自动配线系统的开发及其应用前景

原创

gianttnt 2013-04-07 23:42:54 ©著作权

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一. 前言

综合布线系统也称为智能建筑的神经系统。多年来，布线系统的自动化一直为人们所期盼，综合布线的自动化也是发展的趋势。但是直到如今，我们使用的电子配线系统也不能被称为自动化系统，因为它仅仅只是一种端口使用状态的反映，并没有任何自动控制的机构设计；而且，当前我们综合布线所遇到的很多问题也无法得到解决，诸如：商业大厦综合布线系统的使用率低，网络安全系统的“半自动”状态，遇到报警，操作人员不得不跑去手工拔掉插头，没有远程控制的布线系统使得跨国公司必须设立简单而高成本的本地职位。自动配线系统的出现将极大地改变当前综合布线的发展状况，为综合布线系统开辟出一条崭新的发展途径。自动配线系统的产生将结束综合布线系统非智能和“假”智能时代，将综合布线系统与智能网络系统真正的结合了起来，是一次“智”的飞跃。也将是综合布线行业的一次飞跃发展机会。

当前，在智能化的自动配线方面，像以色列、美国等国家的厂商也不断摸索着推出了一些自动配线方面的产品，但是，实现的方式并不尽人意；实现的复杂程度和成本相对较高，结构的通用性也不高，将来的后期维护以及产品的简化发展方向也存在问题。本文在此推出的自动布线装置和管理方法，是一款通用结构的自动配线系统发明专利，它可以通过安装不同的连接器（铜缆接插件、光缆接插件等）和随动缆（随动铜缆、随动光缆等），实现以太网线（铜缆）的自动配线和光缆的自动配线。

二. 问题的提出

1．商业大厦综合布线利用率：

商业大厦在设计和建设初期，综合布线作为智能建筑的神经系统而必须被设计和建造。理想的应用模式应该是：大厦拥有完善的综合布线系统，并且构成完善的、可分割成许多具有安全边界的、独立的小块通信和局域网络系统，分别租赁给不同的、独立的租赁者租用，他们可以单独管理、控制和操作自己租赁的那一部分，并且这种操作相对其他租赁者来讲，被认为是安全的。这样的模式，既可充分利用现有资源，降低租赁者的网络、通信系统的投入和使用成本，又可以使得建设投资方能够回收投入的资本并创造利润。但是，当前的情况是这些综合布线系统建成以后的使用率往往很低，大部分入住的租赁者往往舍弃原有的信息插座，而趋向于自己重新投资建立独有的网络布线系统。而且后来的新租赁者往往重复前者的行为，重复投资。

究其原因，大部分入住的租赁者最担心的往往是综合布线以及网络通信系统的安全问题。当我们走入一间商业大厦的综合布线配线间时会发现很多让人担心的问题：

首先是配线间的管理。

现有的综合布线系统是一个无源的、不可控制的系统；它提供的操作方式只能是现场的插拔操作。每次跳线都要到现场操作。如果这个楼层的配线间具有2个以上的租赁者使用，对于每一个租赁用户都不会感到安全。

特别在有些商业大厦，大厦的业主也同在楼内办公，管理的模式更为复杂；比如：某个大型公司所建的大厦，自己公司使用几层，剩余的楼层全部出租；内部管理分为：网络部分由IT部门管理，电话系统由物业部门管理，另外还有资产管理部门；所有这些部门将都会拥有所有配线间的管理权、进入权。特别是IT部门和物业部门将不断地对这些布线进行调整维护。这种管理模式下，任何租赁者都不会感到安全。

因此，对于上述状况，任何租赁者放弃原有的综合布线系统是很正常、很自然的事情。这种资源的浪费已经成为当前商业大厦建设不得不付出的代价。

理想的模式，是提供一种可用的管理方式：对综合布线系统进行资源分割，只能进行远程限制性授权操作（即：每个租赁用户只能被授权控制属于自己的部分）。将配线间完全封闭，开启配线间进行现场操作将受到全体用户的共同监督和控制，这种操作成为一种非常受限制的复杂性为，并得到合同的法律条款保护。

2．网络安全自动化控制：

网络安全永远是一个热门话题,而当前的网络安全系统的发展方向，似乎也进入了一个瓶颈。

当前的网络安全系统分为入侵检测（IDS）和防御系统（IPS）。IDS属于旁路系统，寄生和潜伏于网络当中进行监听，发现入侵时，联动防火墙端口或者安装在PC上的客户端来阻断攻击源。IPS或NIPS （基于网络的入侵防御系统），是一种串接于网络链路上的包过滤系统，也基本上是目前的最高级形式；它是检查分析每一个通过的包，发现行为特征库所定义的入侵行为，就丢弃这类包。IPS/NIPS是以牺牲网络性能，依赖高性能的芯片的处理能力来不断提高其性能的，随着行为特征库的不断增大，越来越依赖高性的硬件芯片，成本也不断增加。

IDS是基于旁路的实时检测系统，它基本不占用应用网络带宽，并且能以低成本的方式运行；目前，各大防病毒软件厂商都可以低成本的方式实现。但是，IDS需要一个切实可行的自动阻断手段与之配套联动，才能真正发挥网络安全自动化的效果。

例如：当前的大部分IDS系统都是通过安装在PC等终端上的客户端进行远程控制的。中心检测服务器通过抓包分析，检测到某台PC终端（或终端类设备）在发出行为异常的包，或接收到这台终端上的客户端（如嗅探器、或探测器、或传感器）发出的入侵警报；服务器试图发出指令通过安装在这台终端上的客户端，关闭其本地网络连接来切断感染源时，却发现此客户端已经被木马或者病毒首先关闭，无法有效地阻断这台计算机终端的攻击；最终的结果就只能到现场手动关闭或者拔掉网络接口。如果攻击发生在无人值守时间，而且没有有效地、及时地通知IT管理员，损失可能将是严重的。通过SNMP协议控制以实现同样目的的交换机同样存在被侵入的漏洞威胁。

理想的模式，是提供一种能够被各大IDS厂商接受的联动设备，这种设备可以有效地在物理上将感染源终端从网络上切断并去除，有效地保护其它网络资源，时刻保持网络净化状态。

3．综合布线的远程自动化控制：

综合布线的自动化需求来自于各个方面，特别是在规模化的大型公司、商业大厦和园区。往往在这些具有规模的综合布线配线间内，随着时间的推移，跳线的凌乱往往是一个经常不可避免的结局。远距离的操作浪费了很多人力物力。还有一个概念就是“流动办公室”，特别是大型机构的销售部门，人员没有固定的席位导致这种资源时常变动。另外，园区的分散布线特征，特别是大中院校、大型工厂、大型油气田项目等，也使得远程控制配线的需求产生。

三.现状分析

1．综合布线当前发展方向的困境

当前的综合布线系统，在个人看来已经陷入“竞带宽”的胡同里面；各大厂商竞相推出更高带宽的综合布线产品。而当前最多的应用还是百兆桌面应用，基于千兆的桌面应用还远远没有达到像超五类铜缆那样的规模而全面进入低成本的展开时代；而更高等级的产品已经被各大厂商竞相投入开发。研发远远超前于应用。在配线管理方面，却只是停留在电子配线架上。电子配线架只能显示某些端口的使用状态，只是解决了档案管理、配线指导和端口状态监视（并不全面）等方面的某些问题；但并没有自动化的功能。而且，现有系统的这种简单的电子化改进，其成本上升并不低，对于任何一家最终用户来讲，花大价钱完成一个低水平的端口管理功能，它的性价比并不高。

2．综合布线厂商内部的组织机构

电子配线架的实现过程也凸现出综合布线厂商无法突破当前发展方向的缘由。例如：业内某家推出电子配线架的厂商，它的管理软件系统实际上是委托第三方公司合作开发的，而且这家软件开发公司后来也随之将此软件卖给了其他厂商。这说明综合布线当前发展方向的迷失，导致厂商内部没有设立从事这方面开发的部门或机构；然而，自动化系统却需要这样一个专业的研发部门来进行开发研究，这个部门需要具有软件、硬件共同开发的功能，才能实现自动化的综合布线系统产品。

3．DynaTrax系统

1995年，加拿大NORDX/CDT公司推出了业界认为是最高境界的DynaTrax系统，此系统是全方位的自动化产品，实现了远程控制等一系列功能。但是，此系统并没有像大家想象的那样发展下去，而只是昙花一现。究其原因，此系统完全采用电子化实现，采用矩阵电子交叉点芯片实现线路的切换；这一全电子化的工作方式与综合布线的工作方式完全背离；综合布线系统是一个完全无源的功能系统，在没有电源供给的状态下，其功能应该不受影响而能够完全实现物理链路的畅通；然而，DynaTrax系统在无源的状态下无法工作，甚至造成整个综合布线系统瘫痪，即便有UPS支持你的网络系统及设备，也可能无法工作，因为整个综合布线系统链路不通。另外，DynaTrax系统的启示也将自动化配线带入一个不可预知的方向。随着不断提高的带宽要求，芯片PCB布线的串扰问题也愈来愈严重，集成规模不断增大才能满足基本的需要，成本将极度地增加，最终可能走入一个无法实现的境地。

4．机械开关模式

也有某些公司曾经试图利用基于类似机械开关模式的MEMS开关来实现自动配线。但是，综合布线系统应用更多的场合是以太网传输；以太网传输属于超高频、甚高频传输领域，对开关、接头的要求条件很高；在以太网传输链路上，线路特性电阻的任意变化都将带来大量的回波损耗，导致信号接收末端失真不可辨认。基于多刀多掷原理的MEMS开关只能应用于几十兆的低频链路，而且，以开关的模式来构建配线链路，其规模也是一个大问题；比如：1个24路配线系统，其矩阵构成节点将为：24x24=576个，每个节点需要支持8条链路（网线至少为8芯线缆，有的电子配线架用的专用网线为9芯）；以这种方式构成的配线结构也将是规模化的，这将带来很多可靠性方面的问题，研发和制造成本不可忽视。

四.解决途径和方法

既然综合布线系统属于无源工作系统，那么，在自动化设计中就要保证其前端链路部分工作于无源状态，在保持前端链路不变的情况下来实施自动化操作。采用类似机械手方式的自动化操作，实现原有链路按指令对接的方式是最为有效和切实可行的。利用嵌入式系统控制机械对接机构，将布线系统的配线设备实现自动化，有效地解决了当前综合布线系统所遇到的诸多问题：

1．综合布线的远程自动化控制：

嵌入式系统可以支持WEB服务器提供一个远程可操作用户界面，这一界面可以进行互操作，将执行指令通过网络回传给嵌入式系统，由嵌入式系统将指令进行逻辑判断和转换，并编译成机械机构所能识别的指令，驱动机械机构进行对接操作。这一过程实现了系统的远程控制。当然，在远程控制中，合法身份认证过程也是必要的，嵌入式系统同样可以提供这一认证模块实现安全的网络化远程管理。

2．网络安全自动化：

作为网络安全监控的入侵检测系统（IDS）是当前最为普及的一个廉价网络安全系统，但是它缺乏执行关断网络的手段而面临众议以及网络防御系统（IPS）的替代。但是，网络防御系统（IPS）的高成本特性，以及其极度依赖硬件的发展瓶颈使得其市场占有率显得不高。

具有嵌入式系统的自动化配线系统可以提供有效地支持。嵌入式系统可以提供开放的网络管理接口（SNMP协议接口）或者更加安全的厂商私有协议接口，或者采用×××接口与这些网络安全监控系统进行连接，接收其指令执行网络接口的开关动作，实现安全闸门的功能，或者叫做“以太网物理开关”的功能。另外，最为纯净的方式是构建一个独立的网络管理网，与运营网络隔离；入侵检测系统（IDS）服务器采用双网卡运行，横跨两个网络，一端潜伏监视运营网络，一端控制管理网络，在管理网络发送指令控制以太网开关，真正做到网络管理的安全自动化。

3．商业大厦综合布线系统利用率：

嵌入式系统可以提供一个远程管理界面给用户进行互操作。这一界面可以屏蔽原有资源的实际状况，形成一个“虚拟资源”系统。这一虚拟资源系统可以将实际资源进行分割，派发给不同的用户。而最终用户所获得的实际可操控资源是被限定在其有效权限之内的，这种权限可以在合同条款中被规定并在系统中被分配。采用虚拟资源进行分配现有实际资源的方法，省去了现场操作的不安全因素，在现场设备被“封存”的状态下，实际端口资源可以被重新再分配、再操作，配线间的安全可以被有效地得到保证。在网络设备分配上，可以整台交换机租赁或者利用虚拟网VLan划分等方式进行分配（实际每个正规的公司，自身还有“域”的管理模式，这也是自身的安全边界）；这种运作方式，可以完全改变商业大厦综合布线资源现有的使用方式和管理模式。这使得用户（租赁方）和管理者（物业公司或其他管理部门）之间可以形成一种管理契约，首先切实保证配线间被安全“封存”的前提下，租赁使用综合布线资源和网络交换资源，包括外部通信资源（语音、数据和视频等接入接口），对于租赁者来讲，总归租赁费用要比重建一个相同的系统便宜得多；对于业主来讲，系统的可租赁性，使得投入的成本具有一个可回收、创利的途径，其投资就是有价值的。从宏观来看，社会资源得到充分利用和节约。关于网络设备安全，其实，ＶＬＡＮ技术早已是成熟应用的技术，甚至将整台交换机单独租赁给一个独立的单位也是切实可行的。

采用具有嵌入式系统的自动化配线系统和以上虚拟资源管理方法，可以有效地解决当前商业大厦综合布线使用率不高的问题，为节省资源和回收投资开辟了一条新的途径。

五.产品的设计

经过多年的研究设计，构想最终以发明专利的形式固定下来。以下是设计原理。

（１）结构原理

下面提供一种简单的结构进行原理性说明（本结构只用于原理性说明，并不代表产品最终商业模式）。如图所示：

本图只示意性地画出两路用于说明。首先，用于对接的两端，其各自的接插件运动轨迹在不同的工作层面上，这样就保证了他们之间的运动永远不会产生“撞车”现象。在这两个工作层面之间，形成一个层面，这是专门用于“撞车”的对接层面。如下图所示：

对接层面是用于接插件进行对接的层面，在这个层面上，需要连接的链路将接插件在交汇处进行对接。下面是对接原理示意图：

（2）工作原理：

工作原理如下图所示：

解释如下：

网络接口

此网络接口连接局域网（可以是管理专网或者企业的局域网），通过局域网与远程管理主机通信，接收远程管理主机的信息。

协议转换

可以采用开放的ＳＮＭＰ协议，也可以采用更加安全的私有协议或者ＶＰＮ进行通信。

授权认证

限制非法用户登录，授权合法用户登陆。

逻辑控制

对操作逻辑进行控制，以防操作紊乱损坏设备。

指令转换

将操作指令编译成控制机构识别的指令，进行控制。

控制驱动

将指令执行，驱动机械机构动作，完成线路对接任务。

机械执行机构

执行指令，挟持线路两端的接插件进行对接到位。

接插件

可以采用成熟的类似ＲＪ－４５水晶头和模块的接插件、各种类似光纤耦合插件的器件，也可以自行设计可以达到标准要求的接插件对接系统。

（3）传输性能：

A. 铜缆系统：

图A是ANSI/TIA/EIA-568-B铜缆全链路以及永久链路原图以及配线架连接方式，图B说明了我们的铜缆自动配线系统在永久链路中所处的位置以及连接方式：

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比较两图，可以发现我们的自动配线系统取代了原有的配线架（Cross-Connect），在连接方式中增加了一级110打线连接。增加的这一级110打线不可避免的会造成链路损耗的增加，从表面看来，必然使得原先的链路指标下降。仔细研究原系统中的接插件会发现，RJ45接插件在原有设计中，考虑到了很多在安装上的便利性，而这些便利性的设计是牺牲了线路性能获得的。比如适合于操作的“轧接”方式及其结构，会增加整个线路在这里的损耗，

我们知道，综合布线的端接方式有多种，像RJ类接插件对接（如常用的有：RJ-11/RJ-12/RJ-45/RJ-48），110打线端接。其中，110打线端接对信号造成的综合损耗是最小的。而补偿这一线路损失的方式却具有多样性。比如：设备内部设计采用高性能的接插件，改善接插件的结构。因为在自动配线系统中，它将是在工厂阶段被安装的，在工厂的条件下，可以采用复杂的手段组装这种产品部件，RJ45接插件是需要在售后被接入链路，是需要简单有效手段和可操作的一种部件产品。自动配线系统内部的随动线缆，设计采用高性能的具有“粘连结构”的传输线缆，这种线缆可以保持线缆在运动中保持线芯之间的距离，从而保证了“特性阻抗”的一致性。还有其它很多的线路补偿手段在未来开发中可以用到。所有这些补偿方式都是用来补偿增加这一级110打线所造成的微小损耗和提高整个自动配线系统传输性能的手段，这也正是自动配线系统将来的发展空间和研发方向之一。

B. 光纤系统：

对于光纤综合布线系统，这是未来的发展趋势。图C是光纤结构综合布线原图和连接方式，图D是自动配线系统在光纤结构综合布线系统中的位置和连接方式。

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对比两个图例可以看出：自动配线系统的性能将优越于原系统，因为采用直接熔接的方式减少一级接插件造成的线路衰减和损耗要远小于接插件造成的损耗。而且，与铜缆系统相似，在专用光纤接插件的开发和设计上，也是光纤自动配线系统将来的发展空间和研发方向之一。

六.市场展望

根据综合布线行业权威技术组织中国综合布线工作组(CTEAM)正式公开发布的《2011年中国综合布线市场发展报告》，2011年国内综合布线市场总体规模为46亿元人民币。根据经验，配线架在综合布线系统的销售额大约占10%左右，以此推断，2011年国内配线架销售额大约为4.6亿元人民币，按照24口配线架估计平均售价300元/件计算，大约为153万件。自动配线系统初期，假设按照2011年市场额，初期发展目标，按照市场占有率的千分之五计算，就可达到7600件左右。但其附加值将远高于“傻”配线架。这只是千分之五的起步阶段目标。综合布线系统的自动化作为未来发展的趋势，自动配线系统的发展前景将是非常乐观的，空间巨大。

七.发展方向

自动配线系统在未来的发展，将注重实用性、可靠性、开放性、耐用性以及高性能和多用途性等诸多方面，现可以探讨的几个方面如下：

1. 自动化系统结构

其分为软、硬件两个部分。其中，硬件部分包括机械结构以及嵌入式控制系统；机械部分是用于实现挟持线缆对接的机构，其在传动方式、挟持结构等方面的优化等都是有待进一步开发的方向；根据不同的接插件和线缆（铜缆系统和光纤系统等），优化传动和挟持机构，是将来开发的重点。嵌入式控制系统可以根据系统功能的数量选择不同数量级的控制输入/输出接口以及内部控制芯片，在优化系统方面也大有可为。其次，软件系统部分包括操作界面、系统认证、内部安全驱动和逻辑控制管理等，都是优化发展的方向。

2. 接插件和内部传输线缆的开发

此部分涉及到传输理论的研究，这方面的开发更涉及到未来系统端口密度的提高，以及整个系统整合方面的问题；体积小、性能高的接插件和更加适合执行机构携带运动的高性能、抗疲劳的专用线缆都是未来发展的方向。

3. 辅助功能开发

自动配线系统的应用，完全改变了当前配线系统的应用方式，对于自动配线系统的应用，必须兼容当前应用的功能需求，比如：系统端口档案的自动生成、配线端口状态监控、故障告警、当前状态显示、记录与端口状态恢复、排错指导和端口布局在CAD图纸上的直观显示等等一系列辅助功能，都是未来自动配线系统的开发方向。

4. 网络安全

自动配线系统的多项功能之一就是充当网络物理开关。与多杀毒软件厂商、IDS厂商或者网络安全厂商之间的对接将是一大共赢的发展方向。虽然可以采用诸如SNMP这样的开放协议接口，但是，在很多场合针对某一厂商的专有接口协议将是更加安全的选择。另外，提供×××连接、系统授权认证、机构开关动作执行时间、灵敏度控制、误报率控制和报警发送等等诸多方面都是未来开发的方向。