广东省三防指挥系统工程通讯与计算机骨干网络系统的网络体系结构和物理网设计.doc

广东省三防指挥系统工程通讯与计算机骨干网络系统
的网络体系结构和物理网设计
廖征红
（华南理工大学 电子与信息学院，广州 510641 2023年）

摘要：根据广东省三防指挥系统的应用业务需求和特点，并结合目前先进、成熟的网络技术，对广东省三防指挥系统工程通讯与计算机骨干网络系统的设计基本部分之一：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；通讯与计算机骨干网络；体系结构；物理网设计

1前言
广东省三防指挥系统工程通讯与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，并与国家防汛指挥系统相连的具有综合业务能力的开放式的大型互联网络系统，将建设一个全省范围的水利系统的数据、语音和视像三合一的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的运营与服务，实现各级三防部门共享信息，为有关部门提供信息服务，并为省水利系统其他业务如水质与水环境、行政首脑机关办公决策服务系统等提供网络服务。
GDFCnet是广东省三防指挥系统工程的基础，将实现涉及广东省水利厅与国家防总、水利部、省政府、省直有关单位、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的宽带广域联网。
由于GDFCnet的设计内容多而复杂，现结合目前先进、成熟的网络技术，对该项目的基本内容之一：网络体系结构和物理网设计的要点进行分析。

2网络体系结构
GDFCnet的网络互联协议采用TCP/IP。其理由是：TCP/IP协议被国际国内广泛采用，是事实上的工业标准；几乎所有的重要网络操作平台都支持TCP/IP协议；TCP/IP与低层网络技术无关。
GDFCnet采用Internet/Intranet运营模式。

2.1 网络接口层
TCP/IP体系结构中的网络接口层提成两个子层：物理层和数据链路层，分别相应于ISO/OSI的物理层和数据链路层。在GDFCnet中的物理层重要是指数据传输媒介和物理接口，涉及：AUI、RJ45、RS232、RS449、X.21、V.35、RJ11等端口协议。数据链路层协议则涉及：IEEE802.x、ATM、Frame Relay、X.25、PPP等。

2.2 网络层
GDFCnet的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
GDFCnet的TCP层重要使用两种协议：TCP和UDP。
TCP协议提供了一种面向连接的、可靠的数据流传输服务，它可以保证端到端的数据无差错传输，这种可靠服务是以增长复杂的校验、超时判断、重传等功能为代价的。TCP协议用于面向连接的数据传输。
UDP协议则是一种无连接服务，它没有数据纠错、重传能力，所以UDP协议只提供一种不可靠的、无连接的服务，没有TCP协议具有的纠错机制。UDP协议重要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一些服务，GDFCnet采用其中一些常用的服务，重要有：
TELNET：远程登录服务；
FTP：文献传输服务；
DNS：域名服务；
SMTP：电子邮件传输协议；
HTTP：超文本链接协议；
SNMP：简朴网络管理协议。

3物理网设计
物理网设计涉及广域带宽需求预测和分析、网络拓扑结构设计、电路设立。
3.1 信息种类及广域带宽需求预测和估算
广域网中继带宽的选择，既要考虑到目前准备上网的各业务和应用系统的需要，又要可以满足在一定的发展需求。
3.1.1 气象信息估算
(1)气象报信息
每日按信息量8Mbit计算，规定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
每日按接受量16Mbit计算，规定在1小时内传输完毕，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，规定10分钟传输完毕，则峰值流量为：16ⅹ1024/600=27.3kbps
(4)气象传真图
按日接受信息量32Mbit,规定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的效率以及也许的重发等因素，估算气象信息总的带宽需求约为64kb/s；

3.1.2 遥测信息量的估算
我省共有各种类型的报汛站352个。其中向中央（国家防总报汛的各类站点72个），由于经济的发展以及三防的需要近期还计划增长16个报汛站点，使全省各类报汛站达368个。按将来所有报汛站所有采用自动遥测站考虑。
(1)估算依据
主汛期从每年的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分钟时间把所有遥测信息传递完.
(2)估算结果
水情分中心信息量估算
我省共有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倍考虑分中心的互换，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的效率以及也许的重发等因素，估算遥测信息总的带宽需求不会超过1kb/s；

3.1.3 实时水情工情旱情带宽的估算
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，但大体可分为七类：电子邮件、公文流转、文献传输、信息管理、科技教育、水利经济以及其他。加上办公自动化系统内部管理信息的互换，文档数据库之间的复制机制等因素，估算带宽需求为64kb/s。

3.1.5 公司内部电话
按照平均每个节点高峰时同时有5人在打内部电话，以目前的语音压缩技术，可达成每路话占用带宽8kb/s-10kb/s，则每个节点需要50kb/s的带宽；

3.1.6 Intranet 访问信息量（OA网信息）
按照平均每个节点高峰时有20人上网，抱负的访问速率至少应达成每秒5kByte，即40kb/s，则每个节点需要800kb/s的带宽。

3.1.7 系统信息量
网络管理信系统按照64kb/s的带宽考虑。

3.1.8 会议电视
参考广东省电信公司已建成的覆盖全省的会议电视网，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的需求。因此，在本设计中将会议电视的带宽需求定为2M。

3.1.9其他系统对广域网带宽的需求按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，若考虑各种业务之间的集中系数（即各应用系统不会同时出现峰值带宽的占用），广域网络的峰值带宽需求应当更低。故：
省三防指挥中心至各地市的三防指挥分中心节点之间的信道带宽为2×2Mb/s。以后，随着形势的发展，网上业务的增多，可以通过逐步提高网络带宽；
省省三防指挥中心至4个直属工程管理单位节点之间的信道带宽为2Mb/s；
省三防指挥中心与广东省人民政府、珠江水利委员会之间信道带宽为2Mb/s ；
与广东省电力集团公司、广东省气象局等有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之间信道带宽为2Mb/s。

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

3.3网络拓扑结构
网络结构可以有星型、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个具有三防、或工程管理、或工程设计研究任务的下属单位以及上级单位、横向联系单位直接连接到省三防指挥中心，形成GDFCnet的广域网。

(2)树型结构方案
省三防指挥中心以及设定几个重要的地市或工程管理、或工程设计研究任务的下属单位所在地作为枢纽节点，其它的地市或工程管理、或工程设计研究任务的下属单位分别与省三防指挥中心等枢纽节点互连,形成GDFCnet的广域网。

(3)网状结构方案
以省三防指挥中心、几个重要的地市或工程管理、或工程设计研究任务的下属单位作为枢纽节点，互相间采用不完全网状，但保证枢纽节点至少有两条迂回路由， 形成骨干网的核心层；其它的地市或工程管理、或工程设计研究任务的下属单位分别与省三防指挥中心等枢纽节点互连,形成GDFCnet的广域网。

(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的数据传输最快，由于端节点到中央节点之间没有任何路由和互换设备，不存在信息传输的瓶颈。
任意两个节点之间不存在回路，简化了路由的选择。
网络和系统的管理维护可以由省三防指挥中心统一操作，易于统一、规范。
●星型结构的缺陷重要有：
省三防指挥中心节点是各路信息传输的目的节点或转发节点，很容易形成信息传输瓶颈。
省三防指挥中心节点是故障集中点，节点的瘫痪将导致整个网络系统崩溃。

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的信息传输不需通过省三防指挥中心节点，减轻了省三防指挥中心节点的压力。
同一个枢纽节点范围内系统的运营管理和维护相对独立，当省三防指挥中心节点崩溃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，可以简化路由的选择。
●树型结构的缺陷重要有：
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：
几个信息传输较为集中的节点之间构成网状结构，采用动态路由技术自动搜索路由，消除了故障集中点，增强了网络的可靠性。
节点之间信息传输有多条信道，经适当配置可以实现信息传输，负载分布均衡。
●网状结构的缺陷重要有：
动态路由技术带来的信息流量增长了网络的传输压力。
信道的冗余增长投资成本。
增长了网络管理的难度。

从网络的可靠性看网状结构最佳，从传输效率、可管理性以及路由配置简便限度上看星型结构最佳。
并且根据GDFCNET网的实际需求及网上业务流量流向分析，广东省三防指挥系统的信息流向多是上下纵向的，横向信息互换较少，所以GDFCNET网拟采用星型拓扑结构方式为主组网。
由于广州、佛山、江门、汕头、肇庆、韶关、梅州、惠州等水文分局与本地的三防指挥分中心不在同一大院，为了节省各地市到广州的长途传输电路和路由链路等的设立，上述八市的水文分局均先与本地的三防指挥分中心节点相连，经本地的三防指挥分中心节点汇集到省三防指挥中心节点。
在四个直属单位中，除广东省水利厅与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，考虑到现有的行政架构和业务流程，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。
具体的网络拓扑结构如图1所示：

图1：网络拓扑结构图

3.4电路设立方案
电路设立可以有以下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，未来网络如需采用POS155M的电路进行连接，无需对传输层作大的改动。同时自建的传输网络亦可为其他的通信系统提供传输通路。
局限性：建设一个覆盖全省的SDH传输网，需要耗资数千万以至上亿，工程实行十分复杂，网络投资巨大，并且运营成本很高。

方案二：租用数字传输电路
优点：节省网络投资，工程实行简洁方便。目前广东电信的2Mb/s的长途数字电路的月租用费为6000元左右，盈通或其他运营商的也许更便宜。
局限性：网络可扩展性不强，自已可控制带宽局限性，未来网络如需增长带宽，则需此外租用电路，运作费用昂贵。

方案三：运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）是广东省政府在运用“九运会”信息网络的基础上，形成与互联网物理隔离的统一电子政务专网平台，实现省委、省政府、省人大、省政协、省纪委的内部办公网互联，实现省政府和各市政府网络平台互联，实现省直部门之间以及省市部门之间以及省市部门之间的办公网互联。在此基础上实现省市之间、部门之间的公文网上互换和电子邮件互换，在已初步建成的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汇集在一起，为省领导决策指挥提供服务。
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可以各自建立业务应用系统，而不需再独立建设部门间的物理网，避免反复建设，实现资源共享。
专网平台的物理结构是通过广州市内光纤网连接省政府各单位的内网，通过租用盈通公司的光纤通信网连接各市的专网平台，采用155M SDH和2.5G DWDM连接，具体物理结构如图2所示。

图2：广东省政府政务专网平台物理结构

优点：充足运用现有资源，节约了网络投资，减少了运作费用，同时得到所需带宽。
局限性：网络可扩展性不强，自已可控制带宽局限性，且目前部分节点未覆盖到。

通过上述方案的比较，认为应采用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的各节点采用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的节点采用租用数字传输电路，并应考虑到两者之间的互连以及网络安全性。

4．结束语
由于广东省三防指挥系统工程通讯与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设计的基本部分之一：网络体系结构和物理网设计进行简朴的分析说明、探讨，对于设计中网络节点的组织、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、网络设备选型以及运用广东省政府政务专网平台具体解决方案等内容随着该项目的开展需作更为具体的分析、设计。

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

作者简介：廖征红（1971—），男，华南理工大学电子与信息学院工程硕士研究生，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。