北京大學：校園網光纖資源管理系統設計

文/付中南 尚群 王竹威

北京大學：校園網光纖資源管理系統設計

文/付中南 尚群 王竹威

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

光纖是校園網重要的基礎資源之一。隨著校園網的普及，光纖規模逐步擴大。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，保障校園網安全穩定的運行，是校園網管理水平的重要標志。

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

電信級光纖資源管理與校園網關注的管理范圍不同，管理規模不同，因此電信級光纖管理系統并不適合用于校園網的光纖資源管理。因此，有必要開發一套基于校園網光纖資源的管理系統，以適應新形勢下校園網對光纖管理的需要。

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：

現有光纖的全面摸查。該項工作以光纖施工合同作為基礎，并對已有光纖的使用情況進行全面的統計，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數據。

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

實現對校園網光纖資源的統籌管理。為運維人員提供校園網光纖鏈路的地圖式查詢，計算任意網絡節點之間的光纖路徑。這也是光纖資源信息化管理要實現的核心功能。

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

光纖資源的數字化

光纖施工合同是光纖資源管理的重要原始數據之一。光纖施工合同中包括了光纖施工的所有基礎資料，詳細記錄了鋪設的光纖數量、光纖芯數、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容是采集和處理的第一部分原始數據。

在校園網中，與光纖密切相關的還包括網絡機房、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展示了校園網光纖的物理鋪設情況。

從圖1可以看到，除了光纖施工合同外，光纖資源管理系統還應關注網絡機房、管井、光纖交接箱、光纜段和光纖芯等原始數據。

網絡機房、管井、光纖交接箱等可以統稱為光纜段端點。光纜段由光纖芯組成，每條光纜段包含一定數目的光纖芯。光纖芯是對光纖資源實際使用的最小單位。網絡節點之間的光鏈路是由光纜段中的光纖芯組成的。

光纖資源管理系統設計

需求與實現功能

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

1.資源的錄入和刪除

數據的錄入和刪除是整個系統的基礎。主要負責前面提到的幾類原始數據的錄入。光纖芯是隨著光纜段鋪設產生的，所以系統不提供光纖芯的錄入接口，而是在用戶錄入光纜段時根據光纜段中包含的各類型的光纖芯及其數目自動為用戶錄入。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 校園網光纖鋪設示意

2.資源的統計

系統應該提供各種靈活的統計形式，用戶可以按端點、按時間進行統計。通過不同形式的統計，運維人員可以隨時掌握校園網內光纖資源的總體情況及各網絡節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。每條光纖芯在鋪設最初，兩端都處于閑置狀態。經過熔接或成端后，變成了可使用的光纖芯。在實際使用中，可能用于與網絡設備的連接，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的核心功能，它的主要目的是智能查找校園網中任意兩個網絡節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。管理系統根據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。

系統設計

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節點如網絡機房、交接箱或者管井。這些對象之間的邏輯聯系構成了光纖資源管理系統的設計基礎。

首先，光纖施工合同是基礎數據，記錄了光纖的施工情況。每根光纜段都應該有唯一的施工合同與之對應。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，都應該在管理系統中準確體現。

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的端到端的一條光纜。光纖管理系統應該記錄每根光纜的長度，端點所在位置、光纖芯數量等信息。

光纖管理系統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系如圖2所示。

圖2 光纖資源管理對象邏輯關系示意

圖3 光纖資源管理系統數據流

2.按照光纖資源管理系統的需求，對系統采取模塊化方式進行設計。主要包括：查詢統計子系統、數據錄入子系統和使用狀態記錄子系統。查詢統計子系統為用戶提供按端點或按時間的查詢統計接口；數據錄入子系統提供向系統中添加光纖資源管理中的基礎數據的接口；使用狀態記錄子系統提供修改光纖資源使用情況的接口。為了維護數據的一致性，數據錄入子系統和使用狀態記錄子系統只對管理員開放。光纖資源管理系統的數據流圖如圖3所示。

查詢統計子系統提供按時間查詢、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點的簡單查詢。查詢結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聯設備、是否跳接等。

數據錄入子系統負責錄入光纖資源管理的基礎數據。將用戶輸入的數據合理組織后存入光纖數據庫中。

使用狀態子系統提供的功能主要是根據校園網運行過程中對光纖資源的使用情況及時更新系統中記錄的每條數據的相關狀態。

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。當前的校園網通常由核心層、匯聚層和接入層等三個層次構成。校園網中光纖的鋪設也會緊緊圍繞這三個層次進行。通常情況下，從核心層節點到每個匯聚層節點之間都會鋪設光纜，匯聚層之間也會鋪設光纜用作互聯或備份，接入層一般只和匯聚層之間鋪設光纜。所以，校園網中的光纜拓撲總體呈現出圖狀的結構，如圖4所示。

圖4 校園網光纜拓撲示意

圖5 光纜段及節點構成的無向連通

雖然校園網規模在擴大，光纖資源的規模也在隨之擴大，但是根據圖4我們可以發現光纖資源的規律。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據結構。其中，各個網絡節點作為光纜段的端點對應的是無向連通圖中的節點，光纜段則對應無向連通圖中的邊，如圖5所示。

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

系統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，找到兩個節點之間的所有路徑及經過的節點。該問題可以分解為如下子問題進行求解：

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

第二，在遍歷的過程中發現環路或者其所有相鄰節點均不存在到終點的路徑，則返回當前起始節點的上一節點繼續遍歷；發現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點繼續遍歷。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尋路時，彈出棧頂點。每找到一條路徑，則進行轉儲，作為輸出的結果。

通過上面的查找，可以得到所有的路徑以及每條路徑經過的節點。

其次，光鏈路計算的第二步，就是根據每條路徑上的節點找到這些節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系，構建光纜段的無向連通圖而非光線芯的無向連通圖，避開了數目龐大的光纖芯，減少了計算量。

計算結果分兩個層次展示：第一層從整體上展示所有的路徑及每條路徑途經的節點和各節點之間的光纜段信息；第二層主要展示光纜段內每一根光纖芯的物理狀態、使用狀態等信息。通過這些信息，用戶可以確定兩個節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 光鏈路查詢結果

圖8 光纜段內光纖芯詳細信息

光鏈路計算可以幫助運維人員獲得任意校園網節點之間的光纖資源配置及使用情況。在傳統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中的光纖資源進行管理。

光鏈路查詢的實現

本小節簡單展示光線資源管理系統的功能，以光鏈路查詢為例。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，系統詳細記錄了光纜段內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據的采集、組織和光纖資源管理系統的設計思想與實現方法。通過該系統，北京大學的網絡運維人員可以更加準確掌握校園網中光纖資源的分布和使用情況，在校園網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）