光網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信在軌道交通中的應(yīng)用

王可佳 鐘輝

沈陽(yáng)建筑大學(xué) （沈陽(yáng) 110168）

0 概述

內(nèi)嵌RPR的傳輸網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)雖然克服了Ethernet Over SDH的trunk方向死板、組網(wǎng)不靈活、以及帶寬不可動(dòng)態(tài)回收等問(wèn)題。但是伴隨而來(lái)的是內(nèi)嵌RPR技術(shù)的固有缺陷，如：同一RPR模塊只能屬于同一RPR環(huán)網(wǎng)、不同的RPR環(huán)無(wú)法利用交叉資源進(jìn)行對(duì)接、與數(shù)據(jù)設(shè)備連接將產(chǎn)生2層環(huán)路等。

1 內(nèi)嵌RPR的技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)內(nèi)嵌RPR技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)與軌道交通專用通信上層系統(tǒng)的業(yè)務(wù)，RPR的使用方式主要為：

根據(jù)業(yè)務(wù)的需求，建立2套R(shí)PR環(huán)網(wǎng)作為需要主備通道的業(yè)務(wù)承載，2套環(huán)網(wǎng)根據(jù)業(yè)務(wù)的主備關(guān)系采用相同的機(jī)制。

將整個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)邏輯上建立為1個(gè)RPR環(huán)，該環(huán)網(wǎng)承載所有的上層業(yè)務(wù)。

1、2兩種情況混合使用。即根據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)際需求及硬件條件，規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)時(shí)混合使用兩種模式。

綜合上述情況：

第一種方式可以有效的將主備業(yè)務(wù)分模塊運(yùn)行，且可以對(duì)運(yùn)行備用業(yè)務(wù)的網(wǎng)采用高彈性(全部參與帶寬搶占公平算法)的方式。這樣可以帶來(lái)主備分模塊運(yùn)行且備網(wǎng)帶寬浪費(fèi)降低的優(yōu)點(diǎn)，但是在帶寬利用要求比較高的情況下，會(huì)出現(xiàn)剩余的帶寬無(wú)法組合利用。

第二種方式在需要主備業(yè)務(wù)分模塊運(yùn)行時(shí)，需要將主備模塊全部映射到同一個(gè)RPR網(wǎng)絡(luò)中，雖然可以達(dá)到主備分開(kāi)運(yùn)行的效果，但是擴(kuò)大了RPR的環(huán)網(wǎng)規(guī)模，增加了開(kāi)通難度和維護(hù)成本，且當(dāng)一個(gè)模塊出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，保護(hù)倒換將是全網(wǎng)級(jí)別的。當(dāng)不同的兩個(gè)站點(diǎn)各損壞了一個(gè)主模塊和一個(gè)備模塊，會(huì)有至少1個(gè)站點(diǎn)發(fā)生業(yè)務(wù)癱瘓。

第三種方式則是根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)業(yè)務(wù)種類進(jìn)行劃分、帶寬進(jìn)行計(jì)算后的一種綜合型規(guī)劃。及重要業(yè)務(wù)采用第一種網(wǎng)絡(luò)方式，而一般業(yè)務(wù)采用第二種網(wǎng)絡(luò)方式。這種組網(wǎng)需要仔細(xì)的分析業(yè)務(wù)和計(jì)算帶寬，并且對(duì)于每個(gè)站點(diǎn)的MSTP設(shè)備，均需要配置不少于3個(gè)的RPR模塊。

2 數(shù)據(jù)網(wǎng)與內(nèi)嵌RPR的光網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用

上述方式均可作為軌道交通各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)承載方式。但基于上層需求的承載方式的不同。內(nèi)嵌RPR的MSTP設(shè)備開(kāi)發(fā)并支持了2種以太網(wǎng)方式，即EVPL和EVPln。

2.1 內(nèi)嵌RPR的光網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

EVPL是專線級(jí)別業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)是針對(duì)不同用戶的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。與傳統(tǒng)的EPL業(yè)務(wù)不同的是EVPL不像EPL那樣可以實(shí)現(xiàn)MAC幀在兩地之間的透明傳送。EVPL需要使用MPLS或者VLAN機(jī)制來(lái)區(qū)分承載的用戶。

EVPLn支持多點(diǎn)全互連模式的接入。與EVPL同樣的，在EVPLn中需要MPLS機(jī)制來(lái)隔離不同用戶。但EVPLn支持所有接入點(diǎn)全互通，而在EVPL中，若要達(dá)到全面互通，則需要上層核心網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 內(nèi)嵌RPR的光網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信網(wǎng)結(jié)合

軌道交通的專用通信網(wǎng)是一個(gè)以控制中心為樞紐的集中型業(yè)務(wù)網(wǎng)，因此在通信的傳輸系統(tǒng)中，RPR主要啟用了EVPLn方式進(jìn)行業(yè)務(wù)承載。那么數(shù)據(jù)網(wǎng)與傳輸結(jié)合在一起后是一個(gè)什么樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呢？先從數(shù)據(jù)網(wǎng)對(duì)業(yè)務(wù)的需求分析后規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)來(lái)看。通常規(guī)劃的數(shù)據(jù)網(wǎng)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃示意圖

在這樣一個(gè)分級(jí)明確的網(wǎng)絡(luò)中，接入層作為面向業(yè)務(wù)提供接口功能模塊；匯聚層做為基于策略的鏈接模塊；核心層作為提供最優(yōu)的區(qū)間轉(zhuǎn)發(fā)和傳送模塊。當(dāng)一個(gè)從車站用戶終端發(fā)起請(qǐng)求，請(qǐng)求需要經(jīng)過(guò)接入層節(jié)點(diǎn)設(shè)備來(lái)判斷接入請(qǐng)求是否被許可。如果請(qǐng)求被許可，則須通過(guò)接入層與核心層上聯(lián)的主端口經(jīng)過(guò)Vlan標(biāo)記發(fā)送給匯聚層。匯聚層與接入層之間的鏈接可以是2層的Trunk鏈接，也可以是3層的IP鏈接。在匯聚層，將對(duì)接入層發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行路由選擇信息重分配、路由匯總、Vlan間路由等處理，匯聚層將除理后的信息通過(guò)上聯(lián)主端口發(fā)送給核心層。核心層則需要將匯聚層發(fā)送的信息直接按照數(shù)據(jù)要求的目的地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而不做任何處理。

上述是一個(gè)在理想環(huán)境下的數(shù)據(jù)網(wǎng)模型。但是經(jīng)過(guò)了傳送網(wǎng)RPR環(huán)進(jìn)行互聯(lián)的數(shù)據(jù)網(wǎng)并不會(huì)這樣理想。如果RPR采取主備用端口分環(huán)的情況下，整體網(wǎng)組網(wǎng)如圖2所示：

圖2 RPR與數(shù)據(jù)網(wǎng)連接圖

根據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計(jì)的原則，站點(diǎn)交換機(jī)需要兼具接入及匯聚層設(shè)備功能。但是這樣的組網(wǎng)模式下會(huì)將原本隔離的2個(gè)RPR環(huán)網(wǎng)經(jīng)過(guò)核心交換機(jī)連接在一起。但一個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)起一條尋址請(qǐng)求時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)如圖3所示的情況。

當(dāng)PC1發(fā)送了一個(gè)帶有廣播的MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF的數(shù)據(jù)幀，此幀會(huì)到達(dá)SW1的與PC1連接的接口，接著SW1將把該幀從除去源口的所有接口泛洪出去。于是SW2的1/1口接收到了廣播幀，繼而SW2將把廣播幀從接口1/2泛洪出去。然后SW1的1/2接到了該幀，由于沒(méi)有類似OSI第3層IP包頭的TTL控制信息，這條廣播幀會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中隨著網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的鏈路數(shù)目的增加迅速的繁衍，直到某條鏈路或者某個(gè)交換機(jī)被關(guān)閉才會(huì)停止。這樣就出現(xiàn)了一個(gè)廣播幀請(qǐng)求就造成了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

下面來(lái)看看單播幀的情況（如圖4所示）。

圖3 以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)

圖4 以太網(wǎng)環(huán)路單用戶脫網(wǎng)

假設(shè)PC1已經(jīng)有了關(guān)于PC2的ARP表項(xiàng)并向PC2發(fā)送請(qǐng)求。然而，PC2因網(wǎng)卡故障脫離網(wǎng)絡(luò)，且PC2的網(wǎng)橋項(xiàng)目在交換機(jī)中被清除了。這時(shí)，PC1的請(qǐng)求將從SW1的1/1口泛洪出去。SW2收到了請(qǐng)求后，由于沒(méi)有PC2的網(wǎng)橋信息，將繼續(xù)將該幀泛洪。與上述動(dòng)作的同時(shí)，PC1的請(qǐng)求信息同時(shí)也會(huì)從SW1的1/2口泛洪給SW2的1/2口。由于SW2從1/1收到了網(wǎng)橋信息的含有PC1MAC地址的請(qǐng)求，需要從SW2的1/2泛除去，而SW2的1/2口也收到了從SW1的1/2口泛洪過(guò)來(lái)的帶有PC1MAC地址的請(qǐng)求信息，這時(shí)SW2會(huì)將其網(wǎng)橋表中關(guān)于PC2的MAC地址的項(xiàng)目變更位錯(cuò)誤信息。

隨著數(shù)據(jù)幀在與上述相反的方向上回環(huán)，在各個(gè)交換機(jī)上PC1所關(guān)聯(lián)的接口會(huì)在1/1和1/2之間反復(fù)跳動(dòng)。這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬會(huì)被一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)請(qǐng)求占用，且由于網(wǎng)橋表受損不斷更新，還會(huì)使交換機(jī)的CPU利用率高達(dá)100%，這樣網(wǎng)絡(luò)資源同樣會(huì)被一個(gè)單播占據(jù)，直到某個(gè)鏈路或者交換機(jī)宕機(jī)。

基于上述分析，MAC地址成環(huán)可以對(duì)2層數(shù)據(jù)網(wǎng)產(chǎn)生致命影響，一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)會(huì)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)循環(huán)擴(kuò)散從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。通過(guò)對(duì)幾種情況的分析，制定以下兩種解決方式：

(1)為不同的業(yè)務(wù)在RPR環(huán)網(wǎng)上預(yù)先分配帶寬。這樣，業(yè)務(wù)等級(jí)為A0、A1、B_CIR的業(yè)務(wù)會(huì)得到帶寬的保障。當(dāng)這類業(yè)務(wù)承載的上層網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)環(huán)路時(shí)，根據(jù)額定帶寬的分配，環(huán)路只能影響帶寬范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)。而根據(jù)RPR規(guī)范B_EIR和C級(jí)別的業(yè)務(wù)是參與公平算法的。因此當(dāng)這兩種業(yè)務(wù)承載的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)環(huán)路，將導(dǎo)致所有級(jí)別為B_EIR和C級(jí)別的業(yè)務(wù)中斷；

(2)上層網(wǎng)絡(luò)開(kāi)啟生成樹(shù)機(jī)制。生成樹(shù)機(jī)制將作用于整個(gè)交換設(shè)備，當(dāng)某個(gè)交換設(shè)備啟用這個(gè)機(jī)制，它會(huì)自動(dòng)計(jì)算并阻塞某條鏈路從而拆除已形成的環(huán)路。但這種機(jī)制不適用于需要使用多鏈路負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)。

基于上述分析，建議在實(shí)際環(huán)境中，結(jié)合使用上述兩種解決方式。

3 結(jié)語(yǔ)

使用的內(nèi)嵌RPR的軌道交通通信網(wǎng)，可以靈活的使用MPLS來(lái)為不同的上層系統(tǒng)進(jìn)行以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的承載。但上層數(shù)據(jù)網(wǎng)卻不了解傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建模式。因此采用多鏈路對(duì)接時(shí)，2層環(huán)路的風(fēng)險(xiǎn)極高，尤其在傳輸系統(tǒng)還未采取業(yè)務(wù)級(jí)別劃分機(jī)制的情況下，環(huán)路的影響將擴(kuò)散到傳輸所承載的所有系統(tǒng)。基于這些情況分析與工程人員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，多鏈路對(duì)接時(shí)，無(wú)論數(shù)據(jù)網(wǎng)交換機(jī)運(yùn)行在OSI哪個(gè)層上，均應(yīng)預(yù)先開(kāi)啟生成樹(shù)協(xié)議，避免意外。