MSTP在烏茲別克斯坦鐵路SCADA系統中的應用

李慶剛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

SCADA系統是鐵路電氣化及電力系統的重要組成部分，是實現電力生產調度自動化和管理現代化的基礎，是確保電網安全、穩定、經濟運行的重要手段。未來各個專業要求通信網不但有足夠的帶寬保證，而且需要提供多樣化的接口，以適應個專業的業務需求。為了更好的適應業務需求，必須要求傳輸網絡在網絡容量、網絡穩定性、設備多樣化接口等方面進行改造或更新換代[1]。

1 SCADA業務需求

SCADA的具體業務是承載電力調度中心以及各變電所之間的控制信號、監控消息、內部計算機通信等信息的傳遞。SCADA業務流向以集中型為主和分布型為輔。業務需要暢通和不間斷，還必須保證數據的保密性和抗干擾性。

烏茲別克斯坦Tukimachi～Angren鐵路電氣化改造工程線路全長約130 km，沿線依次分布Sergeli、Jaloire、Kuchluk、Toy-tepa、Ozodlik、Akhangaran、Akcha-Novaya、Ablyk、Angren 9個車站、3個牽引變電所和3個分區所，鐵路公司(UTY)位于首都Tashkent市內，電力調度中心設在UTY，備用電力調度中心設在Angren車站牽引變電所內，如圖1所示。

圖1 電力調度中心、車站、牽引變電所及分區所分布示意

SCADA業務的物理接口需求包括E1/10Base TX/100BaseSX。本次工程SCADA系統物理接口采用10BaseTX，車站和分區所通道速率為1Mbit/s，牽引變電所的通道速率為10Mbit/s，Tashkent和Angren調度中心通道速率為10～100Mbit/s。

SCADA系統在Tashkent調度中心和Angren備用調度中心之間采用4～6個2Mbit/s通道互連，如圖2所示。

圖2 SCADA系統通道需求示意

通過上述內容，可以看出SCADA業務通道需求是具有VPN功能的以太網網絡。

2 傳輸系統

目前烏茲別克斯坦鐵路采用的通信傳輸系統多為PDH，載波及傳統的SDH系統，以太網及VPN等多業務無法通過通信系統來實現，均利用光交換機單獨組建快速以太網來實現，這種雙重組網的方式，不僅投資較高，光纜及設備利用率較低，而且設備及網絡通道的維護都比較繁瑣。

烏茲別克斯坦Tukimachi～Angren鐵路既有通信系統采用的是載波機的方式，本次電氣化改造，欲將通信系統徹底改造為基于SDH的MSTP傳輸系統，改造后通信傳輸系統概況如下。

(1)利用2芯光纖開設STM-16傳輸系統。UTY、Akhangaran、Angren設ADM設備，主要解決區段、各車站2Mb/s及2Mb/s以上通道需求和對傳輸及接入層提供保護。

(2)利用2芯光纖開設基于STM-4 MSTP的車站接入網系統，提供2 Mb/s、2/4線音頻、自動電話、10 M/100 M及低速數據等業務接口。UTY設光線路終端(OLT)，Tashkent客運站、Sergeli、Jaloire、Kuchluk、Toy-tepa、Ozodlik、Akhangaran、Akcha-Novaya、Ablyk、Angren車站設光網絡單元(ONU)。

(3)電力調度所設基于STM-1 MSTP ADM以4纖方式接入UTY 的 OLT接入網，納入全線接入網。

(4)牽引變電所設基于STM-1 MSTP ADM以4纖方式分別接入Toy-tepa、Akhangaran、Angren車站接入網ONU，納入全線接入網系統。

(5)傳輸系統保護：利用第三方電信的傳輸通道， 分別在UTY和Angren設置通信設備形成互連，構成對與行車有關的CTC、CBI、SCADA、OTC電路構成通道保護[2-3]。

根據上述通信傳輸系統設備的設置情況，完全可以滿足SDH的傳統通道需求，但是，能否利用MSTP傳輸設備實現SCADA業務通道的需求呢，筆者就MSTP能否滿足VPN的功能要求進行分析。

3 MSTP技術簡介

MSTP技術，是指通過在傳統的SDH平臺上集成了以太網在內的多種數據業務的接入、處理和傳送能力，以太網業務經過媒體訪問控制(MAC)處理后進行數據封裝，然后到指定的虛容器(VC)通道中上SDH線路傳輸。其系統功能見圖3。

圖3 MSTP系統功能框圖

如圖3所示， PDH業務通過VC映射直接接入MSTP系統中，ATM數據業務在SDH系統提供的1條VC通道上實現透傳功能，以太網業務可以通過GFP協議映射進VC。

MSTP的核心技術是基于SDH VC通道的，在傳輸以太網等多種業務時就是將不同的業務通過VC級聯的方式映射到SDH電路的各個時隙中，既可以固定分配一部分帶寬傳輸TDM業務，也可以動態分配剩余帶寬用于以太網業務。MSTP采用了VC虛級聯、LCAS(鏈路帶寬調整機制)和GFP(通用成幀規程)以及PRP(彈性分組環)和MPLS(多協議標簽交換)等關鍵技術，能夠更好地提供對以太網業務的透傳功能[4-6]，下面就分別簡要介紹這些關鍵技術。

3.1 VC級聯

SDH標準容器速率見表1。

表1 SDH標準容器速率 Mb/s

從表1可以看出，所需傳輸的很多數據業務，無論是10/100M還是GE(千兆以太網)的帶寬大小都不能和SDH的標準虛容器(VC)容量有效匹配。為了使SDH網絡能夠更高效地承載某些速率類型的業務，需要采用VC級聯。

VC級聯分為相鄰級聯和虛級聯2種。相鄰級聯簡稱級聯，SDH中承載業務的各個VC是連續的，共用相同的通道開銷(POH)。虛級聯也就是說SDH中用來承載業務的各個VC是獨立的，通過在SDH幀的通道開銷中定義復幀指示器(MFI)和序列指示器(SQ)，各個獨立的VC經過不同的路徑到達接收端，通過指示器再將成員正確地組合在一起即可。通過級聯和虛級聯技術，可以實現對以太網業務帶寬和SDH虛通道之間的速率適配，如圖4所示[7]。

3.2 LCAS(鏈路帶寬調整)

鏈路容量調整方案(LCAS)是在不中斷數據流的情況下動態調整虛級聯個數的功能，平滑地調整虛級聯帶寬以自動適應業務帶寬的需求。

LCAS是在VC虛級聯基礎之上建立的一個雙向握手協議，實現VC虛級聯傳輸帶寬的動態調整，不僅提高了承載業務的安全性，自動檢測并刪除失效成員，保證業務的繼續傳輸，而且實現了帶寬的按需分配，靈活地調整鏈路容量，實現業務無損傷，如圖5所示[8]。

圖5 LCAS(鏈路容量調整策略)示意

3.3 GFP(通用成幀規程)

GFP(通用成幀規程)可以將上層的各種數據信號封裝映射到SDH物理層通道中傳輸。GFP 具有成幀映射和透明映射2種方式，可以分別應對不同需求的業務，GFP具有通用、簡單、靈活、高效和標準化程度高等特點，是除了使用傳統的點到點協議(PPP)、高速數據鏈路協議(HDLC)和SDH上的鏈路接入規程(LAPS)以外的，目前應用廣泛、先進的數據封裝協議[9]。

3.4 RPR(彈性分組環)

RPR是一種在環形結構上優化數據業務傳送的MAC層協議，能夠適應多種物理層(如SDH、以太網、DWDM等)，可有效地傳送數據、語音、圖像等多種業務類型。內嵌RPR功能后的MSTP設備實現以太網業務帶寬動態公平共享。內嵌RPR技術的MSTP能夠提供靈活高效的多業務接入、高效的帶寬利用率、完善的服務質量(QoS)機制、公平的接入機制、完善的環保護機制、快速的業務提供能力等功能[10]。

3.5 MPLS(多協議標簽交換)

MPLS是為網絡數據業務提供目標、路由、轉發和交換等能力的一種用于快速數據包交換和路由的體系，它具有管理各種不同通信流的機制。MPLS將IP地址映射為簡單的具有固定長度的標簽，用于不同的包轉發和包交換技術，MPLS提供每個IP數據包一個標記，決定了其路徑和優先級，在將數據包轉送到其路徑前，僅讀取數據包標記，無須讀取每個數據包的IP地址以及標頭，然后將所傳送的數據包迅速傳送至終點，減少延遲，實現數據包的快速交換[11]。

總之，融合了VC虛級聯、LCAS、 GFP，RPR和MPLS等技術的MSTP，使得其對數據業務的傳送更加高效、靈活和富有彈性。

4 內嵌MPLS的MSTP

內嵌MPLS技術的MSTP優化了基于VLAN的業務流分類和QoS能力，解決了VLAN的可擴展性問題，使MSTP除了能夠提供多業務接入的能力外，還能夠提供虛擬專用網(VPN)等業務。

MSTP正是由于可以內嵌MPLS技術，使得其可以支持MPLS所具有的一些功能，如虛擬專用網地址空間復用。

根據是否參與客戶的路由，在建立基于MPLS的VPN時有2種選擇，一種是基于路由方式的MPLS VPN解決方案，通常稱作三層MPLS VPN；另一種是基于IETF Draft-Martini的二層解決方案，通常稱作二層MPLS VPN，它保留了傳統基于二層VPN解決方案的優勢，可在MPLS網絡上透明地傳遞用戶的二層數據，從用戶角度來看是一個二層交換網絡。

二層和三層的MPLS技術使用相同的二層數據面技術，三層MPLS需要傳輸控制協議/因特網協議(TCP/IP)棧和IP路由協議；二層MPLS并不需要IP協議棧和路由協議，而是通過集中網絡管理系統在網絡中建立LSP，MPLS二層VPN不但能有效地克服現有VPN的性能缺陷，充分滿足業務需求，而且還具備對現有網絡設備的兼容性和向下一代VPN演進的先進性[12-14]。

5 結語

基于SDH平臺，融合VC虛級聯、LCAS 和GFP等相關技術，同時內嵌RPR和MPLS等技術的MSTP，可以實現多種業務的綜合接入和匯聚，還可以支持VPN等多業務。正是由于MSTP具有的內嵌其他技術的功能和對多業務的支持能力，能夠在中國鐵路的發展中得到廣泛應用和不斷發展。

因此，在烏茲別克斯坦鐵路項目中，充分利用通信設置的基于STM-4 MSTP的車站接入網系統，對于SCADA的通道需求是完全可以滿足的，經過實際的使用，證明MSTP能夠很好的承載烏茲別克鐵路項目中所需的VPN業務，不僅節約了投資，提高了設備的利用率，而且減少了設備及網絡通道的維護工作量，為后續的項目提供借鑒。

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