广东省三防指挥系统综合重点工程通讯与计算机骨干网络系统的网络综合体系结构和物理网设计.doc

广东省三防指挥系统工程通讯和计算机骨干网络系统
网络体系结构和物理网设计
廖征红
（华南理工大学 电子和信息学院，广州 510641 ）

摘要：依据广东省三防指挥系统应用业务需求和特点，并结合现在优异、成熟网络技术，对广东省三防指挥系统工程通讯和计算机骨干网络系统设计基础部分之一：网络体系结构和物理网设计进行分析说明、探讨。
关键词：三防指挥系统；通讯和计算机骨干网络；体系结构；物理网设计

1序言
广东省三防指挥系统工程通讯和计算机骨干网络系统（以下简称GDFCnet）是一个覆盖全省防汛抗旱部门，并和国家防汛指挥系统相连含有综合业务能力开放式大型互联网络系统，将建设一个全省范围水利系统数据、语音和视像三合一计算机通信骨干网络，以支撑全省各级防汛部门各应用系统运行和服务，实现各级三防部门共享信息，为相关部门提供信息服务，并为省水利系统其它业务如水质和水环境、行政首脑机关办公决议服务系统等提供网络服务。
GDFCnet是广东省三防指挥系统工程基础，将实现包含广东省水利厅和国家防总、水利部、省政府、省直相关单位、珠江水利委员会、22个地市（含顺德）水利局、10个市水文分局、4个直属工程管理单位之间宽带广域联网。
因为GDFCnet设计内容多而复杂，现结合现在优异、成熟网络技术，对该项目标基础内容之一：网络体系结构和物理网设计关键点进行分析。

2网络体系结构
GDFCnet网络互联协议采取TCP/IP。其理由是：TCP/IP协议被国际中国广泛采取，是实际上工业标准；几乎全部关键网络操作平台全部支持TCP/IP协议；TCP/IP和低层网络技术无关。
GDFCnet采取Internet/Intranet运行模式。

2.1 网络接口层
TCP/IP体系结构中网络接口层分成两个子层：物理层和数据链路层，分别对应于ISO/OSI物理层和数据链路层。在GDFCnet中物理层关键是指数据传输媒介和物理接口，包含：AUI、RJ45、RS232、RS449、X.21、V.35、RJ11等端口协议。数据链路层协议则包含：IEEE802.x、ATM、Frame Relay、X.25、PPP等。

2.2 网络层
GDFCnet网络互联部分在网络层把IP协议作为数据传输协议。

2.3 传输层
GDFCnetTCP层关键使用两种协议：TCP和UDP。
TCP协议提供了一个面向连接、可靠数据流传输服务，它能够确保端到端数据无差错传输，这种可靠服务是以增加复杂校验、超时判定、重传等功效为代价。TCP协议用于面向连接数据传输。
UDP协议则是一个无连接服务，它没有数据纠错、重传能力，所以UDP协议只提供一个不可靠、无连接服务，没有TCP协议含有纠错机制。UDP协议关键用于电子邮件传输等方面。

2.4 应用层
TCP/IP协议在应用层提供了部分服务，GDFCnet采取其中部分常见服务，关键有：
TELNET：远程登录服务；
FTP：文件传输服务；
DNS：域名服务；
SMTP：电子邮件传输协议；
HTTP：超文本链接协议；
SNMP：简单网络管理协议。

3物理网设计
物理网设计包含广域带宽需求估计和分析、网络拓扑结构设计、电路设置。
3.1 信息种类及广域带宽需求估计和估算
广域网中继带宽选择，既要考虑到现在准备上网各业务和应用系统需要，又要能够满足在一定发展需求。
3.1.1 气象信息估算
(1)气象报信息
每日按信息量8Mbit计算，要求1小时传输时间，峰值流量则为：
8ⅹ1024/3600(秒)＝2.28（kbps）
(2)气象格点报
每日按接收量16Mbit计算，要求在1小时内传输完成，则峰值流量为4.55kbps。
(3)气象雷达信息
每幅雷达图象按1600kbit,日信息量16Mbit计算，要求10分钟传输完成，则峰值流量为：16ⅹ1024/600=27.3kbps
(4)气象传真图
按日接收信息量32Mbit,要求4小时内传输，则峰值信息量为：32ⅹ1024/14400=2.28kbps

所以，气象信息带宽需求为2.28+4.55+27.3+2.28=36.14(kbps)，考虑TCP/IP效率和可能重发等原因，估算气象信息总带宽需求约为64kb/s；

3.1.2 遥测信息量估算
本省共有多种类型报汛站352个。其中向中央（国家防总报汛各类站点72个），因为经济发展和三防需要近期还计划增加16个报汛站点，使全省各类报汛站达368个。按未来全部报汛站全部采取自动遥测站考虑。
(1)估算依据
主汛期从每十二个月4月1日至10月1日，共183天;
遥测报每份40个字节（320bit）;
汛期每15分钟发一次，用3分钟时间把全部遥测信息传输完.
(2)估算结果
水情分中心信息量估算
本省共有368个报汛站，水情分中心所辖测站最多为80个，并将信息量扩大2倍考虑分中心交换，则日均流通信息量：
320（bit）x80（个）x(24x60/15) (次) x2(倍)　＝4800（kbit）
峰值流量估算，320（bit）x80(个) / 180 = 284 (bps)
考虑TCP/IP效率和可能重发等原因，估算遥测信息总带宽需求不会超出1kb/s；

3.1.3 实时水情工情旱情带宽估算
按每个市三防指挥分中心到省三防指挥中心各需32kb/s计算。

3.1.4 水利综合信息量
水利信息种类繁多，但大致可分为七类：电子邮件、公文流转、文件传输、信息管理、科技教育、水利经济和其它。加上办公自动化系统内部管理信息交换，文档数据库之间复制机制等原因，估算带宽需求为64kb/s。

3.1.5 企业内部电话
根据平均每个节点高峰时同时有5人在打内部电话，以现在语音压缩技术，可达成每路话占用带宽8kb/s-10kb/s，则每个节点需要50kb/s带宽；

3.1.6 Intranet 访问信息量（OA网信息）
根据平均每个节点高峰时有20人上网，理想访问速率最少应达成每秒5kByte，即40kb/s，则每个节点需要800kb/s带宽。

3.1.7 系统信息量
网络管理信系统根据64kb/s带宽考虑。

3.1.8 会议电视
参考广东省电信企业已建成覆盖全省会议电视网，以2M电路连接各地市局至省汇接中心，即可满足会议电视传输需求。所以，在本设计中将会议电视带宽需求定为2M。

3.1.9其它系统对广域网带宽需求按256 kb/s考虑。

3.2带宽需求分析
从上节估算看，峰值带宽约为3.3Mb/s，若考虑多种业务之间集中系数（即各应用系统不会同时出现峰值带宽占用），广域网络峰值带宽需求应该更低。故：
省三防指挥中心至各地市三防指挥分中心节点之间信道带宽为2×2Mb/s。以后，伴随形势发展，网上业务增多，能够经过逐步提升网络带宽；
省省三防指挥中心至4个直属工程管理单位节点之间信道带宽为2Mb/s；
省三防指挥中心和广东省人民政府、珠江水利委员会之间信道带宽为2Mb/s ；
和广东省电力集团企业、广东省气象局等相关单位之间信道带宽为64或128Kb/s。
省三防指挥中心到国家防总而言之间信道带宽为2Mb/s。

除上述主信道，均考虑采取公用电话网（PSTN）作备用信道，已建有微波或卫星地面站分中心也采取微波或卫星地面站作为备用信。

3.3网络拓扑结构
网络结构能够有星型、树型及网状，现分别描述、分析和比较。
(1)星型结构方案
22个地市水利（水务）局、4个含有三防、或工程管理、或工程设计研究任务下属单位和上级单位、横向联络单位直接连接到省三防指挥中心，形成GDFCnet广域网。

(2)树型结构方案
省三防指挥中心和设定多个关键地市或工程管理、或工程设计研究任务下属单位所在地作为枢纽节点，其它地市或工程管理、或工程设计研究任务下属单位分别和省三防指挥中心等枢纽节点互连,形成GDFCnet广域网。

(3)网状结构方案
以省三防指挥中心、多个关键地市或工程管理、或工程设计研究任务下属单位作为枢纽节点，相互间采取不完全网状，但确保枢纽节点最少有两条迂回路由， 形成骨干网关键层；其它地市或工程管理、或工程设计研究任务下属单位分别和省三防指挥中心等枢纽节点互连,形成GDFCnet广域网。

(4)GDFCnet网络结构方案比较
①星型结构
●星型结构有以下优点：
端节点到省三防指挥中心节点数据传输最快，因为端节点到中央节点之间没有任何路由和交换设备，不存在信息传输瓶颈。
任意两个节点之间不存在回路，简化了路由选择。
网络和系统管理维护能够由省三防指挥中心统一操作，易于统一、规范。
●星型结构缺点关键有：
省三防指挥中心节点是各路信息传输目标节点或转发节点，很轻易形成信息传输瓶颈。
省三防指挥中心节点是故障集中点，节点瘫痪将造成整个网络系统瓦解。

②树型结构
●树型结构有以下优点：
同一个枢纽节点范围内节点之间信息传输不需经过省三防指挥中心节点，减轻了省三防指挥中心节点压力。
同一个枢纽节点范围内系统运行管理和维护相对独立，当省三防指挥中心节点瓦解后枢纽节点范围内系统管理仍能有效管理内部节点。
任意两个节点之间不存在回路，能够简化路由选择。
●树型结构缺点关键有：
故障点仍然相对集中于省三防指挥中心节点和枢纽节点。
信息传输压力仍然相对集中于省三防指挥中心节点和枢纽节点。

③网状结构
●网状结构有以下优点：
多个信息传输较为集中节点之间组成网状结构，采取动态路由技术自动搜索路由，消除了故障集中点，增强了网络可靠性。
节点之间信息传输有多条信道，经合适配置能够实现信息传输，负载分布均衡。
●网状结构缺点关键有：
动态路由技术带来信息流量增加了网络传输压力。
信道冗余增加投资成本。
增加了网络管理难度。

从网络可靠性看网状结构最好，从传输效率、可管理性和路由配置简便程度上看星型结构最好。
而且依据GDFCNET网实际需求及网上业务流量流向分析，广东省三防指挥系统信息流向多是上下纵向，横向信息交换较少，所以GDFCNET网拟采取星型拓扑结构方法为主组网。
因为广州、佛山、江门、汕头、肇庆、韶关、梅州、惠州等水文分局和当地三防指挥分中心不在同一大院，为了节省各地市到广州长途传输电路和路由链路等设置，上述八市水文分局均先和当地三防指挥分中心节点相连，经当地三防指挥分中心节点聚集到省三防指挥中心节点。
在四个直属单位中，除广东省水利厅和广东省水文局在同一大院外，北江大堤管理局在三水市，飞来峡水利枢纽建设管理局在清远市，韩江流域管理局在汕头市，考虑到现有行政架构和业务步骤，各直属工程管理单位均直接连接到省三防指挥中心（广东省水利厅）节点。
具体网络拓扑结构图1所表示：

图1：网络拓扑结构图

3.4电路设置方案
电路设置能够有以下3种方案供选择：
方案一：租用光纤,自建传输系统(SDH)
优点：可扩展性强，未来网络如需采取POS155M电路进行连接，无需对传输层作大改动。同时自建传输网络亦可为其它通信系统提供传输通路。
不足：建设一个覆盖全省SDH传输网，需要耗资数千万以至上亿，工程实施十分复杂，网络投资巨大，而且运行成本很高。

方案二：租用数字传输电路
优点：节省网络投资，工程实施简练方便。现在广东电信2Mb/s长途数字电路月租用费为6000元左右，盈通或其它运行商可能更廉价。
不足：网络可扩展性不强，自已可控制带宽不足，未来网络如需增加带宽，则需另外租用电路，运作费用昂贵。

方案三：利用广东省政府政务专网平台
广东省政府政务专网平台（以下简称专网）是广东省政府在利用“九运会”信息网络基础上，形成和互联网物理隔离统一电子政务专网平台，实现省委、省政府、省人大、省政协、省纪委内部办公网互联，实现省政府和各市政府网络平台互联，实现省直部门之间和省市部门之间和省市部门之间办公网互联。在此基础上实现省市之间、部门之间公文网上交换和电子邮件交换，在已初步建成省政府应急指挥信息系统基础上，将公安、“三防”、气象、交通、电力和国土等信息系统聚集在一起，为省领导决议指挥提供服务。
全省统一电子政务专网平台建成后，政府各部门在此网络平台上能够各自建立业务应用系统，而不需再独立建设部门间物理网，避免反复建设，实现资源共享。
专网平台物理结构是经过广州市内光纤网连接省政府各单位内网，经过租用盈通企业光纤通信网连接各市专网平台，采取155M SDH和2.5G DWDM连接，具体物理结构图2所表示。

图2：广东省政府政务专网平台物理结构

优点：充足利用现有资源，节省了网络投资，降低了运作费用，同时得到所需带宽。
不足：网络可扩展性不强，自已可控制带宽不足，且现在部分节点未覆盖到。

经过上述方案比较，认为应采取方案二和方案三混合方案：对于广东省政府政务专网平台已覆盖到各节点采取省政府专网平台传输电路，对于广东省政府政务专网平台未覆盖到节点采取租用数字传输电路，并应考虑到二者之间互连和网络安全性。

4．结束语
因为广东省三防指挥系统工程通讯和计算机骨干网络系统（GDFCNET）设计内容较多，且牵涉面广，技术较复杂，本文只对GDFCNET设计基础部分之一：网络体系结构和物理网设计进行简单分析说明、探讨，对于设计中网络节点组织、网络层寻址和命名模式、网络路由协议和桥接协议、网络管理策略、网络安全、网络设备选型和利用广东省政府政务专网平台具体处理方案等内容伴随该项目标开展需作更为具体分析、设计。

Design of Physical Network and Network Architecture in GDFCS-NET
……. Liao Zhenghong

作者介绍：廖征红（1971—），男，华南理工大学电子和信息学院工程硕士硕士，研究方向为计算机通信及水利信息化，现任北江防洪调度中心(信息中心)副主任、高级工程师。