北京大學：校園網(wǎng)光纖資源管理系統(tǒng)設(shè)計

文/付中南 尚群 王竹威

北京大學：校園網(wǎng)光纖資源管理系統(tǒng)設(shè)計

文/付中南 尚群 王竹威

通過數(shù)字化手段建立符合校園網(wǎng)特色的光纖資源管理，將會大大提升校園網(wǎng)運行維護的效率。為快速定位提供所需線路或者備份線路提供有力的數(shù)據(jù)支持保障。

光纖是校園網(wǎng)重要的基礎(chǔ)資源之一。隨著校園網(wǎng)的普及，光纖規(guī)模逐步擴大。以北京大學為例，目前所有樓宇均通過光纖接入相鄰的匯聚層交換機。如何有效地管理和利用光纖資源，保障校園網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行，是校園網(wǎng)管理水平的重要標志。

早期的校園網(wǎng)光纖資源管理以光纖施工合同作為主要依據(jù)，并進行手工或電子表格化管理。隨著校園網(wǎng)的調(diào)整、改建、擴建和校內(nèi)樓宇的新建、拆遷和改造等，光纖也隨之調(diào)整，規(guī)模也在逐步擴大，手工的管理方式越來越不能滿足校園網(wǎng)光纖管理的需求。在電信和有線電視行業(yè)這個問題早已出現(xiàn)，并提出了光纖資源管理系統(tǒng)的概念，推出了適應(yīng)該行業(yè)的光纖資源管理系統(tǒng)。

電信級光纖資源管理與校園網(wǎng)關(guān)注的管理范圍不同，管理規(guī)模不同，因此電信級光纖管理系統(tǒng)并不適合用于校園網(wǎng)的光纖資源管理。因此，有必要開發(fā)一套基于校園網(wǎng)光纖資源的管理系統(tǒng)，以適應(yīng)新形勢下校園網(wǎng)對光纖管理的需要。

光纖資源管理

光纖資源管理的主要工作至少包括以下幾個方面：

現(xiàn)有光纖的全面摸查。該項工作以光纖施工合同作為基礎(chǔ)，并對已有光纖的使用情況進行全面的統(tǒng)計，如光纖長度、光纖物理走向、施工時間、已使用光芯的用途、不可用或衰減較大光纖芯等相關(guān)數(shù)據(jù)。

對摸查數(shù)據(jù)進行數(shù)字化管理，采用信息化手段全面、詳細地記錄光纖資源的基本情況。保證校園網(wǎng)管理者可以快速準確地統(tǒng)計光纖資源，隨時掌握校園網(wǎng)中光纖資源的整體情況。

實現(xiàn)對校園網(wǎng)光纖資源的統(tǒng)籌管理。為運維人員提供校園網(wǎng)光纖鏈路的地圖式查詢，計算任意網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的光纖路徑。這也是光纖資源信息化管理要實現(xiàn)的核心功能。

通過數(shù)字化手段建立符合校園網(wǎng)特色的光纖資源管理，將會大大提升校園網(wǎng)運行維護的效率。為快速定位提供所需線路或者備份線路提供有力的數(shù)據(jù)支持保障，為校園網(wǎng)光纖的未來規(guī)劃提供有力的支持。

光纖資源的數(shù)字化

光纖施工合同是光纖資源管理的重要原始數(shù)據(jù)之一。光纖施工合同中包括了光纖施工的所有基礎(chǔ)資料，詳細記錄了鋪設(shè)的光纖數(shù)量、光纖芯數(shù)、光纖類型、施工時間、施工單位及負責人等信息。因此，光纖施工合同中的核心內(nèi)容是采集和處理的第一部分原始數(shù)據(jù)。

在校園網(wǎng)中，與光纖密切相關(guān)的還包括網(wǎng)絡(luò)機房、交接箱、管井等資源。這些都是光纜段可能的端點或途徑的節(jié)點，是光纖資源查找和日常維護的必要信息。圖1展示了校園網(wǎng)光纖的物理鋪設(shè)情況。

從圖1可以看到，除了光纖施工合同外，光纖資源管理系統(tǒng)還應(yīng)關(guān)注網(wǎng)絡(luò)機房、管井、光纖交接箱、光纜段和光纖芯等原始數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)機房、管井、光纖交接箱等可以統(tǒng)稱為光纜段端點。光纜段由光纖芯組成，每條光纜段包含一定數(shù)目的光纖芯。光纖芯是對光纖資源實際使用的最小單位。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的光鏈路是由光纜段中的光纖芯組成的。

光纖資源管理系統(tǒng)設(shè)計

需求與實現(xiàn)功能

光纖資源管理系統(tǒng)的設(shè)計要緊緊圍繞校園網(wǎng)日常維護中對光纖資源的使用流程、使用方式。因此，光纖資源管理系統(tǒng)主要包括以下幾個功能。

1.資源的錄入和刪除

數(shù)據(jù)的錄入和刪除是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。主要負責前面提到的幾類原始數(shù)據(jù)的錄入。光纖芯是隨著光纜段鋪設(shè)產(chǎn)生的，所以系統(tǒng)不提供光纖芯的錄入接口，而是在用戶錄入光纜段時根據(jù)光纜段中包含的各類型的光纖芯及其數(shù)目自動為用戶錄入。同樣，當用戶刪除一根光纜段時，它包含的光纖芯也會隨著刪除。

圖1 校園網(wǎng)光纖鋪設(shè)示意

2.資源的統(tǒng)計

系統(tǒng)應(yīng)該提供各種靈活的統(tǒng)計形式，用戶可以按端點、按時間進行統(tǒng)計。通過不同形式的統(tǒng)計，運維人員可以隨時掌握校園網(wǎng)內(nèi)光纖資源的總體情況及各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間光纖資源的使用情況，為光纖施工提供有用的指導信息。

3.對資源的操作

光纖芯是運維人員可操作的最基本對象。每條光纖芯在鋪設(shè)最初，兩端都處于閑置狀態(tài)。經(jīng)過熔接或成端后，變成了可使用的光纖芯。在實際使用中，可能用于與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接，也可能用于與其他光線芯連接組成新的光鏈路。對光纖資源的操作，主要反映了工作中對資源的各種使用情況。因此，光纖資源管理系統(tǒng)提供對光纖芯的批量成端、熔接和跳接等操作。通過這些操作，可以準確記錄每一根光纖芯的使用情況。

4.資源的查找

資源的查找是光纖資源管理系統(tǒng)的核心功能，它的主要目的是智能查找校園網(wǎng)中任意兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間可用的光纖資源及其詳細情況。對資源的查找主要分為兩類：光纜段的查找和光鏈路的查找。

管理系統(tǒng)提供端到端之間光纜段的精確查找，也提供單一端點處所有光纜段的查找，在查找的結(jié)果中用戶可以詳細查看該光纜段中每一光纖芯的實際情況。

光鏈路查找提供類似地圖查找的功能。管理系統(tǒng)根據(jù)用戶提供的端點為用戶計算端到端的不同路徑以及每條路徑途經(jīng)的光纜段。進一步，用戶可以了解每條路徑上有多少可用的光纖芯、多少跳接點，在每個跳接點處需要何種類型的光跳線。

系統(tǒng)設(shè)計

1.光纖資源管理的主要對象包括光纜段、光纖施工合同、光線芯和光纜段端點所處的校園網(wǎng)節(jié)點如網(wǎng)絡(luò)機房、交接箱或者管井。這些對象之間的邏輯聯(lián)系構(gòu)成了光纖資源管理系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)。

首先，光纖施工合同是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，記錄了光纖的施工情況。每根光纜段都應(yīng)該有唯一的施工合同與之對應(yīng)。合同中記錄的光纜段管理負責人、施工負責人、施工時間、驗收人等，都應(yīng)該在管理系統(tǒng)中準確體現(xiàn)。

每條光纜段都具有兩個獨立的、不同位置的端點。所以，要準確地定位光纜段，就必須明確光纜段兩個端點的位置以及每個端點的類型。對光纜段的查詢以及校園中光鏈路的計算，都要依靠光纜段的兩個端點。

光纜段是光纖施工中鋪設(shè)的端到端的一條光纜。光纖管理系統(tǒng)應(yīng)該記錄每根光纜的長度，端點所在位置、光纖芯數(shù)量等信息。

光纖管理系統(tǒng)中必須詳細記錄每根光纖芯的類型、在所屬光纜段中的編號、在兩個端點處的接口類型、每個接口的使用情況等信息。光纖資源管理對象的邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 光纖資源管理對象邏輯關(guān)系示意

圖3 光纖資源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

2.按照光纖資源管理系統(tǒng)的需求，對系統(tǒng)采取模塊化方式進行設(shè)計。主要包括：查詢統(tǒng)計子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)錄入子系統(tǒng)和使用狀態(tài)記錄子系統(tǒng)。查詢統(tǒng)計子系統(tǒng)為用戶提供按端點或按時間的查詢統(tǒng)計接口；數(shù)據(jù)錄入子系統(tǒng)提供向系統(tǒng)中添加光纖資源管理中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的接口；使用狀態(tài)記錄子系統(tǒng)提供修改光纖資源使用情況的接口。為了維護數(shù)據(jù)的一致性，數(shù)據(jù)錄入子系統(tǒng)和使用狀態(tài)記錄子系統(tǒng)只對管理員開放。光纖資源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

查詢統(tǒng)計子系統(tǒng)提供按時間查詢、按端點查詢兩種方式。其中按端點查詢又分為指定起點和終點的精確查詢與只指定某一節(jié)點的簡單查詢。查詢結(jié)果既展示光纖資源的基本信息如光纖類型、所屬光纜段、接口類型等，同時展示資源的使用情況如光纖接口是否關(guān)聯(lián)設(shè)備、是否跳接等。

數(shù)據(jù)錄入子系統(tǒng)負責錄入光纖資源管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將用戶輸入的數(shù)據(jù)合理組織后存入光纖數(shù)據(jù)庫中。

使用狀態(tài)子系統(tǒng)提供的功能主要是根據(jù)校園網(wǎng)運行過程中對光纖資源的使用情況及時更新系統(tǒng)中記錄的每條數(shù)據(jù)的相關(guān)狀態(tài)。

光鏈路的查詢與計算

光鏈路查詢的原理

光纖資源管理系統(tǒng)的核心功能是資源的查找，尤其是光鏈路的計算。當前的校園網(wǎng)通常由核心層、匯聚層和接入層等三個層次構(gòu)成。校園網(wǎng)中光纖的鋪設(shè)也會緊緊圍繞這三個層次進行。通常情況下，從核心層節(jié)點到每個匯聚層節(jié)點之間都會鋪設(shè)光纜，匯聚層之間也會鋪設(shè)光纜用作互聯(lián)或備份，接入層一般只和匯聚層之間鋪設(shè)光纜。所以，校園網(wǎng)中的光纜拓撲總體呈現(xiàn)出圖狀的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 校園網(wǎng)光纜拓撲示意

圖5 光纜段及節(jié)點構(gòu)成的無向連通

雖然校園網(wǎng)規(guī)模在擴大，光纖資源的規(guī)模也在隨之擴大，但是根據(jù)圖4我們可以發(fā)現(xiàn)光纖資源的規(guī)律。對于光纜拓撲，可以進一步將其抽象成為一個無向連通圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中，各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為光纜段的端點對應(yīng)的是無向連通圖中的節(jié)點，光纜段則對應(yīng)無向連通圖中的邊，如圖5所示。

光鏈路計算的基礎(chǔ)是系統(tǒng)中建立的光纜拓撲無向連通圖。系統(tǒng)采用鄰接表的方式記錄該無向連通圖。當用戶向系統(tǒng)中首次添加某兩個節(jié)點之間的光纜段時，系統(tǒng)同時添加這兩個節(jié)點的鄰接關(guān)系；當用戶刪除某一光纜段時，系統(tǒng)檢查該光纜段對應(yīng)的兩端是否仍有其他光纜段存在，若不存在，則解除這兩個節(jié)點的鄰接關(guān)系。通過這種方式，系統(tǒng)動態(tài)地維護光纜拓撲的無向連通圖。

系統(tǒng)分兩步為用戶完成光鏈路計算。首先，通過對光纜段的無向連通圖進行遍歷，找到兩個節(jié)點之間的所有路徑及經(jīng)過的節(jié)點。該問題可以分解為如下子問題進行求解：

第一，遍歷起始節(jié)點的所有相鄰節(jié)點，求解其相鄰節(jié)點到終點的所有路徑，得到的路徑集合與起始節(jié)點到對應(yīng)的相鄰節(jié)點的路徑相加，即為從起點到終點的路徑集合。

第二，在遍歷的過程中發(fā)現(xiàn)環(huán)路或者其所有相鄰節(jié)點均不存在到終點的路徑，則返回當前起始節(jié)點的上一節(jié)點繼續(xù)遍歷；發(fā)現(xiàn)到達終點的路徑則停止遍歷，記錄當前路徑并返回上一級節(jié)點繼續(xù)遍歷。對于上面的兩個子問題，可以采用遞歸的方式解決。用棧保存當前已尋到的路徑，當尋找到完整路徑或從棧頂點無法繼續(xù)尋路時，彈出棧頂點。每找到一條路徑，則進行轉(zhuǎn)儲，作為輸出的結(jié)果。

通過上面的查找，可以得到所有的路徑以及每條路徑經(jīng)過的節(jié)點。

其次，光鏈路計算的第二步，就是根據(jù)每條路徑上的節(jié)點找到這些節(jié)點之間所有的光纜段。進一步查找這些光纜段包含的光纖芯，可以得到用戶需要的所有光鏈路。這里主要利用了光纖芯和光纜段之間的從屬關(guān)系，構(gòu)建光纜段的無向連通圖而非光線芯的無向連通圖，避開了數(shù)目龐大的光纖芯，減少了計算量。

計算結(jié)果分兩個層次展示：第一層從整體上展示所有的路徑及每條路徑途經(jīng)的節(jié)點和各節(jié)點之間的光纜段信息；第二層主要展示光纜段內(nèi)每一根光纖芯的物理狀態(tài)、使用狀態(tài)等信息。通過這些信息，用戶可以確定兩個節(jié)點之間共有多少條光鏈路存在，還剩多少可用。

圖6 光鏈路

圖 7 光鏈路查詢結(jié)果

圖8 光纜段內(nèi)光纖芯詳細信息

光鏈路計算可以幫助運維人員獲得任意校園網(wǎng)節(jié)點之間的光纖資源配置及使用情況。在傳統(tǒng)方式下可能需要多人在不同地點才能確定的信息，通過信息化的方式可以很快地準確掌握。由此可見，對光纖資源的信息化管理可以減輕運維人員的工作量，同時提高工作效率，幫助運維人員更有效地對校園網(wǎng)中的光纖資源進行管理。

光鏈路查詢的實現(xiàn)

本小節(jié)簡單展示光線資源管理系統(tǒng)的功能，以光鏈路查詢?yōu)槔?。查詢界面如圖6所示。

查詢所得光鏈路路徑如圖7所示。每條路徑包括了途經(jīng)的所有光纜段。

點擊光纜段處的鏈接，進入光纜段詳細信息，如圖8所示。

由圖8可見，系統(tǒng)詳細記錄了光纜段內(nèi)所有光纖芯的接口類型、使用情況、鄰接光纖芯等信息。

本文主要介紹了光纖資源原始數(shù)據(jù)的采集、組織和光纖資源管理系統(tǒng)的設(shè)計思想與實現(xiàn)方法。通過該系統(tǒng)，北京大學的網(wǎng)絡(luò)運維人員可以更加準確掌握校園網(wǎng)中光纖資源的分布和使用情況，在校園網(wǎng)的實際維護中起到重要的作用。

（作者單位為北京大學計算中心）