基于集群架構的OTN設備管理系統的實現

徐勝軍，鄧慶林，劉 華

(1.武漢郵電科學研究院，武漢 430074； 2.烽火通信科技股份有限公司，武漢 430073)

0 引 言

在數字網絡傳輸系統中，先是出現了單一形式網絡業務的同步數字傳輸(Synchronous Digital Hierarchy,SDH)系列設備，隨著多種形式的網絡業務的出現，又出現了以分組交換為核心，面向分組數據業務的分組傳送網(Packet Transport Network,PTN)設備。隨著第三代移動通信(3rd-Generation,3G)技術的日趨成熟，以多協議標簽交換(Multi-Protocol Label Switching, MPLS)技術為關鍵技術的無線接入網互連協議化(Internet Protocol Radio Acess Network,IP RAN)和自動交換光網絡(Automatically Switched Optical Network,ASON)系列設備更好地適應了通信的需求。隨著數字業務的增長，人們對網絡傳輸擴容技術進行了研究，波分復用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技術脫穎而出，緊接著出現了光傳送網絡(Optical Transport Network,OTN)和分組光傳送網絡(Packet Optical Transport Network,POTN)等更大傳輸帶寬和更高傳輸速率的通信設備。本文中的集群光傳送網(Cluster Optical Transport Network,COTN)設備就是在集群多子框架構技術的基礎上，對傳統OTN設備進行業務槽位的擴展，使其具有更大的業務承載能力。COTN能夠顯著提高現網通信設備的業務承受能力[1]。

1 部署場景

1.1 COTN部署場景分析

本文將介紹2+N(兩個交換框和N(取值為1～255)個子框)COTN管理平面的部署，網管通過多端口轉發器(HUB)連接到主備兩個交換框的主盤F口上；由于交換框的F口支持主備互送，因此框內的主備切換不影響交換框的主備連接。由于主備交換框的F口都通過HUB連接到網管，因此主備框間發生主從切換不影響COTN設備與網管的連接。

兩個交換框上的主備主控盤的串行通信端口(Cluster Communication Port,COM)與N個不同組號業務子框的COM口組成一個環路，構成框間信息傳輸通道，主要完成配置、告警、性能和狀態等信息的框間傳遞。

在COTN設備的部署中，主備交換框理論上可以帶1～255個子框，每個子框可以帶255個業務盤，即COTN在理論上可以有255×255個業務盤，業務盤會分布在不同COTN框架上。目前的COTN設備每個框架上可以帶85個業務盤，較傳統OTN設備每個從框上15塊單盤業務容量大了很多[2]。2+NCOTN管理平面部署場景如圖1所示。

圖1 2+N COTN管理平面部署場景圖

1.2 傳統OTN部署場景分析

在傳統OTN設備中，只是單網元下一個主框帶多個同組號的從框。傳統OTN設備只有盤間主備保護的理念，不支持框間切換，網管通常是直連主框上的主控盤。在傳統OTN設備中，主框可以帶N個(理論值為255)從框，每個從框上不多于15塊單盤。傳統OTN設備管理平面部署場景如圖2所示。

圖2 傳統OTN設備管理平面部署場景圖

1.3 現網傳統OTN設備的升級管理

對于現網傳統OTN設備，若要升級為COTN設備，需對現網設備的框、主控盤以及網管進行更換。因為傳統OTN設備的管理系統是Vxworks操作系統，而COTN設備則是Linux操作系統，所以需要網管進行適配。COTN設備主控盤的硬件中央處理器(Central Processing Unit,CPU)性能和安全數碼卡(Secure Digital Memory Card,SD)內存較傳統OTN設備主控盤有更新，所以對現網中傳統OTN設備直接升級為COTN設備時需要更換硬件。不過現在可以將COTN設備在數據、業務以及子框管理上的創新應用在傳統OTN設備的軟件中，以提高傳統OTN設備管理系統的性能去適配更多的從框，來實現現網傳統OTN設備向COTN設備的過渡，后續新開站點會采用COTN設備管理系統進行部署。

2 理論模型

2.1 數據管理

在COTN級聯擴展場景下，單個網元管理的單盤可以達到上千個，告警性能等數據量是傳統OTN設備的數倍。為了提高COTN設備數據收集和處理的效率，COTN設備管理系統在保留傳統OTN設備單盤變化告警主動上報機制的基礎上，對原有機制進行了優化。

2.1.1 網管查詢告警/性能

在傳統OTN設備中，網管會定期廣播輪詢各單盤上的告警和性能，單盤收到命令后會上報自身的告警/性能。在COTN設備中，網管不會主動下發輪詢命令，工作人員通過網管上“同步告警/性能”按鈕下發查詢命令，單盤收到命令后會主動上報自身的告警/性能。

單盤的告警數據是將經協議緩沖區(Protocol Buffer,PB)封裝后的數據包報給網管，性能數據是采用文件傳輸協議(File Transfer Protocol,FTP)上傳文件的形式上報給網管[3]。子框框控盤具備數據收集的能力，其會匯總所有單盤數據統一上報主框主控盤。網管查詢告警/性能的流程如圖3所示。

圖3 網管查詢告警/性能流程圖

2.1.2 對比分析

(1) 在COTN設備管理系統中，取消了傳統OTN設備網管定時廣播輪詢數據的機制，采用主控與單盤點對點方式來獲取數據，降低了獲取全部單盤數據的頻度，減小了主控與單盤之間的數據量[4]。

(2) 在COTN設備管理系統中，增強了框控盤的性能，解決了傳統OTN設備框控盤不能對數據進行處理的問題，縮短了主控盤收集單盤數據的時間，提高了主控與單盤的交互效率[5]。

(3) 在COTN設備管理系統中，告警數據是經過PB封裝后上報給網管的，性能文件是通過FTP的方式上報的，對數據上報方式的優化解決了傳統OTN設備在數據收發高峰數據容易混亂丟失和CPU利用率異常的問題。

2.2 框間管理

在COTN設備中，采用了撥號開關來區分主框、備框和子框。上電后，子框依據撥號開關獲取框類型，然后從電子標簽獲取單盤的框身份識別標碼(Identity Document,ID)。主控應用程序上電完成后，依據以太網組播功能將框ID廣播給子框的所有單盤，單盤依據框ID重新調整IP，從而實現所有單盤有唯一IP。

2.2.1 擴展子框管理

在COTN設備中，主控盤在收集到所有單盤溫度后，會根據框號判斷是否屬于本框單盤，非本框單盤發送給相應的框控盤進行本框風扇調速；框控盤會收集本框單盤槽位在位信息上報給主控盤，主框會根據配置信息，將各子框告警信息發送給各子框框控盤，由各子框框控盤進行告警燈點亮[6]。

之前的OTN和POTN設備僅支持帶OTN設備從框，COTN中增加了擴展子框功能，框控盤實現擴展子框單盤在位信號管理和風扇調速等功能。同時支持與各POTN/OTN設備共同組網。擴展子框管理機制流程圖如圖4所示。

圖4 擴展子框管理機制流程圖

2.2.2 主備框配置同步

COTN設備主備框工作時，需定期通過心跳檢測幀來檢測對方工作狀態是否正常。備框會定時向主框發起配置校驗請求同步，當從同步校驗幀里識別出主備框網元配置數據不同步時，主框主控盤會將自身的配置通過心跳通道同步給備框的框控盤，同時備框框控盤主備之間也會進行同步，從而實現4盤同步[6]。主備框配置同步消息序列如圖5所示。

圖5 主備框配置同步消息序列圖

2.2.3 框間切換

在工程應用上，主控盤發生故障時，會導致整個主框甚至整個站點托管，進而會導致整個環路發生托管。為了解決這個問題，COTN設備管理系統增加了主備框切換功能，框間切換有手動和自動切換兩種。

(1) 手動切換。網管下發切換命令給備框，備框在收到命令后會自動切換為主框，原主框切為備框，新的主框會將切換事件上報網管，并向網管申請配置[7]。

(2) 自動切換。主備框之間通過心跳數據來檢測主框是否正常運行。備框定時向主框發送心跳數據，主框收到后進行應答，如果累計3次無應答，則備框升級為主框。同時如果主框發現無法向備框應答，則主框自動切換為備框。切換完成后，新的主框將此事件上報網管[8]。

優缺點分析。框間切換的應用大大降低了設備托管的可能性，但在主備框多次檢驗心跳數據的過程中，存在一個主框異常、備框等待的間隔期，該段間隔期對設備上管和業務交互有潛在的風險。框間切換是COTN設備管理系統的創新點，是通信設備管理系統的一個新的研究方向，為多子框管理系統的優化提供了有力支撐。

3 結果分析

3.1 不同設備子/從框數對比分析

收集不同時期傳輸設備上子/從框數以及單盤數量理論值對比分析，如圖6所示。

圖6 不同設備子/從框數對比圖

由圖可知，隨著傳輸設備的更新換代，單網元傳輸設備的業務盤容量也在不斷擴大，COTN設備的業務盤容量得到了超前擴展，可滿足現網對業務槽位的需求。

3.2 數據收集處理分析

通過實驗獲得COTN設備和傳統OTN設備主控盤在數據收集和處理方面的耗時數據如圖7所示。

由圖可知，隨著單盤數量的增加，COTN設備子框數增長速度遠小于傳統OTN設備從框數，兩款設備收集告警/性能等數據消耗的時間都呈現出指數增長趨勢，故工程應用中，業務單盤數量遠不能達到理論值[9]。

同等單盤數量時，傳統OTN設備在數據處理上消耗的時間遠多于COTN設備，這是因為同等單盤數量下，COTN設備子框框控盤數量遠少于傳統OTN設備從框框控盤，COTN設備子框框控盤具備數據處理能力，而傳統OTN設備主控盤需要處理所有單盤報上來的數據，COTN設備子框框控盤可以為主控盤處理數據節約大量的時間[10]。

由此可見，COTN設備管理系統在數據收集和處理上性能均優于傳統OTN設備管理系統。

3.3 業務處理分析

通過實驗獲得COTN設備和傳統OTN設備分別具有的單盤業務量，以及其對單盤業務配置處理的耗時數據如圖8所示。

圖8 COTN設備和傳統OTN設備業務處理對比

由圖8(a)可知，當COTN設備的子框數量和傳統OTN設備的從框個數相同時，COTN設備的單盤業務量遠大于傳統OTN設備，且隨著框數的增多，COTN設備的單盤業務量增長越來越快，而傳統OTN設備的單盤業務量會達到一個極限值。由圖8(b)可知，同等單盤數量時，COTN設備主控盤處理業務配置的耗時遠低于傳統OTN設備，且隨著單盤數量的大量增加，傳統OTN設備業務處理性能遠不如COTN設備。這是因為：其一，COTN設備主控盤的硬件性能優于傳統OTN主控盤；其二，COTN設備主控盤會將業務配置下發給各子框框控盤，框控盤對業務配置的處理大大減少了主控盤處理單盤業務的時間；其三，同等數量單盤下，COTN設備子框數遠低于傳統OTN設備從框數，減少了框控盤與單盤交互的時間[11]。

3.4 兩款設備優缺點對比分析

綜合上述數據分析可知，COTN設備管理系統在整體性能上是優于傳統OTN設備管理系統的。當單盤數量低于500塊時，兩款設備在數據和業務處理方面沒有太大差別；而當單盤數量多于500塊時，COTN設備的網元管理性能優于傳統OTN設備，可滿足高傳輸速率、大帶寬和高性價比的要求。但是COTN設備的網元內管理通信組網遠復雜于傳統OTN設備，導致COTN設備的穩定性較傳統OTN設備稍差[12]。所以在工程應用中，設備上單盤數量不多時，建議采用傳統OTN設備進行組網；當設備上單盤數量龐大時，建議采用COTN設備進行組網。

4 結束語

本文討論了COTN設備管理系統的實現，分別采集COTN設備和傳統OTN設備的實驗數據進行了對比分析，驗證了COTN設備管理系統在多單盤、大數據交互和多業務處理方面突出的性價比，所設計功能符合設備的要求。將COTN設備管理系統應用于工程上，不僅可以解決傳統OTN設備業務槽位不夠的問題，還可以提高設備對業務數據的處理效率。