嵌入式SNMP可网管光纤收发器系统设计

原创 2020-08-23 08:47  阅读

  摘 要 I 嵌入式 SNMP 可网管光纤收发器系统设计 学科: 电气工程 学生: 签名: 导师: 签名: 签名: 摘要 本文论述了基于 JMX(Java Management Extensions) 架构的嵌入式 SNMP(Simple Network Management Protocol) 可网管光纤收发器系统, 并对 SNMP 可网管光纤收发器系统进行了详细的系统分析、 设计和关键技术的实现。 为实现对设备的远程监控, 系统在功能上分为光电卡模块、 网管卡模块、 WEB 管理模块三个模块。 并采用 JMX 架构...

  摘 要 I 嵌入式 SNMP 可网管光纤收发器系统设计 学科: 电气工程 学生: 签名: 导师: 签名: 签名: 摘要 本文论述了基于 JMX(Java Management Extensions) 架构的嵌入式 SNMP(Simple Network Management Protocol) 可网管光纤收发器系统, 并对 SNMP 可网管光纤收发器系统进行了详细的系统分析、 设计和关键技术的实现。 为实现对设备的远程监控, 系统在功能上分为光电卡模块、 网管卡模块、 WEB 管理模块三个模块。 并采用 JMX 架构技术, 使系统分析设计更优化和科学. 系统采用基于 JMX 的四层结构。 1) 设备层 (Instrumentation Level): 主要定义了信息模型。;2) 代理层(Agent Level): 主要定义了 各种服务以及通信模型; 3) 分布服务层(Distributed Service Level): 主要定义了能对代理层进行操作的管理接口和构件, 从而使管理者就可以操作代理; 4) 附加管理协议 API: 定义的 API 主要用来支持当前已经存在的网络管理协议, 如 SNMP、TMN、 CIM/WBEM 等。 系统中网络单片机、 RS-485、 JDMK(Java Dynamic Management Kit)、 Servlet、 数据库等关键技术在具体工程领域有较高的应用价值, 解决网路设备远程监控(不用安装客户端软件) 和网络设备集中管理的难题。 综上所述, 采用 JMX 多层结构的方式使得系统具有很强的灵活性、 通用性、 兼容性。 所开发系统已在电信网络领域中得到实际应用。 关键词: 光纤收发器 远程监控 JMX JDMK SNMP Abstract IIEMBEDDED SNMP MANAGED MEDIA CONVERTER Student: signature: Supervisor: signature: signature: Abstract The thesis introduces the architecture of the Embedded SNMP managed Media Converter system based on JMX four-tier structure and component technology, and discusses the system analysis, design and key-technology for petroleum SNMP managed Media Converter in detail. Managed Media Converter enables network managers and network operators quickly isolate problems without visiting multiple wiring closets, avoiding expensive downtime. With its SNMP manager, user can monitor and configure the Copper Port and Optical Port of center chassis and remote standalone easily. Utilizing the JMX technique, the system analysis and design are better in optimizing and rationalizing. According to its function the system is divided into three module which are Fiber converter block, network management block, Web Management, Accomplish to equipment remote control.. The system employs four-tier structure based on JMX.. 1) Instrumentation Level, Define information model; 2) Agent Level, Define all sorts of serve and communication model; 3) Distributed Service Level, Chief definition can to supply agent level proceed operational managed interface and component, this manager can operate agent; 4) Affixation management protocol API, Defined interface chief be used for stand by current already existent network management protocol For example SNMP、 TMN、 CIM/WBEM etc; Systematic in networks MCU ,RS-485,JDMK,Servlet,Database etc, the key techniques are all in concrete engineering realm to have higher applied value。 Settle networks equipments long-range monitor and control (need not install clients software) and networks equipment centralize regulatory problem。 The implementation of multi-tier structure enables the system to have distinguished quality of flexibility, universality and compatibility。 Key Words: Media converter,remote control, JMX , JDMK, SNMP 目 录 III目 录 1 绪论............................................................................................................................................................. 1 1.1 课题背景 ......................................................................................................................................... 1 1.2 光纤收发器存在的问题和发展趋势 ....................................................................................... 4 1.3 系统设计思路和研究方向 ......................................................................................................... 5 1.4 本章小结 ......................................................................................................................................... 10 2 总体概要设计........................................................................................................................................... 11 2.1 JMX 多层架构技术及设计原则................................................................................................11 2.2 系统总体结构................................................................................................................................ 12 2.3 本章小结......................................................................................................................................... 14 3 硬件系统设计........................................................................................................................................... 15 3.1 系统框图 ......................................................................................................................................... 15 3.2 硬件组成 ......................................................................................................................................... 16 3.3 本章总结 ......................................................................................................................................... 22 4 软件系统设计........................................................................................................................................... 23 4.0 总体设计 ......................................................................................................................................... 23 4.1 光电卡软件设计............................................................................................................................ 24 4.2 SNMP 代理模块设计................................................................................................................... 34 4.3 Web 界面模块设计....................................................................................................................... 47 4.4 日志查看和管理模块 .................................................................................................................. 55 4.5 本章总结 ......................................................................................................................................... 67 5 总结 ............................................................................................................................................................. 69 5.1 论文研究工作总结....................................................................................................................... 69 5.2 研究中的不足和展望 .................................................................................................................. 69 6 致谢............................................................................................................................................................. 70 参考文献 ....................................................................................................................................................... 71 绪 论 11 绪论 1.1 课题背景 1.1.1 光纤收发器概况 信息化建设的突飞猛进, 人们对于数据、 语音、 图像等多媒体通信的需求日益旺盛,以太网宽带接入方式因此被提到了越来越重要的位置。 但是传统的 5 类线电缆只能将以太网电信号传输 100 米, 在传输距离和覆盖范围方面已不能适应实际网络环境的需要。 光纤通信以其信息容量大、 保密性好、 重量轻、 体积小、 无中继、 传输距离长等优点得到了 广泛的应用, 光纤收发器正是利用了 光纤这一高速传播介质很好的解决了 以太网在传输方面的问题。 在一些规模较大的企业, 网络建设时直接使用光纤为传输介质建立骨干网, 而内部局域网的传输介质一般为铜线, 如何实现局域网同光纤主干网相连呢?这就需要在不同端口、 不同线形、 不同光纤间进行转换并保证链接质量。 光纤凭借自身的一些固有特性(如不受噪声干扰、 保密性好以及高传输带宽等) 成为各种应用领域的理想传输介质。 近年来, 随着布线标准的改变, 光电器件、 光缆、 连接器技术的发展以及应用带宽的逐步升级, 光纤网络产品应用日益普及, 很多用户开始考虑用“光纤到桌面”来替代水平布线系统中的铜缆方案。 一种应用在以太网的经济有效的光纤到桌面的方法是: 使用光纤收发器(即光电介质转换器) 。 光纤收发器的出现, 将双绞线电信号和光信号进行相互转换, 确保了 数据包在两个网络间顺畅传输, 同时它将网络的传输距离极限从铜线 公里(单模光纤) 。 光纤收发器不仅大大简化局域网的升级, 而且可以保护原有铜缆 LAN 设备的投资, 当前市场需要很大。 1.1.2 什么是光纤收发器 光纤收发器是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元, 在很多地方也被称之为光电转换器。 产品一般应用在以太网电缆无法覆盖、 必须使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中, 且通常定位于宽带城域网的接入层应用; 同时在帮助把光纤最后一公里线路连接到城域网和更外层的网络上也发挥了巨大的作用。 企业在进行信息化基础建设时, 通常更多地关注路由器、 交换机乃至网卡等用于节点数据交换的网络设备, 却往往忽略介质转换这种非网络核心必不可少的设备。 特别是在一些要求信息化程度高、 数据流量较大的政府机构和企业, 网络建设时需要直接上连 西安理工大学工程硕士学位论文 2 到以光纤为传输介质的骨干网, 而企业内部局域网的传输介质一般为铜线, 确保数据包在不同网络间顺畅传输的介质转换设备成为必需品。 1.1.3 光纤收发器分类 目 前国外和国内生产光纤收发器的厂商很多, 产品线也极为丰富。 为了 保证与其他厂家的网卡、 中继器、 集线器和交换机等网络设备的完全兼容, 光纤收发器产品必须严格符合 10Base-T、 100Base-TX、 100Base-FX、 IEEE802. 3 和 IEEE802. 3u 等以太网标准,除此之外, 在 EMC 防电磁辐射方面应符合 FCC Part15。 时下由于国内各大运营商正在大力建设小区网、 校园网和企业网, 因此光纤收发器产品的用量也在不断提高, 以更好地满足接入网的建设需要。 随着光纤收发器产品的多样化发展, 其分类方法也各异, 但各种分类方法之间又有着一定的关联。 按光纤性质分类 单模光纤收发器: 传输距离 20 公里至 120 公里; 多模光纤收发器: 传输距离 2 公里到 5 公里; 按光纤来分, 可以分为多模光纤收发器和单模光纤收发器。 由于使用的光纤不同,收发器所能传输的距离也不一样, 多模收发器一般的传输距离在 2 公里到 5 公里之间,而单模收发器覆盖的范围可以从 20 公里至 120 公里。 需要指出的是因传输距离的不同,光纤收发器本身的发射功率、 接收灵敏度和使用波长也会不一样, 如 5 公里光纤收发器的发射功率一般在-20~-14db 之间, 接收灵敏度为-30db, 使用 1310nm 的波长; 而 120 公里光纤收发器的发射功率多在-5~0dB 之间, 接收灵敏度为-38dB, 使用 1550nm 的波长。 按所需光纤分类 单纤光纤收发器: 接收发送的数据在一根光纤上传输 双纤光纤收发器: 接收发送的数据在一对光纤上传输 顾名思义, 单纤设备可以节省一半的光纤, 即在一根光纤上实现数据的接收和发送,在光纤资源紧张的地方十分适用。 这类产品采用了 波分复用的技术, 使用的波长多为1310nm 和 1550nm。 但由于单纤收发器产品没有统一国际标准, 因此不同厂商产品在互联互通时可能会存在不兼容的情况。 另外由于使用了 波分复用, 单纤收发器产品普遍存在信号衰耗大的特点。 目前市面上的光纤收发器多为双纤产品, 此类产品较为成熟和稳定,但需要更多的光纤。 按工作层次/速率分类 100M 以太网光纤收发器: 工作在物理层 10/100M 自适应以太网光纤收发器: 工作在数据链路层 按工作层次/速率来分, 可以分为单 10M、 100M 的光纤收发器、 10/100M 自适应的光纤收发器和 1000M 光纤收发器。 其中单 10M 和 100M 的收发器产品工作在物理层, 在这一层工作的收发器产品是按位来转发数据。 该转发方式具有转发速度快、 通透率高、 时延 绪 论 3低等方面的优势, 适合应用于速率固定的链路上, 同时由于此类设备在正常通信前没有一个自协商的过程, 因此在兼容性和稳定性方面做得更好, 而 10/100M 光纤收发器是工作在数据链路层, 在这一层光纤收发器使用存储转发的机制, 这样转发机制对接收到的每一个数据包都要读取它的源 MAC 地址、 目的 MAC 地址和数据净荷, 并在完成 CRC 循环冗余校验以后才将该数据包转发出去。 存储转发的好处一来可以防止一些错误的帧在网络中传播, 占用宝贵的网络资源, 同时还可以很好地防止由于网络拥塞造成的数据包丢失,当数据链路饱和时存储转发可以将无法转发的数据先放在收发器的缓存中, 等待网络空闲时再进行转发。 这样既减少了 数据冲突的可能又保证了 数据传输的可靠性, 因此10/100M 的光纤收发器适合于工作在速率不固定的链路上。 1000M 光纤收发器可以按实际需要工作在物理层或数据链路层, 市场上这两种 1000M 光纤收发器都有提供。 按结构分类 桌面式(独立式) 光纤收发器: 独立式用户端设备 机架式(模块化) 光纤收发器: 安装于十六槽机箱, 采用集中供电方式 按结构来分, 可以分为桌面式(独立式) 光纤收发器和机架式光纤收发器。 桌面式光纤收发器适合于单个用户使用, 如满足楼道中单台交换机的上联。 机架式(模块化)光纤收发器适用于多用户的汇聚, 如小区的中心机房必须满足小区内所有交换机的上联,使用机架便于实现对所有模块型光纤收发器的统一管理和统一供电, 目 前国内的机架多为 16 槽产品, 即一个机架中最多可加插 16 个模块式光纤收发器。 按管理类型分类 非网管型以太网光纤收发器: 即插即用, 通过硬件拨码开关设置电口工作模式; 网管型以太网光纤收发器: 支持电信级网络管理; 随着网络向着可运营可管理的方向发展, 大多数运营商都希望自己网络中的所有设备均能做到可远程网管的程度, 光纤收发器产品与交换机、 路由器一样也逐步向这个方向发展。 对于可网管的光纤收发器还可以细分为局端可网管和用户端可网管。 局端可网管的光纤收发器主要是机架式产品, 多采用主从式的管理结构, 即一个主网管模块可串联 N 个从网管模块, 每个从网管模块定期轮询它所在子架上所有光纤收发器的状态信息,向主网管模块提交。 主网管模块一方面需要轮询自己机架上的网管信息, 另一方面还需收集所有从子架上的信息, 然后汇总并提交给网管服务器。 用户端网管主要可以分为三种方式 第一种是在局端和客户端设备之间运行特定的协议, 协议负责向局端发送客户端的状态信息, 通过局端设备的 CPU 来处理这些状态信息, 并提交给网管服务器; 第二种是局端的光纤收发器可以检测到光口上的光功率, 因此当光路上出现问题时可根据光功率来判断是光纤上的问题还是用户端设备的故障; 第三种是在用户端的光纤收发器上加装主控 CPU, 这样网管系统一方面可以监控到用户端设备的工作状态, 另外还可以实现远程配置和远程重启。 西安理工大学工程硕士学位论文 4 在这三种用户端网管方式中, 前两种严格来说只是对用户端设备进行远程监控, 而第三种才是真正的远程网管。 但由于第三种方式在用户端添加了 CPU, 从而也增加了用户端设备的成本, 因此在价格方面前两种方式会更具优势一些。 目前大多数厂商的网管系统都是基于 SNMP 网络协议上开发的, 支持包括 Web、 Telnet、 CLI 等多种管理方式。 管理内容多包括配置光纤收发器的工作模式, 监视光纤收发器的模块类型、 工作状态、 机箱温度、 电源状态、 输出电压和输出光功率等等。 随着运营商对设备网管的需求愈来愈多, 光纤收发器的网管将日趋实用和智能。 按电源分类: 内置电源光纤收发器: 内置开关电源为电信级电源 外置电源光纤收发器: 外置变压器电源多使用在民用设备上 按电源来分, 可以分为内置电源和外置电源两种。 其中内置开关电源为电信级电源,而外置变压器电源多使用在民用设备上。 前者的优势在于能支持超宽的电源电压, 更好地实现稳压、 滤波和设备电源保护, 减少机械式接触造成的外置故障点; 后者的优势在于设备体积小巧和价格便宜。 1.1.4 产品设计要求 光纤收发器通常要达到以下基本要求: 1. 提供超低时延的数据传输。 2. 对网络协议完全透明。 3. 采用专用 ASIC 芯片实现数据线速转发。 可编程 ASIC 将多项功能集中到一个芯片上,具有设计简单、 可靠性高、 电源消耗少等优点, 能使设备得到更高的性能和更低的成本。 4. 机架型设备可提供热拔插功能, 便于维护和无间断升级。 5. 可网管设备能提供网络诊断、 升级、 状态报告、 异常情况报告及控制等功能, 能提供完整的操作日志和报警日志。 6. 设备多采用 1+1 的电源设计, 支持超宽电源电压, 实现电源保护和自动切换。 7. 支持超宽的工作温度范围。 8. 支持齐全的传输距离(0~120 公里) 。 1.2 光纤收发器存在的问题和发展趋势 光纤收发器产品在不断的发展和完善中, 用户对设备也提出了很多新的要求。 首先,目 前的光纤收发器产品还不够智能。 举个例子, 当光纤收发器的光路断掉后, 大多数产品另一端的电口仍然会保持开启状态, 因此上层设备如路由器、 交换机等依然还是会继 绪 论 5续向该电口发包, 导致数据不可达。 人们希望设备提供商能在光纤收发器上实现自动切换, 当光路 DOWN 掉后, 电口自动向上报警, 并阻止上层设备继续向该端口发送数据, 启用冗余链路以保证业务不中断。 其次, 光纤收发器本身应能更好地适应实际的网络环境。 在实际工程中, 光纤收发器的使用场所多为楼道内或室外, 供电情况十分复杂, 这就需要各个厂商的设备最好能支持超宽的电源电压, 以适应不稳定的供电状况。 同时由于国内很多地区会出现超高温和超低温的天气情况, 雷击和电磁干扰的影响也是实际存在的, 所有这些对收发器这种室外设备的影响都非常大, 这就要求设备提供商在关键元器件的采用、 电路布板和焊接以及结构设计上都必须精心严格。 此外, 在网管控制方面, 用户大都希望所有网络设备能通过统一的网管平台来进行远程的管理, 即能够将光纤收发器的 MIB 库导入到整个网管信息数据库中。 因此在产品研发中需保证网管信息的标准化和兼容性。 光纤收发器在数据传输上打破了 以太网电缆的百米局限性, 依靠高性能的交换芯片和大容量的缓存, 在真正实现无阻塞传输交换性能的同时, 还提供了 平衡流量、 隔离冲突和检测差错等功能, 保证数据传输时的高安全性和稳定性。 因此在很长一段时间内光纤收发器产品仍将是实际网络组建中不可缺少的一部分, 相信今后的光纤收发器会朝着高智能、 高稳定性、 可网管、 低成本的方向继续发展。 1.3 系统设计思路和研究方向 1.3.1 方案对比 根据要国内外可监控光纤收发器的发展和现状可以有以下几种方案 方案一 如图 1-1 所示: 级联网线 监控终端 。 。 图 1-1 方案一 监控卡通过光电卡上的接口电路读取 LED 指示灯的状态以及电源的状态并复位或关断光电卡。 监控卡分为主监控卡和从监控卡两种, 主监控卡上设有以太网接口以进行远IP 网络 西安理工大学工程硕士学位论文 6 监控卡地址译码 复位锁存 及解码 光电卡光电卡光电卡光电卡 数据总线 复位及片选 程控制, 从监控卡通过 RS-485 串行总线与主监控卡通信, 一个主监控卡可以挂接多达 7个从监控卡, 如图 1-2 所示可监控型光纤收发器系统框图。 图 1-2 可监控型光纤收发器系统框图 级联下位机包括主机、 从机, 最多的情况下可以连接 7 个从机箱(包括主机最多共有 8 个机箱) 。 主、 从机级联是通过 RS-485 实现通信的。 通信应答采用主、 从应答模式(主机是通信主机, 从机是通信从机) 。 主机与从机之间通信时, 主机是根据每一个从机的 ID 号区别从机。 保持通信的有序性和可靠性。 主机是通过以太网接口模块与上位机通信。 级联程序包括主机程序和从机程序。 主机程序的主要功能有: 与上位机通信、 与级联的从机通信、 采集主机箱内的有关数据、执行有关上位机对主机机箱的命令动作。 从机程序主要功能有: 与主机通信、 采集本机箱的有关数据、 执行从主机转发来的上位机命令。 这种方案简单, 管理设备多, 但需要开发客户端软件, 管理手段单一, 并且因为通过背板总线收集数据, 所以硬件复杂程度和制造成本较高。 方案二 如下图 1-3 所示: 监控终端 图 1-3 方案二 将 SNMP 的代理服务器嵌入到可监控收发器的网管卡中。 管理员通过网管卡实现SNMP 协议 绪 论 7对局端以及客户端光纤收发器的控制。 这种可监控收发器的特点是可以监控和设置光纤收发器的参数、 对各种故障的报警、 支持光路的环回测试以及对远端收发器的监控。 但是这种方案的可监控收发器监控手段比较单一并且一定要安装客户端软件。 方案三 如下图 1-4 所示: SNMP 终端 WEB 图 1-4 方案三 通过光纤收发器的内嵌的 MIB 库, 我们就可以用基于 SNMP 协议的网管软件访问 MIB库。 也可以通过内嵌的 web 服务器使用浏览器运用 WEB 方式管理。 但这种方案由于内嵌MIB 库和内嵌 WEB 文件所以对产品内嵌管理系统的性能要求很高, 因为数据流量很大, 硬件实现成本很高。 方案四 如下图 1-5 所示: SNMP 终端 WEB 服务器 浏览器 图 1-5 方案四 HTTP 协议 SNMP 协议 HTTP 协议 SNMP 协议 西安理工大学工程硕士学位论文 8 根据项目设计需求、 监控的每个节点使用一个 IP 地址, 对应一个用户。 当前所管理的节点的 SNMP 代理通过 snmp 协议与 web 服务器的 servlet 建立连接, 根据客户端的请求 web 服务器的 servlet 开始不断从 MIB 库接收监控数据并送往 WEB 浏览器显示。 也可以使用标准 SNMP 客户端软件管理。 这种方案因为将 web 服务移出设备外降低了对设备上网管系统的要求, 使数据传送更快, 可以满足实时监控的要求, 同时监控手段也比较多样。 但复杂程度增加 1.3.2 方案选择 可监控光纤收发器是为满足用户需求, 实现光纤收发器远程监控, 使用户不必亲临现场即可对光纤收发器的工作状态了解清楚。 而且尽可能不用安装客户端软件, 使用浏览器就可以进行监控, 便于集中管理设备。 结合我们现有的生产水平和技术条件我们选择方案四 做为研究方向。 即满足监控手段多样, 又降低硬件成本, 减少管理数据流量。 开发这种网管收发器, 网管卡拟采用 DALLAS 的 DS80C400 作为主芯片, 光电卡拟采用 KENDIN 的 KS8993F 作为主芯片。 DS80C400 芯片是一款在 8051 单片机内部集成有以太口控制器、 串口、 TCP/IP 网络协议栈、 操作系统的高性能网络处理器[12]。 软件拟采用 JMX 体系架构。 JMX 可以跨越一系列异构操作系统平台、 系统体系结构和网络传输协议, 灵活的开发无缝集成的系统、 网络和服务管理应用。 光纤卡上的数据传送到网管模块上, 通过在网管卡上构造光纤收发器的 MIB 库, 我们就可以使用基于 SNMP协议的网管软件访问 MIB 库。 采用将 SNMP 的代理服务器嵌入到可监控收发器的网管卡中的方案。 管理员通过网管卡实现对局端以及客户端光纤收发器的控制。 那样可监控收发器将可以监控和设置光纤收发器的参数、 对各种故障的报警、 支持光路的环回测试以及对远端收发器的监控。采用 DALLAS 的 DS80C400 芯片作为网管卡的 CPU, 是由于 DALLAS 对此芯片提供了一款DSTINIm400 参考板和 TINI 开发环境[3], 方便开发。 系统软件中 API 部分由 Sun s JDK中定义的 CLASSES和在TINI 中定义的 CLASSES 组成。这样软件设计的主要工作就是用 JAVA编写应用程序, 应用程序通过 API 访问底层的硬件资源。 该系统设计中要综合考虑实时性、 实用性等多方面因素, 主要提供实时监控, 对被监控卡的远程开启、 复位和关断, 产生日志记录异常事件并报警, 数据库管理用户信息等功能, 要极大程度上方便用户的管理和使用。 绪 论 91.3.3 关键技术 可网管光纤收发器系统采用多种技术。 硬件中将用到 MCU: 微控制器, 内置了存储器、 时钟、 定时/计数器、 IO 接口等资源 网络单片机: 一种带有以太网接口并内嵌 TCP/IP 协议栈的高性能单片机 RS-485: 一种差分传输的串行通信接口 软件中将用到 JDMK JDMK(Java Dynamic Management Kit) 是由 SUN 发布的一种基于 JAVA 技术, 用于实现网络管理和网络服务的工具软件包。 SUN 为 JMX 规范了作出了相应的参考实现, 并在此基础上开发了一个全新的用于网络管理的产品 JDMK(Java 动态管理工具集) , 其中定义了资源的开发过程和方法、 动态 JMX 代理的实现、 远程管理应用的实现。 同时, JDMK也提供了 一个完整的体系结构用来构造分布式的网络管理系统, 并提供了 多种协议适配器和连接器, 如 SNMP 协议适配器、 HTML 协议适配器、 HTTP 连接器、 RMI 连接器。 简单的说 Java Dynamic Management Kit 是由 JAVA 的一个应用程序接口(JAVA API) 和一套开[10]。 发工具组成的 WEB 管理软件: 使用 java 语言编程, 主要涉及 SERVLET, WEB, javaScript, applet, SOCKET、 多线程和数据库管理这几方面的编程知识和技术。 1.3.4 开发中的难点 1) 要应用 java 语言开发运行在 TINI 环境下的 SNMP 代理软件模块。 并在大流量数据情况下达到实时监控设备状态。 2) 要求当前所管理的节点的 SNMP 代理通过 snmp 协议与 web 服务器建立连接, 根据客户端的请求, web 服务器不断从 MIB 库接收监控数据并送往 WEB 浏览器显示。 3) 当底层 MCU 对光电卡数据进行采集和控制时涉及到多机通讯问题。 西安理工大学工程硕士学位论文 1 0 1.4 本章小结 通过对光纤收发器的发展和现状及存在的问题进行分析, 结合现实情况提出合理的产品方案, 并分析了开发的难点和要使用的关键技术。 并对基于 SNMP 协议的可网管光纤收发器的软硬件方案进行了初步分析。 总体概要设计 112 总体概要设计 2.1 JMX 多层架构技术及设计原则 JMX--Java Management Extensions, 即 Java 管理扩展, 是一个为应用程序、 设备、系统等植入管理功能的框架。 JMX 可以跨越一系列异构操作系统平台、 系统体系结构和网络传输协议, 灵活的开发无缝集成的系统、 网络和服务管理应用。 JMX 体系结构分为以下四个层次: 1) 设备层(Instrumentation Level) : 主要定义了信息模型。 在 JMX 中, 各种管理对象以管理构件的形式存在, 需要管理时, 向 MBean 服务器进行注册。 该层还定义了通知机制以及一些辅助元数据类。 2) 代理层(Agent Level) : 主要定义了各种服务以及通信模型。 该层的核心是一个 MBean服务器, 所有的管理构件都需要向它注册, 才能被管理。 注册在 MBean 服务器上管理构件并不直接和远程应用程序进行通信, 它们通过协议适配器和连接器进行通信。 而协议适配器和连接器也以管理构件的形式向 MBean 服务器注册才能提供相应的服务。 3) 分布服务层(Distributed Service Level) : 主要定义了能对代理层进行操作的管理接口和构件, 这样管理者就可以操作代理。 4) 附加管理协议 API: 定义的 API 主要用来支持当前已经存在的网络管理协议, 如 SNMP、[9]。 JMX 体系架构如图 1-1 所示 TMN、 CIM/WBEM 等 图 2-1 JMX 体系架构 西安理工大学工程硕士学位论文 12 基于 JMX 开发, 那么可以说就大大提高编写管理程序的效率, 可以将你的模块变成 JMX的 MBean, 可以通过 Agent 在程序内部或者通过 WEB 管理页面对你的 MBean 模块进行初始化 重启 以及参数设置。 采用 JMX 的好处还有: 可以方便整合连接现有的 Java 技术。 SUN 为 JMX 规范了作出了相应的参考实现, 并在此基础上开发了一个全新的用于网络管理的产品 JDMK(Java 动态管理工具集) , 其中定义了资源的开发过程和方法、 动态 JMX 代理的实现、 远程管理应用的实现。 同时, JDMK 也提供了一个完整的体系结构用来构造分布式的网络管理系统, 并提供了多种协议适配器和连接器, 如 SNMP 协议适配器、 HTML 协议适配器、 HTTP 连接器、 RMI 连接器。 2.2 系统总体结构: 遵循 JMX 架构规范, 借助 JDMK 开发工具开发可网管光纤收发器 的系统结构如图2. 2-1 所示, 网管卡采用 DALLAS 的 DS80C400 作为主芯片。 DS80C400 网络微控制器是目前集成度最高的 8051 器件。 集成外设包括 10/100 以太网 MAC, 三个串行端口, 一个 CAN 2. 0B控制器, 1-Wire®主机和 64 个 I/O 引脚, 可以运行 TINI 操作系统。 TINI 平台是一个基于微控制器的开发平台, 运行嵌入式 web 服务器代码。 该平台结合了丰富的 I/O 资源、 一个完整的 TCP/IP 栈和一个可扩展的 Java 运行环境, 可以大大简化了联网设备的开发。 为了便于访问网络, 在 ROM 中提供了一个完整的、 可被应用访问的 TCP IPv4/6 网络协议栈并支持最多 32 个并发的 TCP 连接, 并且能够通过以太网 MAC 提供高达 5Mbps 的吞吐率。最高达 75MHz 的系统时钟频率使最短指令周期仅有 54ns。 24 位寻址方式简化了对于大容量程序或数据存储器的访问, 支持高达 16MB 的连续存储空间。 总体概要设计 13 图 2-2 系统总体结构 在图 2-2 中光电卡上的数据由 RS485 传送到网管卡上, 通过在网管卡上构造光纤收发器的MIB 库, 我们就可以用基于 SNMP 协议的网管软件访问 MIB 库。 也可以通过浏览器使用 WEB方式管理, 网管卡采用 DS80C400 作主芯片, 光电卡采用 KENDIN 的 KS8993F 作为主芯片。 这种方案的可网管光纤收发器还有一个特点就是实现对远端光纤收发器的监控, 实现的主要途径就是采用 KS8993F 芯片。 KS8993F 芯片提供远程环回功能以及提供通过局端收发器访问远端收发器的 OAM 帧, 对远端光电卡进行管理和维护[11]。 示意图 2-3: 终 端 PC用 户(IE浏 览 器 ...)网 管 卡 SNMP(MIB)TINIDS80C400服务器( Web Server, Http, servlet API)服务器程序( Java类 , servlet)程序接收用 户 请求向下发送从下接收处理结果发送给用 户JDMK5.0 SNMP Manager API===========Internet(HTTP,..协 议 )( SNMP协 议 )光 电 卡KS8993F终 端 PC用 户(SNMP终 端 软 件 ...)RS485 西安理工大学工程硕士学位论文 14 OAM Frame Replay Command RS485 图 2-3 OAM 客户端监控 2.3 本章小结 根据前面提出的产品方案, 结合 JMX 架构规范设计了产品体系结构, 硬件架构和软件平台。 规划了各个模块的组合和功能划分, 完成了产品的概要设计, 为产品详细设计奠定基础。 局端收发器 KS8993F + 16F873 远端收发器 KS8993F 局端 CPU DS80C400 硬件系统设计 153 硬件系统设计 3.1 系统框图 硬件系统将由网管卡、 光电卡、 背板组成。 网管卡(DS80C400) 负责控制光电卡上的 MCU(PIC16F873) 采集所有光电卡的信息并转换成 SNMP 协议传给管理终端, 并将管理终端的命令传送给光电卡由 PIC16F873 执行对光纤模块ks8993F的控制。 可网管光纤收发器系统框图: 图 3-1 可监控型光纤收发器系统框图 整个硬件系统将由三部分组成: 光电卡(局端, 客户端), 网管卡, 管理终端。 如图: 3-1 所示。 局端光电卡 网管卡 INTERNET/LAN/WLANManager 客户端收发器 光纤 西安理工大学工程硕士学位论文 16网管卡和光电卡具体连线 所示其中网管卡和光电卡 网管卡与光电卡连接图: RS485 线M 以太口 Console I2C I2C 网管卡 光电卡 1 OAM 光电卡 15 远端收发器 图 3-2 可监控型光纤收发器网管卡和光电卡连接图 3.2 硬件组成: 3.2.1 光电卡的功能: 光电卡的功能是进行光纤接口以太网设备与铜缆接口以太网设备之间的双向数据通信。 其工作原理与一个两口的以太网交换机基本相同: 数据被接收后先存储到缓存中, 数据帧的源地址会被记录到地址表中, 缓存中的数据根据帧头的目的地址转发到相应端口; 不同之处在于一个端口为铜缆双绞线接口, 而另一个端口为光纤接口。所有的数据实际上进行的是链路层的交换, 这一点与常见的透明传输的工作在物理层的光纤收发器不同, 数据经过校验后重新发出, 有传输错误的数据就会被丢弃, 在一定程度上有利于网络的稳定工作。 可网管收发器主芯片采用 KENDIN 公司生产的 KS8993F, 在光电卡的设计上使用了端口 2 为铜缆接口, 端口 1 为光纤接口; 并增加了读取收发器信息的 MCU 和RS485 发送芯片如图 3-3 所示。 I2C PIC16F873 KS8993F I2C PIC16F873 KS8993F DS80C4007417 硬件系统设计 17 图 3-3 光电卡框图 光电卡主芯片采用美国迈瑞半导体公司生产的 3 端口 10M/100M 网关芯片KS8993F。 结构框图如下图: 图 3-4 KS8993F 结构 Kendin 公司 KS8993M 芯片数据手册[13] 他内部有 3 个 10 M/100 M 以 太网物理层收发器, 3 个完整的第二层 MAC 单元,1 个 MII/SNI 接口, SPI, I2C 接口另外, 还内置了 SRAM 帧缓 冲器; 内置地址查找机可以存放 1 000 个 MAC 地址, 并具有自动地址学习和更新功能; 可支持 VLAN 功能[11]; 介质转换主 芯 片 指示灯以太电口以太光口MCU 数据采集电源电路背 板 接 口 RS485 西安理工大学工程硕士学位论文 183.2.2 数据采集和控制 单片机采用 PIC16F873, 这款单片机功能强价格低, PIC 系列单片机具有以下特点[13]: 采用哈佛结构。 (1) 精简指令集技术。 (2) 运行速度高。 (3) 功耗低。 (4) 驱动能力强。 (5) 具备 I2C 和 SPI 串行总线 硬件构成框图 介质转换主 芯 片 KS8993F 指示灯 以太电口 以太光口 MCU 数据采集PIC16F873 电源电路背 板 接 口 RS485 DS80C400 网管卡 RS48 硬件系统设计 19如图 3-5 所示 PIC16F873 和介质转换主芯片 ks8993f 通过 SPI 总线f的数据采集和控制。 PIC16F873 的 UART 通过 RS-485 接口芯片接入背板的RS485 总线和网管卡相连, PIC16F873 接收网管卡的指令并执行, 完成上传数据和控制光纤收发器的复位和关断。 其中由于 PIC16F873 电源电压是 5V, KS8993F 的电源电压是 3.3V 所以要用一个电平转换电路连接。 如下图 3-6: 图 3-6 电平转换电路 3.2.3 网管卡功能简介 网管卡采用 DALLAS 网络单片机芯片 DS80C400 为硬件平台, 此平台内嵌了一个小的操作系统 TINI, 支持 TCP/IP 协议栈和本地硬件接口 API, 可用 JAVA 语言在上层开发应用软件, 为快速开发产品提供了方便。 用到的 DS80C400 芯片接口有: 2 个串口: SERIAL0 用于 CONSOLE, SERIAL1 用于 RS 485 总线 个以太口: 用作网管口。 I2C 接口: 用于对网管机箱的温度和电压采集(AD7417)。 网管卡电路的主芯片是 DS80C400, DS80C400 是快速的与 8051 兼容的高度集成的网络微控制器。 它执行指令的速度比普通的 8051 快 3 倍。 它的外围设备包括 西安理工大学工程硕士学位论文 2010/100bps 的以太网 MAC, 3 个串行端口, 1 个 CAN2.B 控制器, 一个 1-Wire 控制器和 64 个 I/O 引脚。 DS80C400 比标准的 8 位微控制器提供了更多的资源。 标准微控制器的很多外围电路 DS80C400 都把它集成到了一起。 为了能够访问网络,DS80C400 在ROM 里提供了一个 TCP IPv4/6 协议栈和 OS。协议栈支持 32 个 TCP 连接而且可以通过以太网 MAC 以 5Mbps 的速度发送数据。 DS80C400 内 部集成了 10/1000Mbps 的以太网 控制器, 它 支持使用 以太网/IEEE802.3 协议的物理设备。 它通过一个媒体独立接口(MII)提供了 接收, 发送和流控制机制。 MII 包含了一个串行管理总线, 它可以用来设置外部物理设备。 MII 可以设置为半双工和全双工模式,博狗网, 速率可以是 10Mbps 和 100Mbps, 也可以设置成支持1OMbps 的 ENDEC 操作模式。 网管卡框图: RS485 总线C CONSOLE SERIAL1 SERIAL0 DS80C400 AD7417 电 温 压 度 MII 图 3-7 网管卡原理框图 BCM5221 H1102 MAX3223E 3 X 2MB FLASH 2 X 1MB SRAM 以太口 硬件系统设计 213.2.4 背板的功能简介: 背板要为网管卡以及光电卡提供电源, 并作为网管卡读取光电卡数据的 RS485 总线通道, 还应提供各光电卡的固定槽位和槽位地址编码。 西安理工大学工程硕士学位论文 223.3 本章总结 本章详细设计了 可网管光纤收发器硬件结构和组成。 产品由网管卡, 光电卡, 背板, 机箱组成。 其中背板固定在机箱中网管卡和光电卡插在背板的插槽中。 每个光电卡上有一个 PIC 单片机执行网管卡的命令并上传数据给网管卡。 网管卡主芯片采用DS80C400 该芯片内嵌 TINI 操作系统, 支持 TCP/IP 协议栈。 通过构建应用程序可以实现对多路光纤收发器的集中管理。 软件系统设计 23 4 软件系统设计: 4.0 总体设计 系统框图如下图所示: 图 4-1 系统总体框图 本系统分三大部分: 1 .Web 管理配置界面和日志模块; 2.SNMP 代理模块 3.光电卡模块 其中网管卡和光电卡通过 RS485 总线连接; WEB 服务器通过以太网和和网管卡通WEB 服 务 器WEB 界 面及日 志 处 理网 管 卡MIB数 据 库数 据 通 讯 模 块SNMP协 议 适 配 器SHELL( Telnet Server)(Console Server)WEB浏 览 器SNMP客 户 端 程 序终 端 仿 真 程 序用 户 终 端光 电 卡 模 块 西安理工大学工程硕士学位论文 24讯; 此外网管卡还可以通过本地的串口登录 TINI 系统。 本系统中的 SNMP 代理模块运行在 DS80C400MCU 上的 TINI 操作系统中, Web 界面以及日志模块运行在 PC 平台上的 Windows2000 或更高版本, 光电卡软件运行在单片机 PIC16f873 上。 用户可以通过标准 SNMP 软件管理光电卡, 也可以通过登陆服务器上的 web 页面控制光电卡。 4.1 光电卡软件设计 通常情况下, 光电卡上的 MCU 在上电后经过一系列的初始化后不断查询上位机命令, 如果收到给自己的命令则解释并执行上位机命令。 网管卡和光电卡之间的通讯符合简单主从协议, 从机只有监听到自己的地址时才和主机通讯。 每个光电卡的卡槽有一个固定地址。 软件系统设计 254.1.1 光电卡软件流程图 NO YES NO YES 判断指令, 分支执行 位, 远端复位 6 2 1 3 4 5 采集并发 送 MIB 信息子程序 复位子程序 ...

版权声明:本文为原创文章,版权归 博狗网 所有,欢迎分享本文,转载请保留出处!
上一篇:机架式光纤收发器 24槽
下一篇:博狗网中南大学工商管理硕士(MBAEMBA)专业学位