調(diào)度自動化機房網(wǎng)絡(luò)配線管理軟件設(shè)計與實現(xiàn)

李偉青，陳龍成，梅詠武

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司梅州供電局，廣東 梅州　514021)

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調(diào)度自動化機房網(wǎng)絡(luò)配線管理軟件設(shè)計與實現(xiàn)

李偉青，陳龍成，梅詠武

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司梅州供電局，廣東 梅州514021)

摘要：針對公司調(diào)度自動化機房網(wǎng)絡(luò)配線無圖紙管理和標(biāo)簽標(biāo)識不規(guī)范的情況，自主研發(fā)了一套機房網(wǎng)絡(luò)配線管理軟件;首先，分析了配線可視化管理軟件應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)配線繪圖和標(biāo)簽信息自動生成的功能需求，并運用MVC模式理論進(jìn)行軟件架構(gòu)設(shè)計；其次，重點闡述了基于QT圖形庫的關(guān)鍵功能實現(xiàn)，包括核心圖元類的構(gòu)建、元件庫組件可配置生成、圖形序列化反序列操作、拓?fù)洳檎?、設(shè)備圖元屬性管理及標(biāo)簽信息自動生成功能等；最后，通過舉例說明該軟件在實際機房管理中的使用方法和應(yīng)用成效;應(yīng)用結(jié)果表明，通過繪制整個機房的網(wǎng)絡(luò)連接圖并錄入相關(guān)設(shè)備屬性信息，有助于提高機房網(wǎng)絡(luò)故障的診斷效率和降低機房系統(tǒng)的運維風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：機房; 網(wǎng)絡(luò)配線; 軟件設(shè)計; 繪圖; 標(biāo)簽

0引言

電力調(diào)度自動化系統(tǒng)主站機房是服務(wù)器、工作站、交換機、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備密集分布的場所。自動化系統(tǒng)通常采用星型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此主干交換機屏柜匯聚了大量設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入。為使布線整潔美觀，設(shè)備機柜的網(wǎng)線往往捆綁成股，導(dǎo)致難以厘清網(wǎng)線與設(shè)備端口之間的對應(yīng)關(guān)系。另外，不同屏柜之間的業(yè)務(wù)交互，需要通過機柜配線架跳線轉(zhuǎn)接來實現(xiàn)，由此產(chǎn)生的眾多網(wǎng)線標(biāo)簽依賴于人工手動編輯打印，難以保證標(biāo)簽描述的準(zhǔn)確性和規(guī)范性。在網(wǎng)絡(luò)接線無圖紙參照，且標(biāo)簽不清晰或者不正確的情況下，一旦發(fā)生網(wǎng)絡(luò)鏈路故障，管理人員需順著端口接線逐一查找，不僅排查效率低，還容易因誤插拔正常運行的網(wǎng)絡(luò)，造成業(yè)務(wù)被中斷。

基于以上事實，我們自主研發(fā)了一套機房網(wǎng)絡(luò)配線可視化管理軟件系統(tǒng)，通過采用面向?qū)ο笏枷脒M(jìn)行架構(gòu)設(shè)計[1]，可實現(xiàn)機房網(wǎng)線連接關(guān)系圖繪制和展示，端口快速查找高亮拓?fù)?，?biāo)簽按標(biāo)準(zhǔn)模板自動生成等功能。可視化管理系統(tǒng)實現(xiàn)了機房網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系的數(shù)字化、圖紙化，為網(wǎng)絡(luò)鏈路故障診斷提供快速、準(zhǔn)確的依據(jù)。原來依賴手動編輯制作的設(shè)備標(biāo)簽，現(xiàn)可通過管理系統(tǒng)關(guān)聯(lián)設(shè)備屬性信息自動生成，杜絕了標(biāo)簽標(biāo)識內(nèi)容不準(zhǔn)確、格式不規(guī)范的情況。

1軟件總體設(shè)計

1.1功能需求分析

在網(wǎng)絡(luò)配線管理軟件設(shè)計之前需對復(fù)雜的機房配線連接關(guān)系和機房管理過程進(jìn)行分析，具體功能需求如下：

1)將機房設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系可視化、圖紙化。機房設(shè)備包括服務(wù)器、工作站，集線器，交換機，配線架、網(wǎng)線等。通過基本的分析，可以將設(shè)備大體劃歸為兩類：一類是帶有含有一定數(shù)量網(wǎng)口的設(shè)備圖元；另外一類是連通端口關(guān)系的連線圖元。軟件需具備繪圖平臺且圖元可定制，提供圖元連接關(guān)系的交互式操作、設(shè)備信息錄入功能。

2) 能輔助調(diào)度自動化系統(tǒng)運維人員管理機房配線。機房配線管理的內(nèi)容包括：對不同類型設(shè)備根據(jù)業(yè)務(wù)功能分類、編號、貼標(biāo)簽，通過名稱或者IP快速檢索到設(shè)備及設(shè)備之間的連接關(guān)系，高亮顯示指定網(wǎng)絡(luò)連接路徑以便故障排查等。針對這些業(yè)務(wù)需要，給基本的兩類圖元進(jìn)行添加屬性綁定功能。將基本的管理功能數(shù)字化成對設(shè)備屬性的過濾與檢索，從而實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯。

綜上所述，軟件系統(tǒng)需要提供如下的功能：

1)基本的圖形繪制的功能，包括配置基本的機房圖元，繪制圖元之間的連接關(guān)系；

2)提供基本的圖元與圖形編輯功能，包括畫布的大小配置，圖元的移動縮放，圖元屬性的錄入與修改等；

3)圖形的持久化保存，載入重現(xiàn)，圖紙打印等文件管理；

4)高階應(yīng)用功能，如連接關(guān)系的拓?fù)洳檎?，設(shè)備標(biāo)簽按照指定格式生成并導(dǎo)出。

1.2系統(tǒng)的整體框架設(shè)計

鑒于軟件的總體功能需求是基于圖形的繪制及應(yīng)用，本軟件選用了開源跨平臺的圖形庫QT平臺進(jìn)行開發(fā)。QT系統(tǒng)基于使用面向?qū)ο蟮腃++語言開發(fā)，提供了豐富的控件庫以及優(yōu)秀的2D、3D繪制功能[2]。針對于大量2D圖元繪制與管理的場景，QT圖形庫提供了優(yōu)秀的Graphics View Framework來應(yīng)對這樣的問題[3]。

圖3　核心圖元類構(gòu)造及其關(guān)系

軟件基于QT提供的Graphics View 框架進(jìn)行開發(fā)。QT的Graphics View 框架提供View-Scene-Item的三類對象，供用戶使用：Item作為是所有圖元的基類，封裝了圖元公共屬性；Scene場景類，管理所有的Item；并提供一個支持縮放與旋轉(zhuǎn)的視圖類View開對管理的圖元進(jìn)行顯示。準(zhǔn)確講，QT提供的這個框架只是一個基于item的Model-View框架，為了方便將顯示與控制邏輯進(jìn)行解耦[4]，參考經(jīng)典的MVC架構(gòu)加加入了控制器類GraphContext類，：Model類繼承至框架本身已有的QScene類；Graph類繼承QT的QGraphicsView類；加入了自定義的Controller類GraphContext類。三者的關(guān)系如圖1所示[5]。網(wǎng)絡(luò)配線管理系統(tǒng)同其它繪圖的GUI系統(tǒng)一樣，是事件驅(qū)動交互式用戶界面系統(tǒng)，而GUI的用戶輸入事件只有按鍵與鼠標(biāo)兩類事件。用戶的輸入事件經(jīng)由視圖類Graph捕捉到后，交由控制器類GraphContext類進(jìn)行處理。GraphContext控制器類，負(fù)責(zé)維護(hù)當(dāng)前繪圖的狀態(tài)，并根據(jù)當(dāng)前繪圖系統(tǒng)狀態(tài)(這也是類名取名context的原因)，決定如何響應(yīng)該用戶事件。例如，同是鼠標(biāo)點擊事件，在連線繪制時，觸發(fā)的是連線的繪制功能，而在正常的瀏覽狀態(tài)下，鼠標(biāo)移動則是執(zhí)行的圖元選擇功能。

圖1　MVC組件類型及功能

GraphContext類作為系統(tǒng)的核心類，其需要管理的一張繪圖系統(tǒng)的方方面面，為從功能上解耦系統(tǒng)的各個模塊，將系統(tǒng)功能細(xì)分為如圖2所示的幾大類功能模塊，每個模塊功能實現(xiàn)由專門的模塊類予以實現(xiàn)。再由GraphContext將各個模塊的功能組合在一起完成復(fù)雜的繪圖系統(tǒng)。

圖2　GraphContext類的管理功能

2關(guān)鍵功能實現(xiàn)

2.1核心圖元組件的構(gòu)造

本軟件面向機房配線管理，主要涉及如服務(wù)器、工作站、交換機、路由器，防火墻、機柜及其配線架等有關(guān)于網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備，因此在編程中都將以上設(shè)備抽象為節(jié)點(Node)圖元。節(jié)點內(nèi)包含不定數(shù)量的網(wǎng)口(Connector)圖元，網(wǎng)口之間連接存在兩種連接：一種是模擬實際網(wǎng)線的連接(Link)；另一種是配線架之間預(yù)連接的端口跳線(ShortcutLink)。各類圖元均繼承于GraphItem和QGraphicsItem這兩個父類，具體關(guān)系如圖3所示。

QGraphicsItem類是QT視圖框架的一部分，是在一個QGraphicsScene中所有基本圖形的父類，它為繪制item提供了一個輕量級的窗口，包括聲明item的位置，碰撞檢測，繪制重載和item之間的事件處理等。GraphItem是自定義的基類，用于包含所有類的基本屬性和操作，如所有圖元的外邊輪廓、保存和恢復(fù)狀態(tài)、屬性配置等接口。

Node類是對現(xiàn)場設(shè)備的抽象，在場景中以矩形作為外邊框，內(nèi)含一定數(shù)量的“凸”形網(wǎng)口，通過雙擊事件可以觸發(fā)節(jié)點屬性管理窗口。構(gòu)造Node類時還需注意外形與畫布網(wǎng)格對其關(guān)系，Node文字標(biāo)注與外形位置相對關(guān)系，Node中心坐標(biāo)與Connector坐標(biāo)之間的關(guān)系等等。

Connector是對設(shè)備網(wǎng)口的抽象，附屬在Node中存在的非獨立圖元。網(wǎng)口具有上下兩種朝向，網(wǎng)口之間可以通過Link和ShortcutLink兩種圖元連接；當(dāng)網(wǎng)口捕捉到鼠標(biāo)時，網(wǎng)口內(nèi)的矩形熱點會高亮；當(dāng)網(wǎng)口位移變化時需要重新規(guī)劃所連的接線或跳線。

Link是對網(wǎng)線的抽象，兩端依賴于Connector而存在。連線具有線型、粗細(xì)、顏色等基本屬性同時，還具備所連端口、承載業(yè)務(wù)、所屬屏柜等應(yīng)用屬性用于高級功能。連線具有端口跟蹤和可編輯功能，用于節(jié)點端口位置變化后，具有虛線跟蹤端口新位置，為用戶更新連線提供線路指引。

ShortcutLink與Link類似，但不需像Link根據(jù)畫布的最小單元網(wǎng)格橫平豎直走線，而是在兩個網(wǎng)口之間以直線短接。在正常瀏覽、編輯狀態(tài)下不顯示短接線，這也是符合機房配線實際情形，因為短接線是機房建設(shè)預(yù)布置的固定走線，系統(tǒng)管理人員更多關(guān)注的是根據(jù)業(yè)務(wù)接入連線。

2.2基于XML可配置自動生成的圖元庫

機房網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)口數(shù)量不一，在圖元設(shè)計時如果固定設(shè)備的網(wǎng)口數(shù)，將難以滿足現(xiàn)場網(wǎng)口多樣性的需求。本文采用QT提供的QtXml模塊，調(diào)用QXmlStreamReader解析XML配置文件自動生成圖元庫的方法[6-7]。用戶只需按標(biāo)準(zhǔn)的XML格式編寫，預(yù)先定義Node圖元的大小、名稱、網(wǎng)口圖元大小、端口數(shù)量及朝向、端口熱點大小等圖元基本參數(shù)，并存放到系統(tǒng)指定路徑，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，自動讀取配置，生成相應(yīng)的設(shè)備圖元，在圖元庫懸浮窗口中顯示。配置文件格式如下所示：

1

80

…

2.3序列化與反序列化

網(wǎng)線配線管理系統(tǒng)不僅要提供圖形繪制功能，還需要提供以文檔形式保存與恢復(fù)圖形的功能，這在軟件工程上稱之為序列化/反序列化[8]。具體來說，序列化即是將畫布上圖元對象及其屬性數(shù)據(jù)以特定格式存入磁盤空間，以文件的形式實現(xiàn)持久保存的過程。相對應(yīng)地，反序列化即是系統(tǒng)載入圖形文件后，重現(xiàn)圖元對象、連接關(guān)系、屬性記錄等信息的過程。系統(tǒng)的序列化過程是根據(jù)Item類別遍歷場景內(nèi)的所有Item輸出到磁盤文件。對于基本的QT自帶的文字，矩形，直線等圖元，其本身并沒有與其它對象產(chǎn)生相互引用的關(guān)系，依賴QT提供的接口即可完成其序列化與反序列的。但對于自定義的Node，Link等，對象之間通過C++指針建立起相互引用的樹狀關(guān)系。而指針只是對象在內(nèi)存中的地址，如果直接將地址存入文件中，待反序列化恢復(fù)文件時，卻不能保證新生成的文件依然在同一內(nèi)存地址。顯然，簡單以保存內(nèi)存地址的方式來序列化對象之間的引用關(guān)系行不通。為此，通過對系統(tǒng)中相互引用的對象，給其分配一個全局唯一ID，保存對象之間引用關(guān)系時，存入文件中的不是其地址而是對象的ID。同時，兩兩對象之間的引用關(guān)系轉(zhuǎn)換成一對ID存入一張新的引用關(guān)系表(叫做ID引用關(guān)系表)中。反序列化時，系統(tǒng)首先構(gòu)造新對象；然后通過反序列化接口恢復(fù)其內(nèi)部狀態(tài)(其ID會恢復(fù)成序列化時存入文件的ID)；最后，當(dāng)所有對象都恢復(fù)后，遍歷ID引用關(guān)系表，恢復(fù)所有對象之間的引用關(guān)系。通過這種方式，即可以保證強關(guān)聯(lián)的樹狀對象系統(tǒng)能得以正確的序列化與反序列化。在ID的生成方面， 系統(tǒng)引入UUID(Universally Unique Identifier)通用唯一標(biāo)識[9]，其16個字節(jié)的長度足以保證ID的唯一性。

2.4圖形拓?fù)洳檎?/p>

調(diào)度自動化機房的網(wǎng)絡(luò)接線比較復(fù)雜，一旦網(wǎng)絡(luò)物理鏈路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)管理人員需根據(jù)已繪制的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)全圖進(jìn)行有針對性的排查。為提高故障診斷效率，本文開發(fā)了圖形拓?fù)淇焖俨檎夜δ?，即可通過選定某端口快速索引與其連接的所有端口及連線，或根據(jù)網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)全圖中拓?fù)涓吡翗?biāo)識。在繪制網(wǎng)絡(luò)接線圖時，端口之間通過連線建立了映射關(guān)系，應(yīng)用拓?fù)渌惴▽崿F(xiàn)指定端口連通的網(wǎng)絡(luò)路徑高亮顯示，類似電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中的電壓拓?fù)渲δ躘10]，從而便于系統(tǒng)管理人員索引、分析各根網(wǎng)線的連接情況和承載業(yè)務(wù)。

圖形拓?fù)洳檎业年P(guān)鍵是通過連線建立起來的“路由表”，查找的工作只是按照一定的算法在表中快速串聯(lián)各圖元對象，以按名字查找為例，偽代碼實現(xiàn)如下：

FiterConnectorByName(string a) {

foreach (Connector*c, scene->connectors()) {

//遍歷場景中的所有網(wǎng)口

if (c.name.contains(a)) { //匹配端口名稱

.....

}

}

2.5屬性管理及標(biāo)簽自動生成

將繪制圖元增加應(yīng)用屬性是本軟件的重要功能特性。除了圖元的基本幾何信息外，應(yīng)用屬性主要還包括設(shè)備位置、名稱、端口ID、對端端口ID、端口IP等。圖元屬性數(shù)據(jù)需與畫布中的圖元動態(tài)關(guān)聯(lián)，例如通過設(shè)置屬性列表中圖元名稱的更改，可動態(tài)更新至畫布中。

屬性列表以懸浮窗口RightDockWidget類實現(xiàn)，該類繼承于QT的 “?？俊贝翱赒DockWidget父類，在窗口內(nèi)創(chuàng)建treeWidget對象用于樹形結(jié)構(gòu)的屬性內(nèi)容視圖。軟件圖元的雙擊事件觸發(fā)到屬性窗口顯示，再利用QT的“信號與槽”機制實現(xiàn)屬性值與圖元數(shù)據(jù)的同步，即屬性窗口檢測到屬性值變化后向繪圖區(qū)域發(fā)送信號。例如：

connect (treeWidget, SIGNAL(itemChanged

(QTreeWidgetItem*, int)), RightDockWidget,

SLOT(propertyItemChanged(QTreeWidgetItem*,

int)));

標(biāo)簽管理一直是自動化機房標(biāo)識管理的難點，存在包括線端數(shù)量多、描述格式不統(tǒng)一等問題。本軟件在繪圖功能的基礎(chǔ)上結(jié)合圖元屬性管理，具有自動生成端口連接網(wǎng)線兩端的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽功能。實現(xiàn)該功能的思路是遍歷場景內(nèi)的連接線，首先由連線找出兩端網(wǎng)口編號ID、設(shè)備所屬機柜、承載業(yè)務(wù)，然后通過文本處理組織構(gòu)成標(biāo)簽的起點、終點、業(yè)務(wù)三要素信息，調(diào)用QT的QAxObject類將標(biāo)簽輸出生成Excel文檔，最后由專業(yè)標(biāo)簽打印設(shè)備關(guān)聯(lián)Excel文檔，批量輸出可粘貼的紙質(zhì)標(biāo)簽。

QAxObject對COM對象進(jìn)行了封裝，QAxObject派生自QAxBase，而后者提供了一組API通過IUnknown指針直接訪問COM對象，Excel作為一個COM對象， 因此可以通過QAxObject來操作它。生成Excel文檔的代碼示例：

void newExcel(const QString &fileName) {

QAxObject *pApplication = new QAxObject();

//創(chuàng)建QAxObject對象

pApplication->setControl("Excel.Application");

//連接Excel控件

…

}

3管理系統(tǒng)的使用

圖4　系統(tǒng)應(yīng)用截圖

配線可視化管理軟件已在我公司調(diào)度自動化機房中得到應(yīng)用。使用初期首先要收集機房現(xiàn)有設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系信息，然后根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的安裝位置在管理系統(tǒng)繪制整個機房設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接全景圖，最后完成相關(guān)設(shè)備屬性的錄入工作。圖4是一臺工作站和服務(wù)器跨機柜接入主干交換機的典型連接關(guān)系圖。為簡化模型，#13屏柜的配線架和交換機都只畫出24個網(wǎng)口。圖中#1機柜配線架#1網(wǎng)口與#13機柜配線架#1網(wǎng)口已預(yù)先布置跳線用于機柜間的互聯(lián)，以虛線表示短接。系統(tǒng)開啟拓?fù)涔δ芎?，例如選擇#1工作站網(wǎng)口，即可高亮展示該網(wǎng)絡(luò)連接路徑圖。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接復(fù)雜至難以分辨時，該功能可以快速查定位網(wǎng)口、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎窂?，有助于網(wǎng)絡(luò)故障診斷和排查。

4結(jié)語

本文從機房管理存在的實際問題出發(fā)，深入分析系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能需求，并基于MVC設(shè)計模式進(jìn)行軟件架構(gòu)設(shè)計，通過采用QT圖形庫平臺進(jìn)行軟件功能開發(fā)。可視化管理軟件的實際應(yīng)用，基本解決了我局機房配線管理“無圖可依”和標(biāo)簽混亂的局面。機房網(wǎng)絡(luò)連接全景圖有助于減少網(wǎng)絡(luò)故障排查時間；標(biāo)簽信息自動生成功能，大大減少標(biāo)簽維護(hù)工作量，同時保證了標(biāo)簽標(biāo)識的準(zhǔn)確性和規(guī)范性。

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Design and Implementation of Dispatching Automation Room′s Network Wiring Management Software

Li Weiqing，Chen Longcheng，Mei Yongwu

(Guangdong Power Grid Co., Ltd. Meizhou Power Supply Bureau, Meizhou514021, China)

Abstract：For the company dispatch automation room’s wirings hadn’t drawing management and the labels were not standard, a set of computer room network wiring management software was developed independently. Firstly, the functional requirements of visual wiring management software to deal with drawing network wiring and generating label information automatically were analyzed, and the software architecture based on MVC model theory was designed; Secondly, the implementation of the key functions based on QT graphics library platform were elaborated, including the construction of the graphic class, the generation of components library that can be configured, the graph serialization and anti-serialization operation, topology search, the attribute management of components and the automatic generation of label information; Finally, the actual usage and application effect of the software was illustrated through an example. The results of application show that drawing the entire room network connection diagram and input the device attribute information help to improve the efficiency of network fault diagnosis and reduce the risk of system operation and maintenance.

Keywords:computer room; network wiring; software design; drawing; label

文章編號：1671-4598(2016)02-0304-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.084

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：李偉青(1986-)，男，廣東梅州人，碩士，工程師，主要從事應(yīng)用軟件開發(fā)，電力調(diào)度自動化系統(tǒng)維護(hù)方向的研究。

收稿日期：2015-09-06；修回日期：2015-09-27。