华中科技大学网络与计算中心 章勇

　　摘要：通过对大型校园网通讯光缆资源管理问题的研究，设计了一套校园网光缆基础设施运维管理系统。该系统可实现对错综复杂的校园网光缆基础设施资源的数字化管理，并运用图论原理计算光缆路由，实现光缆资源的优化配置。并在设计中考虑了与有源检测系统、地理信息服务以及资产管理等其他系统的对接，在管理界面上实现了多级用户的管理模式。为大型校园网光缆基础设施的运维管理提供了一套有效且实用的运维管理平台。

　　关键词：通信光缆基础设施；校园网；图论；地理信息服务

　　中图分类号：TP393.18

　　Research and Development of Operation and Maintenance Management System for Optical Fiber Infrastructure on Campus Network

　　ZHANG Yong， He Yuzhi，ZHANG Jiehui

　　（Network and Computation Center， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074，China）

　　Abstract Through the research on the resource management of communication cable in large-scale campus network， a set of maintenance management system for campus network optical cable infrastructure is designed. The system can realize the digital management of the complex campus network and the cable infrastructure resources. By using the graph theory it can calculate the routing of the optical fiber cable to realize the optimal allocation of the optical cable resources. In the design， we have considered the docking with the active detection system， the geographic information service and the asset management and other systems， and have designed the multi-level user management mode on the management interface. It provides an effective and practical operation and maintenance management platform for the operation and maintenance of large campus network optical fiber infrastructure.

　　Key words Communication Optical Fiber Infrastructure； campus network； graph theory； geographic information service

　　随着校园信息化建设的深入开展，校园网规模不断扩大，大型校园网通信光缆基础设施的不断更新和扩容。以华中科技大学为例，经过几年的建设，全校通信光缆基础设施获得了全面的更新和发展，目前已建立以网络中心机房为核心，13个室外光交接箱为扩展的星型+环形光缆线路，各类光缆里程合计超过150公里以上，累计芯公里达到8000公里以上，承载了校园网、校园卡专网、各单位专网等众多业务。

　　通信光缆基础设施的建设为校园网信息化建设提供了坚实的基础的同时，也为管理者带来了新的挑战。由于光缆资源众多，各交接箱及终端之间跳接错综复杂，使得后期运维工作异常繁琐。并且随着时间的推移，光缆中断抢修，设备跳接变更，新建光缆和废弃光缆等事件不断累积，会使得维护工作量逐渐增大，因此需要一套有效的管理办法和管理手段。以前建立纸质文档或固定的文件文档的方式对于小规模的光缆资源管理或许够用，但对于中大规模的光缆资源管理则无法胜任，需要建立一套基于数据库的综合运维管理系统进行管理，对每一条光缆和每一个交接箱进行数据库建档，使得每条光缆中的纤芯去向、空余纤芯数量、衰耗值、维修状况等信息能做到一目了然，方便管理和维护，同时使非专职光缆管理人员和工程维修人员也能够方便的了解当前光缆的连接情况，便于及时维修。

　　1.系统的逻辑划分

　　根据系统的逻辑结构，可将本系统划分为4个层级，将系统管理的内容划分到不同层级之中，分别是：

　　1）网元管理层：管理内容为各类基础设施实物，包括各个网络机房、光缆、光交接箱，ODF终端以及设备等；

　　2）网络管理层：管理内容为连接各个终端的跳线，即连接网元的媒介；

　　3）服务管理层：运维管理系统的各项服务，包括数据库数据的输入，输出操作、数据库存储过程的调用等系统服务程序API；

　　4）业务管理层：提供业务操作界面，包括WEB界面，用户等级划分，用户操作权限划分等。

　　2.系统总体设计

　　本系统的设计目标是建立一套光缆基础设施的运维管理系统，要求将校园网所有光缆及相关基础设施资源录入到该系统中。通过该系统可实现以下功能需求：

　　1）可查询到任意一条光缆的信息，包括光缆长度，类型、芯数、建造时间、维修记录等；

　　2）可查询到任意一个光交接箱或机房的信息，总容量、可用容量、地点位置、建造时间等；

　　3）可由任意一个终端节点查询与之相关的光通路，并给出对端节点位置；

　　4）可根据给定的任意2个终端节点计算最佳光通路，提供给管理员作为光纤跳接参考；

　　5）可实现分级用户管理，不同权限的用户管理自己权限范围内的资源，只读用户只可查询，不可修改，

　　6）具备可扩展性，可实现与地理信息服务^[1]（GIS），有源主动监测系统对接。

　　根据以上需求，可采用BS架构，分3部分进行设计：

　　第一部分：数据库表项设计

　　系统数据库表项是本系统的核心内容，所有数据均存储在这些数据库表项中，通过对数据库的操作可实现本系统的全部功能。数据库表项设计的思路是按照网元管理和网络管理2各方面来进行设计的。网元管理相关表项主要存储各类终端、设备、光缆等信息；网络管理相关表项用来存储各类跳线信息。如下列表1、表2所示：

　　上述数据表项基本上可以涵盖光缆基础设施的所有内容，将跳纤（网络信息）和终端（网元信息）进行组合即可全面反映当前机房/交接箱、终端、光缆纤芯的实际连接状况

　　第二部分 系统API设计

　　系统API要实现以下几个功能：1.查询 2.修改 3.路由计算。前2项可直接通过数据库存储过程实现，相对简单。这里着重讨论路由计算方面，如前述设计目标所言：可根据给定的任意2个终端节点计算最佳光通路，提供给管理员作为光纤跳接参考。根据校园网光缆布局特征，可将整个校园网光缆基础设施按不同的光缆类型抽象化为几个加权无向图，通常按单模、多模光缆分别抽象为2个图，以某一个图为例，终端组网元作为图的顶点，光缆网元作为图的连接，2个终端组之间存在联通的光缆即可视为这2个终端组网元是相连接的。查找2个终端组网元之间最短（衰耗最低）光缆路由可归结为查找图中2个顶点之间最短路径的过程，可采用Dijkstra算法^[2]找到2点间最短路径，再由管理员通过添加跳线（亦可由程序自动添加）的方式完成新建一条光通路的任务。

　　权值的确定： 光通路权值与整个光通路的衰耗密切相关，但不仅仅由衰耗来确定，也应考虑到路由长度，跳接数量以及光缆可用率等。因此影响权值的因素包括：线路衰耗^[3]（由线路实际衰耗决定，影响因素包括线路长度、接头点数目等）；光缆芯数资源（由可用光缆条数及每条光缆纤芯数目决定）。权值越低表示该路径可选度越高，权值计算可按经验公式：W= 来确定，其中 表示2点之间光缆的估算距离衰耗（a为参数，L为距离）， 表示2点间的估算插入衰耗（b为参数、I为接插件总数）， 表示该段光缆估算熔接衰耗（c为参数、S为熔接点个数）， 即该段光缆的估算线路衰耗； 表示该段光缆的使用率（=已用芯数/总芯数）使用率越高则可选度越低；n和m为衰耗和使用率之间权重的比例参数，由管理员确定，a、b、c由线路类型决定，以单模1310/1550nm为例，可以选择a=0.26db/km，b=0.35db，c=0.1db。当然，如果有该段光缆的实测平均衰耗值A，则该公式可以简化为 。这样一来，如果在光缆数据库中保存了长度，熔接点数，接插件数，实测衰耗值等数据，即可随时计算出该段光缆的权值，然后根据需求进行计算，得出给定2点间的最优路径。

　　除了系统本身需要用到的API之外，还可设计与其它管理或检测系统对接所需的API，如GIS （Geographic Information Service）系统、线路监测系统、资产管理系统等，与上述系统对接时也需要调用相关API。为提高兼容性，系统API设计可按WebLogic标准来实现。

　　第三部分：WEB界面设计

　　WEB界面主要是解决业务管理层的问题，提供一个人交互界面，调用服务管理层所提供的API来满足业务需求，并实现多级用户管理来达到不同的用户登录进来获取不同的权限的目的。

　　系统的用户方面可分为3个级别：1）系统管理员：拥有系统的所有权限及功能，对象为校园网信息光缆基础设施运维管理人员；2）普通用户，只能新建并更改一部分被授权的资源，对象为校内其他各需要使用相关光缆设施的部门，以及租用校园网光缆设施的各ISP的运维管理人员；3）系统观察员：具备本系统的全部资源的只读权限，可随时调用和查看系统所有资源，但不能修改即删除数据，对象为校园网信息化管理归口部门，为主管部门随时了解光缆基础设施运维最新状态提供便利。

　　WEB界面的设计必须满足系统总体设计目标，以系统管理员为例，需实现以下功能：

　　1）用户管理：包括普通用户的新建、修改、删除；

　　2）赋予权限：将某一部分资源的管理权限赋予某一普通用户；

　　3）新增资源：包括终端、终端组、光缆、跳纤等资源；

　　4）跳纤操作：终端组内部不同终端之间连接或切断跳线，实现光纤通路调整

　　5）现网查询：查询符合条件的所有网元和网络设备的详细信息，包括终端（组）、光缆、跳纤等；

　　6）查询和计算路由：查找给定一个终端的接口所对应的远端接口，计算给定2个终端之间最短通路所经过的网元节点和终端节点，给出最低代价通路列表；

　　7）统计信息展示：展示系统各项指标的统计信息，为优化网络提供参考依据，如光缆总里程，分布状况、不同纤芯的光缆分布以及纤芯利用率等信息，光交接箱分布状态及利用率等统计信息

　　8）告警信息：根据统计信息结合设定的阈值，对超过阈值的项目进行告警，可通过邮件或短信的形式发送给管理员。

　　以上功能均由前端WEB界面发出指令，经由中间件调用系统API执行，并将结果返回到WEB界面上。

　　3.与其它系统的对接

　　1）有源实时监测系统对接

　　由于本系统与通常的综合网管系统存在一定的差别，本系统所管理的设施基本上是无源的设施，没有基本的网络监控手段，因此本系统本质上是一种“脱网”或者叫做非实时的运维系统。如需达到实时监控，可加入一些有源实时监测系统^[4]进行补充：对重要的主干节点可通过OTDR设备实时监控链路衰耗值；亦可采用普通交换机DDM光模块^[5]来实时监控光缆的衰耗值，对于光交接箱这种室外无源设备来说，可以通过远端环回的方式由DDM模块（发射功率-接收功率）/2的方式来估算线路衰耗。要实现有源实时监测系统对接，需要在系统数据库中设计实测衰耗值字段并设计一系列API来完成。

　　2）GIS对接

　　为了提高系统可视化效果，可将GIS（Geographic Information Service，地理信息服务）与本系统进行对接。可根据数据库中存储的地理位置信息配合商业GIS API（如百度GIS API^[6]）实现真实地图的位置展示，可大幅提高本系统的可视化效果和操作便利性。实现GIS对接要求终端、光缆等设施数据库中具备地理信息内容，并提供API来完成对接。

　　3）短信推送系统对接

　　根据实时监测系统提供的数据以及管理员设置的阈值，将告警信息通过短信的形式发送到管理员的手机上，达到即时推送的目的，可将本系统与短信发送平台进行对接。需要设计一系列告警生成和短信发送的API来完成相关操作。

　　4）资产管理系统对接

　　一般来说，校园网中各类终端配线架、光交接箱等设施均会作为固定资产记录下来，要与学校固定资产管理系统对接起来，必须在数据库中加入资产编号等信息字段，并设计相应API来查询相关资产情况。

　　4.总结

　　结合校园通信网光缆基础设施日常运维经验，跟据实际运维需求研究并开发的校园网光缆运维管理系统，可实现对错综复杂的校园网地下/架空光缆资源的数字化管理，并运用图论原理计算光缆路由，实现光缆资源的优化配置。并在设计中考虑了有源检测系统、GIS以及资产管理等其他系统的对接以及多级用户管理模式。为大型校园网/园区网光缆资源的运维管理提供了一套有效实用的运维管理平台。

　　参考文献

　　[1]杜云艳，冯文娟，何亚文，肖如林. 网络环境下的地理信息服务集成研究[J]. 武汉大学学报（信息科学版），2010，（03）：347-349+364.

　　[2]王树西，李安渝. Dijkstra算法中的多邻接点与多条最短路径问题[J]. 计算机科学，2014，（06）：217-224.

　　[3]易维善，张清恒，任自力. 光纤的特性、传输损耗及衰耗的测量[J]. 电视技术，1999，（04）：65-68.

　　[4]朱波，王磊. 光缆监测系统技术及应用[J]. 邮电设计技术，2015，（07）：57-61.

　　[5]肖颖. 智能光模块监测系统的研究与设计[D].武汉理工大学，2008.

　　[6]董卓亚. 基于百度地图JavaScript API的通信地图展示[J]. 电子设计工程，2013，（18）：73-76.