城市智能交通系統網絡傳輸設計

傅鵬程 宣林川 周宇林

摘 ?要：城市智能交通系統所用的數據傳輸網絡是一種大中型網絡，分為有線傳輸網絡和無線傳輸網絡，涉及與公安內部單位、城市各單位所組建不同局域網之間的信息共享（與公安信息通信網的信息交互），也涉及與其他外部局域網絡的信息交互。文章主要從智能交通系統的特點出發，在網絡整體拓撲、匯聚層、核心層等方面進行詳細設計，建立一個能夠滿足城市智能交通管理信息網絡發展的網絡系統。

關鍵詞：智能交通；專網；接入層；匯聚層；核心層

中圖分類號：TP393 ? ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：2096-4706（2023）14-0161-06

Network Transmission Design of Urban Intelligent Transportation System

FU Pengcheng1，2，3， XUAN Linchuan1，2，3， ZHOU Yulin1，2，3

（1.Anhui Keli Information Industry Co.， Ltd.， Hefei ?230088， China; 2.Key Laboratory of Urban Traffic Management Integration and Optimization Technology of theMinistry of Public Security， Hefei ?230088， China; 3.Anhui Intelligent Transportation Key Laboratory， Hefei ?230088， China）

Abstract： The data transmission network used by the urban intelligent transportation system is a large and medium-sized network， which is divided into wired transmission network and wireless transmission network. It involves information sharing （information exchange with the public security information communication network） with different LANs established by internal units of the public security and various units of the city， as well as information exchange with other external LAN. Based on the characteristics of intelligent transportation system， this paper designs the overall network topology， convergence layer， core layer and other aspects in detail to establish a network system that can meet the development of urban intelligent transportation management information network.

Keywords： intelligent transportation; private network; access layer; convergence layer; core layer

0 ?引 ?言

城市智能交通系統網絡傳輸的視頻圖像、數據涉及部分機密內容，對網絡安全性、可靠性的要求相對較高，基本采用光纖傳送視頻信號、數據信息等。由于光纖具有頻帶寬、安全性好，抗干擾能力強的優勢，故能得到很高的圖像質量，多路傳輸和雙向傳輸也很容易實現。這樣大大擴展了城市智能交通網絡系統的應用，對于網絡數據傳輸質量要求高、應用系統范圍大、實時性要求高的城市智能交通管理是非常合適的。同時，網絡通信系統是一切信息傳送的載體，其設計好壞將直接影響智能交通系統的整體建設。

1 ?需求分析

本文設計建設一套全面完整的智能交通網絡通信系統，主要滿足如下需求：

1）為交通信號控制系統聯網信號的傳輸提供通信鏈路。

2）為交通信息采集系統數據的無線傳輸提供通信鏈路。

3）為交通違法行為監測記錄系統上傳違法圖片及視頻提供傳輸通道。

4）為交通視頻監視系統的視頻及控制信號提供傳輸通道。

5）為公路車輛智能監測記錄系統上傳過往車輛通行數據及視頻提供傳輸通道。

6）為交通信息發布系統的數據和控制信號提供通信鏈路。

7）為交通移動警務等移動系統的建設提供無線傳輸通道。

8）通過QoS對不同業務的傳輸通道進行帶寬保障。

9）為大隊的核心層和匯聚層進行有效的安全防護和等級保護。

通過本期項目建設路口/路段—中心匯聚—大隊交通指揮中心三層網絡，同時根據交通信號控制、交通視頻監控、交通違法行為中心管理、交通移動警務系統等不同業務重要性和不同等級，提升不同子系統數據傳輸的可靠性與安全性。

2 ?智能交通專網拓撲設計

2.1 ?網絡總體拓撲結構

本文設計的網絡通信系統由接入層網絡、匯聚層網絡以及核心層網絡等組成，根據業務需要，網絡總體架構提供并實現如下功能：

1）在各路口/路段設立路口/路段接入層網絡（包括無線設備接入），負責與各路口/路段之間網絡互聯互通，設計搭建千兆樹型智能交通專網，負責網絡中不同設備節點的傳輸功能，并匯聚路口的系統終端設備。

2）在智能交通數據中心建設匯聚層傳輸網絡，負責與核心層網絡互聯互通，負責管轄區域內的傳輸匯聚功能。

3）在智能交通數據中心建設智能交通指揮中心網絡核心平臺，負責與匯聚層網絡互聯互通，負責整體的道路交通監控指揮調度功能。

網絡總體拓撲結構圖如圖1所示。

2.2 ?路面內部接入網絡

路口內部各方向的闖紅燈系統高清攝像機通過工業級光纖收發器與路口工業以太網交換機電口對接，本方向路口監控攝像機和交通信號控制機通過電口與路口工業以太網交換機對接。路口內部網絡通信鏈路設計如圖2所示。

路段上違停抓拍系統和視頻監控等系統前端設備通過工業級交換機直接接入中心匯聚層交換機，以此減少中間設備的光電轉接，提高設備與系統之間的穩定性。路段設備內部網絡通信鏈路設計如圖3所示。

2.3 ?外場匯聚網絡結構

在智能交通系統設計中，針對各路口路段的光纖通信將采取租用網絡通信運營商的1芯裸光纖連接到運營商的某些中間端點，之后再通過光纖匯聚到智能交通數據中心匯聚層交換設備。

路口匯聚、路口數據與智能交通數據中心之間依然采用樹型網絡拓撲，路口、路段設備直接通過光纖收發器連接至路口路段接入層工業交換設備，各路口路段接入層交換設備與智能交通數據中心的連接采用千兆光口連接。

2.4 ?核心網絡結構

智能交通數據中心網絡通信是智能交通專網的業務核心網絡，其安全、可靠地運行是整個公安交警各個部門業務系統正常運作的前提條件，因此采取網絡設備冗余備份方案。該核心層網絡的冗余包括光纖線路和核心交換設備的冗余。采用兩臺企業級交換機，組建全冗余核心交換，完成外場設備通信網絡接入、服務器群交換機接入以及安全設備的接入。本方案采用企業級雙引擎核心交換機組建核心層數據交換，網絡要求采取冗余備份設計。

2.5 ?數據中心網結構

在鏈路設計上，考慮采用雙鏈路全冗余式設計，實現“服務器匯聚交換機—核心交換機”的雙鏈路連接。服務器交換機鏈路即是通過兩臺邊際交換機接入核心交換機，實現接入交換機冗余。

2.6 ?智能交通專網與公安網邊界

根據公安部關于《公安信息通信網邊界接入平臺安全規范（試行）》和《公安信息通信網邊界接入平臺安全規范（試行）——視頻接入安全部分》等相關文件要求，結合區智能交通管控平臺信息化建設的實際需求，有針對性地建設邊界安全接入平臺，實現管控平臺數據在公安網中的安全接入以及信息的高效交換。本設計通過市局現有邊界平臺完成智能專網與公安網的數據交互，如圖4所示。

2.7 ?智能交通專網與互聯網接入

根據公安部交管局《互聯網交通安全綜合服務平臺建設指導意見》的相關要求，為了進一步充實和完善智能交通交管社會化服務平臺的功能，滿足現有以及未來交通管理的需要，特建設智能交通專網與互聯網邊界安全接入平臺。

本次設計主要采用網閘和相關VPN網關、防火墻、網閘設備等對智能交通專網和互聯網實現網絡隔離，并實現應用數據的高速擺渡。

與移動、聯通等合作建立無線VPN專網，通過VPN隧道技術和CA認證的方式實現無線應用接入訪問，根據遠程設備終端通過無線網絡訪問指揮系統內網的需求，建議采用SSL VPN的方式將遠端用戶安全地接入內網，實現智能交通專網業務的跨網絡安全訪問，提高無線接入的安全性。

網閘是實現網絡“物理隔離”的關鍵部件，通過網閘切斷所有基于網絡協議的連接，使外部終端無法直接訪問公安信息通信網，確保視頻專網與互聯網隔離。該設備為三部件架構，采用專用的硬件和安全芯片，通過專用的通信協議進行數據擺渡。此外，對所有過往的流量都剝離了通信協議，保證所有協議的剝離和再生過程都接受安全審計，并且具有防范各種網絡協議攻擊（如DDOS、LAND、滴淚攻擊等）的能力。

3 ?智能交通專網業務設計

智能交通網和公安網的主要業務數據類型包含數據業務、音頻業務和視頻業務，根據IP數據網的不可靠性特征，有必要根據不同的業務應用需求進行規劃性設計，其中包含IP地址規劃、路由規劃、VLAN規劃、匯聚點設計等特性規劃。

3.1 網絡匯聚設計

在智能交通系統設計中，對各路口路段的光纖通信采取租用網絡通信運營商的光纖連接到運營商的某些中間端點，之后再通過光纖匯聚到數據中心匯聚層交換設備。匯聚層交換機通過兩條萬兆光纖互連，使用鏈路捆綁技術和集群技術，將兩臺物理交換機虛擬成一臺邏輯交換機，再通過雙鏈路連接至核心交換機。

同時，由于外場網絡不可控，為增強安全性，在匯聚交換機與核心交換機之間部署一組防火墻（主備），以透明模式接入網絡，對網絡結構和路由不會產生影響，同時起到安全訪問控制與隔離的作用。

對路口路段子系統而言，首先需要接入同一方向的設備，須在落地機柜中部署支持2個千兆光口+8路千兆電口+100M/1 000M工業交換設備。由于其他方向前端點位到落地機柜是通過點對點光纖收發器的方式實現的，且運營商光纖僅部署至落地機柜。因此，電子警察等方向設備通過光纖收發器，選擇落地機柜做匯聚，并按照VLAN規劃表對每個路口的設備進行VLAN劃分，然后通過運營商做幾個路口、路段子系統的匯聚。

匯聚層設備直接接入經過運營商匯聚后的路口路段系統，并針對每個路口路段設備進行VLAN標簽的剝離，然后進行路由匯總，轉發至核心交換機。這樣設計的目的，可以將就近樓層的網絡進行初期的收斂匯聚，減輕核心交換機的負擔，便于排障，一旦子網內部出現故障，也不會影響到其他子網的使用，反之，一旦核心交換機出現故障，內部數據交換不需要通過核心交換機即可順利進行。

在匯聚點選擇上，原則上是按照路口、路段帶寬容量進行計算后，參照運營商光纖資源設置多路口多路段的匯聚點。

3.2 ?傳輸及帶寬設計

智能交通網絡通信系統內部傳輸方式設計如下：

1）核心交換機與匯聚交換機采用單模雙芯光纖跳線連接。

2）匯聚交換機與接入交換機采用CAT6雙絞線連接。

3）接入交換機與設備采用CAT6雙絞線連接。

4）內部綜合布線采用CAT6雙絞線連接。

外場智能交通設備接入方式如下：

1）租用點到點裸光纖資源，與現有模擬視頻監控共用線路，條件具備的情況下為首選方案。

2）租用ISP光纖專線，帶寬建議根據現場情況確定，但不應低于50M，并且支持未來不增加前端設備的情況下擴容到200M或更高。

3）對于新建道路需要考慮預留光纖資源自行組網，然后統一將租用線路與中心連通，節約光纖資源和租賃費用。

3.3 ?IP地址設計

智能交通專網需要使用獨立的私網地址，由于網絡規模較大，需要提前對整個網絡進行地址規劃。IP地址的分配必須采用VLSM技術，保證IP地址的利用率。采用CIDR技術可減小路由器路由表的大小，加快路由器路由的收斂速度，也可以減小網絡中廣播的路由信息大小。

內部網絡IP地址編碼建議：

采用區域+類型的分配方式，先按區域分配IP地址，再在每個區域中按照地址類型劃分IP地址。IP地址總資源為172.19.0.0-172.19.255.255，前期智能交通已使用172.19.0.0-172.19.137.255，本期使用172.19.138.0-172.19.255.255。

IP地址規劃原則：

IP地址規劃主要考慮網絡的拓撲結構，一定要便于網絡高效路由。按視頻、信號、交通流、非現場執法、卡口、誘導、事件檢測、分中心及應用等進行IP地址分段。

在進行設備網絡地址分配時，原則上最后一位為0、255不向設備分配，子網掩碼設置為255.255.255.224，網關設置為172.19.X.X。

3.4 ?VLAN設計

VLAN是為解決以太網的廣播問題和安全性而提出的一種協議，它在以太網幀的基礎上增加了VLAN頭，用VLAN ID把用戶劃分為更小的工作組，限制不同工作組間的用戶二層互訪，每個工作組就是一個虛擬局域網。虛擬局域網的好處是可以限制廣播范圍，并能夠形成虛擬工作組，動態管理網絡。每一個VLAN都包含一組有著相同需求的計算機工作站，與物理上形成的LAN有著相同的屬性。但由于它是邏輯地而不是物理地劃分，所以同一個VLAN內的各個工作站無須放置到同一個物理空間中，即這些工作站不一定屬于同一個物理LAN網段。一個VLAN內部的廣播和單播流量都不會轉發到其他VLAN中，從而有助于控制流量，減少設備投資，簡化網絡管理，提高網絡的安全性。

智能交通專網建議按照地理區域和業務類型兩個原則劃分VLAN，如不同路口智能交通設備分屬不同的VLAN，各二級單位分屬不同的VLAN，減少網絡內廣播流量，防止如ARP類病毒的擴散。

4 ?網絡可靠性設計

4.1 ?設備硬件冗余

為了消除單點故障，對于關鍵設備設計采用硬件冗余方式。

本期設備配置中，對于中心核心交換機、交換機以及防火墻采用主控引擎模塊、風扇、電源等關鍵部件冗余配置。

這些關鍵部件皆為1+1冗余，當有一個部件失效時不會對網絡正常運行造成任何影響。智能交通專網將采用2臺核心交換機，每個外聯出口都使用2臺防火墻互為冗余，當任一防火墻拓機時也不會造成全網癱瘓。

4.2 ?傳輸鏈路冗余

智能交通專網核心交換機之間則通過2條萬兆光纖互連，進行網絡集群配置，避免因為某一電纜故障而導致的拓撲變化，最大程度保證鏈路暢通。

外聯的匯聚交換機通過2條光纖鏈路分別連接到中心核心交換機。

智能交通數據中心各服務器都使用2條網線連接到2臺物理接入交換機。

5 網絡管理系統設計

智能交通網絡管理系統主要是針對局域網、廣域網和互聯網上的網絡設備（包含有線設備、無線設備等）、網絡安全設備的故障監控和性能管理，是集中式、跨平臺的綜合監控管理系統，可以對不同廠家各種不同型號或單一廠家單一的網絡設備及安全設備進行全面深入的監控管理，以全面提升智能交通網絡相關設備的管理效率。智能交通網絡建設一套專用智能交通網絡管理系統。該系統具有設備管理、拓撲管理、故障告警、安全管理等一體化管理功能；為網絡設備、安全設備管理業務提供信息化管理系統的支撐。智能交通網絡管理系統主要用于快速發現故障設備，智能分析故障根源，有效處理故障設備，用于分析和監控各類網絡設備的運行狀況。具體實現方式如圖5所示。

6 ?網絡測試

主要包括功能要求、可靠性、安全性、性能、穩定性測試等，測試報告如表1、表2、表3所示。

7 ?結 ?論

采用接入層、匯聚層、核心層等層次化、模塊化的網絡設計思想，不同層次關注不同的特性，整網層次清晰、網絡結構穩定、物理可靠，既可實現實時回傳不丟包、視頻調閱不卡頓的效果又能夠做到整網安全可控可運維，使得建成后的智能交通專網同時滿足業務發展架構訴求、流量突發帶寬訴求、安全訴求及海量網絡設備運維訴求，具有重大的社會意義和推廣價值。

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作者簡介：傅鵬程（1987—），男，漢族，安徽六安人，工程師，本科，研究方向：交通機電與信息化方向。