李慶剛

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

SCADA系統(tǒng)是鐵路電氣化及電力系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)調(diào)度自動化和管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，是確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段。未來各個(gè)專業(yè)要求通信網(wǎng)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(yīng)個(gè)專業(yè)的業(yè)務(wù)需求。為了更好的適應(yīng)業(yè)務(wù)需求，必須要求傳輸網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)容量、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、設(shè)備多樣化接口等方面進(jìn)行改造或更新?lián)Q代[1]。

1 SCADA業(yè)務(wù)需求

SCADA的具體業(yè)務(wù)是承載電力調(diào)度中心以及各變電所之間的控制信號、監(jiān)控消息、內(nèi)部計(jì)算機(jī)通信等信息的傳遞。SCADA業(yè)務(wù)流向以集中型為主和分布型為輔。業(yè)務(wù)需要暢通和不間斷，還必須保證數(shù)據(jù)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(gè)車站、3個(gè)牽引變電所和3個(gè)分區(qū)所，鐵路公司(UTY)位于首都Tashkent市內(nèi)，電力調(diào)度中心設(shè)在UTY，備用電力調(diào)度中心設(shè)在Angren車站牽引變電所內(nèi)，如圖1所示。

圖1 電力調(diào)度中心、車站、牽引變電所及分區(qū)所分布示意

SCADA業(yè)務(wù)的物理接口需求包括E1/10Base TX/100BaseSX。本次工程SCADA系統(tǒng)物理接口采用10BaseTX，車站和分區(qū)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(diào)度中心通道速率為10～100Mbit/s。

SCADA系統(tǒng)在Tashkent調(diào)度中心和Angren備用調(diào)度中心之間采用4～6個(gè)2Mbit/s通道互連，如圖2所示。

圖2 SCADA系統(tǒng)通道需求示意

通過上述內(nèi)容，可以看出SCADA業(yè)務(wù)通道需求是具有VPN功能的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

2 傳輸系統(tǒng)

目前烏茲別克斯坦鐵路采用的通信傳輸系統(tǒng)多為PDH，載波及傳統(tǒng)的SDH系統(tǒng)，以太網(wǎng)及VPN等多業(yè)務(wù)無法通過通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，均利用光交換機(jī)單獨(dú)組建快速以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)，這種雙重組網(wǎng)的方式，不僅投資較高，光纜及設(shè)備利用率較低，而且設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通道的維護(hù)都比較繁瑣。

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

(1)利用2芯光纖開設(shè)STM-16傳輸系統(tǒng)。UTY、Akhangaran、Angren設(shè)ADM設(shè)備，主要解決區(qū)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(hù)。

(2)利用2芯光纖開設(shè)基于STM-4 MSTP的車站接入網(wǎng)系統(tǒng)，提供2 Mb/s、2/4線音頻、自動電話、10 M/100 M及低速數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)接口。UTY設(shè)光線路終端(OLT)，Tashkent客運(yùn)站、Sergeli、Jaloire、Kuchluk、Toy-tepa、Ozodlik、Akhangaran、Akcha-Novaya、Ablyk、Angren車站設(shè)光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)。

(3)電力調(diào)度所設(shè)基于STM-1 MSTP ADM以4纖方式接入U(xiǎn)TY 的 OLT接入網(wǎng)，納入全線接入網(wǎng)。

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

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

根據(jù)上述通信傳輸系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)置情況，完全可以滿足SDH的傳統(tǒng)通道需求，但是，能否利用MSTP傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)SCADA業(yè)務(wù)通道的需求呢，筆者就MSTP能否滿足VPN的功能要求進(jìn)行分析。

3 MSTP技術(shù)簡介

MSTP技術(shù)，是指通過在傳統(tǒng)的SDH平臺上集成了以太網(wǎng)在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入、處理和傳送能力，以太網(wǎng)業(yè)務(wù)經(jīng)過媒體訪問控制(MAC)處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，然后到指定的虛容器(VC)通道中上SDH線路傳輸。其系統(tǒng)功能見圖3。

圖3 MSTP系統(tǒng)功能框圖

如圖3所示， PDH業(yè)務(wù)通過VC映射直接接入MSTP系統(tǒng)中，ATM數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在SDH系統(tǒng)提供的1條VC通道上實(shí)現(xiàn)透傳功能，以太網(wǎng)業(yè)務(wù)可以通過GFP協(xié)議映射進(jìn)VC。

MSTP的核心技術(shù)是基于SDH VC通道的，在傳輸以太網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)時(shí)就是將不同的業(yè)務(wù)通過VC級聯(lián)的方式映射到SDH電路的各個(gè)時(shí)隙中，既可以固定分配一部分帶寬傳輸TDM業(yè)務(wù)，也可以動態(tài)分配剩余帶寬用于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。MSTP采用了VC虛級聯(lián)、LCAS(鏈路帶寬調(diào)整機(jī)制)和GFP(通用成幀規(guī)程)以及PRP(彈性分組環(huán))和MPLS(多協(xié)議標(biāo)簽交換)等關(guān)鍵技術(shù)，能夠更好地提供對以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的透傳功能[4-6]，下面就分別簡要介紹這些關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 VC級聯(lián)

SDH標(biāo)準(zhǔn)容器速率見表1。

表1 SDH標(biāo)準(zhǔn)容器速率 Mb/s

從表1可以看出，所需傳輸?shù)暮芏鄶?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，無論是10/100M還是GE(千兆以太網(wǎng))的帶寬大小都不能和SDH的標(biāo)準(zhǔn)虛容器(VC)容量有效匹配。為了使SDH網(wǎng)絡(luò)能夠更高效地承載某些速率類型的業(yè)務(wù)，需要采用VC級聯(lián)。

VC級聯(lián)分為相鄰級聯(lián)和虛級聯(lián)2種。相鄰級聯(lián)簡稱級聯(lián)，SDH中承載業(yè)務(wù)的各個(gè)VC是連續(xù)的，共用相同的通道開銷(POH)。虛級聯(lián)也就是說SDH中用來承載業(yè)務(wù)的各個(gè)VC是獨(dú)立的，通過在SDH幀的通道開銷中定義復(fù)幀指示器(MFI)和序列指示器(SQ)，各個(gè)獨(dú)立的VC經(jīng)過不同的路徑到達(dá)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(lián)和虛級聯(lián)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對以太網(wǎng)業(yè)務(wù)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(diào)整)

鏈路容量調(diào)整方案(LCAS)是在不中斷數(shù)據(jù)流的情況下動態(tài)調(diào)整虛級聯(lián)個(gè)數(shù)的功能，平滑地調(diào)整虛級聯(lián)帶寬以自動適應(yīng)業(yè)務(wù)帶寬的需求。

LCAS是在VC虛級聯(lián)基礎(chǔ)之上建立的一個(gè)雙向握手協(xié)議，實(shí)現(xiàn)VC虛級聯(lián)傳輸帶寬的動態(tài)調(diào)整，不僅提高了承載業(yè)務(wù)的安全性，自動檢測并刪除失效成員，保證業(yè)務(wù)的繼續(xù)傳輸，而且實(shí)現(xiàn)了帶寬的按需分配，靈活地調(diào)整鏈路容量，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)無損傷，如圖5所示[8]。

圖5 LCAS(鏈路容量調(diào)整策略)示意

3.3 GFP(通用成幀規(guī)程)

GFP(通用成幀規(guī)程)可以將上層的各種數(shù)據(jù)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(yīng)對不同需求的業(yè)務(wù)，GFP具有通用、簡單、靈活、高效和標(biāo)準(zhǔn)化程度高等特點(diǎn)，是除了使用傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議(PPP)、高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(HDLC)和SDH上的鏈路接入規(guī)程(LAPS)以外的，目前應(yīng)用廣泛、先進(jìn)的數(shù)據(jù)封裝協(xié)議[9]。

3.4 RPR(彈性分組環(huán))

RPR是一種在環(huán)形結(jié)構(gòu)上優(yōu)化數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送的MAC層協(xié)議，能夠適應(yīng)多種物理層(如SDH、以太網(wǎng)、DWDM等)，可有效地傳送數(shù)據(jù)、語音、圖像等多種業(yè)務(wù)類型。內(nèi)嵌RPR功能后的MSTP設(shè)備實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)帶寬動態(tài)公平共享。內(nèi)嵌RPR技術(shù)的MSTP能夠提供靈活高效的多業(yè)務(wù)接入、高效的帶寬利用率、完善的服務(wù)質(zhì)量(QoS)機(jī)制、公平的接入機(jī)制、完善的環(huán)保護(hù)機(jī)制、快速的業(yè)務(wù)提供能力等功能[10]。

3.5 MPLS(多協(xié)議標(biāo)簽交換)

MPLS是為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供目標(biāo)、路由、轉(zhuǎn)發(fā)和交換等能力的一種用于快速數(shù)據(jù)包交換和路由的體系，它具有管理各種不同通信流的機(jī)制。MPLS將IP地址映射為簡單的具有固定長度的標(biāo)簽，用于不同的包轉(zhuǎn)發(fā)和包交換技術(shù)，MPLS提供每個(gè)IP數(shù)據(jù)包一個(gè)標(biāo)記，決定了其路徑和優(yōu)先級，在將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)送到其路徑前，僅讀取數(shù)據(jù)包標(biāo)記，無須讀取每個(gè)數(shù)據(jù)包的IP地址以及標(biāo)頭，然后將所傳送的數(shù)據(jù)包迅速傳送至終點(diǎn)，減少延遲，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的快速交換[11]。

總之，融合了VC虛級聯(lián)、LCAS、 GFP，RPR和MPLS等技術(shù)的MSTP，使得其對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳送更加高效、靈活和富有彈性。

4 內(nèi)嵌MPLS的MSTP

內(nèi)嵌MPLS技術(shù)的MSTP優(yōu)化了基于VLAN的業(yè)務(wù)流分類和QoS能力，解決了VLAN的可擴(kuò)展性問題，使MSTP除了能夠提供多業(yè)務(wù)接入的能力外，還能夠提供虛擬專用網(wǎng)(VPN)等業(yè)務(wù)。

MSTP正是由于可以內(nèi)嵌MPLS技術(shù)，使得其可以支持MPLS所具有的一些功能，如虛擬專用網(wǎng)地址空間復(fù)用。

根據(jù)是否參與客戶的路由，在建立基于MPLS的VPN時(shí)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(tǒng)基于二層VPN解決方案的優(yōu)勢，可在MPLS網(wǎng)絡(luò)上透明地傳遞用戶的二層數(shù)據(jù)，從用戶角度來看是一個(gè)二層交換網(wǎng)絡(luò)。

二層和三層的MPLS技術(shù)使用相同的二層數(shù)據(jù)面技術(shù)，三層MPLS需要傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議(TCP/IP)棧和IP路由協(xié)議；二層MPLS并不需要IP協(xié)議棧和路由協(xié)議，而是通過集中網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中建立LSP，MPLS二層VPN不但能有效地克服現(xiàn)有VPN的性能缺陷，充分滿足業(yè)務(wù)需求，而且還具備對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的兼容性和向下一代VPN演進(jìn)的先進(jìn)性[12-14]。

5 結(jié)語

基于SDH平臺，融合VC虛級聯(lián)、LCAS 和GFP等相關(guān)技術(shù)，同時(shí)內(nèi)嵌RPR和MPLS等技術(shù)的MSTP，可以實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的綜合接入和匯聚，還可以支持VPN等多業(yè)務(wù)。正是由于MSTP具有的內(nèi)嵌其他技術(shù)的功能和對多業(yè)務(wù)的支持能力，能夠在中國鐵路的發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展。

因此，在烏茲別克斯坦鐵路項(xiàng)目中，充分利用通信設(shè)置的基于STM-4 MSTP的車站接入網(wǎng)系統(tǒng)，對于SCADA的通道需求是完全可以滿足的，經(jīng)過實(shí)際的使用，證明MSTP能夠很好的承載烏茲別克鐵路項(xiàng)目中所需的VPN業(yè)務(wù)，不僅節(jié)約了投資，提高了設(shè)備的利用率，而且減少了設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通道的維護(hù)工作量，為后續(xù)的項(xiàng)目提供借鑒。

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