基于ARM9263+WinCE6.0架构的九州前端控制器设计
作者   四川九州电子科技股份有限公司   工程师   林 虎

一、 引言：
HFC传输网络的监测与管理已经由网络运作的选择项目发展成必然的需求，因此，开发具有满足标准的、可靠的、稳定的高端产品已是市场的现实要求和必然的发展趋势。并且随做国家对三网融合技术的推广和HFC综合业务的开展，必将对HFC网络传输的可靠性、稳定性提出更高的要求。
目前，大部分传统HFC网络双向改造一般采用EPON、EOC和Cable modem回传方式，系统网络管理主要还是基于I类和II类应答器实现。因此，前端控制器（HE）的通信稳定可靠成为了系统的关键。为此，九州公司采用ARM9263+WinCE6.0架构开发了集协议转换功能和射频调制解调功能于一体的九州前端控制器STJR5/F2-A。

二、 系统概述
前端控制器是网管系统中的核心部件，在通信模式上是一个连接IP网络和HFC网络的网关设备，可以位于系统环路上的总前端和各个分前端。它集协议转换功能和射频调制解调功能于一体，向上提供基于SNMP/IP的以太网接口，向下提供射频接口。每个前端控制器都提供了一路下行射频输出接口和8路上行射频输入接口，调制和解调单元通过串口与ARM处理器进行通信，并且调制和解调单元内部CPU对数据进行了过滤，串口在接收到上下行信道中的数据CRC校验后才继续往下一级传送，校验不正确的包直接丢弃，从而保证了数据总线的隔离和高效。前面板的上、下行传输信号指示灯可以观察到设备的工作状况。
前端控制器主要实现设备注册管理、设备告警管理、SNMP报文转发以及信道频率、电平定时广播等功能。
1、 九州前端控制器设计
九州前端控制器选用了ARM9263高速微处理芯片。ARM9系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器，在高性能和低功耗特性方面提供了最佳的性能；为了能让用户有一个友好的界面配置管理，我们采用了在视窗性能占优势的WinCE6.0嵌入式操作系统；为了存储基本的数据信息，我们还采用了SQLce数据库技术。
1.1 MAC层数据的处理
MAC层负责和设备进行通信，它是整个系统数据收发的基础。
基于ARM9263芯片的网管板通过串口与调制和解调模块进行通信。串口的波特率为38.4K，通信效率高。如图1所示是国标一类网管协议模型。

(图1 协议模型)

在介绍MAC层的功能之前，我们先交代一下事务队列的管理。前端控制器MAC
层需要处理和转发的数据包我们称之为事务，处理过程称之为事务处理。事务的类型可以分为MAC层事务、SNMP事务、广播事务等。因此，为了避免多个事务并发处理的情况，我们需要建立一个专门的事务队列来管理每个事务。事物队列是MAC层数据处理线程和网络数据包捕获线程之间的数据交互纽带，如图2所示。串口通信我们采用的是半双工方式通信，一次只能处理一个事务，其他待处理事务只能加入队列中等待处理。MAC层事务由应答器（NE）产生，广播事务由主线程通过定时器产生，而SNMP报文事务由管理端软件发起产生。

(图2 事务产生过程)

MAC层的主要功能：
◆ 设备注册管理
前端控制器根据一类网管标准协议完成应答器的自定注册和相关的告警Trap处理，以及本机管理信息数据库的维护。
前端控制器为每一个被网管的一类设备分配了一个虚拟IP地址，并把这个虚拟IP地址提交给前端管理软件。前端控制器中保存了一个设备IP地址和MAC地址的映射表。考虑到实际工程中设备安装情况，前端控制器的设备信息配置管理有两种方式：一种是设备自动注册；另一种是用户手工录入，这个功能要求用户必须有管理员权限。
◆ 设备告警上传
I类设备的告警上传和II类设备告警上传不一样，I类设备告警上传必须按照MAC层协议规范来进行。先由应答器主动提出告警请求，再由前端控制发起会话，实现告警的上传。告警上传的目的IP地址是由用户配置。
◆ SNMP报文转发（包长包短，串口的动态超时设置）
SNMP报文是由管理端软件发起并加入到事务队列中的。SNMP报文有长有短，为了提高通信效率，MAC层采用了串口动态接收超时设置的方法，根据报文的长短，动态设置串口的接收超时。
◆ 系统广播
按照国标的要求，上、下行信道中心频率的设置都应避开强干扰信号。九州前端控
制器可以根据实际工程需要，管理和调节上、下行信道的工作频率以及工作电平。用户在管理界面上配置后特可以立即通过MAC层广播下去。
前端控制器会定时广播当前系统中使用的上、下行信道物理参数，使丢失信道参数的设备重新获得正确的信道参数。并且前端控制器也会定时广播当前系统时间，使整个系统的时间统一。
1.2 前端控制器网络数据包捕获技术的实现
网络数据包捕获技术的实现是系统数据收发的前提。
前端控制器支持两种应答器(NE)寻址方式：一种是通过独立IP地址直接寻址NE（透明
网关模式）；另一种是通过公用IP地址间接寻址NE（代理方式）。
在代理方式中，前端控制器充当了所有应答器的SNMP代理，客服管理端软件修改SNMP
报文中的共同体串（community string）为某个应答器的MAC地址，然后将SNMP报文直接发往前端控制器。前端控制器通过网络线程捕获到该SNMP报文，解析出包含于SNMP报文的共同体串中的设备MAC地址，交给MAC层进行处理。
   透明网关模式中，管理软件把每个NE都当做实际的IP设备来访问，此时前端控制器相
对于管理软件来说是透明的，这就要求前端控制器能捕获到管理软件发往应答器的所有SNMP报文。在WinCE6.0系统中我们采用了NDIS（中间层驱动程序）技术实现网络包的捕获。NDIS比原始套接字的功能还要强大，它位于网卡驱动程序和协议驱动程序之间，可以实现在MAC层的数据包捕获，原始套接字只能捕获到IP层。前端控制器经过对捕获到的数据包进行过滤，提交有效的SNMP报文到MAC层发送到应答器，最后通过IP欺骗，再由前端控制器将应答数据包发送到管理机。
1.3 数据库技术
数据库是系统中的基本信息配置中心。
前端控制器设备采用了最新版的SQLce3.5数据库来保存和配置设备IP地址与MAC地址映射表、管理机IP地址、设备IP地址分配规则信息、系统上下行频率、电平等信息。前端控制采用的是嵌入式操作系统，设备掉电后信息信息不会保存，所以采用数据库在存储基本信息是非常必要的。
1.4 频率、电平捷变管理
国标上的要求，上、下行信道中心频率的设置都应避开强干扰信号。九州前端控制器可以根据实际工程需要，管理和调节上行和下行信道的工作频率以及工作电平。
前端控制器会定时广播当前系统中使用的上、下行信道物理参数，使丢失信道参数的设备重新获得正确的信道参数。并且前端控制器也会定时广播当前系统时间，使整个系统的时间统一。
2、 前端控制器在九州HFC网管系统的运用
九州HFC网管系统结构按总前端-分前端模式布局，分前端可以独立的运行，获得的数据汇聚到总前端的数据库服务器上，如图3所示。九州前端控制器具有很好的实时性，它采用设备故障主动上报方式，反应速度可以保证。
前端控制器必须要有一个固定的IP地址。应答器（NE）的IP地址分配也有相应的规则，比如从10.1.17.1到10.1.17.100，一个100个可供分配的IP地址，实际的IP地址范围由工程的大小决定。
  管理端计算机的网关配置必须正确，网络中应答器（NE）的IP地址实际上是不存在的，在访问每个应答器时候，管理机不能在路由表中找到对应的IP地址，所以管理机将数据直接发往对应的作为网关的前端控制器上。

（图3  九州HFC网管系统结构图）

三、 九州前端控制器功能特点
1、遵循HFC网络设备管理系统规范（GB/T 20030 2005），同时兼容SCTE-HMS标准
2、采用ARM9263高速微处理芯片+WinCE6.0嵌入式操作系统，并采用了SQLce嵌入式数据库，系统稳定性好、可靠型高
3、采用双电源备份机制，确保设备长期有效运行
4、模块化设计，支持热插拔，安装方便、易于设置，便于功能扩展和系统升级
5、支持两种寻址方式：
◆通过独立IP地址直接寻址NE（代理方式）
◆通过公用IP地址间接寻址NE（透明网关模式）
6、友好的人机界面管理

(图4  九州前端控制器配置界面)

7、前端控制器具备本地和远程网管的能力

(图5  九州前端控制器Web界面-IP/MAC映射配置)

(图6  九州前端控制器Web界面-频率/电平设置)

管理软件可以把前端控制本身作为一个网管设备进行SNMP管理，通过第三方MIB
浏览器或是客服务管理软件都可以访问和控制。

四、 总结
本文从软件方面设计和实现了一个基于嵌入式WinCE6.0和ARM9263处理器平台的九
州前端控制器的实现。九州前端控制器满足国家最新网管标准要求，具有完备的功能，系统运行稳定、可靠。随做国家对三网融合的进一步推广，该产品也将在九州HFC网管系统中发挥更大的作用。