基于VPX 架构的多元化综合业务采集系统设计

［吴林印 周品臣 蒋剑伟 李肖克 李凌云 王元 胡芳芳］

1 引言

随着现在一体化的战术信息集成框架的设计思路，按照“通用化、组合化、系列化”的要求，即插即用、按需集成，突出高性能、高生存、高可靠，快速反应能力建设，能够适应未来战场复杂环境，满足全过程、全要素指挥控制需要。需要设计一套高度集成化的综合业务采集系统，可基于数据网及各类信息服务设施，融入网络化管控系统并接受其指控，能够实现与其他单元的信息实时共享、行动高效协同、控制准确执行。

针对以上情况，本文提出了一种基于VPX 架构的多元化综合业务采集系统，通过对系统内各业务模块进行统一管理和控制，构建系统内数据链路网。通过研究多元化综合业务管控技术，解决各设备类型多样复杂、配置管控凌乱、业务开通缺乏粘性和便捷等问题。实现对各装备通信数据的“五统”功能，即统一采集、统一通信、统一分析、统一处理、统一管控，满足光缆通信网多元化采集通信处理能力的需求。

2 系统设计方案

2.1 系统概述

多元化综合业务采集系统主要是基于标准的VPX 架构进行研发设计。系统设计为4U 高度（3U 插板）共16个通用槽位，以前后插板的形式设计而成。各板卡按照VITA46.0 附录A 中Figure A-2 的规定和VITA48.2 中关于3U 导冷散热结构的标准进行设计，具有高度的集成化及多业务采集等功能[1]。

系统配备高性能国产化数据处理单元、显示接口单元、数据交换单元、采集单元等业务单元，实现对各节点通信数据的统一采集、统一通信、统一分析处理等功能；管理软件使用B/S 架构，采用分布式部署，实现对各节点通信网络业务开通、设备集中管控、设备快速配置、3D 显控、综合智能运维等功能，提升网络管控能力。

2.2 系统架构

2.2.1 设计原则

（a）自主可控设计

多元化综合业务采集系统软件、硬件完全自主开发，系统核心芯片全部国产化，采用国产化CPU（飞腾），提供高速运算处理支撑，采用国产化交换芯片，提供网络数据汇聚及交换支撑，采用国产化采集芯片，提供串行数据采集及汇聚；软件开发采用开源Linux 嵌入式操作系统和麒麟桌面操作系统等开源或国产化操作系统，实现软件代码的完全自主可控，不留后门，同时所有程序都可以进行源码级回溯。

（b）模块化设计

多元化综合业务采集系统在VPX 架构下，采用灵活的板卡模块化设计，根据业务需要可随时增减板卡，便于根据应用场景需要选择不同的板卡组合；同时采用快插快拔设计，方便设备的使用维护。

（c）智能化设计

多元化综合业务采集系统针对特殊需求开展多元化综合节点管理技术研究，通过研制具备智能运维管理、信息快速感知、3D 集中显控、一键开通等技术能力的设备，可以极大程度提高设备的灵活性和可操作性，实现设备智能化管理。

（d）环境适应性设计

多元化综合业务采集系统采用VPX 架构进行设计，可满足设备在恶劣环境下正常使用；板卡采用标准3U 板卡进行设计，具有更优的力学特性以及更短的散热途径，实现设备高可靠性。

2.2.2 逻辑架构

多元化综合业务采集系统逻辑架构主要由采集层、通信层、分析处理层及控制管理层组成，设备基于4 层逻辑架构，主要提供节点任务设备多接口数据采集、数据交换通信，数据处理管控等特色应用方案，实现对各节点通信数据的“五统”功能，满足光缆通信网多元化采集通信处理能力的需求，设备逻辑架构如图1 所示。

图1 多元化综合业务采集系统逻辑架构图

（a）采集层

采集层负责将各节点管理数据进行统一采集。设备主要兼容的采集协议主要有串口通信协议以及以太网协议。

（b）通信层

通信层负责管理数据实时通信以及设备内部业务单元交互通信；将采集层收集到的数据信息通过PCIE 总线或Serdes 信号进行交换、转发，实现各节点管理数据统一通信；设备内部单元模块通信，主要通过引出千兆Serdes 信号到各个槽位，实现所有槽位通信全覆盖。

（c）分析处理层

分析处理层负责管理数据分析处理；通信层将管理数据转发至分析处理层，分析处理层基于管理数据进行汇总分析与处理，同时负责将各节点管理数据进行统一存储和调用；结合控制管理层，实现各节点管理数据及业务配置的统一处理和智能控制。

（d）控制管理层

控制管理层即网管应用，负责对各节点管理数据的集中管控、快速配置、3D 显控、综合智能运维等功能，实现各节点管理数据智能化、信息化的网络管控。

2.2.3 协议架构

（a）Serdes

在内部业务单元之间，主要通过千兆Serdes 通信。

（b）Base-T

在设备与外部设备之间，主要通过1000MBase-T通信。

（c）PCIE

在数据处理单元与显示单元、采集单元之间，主要通过PCIE 通信。

系统的协议架构图如图2 所示。

图2 协议架构图

2.3 系统硬件设计

多元化综合业务采集系统硬件采用VPX 架构，配备高性能国产化数据处理单元、显示接口单元、数据交换单元、采集单元等业务单元，实现对各节点通信数据“五统”功能，满足光缆通信网多元化采集通信处理能力的需求；具有可靠性高、性能稳定、体积小、保密性能好、业务种类丰富、环境适应性和抗电磁干扰能力强等特点。系统硬件架构如图3 所示。

图3 设备硬件架构框图

多元化综合业务采集系统各业务单元功能如表1 所示。

表1 各业务单元功能表

2.4 系统软件设计

2.4.1 软件概述

多元化综合业务采集系统管理软件使用B/S 架构，采用分布式部署。软件一般特性如下。

①使用场所：软件运行在国产硬件平台上；

② 主要功能包括网络资源管理、网络规划、网络快速开通与设备配置、网络态势感知、节点集中显控、网络监测与分析、系统管理等功能组成。

2.4.2 功能组成

通过系统需求分解将系统管理软件分为网络资源管理、网络规划、网络快速开通与设备配置、网络态势感知、节点集中显控、网络监测与分析、系统管理等功能组成。软件功能框图如图4 所示。

图4 软件功能框图

2.4.3 软件部署

管理软件可安装部署在骨干通信节点和接入通信节点中，根据节点中设备类型，主要对核心设备进行管控，同时对交换机进行可视化管控。当骨干通信节点和接入通信节点同时在网或组网使用时，骨干通信节点中的管理软件将自动升级成中心端管理软件，管理组网拓扑、节点状态、业务配置等的信息；在单节点使用时，骨干/接入通信节点中的管理软件可单独完成节点管控。软件部署示意图如图5 所示。

图5 软件部署示意图

2.4.4 软件数据流

管理软件从骨干、接入的通信集中管控出发，以节点管理、数据消息支撑、数据感知处理服务、前端接入设备支撑等4 个层面，实现网络资源管理、网络规划、网络快速开通与设备配置、网络态势感知、节点集中显控、网络监测与分析、系统管理等功能数据交互，将数据消息支撑、数据感知处理、接入设备状态监控之间的数据处理，通过软件内部消息总线方式将内部封装JSON 数据进行综合处理应用。工作原理示意图如图6 所示。

图6 节点管理软件数据流示意图

管理软件以业务配置管理应用为主线，将数据消息支撑、数据感知处理、设备状态监控、网络分析以及网络终端之间的数据处理，通过软件内部消息总线方式进行交换，数据格式以JSON 数据进行综合交换传递处理应用。

管理软件在数据交换层面，主要按照后端服务、前端界面呈现模块进行统一注册到消息总线，通过HTTP 协议在前后端消息进行数据交换，实现数据上传下达。

管理软件在数据采集处理方面，主要通过设备微服务端采集设备数据，将采集的终端数据通过协议转化服务进行数据的转化，按照JSON 格式进行规范数据，并送达数据处理服务，这些被规范化的数据经过分析处理服务和计算引擎等服务处理结束后，进行节点管理软件的网络态势感知、网络链路态势、网络拓扑管理、网络智能运维等综合应用。

2.5 关键技术

2.5.1 基于分布式批处理引擎的关联业务一键开通技术

基于分布式批处理引擎的关联业务一键开通技术是将关联设备业务流程、应用配置、硬件和配置协议关联起来，基于分布式批处理引擎在上层应用节点、设备之间实现业务关联配置开通。

（a）关键技术对系统性能分析

由于系统内部有各类传输设备、接入设备、业务设备、数据交换设备、动力设备、环境设备等，两车单独或混合组网应用场景下需实现业务快速开通，通过基于分布式批处理引擎的关联业务一键开通技术，相比传统的单台设备、单条业务逐一配置，可提升80%以上通信业务开通速度，简化操作人员业务开通复杂度，提升业务配置的准确性。

（b）关键技术的突破途径和方法

基于分布式批处理引擎的关联业务一键开通技术，通过搭建数据服务MapReduce 实现数据分布式批处理，即将关联设备业务流程、应用配置、硬件和配置协议关联起来，基于分布式批处理引擎MapReduce 在两个或更多的上层应用节点、设备之间实现无缝集成，使它们像一个整体一样进行业务处理和信息映射。关联业务开通映射实现是指定一个Map（映射）函数，用来把一组键值对映射成一组新的键值对，指定并发的Reduce（化简）函数，用来保证所有映射的键值对中的每一个共享相同的键组，如图7 所示。分布式批处理引擎是函数性编程中的Map 和Reduce 函数。Map 函数接受一组数据并将其转换为一个键/值对列表，输入域中的每个元素对应一个键/值对。Reduce 函数接受Map 函数生成的列表，然后根据它们的键缩小键/值对列表。MapReduce 起到了将不同业务分散到不同设备的处理能力，这样原本必须用单业务服务才能运行的任务，在分布式批处理引擎MapReduce 技术下，实现业务关联设备批量快速处理开通。

图7 关联业务开通映射关系

2.5.2 基于VPX 架构的多元化综合节点采集处理技术

基于VPX 架构的多元化综合节点采集处理技术是将节点任务设备数据采集、数据通信、数据分析处理等业务统一，基于VPX 架构设计统一、灵活的数据协议接口及设备模块架构来满足统一采集、统一通信、统一存储、统一分析处理、智能管控的多元化需求。

（a）关键技术对系统性能分析

骨干通信节点、接入通信节点内部有各类传输设备、接入设备、业务设备、数据交换设备、动力设备、环境设备等，可根据组网应用场景业务数据接口的类型和数量的需求，配置不同的板卡组合，相比与传统接口数量固化的设备，可提升1 倍以上接口数量，方便了节点网络的业务扩容，提升业务配备的灵活性和便利性。

（b）关键技术的突破途径和方法

基于VPX 架构的多元化综合节点采集处理技术，通过搭建VPX 总线架构，实现数据统一采集处理，即将采集单元、通信单元和分析处理单元统一在VPX 架构平台下，将多组采集数据在背板总线上进行交互通信，最终通过分析处理单元调用采集数据进行集中化处理，达到多个任务节点的数据统一采集、统一通信、统一分析处理。如图8 所示，通过搭建“双星互联”VPX 总线拓扑结构，数据采集功能将不再受到控制板卡的制约，可实现数据网络的高可靠和高稳定。

图8 多元化综合节点采集处理关联图

3 结束语

针对本文提出的基于VPX 架构的多元化综合节点采集系统，我们已成功研制出了样机并应用于某重点光缆网通信系统中，实现了智能化的综合采集功能，提升了产品的多维管控能力，解决了光缆通信网多元化采集通信处理能力的需求。目前系统运行良好，成功地验证了该系统设计的可行性及可靠性。同时由于多元化综合节点采集系统具有可靠性高、性能稳定、体积小、保密性能好、业务种类丰富、环境适应性和抗电磁干扰能力强等特点，具有较强的实用性及推广意义。