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1、精选优质文档-倾情为你奉上全分散模块化程控交换机设计方案专 业：通信工程 姓 名：董友朋 指导教师：黄景廉 摘 要 20世纪90年代，我国程控交换机的研制经历了从无到有的发展过程，特别是大型局用程控交换机的成功研制给我国信息产业带来巨大的生机。这次我主要介绍的以中兴ZXJ10程控交换机设计全分散模块化进程控交换机。ZXJ10数字程控交换系统为模块间全分散，模块内分级控制，集中管理的开放式体系结构，以通用计算机平台为基础，局域网技术为支撑，客户机/服务器方式为控制结构的基本形态，使系统具备灵活的组网能力、强大的呼叫处理能力、高可靠性、良好的兼容性和扩展性。关键词 全分散，交换机，模块化目 录1.
2、绪论程控数字交换技术是通信工程专业的一门比较重要的专业课程。学好这门课程极为重要。目前相关教材均是基于理论课教学的需要, 在内容设计上把大量篇幅用于介绍理论, 对于实际程控交换体系的产品设计、生产和具体应用等则比较简略。当然,程控数字交换实验课程可以部分弥补这一不足, 但所使用的实验箱为整板式的电路板, 且实验内容更多着眼于验证所学理论, 忽视了实际动手能力的培养。为了加深我们对所学理论知识的理解, 加强动手实践能力, 特对程控交换的基本模块进行设计。2.设计交换机系统结构及系统原理介绍2.1 交换机系统结构2.1.1模块化结构在模块化结构中，外围交换模块（PSM）是系统最基本的模块，可独立成
3、局。当外围交换模块（PSM）为多个时，需要一个中心模块来完成模块间的互联。中心模块也叫互联网络模块，它包括交换网络模块（SNM）、消息分配模块（MDM）和操作维护模块（OMM）。交换网络模块（SNM）用来完成模块间的话路交换，消息分配模块（MDM）用来完成模块间的通信。为了满足通信网的发展和用户不断增长的新需求，根据需要还可添加其他功能模块，如增加No.7信令模块（CSM）、分组交换模块（PHM）、座席管理模块（PMM）、话音业务模块（VSM）、智能业务模块（INM）和数字综合业务模块（ISM）等。2.1.2全分散控制方式这次设计的程控交换机还要有许多独立的分散式功能模块组成。例如，外围交换模
4、块（PSM）完成基本的呼叫处理功能；交换网络模块完成模块间的通信和话路交换；N0.7信令模块（CSM）完成N0.7信令的二级和三级功能处理；操作维护模块（OMM）完成系统的操作维护等。每个模块都有各自的主处理机（MP），能相对独立的完成模块内的呼叫接续功能，在某一模块出现故障时不影响其他模块的运行。图1 程控数字交换机系统的结构2.2 三层交换第三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。当然，三层交换技术并不是网络交换机与路由器的简单叠加，而是二者的有机结合，形成一个集成的、完整的解决方案。 因为三层
5、交换机与传统的交换机比，比较占优势。所以，在这里，主要介绍三层的程控交换机,具体如下：2.2.1 第三层交换的特点突出的特点如下：(1)有机的硬件结合使得数据交换加速； (2)优化的路由软件使得路由过程效率提高； (3)除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由第二层交换处理； (4)多个子网互连时只是与第三层交换模块的逻辑连接，不象传统的外接路由器那样需增加端口，保护了用户的投资。 第三层交换的目标是，只要在源地址和目的地址之间有一条更为直接的第二层通路，就没有必要经过路由器转发数据包。第三层交换使用第三层路由协议确定传送路径，此路径可以只用一次，也可以存储起来，供以后使用。之后数据包通
6、过一条虚电路绕过路由器快速发送。 2.2.2第三层交换机的应用 第三层交换机的主要用途是代替传统路由器作为网络的核心，因此，凡是没有广域连接需求，同时又需要路由器的地方，都可以用第三层交换机来代替。在企业网和校园网中，一般会将第三层交换机用在网络的核心层，用第三层交换机上的千兆端口或百兆端口连接不同的子网或VLAN。第三层交换机解决了局域网VLAN必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器速度低、复杂所造成的网络瓶颈问题。利用三层交换机在局域网中划分VLAN,可以满足用户端多种灵活的逻辑组合, 防止了广播风暴的产生, 对不同 VLAN 之间可以根据需要设定不同的访问权限，以此增加网络的整体
7、安全性，极大地提高网络管理员的工作效率，而且第三层交换机可以合理配置信息资源，降低网络配置成本，使得交换机之间连接变得灵活。 2.2.3三层交换的原理从硬件的实现上看，目前，第二层交换机的接口模块都是通过高速背板/总线交换数据的。在第三层交换机中，与路由器有关的第三层路由硬件模块也插接在高速背板/总线上，这种方式使得路由模块可以与需要路由的其他模块间高速地交换数据，从而突破了传统的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s-100Mbit/s)。在软件方面，第三层交换机将传统的基于软件的路由器重新进行了界定： (1)数据封包的转发：如IP/IPX 封包的转发，这些有规律的过程通过硬件高速实现；
8、(2)第三层路由软件：如路由信息的更新、路由表维护、路由计算、路由的确定等功能，用优化、高效的软件实现。 假设有两个使用IP 协议的站点，通过第三层交换机进行通信的过程为：若发送站点A在开始发送时，已知目的站B的IP 地址，但尚不知道它在局域网上发送所需要的MAC 地址，则需要采用地址解析(ARP)来确定B的MAC 地址。A把自己的IP 地址与B的IP 地址比较，采用其软件中配置的子网掩码提取出网络地址来确定B是否与自己在同一子网内若B 与A 在同一子网内，A 广播一个ARP 请求，B 返回其MAC 地址，A 得到B 的MAC地址后将这一地址缓存起来，并用此MAC 地址封包转发数据，第二层交换
9、模块查找MAC 地址表确定将数据包发向目的端口。若两个站点不在同一子网内，则A 要向缺省网关发出ARP(地址解析)封包，而缺省网关的IP 地址已经在系统软件中设置，这个IP 地址实际上对应第三层交换机的第三层交换模块。当A 对缺省网关的IP 地址广播出一个ARP 请求时，若第三层交换模块在以往的通信过程中已得到B 的MAC 地址，则向发送站A 回复B 的MAC 地址；否则第三层交换模块根据路由信息向目的站广播一个ARP 请求，B 得到此ARP 请求后向第三层交换模块回复其MAC 地址，第三层交换模块保存此地址并回复给发送站A 。以后，当再进行A 与B 之间数据包转发时，将用最终的目的站点的MA
10、C 地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换处理，信息得以高速交换。 3.设计模块化的交换机硬件结构VLSW 4150三层交换机的硬件结构分为两个部分，处理器模块和交换模块，它们之间通过PCI接口相连，同时配合相应的外围电路形成完整的三层交换机系统，见图2。 图2 硬件结构4.设计交换机各组成模块及其功能4.1 处理器模块 如图3所示，处理器部采用一款MOTOROLA PowerQUICC II CPU，同一些外部存储设备以及一些外围电路构成三层交换机的处理器部分。处理器模块主要是运行嵌入式操作系统，配置系统和路由表的维持，而不是数据转发通路的组成部分。CPLD 保存一些CPU初始化的一些配置
11、以保证上电后CPU正常启动，Flash 芯片用于存储三层交换机的所需要的所有软件和相关配置，SDRAM在系统启动之后载入FLASH中的程序，保证系统正常运行。处理器模块一方面提供一个快速以太网接口和一个异步口，用于对交换机进行配置和调试；另一方面通过PCI接口和交换模块相连，通过PCI接口对交换模块进行控制，并进行数据传输。 图3 处理器模块的硬件组成4.2 交换模块 如图4所示，交换模块采用了BROADCOM公司的BCM5645作为ASIC芯片，通过PCI接口与处理器模块进行通信完成数据传输，通过5645提供的内存接口，可以给交换模块提供一个64M的外部SDRAM，从而提高交换机的吞吐量和交
12、换速度。5645通过MII接口和GMII接口分别连接24个百兆以太网和2个千兆以太网。图4 交换模块的硬件组成5.设计交换机各组成模块之间的通信本交换机中，各个模块中有模块主处理机MP来处理所有的数据和消息。通过消息分配模块（MDM）将各个模块的主处理机（MP）用固定的64kb/s的通道连接起来，即通过固定的通道来进行通信，以保证各个模块的MP能及时的收发各种信息。消息分配模块（MDM）的交换网由2块2K*2K的T网组成，称为MDN网。MDN网的时隙及HW线间的连接关系在系统初始化时既已确定，一般不需要改动。MDN网的HW线、时隙分配原则如下：（1）每个MDN网为每个模块提供1条HW线，2个M
13、DN网为每个模块提供2条HW线。（2）HW线中的每一个时隙对应一个模块，即每个模块分别通过一个固定的64kb/s时隙和其他模块进行通信。2条HW线总共64个64kb/s时隙，因此每个模块就可以和其他的63个模块进行通信。（1）模块间通信接口。模块间通信接口如图所示：图5 模块间通信接口在上图中，各个模块间的通信消息都是通过MDN网的半固定连接实现的。各个模块的主处理机（MP）通过模块间通信处理机（MPMP）和MDN网直接相连，由MPMP来进行消息的转发，保证消息无差错的传输。近端模块用电缆通过网络驱动板（NETD）和中心模块直接相连，近端模块的MPMP和中心模块的MPMP均能处理1条HW线上3
14、2个时隙的消息。根据系统的配置（64个模块）而疲惫2块MPMP，负责将消息按时隙发往不同的模块，并将接受到的消息处理后送往MP。远端模块通过MPMP和DTRLM用2M口与中心模块相连，DTRLM为远端模块和中心模块相连的DT接口。中心模块配备接口RIM（由DTRLM、MPMP组成）作为MDN网队员短模块的接口，其中MPMP负责将消息进行压缩后插入到DTRLM的TS16时隙，反之将DTRLM TS16时隙的消息提取并解压后送往MP处理。6.设计全开放的后台维护、管理系统6.1 操作维护系统该交换机的数据管理与维护是通过操作系统完成的。操作维护系统主要有各种操作终端，如操作维护台、112测试台、计
15、费台、转发台等组成。操作维护系统与交换机的关系如下图所示：图6 操作维护系统与交换机系统的关系示意图该数字程控交换系统的操作维护系统由Server和多个终端组成，采用Client/Server局域网的组网方式。服务器和客户机的操作系统均要求为Windows NT。计费系统（J）业务管理（V）系统维护（C）数据管理（S）SDH管理（H）关于（A）所有的操作指令都由菜单提供。除了“关于”菜单提供本系统的版本信息外，该数字程控系统操作维护指令共分五大类：计费系统包括计费档案管理，计费自由报表，计费通用报表，计费查询，计费结算汇总，计费要求设置，计费话单格式转换，计费日志管理和计费数据传送等功能。业务
16、管理包括话务统计，112受理测量台，112系统管理员，七号信令跟踪，随路信令跟踪，呼叫业务观察与检索，呼叫动态跟踪，大话务量模拟呼叫器，ISDN信令分析，ISDN线路管理，通话路由查找与保持，全局特殊业务设置等功能。系统维护包括告警局配置，后台告警，诊断测试，文件管理，操作员管理，版本升级，语音管理，时钟管理，维护日志和远程拨号等功能。数据管理包括基本数据管理，七号数据管理，V5数据管理，信令转接点管理，智能网数据管理，其他数据管理，动态数据管理，数据备份和传送数据等功能。其中：基本数据管理包括局容量数据配置，交换局配置,物理配置（物理配置，兼容物理配置），号码管理（号码管理，号码分析和用户线
17、改号），用户属性，用户群数据，中继管理和探针等功能；七号数据管理包括共路MTP数据，共路SCCP数据和共路SSN数据等功能；V5数据管理包括V5接口配置和L3地址指配等功能；信令转接点管理包括MTP屏蔽定义和SCCP屏蔽定义等功能；智能网数据管理包括局数据配置、费率设置等功能。其他数据管理包括呼叫失败原因维护，外围处理器装载代码维护，专网计费管理，报表和查询，黑白名单，排队机配置，网管命令测试，其他选项等功能；动态数据则包括动态数据管理，多终端维护管理，日常事物处理等功能。数据备份包括数据备份和自动备份设置。SDH管理包括全交叉出局配置，全交叉组网配置，全交叉SDH网管，简易组网配置，简易SD
18、H网管等功能。维护人员日常主要用到的是系统维护中的诊断测试，后台告警，112申告测试，信令跟踪等。其它的维护功能不经常用到，或不属于维护人员维护的范围，在这里也就不做介绍了。6.2诊断测试系统诊断测试系统通过维护台上的人机对话框对模块内各组成单元，模块间的通信，话路进行测试，检查交换系统硬件的工作是否正常，以便及时定位和处理故障，保证交换机的正常工作。 该程控交换机采用多模块全分散型控制结构，各模块由一系列基本单元组成，包括用户类单元，中继单元DT，双音多频收号器DTMF，多频互控单元MFC，信号音单元TONE，交换网络T网等。诊断测试包括模块内测试和模块间测试。模块内测试主要用于测试模块内的
19、各组成单元的功能，单元与MP的链路，单元与交换网的话路是否正常；模块间测试主要是对相邻模块的通信，话路进行检测。该程控交换机的诊断测试系统包括两大部分，诊断测试前台进程（MP）诊断测试前台进程（MP），诊断测试前台进程包含在前台程序中，其实现的功能主要有：模块内单元功能的测试；单元与MP链路的测试；单元与T网话路的测试；模块间通信链路，交换话路的测试；人机命令的接收和测试结果的返回。诊断测试后台诊断测试后台界面，诊断测试后台部分分别运行在客户端和服务器上，主要完成诊断测试人机命令的发送，测试结果的接收，显示和保存等。它们实现的功能主要有：即时测试命令的发送；即时测试结果的接收，显示，打印和保存
20、；例行测试的设定和撤消；例行测试命令的发送（只限于服务器）；例行结果的接收，保存（只限于服务器）；例测结果的浏览，打印。其中，例行测试命令的发送和结果的保存由服务器上的诊断通常，将交换机侧称为前台，将操作维护台等称为后台（后台是一系列PC机）。前后台的处理机组成一个局域网。通过后台的人机命令可向交换机传递操作维护的指令接收交换机的数据告警等信息。6.3 告警部分交换机在运行过程中，一旦某些部件出现故障，系统会产生一系列告警信号，提示维护人员进行必要的处理，保障设备的正常运行。告警系统根据故障对设备的影响程度、重要性及紧迫性分为严重告警、主要告警及次要告警。严重告警当系统出现严重故障，无法正常运
21、行时，发出严重告警，对应信号为维护面板红灯（Critical）亮。故障内容涉及主控板（MainControllerCard）、硬盘驱动器模块（HardDiskModule）、外围交换控制板（PeripheralSwitchContrller）、过载及再启动等。主要告警当系统中部分用户无法通信或通信质量严重下降时，发出主要告警，对应面板上为红色指示灯（major）亮。故障内容涉及普通用户板（ONSline）、长线用户板（OPSline）、功能用户板（COVline）数字网用户板（DNIline/2B+D）、数据用户板（DataseLine）、环路市话中继板（LS/GSTrunk）、E/M中继板、
22、双音多频记发器（DTMFReceiver）等。次要告警当系统中只有极少数用户的通信质量受到影响时，发出次要告警，对应维护面板上红色指示灯（minor）亮，相应用户的用户板对应红灯亮，这种告警不必及时处理，但对交换机运行状态要心中有数，故障内容涉及到倒换失败、个别用户故障、故障排除等。当系统发出告警信息后，应及时按以下原则对故障进行分析和处理：a.尽量不影响全局通话，最好在话务空闲时处理。b.从单板指示灯和维护台观察单板状态，分析相关单板，不要盲目更换单板，以防故障扩散。 c.插拔单板时，一定要佩带防静电腕套，并将接地端可靠接地。6.4用户部分在日常维护工作中，用户部分故障是最常见的故障，一般可
23、分为外线故障和交换机相关功能部件故障，常见的外线故障有断线、短路、接地、话机故障等，可通过在配线架甩开外线的方法确定故障部位下面讨论由交换机相关功能部件造成的用户故障的处理方法。用户故障发生在普通用户板的个别用户时，可通过更换用户板解决，也可通过应急方法处理，如更改用户对应的电路号码，并将外线改接到对应的用户电路上，再进行呼叫转移，将故障号码转移到更改的号码上。用户的故障处理方法有：连续16个用户故障，更换损坏的普通用户板； 整个用户模块故障，检查外围接口控制板及-48V馈电； 用户故障常用的处理方法是，以最小配置运行，判断分析单板故障，或通过拆半法逐步排除和定位，找到影响其他单板工作的故障板
24、。6.5 中继部分（半自动接入公网时）与中继部分相关的有中继板、中继线及软件中的与中继线有关的表格的设置等。中继部分的故障处理方法有：所有的用户都打不出外线，可检查中继线、中继线指定（TrunkAssignment）、中继组指定（TrunkGroupAssignment）、自动路由选择指定（ARSAssignment）、路由指定（RouteAssignment）、限制等级指定（ClassofRestrictionGroupAssignment）、数字更改指定（DigitModificationAssign2ment）等的设置。 只有个别用户打不出外线，可检查中继板及分机限制等级（Classof
25、RestrictionGroupAssignment）。 只有部分用户组，如长途、微波、市话等打不出，则要检查中继线及自动路由选择指定表和路由指定表。 拨打外线用户时经常听到说。没有这个号码。，或刚接通时能听到对方讲话，而对方要经过延迟几秒钟才能听见主叫讲话。则要检查中继线的极性是否按左正右负的方式连接到配线架。 当交换机与公网实行全自动连接时，则要检查PRI接口板、光纤及光端机。6.6 故障的预防和常见处理措施 加强日常维护管理维护人员上岗，每天应检查：机房环境温度及湿度情况；交、直流配电屏上的输入、输出电压，电流和频率等指示是否在正常运行范围内；备品、备件、工具、仪表是否齐全；通过终端，显
26、示一下系统各部分工作状况；了解系统有无告警及告警系统是否正常；测试系统的各种音源信号，如拨号、忙音、回铃音及铃流等； 预防软件故障措施操作人员严格按照操作手册使用终端，避免错误的命令或数据。随时保持冗余的磁带或磁盘信息的内容与系统内存信息的一致性。经过检查I/O设备是否正常，尤其对软盘驱动器或软盘的检查。经常检查分析故障资料，及时修改错误数据或补打人遗漏的数据。对用户使用话机和特种业务功能方法作好宣传工作，避免用户拍打叉簧和误操作。 严格维护管理制度为保证程控机房的科学化、制度化管理，应严格建立和执行维护管理制度。需要制定有关制度：程控机房管理制度；机务员值班制度；交接班制度；备品备件管理制度
27、；技术资料和原始记录管理制度；机房清洁卫生制度；安全保密制度。7.设计交换机软件系统VLSW 4150三层交换机的软件系统采用了模块化、分布式的设计方法，基于实时多任务操作系统。软件系统的结构呈层次结构，一层建立在另一层的基础上，每一层都使用近邻它的下一层所提供的服务，并且为它上面一层提供更高一级的服务，其优点是：可以向上层软件屏蔽底层操作，提高上层软件的可移植性，提高软件的可维护性。 如图7所示，软件大体分为三个层面： 7.1驱动层 驱动程序将上层软件和硬件系统进行了连接，把上层软件的路由更新、管理及配置命令转化为硬件系统所能识别的格式，从而达到更新其内部数据结构如路由表，地址表等，控制及管
28、理硬件交换系统的目的；同时设备驱动程序把底层硬件收到的路由更新报文、控制管理帧及收到的各种信息传递给上层软件处理； 7.2协议栈 实现了TCP/IP、802.1D和802.1Q等协议，为上层的应用程序提供良好的接口； 7.3应用层 主要包括路由模块和网管模块，路由模块实现了RIP和OSPF等协议，即实现第三层路由的主要功能；网管模块实现了SNMP和RMON等网管模块，使三层交换机具有部分网管功能，保证三层交换机更好地正常运转。 图7 软件结构 8.心得体会经过一星期的忙碌，本次课程设计已经接近尾声，由于经验的不足，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导教师的督促指导，以及一起努力的同学们的支
29、持，想要完成这个设计是几乎不可能的。 同时我也认识到了团结协作的重要性，团队中的每个人都是非常重要的，大家分工合作，一起查资料，一起努力，能取得事半功倍的效果。虽说每个人都有各自负责的模块（我主要负责的是处理器模块和用户模块及它们之间的通信的设计），但我们还是会一起讨论各个模块方案的可行性，集众人的力量，我们终于将这次的课程设计完成了。最后，深有感触的是，无论做什么事情，都不要把它想得很难，当我们勇敢迈出第一步，则说明成功了一半。这也是态度问题，态度决定一切，只有我们认真对待每一件事，并时刻想着一定要把它做好，才能真正做好它。还有，很多情况下，我们都是眼高手低，这是不行的，只有我们一步一个脚印的走好，才会从中获得新东西，才会有后面的路，才会走向成功。参考文献1交换技术，西安电子科技大学出版社，刘振霞等编著，2005-5。2现代交换原理（修订本），人民邮电出版社，桂海源编著，2005-5。3程控数字交换与交换网（第二版），北京邮电大学出版社，叶敏编著，2003-1。专心-专注-专业