北京地铁昌平线RPR网管软件的实现

2012-11-26李坤妃李辰岭

铁路计算机应用 2012年9期

丁奕，李坤妃，马龙，李辰岭，徐瑾

（1北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044；2.北京工业大学，北京 100022）

地铁骨干网用于传输车站与车站之间、车站与车之间的大量数据信息，因此，实时掌握骨干网的状态非常重要。目前，北京地铁昌平线（以下简称昌平线）正处于试运行，尚没有合适的网络管理软件来管理昌平线的骨干网。本文设计了一种基于C#平台，采用SNMP协议，适合北京地铁昌平线的网络管理软件，测试结果表明，可满足对昌平线骨干网络状态监控和管理的需求。

1 城市轨道交通骨干网方式

骨干网有3种实现方式：RPR、SDH和基于交换的ATM。这3种方式都是现今使用较多的骨干网传输方式，分别适用于不同的网络环境。

弹性分组环（RPR）是一种数据优化网络，环网上的节点共享带宽，不需要进行电路指配。利用公平控制算法使环网上的各个节点能够自动地完成带宽协调。每个节点都有一个环形网络拓扑图，都能将数据发送到光纤子环上，并送往目的节点。RPR包括2个反方向环绕的单项环，环上链路具有相同的数据速率，能够支持单播和组播。

SDH具有路由自动选择能力，维护、控制、管理功能强，便于传输更高速率的业务等优点，能很好地适应通信网飞速发展的需要。SDH有多种网络拓扑结构，所组成的网络非常灵活，能增强网络监控，优化网络性能，使网络运行灵活、安全、可靠。SDH是严格同步的，从而保证了整个网络稳定可靠，误码少，且便于复用和调整。

ATM是一种传输模式。在这一模式中，信息被组织成信元，因为包含来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现，所以这种传输模式是异步的。ATM信元是固定长度的分组、语音、数据、图像等。所有的数字信息都要经过切割，然后封装成统一格式的信元在网中传递，并在接收端恢复成所需格式。由于ATM技术简化了交换过程，去除了不必要的数据校验，采用了易于处理的固定信元格式，所以ATM交换速率远高于传统的数据网交换速率。

不同的传输方式有着自己不同的优缺点，见表1，可根据他们不同的特点，作用于不同的网络。

表1 骨干网传输方式对比

RPR是基于SDH发展的骨干网传输方式，其高带宽利用率和快速保护机制很适合昌平线大量数据信息的传输。因此，昌平线采用了RPR的骨干网传输方式。

2 RPR在北京地铁昌平线的应用

2.1 北京地铁昌平线通信网络现状

北京地铁昌平线是连接城市中心区与昌平新城的一条南北向轨道交通快速客运线路，北起十三陵景区，南至城铁13号线西二旗站，全长31.24 km。计划2012年12月底全线通车。

地铁昌平线的骨干网络采用的是RPR传输方式。其单个站的主干网结构如图1。

图1 昌平线单个站网络结构

骨干网分为红网和蓝网，其中蓝网是红网的冗余，确保网络可以正常的工作，骨干网络的主要功能是完成站与站之间的信息传输。骨干网交换机通过车站交换机获取本站计算机联锁（CI）、区域控制器（ZC）、无线接入点（AP）的信息，车站接入交换机也采取备份，分别接入红网和蓝网。ZC和CI通过接入交换机，进行与AP之间信息的传输。北京地铁昌平线骨干网络的连接如图2。

图2 昌平线骨干网络结构

2.2 昌平线网络管理软件的实现

RPR设备主要提供北京地铁昌平线全线骨干网的监控以及对AP等设备的管理。还可以通过车站接入交换机对CI、ZC等设备进行管理和监视。

网管软件基于C#平台，采用SNMP协议和轮询实现，数据传输使用UDP协议，采用socket实现数据的传输。

2.2.1 S NMP协议

SNMP是简单网管协议，它的目标是管理互联网上众多厂家生产的软硬件平台。

SNMP的网络管理模型包括以下关键元素：管理站、代理站、管理信息库、网络管理协议。管理站是网络管理员与网管系统的接口。代理站对来自管理站的信息请求和动作请求进行应答并随机为管理站报告一些重要的意外事件。管理信息库是对象的集合，又被称为MIB。MIB作为设在代理者处的管理站访问点的集合，管理站通过读取MIB中的对象值进行网络监控。管理站与代理者之间通过网络管理协议通信。

SNMP的基本功能是：取得、设置和接收代理发送的意外信息。取得是指基站发送请求，代理据此回送相应数据；设置是基站设置管理对象的值；最后一项功能是指代理可以在基站未请求的状态下，向基站报告发生的意外情况。

2.2.2 网管软件组包、收包的实现

SNMP的组包是通过先定义一个数组，然后再向数组中写数据，最后再通过用户数据报协议（UDP）方式将数据包发送给RPR设备。数组建立的步骤如图3。

图3 SNMP组包步骤

2.2.2.1 建立一个发送数组和一个接收数组

发送数组用于发送SNMP数据包，接收数组用于判断发送数据是否发送成功，如果发送失败，则将数组的首位设置为0xff。在以后的功能中，如果查询到接收数组的首位为0xff，视为通信失败，会弹出对话框提示用户。

2.2.2.2 设置指针变量

设置一个指针变量，用于指定数据在数组中的位置，以便于数据的填写。

2.2.2.3 设置SNMP版本

（1）设置版本的说明类型，因为版本号是整数，所以说明类型设置为整型。版本号为1位数字，因此说明长度为1，设置的版本号为0，即SNMPV1。

（2）设置团体名，由于发送数组是字符串型，因此需要将团体名转化为字符串格式，通过Encoding指令将其转化成ASCII码，以便传输。

（3）设置协议数据单元（PDU），根据不同的功能，将规定的数字写入对应的字段，组成数组，然后填写请求ID，请求ID是机器检测PDU指令到达先后的标志。

（4）设置错误类型以及错误索引，get-nextrequest以及get-request指令不需要变量，因此变量设置只需要留出这部分数组的位置。对于setrequest指令，设置的值通过变量向设备发送，所以需要对这部分进行特别的设置，要将变量类型设置为要填写信息的类型，并且将填写信息的长度加在变量长度中。这样，设备就可以根据变量定义的信息，对设备信息进行修改。

（5）设置MIB字段，填写对象标识符（OID）字段。对于get-next以及get指令，设置完MIB字段，SNMP组包就完成了。对于set指令，还需要将改变值写入SNMP数组中，先写入类型以及长度，再将写入的内容加在后面，字符串型数据还需要进行数据类型的转化，将字符串转化成ASCII码。

SNMP的收包原理与组包原理基本相同，接收到的是get-response信息，它是get-next-request、get-request以及set-request信息的回应信息，通过读取这些信息，可以查询设备返回的信息。

2.3 RPR环网的监控

2.3.1 R PR环网管理和检测

实时监控主要是对RPR环网的性能进行实时的监测，从而全面掌握网络的动态，了解骨干网络中各站以及各个接入交换机的工作状态。这样便于管理环网上的各个信息，对环网的故障也能第一时间发现并且修复。昌平线骨干网的实时监控主要通过网管软件实现。

实时监控主要包括环网中光纤连接的监控、网管软件与骨干网、接入交换机之间的通信监控以及骨干网与接入交换机之间通信的监控。

RPR环网状态查询主要查询环网中光纤连接状态。通过查询RPRPOS端口的开启与否，监测环网光纤的状态。如果RPRPOS端口处于关闭状态，说明光纤接口未插好，或者是光纤已断。RPR设备的返回值是整型的变量，返回值为1，说明端口打开，如果返回值为2，说明端口关闭。端口的关闭有2种可能：（1）光纤接口松动。（2）光纤断了。通过人性化的网管软件界面显示这部分的故障，用以提醒用户可能存在的故障。当出现故障时，设备之间的连接线会由黑色变成红色，从而起到警示用户的作用，见图4。

图4 环网故障

2.3.2 网络连接状态

RPR与接入交换机之间连接的状态是通过查询接入交换机与RPR设备的连接端口状态来检测，如果端口处于关闭状态，则说明这部分的网线存在问题。在网络不通的情况下，RPR设备和接入交换机都会显示红叉以提醒用户网络通信故障。由于在发包1 s后未收到回包才会被判定通信失败，因此这部分的时间会较长，同样故障恢复的时间也会较长，见图5。

图5 通信故障

状态查询是实时的，因此需要不断地触发此状态，实现的方法就是使用时钟，当时钟指针走动的时候，触发轮询程序，实现对环网状态的实时监控。同时通过时钟的判断也可以看出程序是否在执行，有没有死机的现象。

2.4 环网连接设备设置

网管软件除了可以检测环网的状态，还可以对连接在骨干网的设备进行设置，包括AP、交换机等。可以设定AP的输出功率，查询AP的连接状态以及采用的信道等，这些同样是通过SNMP协议组包，使用UDP进行查询和对数据的更改。对于交换机的操作主要是查询交换机端口流量，包括发送和接收流量，这样可以方便地知道各个交换机的上下行数据量，避免网络数据拥堵。