基于VPX架构的多元化综合业务采集系统设计_吴林印.pdf

48新技术新业务DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.02.012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介绍了一种新型的基于 VPX 架构的多元化综合业务采集系统，并对系统的工作原理和设备方案进行了详细的阐述。吴林印高级工程师，中国电子科技集团公司第三十四研究所，研究方向：基于光通信系统技术研究、基于异构通信网络集成应用技术研究。周品臣中国电子科技集团公司第三十四研究所。蒋剑伟中国电子科技集团公司第三十四研究所。李肖克中国电子科技集团公司第三十四研究所。李凌云中国电子科技集团公司第三十四研究所。王元中国电子科技集团公司第三十四研究所。胡芳芳中国电子科技集团公司第三十四研究所。关键词：多元化 综合 采集系统摘要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49新技术新业务基于 VPX 架构的多元化综合业务采集系统设计2023.02 广东通信技术综合业务管控技术，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50新技术 新业务新技术新业务信；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。多元化综合业务采集系统各业务单元功能如表 1 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 设备硬件架构框图表 1 各业务单元功能表模块功能数据处理单元1、采用多核处理器，为软件数据提供高速、高精度运算处理支撑，实现对任务设备、支撑设备以及配套设备的集中控制管理以及实时状态监控；2、采用高容量内存及硬盘，提供数据存储、备份等功能，通过与数据处理单元配合，实现对节点管理软件的集中化备份管理和集中化复制管理。显示接口单元提供 2 路标准 HDMI 接口，为软件平台提供采集数据 3D视图显示等功能。数据交换单元配备 2 块板卡，每块板卡提供 16 路千兆 Serdes 接口以及10路1 000 M base-T接口，具备全端口线速度转发数据报文，为各硬件单元提供数据交换和转发实现各任务设备网管数据的汇聚和交换功能，同时支持三层交换能力，支持静态路由协议和动态路由协议。采集单元提供 8 路串行接口，具备 RS485 协议信息接入，通过与系统内各设备管理接口互联，可实现对各分系统进行集中管理、状态监视、故障告警等操作。电源单元 为各业务单元提供稳定可靠的电源供电。2.4 系统软件设计2.4.1 软件概述51新技术新业务基于 VPX 架构的多元化综合业务采集系统设计2023.02 广东通信技术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。使用场所：软件运行在国产硬件平台上；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。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。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。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，将数图 6 节点管理软件数据流示意图图 5 软件部署示意图52新技术 新业务新技术新业务据处理，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，最终通图 7 关联