光網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)通信在軌道交通中的應用

王可佳 鐘輝

沈陽建筑大學 （沈陽 110168）

0 概述

內(nèi)嵌RPR的傳輸網(wǎng)絡網(wǎng)雖然克服了Ethernet Over SDH的trunk方向死板、組網(wǎng)不靈活、以及帶寬不可動態(tài)回收等問題。但是伴隨而來的是內(nèi)嵌RPR技術的固有缺陷，如：同一RPR模塊只能屬于同一RPR環(huán)網(wǎng)、不同的RPR環(huán)無法利用交叉資源進行對接、與數(shù)據(jù)設備連接將產(chǎn)生2層環(huán)路等。

1 內(nèi)嵌RPR的技術應用

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

根據(jù)業(yè)務的需求，建立2套RPR環(huán)網(wǎng)作為需要主備通道的業(yè)務承載，2套環(huán)網(wǎng)根據(jù)業(yè)務的主備關系采用相同的機制。

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

1、2兩種情況混合使用。即根據(jù)業(yè)務的實際需求及硬件條件，規(guī)劃網(wǎng)絡時混合使用兩種模式。

綜合上述情況：

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

第二種方式在需要主備業(yè)務分模塊運行時，需要將主備模塊全部映射到同一個RPR網(wǎng)絡中，雖然可以達到主備分開運行的效果，但是擴大了RPR的環(huán)網(wǎng)規(guī)模，增加了開通難度和維護成本，且當一個模塊出現(xiàn)問題時，保護倒換將是全網(wǎng)級別的。當不同的兩個站點各損壞了一個主模塊和一個備模塊，會有至少1個站點發(fā)生業(yè)務癱瘓。

第三種方式則是根據(jù)實際情況，對業(yè)務種類進行劃分、帶寬進行計算后的一種綜合型規(guī)劃。及重要業(yè)務采用第一種網(wǎng)絡方式，而一般業(yè)務采用第二種網(wǎng)絡方式。這種組網(wǎng)需要仔細的分析業(yè)務和計算帶寬，并且對于每個站點的MSTP設備，均需要配置不少于3個的RPR模塊。

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

上述方式均可作為軌道交通各個通信節(jié)點的網(wǎng)絡承載方式。但基于上層需求的承載方式的不同。內(nèi)嵌RPR的MSTP設備開發(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)絡業(yè)務實現(xiàn)

EVPL是專線級別業(yè)務。業(yè)務是針對不同用戶的點對點傳輸。與傳統(tǒng)的EPL業(yè)務不同的是EVPL不像EPL那樣可以實現(xiàn)MAC幀在兩地之間的透明傳送。EVPL需要使用MPLS或者VLAN機制來區(qū)分承載的用戶。

EVPLn支持多點全互連模式的接入。與EVPL同樣的，在EVPLn中需要MPLS機制來隔離不同用戶。但EVPLn支持所有接入點全互通，而在EVPL中，若要達到全面互通，則需要上層核心網(wǎng)來實現(xiàn)。

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

軌道交通的專用通信網(wǎng)是一個以控制中心為樞紐的集中型業(yè)務網(wǎng)，因此在通信的傳輸系統(tǒng)中，RPR主要啟用了EVPLn方式進行業(yè)務承載。那么數(shù)據(jù)網(wǎng)與傳輸結(jié)合在一起后是一個什么樣的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)呢？先從數(shù)據(jù)網(wǎng)對業(yè)務的需求分析后規(guī)劃的網(wǎng)絡來看。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)絡規(guī)劃示意圖

在這樣一個分級明確的網(wǎng)絡中，接入層作為面向業(yè)務提供接口功能模塊；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。當一個從車站用戶終端發(fā)起請求，請求需要經(jīng)過接入層節(jié)點設備來判斷接入請求是否被許可。如果請求被許可，則須通過接入層與核心層上聯(lián)的主端口經(jīng)過Vlan標記發(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，將對接入層發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進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)要求的目的地址進行轉(zhuǎn)發(fā)，而不做任何處理。

上述是一個在理想環(huán)境下的數(shù)據(jù)網(wǎng)模型。但是經(jīng)過了傳送網(wǎng)RPR環(huán)進行互聯(lián)的數(shù)據(jù)網(wǎng)并不會這樣理想。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)絡分層設計的原則，站點交換機需要兼具接入及匯聚層設備功能。但是這樣的組網(wǎng)模式下會將原本隔離的2個RPR環(huán)網(wǎng)經(jīng)過核心交換機連接在一起。但一個站點的數(shù)據(jù)設備發(fā)起一條尋址請求時，就會出現(xiàn)如圖3所示的情況。

當PC1發(fā)送了一個帶有廣播的MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF的數(shù)據(jù)幀，此幀會到達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，由于沒有類似OSI第3層IP包頭的TTL控制信息，這條廣播幀會在網(wǎng)絡中隨著網(wǎng)絡交換機的鏈路數(shù)目的增加迅速的繁衍，直到某條鏈路或者某個交換機被關閉才會停止。這樣就出現(xiàn)了一個廣播幀請求就造成了整個網(wǎng)絡的癱瘓。

下面來看看單播幀的情況（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PC1已經(jīng)有了關于PC2的ARP表項并向PC2發(fā)送請求。然而，PC2因網(wǎng)卡故障脫離網(wǎng)絡，且PC2的網(wǎng)橋項目在交換機中被清除了。這時，PC1的請求將從SW1的1/1口泛洪出去。SW2收到了請求后，由于沒有PC2的網(wǎng)橋信息，將繼續(xù)將該幀泛洪。與上述動作的同時，PC1的請求信息同時也會從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口泛洪過來的帶有PC1MAC地址的請求信息，這時SW2會將其網(wǎng)橋表中關于PC2的MAC地址的項目變更位錯誤信息。

隨著數(shù)據(jù)幀在與上述相反的方向上回環(huán)，在各個交換機上PC1所關聯(lián)的接口會在1/1和1/2之間反復跳動。這樣整個網(wǎng)絡帶寬會被一個簡單的數(shù)據(jù)請求占用，且由于網(wǎng)橋表受損不斷更新，還會使交換機的CPU利用率高達100%，這樣網(wǎng)絡資源同樣會被一個單播占據(jù)，直到某個鏈路或者交換機宕機。

基于上述分析，MAC地址成環(huán)可以對2層數(shù)據(jù)網(wǎng)產(chǎn)生致命影響，一個請求數(shù)據(jù)會在網(wǎng)絡內(nèi)循環(huán)擴散從而導致網(wǎng)絡癱瘓。通過對幾種情況的分析，制定以下兩種解決方式：

(1)為不同的業(yè)務在RPR環(huán)網(wǎng)上預先分配帶寬。這樣，業(yè)務等級為A0、A1、B_CIR的業(yè)務會得到帶寬的保障。當這類業(yè)務承載的上層網(wǎng)絡出現(xiàn)環(huán)路時，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。而根據(jù)RPR規(guī)范B_EIR和C級別的業(yè)務是參與公平算法的。因此當這兩種業(yè)務承載的網(wǎng)絡出現(xiàn)環(huán)路，將導致所有級別為B_EIR和C級別的業(yè)務中斷；

(2)上層網(wǎng)絡開啟生成樹機制。生成樹機制將作用于整個交換設備，當某個交換設備啟用這個機制，它會自動計算并阻塞某條鏈路從而拆除已形成的環(huán)路。但這種機制不適用于需要使用多鏈路負載均衡的網(wǎng)絡。

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

3 結(jié)語

使用的內(nèi)嵌RPR的軌道交通通信網(wǎng)，可以靈活的使用MPLS來為不同的上層系統(tǒng)進行以太網(wǎng)業(yè)務的承載。但上層數(shù)據(jù)網(wǎng)卻不了解傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建模式。因此采用多鏈路對接時，2層環(huán)路的風險極高，尤其在傳輸系統(tǒng)還未采取業(yè)務級別劃分機制的情況下，環(huán)路的影響將擴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)驗總結(jié)，多鏈路對接時，無論數(shù)據(jù)網(wǎng)交換機運行在OSI哪個層上，均應預先開啟生成樹協(xié)議，避免意外。