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综合监控系统骨干网络设计

时间:2016-03-03来源: 作者: 点击: 142次


郭勇

(广州地铁集团有限公司,广州 511400

摘要:本文介绍了广州地铁9号线综合监控系统骨干网冗余网络的设计方法,通过实例说明基于端口聚合技术和Moxa Turbo Ring技术的网络设计不仅满足了综合监控骨干网灵活、个性化的组网需求,提高了链路的带宽, 也大大的增加它的可靠性。

关键词:聚合;环状拓扑;交换机;网络带宽

中图分类号:    U231+.92  文献标志码: A              

Designed of Backbone Network of Integrated

Supervisory and Control System

GUO Yong

(Guangzhou Metro Group, Guangzhou, 511400)

Abstract: The paper introduces the backbone redundancy network designed method of the Integrated Supervisory and Control System of guangzhou metro line 9, with practical examples the use of port polymerization technology and Moxa Turbo Ring technology ,designed of the Backbone Network,not only meets the requirements of flexible and personalized network, increased the link bandwidth, also can increase its reliability.

Key words: Polymerization; Backbone network. The switch; Network bandwidth


0.引言

广州地铁综合监控系统肩负着全线机电设备的实时监控,集成了变电所自动化系统(PSCADA)、火灾报警系统(FAS)、机电设备监控系统(EMCS)、屏蔽门系统(PSD)、防淹门(FG)。同时互联了广播系统(PA)、闭路电视系统(CCTV)、车载信息系统(TIS)、车站信息系统(SIS)、自动售检票系统(AFC)、信号系统(SIG)、时钟系统(CLK)等,实现了地铁信息互通、资源共享,提升自动化水平,系统的稳定性对地铁运营的安全性、可靠性和响应性至关重要,随着因特网业务的不断扩大和提升,综合监控系统对网络稳定性、流量的需求越来越大,网络出现了流量拥塞溢出等现象,严重影响网络质量甚至发生中断事故,在这种趋势的发展前提下,对网络设备的带宽要求也越来越高,同时对网络的稳定性和数据链路容灾能力的要求也更为严格,如何在不扩展设备的同时扩展带宽,控制运营成本,增强网络的稳定性是目前地铁设计、运营关注的焦点。

本文以9号线综合监控系统的网络为背景,介绍了以聚合网络技术和MOXA Turbo Ring[1]技术为基础的综合监控系统网络设计。

1. 综合监控网络结构

广州市轨道交通9号线综合监控系统骨干网络总体采用环网架构,通过隔站跳接方式,将主备网连接成两个千兆光纤环网,网络拓扑图如图1所示,

图1.广州地铁9号线ISCS骨干网络拓扑图

从图中可以看出,广州地铁9号线综合监控系统网络分为两个层次,综合监控系统骨干网和车站局域网。综合监控系统骨干网主要由26ICS-G7848-HV-HV组成,分布在接控制中心、车站、车辆段和停车场,主要用于实现站间通讯。车站局域网主要用于控制中心、车辆段停车场和车站子系统设备的接入,主要包括车站服务器、FEP、工作站等设备。车站局域网的交换机通常采用骨干网的交换机来实现。

2. 综合监控系统冗余网络设计

广州地铁9号线综合监控系统骨干网络采用环网架构,在控制中心、车辆段、车站布设两台ICS-G7848-HV-HV交换机,采用跨接方式,构建成双环网。每个车站有A、B两台交换机,分别通过光纤接入两个环网,每个环网都有一个交换机设置成冗余管理器,当环网中相领两台交换机网络全部中断时,冗余管理器会激活冗余网络,保证整个环网链路正常,当中断的两台交换机通迅恢复正常时,冗余管理器自动切断冗余网络从而保证不会形成闭合环网。单个环网上运行Moxa冗余协议 Moxa Turbo Ring,在花果山公园站与花都广场站之间设置逻辑断点,之间的线路为备份链路。当环网主用链路出现中断时,可以在20ms内快速切换到备份链路。

两台车站交换机之间采用三条物理链路互连,通过链路聚合协议(LACP)捆绑成一条逻辑链路,在实现链路冗余的同时,将交换机之间的带宽的扩容到原有链路的三倍。

2.1链路聚合设计

链路聚合[2]Link Aggregation)是基于IEEE802.3ad标准的LACPLink Aggregation Control Protocol,链路汇聚控制协议)是一种实现链路动态汇聚的协议,LACP协议通过LACPDULink Aggregation Control Protocol Data Unit,链路汇聚控制协议数据单元)与对端交互信息。9号线综合监控骨干网为千兆双环聚合网络,采用MOXA ICS-G7848-HV-HV交换机,该交换机自身带有端口聚合功能。 启用某端口的LACP协议后,该端口将通过发送LACPDU向对端通告自己的系统优先级、系统MAC地址、端口优先级、端口号和操作Key。对端接收到这些信息后,将这些信息与其它端口所保存的信息比较以选择能够汇聚的端口,从而双方可以对端口加入或退出某个动态汇聚组达成一致。

9号线综合监控系统骨干网中每个车站有两台交换机,利用端口聚合[3]技术将各个车站A、B两台交换机间的3条物理端口“组合”成逻辑上的一条数据通路,即将两个交换机之间物理链路 Port 0Port 1 Port 2组成一个聚合端口,如图2所示,

2.交换机聚合示意图

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。聚合内部的物理端口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。例如当Port 0Port 1先后故障,它们的数据任务会迅速转移到Port 2上,因而两台交换机间的连接不会中断。

采用链路聚合后,逻辑链路的带宽增加了大约(n-1)倍,这里,n为聚合的路数,本文中n3.另外,聚合后,可靠性大大提高,因为,3条链路中只要有一条可以正常工作,则这个链路就可以工作。除此之外,链路聚合可以实现负载均衡。因为,通过链路聚合连接在一起的两个交换机,通过内部控制,也可以合理地将数据分配在被聚合连接的设备上,实现负载分担。

2.2冗余网络设计

综合监控系统作为调度员监控的眼睛,其稳定性、不间断性对地铁运营的安全性、可靠性和响应性至关重要,为了最大限度地减少因网络失败导致系统失去监控,系统采用MOXA最新交换机,它可使故障恢复速度在20 ms以内,几乎可以确保综合监控骨干网络连接永不间断。如果网络中的任何路径发生中断,系统会在20ms以内还原到正常通讯状态。

2.2.1拓扑结构

使用MOXA Turbo Ring可以设定多种网络拓扑结构来减少布线和网络设计成本。这些可选项包括没有连接控制线的环耦合,用一个交换机组建Dual-RingDual-Homing,并同时支持STP生成树[4]RSTP快速生成树冗余协议[5],具有广泛的兼容性,其拓扑结构如图3所示,

3.多样化的拓扑结构

Turbo Ring可在20 ms快速恢复故障,支持Dual RingDual HomingRing Coupling多环互连技术。

3.2.2阻塞端口

每个环网仅有一个Master 交换机,可通过手动指定或通过竞争选举产生 – MAC地址最小的交换机。环网中除去Master交换机外其余的交换机都是Slave 交换机,阻塞端口由 Master交换机的第二个环网端口构成,可用来形成备用链路以避免帧转发环路、处理控制帧、阻止数据帧,如图4所示,

4.阻塞端口示意图

3.2.3控制帧转发原理

Master交换机的第二个环网端口是封闭的端口,恢复时间小于20MS,所有控制帧同时被CPU处理并转发到环网各端口,如图5所示,

5.控制帧转发图

3.2.4链路状况失效侦测机制

综合监控系统骨干网采用千兆链路连接,千兆链路状况检测采用每10ms发送测试帧,如果连续3个包丢失,判定链路失效。

3.2.5环网有链路失效时网络链路变化

当有Slave 交换机检测到某网络链路

中断时,通知 Master交换机,Master 交换机收到信息后,重新使封闭的耦合端口打开并转发数据,并产生 “Topology Change” 日志,所有交换机更新MAC地址表并且重新学习,链路失效时网络链路变化如图6所示,

    

6. 有链路连接失败时网络链接变化图

2.2.6环网故障链路恢复时网络变化

当失效的链路恢复时,邻近的Slave 交换机会通知 MasterMaster 交换机收到信息后产生日志 “Topology change” Slave 交换机重新使失效的端口为转发状态,同时Master交换机封闭第二个环网端口建立备份链路,所有交换机更新MAC地址表重新学习后恢复初始状态,链路失效时网络链路变化如图7所示,

7.故障链路恢复时网络链接变化图

3.网络可靠性

综合监控骨干网络数据传输速率范围

均可从10/1001000 Mbps。支持光纤传输介质支持多模或单模传输,满足长距离数据传输和抗电磁干扰的要求。骨干网络采用双网架构,每套网络之间彼此独立,互不影响。骨干环网之间采用三层路由方式进行交换数据,每个车站都设计成独立的网络,车站内部的故障不会扩展到整个骨干环网。MOXATurbo Ring环网具有线路冗余的特点,目前MOXA Turbo Ring的效能为,环网上的节点交换机的数目为250台时,自愈时间小于20ms

4.结论

通过本文的探究, MOXA Turbo Ring和端口聚合技术的使用,方便灵活地提高了9号线综合监控系统骨干网链路的带宽,大幅的提高网络的可靠性,骨干网络可允许车站交换机同时出现三个断点,仍然使骨干网络正常通迅,保证全线数据正常传输,大大的减小了因网络通迅中断造成综合监控骨干网中断,从而导致OCC失去对部分车站机电设备的监控的可能性,为地铁运营安全提供了有力保障。

参考文献

[1] L Evans. Physics Teacher[J], 2006, 44(4):198-199

[2]戎江霁,包杰,李松华,.基于LACP的跨系统链路聚合研究[J]. 电视技术,201337(7):101-103

[3]陆敏飞.支持抢占式的聚合组端口选择逻辑机制的研究[J].浙江工业大学学报.2011,01.

[4]郭彦伟,郑建德.《厦门大学学报:自然科学版》, 2006, 45(z1):301-304

[5]匡昌武,方厚辉.《工业控制计算机》, 2007, 20(3):18-19

 

 

作者简介:郭勇(1983- )男,广州市,助理工程师,硕士,主要从事地铁自动化技术方面工作。

Email:guoyongreceive@126.com

Biography: GUO Yong (1983- ), Male, Han, Guangzhou,Master.Mainly engaged in the work of subway automation technology.

联系作者:郭勇 地址:广州市广州地铁厦滘车辆段1#305

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