基于泛在電力物聯網拓撲結構對網絡安全的影響分析

徐佳 封濤

【摘 要】在泛在電力物聯網大力發展的時代，網絡安全更顯得尤為重要。“黑客”攻擊他人似乎變得越來越“容易”，各種的教程、工具在網上層出不窮，并且這些人的目標也不單單瞄準普通人，而是越來越瞄準政府企業、運營商等關鍵行業的關鍵服務器進行攻擊。本文介紹了基于拓撲結構的研究以及對網絡安全的影響分析，從組網搭建設計層面加以比照，對網絡安全防護具有極強的借鑒意義。

【關鍵詞】泛在電力物聯;拓撲結構;網絡安全;影響;

1網絡拓撲結構應用現狀分析

1.1總線結構

總線結構的網絡拓撲應用很多，主要是一個總線上接入了很多的網絡設備，比如終端設備、服務器設備、交換機和路由器等，這些設備之間共享一根總線帶寬，數據通信的冗余能力弱，還不利于企業數據共享。

1.2星型結構

星型結構是總線結構的改進，由多跟總線構成，這樣就可以接入更多的設備，如果政企單位包括多個部門，此時每一個部門使用一根總線，多個部門使用多跟總線，同時多跟總線連接在一起就是星型結構，一定程度上提高了數據共享能力，能夠并發接入設備。

1.3網狀結構

星型結構的網絡沖突較多，不利于高速數據傳輸和交換，因此利用網狀結構可以實現數據的冗余傳輸，多部署了幾根帶寬，就可以實現星型結構的通聯，提高了數據傳輸的并發性。

2網絡拓撲結構

2.1環形網拓撲結構及其特點

環形網絡結構由網絡中若干節點通過點到點的鏈路首尾相連形成一個閉合的環，這種結構使公共傳輸線纜組成環型連接，數據在環路中沿著一個方向在各個節點間傳輸，信息從一個節點傳到另一個節點。在這種網絡結構中各設備是直接通過電纜來串接的，最后形成一個閉環，整個網絡發送的信息就是在這個環中傳遞。

實際上大多數情況下這種拓撲結構的網絡不會是所有計算機真的要連接成物理上的環型。一般情況下，環的兩端是通過一個阻抗匹配器來實現環的封閉的，因為在實際組網過程中因地理位置的限制不方便真的做到環的兩端物理連接。

這種拓撲結構的網絡主要有如下幾個特點：

（1）環形網絡結構實現簡單，成本較低。從拓撲結構圖中可以看出，組成環形網除了各服務器就是光纜，以及一些連接器材，并沒有價格昂貴的節點集中設備，如集線器和交換機。但也正因為這樣，所以這種網絡所能實現的功能最為簡單，僅能當作一般的文件服務模式。

（2）網絡是閉合型環路，所有節點都可以公平的訪問網絡的其他部分，信息的傳送是單向的，因此不會發生沖突，網絡性能穩定。

（3）可以使用光纖傳輸，而光纖的傳輸速率高，適合于環形拓撲的單向傳輸，并且環網中只需在各節點間放置線纜，因此所需光纖長度短，成本低，建網比較容易。

（4）環網中各節點都具有接收和轉發相鄰節點數據包的功能，因此環形結構網絡為有源網絡，不會出現信號減弱和丟失，利于信息的傳送。

（5）網絡成環后，當某一段鏈路發生故障時，網絡會自動從環路的其他方向傳遞數據包，不會導致設備的脫網，起到環保護的作用。

2.2星形網拓撲結構及其特點

星型拓撲結構是用一個節點作為中心節點，其他節點直接與中心節點相連構成的網絡。中心節點可以是文件服務器，也可以是連接設備?，F網的中心節點一般為核心路由器。

星型拓撲結構的網絡屬于集中控制型網絡，整個網絡由中心節點執行集中式通行控制管理，各節點之間的通信都要通過中心節點。每一個要發送數據的節點都將要發送的數據發送至中心節點，再由中心節點負責將數據發送到目地節點。因此，中心節點相當復雜，而各個節點的通信處理負擔都很小，只需要滿足鏈路的簡單通信要求。這種結構有如下特點：

（1）控制簡單，任何一節點只和中央節點相連接，因而介質訪問控制方法簡單，致使訪問協議也十分簡單。易于網絡監控和管理。

（2）故障診斷和隔離容易，中央節點對連接線路可以逐一隔離進行故障檢測和定位，單個連接點的故障只影響一個設備，不會影響全網。

（3）方便服務，中央節點可以方便地對各個站點提供服務和網絡重新配置。

（4）拓撲結構簡單，使得組網和維護起來比較簡便。

（5）擴展性好，增加新節點時，只需布放新節點與中央節點間的線纜即可，不會對全網運行構成影響。

總體來說，環形網絡成本低，建設容易，但是對于網絡節點多時，會導致環網性能下降。而星型網絡結構簡單，擴展性好，但是對于每個節點設備，尤其是中央節點設備要求較高，若中央節點設備出現故障，會導致全網故障。因此，在組網時需結合本地實際情況和當時的技術水平，選擇合適的網絡拓撲結構，以發揮網絡的最優性能。

3城域網網絡拓撲改造

3.1城域網結構及現狀

目前本地城域網主要有12大局向，即將全市寬帶接入分為12大部分，各個核心S9312負責一片區域，如圖1中的某局向的網絡結構所示，其中核心9312-1和核心9312-2均為匯聚的核心設備，上聯至BRAS，其余的A—F均為接入層9312設備。

在建網之初，結合當時情況及技術水平，均建立的是環形結構網絡的局向，其原因主要有：

（1）剛開始組網時，用戶及業務量均很少，網絡流量也少，采用環狀網不會影響性能。

（2）環狀網建設成本較低，只需要鋪設一條串聯全部節點的線纜即可，建設簡便快速。

（3）環形網成環后，對于環網上的設備有環保護，由于該結構將所有節點均串聯在一起，因此若某條鏈路發生了故障，不會導致設備脫網。

圖1本地網某局向網絡拓撲圖

隨著互聯網應用的深入，用戶數猛增，網絡流量也大幅增多，而此時環形網就已經開始不再適合現網的要求;另一方面，網絡技術和設備性能水平也得到了大幅度的提升，負載能力、處理能力和安全性都有較大提高。于是從2015年開始，對本地城域網開始了環改星的網絡結構優化改造，以提高網絡的安全可靠性能。

3.2環改星的優勢

將現行的環形網絡結構改造成星型網絡結構，具有如下好處：

（1）響應國家“提速降費”的政策號召。現行的環狀網鏈路為10GE速率的，由于其結構限制，所有環上節點共享這10GE的速率，無法再進行提速。而改造成星型網絡后，每個接入S9312設備均與核心S9312設備直接通過光纜相連，加上雙路由保護，接入速率最高可達20GE。

（2）網路的健壯性。環形網中，各個接入S9312與核心S9312設備均串行在一個環路上，環上某一節點發生故障都會影響全網。例如圖1中的C與核心S9312-1的連接需要通過A、B兩個接入設備，此時若A或B的某一單板發生故障，不但會影響本設備的數據包發送，也會影響C設備到核心S9312-1的數據包轉發。

（3）故障定位快速。環網中，兩節點之間的數據包發送出現故障，需要檢測兩點之間所有節點設備，才能找出故障點。例如，圖1中C與核心S9312-1中數據包出現丟包現象，則需要排查核心S9312-1、A、B、C4臺設備，不利于快速定位故障。而改造成星型網后，由于各接入S9312與核心設備直連，可以快速定位故障。

（4）響應時間。隨著用戶數的增多，必然會有更多的接入S9312并入到環網中，這就會導致環網的規模越來越大，環中的節點數越來越多，這樣勢必會影響網絡傳輸效率，使網絡傳輸時間延長。而采用星型結構時，每臺接入設備與核心設備是直連的，因此不會隨著網絡規模的擴大而降低傳輸效率。

（5）網絡擴展。環形網由于是所有設備串聯在一條環路上，因此若要在環上增添新的設備時，必須要斷開鏈路，勢必會影響全網的運行。而星型網結構如要增添新設備，只需鋪設相應的光纜，不會對其他設備和全網正常運行造成影響。

3.3環改星改造舉例

對于現網12大局向中的環形網絡結構，從2015年開始進行了環改星網絡優化改造項目，旨在將現有的環形網改造成更符合現網特點的星型網結構。以圖1中的局向為例，簡要介紹環改星的具體操作，圖2為改造后網絡的拓撲結構。

改造大致步驟如下：

（1）物理鏈路的布放，提前放置核心S9312-1至A、B、C，核心S9312-2至D、E、F的光纜。

（2）數據拷貝，將所涉及到的8臺S9312設備上的數據進行備份，以防止割接改造失敗后，可以恢復原狀，不影響網絡正常運行。

圖2改造后“星型”的網絡拓撲圖

（3）在核心S9312-1上分配到A、B、C的新的端口;在A上分配至核心S9312-1的端口，刪除至B的端口;在B上分配至核心S9312-1的端口，刪除至A、C的端口;在C上分配至核心S9312-1的端口，刪除至B、D的端口。

（4）在核心S9312-2上分配到D、E、F的新的端口;在D上分配至核心S9312-2的端口，刪除至C、E的端口;在E上分配至核心S9312-2的端口，刪除至D、F的端口;在F上分配至核心S9312-2的端口，刪除至E的端口。

（5）所有數據制作完畢后，核查業務，檢查全網是否正常運行，用戶是否能夠正常上網。

進行網絡改造后，現網成“星型”結構，各接入節點與核心節點之間單獨直連，為了提高安全可靠性，所有的直連鏈路均為雙聯路保護，并且連接端口保證不處于同一個板卡上。

改造前，所有節點設備成環形鏈路，共享10GE的速率，整體的鏈路使用率達到了90%。改造后，接入設備與核心設備均為雙鏈路直連，按每條鏈路10GE算，改造后各接入設備可以達到20GE的速率，利用率也下降為30%左右，減輕了設備負荷，提高了安全可靠性。

結論

在泛在物聯網的發展中，運營商側的網絡安全重點就是要維護網絡的安全可靠運行，運營商需要通過建立相應制度和采取相關技術和管理手段，來保障各設備的高安全性。同時，要保障整個城域網的安全運行以及用戶的安全可靠接入網絡，接入的中斷意味著巨額的損失，也是嚴重的安全事故。而隨著互聯網的發展，網絡接入用戶和業務流量的激增都對現有的城域網絡提出了更高的要求，本文提出的對網絡結構的改造，充分發揮了星型網絡的優勢，對于現網的承載能力、容災能力都有所提高。

參考文獻：

[1]王松，張野，吳亞東.網絡拓撲結構可視化方法研究與發展[J].網絡與信息安全學報，2018（02）：114-115.

[2]李貞妮，李晶皎，王愛俠等.一種新型片上網絡拓撲結構及其自適應路由算法[J].東北大學學報：自然科學版，2017，38（09）：1217-1221.

作者簡介：

徐 佳（1993-），男，工學學士，初級工程師，從事電力系統自動化工程調試及應用.

封 濤（1987-），男，工學學士，工程師，從事電力系統自動化工程調試及應用.

（作者單位：南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司）