! ! 里苎竺l - e n 界夏! 篡兰 人机接口层 链路状态监视 模块 困匿囵匿圈 曰黼 鳖j 块l 命令参数数据库 命令控制层 t c r z r 模块ij 异步鬟囊通信jj8 e 口m 模o t 块e 接 通信接口层 以谶动ir 铲模l| 岫川蚴黻f 硬件驱动层 图2 8 主站系统软件层次结构 1 ) 硬件驱动层 硬件驱动层位于软件层次结构的底层，主要功能是与系统硬件交互操作，为上 层软件提供良好可靠通信。本系统涉及多种通信方式，根据系统硬件设计，主控机 和分控机软件的硬件驱动层设计相同，均包括以太网卡驱动模块、拨号m o d e m 驱 动模块、串行r s 2 3 2 驱动模块和r s 4 8 5 驱动模块。这些硬件的驱动软件可作为模块 添加到操作系统之中，也可编译到内核，为上层提供基本的通信。 以太网卡驱动模块 控制机的以太网连接采用以太网卡。r e d h a tl i n u x 6 2 操作系统的网卡驱动程序 一 皇三型垫查堂堡主垒奎二墨墨堡壅垫查鱼堡墨堕圭塑堡垫塑望生塑塞堡 一 提供多种通用的以太网卡的驱动，如n e 2 0 0 0 或i n t e l8 2 5 5 等。所以，以太网卡驱动 模块的实现只需要配置l i n u x 的内核及相应网卡驱动程序，通过i f c o n f i g 和n e t c o n f i g 等命令配置网络参数，即可开始正常工作。 拨号m o d e m 驱动模块 控制机的拨号连接通过r s 2 3 2 串口连接外置m o d e m 。r e d h a tl i n u x 6 2 操作系 统支持外暨m o d e m 的p p p 连接驱动。因此，拨号驱动模块的实现与以太网卡驱动 模块的实现类似，在系统内核编译时配置p p ps e r v e r ，接收p p pc l i e n t 端的拨入服 务；在需要建立p p pc l i e n t 时，通过a t 命令拨号，启动p p p d 应用程序，建立p p p c l i e n t 。 r s 2 3 2 驱动模块 控制机主板自带两个r s 2 3 2 串口，一个用来连接拨号m o d e m ，另一个连接卫 星室外单元o d u 。r e d h a tl i n u x 6 2 自带r s 2 3 2 串口驱动程序，因此r s 2 3 2 模块的 实现仍然是在配置l i n u x 内核或模块时选定串口驱动程序支持，编译内核或模块即 可。 r s 4 8 5 驱动模块 控制机采用多串口r s 4 8 5 板卡提供r s 4 8 5 通信，l i n u x 自带的串口驱动程序不 支持这种特殊硬件，所以需要开发r s 4 8 5 多串口卡驱动模块，并安装到l i n u x 操作 系统中，进行相应的配置，为上层提供相应的驱动接口。 2 ) 通信接口层 通信接口层它负责为上层的命令控制信息提供个可靠的通信环境，根据策略 将信息送往指定的通信接口，与外部信道一起完成系统内、外部通信。 主控机和分控机软件的通信接口层的功能相同，因此采用相同的模块结构设计。 根据其通信方式，主控机和分控机软件的通信接口层均分为三个模块：t c p i p 通信 模块、异步a s y n c 通信模块和r e m o t e 串口通信模块。 t c p i p 通信模块 l i n u x 系统提供t c