丁 奕，李坤妃，馬 龍，李辰嶺，徐 瑾

（1北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100022）

地鐵骨干網(wǎng)用于傳輸車站與車站之間、車站與車之間的大量數(shù)據(jù)信息，因此，實(shí)時(shí)掌握骨干網(wǎng)的狀態(tài)非常重要。目前，北京地鐵昌平線（以下簡(jiǎn)稱昌平線）正處于試運(yùn)行，尚沒有合適的網(wǎng)絡(luò)管理軟件來管理昌平線的骨干網(wǎng)。本文設(shè)計(jì)了一種基于C#平臺(tái)，采用SNMP協(xié)議，適合北京地鐵昌平線的網(wǎng)絡(luò)管理軟件，測(cè)試結(jié)果表明，可滿足對(duì)昌平線骨干網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控和管理的需求。

1 城市軌道交通骨干網(wǎng)方式

骨干網(wǎng)有3種實(shí)現(xiàn)方式：RPR、SDH和基于交換的ATM。這3種方式都是現(xiàn)今使用較多的骨干網(wǎng)傳輸方式，分別適用于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

彈性分組環(huán)（RPR）是一種數(shù)據(jù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，環(huán)網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)共享帶寬，不需要進(jìn)行電路指配。利用公平控制算法使環(huán)網(wǎng)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)地完成帶寬協(xié)調(diào)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，都能將數(shù)據(jù)發(fā)送到光纖子環(huán)上，并送往目的節(jié)點(diǎn)。RPR包括2個(gè)反方向環(huán)繞的單項(xiàng)環(huán)，環(huán)上鏈路具有相同的數(shù)據(jù)速率，能夠支持單播和組播。

SDH具有路由自動(dòng)選擇能力，維護(hù)、控制、管理功能強(qiáng)，便于傳輸更高速率的業(yè)務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，能很好地適應(yīng)通信網(wǎng)飛速發(fā)展的需要。SDH有多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所組成的網(wǎng)絡(luò)非常靈活，能增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行靈活、安全、可靠。SDH是嚴(yán)格同步的，從而保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠，誤碼少，且便于復(fù)用和調(diào)整。

ATM是一種傳輸模式。在這一模式中，信息被組織成信元，因?yàn)榘瑏碜阅秤脩粜畔⒌母鱾€(gè)信元不需要周期性出現(xiàn)，所以這種傳輸模式是異步的。ATM信元是固定長(zhǎng)度的分組、語音、數(shù)據(jù)、圖像等。所有的數(shù)字信息都要經(jīng)過切割，然后封裝成統(tǒng)一格式的信元在網(wǎng)中傳遞，并在接收端恢復(fù)成所需格式。由于ATM技術(shù)簡(jiǎn)化了交換過程，去除了不必要的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，采用了易于處理的固定信元格式，所以ATM交換速率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)交換速率。

不同的傳輸方式有著自己不同的優(yōu)缺點(diǎn)，見表1，可根據(jù)他們不同的特點(diǎn)，作用于不同的網(wǎng)絡(luò)。

表1 骨干網(wǎng)傳輸方式對(duì)比

RPR是基于SDH發(fā)展的骨干網(wǎng)傳輸方式，其高帶寬利用率和快速保護(hù)機(jī)制很適合昌平線大量數(shù)據(jù)信息的傳輸。因此，昌平線采用了RPR的骨干網(wǎng)傳輸方式。

2 RPR在北京地鐵昌平線的應(yīng)用

2.1 北京地鐵昌平線通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

北京地鐵昌平線是連接城市中心區(qū)與昌平新城的一條南北向軌道交通快速客運(yùn)線路，北起十三陵景區(qū)，南至城鐵13號(hào)線西二旗站，全長(zhǎng)31.24 km。計(jì)劃2012年12月底全線通車。

地鐵昌平線的骨干網(wǎng)絡(luò)采用的是RPR傳輸方式。其單個(gè)站的主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 昌平線單個(gè)站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

骨干網(wǎng)分為紅網(wǎng)和藍(lán)網(wǎng)，其中藍(lán)網(wǎng)是紅網(wǎng)的冗余，確保網(wǎng)絡(luò)可以正常的工作，骨干網(wǎng)絡(luò)的主要功能是完成站與站之間的信息傳輸。骨干網(wǎng)交換機(jī)通過車站交換機(jī)獲取本站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）、區(qū)域控制器（ZC）、無線接入點(diǎn)（AP）的信息，車站接入交換機(jī)也采取備份，分別接入紅網(wǎng)和藍(lán)網(wǎng)。ZC和CI通過接入交換機(jī)，進(jìn)行與AP之間信息的傳輸。北京地鐵昌平線骨干網(wǎng)絡(luò)的連接如圖2。

圖2 昌平線骨干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 昌平線網(wǎng)絡(luò)管理軟件的實(shí)現(xiàn)

RPR設(shè)備主要提供北京地鐵昌平線全線骨干網(wǎng)的監(jiān)控以及對(duì)AP等設(shè)備的管理。還可以通過車站接入交換機(jī)對(duì)CI、ZC等設(shè)備進(jìn)行管理和監(jiān)視。

網(wǎng)管軟件基于C#平臺(tái)，采用SNMP協(xié)議和輪詢實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸使用UDP協(xié)議，采用socket實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2.1 S NMP協(xié)議

SNMP是簡(jiǎn)單網(wǎng)管協(xié)議，它的目標(biāo)是管理互聯(lián)網(wǎng)上眾多廠家生產(chǎn)的軟硬件平臺(tái)。

SNMP的網(wǎng)絡(luò)管理模型包括以下關(guān)鍵元素：管理站、代理站、管理信息庫、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。管理站是網(wǎng)絡(luò)管理員與網(wǎng)管系統(tǒng)的接口。代理站對(duì)來自管理站的信息請(qǐng)求和動(dòng)作請(qǐng)求進(jìn)行應(yīng)答并隨機(jī)為管理站報(bào)告一些重要的意外事件。管理信息庫是對(duì)象的集合，又被稱為MIB。MIB作為設(shè)在代理者處的管理站訪問點(diǎn)的集合，管理站通過讀取MIB中的對(duì)象值進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。管理站與代理者之間通過網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議通信。

SNMP的基本功能是：取得、設(shè)置和接收代理發(fā)送的意外信息。取得是指基站發(fā)送請(qǐng)求，代理據(jù)此回送相應(yīng)數(shù)據(jù)；設(shè)置是基站設(shè)置管理對(duì)象的值；最后一項(xiàng)功能是指代理可以在基站未請(qǐng)求的狀態(tài)下，向基站報(bào)告發(fā)生的意外情況。

2.2.2 網(wǎng) 管軟件組包、收包的實(shí)現(xiàn)

SNMP的組包是通過先定義一個(gè)數(shù)組，然后再向數(shù)組中寫數(shù)據(jù)，最后再通過用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）方式將數(shù)據(jù)包發(fā)送給RPR設(shè)備。數(shù)組建立的步驟如圖3。

圖3 SNMP組包步驟

2.2.2.1 建立一個(gè)發(fā)送數(shù)組和一個(gè)接收數(shù)組

發(fā)送數(shù)組用于發(fā)送SNMP數(shù)據(jù)包，接收數(shù)組用于判斷發(fā)送數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，如果發(fā)送失敗，則將數(shù)組的首位設(shè)置為0xff。在以后的功能中，如果查詢到接收數(shù)組的首位為0xff，視為通信失敗，會(huì)彈出對(duì)話框提示用戶。

2.2.2.2 設(shè)置指針變量

設(shè)置一個(gè)指針變量，用于指定數(shù)據(jù)在數(shù)組中的位置，以便于數(shù)據(jù)的填寫。

2.2.2.3 設(shè)置SNMP版本

（1）設(shè)置版本的說明類型，因?yàn)榘姹咎?hào)是整數(shù)，所以說明類型設(shè)置為整型。版本號(hào)為1位數(shù)字，因此說明長(zhǎng)度為1，設(shè)置的版本號(hào)為0，即SNMPV1。

（2）設(shè)置團(tuán)體名，由于發(fā)送數(shù)組是字符串型，因此需要將團(tuán)體名轉(zhuǎn)化為字符串格式，通過Encoding指令將其轉(zhuǎn)化成ASCII碼，以便傳輸。

（3）設(shè)置協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），根據(jù)不同的功能，將規(guī)定的數(shù)字寫入對(duì)應(yīng)的字段，組成數(shù)組，然后填寫請(qǐng)求ID，請(qǐng)求ID是機(jī)器檢測(cè)PDU指令到達(dá)先后的標(biāo)志。

（4）設(shè)置錯(cuò)誤類型以及錯(cuò)誤索引，get-nextrequest以及get-request指令不需要變量，因此變量設(shè)置只需要留出這部分?jǐn)?shù)組的位置。對(duì)于setrequest指令，設(shè)置的值通過變量向設(shè)備發(fā)送，所以需要對(duì)這部分進(jìn)行特別的設(shè)置，要將變量類型設(shè)置為要填寫信息的類型，并且將填寫信息的長(zhǎng)度加在變量長(zhǎng)度中。這樣，設(shè)備就可以根據(jù)變量定義的信息，對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行修改。

（5）設(shè)置MIB字段，填寫對(duì)象標(biāo)識(shí)符（OID）字段。對(duì)于get-next以及get指令，設(shè)置完MIB字段，SNMP組包就完成了。對(duì)于set指令，還需要將改變值寫入SNMP數(shù)組中，先寫入類型以及長(zhǎng)度，再將寫入的內(nèi)容加在后面，字符串型數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)化，將字符串轉(zhuǎn)化成ASCII碼。

SNMP的收包原理與組包原理基本相同，接收到的是get-response信息，它是get-next-request、get-request以及set-request信息的回應(yīng)信息，通過讀取這些信息，可以查詢?cè)O(shè)備返回的信息。

2.3 RPR環(huán)網(wǎng)的監(jiān)控

2.3.1 R PR環(huán)網(wǎng)管理和檢測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)控主要是對(duì)RPR環(huán)網(wǎng)的性能進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，從而全面掌握網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)，了解骨干網(wǎng)絡(luò)中各站以及各個(gè)接入交換機(jī)的工作狀態(tài)。這樣便于管理環(huán)網(wǎng)上的各個(gè)信息，對(duì)環(huán)網(wǎng)的故障也能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并且修復(fù)。昌平線骨干網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控主要通過網(wǎng)管軟件實(shí)現(xiàn)。

實(shí)時(shí)監(jiān)控主要包括環(huán)網(wǎng)中光纖連接的監(jiān)控、網(wǎng)管軟件與骨干網(wǎng)、接入交換機(jī)之間的通信監(jiān)控以及骨干網(wǎng)與接入交換機(jī)之間通信的監(jiān)控。

RPR環(huán)網(wǎng)狀態(tài)查詢主要查詢環(huán)網(wǎng)中光纖連接狀態(tài)。通過查詢RPRPOS端口的開啟與否，監(jiān)測(cè)環(huán)網(wǎng)光纖的狀態(tài)。如果RPRPOS端口處于關(guān)閉狀態(tài)，說明光纖接口未插好，或者是光纖已斷。RPR設(shè)備的返回值是整型的變量，返回值為1，說明端口打開，如果返回值為2，說明端口關(guān)閉。端口的關(guān)閉有2種可能：（1）光纖接口松動(dòng)。（2）光纖斷了。通過人性化的網(wǎng)管軟件界面顯示這部分的故障，用以提醒用戶可能存在的故障。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)備之間的連接線會(huì)由黑色變成紅色，從而起到警示用戶的作用，見圖4。

圖4 環(huán)網(wǎng)故障

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)

RPR與接入交換機(jī)之間連接的狀態(tài)是通過查詢接入交換機(jī)與RPR設(shè)備的連接端口狀態(tài)來檢測(cè)，如果端口處于關(guān)閉狀態(tài)，則說明這部分的網(wǎng)線存在問題。在網(wǎng)絡(luò)不通的情況下，RPR設(shè)備和接入交換機(jī)都會(huì)顯示紅叉以提醒用戶網(wǎng)絡(luò)通信故障。由于在發(fā)包1 s后未收到回包才會(huì)被判定通信失敗，因此這部分的時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，同樣故障恢復(fù)的時(shí)間也會(huì)較長(zhǎng)，見圖5。

圖5 通信故障

狀態(tài)查詢是實(shí)時(shí)的，因此需要不斷地觸發(fā)此狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)的方法就是使用時(shí)鐘，當(dāng)時(shí)鐘指針走動(dòng)的時(shí)候，觸發(fā)輪詢程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)網(wǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)通過時(shí)鐘的判斷也可以看出程序是否在執(zhí)行，有沒有死機(jī)的現(xiàn)象。

2.4 環(huán)網(wǎng)連接設(shè)備設(shè)置

網(wǎng)管軟件除了可以檢測(cè)環(huán)網(wǎng)的狀態(tài)，還可以對(duì)連接在骨干網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，包括AP、交換機(jī)等?？梢栽O(shè)定AP的輸出功率，查詢AP的連接狀態(tài)以及采用的信道等，這些同樣是通過SNMP協(xié)議組包，使用UDP進(jìn)行查詢和對(duì)數(shù)據(jù)的更改。對(duì)于交換機(jī)的操作主要是查詢交換機(jī)端口流量，包括發(fā)送和接收流量，這樣可以方便地知道各個(gè)交換機(jī)的上下行數(shù)據(jù)量，避免網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)擁堵。

3 結(jié)束語

音頻、視頻業(yè)務(wù)承載的全I(xiàn)P化是今后城市軌道交通的發(fā)展方向，由于RPR對(duì)帶寬的高效利用以及雙環(huán)互為冗余的結(jié)構(gòu)，使得它將在城市軌道交通骨干網(wǎng)建設(shè)中扮演重要的角色。通過本網(wǎng)管軟件，可以管理昌平線的骨干網(wǎng)絡(luò)，減少骨干網(wǎng)的擁堵，查詢和更改連接在骨干網(wǎng)上的設(shè)備，減少了人員的工作量，從而提高工作效率和可靠性。

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