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【摘 要】 本文详细阐述轨道交通综合监控系统主干网络中关键技术的应用，包括具有冗余性能、双倍带宽的环网结构、环网自愈检测机制HIPER-Ring技术、OSPF路由技术、基于VRRP虚拟路由协议的冗余网关配置技术等。同时，对于综合监控系统集成和互联子系统的网络接方案也进行了详细描述。
【关键词】 主干网络；OSPF；VRRP； 综合监控系统
1、引言
城市轨道交通综合监控系统（ISCS）是基于地域分布式的大型计算机IT系统，网络是构成综合监控系统的重要组成部分，負担着节点连接、数据传输、接口接入等重要职责。综合监控系统的网络一般由三层组成主干层、局域层和现场层：
1、主干层网络
用于控制中心、与各车站、车辆段、停车场局域网的互联。主干网由ISCS系统专业自己构建千兆光纤以太环网，物理光纤通道由通信专业提供。
2、局域层网络
控制中心ISCS系统、各车站ISCS系统、车辆段ISCS系统、停车场ISCS系统、培训管理系统、设备维护系统、网管系统的局域网。控制中心局域网采用冗余的1000M交换式工业光纤以太网，其他局域网采用冗余的100M交换式工业光纤以太网。
3、现场层网络
即各子系统执行层面上的网络，包括火灾自动报警系统、环境与设备监控系统、变电所自动化系统等子系统，一般采用工业控制以太网或现场总线。
综合监控系统数据传输量大、接口类型复杂，为了提高整个系统的可用性、可靠性，其网络结构尤其是主干网结构和接口必须采用多种以太网核心技术进行构建，以满足系统的性能要求。
本文以杭州2号线综合监控系统主干网络方案为例，描述了单环双节点+链路聚合的主干网构成方案优点，并且对该方案中应用的HIPER-Ring私有环网协议、OSPF路由协议、RSTP快速生成树、基于VRRP的冗余网关、链路聚合等技术进行了详细介绍。
2、主干网组网方案
杭州地铁2号线一期工程综合监控系统主干网采用“单环双节点+链路聚合”千兆光纤工业以太网。
主干网网络设备采用冗余的赫施曼MACH4000系统工业级以太网交换机，通过通信系统提供的光纤，将控制中心、26个车站、车辆段连接，独立组建千兆环网。
全线网络逻辑架构为单环，主干网络节点由2台交换机和2根光缆（每根光缆提供6芯光纤，用4芯，备2芯）独立组成链路聚合的单环网，形成冗余的单环网结构。
硬件架构如下：
图2-1 杭州2号线ISCS网络硬件架构图
3、关键网络技术的应用
3.1 HIPER-Ring环网协议
赫思曼交换机的HIPER-Ring私有环网协议提供了一种网络单点故障情况下数据传输的保护功能，能够在环网出现单点故障（链路故障、网络设备故障）的情况下，在极短的时间内恢复数据传输的能力。
在一个环形结构中，设定Switch A作为这个环的冗余管理器（Redundancy Manager），则Switch A设定连接环的两个端口的其中一个将作为逻辑断点，该端口线路对于数据传输来说是断开的，即为阻塞链路，通常情况下不能够用于传输数据，所有用户数据都在除该阻塞链路外的链路上传输。
作为冗余管理器的Switch A每20ms从连接环的两个端口发送控制检测帧（Watch Dog），用来检测整个环形线路的通断情况，阻塞链路能够进行控制检测帧的传递。作为冗余管理器的Switch A通过发送和接收控制检测帧（Watch Dog）来判断传输线路的传输是否正常。
当环中某一处线路发生中断时，作为冗余管理器的Switch A将收不到控制检测帧，这时，Switch A将接通原来作为逻辑断点的端口，通讯恢复正常，恢复时间在全千兆传输速率、整个环上有100台交换机的情况下不超过50ms（网络自愈恢复包括链路恢复及地址表更新）。
3.2 OSPF协议
OSPF是开放性公有路由协议，基于生成树协议。其路由收敛时间近似等于生成树的收敛时间，由于其收敛时间相对较长，必须优化的配置方式，以达到尽可能的简化路径，减少收敛时间。
优化方式：设置一个单独的主干Vlan，为全线主干交换机配置Vlan IP为同一个网段，那么通过OSPF路由协议，所有站点网段都接入主干网的这个VLan网段，站点间的通信都经过Vlan网段，逻辑上即为一跳即可到达。可以认为，主干网络是一台复杂的“逻辑路由器”，连接多个局域网。
采用优化的OSPF协议后，主干网即使存在双线链路故障，网络逻辑结构也不会改变，意味着生成树不会重新计算路径，网络继续快速回复并且稳定运行。当且仅当一个站点的两台交换机都故障或者该车站断电，才会进行路由切换并且重新计算所有路由路径。
3.3 VRRP虚拟路由器冗余协议
虚拟路由器冗余协议（VRRP）是一种选择协议。控制虚拟路由器 IP 地址的 VRRP 路由器称为主路由器，它负责转发数据包到这些虚拟 IP 地址。一旦主路由器不可用，这种选择过程就提供了动态的故障转移机制，这就允许虚拟路由器的 IP 地址可以作为终端主机的默认第一跳路由器。使用 VRRP 的好处是有更高的默认路径的可用性而无需在每个终端主机上配置动态路由或路由发现协议。VRRP 包封装在 IP 包中发送。
一个局域网络内的所有主机都设置缺省路由，当网内主机发出的目的地址不在本网段时，报文将被通过缺省路由发往外部路由器，从而实现了主机与外部网络的通信。当缺省路由器端口关闭之后，内部主机将无法与外部通信，如果路由器设置了VRRP时，那么这时，虚拟路由将启用备份路由器，从而实现全网通信。
A/B双网主交换机配置相应的实际路由接口地址，同时使用VRRP协议虚拟出一个虚拟的网关，其网段下所有终端都配其虚拟的IP网关。两个端口会进行协商按照优先级的高低进行主与备的定义，协商完成后备端口会通过检测通道进行轮询检查，查看主链路是否存在如果主端口发生故障或丢失，则备用端口将接管主端口上的所有数据进行通信。如图3-1所示。 图3-1
当主交换机或主链路出现故障或断线时现有路由接口失效并不会对数据造成任何影响。数据将由主链路切换至备链路上进行数据传输。如图3-2所示。
图3-2
如果故障点发生在二层检测通道时数据流向不发生改变，但是VRRP协议将失去检测通道，并且再多点故障时将不再切换。如图3-3所示。
图3-3
3.4 链路聚合技术
链路聚合是将两个或更多数据信道结合成一个单个的逻辑信道同时聚合成带宽更高的逻辑链路。采用链路聚合后在提高数据转发速率的同时也增强了链路的冗余性。
交换机之间物理链路Link 1、Link2和Link3组成一条聚合链路。该链路在逻辑上是一个整体，内部的组成和传输数据的细节对上层服务是透明的。
聚合内部的物理链路共同完成数据收发任务并相互备份。只要还存在能正常工作的成员，整个传输链路就不会失效。如上图所示，若Link1和Link2先后故障，它们的数据任务会迅速转移到Link3上，因而两台交换机间的连接不会中断。
采用链路聚合技术，主干网具有如下优点：
1、提高链路可用性
2、增加链路带宽
3、可以提供负载均衡能力以及系统容错。
4、集成与互联子系统网络接口方案
4.1 接入方案一
对于环境与设备监控系统、火灾自动报警系统、门禁系统、屏蔽门系统等子系统，可以将子系统的交换机或控制器直接接入综合监控系统主干网的交换机，不经过任何隔离设备。
这种接入方式在链路上实现链路冗余，由子系统交换机或综合监控系统交换机进行链路工作状态判断。
4.2 接入方案二
对于信号系統，由于其两台服务器的内网分A网与B网，两个网络独立运行，分别使用两个网段地址提供业务，因此这两条链路是互为备份的概念，没有主备的说法，两条链路同时都可以提供服务，当一条链路出现问题，使用另外一台链路。
4.3 接入方案三
对于闭路电视系统、自动售检票系统、乘客信息系统、自动广播系统等子系统，子系统交换机采用双链路分别与两台主备（VRRP）交换机互联，使用两对互联Vlan与之互联，主设备上采用浮动路由方式实现冗余，相应子系统交换机也使用浮动路由的方式，当主链路故障的时候，主交换机到主链路的路由消失，切换到备份交换机通信，同时子系统交换机主链路路由也会消失，切换到备链路通信，使得来回数据包路径一致。
5、总结
以太网技术、控制技术、计算技术、数据库技术是轨道交通综合监控系统的四大核心技术。随着以太网技术的飞速发展和成熟，轨道交通综合监控系统的以太网组网方案也不断的进行完善和优化，从最早的广州地铁3号线采用2层组网方案到如今HIPER-Ring、OSPF、RSTP、VRRP等技术在主干网中的应用，综合监控系统网络越来越稳定、高效，为轨道交通用户的正常运营、应急救灾提供了坚实的基础保障，大大促进了国内城市轨道交通信息化、自动化、智能化的发展。
参考文献：
1、李金龙. 城市轨道交通综合监控系统组网方案. 《都市快轨交通》， 2012年10期，122-124页。
2、方东阳. 光纤以太网技术在城市轨道交通电力监控系统中的应用. 《城市轨道交通研究》， 2008年9期，47-49页。
3、冀云帅等. 城市轨道交通综合监控组网方案. 《城市轨道交通研究》，2012年10期。
4、赵驰. 轨道交通综合监控系统骨干网的设计和选型探讨. 《广东科技》，2010年10期
5、许自强. 城市轨道交通中采用的综合传输网. 《地下工程与隧道》，1999年03期
第一作者简介：郭庆，1978年出生，男，宁夏银川人，2001年毕业于电子科技大学自动化专业，学士学位，工程师，轨道交通事业部副总经理
【关键词】 主干网络；OSPF；VRRP； 综合监控系统
1、引言
城市轨道交通综合监控系统（ISCS）是基于地域分布式的大型计算机IT系统，网络是构成综合监控系统的重要组成部分，負担着节点连接、数据传输、接口接入等重要职责。综合监控系统的网络一般由三层组成主干层、局域层和现场层：
1、主干层网络
用于控制中心、与各车站、车辆段、停车场局域网的互联。主干网由ISCS系统专业自己构建千兆光纤以太环网，物理光纤通道由通信专业提供。
2、局域层网络
控制中心ISCS系统、各车站ISCS系统、车辆段ISCS系统、停车场ISCS系统、培训管理系统、设备维护系统、网管系统的局域网。控制中心局域网采用冗余的1000M交换式工业光纤以太网，其他局域网采用冗余的100M交换式工业光纤以太网。
3、现场层网络
即各子系统执行层面上的网络，包括火灾自动报警系统、环境与设备监控系统、变电所自动化系统等子系统，一般采用工业控制以太网或现场总线。
综合监控系统数据传输量大、接口类型复杂，为了提高整个系统的可用性、可靠性，其网络结构尤其是主干网结构和接口必须采用多种以太网核心技术进行构建，以满足系统的性能要求。
本文以杭州2号线综合监控系统主干网络方案为例，描述了单环双节点+链路聚合的主干网构成方案优点，并且对该方案中应用的HIPER-Ring私有环网协议、OSPF路由协议、RSTP快速生成树、基于VRRP的冗余网关、链路聚合等技术进行了详细介绍。
2、主干网组网方案
杭州地铁2号线一期工程综合监控系统主干网采用“单环双节点+链路聚合”千兆光纤工业以太网。
主干网网络设备采用冗余的赫施曼MACH4000系统工业级以太网交换机，通过通信系统提供的光纤，将控制中心、26个车站、车辆段连接，独立组建千兆环网。
全线网络逻辑架构为单环，主干网络节点由2台交换机和2根光缆（每根光缆提供6芯光纤，用4芯，备2芯）独立组成链路聚合的单环网，形成冗余的单环网结构。
硬件架构如下：
图2-1 杭州2号线ISCS网络硬件架构图
3、关键网络技术的应用
3.1 HIPER-Ring环网协议
赫思曼交换机的HIPER-Ring私有环网协议提供了一种网络单点故障情况下数据传输的保护功能，能够在环网出现单点故障（链路故障、网络设备故障）的情况下，在极短的时间内恢复数据传输的能力。
在一个环形结构中，设定Switch A作为这个环的冗余管理器（Redundancy Manager），则Switch A设定连接环的两个端口的其中一个将作为逻辑断点，该端口线路对于数据传输来说是断开的，即为阻塞链路，通常情况下不能够用于传输数据，所有用户数据都在除该阻塞链路外的链路上传输。
作为冗余管理器的Switch A每20ms从连接环的两个端口发送控制检测帧（Watch Dog），用来检测整个环形线路的通断情况，阻塞链路能够进行控制检测帧的传递。作为冗余管理器的Switch A通过发送和接收控制检测帧（Watch Dog）来判断传输线路的传输是否正常。
当环中某一处线路发生中断时，作为冗余管理器的Switch A将收不到控制检测帧，这时，Switch A将接通原来作为逻辑断点的端口，通讯恢复正常，恢复时间在全千兆传输速率、整个环上有100台交换机的情况下不超过50ms（网络自愈恢复包括链路恢复及地址表更新）。
3.2 OSPF协议
OSPF是开放性公有路由协议，基于生成树协议。其路由收敛时间近似等于生成树的收敛时间，由于其收敛时间相对较长，必须优化的配置方式，以达到尽可能的简化路径，减少收敛时间。
优化方式：设置一个单独的主干Vlan，为全线主干交换机配置Vlan IP为同一个网段，那么通过OSPF路由协议，所有站点网段都接入主干网的这个VLan网段，站点间的通信都经过Vlan网段，逻辑上即为一跳即可到达。可以认为，主干网络是一台复杂的“逻辑路由器”，连接多个局域网。
采用优化的OSPF协议后，主干网即使存在双线链路故障，网络逻辑结构也不会改变，意味着生成树不会重新计算路径，网络继续快速回复并且稳定运行。当且仅当一个站点的两台交换机都故障或者该车站断电，才会进行路由切换并且重新计算所有路由路径。
3.3 VRRP虚拟路由器冗余协议
虚拟路由器冗余协议（VRRP）是一种选择协议。控制虚拟路由器 IP 地址的 VRRP 路由器称为主路由器，它负责转发数据包到这些虚拟 IP 地址。一旦主路由器不可用，这种选择过程就提供了动态的故障转移机制，这就允许虚拟路由器的 IP 地址可以作为终端主机的默认第一跳路由器。使用 VRRP 的好处是有更高的默认路径的可用性而无需在每个终端主机上配置动态路由或路由发现协议。VRRP 包封装在 IP 包中发送。
一个局域网络内的所有主机都设置缺省路由，当网内主机发出的目的地址不在本网段时，报文将被通过缺省路由发往外部路由器，从而实现了主机与外部网络的通信。当缺省路由器端口关闭之后，内部主机将无法与外部通信，如果路由器设置了VRRP时，那么这时，虚拟路由将启用备份路由器，从而实现全网通信。
A/B双网主交换机配置相应的实际路由接口地址，同时使用VRRP协议虚拟出一个虚拟的网关，其网段下所有终端都配其虚拟的IP网关。两个端口会进行协商按照优先级的高低进行主与备的定义，协商完成后备端口会通过检测通道进行轮询检查，查看主链路是否存在如果主端口发生故障或丢失，则备用端口将接管主端口上的所有数据进行通信。如图3-1所示。 图3-1
当主交换机或主链路出现故障或断线时现有路由接口失效并不会对数据造成任何影响。数据将由主链路切换至备链路上进行数据传输。如图3-2所示。
图3-2
如果故障点发生在二层检测通道时数据流向不发生改变，但是VRRP协议将失去检测通道，并且再多点故障时将不再切换。如图3-3所示。
图3-3
3.4 链路聚合技术
链路聚合是将两个或更多数据信道结合成一个单个的逻辑信道同时聚合成带宽更高的逻辑链路。采用链路聚合后在提高数据转发速率的同时也增强了链路的冗余性。
交换机之间物理链路Link 1、Link2和Link3组成一条聚合链路。该链路在逻辑上是一个整体，内部的组成和传输数据的细节对上层服务是透明的。
聚合内部的物理链路共同完成数据收发任务并相互备份。只要还存在能正常工作的成员，整个传输链路就不会失效。如上图所示，若Link1和Link2先后故障，它们的数据任务会迅速转移到Link3上，因而两台交换机间的连接不会中断。
采用链路聚合技术，主干网具有如下优点：
1、提高链路可用性
2、增加链路带宽
3、可以提供负载均衡能力以及系统容错。
4、集成与互联子系统网络接口方案
4.1 接入方案一
对于环境与设备监控系统、火灾自动报警系统、门禁系统、屏蔽门系统等子系统，可以将子系统的交换机或控制器直接接入综合监控系统主干网的交换机，不经过任何隔离设备。
这种接入方式在链路上实现链路冗余，由子系统交换机或综合监控系统交换机进行链路工作状态判断。
4.2 接入方案二
对于信号系統，由于其两台服务器的内网分A网与B网，两个网络独立运行，分别使用两个网段地址提供业务，因此这两条链路是互为备份的概念，没有主备的说法，两条链路同时都可以提供服务，当一条链路出现问题，使用另外一台链路。
4.3 接入方案三
对于闭路电视系统、自动售检票系统、乘客信息系统、自动广播系统等子系统，子系统交换机采用双链路分别与两台主备（VRRP）交换机互联，使用两对互联Vlan与之互联，主设备上采用浮动路由方式实现冗余，相应子系统交换机也使用浮动路由的方式，当主链路故障的时候，主交换机到主链路的路由消失，切换到备份交换机通信，同时子系统交换机主链路路由也会消失，切换到备链路通信，使得来回数据包路径一致。
5、总结
以太网技术、控制技术、计算技术、数据库技术是轨道交通综合监控系统的四大核心技术。随着以太网技术的飞速发展和成熟，轨道交通综合监控系统的以太网组网方案也不断的进行完善和优化，从最早的广州地铁3号线采用2层组网方案到如今HIPER-Ring、OSPF、RSTP、VRRP等技术在主干网中的应用，综合监控系统网络越来越稳定、高效，为轨道交通用户的正常运营、应急救灾提供了坚实的基础保障，大大促进了国内城市轨道交通信息化、自动化、智能化的发展。
参考文献：
1、李金龙. 城市轨道交通综合监控系统组网方案. 《都市快轨交通》， 2012年10期，122-124页。
2、方东阳. 光纤以太网技术在城市轨道交通电力监控系统中的应用. 《城市轨道交通研究》， 2008年9期，47-49页。
3、冀云帅等. 城市轨道交通综合监控组网方案. 《城市轨道交通研究》，2012年10期。
4、赵驰. 轨道交通综合监控系统骨干网的设计和选型探讨. 《广东科技》，2010年10期
5、许自强. 城市轨道交通中采用的综合传输网. 《地下工程与隧道》，1999年03期
第一作者简介：郭庆，1978年出生，男，宁夏银川人，2001年毕业于电子科技大学自动化专业，学士学位，工程师，轨道交通事业部副总经理