同步数字体系网管信息提取与插入系统的设计

熊正良,徐东明

(西安邮电大学 通信与信息工程学院，西安 710061)



同步数字体系网管信息提取与插入系统的设计

熊正良,徐东明

(西安邮电大学 通信与信息工程学院，西安 710061)

现有的不同厂家的同步数字体系(synchronous digital hierarchy，SDH)设备网管信息不能实现互通，为了解决这一问题，提出了一种SDH网管信息提取和插入系统的软硬件设计方案，主要包括网管信息的提取和插入、HDLC数据的封装和拆封、利用主控制器和USB模块进行数据传输，从而实现网管信息的高速上传并在上位机实时显示和保存功能；最后对该系统进行了测试验证，结果表明该系统能分析不同的SDH设备网管信息，为网管信息互通提供了基础信息。

SDH设备；网管信息；提取和插入系统；USB模块

0 引言

随着光电信息技术飞速发展，数据传输业务急剧上涨，网络构建技术持续改进，SDH网络因其高速率大容量的标准帧结构设计，良好的设备兼容性，强大的自愈能力和丰富的开销安排以及灵活的组网方式等优越性，成为最常用的组网方案[1]。SDH网中嵌入的数据通信通道(data communication channels，DCC)传送的帧同步和对传输网络服务平台进行维护性能监视以及其他操作的管理控制信息，是构成网元之间进行交互的通信基础。但传统的DCC通道数据协议由设备生产商制定，不同的SDH设备网管信息不能互通，为不同SDH设备组建的光网络交互造成不便。本文提出了一种SDH网管信息提取与插入系统软硬件的设计方案，该系统能够提取不同光网络设备DCC通道传输的网管信息，并实现实时高速上传和存储，为网管信息的互通提供了基础信息。

1 设计概要

SDH传输网为了能够实现支路信号同步数字复用和交叉连接，形成支路信号在帧内的均匀的、有规律的分布，以便于接入和取出，采用了一种以字节结构为基础的矩形块状帧结构，如图 1 所示。它由270xN列和9行8比特字节组成，其再生段开销(RSOH)和复用段开销(MSOH)以及管理单元指针(AU PTR)占用了前9xN列[2]。DCC 被分配在SDH 段开销字节中的D1～D12字节上，构成SDH管理网(SMN)的传送链路， 用来保存在网元间传送的操作、管理和维护数据。其中 D1～D3 在RSOH 中，速率为 3×64 kb/s=192 kb/s，D4～D12 在MSOH 中，速率为 9×64 kb/s=576 kb/s。上述总共768 Kbit/s的数据通路为SDH网的管理和控制提供了强大的通信基础[3]。

图1 STM-N帧结构

图2为本系统的典型应用环境，其中网元A1～A4组成的环网A和网元B1～B4组成的环网B使用不同SDH设备。在各自环网内，网元之间通过DCC链路进行网管信息的交互，每个网元更新存储着网络的拓扑结构和运行状况。若环网A和环网B之间不接入适配系统而是直接用光纤相连，由于DCC协议的私有性[1]，A、B环网之间将不能进行网管互通，不能实现有效通信。在接入适配系统和PC端后，为实现环网之间的互通，适配系统首先提取线路上网元A4和网元B2发送的数据帧中D1-D12字节信息，在知道各自DCC协议的情况下，人为解析并交叉上传发送的网管信息，实现网管信息的透传，达到不同SDH网络互通的目的。

图2 系统应用环境

2 系统硬件设计

2.1 设计原理

一方面，由于适配系统对于光纤线路是透明传输的，要求在不改动相关SDH设备软硬件配置地同时对传统的光传输网络要有较好的兼容性，对所传送的数据业务能够在进行系统处理后正常传输；另一方面，DCC通道最高传输速率可达到768 Kbit/s而使用RSR232串行通讯接口，最高传输速率为230 400 bit/s，在实际应用中可能出现上位机接收不及时导致数据出错或丢失现象，所以在系统设计中采用传输速率较高的USB接口来实现主控制器和上位机之间网管信息交互。

根据以上需求，系统硬件设计主要包括3个模块：SDH光口模块、DCC提取插入模块、USB通信接口模块。系统硬件设计框图如图3所示，其中：

图3 硬件系统框图

1)光接口模块完成信号的光电转换，即发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送至远端，接收端将光信号转换成电信号，再进行相应处理[4]；2)DCC提取插入模块选用Xilinx公司的FPGA芯片,主要实现STM-1数据帧中D1-D12字节的提取与插入、HDLC数据的封装和拆封等功能；3)USB接口模块使用沁恒公司CH375芯片主要完成MCU和上位机的高速通信；4)电源模块和时钟模块的作用是为系统电路提供各种所需的电压和时钟频率。

DCC适配系统的工作原理是：插入发送时，将串行比特流封装成HDLC帧，添加加16位CRC检验，插入到SDH帧段开销中的D1-D12字节中[5]，通过光纤传送至对端。接收提取时，提取SDH帧数据中的D1-D12字节数据，对HDLC网管信息解封装后进行CRC判别去校验位，将有效数据传送给上位机。

2.2 关键技术实现

2.2.1 DCC插入和提取模块

由于系统中使用的SDH处理芯片只能处理2路STM-1帧数据，所以传送接收的数据都为STM-1帧。DCC提取电路框图如图4所示。进过光电转化后并行输入的STM-1信号，首先通过帧定位信息和同步时钟完成帧同步，时钟发生器1产生开销提取所需的时钟频率和解复用等时钟信号，然后把D1-D12字节从数据帧段开销中相应字节中提取出来，最后在时钟发生器2产生的低速时钟信号下将DCC字节信息输出[6]。DCC插入模块流程与提取过程相反，将在DCC协议下定义的网管信息串行输入，通过帧定位信息和同步时钟完成帧同步，然后在产生的相应时钟信号下将网管信息插入到帧的相应字节位置，复用器和扰码器完成数据帧交叉复用和编码处理，最后在产生的高速发送时钟下将数据帧并行传送。

图4 DCC提取实现框图

2.2.2 HDLC控制处理

为了保证网管信息传送的安全可靠性，在将其射到STM-1帧中传输前，先要经过HDLC封装，然后通过DCC通道传输，而接收端则对提取的D1-D12字节信息进行HDLC解封装处理，获取有效数据。

在HDLC控制模块中,为了提高传输速率，在HDLC发送端添加两个8 bitx1 024的SxFIFO缓存。发送HDLC帧数据时，两个缓存可进行页式切换发送，提高传输效率。在HDLC接收端，设置一个9 bitx2 048的RxFIFO缓存，其位宽由前8个数据位和最后1个状态位构成，当状态位为1，表示前8个数据为HDLC帧的最后一个字节,否则状态位为0。插入发送时，HDLC发送模块首先从SxFIFO取出待插入信息，经并串转换后，将串行数据送入CRC校验模块生成16位的HDLC 帧检验码。当发送的串行码流中出现5个连续1时，则在最后一个1后插入一个0，当所有数据发送完后，将CRC检验码添加到帧的最后进行传送。接收提取时，在同步时钟下HDLC接收模块对接收到的D1-D12字节码流进行帧同步识别，当收到串行码流为0x7e时，为通道填充或者帧同步字节，丢弃收到的数据；当串行接收到字节不为0x7e时，表示接收到HDLC帧的第一个字节[7]，对后续接收数据做去0处理并输入到CRC校验模块中。将处理后的数据进行串并转换后存入RxFIFO中并添加标志位直至出现结束标志位0x7e后，将接收到最后2个有效字节数据丢弃，并在倒数第3个字节存入RxFIFO后添加帧结束标志位。如果CRC检验出错，则丢弃数据并发送报错报告。

3 系统软件设计

3.1 系统软件总体设计思想

系统软件分为三部分：USB设备驱动程序，MCU主控制程序和上位机应用程序[8]。USB设备驱动程序是实现应用程序和硬件接口之间的透明传输的软件组件，由芯片生产商提供，在沁恒电子有限公司官网可直接下载设备方式下的标准驱动CH375WD.INF和动态链接库：CH375.DLL。MCU主控制程序为使用C51语言，在KEIL C51编辑器与其集成的开发工具编写和构建，最终烧录进MCU的可执行代码，主要完成与FPGA的通信协议配置和CH375芯片的通讯功能控制，其中USB通信部分是本系统软件设计重点。上位机程序采用C语言在VC++ 6编辑环境中编程实现，由CH375动态链接库DLL和应用主程序构成。

3.2 USB固件程序设计

USB固件程序主要是通过对各个功能寄存器操作完成CH375 芯片的通讯配置，响应并处理USB设备驱动程序的通信请求，包含初始化模块和通信控制模块两个部分[9]。USB上传数据流程如图5所示。

图5 USB上传数据流程图

硬件上电初始化过程中，MCU首先检查CH375是否正常即向CH375发送测试工作状态命令，如果不正常，MCU每间隔5 ms向CH375发送一次硬件复位指令。若正常，MCU向CH375芯片15 H寄存器中写入02 H使其工作在内置固件模式下。USB数据传送过程中，由于通信只能由USB主机发起，MCU检测是否有HDLC网管数据上传。如果有则将数据以8个字节为一组发送至CH375缓存中，同时上位机程序调用动态库中读取数据函数在线程中读取CH375中缓存数据；当PC应用程序机取走数据后，CH375向MCU发送请求中断，为了防止数据覆盖或溢出，CH375锁定当前USB缓冲区；MCU等待中断触发后进入中断服务程序，执行 GET_STATUS 命令获取中断状态，在并 GET_STA TUS 命令完成后取消中断请求，然后按照获取的中断状态进行相应操作。若中断状态为“上传成功”，则通过写23 H寄存器清空缓存，并继续检测MCU是否还有数据发送，最后退出中断服务程序。

3.3 上位机程序设计

上位机程序主要功能包括对USB设备的检测和简单控制、网管信息实时显示与存储以及提供良好的人机交互界面。

上位机程序主要由动态链接库和应用主程序两部分组成，其中动态链接库实现与内核态USB驱动程序进行信息交互，提供了CH375芯片与PC端进行数据通信的应用层接口API，包括对USB设备的信息管理，数据传输控制以及中断处理。应用主程序则主要实现接口函数的调用和实现良好的人机交互界面。上位机设计中加载CH375驱动程序后可直接调用动态库中相应的功能函数，此时对应用程序而言，USB设备被当做文件一样来操作，避免了USB协议的再开发，简化了系统软件设计过程，大大提高了系统开发效率。上位机设计流程如图6所示。

图6 上位机设计流程

PC端首先下载CH375的Windows驱动程序和DLL动态库的安装包，当设备第一次接入计算机时，根据系统提示加载驱动即可。在上位机程序设计中，CH372DLL.DLL动态链接库需要手工添加到建立的MFC工程指定路径下。完成上位机用户界面绘制编程后，使用编辑器提供的ClassWizard类向导为相应控件设置映射函数和添加控制变量[10]。程序初始化函数过程中，首先检测是否有CH375设备插入并填充设备序列号，并调用CH375SetDeviceNotify()函数启动指定序号设备插拔监视；若检测到指定设备，则自动调用OnOpenCH375Device()函数打开设备，获取并显示设备信息，最后创建数据保存文档。通过函数OnButton2Up()创建端点2上传句柄并建立数据上传线程，在线程函数mThreadUp2(LPVOID pParam)中调用CH375ReadData()实现光口传输的网管信息的读取，最后通过特定标志位进行效数据的提取、分屏显示和实时保存。

4 测试验证

在系统软硬件调试成功后，搭建如图7所示的回环和对通实测试环境。系统中主控制器STC11L60XE外接输入11.0592 MHZ频率时钟，此时USB模块上传和下传速度均能达到1 MBps左右，满足实时显示网管信息的速度需求，同时具有较高准确。

为进一步验证实验室板的性能，将系统板送入某研究所进行了实际环境下的测试。相比单一数据、线路简单的实验室环境，实际环境下，获取的数据虽然会出现少量丢包或者出错的情况，但在都在误差允许范围内，解析数据需要的关键信息都能正常接收显示保存，为不同SDH设备互通提供重要基础信息。上位机获取数据信息如图8所示。

图7 回环对通测试环境

图8 上位机界面

5 结束语

本文设计的SDH网管信息提取和插入系统，能够透传光路信息并提出或插入网管信息，在一定程度上可以缓解不同SDH设备不能互通的问题。测试结果也表明，系统性能可靠，应用简单，能够为不同SDH设备互通提供技术支持和信息基础，具有良好的通用性和实用性。

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[4] 刘桂秋，习友宝.光模块的研究与测试[J].光网络，2014(8)：32-34.

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[7] 刘文慧，张 弛，杨 宏. 基于FPGA的E1/Ethernet互联方案的研究与实现[J].通信技术，2010，43(12)：187-189.

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[10] 龚建伟 熊光明. Visual C++_Turbo C串口通信编程实践[M].北京：电子工业出版社，2004.

Software and Hardware Design of Extraction and Insertion System of SDH Network Management Information

Xiong Zhengliang, Xu Dongming

(School of Communication and Information Engineering, Xi′an University of Posts and Telecommunications, Xi′an 701061, China)

In order to solve the different optical network transmission equipment cannot achieve network communication problems,the method of software and hardware design of Synchronous Digital Hierarchy management information extraction and insertion system is proposed. Mainly including the extraction and insertion of network management information, packing and unpacking of HDLC data and using the master controller and the USB module for network management information transmission to achieve high speed upload and real-time display and save in the host computer. Finally the system is tested to verify, the results show that the system can analyze different Optical Network equipment network management information and provides the basis for network management information exchange.

SDH equipment；Network management information；system of extraction and insertion；USB module

2015-12-23；

2016-01-14。

熊正良(1989-)，男，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事专用集成电路方向的研究。

徐东明(1963-)，男，湖北武汉人，教授，硕士研究生导师，主要从事通信专用集成电路方向的研究。

1671-4598(2016)06-0223-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.061

TN919.5

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