基于VPX 架構(gòu)的多元化綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

［吳林印 周品臣 蔣劍偉 李肖克 李凌云 王元 胡芳芳］

1 引言

隨著現(xiàn)在一體化的戰(zhàn)術(shù)信息集成框架的設(shè)計(jì)思路，按照“通用化、組合化、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，快速反應(yīng)能力建設(shè)，能夠適應(yīng)未來戰(zhàn)場復(fù)雜環(huán)境，滿足全過程、全要素指揮控制需要。需要設(shè)計(jì)一套高度集成化的綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)，可基于數(shù)據(jù)網(wǎng)及各類信息服務(wù)設(shè)施，融入網(wǎng)絡(luò)化管控系統(tǒng)并接受其指控，能夠?qū)崿F(xiàn)與其他單元的信息實(shí)時共享、行動高效協(xié)同、控制準(zhǔn)確執(zhí)行。

針對以上情況，本文提出了一種基于VPX 架構(gòu)的多元化綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)內(nèi)各業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)。通過研究多元化綜合業(yè)務(wù)管控技術(shù)，解決各設(shè)備類型多樣復(fù)雜、配置管控凌亂、業(yè)務(wù)開通缺乏粘性和便捷等問題。實(shí)現(xiàn)對各裝備通信數(shù)據(jù)的“五統(tǒng)”功能，即統(tǒng)一采集、統(tǒng)一通信、統(tǒng)一分析、統(tǒng)一處理、統(tǒng)一管控，滿足光纜通信網(wǎng)多元化采集通信處理能力的需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)概述

多元化綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)主要是基于標(biāo)準(zhǔn)的VPX 架構(gòu)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4U 高度（3U 插板）共16個通用槽位，以前后插板的形式設(shè)計(jì)而成。各板卡按照VITA46.0 附錄A 中Figure A-2 的規(guī)定和VITA48.2 中關(guān)于3U 導(dǎo)冷散熱結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有高度的集成化及多業(yè)務(wù)采集等功能[1]。

系統(tǒng)配備高性能國產(chǎn)化數(shù)據(jù)處理單元、顯示接口單元、數(shù)據(jù)交換單元、采集單元等業(yè)務(wù)單元，實(shí)現(xiàn)對各節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、統(tǒng)一通信、統(tǒng)一分析處理等功能；管理軟件使用B/S 架構(gòu)，采用分布式部署，實(shí)現(xiàn)對各節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)開通、設(shè)備集中管控、設(shè)備快速配置、3D 顯控、綜合智能運(yùn)維等功能，提升網(wǎng)絡(luò)管控能力。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 設(shè)計(jì)原則

（a）自主可控設(shè)計(jì)

多元化綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)軟件、硬件完全自主開發(fā)，系統(tǒng)核心芯片全部國產(chǎn)化，采用國產(chǎn)化CPU（飛騰），提供高速運(yùn)算處理支撐，采用國產(chǎn)化交換芯片，提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚及交換支撐，采用國產(chǎn)化采集芯片，提供串行數(shù)據(jù)采集及匯聚；軟件開發(fā)采用開源Linux 嵌入式操作系統(tǒng)和麒麟桌面操作系統(tǒng)等開源或國產(chǎn)化操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟件代碼的完全自主可控，不留后門，同時所有程序都可以進(jìn)行源碼級回溯。

（b）模塊化設(shè)計(jì)

多元化綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)在VPX 架構(gòu)下，采用靈活的板卡模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要可隨時增減板卡，便于根據(jù)應(yīng)用場景需要選擇不同的板卡組合；同時采用快插快拔設(shè)計(jì)，方便設(shè)備的使用維護(hù)。

（c）智能化設(shè)計(jì)

多元化綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)針對特殊需求開展多元化綜合節(jié)點(diǎn)管理技術(shù)研究，通過研制具備智能運(yùn)維管理、信息快速感知、3D 集中顯控、一鍵開通等技術(shù)能力的設(shè)備，可以極大程度提高設(shè)備的靈活性和可操作性，實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化管理。

（d）環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

多元化綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)采用VPX 架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可滿足設(shè)備在惡劣環(huán)境下正常使用；板卡采用標(biāo)準(zhǔn)3U 板卡進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有更優(yōu)的力學(xué)特性以及更短的散熱途徑，實(shí)現(xiàn)設(shè)備高可靠性。

2.2.2 邏輯架構(gòu)

多元化綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)邏輯架構(gòu)主要由采集層、通信層、分析處理層及控制管理層組成，設(shè)備基于4 層邏輯架構(gòu)，主要提供節(jié)點(diǎn)任務(wù)設(shè)備多接口數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換通信，數(shù)據(jù)處理管控等特色應(yīng)用方案，實(shí)現(xiàn)對各節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)的“五統(tǒng)”功能，滿足光纜通信網(wǎng)多元化采集通信處理能力的需求，設(shè)備邏輯架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 多元化綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖

（a）采集層

采集層負(fù)責(zé)將各節(jié)點(diǎn)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集。設(shè)備主要兼容的采集協(xié)議主要有串口通信協(xié)議以及以太網(wǎng)協(xié)議。

（b）通信層

通信層負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)實(shí)時通信以及設(shè)備內(nèi)部業(yè)務(wù)單元交互通信；將采集層收集到的數(shù)據(jù)信息通過PCIE 總線或Serdes 信號進(jìn)行交換、轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)管理數(shù)據(jù)統(tǒng)一通信；設(shè)備內(nèi)部單元模塊通信，主要通過引出千兆Serdes 信號到各個槽位，實(shí)現(xiàn)所有槽位通信全覆蓋。

（c）分析處理層

分析處理層負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)分析處理；通信層將管理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至分析處理層，分析處理層基于管理數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析與處理，同時負(fù)責(zé)將各節(jié)點(diǎn)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲和調(diào)用；結(jié)合控制管理層，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)管理數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)配置的統(tǒng)一處理和智能控制。

（d）控制管理層

控制管理層即網(wǎng)管應(yīng)用，負(fù)責(zé)對各節(jié)點(diǎn)管理數(shù)據(jù)的集中管控、快速配置、3D 顯控、綜合智能運(yùn)維等功能，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)管理數(shù)據(jù)智能化、信息化的網(wǎng)絡(luò)管控。

2.2.3 協(xié)議架構(gòu)

（a）Serdes

在內(nèi)部業(yè)務(wù)單元之間，主要通過千兆Serdes 通信。

（b）Base-T

在設(shè)備與外部設(shè)備之間，主要通過1000MBase-T通信。

（c）PCIE

在數(shù)據(jù)處理單元與顯示單元、采集單元之間，主要通過PCIE 通信。

系統(tǒng)的協(xié)議架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 協(xié)議架構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多元化綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)硬件采用VPX 架構(gòu)，配備高性能國產(chǎn)化數(shù)據(jù)處理單元、顯示接口單元、數(shù)據(jù)交換單元、采集單元等業(yè)務(wù)單元，實(shí)現(xiàn)對各節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)“五統(tǒng)”功能，滿足光纜通信網(wǎng)多元化采集通信處理能力的需求；具有可靠性高、性能穩(wěn)定、體積小、保密性能好、業(yè)務(wù)種類豐富、環(huán)境適應(yīng)性和抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 設(shè)備硬件架構(gòu)框圖

多元化綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)各業(yè)務(wù)單元功能如表1 所示。

表1 各業(yè)務(wù)單元功能表

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 軟件概述

多元化綜合業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)管理軟件使用B/S 架構(gòu)，采用分布式部署。軟件一般特性如下。

①使用場所：軟件運(yùn)行在國產(chǎn)硬件平臺上；

② 主要功能包括網(wǎng)絡(luò)資源管理、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)快速開通與設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知、節(jié)點(diǎn)集中顯控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測與分析、系統(tǒng)管理等功能組成。

2.4.2 功能組成

通過系統(tǒng)需求分解將系統(tǒng)管理軟件分為網(wǎng)絡(luò)資源管理、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)快速開通與設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知、節(jié)點(diǎn)集中顯控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測與分析、系統(tǒng)管理等功能組成。軟件功能框圖如圖4 所示。

圖4 軟件功能框圖

2.4.3 軟件部署

管理軟件可安裝部署在骨干通信節(jié)點(diǎn)和接入通信節(jié)點(diǎn)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)中設(shè)備類型，主要對核心設(shè)備進(jìn)行管控，同時對交換機(jī)進(jìn)行可視化管控。當(dāng)骨干通信節(jié)點(diǎn)和接入通信節(jié)點(diǎn)同時在網(wǎng)或組網(wǎng)使用時，骨干通信節(jié)點(diǎn)中的管理軟件將自動升級成中心端管理軟件，管理組網(wǎng)拓?fù)?、?jié)點(diǎn)狀態(tài)、業(yè)務(wù)配置等的信息；在單節(jié)點(diǎn)使用時，骨干/接入通信節(jié)點(diǎn)中的管理軟件可單獨(dú)完成節(jié)點(diǎn)管控。軟件部署示意圖如圖5 所示。

圖5 軟件部署示意圖

2.4.4 軟件數(shù)據(jù)流

管理軟件從骨干、接入的通信集中管控出發(fā)，以節(jié)點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)消息支撐、數(shù)據(jù)感知處理服務(wù)、前端接入設(shè)備支撐等4 個層面，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源管理、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)快速開通與設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知、節(jié)點(diǎn)集中顯控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測與分析、系統(tǒng)管理等功能數(shù)據(jù)交互，將數(shù)據(jù)消息支撐、數(shù)據(jù)感知處理、接入設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控之間的數(shù)據(jù)處理，通過軟件內(nèi)部消息總線方式將內(nèi)部封裝JSON 數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理應(yīng)用。工作原理示意圖如圖6 所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)管理軟件數(shù)據(jù)流示意圖

管理軟件以業(yè)務(wù)配置管理應(yīng)用為主線，將數(shù)據(jù)消息支撐、數(shù)據(jù)感知處理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)分析以及網(wǎng)絡(luò)終端之間的數(shù)據(jù)處理，通過軟件內(nèi)部消息總線方式進(jìn)行交換，數(shù)據(jù)格式以JSON 數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合交換傳遞處理應(yīng)用。

管理軟件在數(shù)據(jù)交換層面，主要按照后端服務(wù)、前端界面呈現(xiàn)模塊進(jìn)行統(tǒng)一注冊到消息總線，通過HTTP 協(xié)議在前后端消息進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳下達(dá)。

管理軟件在數(shù)據(jù)采集處理方面，主要通過設(shè)備微服務(wù)端采集設(shè)備數(shù)據(jù)，將采集的終端數(shù)據(jù)通過協(xié)議轉(zhuǎn)化服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，按照J(rèn)SON 格式進(jìn)行規(guī)范數(shù)據(jù)，并送達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)，這些被規(guī)范化的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理服務(wù)和計(jì)算引擎等服務(wù)處理結(jié)束后，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)管理軟件的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知、網(wǎng)絡(luò)鏈路態(tài)勢、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?、網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)維等綜合應(yīng)用。

2.5 關(guān)鍵技術(shù)

2.5.1 基于分布式批處理引擎的關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)一鍵開通技術(shù)

基于分布式批處理引擎的關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)一鍵開通技術(shù)是將關(guān)聯(lián)設(shè)備業(yè)務(wù)流程、應(yīng)用配置、硬件和配置協(xié)議關(guān)聯(lián)起來，基于分布式批處理引擎在上層應(yīng)用節(jié)點(diǎn)、設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)配置開通。

（a）關(guān)鍵技術(shù)對系統(tǒng)性能分析

由于系統(tǒng)內(nèi)部有各類傳輸設(shè)備、接入設(shè)備、業(yè)務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)交換設(shè)備、動力設(shè)備、環(huán)境設(shè)備等，兩車單獨(dú)或混合組網(wǎng)應(yīng)用場景下需實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速開通，通過基于分布式批處理引擎的關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)一鍵開通技術(shù)，相比傳統(tǒng)的單臺設(shè)備、單條業(yè)務(wù)逐一配置，可提升80%以上通信業(yè)務(wù)開通速度，簡化操作人員業(yè)務(wù)開通復(fù)雜度，提升業(yè)務(wù)配置的準(zhǔn)確性。

（b）關(guān)鍵技術(shù)的突破途徑和方法

基于分布式批處理引擎的關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)一鍵開通技術(shù)，通過搭建數(shù)據(jù)服務(wù)MapReduce 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分布式批處理，即將關(guān)聯(lián)設(shè)備業(yè)務(wù)流程、應(yīng)用配置、硬件和配置協(xié)議關(guān)聯(lián)起來，基于分布式批處理引擎MapReduce 在兩個或更多的上層應(yīng)用節(jié)點(diǎn)、設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無縫集成，使它們像一個整體一樣進(jìn)行業(yè)務(wù)處理和信息映射。關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)開通映射實(shí)現(xiàn)是指定一個Map（映射）函數(shù)，用來把一組鍵值對映射成一組新的鍵值對，指定并發(fā)的Reduce（化簡）函數(shù)，用來保證所有映射的鍵值對中的每一個共享相同的鍵組，如圖7 所示。分布式批處理引擎是函數(shù)性編程中的Map 和Reduce 函數(shù)。Map 函數(shù)接受一組數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為一個鍵/值對列表，輸入域中的每個元素對應(yīng)一個鍵/值對。Reduce 函數(shù)接受Map 函數(shù)生成的列表，然后根據(jù)它們的鍵縮小鍵/值對列表。MapReduce 起到了將不同業(yè)務(wù)分散到不同設(shè)備的處理能力，這樣原本必須用單業(yè)務(wù)服務(wù)才能運(yùn)行的任務(wù)，在分布式批處理引擎MapReduce 技術(shù)下，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)設(shè)備批量快速處理開通。

圖7 關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)開通映射關(guān)系

2.5.2 基于VPX 架構(gòu)的多元化綜合節(jié)點(diǎn)采集處理技術(shù)

基于VPX 架構(gòu)的多元化綜合節(jié)點(diǎn)采集處理技術(shù)是將節(jié)點(diǎn)任務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)分析處理等業(yè)務(wù)統(tǒng)一，基于VPX 架構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一、靈活的數(shù)據(jù)協(xié)議接口及設(shè)備模塊架構(gòu)來滿足統(tǒng)一采集、統(tǒng)一通信、統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一分析處理、智能管控的多元化需求。

（a）關(guān)鍵技術(shù)對系統(tǒng)性能分析

骨干通信節(jié)點(diǎn)、接入通信節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有各類傳輸設(shè)備、接入設(shè)備、業(yè)務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)交換設(shè)備、動力設(shè)備、環(huán)境設(shè)備等，可根據(jù)組網(wǎng)應(yīng)用場景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接口的類型和數(shù)量的需求，配置不同的板卡組合，相比與傳統(tǒng)接口數(shù)量固化的設(shè)備，可提升1 倍以上接口數(shù)量，方便了節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)擴(kuò)容，提升業(yè)務(wù)配備的靈活性和便利性。

（b）關(guān)鍵技術(shù)的突破途徑和方法

基于VPX 架構(gòu)的多元化綜合節(jié)點(diǎn)采集處理技術(shù)，通過搭建VPX 總線架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集處理，即將采集單元、通信單元和分析處理單元統(tǒng)一在VPX 架構(gòu)平臺下，將多組采集數(shù)據(jù)在背板總線上進(jìn)行交互通信，最終通過分析處理單元調(diào)用采集數(shù)據(jù)進(jìn)行集中化處理，達(dá)到多個任務(wù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、統(tǒng)一通信、統(tǒng)一分析處理。如圖8 所示，通過搭建“雙星互聯(lián)”VPX 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集功能將不再受到控制板卡的制約，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的高可靠和高穩(wěn)定。

圖8 多元化綜合節(jié)點(diǎn)采集處理關(guān)聯(lián)圖

3 結(jié)束語

針對本文提出的基于VPX 架構(gòu)的多元化綜合節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)，我們已成功研制出了樣機(jī)并應(yīng)用于某重點(diǎn)光纜網(wǎng)通信系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了智能化的綜合采集功能，提升了產(chǎn)品的多維管控能力，解決了光纜通信網(wǎng)多元化采集通信處理能力的需求。目前系統(tǒng)運(yùn)行良好，成功地驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性及可靠性。同時由于多元化綜合節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)具有可靠性高、性能穩(wěn)定、體積小、保密性能好、業(yè)務(wù)種類豐富、環(huán)境適應(yīng)性和抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性及推廣意義。