鐵路IP數(shù)據(jù)網(wǎng)優(yōu)化方案探討

馮克立 張春德

馮克立:北京鐵路局北京通信段 工程師 100069 北京

張春德:北京鐵路局北京通信段 工程師 100069 北京

鐵路IP數(shù)據(jù)網(wǎng)可以分為專用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)和共用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)，其中涉及鐵路運(yùn)輸安全控制、財(cái)務(wù)往來的使用專用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)，其他業(yè)務(wù)使用共用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)。本文探討的優(yōu)化方案內(nèi)容適用于專用網(wǎng)和共用網(wǎng)。如無特別說明以下鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)均指鐵路IP數(shù)據(jù)網(wǎng)。

1 既有網(wǎng)絡(luò)分析

既有北京通信段京九線霸州—邢家村段數(shù)據(jù)網(wǎng)為鏈狀結(jié)構(gòu) (圖1)，全部站點(diǎn)均通過單鏈路連接至衡水站，其中河間西站和王佐站到達(dá)衡水站需要經(jīng)過肅寧、大官亭、饒陽、深州和邢家村，路由共計(jì)6跳，跳數(shù)過大，且無冗余和環(huán)保護(hù)功能，匯聚節(jié)點(diǎn)衡水站為單核心配置，一旦鏈狀結(jié)構(gòu)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)中斷，或匯聚站點(diǎn)設(shè)備故障，將影響到中斷節(jié)點(diǎn)以遠(yuǎn)的所有站或衡水全部站點(diǎn)的應(yīng)用業(yè)務(wù)。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量的累計(jì)，鏈狀節(jié)點(diǎn)的末端節(jié)點(diǎn)將承受較大的流量壓力。該種組網(wǎng)方案存在明顯技術(shù)缺陷，有嚴(yán)重的安全隱患。

圖1 既有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

經(jīng)過實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，京九線鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)各小站到達(dá)衡水站全部配置為靜態(tài)路由，不具備自動(dòng)倒換功能，網(wǎng)絡(luò)抗災(zāi)能力較低，一旦網(wǎng)路出現(xiàn)異常情況，需要手動(dòng)修改路由，路由條目較多時(shí)，給實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作帶來極大困難。

2 鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)優(yōu)化原則

鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)是構(gòu)建高安全性和高效率的全業(yè)務(wù)一體化IP專網(wǎng)平臺(tái)，為此在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中采用如下原則。

1．高可靠性:應(yīng)合理設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，制定可靠的網(wǎng)絡(luò)備份策略，保證網(wǎng)絡(luò)具有故障自愈的能力，最大限度地保證整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到高可靠性要求。

2．可擴(kuò)展性:設(shè)備選型中除了考慮本期工程要求外，要對網(wǎng)絡(luò)的今后發(fā)展有所預(yù)見，設(shè)備要有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，充分保護(hù)本期投資，滿足未來核心節(jié)點(diǎn)對鏈路帶寬和網(wǎng)絡(luò)容量的擴(kuò)充要求。

3．可維護(hù)性:全方位管理提高維護(hù)效率，減少網(wǎng)絡(luò)維護(hù)難度，縮減日常運(yùn)維工作量，降低運(yùn)維成本，多種業(yè)務(wù)網(wǎng)管可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速部署和監(jiān)控。

4．可管理性:整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)易于管理和維護(hù)，操作簡單、易學(xué)、易用，系統(tǒng)配置容易，在設(shè)備安全性、數(shù)據(jù)流量、性能等方面得到很好的監(jiān)視和控制，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和故障診斷。

為了節(jié)省資金，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮用戶原有設(shè)備的利舊和改造，從而保護(hù)原有投資。

3 設(shè)備端口描述原則

要求設(shè)備互聯(lián)端口的描述 (description)必須包括對端設(shè)備，如果有多種業(yè)務(wù)還需要包括接入的業(yè)務(wù)類型，可以在對端設(shè)備名稱之后標(biāo)明，不作統(tǒng)一格式要求。對于各單位設(shè)備的下聯(lián)端口，需要在業(yè)務(wù)接入端口描述所接設(shè)備，如果還需要描述接入的業(yè)務(wù)類型，可以在對端設(shè)備名稱之后標(biāo)明，不作統(tǒng)一格式要求。

4 IP地址規(guī)劃原則

4.1 IP地址分配原則

IP地址空間分配要與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵哟谓Y(jié)構(gòu)相適應(yīng)，既要有效地利用地址空間，又要體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和靈活性，同時(shí)能滿足路由協(xié)議的要求，以便于網(wǎng)絡(luò)中的路由聚類，降低路由器中路由表的長度，減少對路由器CPU、內(nèi)存的消耗，提高路由算法的效率，加快路由變化的收斂速度，同時(shí)還要考慮網(wǎng)絡(luò)地址的可管理性。具體分配要遵循以下原則。

1．連續(xù)性:IP地址的連續(xù)性有利于路由的聚合，尤其是在目前的分層網(wǎng)絡(luò)中，能極大地縮減路由表的規(guī)模，有利于QoS的部署。

2．業(yè)務(wù)相關(guān)性:同種業(yè)務(wù)的IP地址盡量在一個(gè)地址段中，便于業(yè)務(wù)的控制。

3．?dāng)U展性:IP地址規(guī)劃時(shí)有一定預(yù)留，便于在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展時(shí)能延續(xù)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性。

4．節(jié)約性:目前公眾互聯(lián)網(wǎng)IP地址非常寶貴，IP地址的分配必須采用VLSM技術(shù)，規(guī)劃時(shí)應(yīng)盡量節(jié)約地址。

4.2 設(shè)備IP地址的規(guī)劃

京九鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)地址規(guī)劃共有3部分:設(shè)備Loopback地址、設(shè)備互聯(lián)IP地址和用戶網(wǎng)段地址。由于系統(tǒng)內(nèi)部IP地址要求統(tǒng)一規(guī)劃，為了避免給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用帶來過多的變動(dòng)和困難，應(yīng)盡量維持原有規(guī)劃方式。

1．Loopback地址:如果原規(guī)劃已有分配，優(yōu)先沿用原規(guī)劃或經(jīng)優(yōu)化后使用;否則根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部地址劃分原則，拿出單獨(dú)網(wǎng)段用于loopback接口地址。總體原則是采用全32位掩碼方式，并且配置在設(shè)備的loopback 0接口上，地址分配盡量保持連續(xù)并預(yù)留一定數(shù)量的備用擴(kuò)展地址。

2．設(shè)備互聯(lián)地址:如原有規(guī)劃中已有分配，則優(yōu)先沿用原有規(guī)劃或經(jīng)優(yōu)化后使用;如果沒有則根據(jù)該系統(tǒng)內(nèi)部地址劃分原則，拿出單獨(dú)網(wǎng)段用于接口互聯(lián)地址。設(shè)備間端口互聯(lián)IP地址統(tǒng)一使用30位掩碼網(wǎng)段，地址分配盡量保持連續(xù)并預(yù)留一定數(shù)量的備用擴(kuò)展地址。

3．用戶網(wǎng)絡(luò)地址:如原有規(guī)劃中已有分配，則優(yōu)先沿用原有規(guī)劃或經(jīng)優(yōu)化后使用;如果沒有則根據(jù)該系統(tǒng)內(nèi)部地址劃分原則進(jìn)行合理分配。分配需充分考慮可用地址總量、節(jié)點(diǎn)接入用戶數(shù)量，原則上各用戶網(wǎng)段地址除滿足需求外，需保留一定預(yù)留擴(kuò)充地址。

4.3 業(yè)務(wù)IP地址的規(guī)劃建議

1．互聯(lián)網(wǎng)大客戶地址:應(yīng)為其分配公有IP地址，其局域網(wǎng)內(nèi)部一般使用私有地址，地址的轉(zhuǎn)換一般也由企業(yè)用戶自己處理，建議采用單獨(dú)地址段進(jìn)行劃分。

2．互聯(lián)網(wǎng)個(gè)人用戶地址:建議通過動(dòng)態(tài)的方式給互聯(lián)網(wǎng)個(gè)人用戶分配地址，并有相應(yīng)的日志服務(wù)器，記錄個(gè)人用戶地址分配情況，建議采用單獨(dú)地址段進(jìn)行劃分。

3．大客戶VPN用戶內(nèi)部地址:一般大客戶自己內(nèi)部分配私有IP地址段，建議大客戶CE(Customer Edge)到運(yùn)營商PE(Provider Edge Router)的路由是經(jīng)過匯聚的，減輕PE的設(shè)備壓力。

4．運(yùn)營商自有VPN業(yè)務(wù)地址:如DCN做為一個(gè)VPN接入到城域網(wǎng)中，一般由運(yùn)營商自己內(nèi)部分配私有或公有IP地址段?？紤]到私有IP地址段比較豐富，建議每個(gè)VPN業(yè)務(wù)單獨(dú)劃分IP地址段，同時(shí)CE到運(yùn)營商PE的路由是經(jīng)過匯聚的，減輕PE的設(shè)備壓力。MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，CE為直接與服務(wù)提供商相連的用戶設(shè)備;PE為骨干網(wǎng)上的邊緣路由器，與CE相連，主要負(fù)責(zé)VPN業(yè)務(wù)接入;P為骨干網(wǎng)上的核心路由器，主要完成路由和快速轉(zhuǎn)發(fā)功能。

5 路由協(xié)議優(yōu)化原則

5.1 路由部署總體方案

京九線鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)采用IGP+EGP分離的2層路由結(jié)構(gòu)，2種路由協(xié)議各司其職，具體功能如下。

1．外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議 (EGP)。選擇BGP-4，運(yùn)行于全網(wǎng)核心、匯聚和接入路由器上。其中，全省2臺(tái)NE80核心路由器和各接入點(diǎn)AR4640路由器之間建立EBGP鄰居關(guān)系，負(fù)責(zé)路由信息傳遞，即完成本網(wǎng)與外部互聯(lián)網(wǎng)的路由信息交互。全省2臺(tái)NE80核心路由器兼做RR和VPN RR，專網(wǎng)核心路由器和各接入AR4640之間建立MP-IBGP鄰居關(guān)系，MP-IBGP負(fù)責(zé)VPN路由信息在本網(wǎng)內(nèi)部的交互。

2．內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議 (IGP)。為保證IGP的穩(wěn)定性，IGP不負(fù)責(zé)傳遞業(yè)務(wù)路由，只負(fù)責(zé)傳遞鏈路路由和實(shí)現(xiàn)BGP next hop的可達(dá)性，用來建立本網(wǎng)內(nèi)所有路由器之間的路徑，確保路徑的暢通和可靠。用戶路由、VPN路由和外部路由都不注入IGP，不參加SPF運(yùn)算。這樣，全網(wǎng)的流量控制平面和流量轉(zhuǎn)發(fā)平面將相互分離，通過內(nèi)外路由協(xié)議配合完成，形成靈活高效的流量調(diào)度機(jī)制，保障業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中的高品質(zhì)傳送。

圖2 MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

5.2 IGP整體路由優(yōu)化方案

隨著路由器處理能力的大幅提高，IGP+EGP路由結(jié)構(gòu)的使用，大多數(shù)運(yùn)營商將IGP從多區(qū)域分級結(jié)構(gòu)改為單區(qū)域平面結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)簡化了管理和運(yùn)維工作，為離線計(jì)算提供簡單的網(wǎng)絡(luò)模型，能夠容易預(yù)測路由，便于通過調(diào)節(jié)cost/metric值來實(shí)施流量工程。而且隨著MPLS業(yè)務(wù)需求的增加，平面結(jié)構(gòu)的IGP更符合MPLS及MPLS TE的技術(shù)要求。全網(wǎng)內(nèi)的IGP路由將根據(jù)路由器的數(shù)量和互聯(lián)線路的數(shù)量決定，這一數(shù)量非常少且是可知的，有助于網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)的快速收斂。

5.3 IGP路由協(xié)議的選擇

目前，可以用于大規(guī)模的城域網(wǎng)同時(shí)又基于標(biāo)準(zhǔn)IGP的路由協(xié)議有OSPF和IS-IS。2種路由協(xié)議均是基于鏈路狀態(tài)計(jì)算最短路徑路由協(xié)議，采用同一種最短路徑算法 (Dijkstra)，實(shí)現(xiàn)方法、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上均相似，在大型城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中都有成功案例。OSPF用于IP，IS-IS用于ISO的CLNP，也支持IP(集成IS-IS);IS-IS結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，不支持NBMA等網(wǎng)絡(luò)類型，OSPF組網(wǎng)更加靈活，對不同的組網(wǎng)需求體現(xiàn)更好的適應(yīng)性;IS-IS占用網(wǎng)絡(luò)資源相對較少，支持網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大于OSPF，在網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)龐大時(shí)能體現(xiàn)出優(yōu)勢;從實(shí)際情況看，運(yùn)行OSPF和IS-IS對IP城域網(wǎng)建設(shè)的差異不大;對于網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)充性，2種協(xié)議都能很好地支持;在大型城域網(wǎng)中，IS-IS與OSPF二者均獲得普遍應(yīng)用;對于網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)充性，OSPF、IS-IS協(xié)議也都能很好地支持。綜合考慮京九數(shù)據(jù)專用網(wǎng)目前的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和承載業(yè)務(wù)，采用OSPF能很好的支持。

5.4 BGP協(xié)議部署

BGP協(xié)議在全網(wǎng)負(fù)責(zé)承載用戶路由和業(yè)務(wù)路由。不同于傳統(tǒng)的Internet骨干網(wǎng)，BGP只負(fù)責(zé)傳遞業(yè)務(wù)路由信息，不負(fù)責(zé)傳遞鏈路路由和環(huán)回路由信息;網(wǎng)絡(luò)核心的轉(zhuǎn)發(fā)層面路由器盡量少配置ACL，安全策略均在網(wǎng)絡(luò)邊緣業(yè)務(wù)層面設(shè)備配置和部署;部署B(yǎng)GP路由反射器和VPN的路由反射器，用于BGP路由交換的集中控制，同時(shí)提高擴(kuò)展性。

6 制定優(yōu)化方案并實(shí)施

6.1 制定優(yōu)化方案

1．改變京九線霸州—邢家村段數(shù)據(jù)網(wǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙歸屬迂回保護(hù)路由功能。

2．對原匯聚核心設(shè)備的升級，實(shí)現(xiàn)設(shè)備冗余保護(hù)要求。

3．將既有數(shù)據(jù)網(wǎng)管進(jìn)行升級，提高全網(wǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)控管理能力。

割接準(zhǔn)備工作，首先是鏈路資源的準(zhǔn)備。經(jīng)過調(diào)查京九線有2套不同傳輸徑路的傳輸系統(tǒng)，簡稱京九傳輸Ⅰ系統(tǒng)和Ⅱ系統(tǒng)。本次優(yōu)化撤除電路7條，京九傳輸Ⅰ系統(tǒng)新增2 Mb/s電路6條，京九傳輸Ⅱ系統(tǒng)新增2 Mb/s傳輸電路10條，合計(jì)新增2 Mb/s傳輸電路16條。

既有數(shù)據(jù)網(wǎng)的鏈路采用2 Mb/s電路連接，由既有的京九傳輸Ⅰ系統(tǒng)承載。改造后的網(wǎng)絡(luò)鏈路仍采用2 Mb/s電路，為施工便利，接入到NE20-1的鏈路由既有京九傳輸Ⅰ系統(tǒng)承載，而接入NE20-2的鏈路全部由京九傳輸Ⅱ系統(tǒng)承載，以提高安全性和穩(wěn)定性。

鏈路互聯(lián)IP地址的提前規(guī)劃，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)IP地址分析和檢查，保證和原有設(shè)備配置無沖突。

6.2 方案實(shí)施

以河間西為例，其他類似，操作步驟如下。

1．按鏈路資源準(zhǔn)備表調(diào)通河間西割接需要的2條上行鏈路，并使用ping命令測試合格。

2．衡水NE20-2上添加相關(guān)業(yè)務(wù)VPN實(shí)例，并在衡水2臺(tái)NE20之間鏈路上啟用MPLS。

3．在河間西和衡水2臺(tái)NE20的鏈路之間啟用MPLS協(xié)議和OSPF協(xié)議。

4．關(guān)閉河間西至肅寧的2 Mb/s鏈路端口，刪除河間西至肅寧原接口上的IP，刪除原無用的靜態(tài)路由數(shù)據(jù)。

5．進(jìn)行業(yè)務(wù)的測試，將河間西其中一條上行斷開，測試業(yè)務(wù)正常通過另一條上行傳輸。

優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

7 京九線鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)優(yōu)化后的效果

從圖3可以看出，優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)各小站均有直達(dá)鏈路分別連接至衡水站NE20-1和NE20-2路由器，衡水站2臺(tái)路由器之間有心跳連接。以河間西為例，如果河間西至衡水NE20-1路由器鏈路中斷，其業(yè)務(wù)可以通過配置的OSPF協(xié)議自動(dòng)將路由切換至河間西直達(dá)衡水NE20-2間的路由;如果衡水站任意一臺(tái)NE20路由器故障，業(yè)務(wù)也可以自動(dòng)倒換至另一臺(tái)路由器，不影響終端用戶的使用。

通過對京九數(shù)據(jù)網(wǎng)優(yōu)化，減少了各小站連接至衡水匯聚路由器的路由跳數(shù)，由最多6跳減少到直達(dá)鏈路的1跳，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，解決既有網(wǎng)絡(luò)的安全隱患，有效提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性和使用效率。優(yōu)化前、后網(wǎng)絡(luò)情況對比如表1所示。

本方案的實(shí)施改變了原京九線霸州—邢家村段數(shù)據(jù)網(wǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)具備雙歸屬迂回保護(hù)路由，且具備衡水地市匯聚核心設(shè)備冗余雙保護(hù)。同時(shí)對網(wǎng)管的綜合能力有了明顯的提升。隨著本次優(yōu)化的順利完成，大大增強(qiáng)了京九線各機(jī)房接入的可靠性和數(shù)據(jù)網(wǎng)運(yùn)行的安全性，為后期的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展打下基礎(chǔ)，并對管內(nèi)其他區(qū)段升級提供冗余，從而提高了設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性。并且以該鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)為基礎(chǔ)，先后開通了石家莊電務(wù)段會(huì)議電視系統(tǒng)，石德線、石太線、京九線和京廣線的信號(hào)微機(jī)監(jiān)測和辦公網(wǎng)系統(tǒng)，以及京九線電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、小站機(jī)房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和紅外線系統(tǒng)接入等業(yè)務(wù)。該方案為其他鐵路線進(jìn)行類似優(yōu)化提供依據(jù)，為鐵路的信息化發(fā)展提供了新的空間和平臺(tái)，若在全局應(yīng)用，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

表1 優(yōu)化前和優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)情況對比

［1］ 中華人民共和國鐵道部.鐵信息【2005】4號(hào).鐵路信息化總體規(guī)劃［S］ .2005．

［2］ 中華人民共和國鐵道部.鐵科技【2004】78號(hào).鐵路主要技術(shù)政策［S］ .2004．

［3］ 中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)【2002】45號(hào).鐵路運(yùn)輸管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］ .2002．

［4］ 中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部.YD/T 1097－2001.路由器設(shè)備技術(shù)規(guī)范-高端路由器［S］ .2001．

［5］ 中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部.YD/T 1162．1－2001.多協(xié)議標(biāo)記交換(MPLS)總體技術(shù)要求［S］ .2001.

［6］ 中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部.YD/T 1170－2001.IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求－網(wǎng)絡(luò)總體［S］ .2001.