北京大学：校园网光纤资源管理系统设计

文/付中南 尚群 王竹威

北京大学：校园网光纤资源管理系统设计

文/付中南 尚群 王竹威

通过数字化手段建立符合校园网特色的光纤资源管理，将会大大提升校园网运行维护的效率。为快速定位提供所需线路或者备份线路提供有力的数据支持保障。

光纤是校园网重要的基础资源之一。随着校园网的普及，光纤规模逐步扩大。以北京大学为例，目前所有楼宇均通过光纤接入相邻的汇聚层交换机。如何有效地管理和利用光纤资源，保障校园网安全稳定的运行，是校园网管理水平的重要标志。

早期的校园网光纤资源管理以光纤施工合同作为主要依据，并进行手工或电子表格化管理。随着校园网的调整、改建、扩建和校内楼宇的新建、拆迁和改造等，光纤也随之调整，规模也在逐步扩大，手工的管理方式越来越不能满足校园网光纤管理的需求。在电信和有线电视行业这个问题早已出现，并提出了光纤资源管理系统的概念，推出了适应该行业的光纤资源管理系统。

电信级光纤资源管理与校园网关注的管理范围不同，管理规模不同，因此电信级光纤管理系统并不适合用于校园网的光纤资源管理。因此，有必要开发一套基于校园网光纤资源的管理系统，以适应新形势下校园网对光纤管理的需要。

光纤资源管理

光纤资源管理的主要工作至少包括以下几个方面：

现有光纤的全面摸查。该项工作以光纤施工合同作为基础，并对已有光纤的使用情况进行全面的统计，如光纤长度、光纤物理走向、施工时间、已使用光芯的用途、不可用或衰减较大光纤芯等相关数据。

对摸查数据进行数字化管理，采用信息化手段全面、详细地记录光纤资源的基本情况。保证校园网管理者可以快速准确地统计光纤资源，随时掌握校园网中光纤资源的整体情况。

实现对校园网光纤资源的统筹管理。为运维人员提供校园网光纤链路的地图式查询，计算任意网络节点之间的光纤路径。这也是光纤资源信息化管理要实现的核心功能。

通过数字化手段建立符合校园网特色的光纤资源管理，将会大大提升校园网运行维护的效率。为快速定位提供所需线路或者备份线路提供有力的数据支持保障，为校园网光纤的未来规划提供有力的支持。

光纤资源的数字化

光纤施工合同是光纤资源管理的重要原始数据之一。光纤施工合同中包括了光纤施工的所有基础资料，详细记录了铺设的光纤数量、光纤芯数、光纤类型、施工时间、施工单位及负责人等信息。因此，光纤施工合同中的核心内容是采集和处理的第一部分原始数据。

在校园网中，与光纤密切相关的还包括网络机房、交接箱、管井等资源。这些都是光缆段可能的端点或途径的节点，是光纤资源查找和日常维护的必要信息。图1展示了校园网光纤的物理铺设情况。

从图1可以看到，除了光纤施工合同外，光纤资源管理系统还应关注网络机房、管井、光纤交接箱、光缆段和光纤芯等原始数据。

网络机房、管井、光纤交接箱等可以统称为光缆段端点。光缆段由光纤芯组成，每条光缆段包含一定数目的光纤芯。光纤芯是对光纤资源实际使用的最小单位。网络节点之间的光链路是由光缆段中的光纤芯组成的。

光纤资源管理系统设计

需求与实现功能

光纤资源管理系统的设计要紧紧围绕校园网日常维护中对光纤资源的使用流程、使用方式。因此，光纤资源管理系统主要包括以下几个功能。

1.资源的录入和删除

数据的录入和删除是整个系统的基础。主要负责前面提到的几类原始数据的录入。光纤芯是随着光缆段铺设产生的，所以系统不提供光纤芯的录入接口，而是在用户录入光缆段时根据光缆段中包含的各类型的光纤芯及其数目自动为用户录入。同样，当用户删除一根光缆段时，它包含的光纤芯也会随着删除。

图1 校园网光纤铺设示意

2.资源的统计

系统应该提供各种灵活的统计形式，用户可以按端点、按时间进行统计。通过不同形式的统计，运维人员可以随时掌握校园网内光纤资源的总体情况及各网络节点之间光纤资源的使用情况，为光纤施工提供有用的指导信息。

3.对资源的操作

光纤芯是运维人员可操作的最基本对象。每条光纤芯在铺设最初，两端都处于闲置状态。经过熔接或成端后，变成了可使用的光纤芯。在实际使用中，可能用于与网络设备的连接，也可能用于与其他光线芯连接组成新的光链路。对光纤资源的操作，主要反映了工作中对资源的各种使用情况。因此，光纤资源管理系统提供对光纤芯的批量成端、熔接和跳接等操作。通过这些操作，可以准确记录每一根光纤芯的使用情况。

4.资源的查找

资源的查找是光纤资源管理系统的核心功能，它的主要目的是智能查找校园网中任意两个网络节点之间可用的光纤资源及其详细情况。对资源的查找主要分为两类：光缆段的查找和光链路的查找。

管理系统提供端到端之间光缆段的精确查找，也提供单一端点处所有光缆段的查找，在查找的结果中用户可以详细查看该光缆段中每一光纤芯的实际情况。

光链路查找提供类似地图查找的功能。管理系统根据用户提供的端点为用户计算端到端的不同路径以及每条路径途经的光缆段。进一步，用户可以了解每条路径上有多少可用的光纤芯、多少跳接点，在每个跳接点处需要何种类型的光跳线。

系统设计

1.光纤资源管理的主要对象包括光缆段、光纤施工合同、光线芯和光缆段端点所处的校园网节点如网络机房、交接箱或者管井。这些对象之间的逻辑联系构成了光纤资源管理系统的设计基础。

首先，光纤施工合同是基础数据，记录了光纤的施工情况。每根光缆段都应该有唯一的施工合同与之对应。合同中记录的光缆段管理负责人、施工负责人、施工时间、验收人等，都应该在管理系统中准确体现。

每条光缆段都具有两个独立的、不同位置的端点。所以，要准确地定位光缆段，就必须明确光缆段两个端点的位置以及每个端点的类型。对光缆段的查询以及校园中光链路的计算，都要依靠光缆段的两个端点。

光缆段是光纤施工中铺设的端到端的一条光缆。光纤管理系统应该记录每根光缆的长度，端点所在位置、光纤芯数量等信息。

光纤管理系统中必须详细记录每根光纤芯的类型、在所属光缆段中的编号、在两个端点处的接口类型、每个接口的使用情况等信息。光纤资源管理对象的逻辑关系如图2所示。

图2 光纤资源管理对象逻辑关系示意

图3 光纤资源管理系统数据流

2.按照光纤资源管理系统的需求，对系统采取模块化方式进行设计。主要包括：查询统计子系统、数据录入子系统和使用状态记录子系统。查询统计子系统为用户提供按端点或按时间的查询统计接口；数据录入子系统提供向系统中添加光纤资源管理中的基础数据的接口；使用状态记录子系统提供修改光纤资源使用情况的接口。为了维护数据的一致性，数据录入子系统和使用状态记录子系统只对管理员开放。光纤资源管理系统的数据流图如图3所示。

查询统计子系统提供按时间查询、按端点查询两种方式。其中按端点查询又分为指定起点和终点的精确查询与只指定某一节点的简单查询。查询结果既展示光纤资源的基本信息如光纤类型、所属光缆段、接口类型等，同时展示资源的使用情况如光纤接口是否关联设备、是否跳接等。

数据录入子系统负责录入光纤资源管理的基础数据。将用户输入的数据合理组织后存入光纤数据库中。

使用状态子系统提供的功能主要是根据校园网运行过程中对光纤资源的使用情况及时更新系统中记录的每条数据的相关状态。

光链路的查询与计算

光链路查询的原理

光纤资源管理系统的核心功能是资源的查找，尤其是光链路的计算。当前的校园网通常由核心层、汇聚层和接入层等三个层次构成。校园网中光纤的铺设也会紧紧围绕这三个层次进行。通常情况下，从核心层节点到每个汇聚层节点之间都会铺设光缆，汇聚层之间也会铺设光缆用作互联或备份，接入层一般只和汇聚层之间铺设光缆。所以，校园网中的光缆拓扑总体呈现出图状的结构，如图4所示。

图4 校园网光缆拓扑示意

图5 光缆段及节点构成的无向连通

虽然校园网规模在扩大，光纤资源的规模也在随之扩大，但是根据图4我们可以发现光纤资源的规律。对于光缆拓扑，可以进一步将其抽象成为一个无向连通图数据结构。其中，各个网络节点作为光缆段的端点对应的是无向连通图中的节点，光缆段则对应无向连通图中的边，如图5所示。

光链路计算的基础是系统中建立的光缆拓扑无向连通图。系统采用邻接表的方式记录该无向连通图。当用户向系统中首次添加某两个节点之间的光缆段时，系统同时添加这两个节点的邻接关系；当用户删除某一光缆段时，系统检查该光缆段对应的两端是否仍有其他光缆段存在，若不存在，则解除这两个节点的邻接关系。通过这种方式，系统动态地维护光缆拓扑的无向连通图。

系统分两步为用户完成光链路计算。首先，通过对光缆段的无向连通图进行遍历，找到两个节点之间的所有路径及经过的节点。该问题可以分解为如下子问题进行求解：

第一，遍历起始节点的所有相邻节点，求解其相邻节点到终点的所有路径，得到的路径集合与起始节点到对应的相邻节点的路径相加，即为从起点到终点的路径集合。

第二，在遍历的过程中发现环路或者其所有相邻节点均不存在到终点的路径，则返回当前起始节点的上一节点继续遍历；发现到达终点的路径则停止遍历，记录当前路径并返回上一级节点继续遍历。对于上面的两个子问题，可以采用递归的方式解决。用栈保存当前已寻到的路径，当寻找到完整路径或从栈顶点无法继续寻路时，弹出栈顶点。每找到一条路径，则进行转储，作为输出的结果。

通过上面的查找，可以得到所有的路径以及每条路径经过的节点。

其次，光链路计算的第二步，就是根据每条路径上的节点找到这些节点之间所有的光缆段。进一步查找这些光缆段包含的光纤芯，可以得到用户需要的所有光链路。这里主要利用了光纤芯和光缆段之间的从属关系，构建光缆段的无向连通图而非光线芯的无向连通图，避开了数目庞大的光纤芯，减少了计算量。

计算结果分两个层次展示：第一层从整体上展示所有的路径及每条路径途经的节点和各节点之间的光缆段信息；第二层主要展示光缆段内每一根光纤芯的物理状态、使用状态等信息。通过这些信息，用户可以确定两个节点之间共有多少条光链路存在，还剩多少可用。

图6 光链路

图 7 光链路查询结果

图8 光缆段内光纤芯详细信息

光链路计算可以帮助运维人员获得任意校园网节点之间的光纤资源配置及使用情况。在传统方式下可能需要多人在不同地点才能确定的信息，通过信息化的方式可以很快地准确掌握。由此可见，对光纤资源的信息化管理可以减轻运维人员的工作量，同时提高工作效率，帮助运维人员更有效地对校园网中的光纤资源进行管理。

光链路查询的实现

本小节简单展示光线资源管理系统的功能，以光链路查询为例。查询界面如图6所示。

查询所得光链路路径如图7所示。每条路径包括了途经的所有光缆段。

点击光缆段处的链接，进入光缆段详细信息，如图8所示。

由图8可见，系统详细记录了光缆段内所有光纤芯的接口类型、使用情况、邻接光纤芯等信息。

本文主要介绍了光纤资源原始数据的采集、组织和光纤资源管理系统的设计思想与实现方法。通过该系统，北京大学的网络运维人员可以更加准确掌握校园网中光纤资源的分布和使用情况，在校园网的实际维护中起到重要的作用。

（作者单位为北京大学计算中心）