廣東省三防指揮系統(tǒng)綜合重點工程通訊與計算機骨干網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)綜合體系結(jié)構(gòu)和物理網(wǎng)設(shè)計

廣東省三防指揮系統(tǒng)工程通訊和計算機骨干網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和物理網(wǎng)設(shè)計廖征紅（華南理工大學(xué)電子和信息學(xué)院，廣州510641）摘要：依據(jù)廣東省三防指揮系統(tǒng)應(yīng)用業(yè)務(wù)需求和特點，并結(jié)合現(xiàn)在優(yōu)異、成熟網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對廣東省三防指揮系統(tǒng)工程通訊和計算機骨干網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)部分之一：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和物理網(wǎng)設(shè)計進行分析說明、探討。關(guān)鍵詞：三防指揮系統(tǒng)；通訊和計算機骨干網(wǎng)絡(luò)；體系結(jié)構(gòu)；物理網(wǎng)設(shè)計1序言廣東省三防指揮系統(tǒng)工程通訊和計算機骨干網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（以下簡稱GDFCnet）是一個覆蓋全省防汛抗旱部門，并和國家防汛指揮系統(tǒng)相連含有綜合業(yè)務(wù)能力開放式大型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將建設(shè)一個全省范圍水利系統(tǒng)數(shù)據(jù)、語音和視像三合一計算機通信骨干網(wǎng)絡(luò)，以支撐全省各級防汛部門各應(yīng)用系統(tǒng)運行和服務(wù)，實現(xiàn)各級三防部門共享信息，為相關(guān)部門提供信息服務(wù)，并為省水利系統(tǒng)其它業(yè)務(wù)如水質(zhì)和水環(huán)境、行政首腦機關(guān)辦公決議服務(wù)系統(tǒng)等提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。GDFCnet是廣東省三防指揮系統(tǒng)工程基礎(chǔ)，將實現(xiàn)包含廣東省水利廳和國家防總、水利部、省政府、省直相關(guān)單位、珠江水利委員會、22個地市（含順德）水利局、10個市水文分局、4個直屬工程管理單位之間寬帶廣域聯(lián)網(wǎng)。因為GDFCnet設(shè)計內(nèi)容多而復(fù)雜，現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)在優(yōu)異、成熟網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對該項目標基礎(chǔ)內(nèi)容之一：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和物理網(wǎng)設(shè)計關(guān)鍵點進行分析。2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)GDFCnet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議采取TCP/IP。其理由是：TCP/IP協(xié)議被國際中國廣泛采取，是實際上工業(yè)標準；幾乎全部關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)操作平臺全部支持TCP/IP協(xié)議；TCP/IP和低層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無關(guān)。GDFCnet采取Internet/Intranet運行模式。2.1 網(wǎng)絡(luò)接口層TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)接口層分成兩個子層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，分別對應(yīng)于ISO/OSI物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。在GDFCnet中物理層關(guān)鍵是指數(shù)據(jù)傳輸媒介和物理接口，包含：AUI、RJ45、RS232、RS449、X.21、V.35、RJ11等端口協(xié)議。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議則包含：IEEE802.x、ATM、FrameRelay、X.25、PPP等。2.2 網(wǎng)絡(luò)層GDFCnet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)部分在網(wǎng)絡(luò)層把IP協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。2.3 傳輸層GDFCnetTCP層關(guān)鍵使用兩種協(xié)議：TCP和UDP。TCP協(xié)議提供了一個面向連接、可靠數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)，它能夠確保端到端數(shù)據(jù)無差錯傳輸，這種可靠服務(wù)是以增加復(fù)雜校驗、超時判定、重傳等功效為代價。TCP協(xié)議用于面向連接數(shù)據(jù)傳輸。UDP協(xié)議則是一個無連接服務(wù)，它沒有數(shù)據(jù)糾錯、重傳能力，所以UDP協(xié)議只提供一個不可靠、無連接服務(wù)，沒有TCP協(xié)議含有糾錯機制。UDP協(xié)議關(guān)鍵用于電子郵件傳輸?shù)确矫妗?.4 應(yīng)用層TCP/IP協(xié)議在應(yīng)用層提供了部分服務(wù)，GDFCnet采取其中部分常見服務(wù)，關(guān)鍵有：TELNET：遠程登錄服務(wù)；FTP：文件傳輸服務(wù)；DNS：域名服務(wù)；SMTP：電子郵件傳輸協(xié)議；HTTP：超文本鏈接協(xié)議；SNMP：簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。3物理網(wǎng)設(shè)計物理網(wǎng)設(shè)計包含廣域帶寬需求估計和分析、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)置。3.1信息種類及廣域帶寬需求估計和估算廣域網(wǎng)中繼帶寬選擇，既要考慮到現(xiàn)在準備上網(wǎng)各業(yè)務(wù)和應(yīng)用系統(tǒng)需要，又要能夠滿足在一定發(fā)展需求。3.1.1氣象信息估算(1)氣象報信息每日按信息量8Mbit計算，要求1小時傳輸時間，峰值流量則為：8ⅹ1024/3600(秒)＝2.28（kbps）(2)氣象格點報每日按接收量16Mbit計算，要求在1小時內(nèi)傳輸完成，則峰值流量為4.55kbps。(3)氣象雷達信息每幅雷達圖象按1600kbit,日信息量16Mbit計算，要求10分鐘傳輸完成，則峰值流量為：16ⅹ1024/600=27.3kbps(4)氣象傳真圖按日接收信息量32Mbit,要求4小時內(nèi)傳輸，則峰值信息量為：32ⅹ1024/14400=2.28kbps所以，氣象信息帶寬需求為2.28+4.55+27.3+2.28=36.14(kbps)，考慮TCP/IP效率和可能重發(fā)等原因，估算氣象信息總帶寬需求約為64kb/s；3.1.2遙測信息量估算本省共有多種類型報汛站352個。其中向中央（國家防總報汛各類站點72個），因為經(jīng)濟發(fā)展和三防需要近期還計劃增加16個報汛站點，使全省各類報汛站達368個。按未來全部報汛站全部采取自動遙測站考慮。(1)估算依據(jù)主汛期從每十二個月4月1日至10月1日，共183天;遙測報每份40個字節(jié)（320bit）;汛期每15分鐘發(fā)一次，用3分鐘時間把全部遙測信息傳輸完.(2)估算結(jié)果水情分中心信息量估算本省共有368個報汛站，水情分中心所轄測站最多為80個，并將信息量擴大2倍考慮分中心交換，則日均流通信息量：320（bit）x80（個）x(24x60/15)(次)x2(倍)＝4800（kbit）峰值流量估算，320（bit）x80(個)/180=284(bps)考慮TCP/IP效率和可能重發(fā)等原因，估算遙測信息總帶寬需求不會超出1kb/s；3.1.3實時水情工情旱情帶寬估算按每個市三防指揮分中心到省三防指揮中心各需32kb/s計算。3.1.4水利綜合信息量水利信息種類繁多，但大致可分為七類：電子郵件、公文流轉(zhuǎn)、文件傳輸、信息管理、科技教育、水利經(jīng)濟和其它。加上辦公自動化系統(tǒng)內(nèi)部管理信息交換，文檔數(shù)據(jù)庫之間復(fù)制機制等原因，估算帶寬需求為64kb/s。3.1.5企業(yè)內(nèi)部電話根據(jù)平均每個節(jié)點高峰時同時有5人在打內(nèi)部電話，以現(xiàn)在語音壓縮技術(shù)，可達成每路話占用帶寬8kb/s-10kb/s，則每個節(jié)點需要50kb/s帶寬；3.1.6Intranet訪問信息量（OA網(wǎng)信息）根據(jù)平均每個節(jié)點高峰時有20人上網(wǎng)，理想訪問速率最少應(yīng)達成每秒5kByte，即40kb/s，則每個節(jié)點需要800kb/s帶寬。3.1.7系統(tǒng)信息量網(wǎng)絡(luò)管理信系統(tǒng)根據(jù)64kb/s帶寬考慮。3.1.8會議電視參考廣東省電信企業(yè)已建成覆蓋全省會議電視網(wǎng)，以2M電路連接各地市局至省匯接中心，即可滿足會議電視傳輸需求。所以，在本設(shè)計中將會議電視帶寬需求定為2M。3.1.9其它系統(tǒng)對廣域網(wǎng)帶寬需求按256kb/s考慮。3.2帶寬需求分析從上節(jié)估算看，峰值帶寬約為3.3Mb/s，若考慮多種業(yè)務(wù)之間集中系數(shù)（即各應(yīng)用系統(tǒng)不會同時出現(xiàn)峰值帶寬占用），廣域網(wǎng)絡(luò)峰值帶寬需求應(yīng)該更低。故：省三防指揮中心至各地市三防指揮分中心節(jié)點之間信道帶寬為2×2Mb/s。以后，伴隨形勢發(fā)展，網(wǎng)上業(yè)務(wù)增多，能夠經(jīng)過逐步提升網(wǎng)絡(luò)帶寬；省省三防指揮中心至4個直屬工程管理單位節(jié)點之間信道帶寬為2Mb/s；省三防指揮中心和廣東省人民政府、珠江水利委員會之間信道帶寬為2Mb/s；和廣東省電力集團企業(yè)、廣東省氣象局等相關(guān)單位之間信道帶寬為64或128Kb/s。省三防指揮中心到國家防總而言之間信道帶寬為2Mb/s。除上述主信道，均考慮采取公用電話網(wǎng)（PSTN）作備用信道，已建有微波或衛(wèi)星地面站分中心也采取微波或衛(wèi)星地面站作為備用信。3.3網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠有星型、樹型及網(wǎng)狀，現(xiàn)分別描述、分析和比較。(1)星型結(jié)構(gòu)方案22個地市水利（水務(wù)）局、4個含有三防、或工程管理、或工程設(shè)計研究任務(wù)下屬單位和上級單位、橫向聯(lián)絡(luò)單位直接連接到省三防指揮中心，形成GDFCnet廣域網(wǎng)。(2)樹型結(jié)構(gòu)方案省三防指揮中心和設(shè)定多個關(guān)鍵地市或工程管理、或工程設(shè)計研究任務(wù)下屬單位所在地作為樞紐節(jié)點，其它地市或工程管理、或工程設(shè)計研究任務(wù)下屬單位分別和省三防指揮中心等樞紐節(jié)點互連,形成GDFCnet廣域網(wǎng)。(3)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)方案以省三防指揮中心、多個關(guān)鍵地市或工程管理、或工程設(shè)計研究任務(wù)下屬單位作為樞紐節(jié)點，相互間采取不完全網(wǎng)狀，但確保樞紐節(jié)點最少有兩條迂回路由，形成骨干網(wǎng)關(guān)鍵層；其它地市或工程管理、或工程設(shè)計研究任務(wù)下屬單位分別和省三防指揮中心等樞紐節(jié)點互連,形成GDFCnet廣域網(wǎng)。(4)GDFCnet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案比較①星型結(jié)構(gòu)●星型結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點：端節(jié)點到省三防指揮中心節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸最快，因為端節(jié)點到中央節(jié)點之間沒有任何路由和交換設(shè)備，不存在信息傳輸瓶頸。任意兩個節(jié)點之間不存在回路，簡化了路由選擇。網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理維護能夠由省三防指揮中心統(tǒng)一操作，易于統(tǒng)一、規(guī)范。●星型結(jié)構(gòu)缺點關(guān)鍵有：省三防指揮中心節(jié)點是各路信息傳輸目標節(jié)點或轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，很輕易形成信息傳輸瓶頸。省三防指揮中心節(jié)點是故障集中點，節(jié)點癱瘓將造成整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)瓦解。②樹型結(jié)構(gòu)●樹型結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點：同一個樞紐節(jié)點范圍內(nèi)節(jié)點之間信息傳輸不需經(jīng)過省三防指揮中心節(jié)點，減輕了省三防指揮中心節(jié)點壓力。同一個樞紐節(jié)點范圍內(nèi)系統(tǒng)運行管理和維護相對獨立，當(dāng)省三防指揮中心節(jié)點瓦解后樞紐節(jié)點范圍內(nèi)系統(tǒng)管理仍能有效管理內(nèi)部節(jié)點。任意兩個節(jié)點之間不存在回路，能夠簡化路由選擇?！駱湫徒Y(jié)構(gòu)缺點關(guān)鍵有：故障點仍然相對集中于省三防指揮中心節(jié)點和樞紐節(jié)點。信息傳輸壓力仍然相對集中于省三防指揮中心節(jié)點和樞紐節(jié)點。③網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)●網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點：多個信息傳輸較為集中節(jié)點之間組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，采取動態(tài)路由技術(shù)自動搜索路由，消除了故障集中點，增強了網(wǎng)絡(luò)可靠性。節(jié)點之間信息傳輸有多條信道，經(jīng)合適配置能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳輸，負載分布均衡?！窬W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)缺點關(guān)鍵有：動態(tài)路由技術(shù)帶來信息流量增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力。信道冗余增加投資成本。增加了網(wǎng)絡(luò)管理難度。從網(wǎng)絡(luò)可靠性看網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)最好，從傳輸效率、可管理性和路由配置簡便程度上看星型結(jié)構(gòu)最好。而且依據(jù)GDFCNET網(wǎng)實際需求及網(wǎng)上業(yè)務(wù)流量流向分析，廣東省三防指揮系統(tǒng)信息流向多是上下縱向，橫向信息交換較少，所以GDFCNET網(wǎng)擬采取星型拓撲結(jié)構(gòu)方法為主組網(wǎng)。因為廣州、佛山、江門、汕頭、肇慶、韶關(guān)、梅州、惠州等水文分局和當(dāng)?shù)厝乐笓]分中心不在同一大院，為了節(jié)省各地市到廣州長途傳輸電路和路由鏈路等設(shè)置，上述八市水文分局均先和當(dāng)?shù)厝乐笓]分中心節(jié)點相連，經(jīng)當(dāng)?shù)厝乐笓]分中心節(jié)點聚集到省三防指揮中心節(jié)點。在四個直屬單位中，除廣東省水利廳和廣東省水文局在同一大院外，北江大堤管理局在三水市，飛來峽水利樞紐建設(shè)管理局在清遠市，韓江流域管理局在汕頭市，考慮到現(xiàn)有行政架構(gòu)和業(yè)務(wù)步驟，各直屬工程管理單位均直接連接到省三防指揮中心（廣東省水利廳）節(jié)點。具體網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖1所表示：圖1：網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖3.4電路設(shè)置方案電路設(shè)置能夠有以下3種方案供選擇：方案一：租用光纖,自建傳輸系統(tǒng)(SDH)優(yōu)點：可擴展性強，未來網(wǎng)絡(luò)如需采取POS155M電路進行連接，無需對傳輸層作大改動。同時自建傳輸網(wǎng)絡(luò)亦可為其它通信系統(tǒng)提供傳輸通路。不足：建設(shè)一個覆蓋全省SDH傳輸網(wǎng)，需要耗資數(shù)千萬以至上億，工程實施十分復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)投資巨大，而且運行成本很高。方案二：租用數(shù)字傳輸電路優(yōu)點：節(jié)省網(wǎng)絡(luò)投資，工程實施簡練方便?，F(xiàn)在廣東電信2Mb/s長途數(shù)字電路月租用費為6000元左右，盈通或其它運行商可能更廉價。不足：網(wǎng)絡(luò)可擴展性不強，自已可控制帶寬不足，未來網(wǎng)絡(luò)如需增加帶寬，則需另外租用電路，運作費用昂貴。方案三：利用廣東省政府政務(wù)專網(wǎng)平臺廣東省政府政務(wù)專網(wǎng)平臺（以下簡稱專網(wǎng)）是廣東省政府在利用“九運會”信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，形成和互聯(lián)網(wǎng)物理隔離統(tǒng)一電子政務(wù)專網(wǎng)平臺，實現(xiàn)省委、省政府、省人大、省政協(xié)、省紀委內(nèi)部辦公網(wǎng)互聯(lián)，實現(xiàn)省政府和各市政府網(wǎng)絡(luò)平臺互聯(lián)，實現(xiàn)省直部門之間和省市部門之間和省市部門之間辦公網(wǎng)互聯(lián)。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)省市之間、部門之間公文網(wǎng)上交換和電子郵件交換，在已初步建成省政府應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將公安、“三防”、氣象、交通、電力和國土等信息系統(tǒng)聚集在一起，為省領(lǐng)導(dǎo)決議指揮提供服務(wù)。全省統(tǒng)一電子政務(wù)專網(wǎng)平臺建成后，政府各部門在此網(wǎng)絡(luò)平臺上能夠各自建立業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，而不需再獨立建設(shè)部門間物理網(wǎng)，避免反復(fù)建設(shè)，實現(xiàn)資源共享。專網(wǎng)平臺物理結(jié)構(gòu)是經(jīng)過廣州市內(nèi)光纖網(wǎng)連接省政府各單位內(nèi)網(wǎng)，經(jīng)過租用盈通企業(yè)光纖通信網(wǎng)連接各市專網(wǎng)平臺，采取155MSDH和2.5GDWDM連接，具體物理結(jié)構(gòu)圖2所表示。圖2：廣東省政府政務(wù)專網(wǎng)平臺物理結(jié)構(gòu)優(yōu)點：充足利用現(xiàn)有資源，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)投資，降低了運作費用，同時得到所需帶寬。不足：網(wǎng)絡(luò)可擴展性不強，自已可控制帶寬不足，且現(xiàn)在部分節(jié)點未覆蓋到。經(jīng)過上述方案比較，認為應(yīng)采取方案二和方案三混合方案：對于廣東省政府政務(wù)專網(wǎng)平臺已覆蓋到各節(jié)點采取省政府專網(wǎng)平臺傳輸電路，對于廣東省政府政務(wù)專網(wǎng)平臺未覆蓋到節(jié)點采取租用數(shù)字傳輸電路，并應(yīng)考慮到二者之間互連和網(wǎng)絡(luò)安全性。4．結(jié)束語因為廣東省三防指揮系統(tǒng)工程通訊和計算機骨干網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（GDFCNET）設(shè)計內(nèi)容較多，且牽涉面廣，技術(shù)較復(fù)雜，本文只對GDFCNET設(shè)計基礎(chǔ)部分之一：