王玉龍

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

智慧綜合調度信息系統(tǒng)通過對不同性質、規(guī)模的鐵路運輸需求進行總結、提煉、抽象，建立統(tǒng)一的調度指揮信息平臺，進而從機制上確保鐵路運輸信息的完整性與一致性，最大限度地幫助生產(chǎn)運輸企業(yè)實現(xiàn)降本增效。

智慧綜合調度信息系統(tǒng)的應用遵從“一個平臺、兩層系統(tǒng)、三級部署”原則，消除不同模塊間壁壘、構建由中心系統(tǒng)和車站系統(tǒng)組成的統(tǒng)一信息管控平臺，從而向集團總部、分公司、車站三級不同的調度組織提供服務，幫助生產(chǎn)運輸企業(yè)對其運力資源實行精準調度。結合實際需求部署后，智慧綜合調度信息系統(tǒng)可通過對機車、車輛等運輸資源的全生命周期精細化管理，實現(xiàn)運輸資源的高效利用和適時檢修，從而減少損耗、降低成本。

本文針對智慧綜合調度信息系統(tǒng)的三級部署應用，及其在實際應用組網(wǎng)中所需的關鍵網(wǎng)絡技術進行研究，并提出符合三級部署架構的組網(wǎng)方案，解決智慧綜合調度信息系統(tǒng)在網(wǎng)絡可靠性、可用性、安全性、可維護性等方面面臨的難題，確保網(wǎng)絡在各類故障情景下，仍能支持系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。

2 智慧綜合調度信息系統(tǒng)的三級部署應用

智慧綜合調度信息系統(tǒng)由中心系統(tǒng)和車站系統(tǒng)組成，以滿足各級鐵路調度指揮的實際業(yè)務需求為導向，進而實現(xiàn)以計劃為主導、以行車指揮為核心的一體化調度信息系統(tǒng)功能。在實際應用中，需要部署的調度組織架構由集團總部、分公司、車站3級組成，如圖1 所示。

圖1 智慧綜合調度信息系統(tǒng)的三級部署應用Fig.1 Three-level deployment application of intelligent integrated dispatching information system

2.1 集團總部

生產(chǎn)運輸企業(yè)的集團總部數(shù)據(jù)中心設智慧綜合調度信息系統(tǒng)的總部級調度中心系統(tǒng)，實現(xiàn)對全路的計劃調度、貨運調度、車輛調度、施工調度、統(tǒng)計分析等功能，同時滿足既有或潛在的集中調度指揮功能需求。智慧綜合調度信息系統(tǒng)的中心與集團總部行車指揮TDCS/CTC 中心無論物理上是否分離，但在邏輯上應保持統(tǒng)一，確立邏輯上的“一個中心”。

2.2 分公司

生產(chǎn)運輸企業(yè)的分公司設置分公司級調度信息系統(tǒng)，實現(xiàn)分公司各崗位管轄范圍內運輸調度指揮工作的功能。分公司所設調度終端設備上聯(lián)至行車指揮TDCS/CTC 中心系統(tǒng)及集團總部的智慧綜合調度信息系統(tǒng)中心系統(tǒng)。

2.3 車站

生產(chǎn)運輸企業(yè)下轄的車站設置智慧綜合調度信息系統(tǒng)的客戶終端，車站按照集團總部及運輸分公司調度指揮中心的指揮完成列車接、發(fā)等車站管理及貨物受理、承運，以及貨物到達、交付等貨運管理工作。

3 智慧綜合調度信息系統(tǒng)的組網(wǎng)難點

智慧綜合調度信息系統(tǒng)的部署采用集團總部至下屬分公司、各下屬分公司至車站的三級兩段式結構組網(wǎng)。在此專用網(wǎng)絡上，建設基于數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成共享平臺的一體化調度信息系統(tǒng)平臺，提供信息和共享服務。由于生產(chǎn)運輸相關調度信息的準確性、時效性與保密性直接關系著企業(yè)生產(chǎn)效益，智慧綜合調度信息系統(tǒng)對其各層級間的信息交互“橋梁”的可用性要求也變得更為嚴苛。同時在其網(wǎng)絡的實際部署中也存在著一些待解決的網(wǎng)絡難題，主要可概括為下列3 個方面。

3.1 網(wǎng)絡穩(wěn)定性

智慧綜合調度信息系統(tǒng)的可用性直接關系著生產(chǎn)運輸企業(yè)的效益。常規(guī)硬件設備及鏈路所構成的網(wǎng)絡不能滿足智慧綜合調度信息系統(tǒng)全天候可信息上傳共享的需求。在其三層架構應用的網(wǎng)絡部署中應采取可靠的網(wǎng)絡技術實現(xiàn)對硬件設備及網(wǎng)絡鏈路的冗余保護，以確保調度信息傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。網(wǎng)絡中部署用于訪問中心網(wǎng)絡的硬件設備皆應采取主/備模式，當主要工作設備發(fā)生故障時，備用設備可滿足業(yè)務要求。同時，設備間鏈路同樣應采用冗余連接方式，當主要傳輸鏈路故障時，備用鏈路同樣可擔負信息通道職能。

然而大量冗余部署的設備及鏈路常會帶來一定的網(wǎng)絡風暴隱患，為解決此問題，智慧綜合調度信息系統(tǒng)所采網(wǎng)絡中部署相應網(wǎng)絡協(xié)議、策略，避免網(wǎng)絡風暴影響上層業(yè)務信息交互的情況。

此外，網(wǎng)絡中設備應具有可靠的后備運行模式，以降低故障發(fā)生率、減少網(wǎng)絡事故。

3.2 網(wǎng)絡安全性

相較于小規(guī)模的網(wǎng)絡部署，匯聚了集團總部至車站三層架構的共享信息的智慧綜合調度信息系統(tǒng)面臨著更嚴苛的信息安全考驗。其系統(tǒng)網(wǎng)絡應滿足相應場景的信息安全等級，且具有一定的風險過濾能力。為滿足網(wǎng)絡安全性要求且最大限度保證專用網(wǎng)絡的獨立可靠性，實際部署方案中應在網(wǎng)絡內核心交換機上應部署安全網(wǎng)關，同時在系統(tǒng)核心交換機與應用區(qū)域、數(shù)據(jù)區(qū)域、接口交換區(qū)域、終端服務區(qū)域等之間部署防火墻，進行安全加固，確保網(wǎng)絡信息安全性，同時采用旁路部署的接入方式以滿足網(wǎng)絡安全設備的不同應用場景。

3.3 網(wǎng)絡易維護性

一般網(wǎng)絡方案中較為常見采用的橫向虛擬化技術往往存在著控制面單一、控制面能力差、業(yè)務升級復雜等問題。這些問題極大降低了網(wǎng)絡整體的可維護性和擴展能力。智慧綜合調度信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡要能適應日益變化的需求，可實現(xiàn)靈活調整網(wǎng)絡結構，滿足生產(chǎn)運輸企業(yè)在調度信息的使用及共享方面的新需求。其專用網(wǎng)絡需要采用創(chuàng)新性的橫向虛擬化技術，在達成設備冗余滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，獲得更高的可管理性和擴展能力。

4 智慧綜合調度信息系統(tǒng)的相關網(wǎng)絡技術

為解決上述智慧綜合調度信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡難點，在實際應用組網(wǎng)中將會采用下列網(wǎng)絡技術，以構建穩(wěn)定可用的專用網(wǎng)絡。在智慧綜合調度信息系統(tǒng)網(wǎng)絡的三層架構組網(wǎng)部署中所采用的能提高網(wǎng)絡效率、網(wǎng)絡可靠性的技術包括開放式最短路徑優(yōu)先（OSPF）、虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP）、跨設備鏈路聚合（M-LAG）等。這些網(wǎng)絡技術主要可實現(xiàn)消除網(wǎng)絡風暴及預留冗余設備、鏈路。

4.1 開放式最短路徑優(yōu)先

在運行傳統(tǒng)的距離矢量路由協(xié)議時，路由器彼此間交互路由表，而無法獲取整個網(wǎng)絡拓撲結構。OSPF 作為一種鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，可以使設備間建立“鄰居關系”，以交互鏈路狀態(tài)通告（LSA）取替交互傳統(tǒng)路由信息。LSA 包含設備的直連接口信息、對端設備信息、通道成本信息等拓撲結構類信息，在被路由器接收后會被存放入鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（LSDB），使其掌握全網(wǎng)絡的拓撲結構。

在此基礎上，路由器運行最短路徑算法，得到一個以自己為核心的無環(huán)路徑。路由器根據(jù)計算結果，將這些計算出的最優(yōu)路徑加載進路由表形成路由條目，作為數(shù)據(jù)轉發(fā)的依據(jù)。由于OSPF 的算法本身可以從天然上防止形成環(huán)路，消除大規(guī)模、多層級網(wǎng)絡部署中潛在的網(wǎng)絡風暴隱患，其也逐漸發(fā)展為應用最廣泛的內部網(wǎng)關協(xié)議之一。

4.2 虛擬路由冗余協(xié)議

VRRP 可將幾臺路由器組成一臺虛擬的路由設備，這一組路由器（同一個局域網(wǎng)中的接口）將實現(xiàn)協(xié)同工作。一個VRRP 組內只有一臺設備處于“Master”狀態(tài)，并同時承擔實際的數(shù)據(jù)流量轉發(fā)工作，而其他設備處于備份狀態(tài)。在一個VRRP 組內的多個路由設備接口將共用一個虛擬IP 地址，該地址作為局域網(wǎng)內所有接入設備的缺省網(wǎng)關地址與外部網(wǎng)絡通信，如圖2 所示。

圖2 VRRP的路徑選擇Fig.2 VRRP path selection

此協(xié)議可確立一臺負責向用戶網(wǎng)關轉發(fā)數(shù)據(jù)包的主路由器，并使其響應接入服務器對該網(wǎng)關的地址解析請求。同組內的備份路由器偵聽主路由器的工作狀態(tài)，并隨時準備接替主路由器的工作，從而實現(xiàn)網(wǎng)關和鏈路的冗余功能，滿足高可靠網(wǎng)絡的全天候可用要求。

同時，作為一個接口級別的協(xié)議，一臺運行著VRRP 的路由器（接口）可參與到不同的VRRP 組中，并充當不同的主/備角色，以滿足大規(guī)模網(wǎng)絡內不同應用場景下的多種需求。

4.3 跨設備鏈路聚合

橫向虛擬化技術的運用，使相互冗余的物理設備可虛擬為一臺在網(wǎng)絡中呈現(xiàn)單節(jié)點的邏輯設備，從而簡化網(wǎng)絡的管理。而堆疊作為此前運用最廣泛的橫向虛擬化技術，存在著主/備交換機需同步全部表項導致的嚴苛同步機制、主/備交換機需同時升級帶來的繁瑣流程、控制平面單一等缺陷。

為實現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的鏈路聚合，M-LAG技術僅要求交換設備在鏈路聚合協(xié)商的過程中對外表現(xiàn)出同樣的狀態(tài)，而不再同步全部表項。運行M-LAG 的聚合設備只需要同步接口和部分表項內容（如ARP、MAC、IP 路由等表項報文）。一旦聚合設備分裂，兩臺設備都可以獨立運行，相互獨立的控制面設計也一定程度上提高了網(wǎng)絡的可靠性。需要升級時，組成M-LAG 系統(tǒng)的主/備交換機也無需同步升級，以保障升級過程中業(yè)務流量的轉發(fā)。

M-LAG 與堆疊的對比如表1 所示。

表1 M-LAG相較堆疊技術的優(yōu)勢Tab.1 M-LAG advantages over stack technology

兩臺運行M-LAG 的設備在配對后將首先交互MAC 地址等信息并協(xié)商出主從關系，隨后在正常工作模式中雙方會繼續(xù)通過Peer-Link 鏈路實時同步對端信息。而M-LAG 的故障檢測則主要依賴于兩臺設備在網(wǎng)絡側的互通鏈路定期互發(fā)心跳報文，如圖3 所示。

圖3 M-LAG主/備設備間信息交互Fig.3 M-LAG Information exchange between the active and standby devices

在實際部署場景中，對于已知的單播流量，主/備交換機形成逐流負載分擔，共同進行流量的轉發(fā)；而對于廣播、組播、未知的單播，交換機將以泛洪的形式進行擴散。M-LAG 可隔絕經(jīng)Peer-Link 發(fā)往接入設備的流量，在實現(xiàn)設備冗余的同時，防止形成網(wǎng)絡風暴。

5 三級部署中的組網(wǎng)方案

考慮到智慧綜合調度信息系統(tǒng)的三級部署應用架構及其對網(wǎng)絡可靠性的要求，整體系統(tǒng)的組網(wǎng)設計方案如圖4 所示。部署于集團總部機房的智慧綜合調度信息系統(tǒng)核心交換機除完成集團內部調度信息的交換任務外，還應保留與外部系統(tǒng)接口，以滿足多類別系統(tǒng)間信息互通、統(tǒng)一管控的需求。

圖4 智慧綜合調度信息系統(tǒng)中心網(wǎng)絡Fig.4 Intelligent integrated dispatching information system central network

在分公司及車站的網(wǎng)絡方案中，選擇以OSPF為基礎進行規(guī)劃。然而，實際場景下當一組大規(guī)模網(wǎng)絡中設備都運行OSPF 協(xié)議時，龐大的LSDB 會占用大量儲存空間，使SPF 算法的復雜程度倍增，CPU 負擔加重，網(wǎng)絡效率降低。因此，面對大規(guī)模的智慧綜合調度信息系統(tǒng)部署時，選擇將不同線路對應的鏈路劃分到不同的OSPF 區(qū)域中。在區(qū)域的邊界配置區(qū)域邊界路由器與骨干網(wǎng)路由相連，同區(qū)域的不同站也采用三層互聯(lián)方式?；贠SPF 的組網(wǎng)方案可有效地提高網(wǎng)絡效率，并給全集團公司的大規(guī)模三層架構信息共享部署創(chuàng)造可能。此外，實際組網(wǎng)中的網(wǎng)絡設備和鏈路采用基于VRRP 及M-LAG 的冗余設計以解決系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性難題。智慧綜合調度信息系統(tǒng)的分公司及車站網(wǎng)絡方案如圖5 所示。

圖5 分公司及車站組網(wǎng)方案Fig.5 Branch and station networking scheme

6 總結

本文研究了智慧綜合調度信息系統(tǒng)在部署應用中的三級架構，以及此三級架構在實際應用場景下面臨的網(wǎng)絡穩(wěn)定性、安全性、易維護性等方面的難點。針對智慧綜合調度信息系統(tǒng)網(wǎng)絡部署待解決難題，分析了3 種技術方案，同時給出了系統(tǒng)高可靠組網(wǎng)方案。