數據通信網技術在鐵路系統中的應用分析

劇 凌

（北京鐵路局集團公司北京通信段，北京 100077）

1 數據通信網

數據通信網是由分布在各地的數據終端設備、數據交換設備和數據傳輸鏈路所構成的網絡，其功能是在網絡協議的支持下實現數據終端間的數據傳輸、交換。

1.1 網絡結構

數據通信網分為分組交換網、數字數據網、幀中繼/ATM網和IP數據網。其中，IP數據網支持數據業務、話音、傳真和視頻業務，應用最為廣泛。IP數據網主要由用戶終端、傳輸介質、網絡設備組成[1]。網絡結構基本模型如圖1所示。

圖1 數據通信網網絡結構基本模型

其中，用戶終端是用戶直接面對的終端設備，比如計算機、手機等。傳輸介質可分為有線（網線、雙絞線等）和無線（Wi-Fi、藍牙等）。網絡設備主要有路由器、交換機等。由于用戶終端與傳輸介質較為直觀，本文將著重討論網絡設備及其連接形成的網絡，因此后續論述的數據網不包括對用戶終端和傳輸介質部分。

IP數據網中最常見的設備是路由器和交換機。其中，路由器主要用以實現IP數據包高速路由和轉發，以路由處理為主。交換機的主要功能是完成數據轉發，追求轉發速率的最大化。

路由器按其路由處理能力可分為高端路由器和中低端路由器，其中高端路由器的交換能力大于40 Gbits，低于此數值的稱為中低端路由器。高端路由器的可靠性、擴展性和性能都要高于中低端路由器，通常處于網絡的核心位置。就交換機而言，數據網中的交換機是采用分組交換方式的以太網交換機，以滿足數據傳輸的需要。隨著網絡發展，以太網交換機也有一些具備了路由處理能力，如3層交換機。另外，以往的交換機接口都是電口，已不能滿足用戶的使用需求，而具有光口的光交換機則應運而生，并迅速在網絡中得到應用。

1.2 網絡協議

在通信網絡中，為了保證通信雙方能正確而自動地進行數據通信，針對通信過程的各種情況，制定了一整套約定，即網絡的通信協議。協議規定了網絡中使用的格式、定時方式、順序和檢錯。網絡協議是數據通信網不可缺少的組成部分。IP數據網遵循的是TCP/IP協議。TCP/IP是一組協議，其中最為核心的是TCP協議和IP協議。TCP（Transmission Control Protocol）是傳輸控制協議，它會在端到端建立一條虛擬通道，并要求數據包可靠通信，遇錯重發，并自動調整數據包發送速度以匹配通道擁塞程度，TCP協議保證了網絡傳輸的可靠和高效。IP（Internet Protocol）是互聯網協議，它為接入網絡的每一臺設備、每一個設備接口，都定義了一個地址（IPv4是32位，IPv6是128位），通過這樣的地址表達，確定出每個節點的位置，從而為數據包的轉發標記出“跳點”。

TCP/IP定義了網絡參考模型，將網絡分為4層，自下而上分別是網絡接口層、網絡層、傳輸層、應用層。網絡接口層主要規定了用戶應使用某種協議接入網絡，以便能夠以IP分組方式傳遞數據。網絡層最為關鍵，這也是IP協議工作的層，它用以實現用戶數據分組、轉發，使每一個數據包都能夠到達目的地。傳輸層則是TCP協議工作的層，傳輸層使要進行數據交換的2個用戶終端可以進行會話。應用層則是面向用戶的，像HTTP、FTP等協議工作在這一層，使用戶的表達可以接入網絡進行傳送。正是由于TCP/IP協議既不限制鏈路層的實現技術，也能包容應用層的復雜豐富，才使IP數據網有了如此飛速的發展。

2 鐵路數據通信網的應用和發展

數據通信網自誕生起，就帶來了信息傳送的革命性變化。50多年的時間，數據通信網從開始的幾臺電腦的連接、幾個字節信息的傳送，到現在全球范圍內的網絡互聯、數以億計的數據量傳送，完成了一次次技術飛躍。當數據通信網應用到鐵路運輸系統中以后，就為鐵路信息傳送提速提供了強大的網絡支撐。

2.1 數據通信網在鐵路系統中的應用

2.1.1 網絡結構

數據通信網的組網方式靈活多樣，常見的有線型、星型、樹型等，各種方式各有利弊。在鐵路系統中，數據網的結構也隨著需求而發生了變化。目前覆蓋全路的數據通信網由骨干網和區域網組成，鐵路總公司與各局集團公司間、各局集團公司間的為骨干網，局集團公司到各站、段等下屬單位的為區域網。在區域網中，數據網又按核心層、匯聚層、接入層搭建，各級的關鍵節點部署2臺路由器，路由器間縱向、橫向互聯，形成結構清晰、保護完備的信息傳送網絡。下面將以北京局集團公司目前使用的區域網絡為例，介紹鐵路數據通信網的網絡結構。

（1）核心層：在局所在地設置有2臺核心節點路由器，上聯骨干網轉發路由器，下接區域匯聚層匯聚路由器，并承擔局機關、調度所及就近站段單位的信息接入。（2）匯聚層：在區域樞紐節點設置有2臺匯聚路由器，1對1上聯核心節點路由器，2臺路由器之間，進行橫向聯結。向下聯結各地區接入路由器，并承擔設在當地站段單位邊界路由器（PE）的接入。（3）接入層：在各地區節點設置2臺接入路由器，不同節點間進行同序號間的串聯，并取適當位置的節點，1對1上聯匯聚路由器，同節點2臺路由器之間，進行橫向聯結，向下接入接入設備，現在多是采用吉比特無源全光網絡（Gigabit-Capable Passive Optical Network，GPON） 技術接入，如圖2所示[2]。從這樣的路由架構可以看出，網絡整體連接的安全性比較高，路由選擇冗余度比較高。

圖2 GPON系統結構示意圖

2.1.2 網絡協議

全路的數據通信網為多自治域結構，每個局集團公司構成獨立自治域。在自治域內部，多采用IS-IS協議。IS-IS（Intermediate System-to-Intermediate System）協議是由ISO制定的一種鏈路狀態路由選擇協議，通過建立鄰居關系獲得路由選擇，采用SPF算法確定最優路徑[3]。

在IS-IS中可以把區域分為2層：level 1和level 2。某臺路由器可以只是level 1或level 2路由器，也可以是level 1和level 2路由器。IS-IS中的區域劃分是基于路由器間的鏈路的，所有建立L2鄰居關系的路由器構成了level 2子域。IS-IS協議的主要目標是路由選擇信息的收集與擴散，以及在網絡的節點之間選擇最佳路徑，而IS-IS鏈路狀態數據庫是實現IS-IS協議目標的基礎。在IS-IS里，實現路由轉發首先需要建立鄰居關系，對鏈路狀態數據庫進行同步，再經過SPF計算得出路由表，路由器轉發進程根據路由表選擇合適的路由完成數據轉發。

路由協議必須擁有較高的可擴展性以滿足多變和發展的網絡環境，還應該能夠用較短的收斂時間來應對網絡拓撲發生變化引起的重新計算生成路由表的過程。在安全性上，路由協議還應該有一定的保護措施，來防范網絡攻擊。在這些方面，由于IS-IS協議的工作機制的特點，使得IS-IS協議下的網絡擴容相對易實現，而收斂時間在不同的網絡結構中不同。由于IS-IS協議直接運行于數據鏈路層，因此不會被基于IP的外部網絡攻擊，但IS-IS協議不能防范重放攻擊。

2.1.3 業務接入及隔離方式

隨著鐵路信息化建設的推進，數據通信網在鐵路系統中扮演了越來越重要的角色，越來越多的鐵路運輸生產信息需要通過鐵路數據網進行傳送。鐵路數據通信網主要承載的業務有視頻監控、視頻會議、貨票系統、車輛5T智能監控、電力遠動、語音記錄儀、財務聯網、辦公聯網、可視調度以及應急等。

以視頻監控業務為例，在車站、鐵路沿線、進出站咽喉區等關鍵位置，安裝視頻監控采集終端，接入視頻交換機，視頻交換機接入數據網的接入層接入路由器，通過數據網將視頻信號傳遞到相應網管中心服務器。

目前各種業務系統與數據通信網多以CE-PE方式互聯。其中，CE為業務網絡的邊界路由器，PE為數據網的邊界路由器。在同一節點，一般部署雙CE和雙PE，4臺路由器以“?”形式連接[4]。CE和PE間通過靜態路由協議進行路由交換，各業務系統使用多協議標簽交換（Multi-Protocol Load Switching，MPLS）虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）方式接入。

MPLS VPN是一種基于MPLS技術的IP VPN，是在數據網上應用的MPLS技術。通過將各種不同類型的業務劃分為不同的VPN，來實現各業務之間的隔離和不同服務質量（Quality of Service，QoS）保證。通過MPLS VPN技術，將不同業務劃分到不同的MPLS VPN，保證業務間的安全隔離，并對不同業務，設置不同的QoS策略。業務接入設備根據業務將不同端口或VLAN映射到不同的VPN[5]。

2.2 鐵路數據通信網的演化

起初，無論是鐵路信息網（Transportation Manayement Information System，TMIS）、客專數據通信網，還是鐵通建設后劃轉鐵路的數據通信網，均是搭建在傳輸網的基礎上，各路由器間均通過同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）傳輸網絡相連，接入路由器（Access Router，AR）上聯帶寬不超過10 M，匯聚層至核心層間的鏈路帶寬不超過155 M。主要在其中承載了生產信息、辦公、紅外線、動環、記錄儀等對帶寬需求不大的業務。隨著鐵路提速、高鐵客專線的建設，視頻監控和視訊會議等流媒體業務大量增加，對網絡帶寬的需求也急劇增加，數據網的容量無法滿足業務需求。但是，基于SDH傳輸網絡搭建的數據網，擴充容量非常受限。因此，數據網獨立組網在經過論證后，應用到了實踐中。新建的獨立組網的數據網或者依托于光傳送網（Optical Transport Network，OTN），充分利用了OTN網絡的靈活性，實現了路由器間的光纖直連，在路由冗余配置下，安全性不輸傳統模式。

不僅接入層、匯聚層和核心層的路由器完成獨立組網，大大提高了網絡的容量和靈活性，向用戶延伸的“最后一公里”，也從之前的非對稱數字用戶線路（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）的電接入發展到了GPON光接入。GPON是光接入網的主流技術方案，無論從可靠性還是造價上都具有較大優勢。應用GPON技術的光接入網主要由光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）、光網絡單元（ONU）和光分配網絡（Optical Distribution Network，ODN）組成。OLT直接上聯至AR，并采用雙上行模式，即同時接入AR01、AR02，并可以設置為路由自動切換模式，確保一個方向的路由不通時，可以自動切倒另一路由。OLT一般部署在車站通信機房，采用直流供電方式。ONU通過光纖+ODN與OLT相連，一般部署在用戶終端，將用戶終端接入數據網網絡，通常采用交流供電方式，壁掛箱式安裝，節省空間。OLT上的一個下聯口，可以通過ODN接入多臺ONU，并實現對ONU的管理。ONU上可以為用戶提供多種接入接口，包括以太網口、電話業務接口，并且同一臺ONU可以接入辦公網、視訊會議、視頻監控等多種業務類型，不同業務類型劃分不同VLAN相隔離。和ADSL的電接入相比，GPON光接入的接入能力更強、可提供帶寬更寬、部署造價更低，非常適合當前同一節點多種類、大帶寬業務接入需求。

現在獨立組網的新數據網已完成了與原有鐵路信息網和客專數據通信網的融合，再加上GPON技術將高速的光纖接入模式延申到工區班組，鐵路數據通信網已具備了全覆蓋、高帶寬、強接入的強大網絡能力，可以為鐵路信息業務提供豐富的網絡資源和強大的網絡支撐。隨著IP地址資源的重新劃分，各站段部門的生產網平滑過渡到由新數據網承載，老數據網內的業務也逐漸倒接入新網內承載，開通在新數據網中的辦公網業務，終端上行速率在技術上可達百兆。依托于雄厚的網絡資源，視頻監控和視訊會議大量接入，為旅客列車安全提供了有效保證，也使得靈活高效的會議辦公成為可能。

路由協議選擇上，也從之前使用開放式最短路徑優先（Open Shortest Path First，OSPF）協議逐漸改用IS-IS協議。誠然，OSPF協議和IS-IS協議都屬于內部網關協議（Interior Gateway Protocol，IGP）用于在單一自治域（Autonomous System，AS）內決策路由。但隨著網絡規模的擴大，在鐵路數據網中，OSPF協議逐漸被IS-IS協議所取代。OSPF協議和IS-IS協議都是鏈路狀態協議，工作機制主要包括了鄰居關系建立、鏈路狀態數據庫同步、SPF計算和路由轉發4個部分功能。在這4個部分功能中，鄰居關系建立的過程均使用Hello報文協議，但IS-IS里建立鄰居關系的檢查較為寬松，只要2臺IS-IS路由器間具備雙向連通性，雙方就一定能同步各自的鏈路狀態數據庫；OSPF中更為嚴謹，只有鄰居間的鏈路狀態數據庫同步之后，才能說2臺路由器之間建立了齊備的鄰居關系。鏈路狀態數據庫同步的過程中，2種協議的路由器都會定期生成和發出LSA/LSP，所不同的是，IS-IS協議的任何一個路由器都能丟棄錯誤LSP，而OSPF協議中，只有錯誤LSA的發送者才能丟棄該LSA。SPF算法的基本思路是：根據LSDB里描述的拓撲信息構建最短路徑生成樹，然后將LSDB里描述的路由信息作為樹上的葉子生成最終路由。OSPF和IS-IS都是基于Edsger Dijkstra的SPF算法。不過，IS-IS采用的是部分路由計算算法計算，將IP前綴信息和拓撲信息分別通告，從而當IP前綴發生增刪、調整時，可以降低路由運算量，使得IS-IS區域更具備可擴展性。在路由轉發方面，路由器經過SPF計算得到路由表，路由器轉發進程則根據路由表優選路由將數據進行轉發。在相同的網絡條件下，可以發現，IS-IS LS數據庫比OSPF LS數據的規模小很多，顯然，在大型網絡中，這是較為突出的優勢。除了工作機制，在可擴展性、安全性、收斂性幾個方面上，IS-IS協議也顯現出了高效、不易受外網攻擊、運算量小等優點。可以看出，盡管OSPF協議和IS-IS協議都是較為成熟的鏈路狀態路由協議，工作機制也相似，但IS-IS協議的一些特性與大型網絡的需求更為匹配，能夠使網絡更為高效、穩定地運行。

3 鐵路系統信息化對通信數據網發展的推動作用

通過梳理鐵路通信數據網的發展可以看出，正是由于鐵路系統信息化程度的不斷加深，才對網絡產生了更高的要求，從而推動了鐵路通信數據網的發展。而鐵路通信數據網的發展，又對鐵路高質量發展提供了有力支撐。

起初鐵路運輸能力有限，鐵路通信能夠滿足各種行車指揮命令傳遞的需要即可。隨著鐵路運營里程的不斷增加，鐵路運行速度不斷提高，鐵路生產管理也隨之提效，而提效手段之一就是信息化。因此，所傳遞的信息也不再僅限于行車指揮命令，而是逐漸增加了諸如生產管理、會議電視、票務信息、客戶服務、防災預警、視頻監控等各類信息。伴隨而來的就是對傳遞這些信息所用的通信網的運行速度和容量的巨大的需求增長，這些增長推動鐵路通信完成了從架空明線、磁石電話到光纖傳輸、數據通信的技術革新。到現在，鐵路通信已逐步形成沿鐵路部署、通達鐵路各生產崗位、作業點的全程全網、車地一體、統一調度的通信網，緊密契合鐵路運營需要[6]。鐵路通信數據網更是實現了從無到有、從小到大的規模建設。

4 鐵路通信數據網應用的趨勢分析

縱觀鐵路數據網發展的過程，既符合通信網絡發展的思路和方向，大容量、高效安全，又有鐵路行業應用的特色需求，網絡建設圍繞鐵路線開展，網絡結構清晰，設備運行環境復雜，對網絡的可靠性和安全性要求高，應急響應要求迅速。因此鐵路數據網將來的發展，將會是選擇成熟度高的技術方案，并充分結合鐵路運輸的實際需要，向更安全、更高效的方向高質量發展。

隨著AI時代的到來，物聯網、大數據等技術的廣泛應用，必將使各行業發生深刻變革。鐵路系統在“交通強國，鐵路先行”新時代使命引領下，也將會在技術革新上持續發力，各工種的新技術將發生迅速迭代，將使列車運行更安全、作業更高效。可以預見，這樣的技術迭代勢必需要大量的數據交互，這種數據交互將需要更加強大的通信網絡支撐，大數據量的信息交互將不僅限于遠距離傳輸，因此網絡末端的接入能力將會更大，網絡連接方式也將更加多樣，以靈活應對信息交互點位的變化。