1 概述

1.1 背景

信息化、工業(yè)化兩化融合的概念自十六大提出以來(lái)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展中占據(jù)重要及基礎(chǔ)地位，隨著我國(guó)進(jìn)入“十三五”時(shí)期，為實(shí)現(xiàn)“工業(yè)2025”  

戰(zhàn)略，政府提出了大力推進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合的要求。兩化深度融合的目的是借助企業(yè)信息化技術(shù)，引入“智能制造”、“智能產(chǎn)品”等新概念以及“云計(jì)算”、“大數(shù)據(jù)”、“物聯(lián)網(wǎng)”等信息化工具，將信息化與企業(yè)的研發(fā)、制造、銷(xiāo)售、管理等各個(gè)方面進(jìn)行深度融合，從而完成從“企業(yè)信息化”向“信息化企業(yè)”的徹底轉(zhuǎn)型，繼而帶動(dòng)整個(gè)中國(guó)工業(yè)從根本上改變結(jié)構(gòu)和格局。在這之前，黨中央、國(guó)務(wù)院已先后出臺(tái)《中國(guó)制造2025》、《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等系列文件。  

新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)在硬件技術(shù)與軟件技術(shù)的融合發(fā)展、產(chǎn)品和內(nèi)容的融合不同層面；其本質(zhì)是需求層次不斷升級(jí)推動(dòng)技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，不同程度、不同組合方式、不同應(yīng)用領(lǐng)域的融合都會(huì)催生出新的產(chǎn)品和新的應(yīng)用，形成新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在工業(yè)環(huán)境下的信息傳輸，仍處于傳統(tǒng)低速專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)向工業(yè)以太網(wǎng)的演進(jìn)過(guò)程中。據(jù)分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全球工業(yè)以太網(wǎng)占據(jù)市場(chǎng)份額38%，年增長(zhǎng)率達(dá)到20%。而傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線仍以58%的份額主導(dǎo)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸，但年增長(zhǎng)率萎縮到7%。工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，大大增加了對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)男枨?。未?lái)工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)傳輸是智慧工廠的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是有效支撐工業(yè)4.0發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施。

1.2 實(shí)施目標(biāo)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行建設(shè)的“智慧城市”如管道連廊智能化改造，其市場(chǎng)規(guī)模也相當(dāng)驚人，據(jù)估計(jì)有17萬(wàn)億元的建設(shè)規(guī)模。交通行業(yè)、電力航油、石油化工、冶金、煤炭、水處理等各種行業(yè)對(duì)工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)傳輸設(shè)備都有著大量的需求。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備占有上述市場(chǎng)的1%細(xì)分份額，總體也有上千億元的規(guī)模。

因此，針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的需求，在具有存在必要性和發(fā)展前瞻性的基礎(chǔ)之上，研究開(kāi)發(fā)一套多業(yè)務(wù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)光傳輸系統(tǒng)，將高速以太網(wǎng)和低速現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)總線等有效融合，配以功能完善的網(wǎng)管和運(yùn)維系統(tǒng)，并具有工業(yè)級(jí)的安全可靠性和優(yōu)越的實(shí)時(shí)性，可以滿(mǎn)足工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對(duì)基礎(chǔ)傳輸系統(tǒng)的要求，從而提高生產(chǎn)效率，大大促進(jìn)生產(chǎn)力的提升和推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)步。

1.3 適用范圍

針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸需求不斷提高，同時(shí)傳統(tǒng)總線仍占有一席之地的工業(yè)和行業(yè)物聯(lián)層傳輸環(huán)境下，提供適用于復(fù)雜信息傳輸環(huán)境的解決方案，面向市政、交通、電力、化工、冶金、煤炭、水利等各行業(yè)及各類(lèi)工廠、工業(yè)園區(qū)等，以滿(mǎn)足如下應(yīng)用場(chǎng)景：

1）傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備對(duì)工作環(huán)境有較高的要求，如溫濕度、防靜電裝飾等，而工業(yè)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備存在接口單一，無(wú)法滿(mǎn)足以太網(wǎng)傳輸?shù)热秉c(diǎn)。因此，通過(guò)采用工業(yè)級(jí)元器件滿(mǎn)足寬溫工作范圍，采用專(zhuān)門(mén)的防雷、防靜電等芯片和良好的電磁兼容性設(shè)計(jì)，使網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備具備抗電磁干擾的能力。而光纖上的信號(hào)傳輸更是沒(méi)有電磁干擾現(xiàn)象、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸帶寬大;

2）低速數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)采集、傳感器檢測(cè)、狀態(tài)控制等數(shù)據(jù)，其信息量低，一般速率為幾kbit/s，甚至更低，但是對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求高。而以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率較高，當(dāng)前絕大多數(shù)為百兆和千兆接口，傳輸各種視頻、音頻及其它數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，統(tǒng)計(jì)復(fù)用，實(shí)時(shí)性和可靠性較差。因此，可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的時(shí)隙復(fù)用方式，兼顧低速數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，保證兩種數(shù)據(jù)的有效傳輸。除此之外，通過(guò)FPGA芯片編程，可以把低速數(shù)據(jù)打包到以太網(wǎng)幀格式中，完成低速數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合互通;

3）在工業(yè)環(huán)境或其他對(duì)可靠性要求高、組網(wǎng)復(fù)雜的情況下，為了防備設(shè)備或光纖故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷，本系統(tǒng)支持快速光纖自愈環(huán)網(wǎng)，自動(dòng)切換時(shí)間可以達(dá)到30ms以下，同時(shí)可采用多樣的行業(yè)組網(wǎng)形式，如星型、鏈型、環(huán)型組網(wǎng)。

4） 通過(guò)WEB方式的管理界面，圖形化顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮O(shè)備狀態(tài);支持SNMPv2標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，易于第三方集成開(kāi)發(fā)網(wǎng)管系統(tǒng)，確保未來(lái)的可擴(kuò)展性。

本解決方案可滿(mǎn)足一個(gè)區(qū)域性工業(yè)園區(qū)的需求，也可接入到通信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)從而實(shí)現(xiàn)跨地域性的大型工業(yè)園區(qū)或廠區(qū)的應(yīng)用需求。另外，對(duì)于高速公路、橋梁、隧道、城市交通、機(jī)場(chǎng)、以及管廊項(xiàng)目，其均可作為物聯(lián)層的光纖系統(tǒng)解決方案。

4.%2 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置

解決方案設(shè)備提供以太網(wǎng)接口及低速數(shù)據(jù)接口，連接智能機(jī)器；上聯(lián)光口可以和其它接入設(shè)備組成鏈形或環(huán)形網(wǎng)，通過(guò)光纖再與傳輸層設(shè)備的下聯(lián)端口連接，實(shí)現(xiàn)接入層設(shè)備與傳輸層設(shè)備的互通光口可上聯(lián)工廠控制系統(tǒng)、工廠云平臺(tái)等，如下圖中1所示。保證了接入層傳輸可靠性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性，節(jié)省了串口轉(zhuǎn)換服務(wù)器等設(shè)備，減少了設(shè)備投入成本，降低了單點(diǎn)故障率。

傳輸層借鑒電信級(jí)通信光網(wǎng)絡(luò)，形成光纖自愈環(huán)網(wǎng)，滿(mǎn)足區(qū)域性工業(yè)園區(qū)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)需求，也可接入到工廠外部網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)跨地域傳輸，如圖中7所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)或光纖發(fā)生故障時(shí)能夠在30ms內(nèi)完成倒換保護(hù)，避免了網(wǎng)絡(luò)信息傳輸中斷和丟失，保證設(shè)備持續(xù)使用性。

同時(shí)提供功能完善、方便易用的匯聚層網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，對(duì)于包括光線拓?fù)?、通斷、設(shè)備供電、溫度以及各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的狀態(tài)均可知，在進(jìn)行可靠傳輸?shù)耐瑫r(shí)，更可傳遞豐富和完善的物聯(lián)網(wǎng)信息，為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)的數(shù)據(jù)展示、大數(shù)據(jù)分析和挖掘提供更加全面的數(shù)據(jù)信息。

圖5-1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

2 需求分析

隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化以及控制方式由單點(diǎn)走向協(xié)同，并且工業(yè)控制由工廠應(yīng)用發(fā)展到市政、安全、金融等更廣闊的物聯(lián)領(lǐng)域，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間需要進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速、可靠以及遠(yuǎn)距離的通信，而大量采集、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更呈現(xiàn)多樣性趨勢(shì)(包括控制信號(hào)、檢測(cè)信號(hào)、視頻、音頻等)，傳輸數(shù)據(jù)的帶寬要求也逐漸由窄帶轉(zhuǎn)向?qū)拵?，以上這些網(wǎng)絡(luò)需求對(duì)于用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和智慧城市、綜合管廊、城市交通等行業(yè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸設(shè)備提出了升級(jí)改造的要求，具體體現(xiàn)在:

1)接口(多業(yè)務(wù)，兼容多接口)

2)可靠(獨(dú)立、自愈)

3)安全(各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)隔離)

4)服務(wù)(并非簡(jiǎn)單的通道的傳輸服務(wù)，要能提供各種業(yè)務(wù)匯聚，包括網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)匯聚、低速率數(shù)據(jù)匯聚等)

5)聯(lián)動(dòng)(設(shè)備自身異?；蛘咄獠扛嬷惓３霈F(xiàn)，除了上報(bào)中心，現(xiàn)場(chǎng)要提醒及聯(lián)動(dòng))

工業(yè)以太網(wǎng)傳輸設(shè)備需要滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)苛刻的環(huán)境要求，保證通信的實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性，需要能夠達(dá)到較高的防塵、防水、抗干擾等級(jí)。當(dāng)前普通商業(yè)級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用相當(dāng)普遍，價(jià)格便宜，產(chǎn)品成熟，但是不能適應(yīng)工業(yè)級(jí)環(huán)境對(duì)設(shè)備的嚴(yán)格要求，設(shè)備的安全性和可靠性較低，不能用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中。此外，大部分廠家只是在原有商業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換和傳輸設(shè)備上做些結(jié)構(gòu)和高低溫等方面的簡(jiǎn)單改進(jìn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足工業(yè)信號(hào)采集和控制對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。并且，傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)仍然有其生命力，將長(zhǎng)期與以太網(wǎng)技術(shù)共存，現(xiàn)有以太網(wǎng)設(shè)備對(duì)原有接口的接入能力缺失。

為解決以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外廠商絕大多數(shù)都是簡(jiǎn)單在商業(yè)級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用工業(yè)級(jí)溫度范圍的元器件，提升設(shè)備工作溫度范圍;通過(guò)以太網(wǎng)生成樹(shù)協(xié)議進(jìn)行設(shè)備和鏈路保護(hù);采用網(wǎng)關(guān)、轉(zhuǎn)換器等方式轉(zhuǎn)接到以太網(wǎng)。這些設(shè)備仍然存在較大缺陷，如：(a)缺乏對(duì)工業(yè)環(huán)境中各種低速數(shù)據(jù)工業(yè)接口的有效支持，外置轉(zhuǎn)換器增加了設(shè)備故障點(diǎn)，大大增加了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，加大了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和維護(hù)成本;(b)帶寬不足，設(shè)備干線帶寬為百兆到千兆;(c)保護(hù)倒換時(shí)間過(guò)長(zhǎng);(d)沒(méi)有統(tǒng)一的運(yùn)維和網(wǎng)管系統(tǒng);(e)實(shí)時(shí)性欠佳等。

當(dāng)前從事工業(yè)以太網(wǎng)相關(guān)研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)主要分兩類(lèi)，一是國(guó)外解決方案提供商，其依靠自有研發(fā)和生產(chǎn)實(shí)力，從協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等方面設(shè)置獨(dú)特性，自成系統(tǒng)，與其它廠家的兼容性較差;二是以國(guó)內(nèi)中小型產(chǎn)品供應(yīng)商，他們往往設(shè)備簡(jiǎn)單，質(zhì)量參差不齊，功能缺失，一般都沒(méi)有網(wǎng)管系統(tǒng)，更不提供多業(yè)務(wù)接口。

3 解決方案

3.1 方案介紹

本項(xiàng)目最終提供一種面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)發(fā)展必備的多業(yè)務(wù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)光傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)定位工業(yè)和行業(yè)物聯(lián)層，提供多樣性接口，包括總線、低速數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、模擬量、數(shù)字開(kāi)關(guān)量、無(wú)線等滿(mǎn)足各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器的數(shù)據(jù)接口。同時(shí)系統(tǒng)采用各種類(lèi)數(shù)據(jù)時(shí)分復(fù)用、獨(dú)立通道的方式進(jìn)行傳輸，不但滿(mǎn)足各類(lèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸互不干擾性和獨(dú)立性，并且滿(mǎn)足了低時(shí)延、高傳輸效率以及傳輸可靠性的要求。

系統(tǒng)采用光纖為傳輸載體，最大限度的減少外部環(huán)境的干擾。利用電信級(jí)通信的光傳輸構(gòu)架的先進(jìn)性，結(jié)合工業(yè)制造的特點(diǎn)，有效的提升工業(yè)制造過(guò)程中對(duì)于通信系統(tǒng)的高規(guī)格需求。通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換算法，使得低速數(shù)據(jù)附載到光傳輸上，并保障數(shù)據(jù)無(wú)丟失與低時(shí)延，從而滿(mǎn)足工業(yè)企業(yè)和行業(yè)用戶(hù)對(duì)高速以太網(wǎng)和低速 數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，并能結(jié)合通信運(yùn)營(yíng)商的傳輸網(wǎng)絡(luò)，作為其解決“最后一公里”的組網(wǎng)方式，大大節(jié)約了設(shè)備的投入成本，減少了交換環(huán)節(jié)，降低了可能的故障環(huán)節(jié)。系統(tǒng)將有效的促進(jìn)工業(yè)4.0網(wǎng)絡(luò)的融合建設(shè)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的開(kāi)展。

通過(guò)功能完善、方便易用的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，監(jiān)控光纖拓?fù)?、通斷、設(shè)備供電、溫度以及各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。在保證可靠傳輸?shù)耐瑫r(shí)，更提供豐富和完善的物聯(lián)網(wǎng)信息的傳遞，為應(yīng)用平臺(tái)的數(shù)據(jù)展示、分析和挖掘提供更加全面的數(shù)據(jù)信息。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)分為接入層、中間傳輸層和匯聚層三個(gè)組網(wǎng)層次。

接入層解決最基本的數(shù)據(jù)采集問(wèn)題，除了支持通用的一些行業(yè)設(shè)備協(xié)議外，計(jì)劃引入工信部及中國(guó)電信互聯(lián)網(wǎng)加應(yīng)用基地最新制定的采集規(guī)范。接入層設(shè)備一般置于用戶(hù)遠(yuǎn)端設(shè)備附近，負(fù)責(zé)直連遠(yuǎn)端設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集傳感器、可編程機(jī)床控制器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等。每臺(tái)接入層設(shè)備可以提供1到4路低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具體類(lèi)型可以根據(jù)用戶(hù)實(shí)際需求而靈活配置，可選RS-485、RS-232、CAN-BUS等接口類(lèi)型。同時(shí)接入層設(shè)備還提供4路100Mbit/s以太網(wǎng)接口，用于接入以太網(wǎng)設(shè)備。接入層設(shè)備提供2個(gè)上連光口，每個(gè)速率1.25Gbit/s，可以環(huán)形或鏈形組網(wǎng)。

傳輸層則負(fù)責(zé)把接入層上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳輸，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量傳輸和自愈環(huán)網(wǎng)的自動(dòng)保護(hù)切換。中間傳輸層提供4個(gè)到8個(gè)下連1.25Gbit/s光口(兼容千兆以太網(wǎng)光口)或千兆以太網(wǎng)電口，用于連接接入層設(shè)備或用戶(hù)遠(yuǎn)端的千兆網(wǎng)口設(shè)備。同時(shí)提供2個(gè)上行光口，速率可選2.5Gbit/s或10Gbit/s。

匯聚層處于網(wǎng)絡(luò)的核心，可以接收和匯聚各個(gè)接入設(shè)備的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并匯聚到千兆或萬(wàn)兆接口，再連接服務(wù)器、計(jì)算機(jī)等用戶(hù)中心設(shè)備。匯聚層設(shè)備采用機(jī)架插卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支持12個(gè)業(yè)務(wù)槽位，2個(gè)核心交換槽位，雙電源1+1備份。

業(yè)務(wù)卡有8路千兆電口卡、6路千兆光口卡。

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

接入層設(shè)備:連接用戶(hù)的遠(yuǎn)端設(shè)備，如傳感器、機(jī)床控制器、生產(chǎn)線機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)視頻攝像機(jī)等設(shè)備，把用戶(hù)的低速數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用后，轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過(guò)光纖傳送給上層設(shè)備。反向完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，時(shí)隙信息解析，把低速數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分別送給相應(yīng)用戶(hù)設(shè)備。

中間傳輸層設(shè)備:下聯(lián)多個(gè)接入端設(shè)備，所以需要較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，可選2.5Gbit/s或10Gbit/s光纖帶寬，支持雙光口，可以進(jìn)行環(huán)形組網(wǎng)，支持快速自愈環(huán)網(wǎng)保護(hù)倒換。

中心匯聚層設(shè)備:接收和匯聚通過(guò)多個(gè)中間傳輸層自愈環(huán)網(wǎng)上行的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和專(zhuān)用低速數(shù)據(jù)，并通過(guò)背板匯聚到核心交換板。核心交換板可以把所有數(shù)據(jù)匯聚為2個(gè)千兆電口或萬(wàn)兆光口輸出。匯聚輸出口可以設(shè)置為1+1鏈路保護(hù)。系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。

圖5-2 系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.4 功能設(shè)計(jì)

3.4.1  硬件設(shè)備

1)接入層設(shè)備根據(jù)端口數(shù)量不同分為多款。其信號(hào)處理原理相同，不同之處在于提供給用戶(hù)的以太網(wǎng)接口和低速數(shù)據(jù)接口的數(shù)量。低速數(shù)據(jù)接口可以靈活配置為RS-232、RS-485、通用輸入輸出接口GPIO、開(kāi)關(guān)量或CAN-BUS接口。接入設(shè)備提供兩個(gè)上聯(lián)光口，速率1.25Gbit/s，可以和其它接入設(shè)備組成鏈形或環(huán)形網(wǎng)，通過(guò)光纖再與中間傳輸層設(shè)備的下聯(lián)端口連接，實(shí)現(xiàn)接入層設(shè)備與傳輸層設(shè)備的互通。接入層設(shè)備功能框圖如下圖所示。

圖5-3 接入層設(shè)備功能框圖

2)傳輸層設(shè)備硬件分為2.5Gbit/s和10Gbit/s兩款，分別支持2.5Gbit/s光纖自愈環(huán)網(wǎng)ISR-2.5G和10Gbit/s光纖自愈環(huán)網(wǎng)ISR-10G。其中ISR-2.5G設(shè)備含有2個(gè)2.5Gbit/s光纖上聯(lián)接口、4個(gè)1.25Gbit/s光纖下聯(lián)接口和4個(gè)千兆電口;ISR-10G設(shè)備含有2個(gè)10Gbit/s光纖上聯(lián)接口、4個(gè)1.25Gbit/s光纖下聯(lián)接口和4個(gè)千兆電口。傳輸層設(shè)備的1.25Gbit/s光纖下聯(lián)接口兼容普通千兆以太網(wǎng)光口。

3)匯聚層設(shè)備支2個(gè)或4個(gè)萬(wàn)兆光纖匯聚接口，能提供高達(dá)48個(gè)1.25Gbit/s光口(兼容千兆以太網(wǎng)光口)或電口的連接。所有接口統(tǒng)一進(jìn)行線速交換。接入層設(shè)備上傳的低速數(shù)據(jù)在此設(shè)備進(jìn)行解析，并轉(zhuǎn)換為低速數(shù)據(jù)接口輸出，或者封裝為T(mén)CP/IP數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)綄?zhuān)門(mén)的服務(wù)器，再進(jìn)行信號(hào)的處理。

匯聚層設(shè)備采用機(jī)架式結(jié)構(gòu)，共有12個(gè)業(yè)務(wù)插槽，2個(gè)核心交換槽，雙電源1+1備份。業(yè)務(wù)插槽提供下聯(lián)光口或電口，與傳輸層設(shè)備光口或用戶(hù)千兆電口設(shè)備相連。核心交換板實(shí)現(xiàn)所有業(yè)務(wù)的匯聚和互聯(lián)互通，同時(shí)提供專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)管理百兆以太網(wǎng)接口和控制臺(tái)接口。

3.4.2  軟件平臺(tái)

本項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，用于進(jìn)行整個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的配置、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)故障管理。

整個(gè)網(wǎng)管系統(tǒng)的軟件包括設(shè)備板卡級(jí)的板載控制和執(zhí)行軟件、設(shè)備核心交換控制卡上的控制管理軟件、服務(wù)器上的管理軟件和用戶(hù)客戶(hù)端軟件。

板載嵌入式軟件和核心交換控制板的軟件基于Linux開(kāi)發(fā)。Linux系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、技術(shù)成熟穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足本項(xiàng)目對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。

本項(xiàng)目網(wǎng)管軟件可以提供基于WEB的管理界面，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器登錄網(wǎng)管系統(tǒng)即可對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面管理。同時(shí)網(wǎng)管系統(tǒng)還支持標(biāo)準(zhǔn)的SNMPv2協(xié)議，方便第三方軟件的集成和接入管理。

具體管理功能包括:

? 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣?dòng)發(fā)現(xiàn)和管理機(jī)架及插卡的管理

? 設(shè)備配置管理

? 故障管理

對(duì)于故障信息，網(wǎng)管系統(tǒng)會(huì)生成相應(yīng)的故障告警并上報(bào)給系統(tǒng)管理者，以便用戶(hù)及時(shí)采取維護(hù)措施。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生變化時(shí)，如新的板卡插入機(jī)架、新的遠(yuǎn)端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)或有新的用戶(hù)設(shè)備上線，網(wǎng)管系統(tǒng)也會(huì)生成相應(yīng)的通知消息。

系統(tǒng)故障告警種類(lèi)包括:

? 電源掉電告警

? 板卡過(guò)熱告警

? 板卡下線

? 網(wǎng)絡(luò)端口下線

? SFP光模塊移除

? 光口端口連接

? 遠(yuǎn)端接入設(shè)備下線

? 遠(yuǎn)端接入設(shè)備掉電

? 光網(wǎng)絡(luò)主環(huán)故障

? 光網(wǎng)絡(luò)主環(huán)斷開(kāi)

? 光網(wǎng)絡(luò)次環(huán)故障

3.5 安全及可靠性

1）借鑒電信級(jí)通信光傳輸組網(wǎng)架構(gòu)，提供更高效的多接口多業(yè)務(wù)傳輸通道。

組網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用自愈環(huán)網(wǎng)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)或光纖發(fā)生故障時(shí)能夠在30ms內(nèi)完成倒換保護(hù)，基本避免信息傳輸中斷和丟失的可能性，保證設(shè)備持續(xù)可用。

系統(tǒng)支持以太網(wǎng)接口和低速數(shù)據(jù)接口同時(shí)接入，適用各種原有網(wǎng)絡(luò)布線情況，同時(shí)系統(tǒng)支持 1.25Gbit/s光口、2.5Gbit/s光口或10Gbit/s光口上傳。對(duì)于不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)可以靈活選擇采用全部或部分接入層、傳輸層和匯聚層的設(shè)備。

系統(tǒng)支持星型、鏈型、環(huán)型等拓?fù)?，組網(wǎng)靈活，可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、高速公路、城市管廊等環(huán)境中，統(tǒng)一傳輸?shù)退贆z測(cè)信號(hào)和大帶寬的視頻等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

2）多接口光傳輸設(shè)備的使用降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)故障發(fā)生的概率。

本系統(tǒng)中研制開(kāi)發(fā)的多接口光傳輸設(shè)備直接在設(shè)備上提供低速數(shù)據(jù)接口，省去了串口轉(zhuǎn)換服務(wù)器等轉(zhuǎn)換設(shè)備，大大減少了傳輸網(wǎng)絡(luò)中接口轉(zhuǎn)換設(shè)備的數(shù)量，節(jié)約了設(shè)備的投入成本，同時(shí)也減少了可能的故障環(huán)節(jié)，降低了網(wǎng)絡(luò)的單點(diǎn)故障率。

3）采用時(shí)分復(fù)用方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，極大程度確保低時(shí)延和傳輸可靠性。

系統(tǒng)對(duì)于各類(lèi)數(shù)據(jù)，采用時(shí)分復(fù)用、獨(dú)立通道的方式傳輸，一方面滿(mǎn)足各數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)莫?dú)立性，互不發(fā)生干擾，以確保業(yè)務(wù)中最重要的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失;另一方面也滿(mǎn)足了低時(shí)延、高傳輸效率和高傳輸可靠性的要求。

其中具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)有:

1）采用了高速可編程FPGA芯片和高速工業(yè)級(jí)交換芯片相結(jié)合的方式，F(xiàn)PGA處理工業(yè)控制用信息，工業(yè)級(jí)交換芯片處理以太網(wǎng)數(shù)據(jù);

2）物理層通過(guò)FPGA對(duì)低速數(shù)據(jù)接口直接處理、打包封裝、時(shí)隙復(fù)用，不受以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量的影響，有效保證了低速數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性;

3）自主設(shè)計(jì)的低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)復(fù)用協(xié)議，避免了把低速數(shù)據(jù)封裝為普通以太網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)致的低效率和易丟失的風(fēng)險(xiǎn)。