（通信与信息系统专业论文）新一代气象传输网络的设计与实现.pdf

摘要 摘要 我国是自然灾害的多发国家，气象灾害每年都会带来巨大的经济损失。随着 我国国民经济的发展，迫切需要气象部门提供优质的气象服务，以减少气象灾 害造成的损失，保障国民经济建设的顺利进行。上世纪，气象通信业务在历经 4 次大的发展阶段后，气象通信网络已颇具规模，对气象事业的发展起到了基 础性的保障作用。进入2 i 世纪后，我国原有的气象卫星通信网，由于全国各地 气象通信发展水平不尽相同，多数省份通信链路的质量已经越来越无法满足气 象信息传输的要求，特别是无法满足全国统一部署的数字化气象雷达实时联网 和高速传输的需求。因此，全面提高气象业务服务能力，急需加强气象通信能 力的建设。 针对这一现状，本文结合气象业务发展需要，设计和实现了新一代气象传 输网络。新一代气象传输网络面向气象部门新的数据传输需求，基于电信运营 商的公共网络平台进行建设。基于电信运营商的公共网络平台是气象传输网络 系统的主要特点之一，也是电信服务发展的直接结果。作为下一代的网络基础 架构，网络设计和业务化是气象传输网络系统在网络层面上所面临的首要问题。 同时，如何在长距离宽带网中解决好路由震荡的问题及全网的带宽分配问题、 q o s 保证呢? 本文的主要贡献可概括如下： ( 1 ) 提出了层次化、多信道综合的全连接的网络拓扑结构，解决了原来的 气象传输网络中省级l 日j 不能直接通信的弱点。 ( 2 ) 气象传输网络存在长距离传输的特点，本文从气象传输网络的特点出 发，描述了如何以路由策略解决全网路由震荡的问题。 ( 3 ) 原有的气象传输网络中未设计q o s 保证，本文依据新时期气象业务的 需求，提出了结合气象数据业务实现对气象网络系统中各种业务数据的q o s 保 证的实现方法。 关键词：气象网络拓扑 路由策略服务质量 ab s t r a c t a b s t r a c t t h ef r e q u e n c yo fn a t u r a ld i s a s t e ri s h i g hi nc h i n a ，w h i c hr e s u l t s i ng r e a t e c o n o m i c sl o s se v e r yy e a r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c s ，h i g hq u a l i t y m e t e o r o l o g i c a ls e r v i c ei sn e e d e d i n2 0 mc e n t u r y ，m e t e o r o l o g i c a lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kd e v e l o p e d r a p i d l y a f t e rf o u r s t a g e s o fd e v e l o p m e n t ，w h i c hm a d e m e t e o r o l o g i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd e v e l o p m e n to nal a r g es c a l e t h e n ，i n2 1t h c e n t u r y , m a n yc o m m u n i c a t i o n l i n k si nt h eo l dm e t e o r o l o g i c a lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kh a dn o tm e tt h er e q u i r e m e n to ft h et r a n s m i s s i o no fm e t e o r o l o g i c a l i n f o r m a t i o n ，e s p e c i a l l yt h er e q u i r e m e n to ft h er e a lt i m ec o n n e c t i o no ft h ed i g i t a l m e t e o r o l o g i c a lr a d a r sa n dh i 曲s p e e dt r a n s m i s s i o n s o ，t oa d v a n c em e t e o r o l o g i c a l s e r v i c e ，e n h a n c i n gt h em e t e o r o l o g i c a lc o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t yi sn e e d e d t h i sp a p e rd e s i g n san e wg e n e r a t i o no fm e t e o r o l o g i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fm e t e o r o l o g i c a lb u s i n e s s t h en e wt r a n s p o r tn e t w o r k b a s e do nt h ep u b l i cp l a t f o r mo fc a r r i e rn e t w o r k sf o c u s e so nt h en e wm e t e o r o l o g i c a l d a t at r a n s m i s s i o nb u s i n e s s a san e x tg e n e r a t i o no ft h eb a s i cn e t w o r kf l a m e ，t h e m a i ni s s u el y i n gi nn e tl a y e ri st h a tn e t w o r kd e s i g n i n ga n dt h eu s ei nm e t e o r o l o g i c a l b u s i n e s s a tt h es a m et i m e ，r o u t eo s c i l l a t i o ni nt h en e t w o r ko fl o n gd i s t a n c ea n d b r o a db a n d ，t h ed i s t r i b u t i o no fw i d e b a n da n dt h eg u a r a n t e ef o rq o sa r et h ei m p o r t a n t i s s u e s t h ef o l l o w i n g sa r et h em a i nc o n t r i b u t e so ft h i sp a p e r ( 1 ) t h ep a p e rd e s i g n st h ea ll c o n n e c t e dt o p o l o g yn e t w o r ks t r u c t u r eb a s e d o nt h ec o m b i n a t i o no fl a y e r e ds t r u c t u r ea n dm u l t i c h a n n e lt or e s o l v et h e p r o b l e mi nt h eo l dm e t e o r o l o g i c a ln e t w o r kt h a td i r e c tc o m m u n i c a t i o n c a n n o tb e e na c h i e v e db e t w e e np r o v i n c e s ( 2 ) t h ec h a r a c t e r i s t i co fm e t e o r o l o g i c a lt r a n s m i s s i o n n e t w o r ki s l o n g d i s t a n c e ，b a s e do nw h i c ht h ep a p e rr e s o l v e st h er o u t eo s c i l l a t i o nb yt h e r o u t em e a n s ( 3 )o w i n gt ot h es t a t u st h a tt h eg u a r a n t e ef o rq o s w a sn o tc o n s i d e r e di n t h eo l dn e t w o r k ，t h ep a p e rg i v e st h er e s o l u t i o no ft h eg u a r a n t e eo fq o s f o rb u s i n e s sd a t ai nt h em e t e o r o l o g i c a ln e t w o r k k e yw o r d s ：m e t e o r o l o g y , n e t w o r kt o p o l o g y s t r u c t u r e ，r o u t ep o l i c y , s e r v i c e q u a l i f i c a t i o n 工i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：兰 硼年& 月瑙日 第1 章绪论 第1 章绪论 我国是自然灾害的多发国家，气象灾害每年都会带来巨大的经济损失。随着 我罔国民经济的发展，迫切需要气象部门提供优质的气象服务，以减少气象灾害 造成的损失，保障国民经济建设的j s 顷, n 进行。 由于行业的特殊需要，历代的气象通信网络是依靠租用公用网电路组建的 专用长途网。随着气象多轨道业务的建设，特别是中国气象局提出的气象灾害 综合监测系统的建设，将气象、水利、农业、林业、国土资源、交通和地震等 部门的气象观测站点纳入气象灾害综合监测网络总体布局，建立气象观测数掘 的实时共享机制，建立跨部门、跨行业的气象信息共享平台和公共信息发布平 台，提高信息的综合处理和应用能力。形成常规要素观测与特种气象观测相配 合的气象灾害综合监测体系，提高气象灾害及其次生衍生灾害的综合监测能力。 其中，很重要的一个基础性工作是必须要确保各类气象信息的传输畅通。因此， 气象信息网络系统是多轨道业务的公用基础设施和支撑系统，也是国家公用信 息服务设施的组成部分，是气象现代化水平的重要标志之一。它主要包括：通 信网络、数据存储管理与共享服务、档案管理、高性能计算机系统等。信息网 络系统作为气象信息的基础设施，直接影响到气象业务部门和广大用户能否及 时快速的获取和发送国内外气象信息，关系到各级气象预报、预测业务能否正 常运行，关系到气象部门能否为各级政府、社会经济、国防建设等提供优质的 气象服务。 进入2 1 世纪，原有的气象信息网络，由于通信条件有限，多数通信链路的质 量已经越来越无法满足气象信息传输的要求。全面提高气象业务服务能力，急需 加强气象通信能力。因而，新一代气象传输网络建设势在必行，也是电信服务 发展的直接结果。作为下一代的网络基础架构，网络设计和业务化是新一代气象 传输网络层面上所面临的首要问题。 1 1 气象通信业务发展历史 纵观国内外气象业务信息系统的发展过程，在上世纪大致经历了4 个阶段： 第一阶段是四、五十年代建立在人工抄收莫尔斯电报，手工填绘天气图方式上的 手工作业阶段：第二阶段是五、六十年代建立在气象电传报和气象传真技术基础 第l 章绪论 上的半自动化作业阶段：第三阶段是七十年代以美国气象业务和服务自动化系 统为丌端的自动化天气预报业务信息系统阶段，该阶段组建了气象传真广播， 各级气象台站由此可获得制作天气预报所需要的工具图表，减少了收报、填绘 图、分析等重复性劳动，特别是能直接利用卫星云图、数值预报产品等资料， 为提高天气预报时效和准确率，丌展灾害性天气预报、警报，更好地为国民经 济和国防建设服务创造了良好的条件；第四阶段是九十年代“八五”期f n j 国家 的中大型建设项目气象卫星综合应用业务系统工程即“9 2 1 0 ”工程，它是 中国气象现代化建设的重要组成部分，是当时国内规模最大的i s b n 系统。主 站设在位于北京的国家气象中心，三百多个p e s 小站分别设在各区域气象中 心、各省( 自治区) 气象台和地( 市) 气象台。“9 2 1 0 ”工程于1 9 9 2 开始，1 9 9 9 年全面建设完成。实现了卫星计算机广域网、高速数据传输网络和中速数据1 。 播网等3 个子网。实现以卫星通信为主、地面通信为辅的中高速传输、计算机 网络化和气象资源的共享，为我国的气象预报提供了一个良好的信息平台。 1 2 项目建设背景 上世纪9 0 年代，中国气象局依托“9 2 1 0 ”工程的实施建设了包括国家级、 区域级、省级和地( 市) 级的局域网络及基于v s a t ( v e r ys m a l la p e r t u r e t e r m i n a l s ) 技术的卫星数据网。“9 2 1 0 ”工程是在全国地( 市) 以上气象部门建成 一个以v s a t 卫星通信为主、陆地通信为辅的计算机局域网互连系统和话音系统， 主要承担全国气象观测资料的收集、国内外气象资料及加工产品汇集和管理等。 但是，随着我国经济社会的发展，对气象事业提出了新的要求，进而气象信息传 输对通信业务的需求迅速增长，通信瓶颈问题直困扰气象现代化建设的进程。 中国气象局受国务院委托，组织国内诸多专家学者，于2 0 0 5 年研究颁御的中 国气象局气象事业发展战略研究勾画出未来我国气象事业“十一五的蓝图。 其中特别强调了近几年逐步建成的覆盖全国范围的新一代天气雷达监测网、各 级区域加密自动化监测网、远程电视会议及天气会商系统等重点现代化建设项 目。上述各种新增业务带来的大量信息传输的压力，对各级气象信息网络系统 的传输性能和稳定性都提出了更高的要求。 与此同时，光通信技术由于有着诸多优点，比如况传输带宽极宽，通信容 量很大；光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；串扰小，信号传输质量高： 2 第1 章绪论 抗电磁干扰，保密性好；光纤尺寸小，便于传输和铺设等，这使得光通信技术 已经成为下一代网络转型中的重要支撑技术。随着科学技术的发展，电信运营 商的光纤资源也越来越丰富，越来越便宜，可以铺设到以前很多无法到达的气 象台站，为气象通信网络的改造创造了条件。 1 3 需求分析 图1 1 是全国卫星通信网络图。卫星广域网( s w a n ) 是用一个逻辑上 相当于多端口的空中桥接器把国家级信息控制中心的计算机局域网和三百多个 区域、省、地( 市) 的计算机局域网直接连成一个为星状网络结构的计算机互 联网络，任何两个v s a t 小站之问的数据通信必须通过主站才能进行。主站下 行工作方式采用时分多路复用( t d m ) ，即只利用一个出向载波，采用时分复用 技术向众多小站发送信息，出向码速率为5 1 2 k b p s ；小站上行工作方式采用频 分多址和时分多址( f d m a t d m a ) ，它有1 0 个入向载波，小站被分成若干小 组，每组选用不同的频率( f d m a ) ，而组内多个小站共用一个频率采用时分方 式向主站发送信息，其中有7 个入向码率为1 2 8k b p s 、3 个入向码率为6 4k b p s 。 当通信卫星系统发生故障时，系统的主要业务将转到邮电部门的中国公用分组 交换数据网上( c h i n a p a c ) x 2 5 线路降级运行。 e 至至习 图1 1 全国卫星通信网络图 省级通过卫星线路与国家级进行通信，与所属地市级则是采用中国公用 分组交换数据网的x 2 5 线路为主，拨号服务为辅的方式。 以卫星通信为主要技术手段的全国卫星气象通信网络系统，在历经近1 0 来年的运行，越来越不能满足气象业务发展对气象通信网络的需求。存在的问 3 第1 章绪论 题有： ( 1 ) 气象传输网络系统严重滞后于观测系统发展 2 0 0 4 年以来，随着新一代数字化天气雷达、大气监测自动化工程、三峡气 象服务保障项目等一系列探测或探测相关项目的丌展，气象探测系统的能力有 了较大的发展，提供的信息量更是爆炸性的增长。气象通信网络卫星长期处于 停滞状态，没有一个大的项目来带动。“9 2 1 0 ”工程通信系统己越来越不不能适 应探测系统同益增长的传输需求。同时，国家级至省级、省级至地市级和县级 视频会议系统等工程的实施，卫星通信系统存在的带宽不足、延迟大、组网灵 活性低等问题与气象业务发展需求越来越不相适应，特别是数字化雷达实时联 网不能有效实现，将影响投资效益的发挥。 ( 2 ) 气象传输网络系统不能很好地支撑多轨道业务发展 长期以来，信息系统的建设主要是围绕天气、气候系统的业务需要来进行 建设，很少或没有考虑其他多轨道业务的需求。社会经济的发展对气象预报提 出了很高的要求，为达到这一目标，天气、气候轨道也要有很大发展，而现有 信息系统必须有大的发展才能适应这些方面的发展需求。 ( 3 ) 原有的卫星通信系统本身已经老化 通过“9 2 l o ”工程建设起来的全国卫星通信系统随着时l 日j 的推移，在网络 性能、网络结构以及对新业务支持能力上均暴露了其缺点。在网络性能方面上 行链路的速率虽然可超过5 1 2 k b p s ，但下行链路仅能达到1 9 2 k b p s ，端到端的传 输时间大约在2 5 0 至3 0 0 m s 之问，延迟较大；卫星通信系统中网络拓扑的形式 取决于信道路由的取向，“9 2 1 0 ”卫星通信系统属星形拓扑结构，即主站可以与 网络内各p e s 小站之间实现双向通信，但p e s 小站之j 、日j 不能直接通信，无法满 足省际间越来越多的直接进行数据传输的需求。 ( 4 ) 以卫星通信技术为主的气象传输网络的应用服务能力和管理能力建设 亟待提高。 这些因素促使对覆盖范围更广的高速网络系统的需求与f 1 俱增。这个高速 网络系统需要提供充足的网络带宽、充分可扩展的网络结构、灵活的管理和控 制机制以及有效的服务质量控制。因此，适时建立新一代的气象传输网络成为 必须。利用新技术解决气象信息传输对通信业务的需求所存在的通信瓶颈问题 已刻不容缓，是非常有意义的。 4 第1 章绪论 1 4 意义与预期目标 组建新一代气象传输网络，使之成为继“9 2 1 0 ”系统中卫星通信为主、地 面线路为辅的气象网络后的新一代气象信息网络系统的主平台，承担气象观测 资料、雷达数据、大气探测数据等气象数据的收集以及数值预报产品、卫星产 品、雷达产品等各类气象资料的下发任务，同时还要承担电视视频会商等多媒 体传输业务和办公自动化系统的传输任务。新一代气象传输网络的建设完成， 可满足多种新型观测资料传输需求、满足信息共享平台建设的需求、满足新型 业务应用对网络的需求、解决了全国气象卫星通信系统老化的问题，标志着气 象通信网络又进入了一个新的发展阶段。此项工程的建设目标有： ( 1 ) 完成国家级至省级，基于s d h 传输技术和m p l sv p n 组网技术，设 计功能齐全、布局合理、性能优越、灵活可靠的新一代气象传输网络系统。实 现从窄带网络向宽带网络的过渡；从点到点直连向采用服务型网络的部分或全 网状互连网络过渡：从简单应用向综合应用的过渡，建成全国气象宽带网络。 ( 2 ) 完成省级一地市级一县级的基于s d h 传输技术和v p n 组网技术，从窄 带网络向宽带网络的过渡，提高省级网络的可靠性和稳定性。 新一代气象传输网络的建设面向多种宽带网络技术，能够适应未来技术和 系统结构的变化，可靠、稳定，满足业务级传输要求，具备综合业务传输能力， 与原有的中国气象局全国卫星通信网络系统有机融合，气象宽带网络系统作为 全国气象业务网络系统的主用信道，卫星信道作为备用信道，提供6 - 8 m b p s 的 传输速率，提供北京、区域中心、省级系统之间的网络传输能力，省级与地级、 县级的通信可选择2 - 4 m b p s 的传输速率，支持数据、视频和语音的综合传输， 提供多种服务质量保障。 1 5 本论文的主要研究问题概述 本论文阐明新一代气象传输网络的设计与实现。首先是提出了气象网络的 拓扑结构，其次，结合气象网络拓扑描述了气象网络中的路由体系，然后针对 新时期多媒体通信的需求，提出了气象网络的q o s 实现方法。各章节的内容安 排如下： 第一章绪论 介绍了气象传输网络的发展历程，气象业务对气象传输网络的需求和新一 5 第1 章绪论 代气象传输网络的研究背景和意义等等。 第二章系统功能、组织和设计原则 描述了新一代气象传输网络的要达到的功能、组织原则和设计原则。 第三章新一代气象传输网络的结构设计 在分析原有气象网络拓扑的基础上，阐述了组成新一代气象传输网络的气 象主干网和省内气象网两部分的拓扑结构设计及实现。 第四章路由体系 根据气象传输网络的分层结构，描述了气象网络的路由设计。 第五章q o s 设计 充分分析目前气象网络的关键业务对q o s 的需求，提出了气象网络的q o s 实施和保证方法。 第六章总结和展望 在总结目前气象网络建设情况的基础上展望了今后气象网络的发展方向。 6 第2 章新代气象传输网络系统功能、组织和殴计原则 第2 章新一代气象传输网络系统功能、组织和设计原则 2 1 功能 新一代气象传输网络系统应具备的功能有： ( 1 ) 及时收集全国的各类气象信息； ( 2 ) 适应社会发展需要，为各级气象部门及行业问用户提供和分发及时、 可靠的各类气象信息； ( 3 ) 在各级气象部门及行业间用户之间进行实时和非实时的气象信息交 换。 2 2 组织原则 ( 1 ) 作为全国气象信息的传输网络系统，必须能够承担全国天气、气候系 统监测网获得的大量气象信息和经各级气象台站加工的各类气象产品的实时和 非实时收集和交换，并具有及时性、准确性和高可靠性，以满足各级气象部门 的业务服务需求。 ( 2 ) 新一代气象传输网络从层次上主要分为两级，即： 气象主干网 气象主干网是指国家气象信息中心与各省( 区、市) 级气象部门之| 白j 的网 络互联，还包括“9 2 1 0 ”卫星通信网。 省内气象网 省内气象网是指各省( 区、市) 级气象部门与本省( 区、市) 范围内的地 ( 市) 级、县级气象部门的网络互联。省内气象网按照行政区划分又形成了省 级网络、地级网络和县级网络三个层次。 2 3 设计原则 规划新一代气象传输网络系统时遵循下述设计原则： ( 1 ) 为了便于在全国范围内收集、分发和交换信息，考虑到各级气象部门 第2 章新一代气象传输网络系统功能、组织和殴计原则 对网络效率、能力的要求，各级气象信息网络系统的设计应按中国气象局的统 指导意见实施。 ( 2 ) 该系统应采用成熟、可靠、先进的通信网络技术和设备，承载各种气 象信息的交换和广播综合业务；对全网的设备和运行业务能够进行实时的监控。 ( 3 ) 提供的网络和数据存储、转发技术必须能够容纳大量的气象信息，能 够完成规定时限内的传输，以满足各级气象部门的业务服务需求。 ( 4 ) 各级气象信息网络系统必须要有切实可行的应急备份措施，以确保整 个系统的可靠性和效率，特别是气象主干网络的可靠性和效率。 8 第3 章新一代气象传输网络系统的结构设计 第3 章新一代气象传输网络系统的结构设计 3 1 原有气象卫星通信网络结构概述与问题分析 依托9 2 1 0 工程建设的气象卫星通信网是由卫星数掘网、卫星话音网、单向 数据广播系统和各级气象部门的计算机局域网构成。图3 1 是气象卫星通信网 络系统结构图： 图3 1 气象卫星通信网络系统结构图 其中包括： ( 1 ) 卫星数据网( 简称p e s ：p e r s o n a le a r t hs t a t i o n ) 是进行数扼传输的卫 星通信网，它支持数据广播和点对点通信业务。数据网由一个主站( 设在国家 气象信息中心) 和3 0 0 多个地市级以上p e s 小站组成，是一个星状网的网络结 构。在网中实现小站到主站、主站到小站的数据通信。卫星数据网通过通信卫 星把国家级气象部门的计算机局域网和三百多个省、地( 市) 的气象部门的计 算机局域网联成一个计算机广域网络。虽然实现了地( 市) 可通过卫星数据网 直接与主站进行数据传输，但是由于p e s 小站数量较多形成了上行的通信瓶颈， 9 第3 章新一代气象传输网络系统的结卡勾设计 同时，网络结构上地市级与省级在同一层次，网络层次性差，且扩展性也差。 比如，要实现县级与主站的通信只能再增加p e s 小站，这样，上行通信能力不 足的问题会更严重，整个网络也就缺乏了层次性。 ( 2 ) 卫星话音网( 简称t e s ：t e l e p h o n ee a a hs t a t i o n ) 是以传输话音为主， 采用数据通道传输数据，是网状网结构，网中任意两个小站可以直接通话。但 由于卫星通信延迟较大，该卫星话音网效果并不理想。 ( 3 ) 单向数据广播系统( 简称单收站) 采用p c v a s t 卫星多媒体广播系统， 完全独立于卫星数据网和卫星话音网。它是一个单向系统，主要用于气象信息 的广播业务。 3 2 设计气象传输网络结构应注意的事项 伴随电信网的逐步发展，气象通信网依托电信网的发展，物理链路由过去 的以卫星信号为主演变为以光信号为主。同时，气象信息网络系统随着应用需 求的发展，其网络拓扑结构也会不断演变。网络的拓扑结构对整个网络系统的运 行效率、技术性能的发挥、可靠性与费用等方面都有着重要的影响。确立网络 拓扑结构是整个网络系统方案规划设计的基础。拓扑结构的选择和地理环境的 分斫i 、传输介质、介质访问控制方法，甚至网络设备选驾! 等闵素紧密相关。冈 此在网络逻辑设计上需要充分考虑，建立一种具有高度可扩展性的网络模型，以 适应这种拓扑的演变。 ( 1 ) 了解电信网 电信网( t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) 是构成多个用户相互通信的多个电信 系统互连的通信体系，是人类实现远距离通信的重要基础设施，利用电缆、无 线、光纤或者其它电磁系统，传送、发射和接收标识、文字、图象、声音或者 其它信号。电信网由终端设备、传输链路和交换设备三要素构成，运行时还应 辅之以信令系统、通信协议以及相应的运行支撑系统。现在世界各国的通信体 系正向数字化的电信网发展，将逐渐代替模拟通信的传输和交换，并且向智能 化、综合化的方向发展，但由于电信网具有全程网互通的性质，已有的电信网 不能同时更新，因此，电信网的发展是一个逐步的过程。 1 0 0 多年以来，电信网技术已发生了翻天覆地的变化，无论是交换还是传输， 大约每隔1 0 - - 一2 0 年就会有新的技术与系统诞生比如说，以微处理器支持的智 1 0 第3 章新一代气象传输网络系统的结构设计 能网元的出现使光同步传输网络( s o n e t ) 应运而生。国际电信联盟标准部将 s o n e t 重新命名为同步数字体系( s d h ) ，使之成为不仅适于光线也适用于微波 和卫星传输的通用技术体制。 ( 2 ) 选择拓扑结构的重要性 网络拓扑结构设计主要是确定各种设备以什么方式相互连接起来。根据网 络规模，网络体系结构、所采用的协议，扩展和升级管理等各个方面因素来考 虑。拓扑结构的设计直接影响到网络的性能。网络拓扑结构有很多种，最常见 到的有总线拓扑、星型拓扑、环型拓扑及各种混合性拓扑等。采用不同的网络 控制策略( 即网络数据的传输与通信的有关协议和控制方法) ，所有使用的网络 连接设备也不一样。因此，无论在网络的规划或设计时都必须首先决定将采用 那一种网络拓扑结构，选择合适的网络拓扑结构非常重要的。也就是说，选择 网络拓扑结构是网络规划设计的第一步。 ( 3 ) 选择拓扑结构需考虑的因素 在选择网络拓扑结构的时候，应从经济性、灵活性和扩展性好、可靠性、 易于管理和维护几个方面着重入手。在进行网络建设投资的同时还要考虑到经 济效益的回报。拓扑结构的选择直接决定了网络安装和维护的费用。因为，拓 扑结构的选择与传输介质的选择、传输距离的长短及所需网络的连接设备密切 相关。 灵活性和扩展性也是选择网络拓扑结构时应充分重视的问题。任何一个网 络都不能一劳永逸的，随着用户的增加，应用的深入和扩大，网络新技术的不 断涌现，特别是应用方式和要求的改变，网络经常需要加以调整。然而，网络 的可调性与灵活性，以及可扩展性与建立网络时拓扑结构直接相关。网络的可 靠性是任何一个网络的生命。当网络总的某个节点或站点发生问题的时候时， 网络不能正常工作。网络拓扑结构的选择还直接决定网络故障检测和故障隔离 的方便性。总之，网络拓扑结构的选择，需要考虑的因素很多，这些因素同时 影响网络的运行速度和网络软硬件接口的复杂程度等等。 ( 4 ) 气象传输网络拓扑设计必须要考虑的问题 网络拓扑设计要解决原有卫星通信系统存在的省际问不能直接通信的 问题。 采用的传输技术要能实现窄带网络向宽带网络的过渡，满足多媒体通信 的需求。 1 1 第3 章新一代气象传输网络系统的结构设计 构。 网络的可扩展性、可管理性、可靠性和经济实用性要好，能满足实时的 不间断的业务数据的传输。 ( 5 ) 新一代气象传输网络拓扑结构应具备的特点 一是网络结构层次化，建立了国家级、省级、地市级和县级的四级层次结 一是传输信道综合化，基于多种传输技术的综合。 3 3 新一代气象传输网络的结构设计 新一代气象传输网络的结构设计要解决好老的气象传输网络结构存在的速 率底、延迟大、带宽不足、扩展性差、层次不分明，备份线路不理想、网络设 备老化等问题。实现窄带网络向宽带网络的过渡。 3 3 1 总体情况 ( 1 ) 结构设计 新一代气象传输网络从层次上主要分为两级：气象主干网和省内气象网。 其中，气象主干网采用s d h 线路建立国家级到省级的直接连接，构成星型网络 结构；同时租用电信的m p l sv p n ，形成国家级与省级| 日j f i 的网状网，作为s d h 网的备份链路。省内气象网也是采用s d h 线路建立省级系统一地市级系统一县级 系统的主链路，建- # _ i p s e cv p n 网络为备份链路。也可以晚，整个传输网络按行 政区划和隶属关系分层，形成了国家级一省级系统一地市级系统一县级系统这样的 四级层次。 ( 2 ) 这种结构设计的优缺点 s d h 网的基本结构有链形、星形、树形、坏形和网孔形。其中，星形网络 拓扑是将网中一网元做为特殊节点与其他各网元节点相连，其他各网元节点互 不相连，网元节点的业务都要经过这个特殊节点转接。这种网络拓扑的特点是 可通过特殊节点来统一管理其它网络节点，有利于分配带宽、节约成本，但存 在特殊节点的安全保障和处理能力的潜在瓶颈问题。特殊节点的作用类似交换 网的汇接局此种拓扑多用于本地网接入网和用户网。 气象主干网的主信道的建立之所以选择星状网是因为星形拓扑结构与一个 星形局域网相似。单个地点作为许多其他地点的中央连接点，这种分布对任何 】2 第3 章新一代气象传输网络系统的结构设计 两个地点之间的数据传输提供独立的线路。因此，星形广域网比端到端或环形 广域网更可靠。一般来说，随着传输数据的潜在线路数目的增加，可靠性也将 增加。而在一个端到端或环形拓扑结构中，单点失败可能会导致所有地点问的 通信停止。星形广域网的另一个优点是：当所有的专用线路都有效时，星形广 域网能提供任何两个地点间的最短数据传输路径。扩展一个星形广域网也是很 容易的。它的扩展成本要比扩展一个端到端或环形广域网低得多。但如同星形 局域网拓扑结构，星形广域网最大的缺点是中央连接点的失败可能导致整个广 域网的崩溃。 为了解决气象主干网中国家级中央节点作为星形网络的特殊节点存在的安 全保障和处理能力的潜在瓶颈问题，同时遵循要确保气象主二1 - 网络的可靠性和 效率的设计原则，建设气象m p l sv p n 网络，实现省际问的直接进行信息传输 的能力，实现与气象主干网中全国宽带网的备份。合理分配流量，综合利用各通 信信道，发挥整个网络系统的效益。 3 3 2 气象网结构设计采用的关键技术 对于网络设备的互连，传输技术的选择显得非常重要。传输链路的带宽已 经由原来的几十k b p s ，发展到现在的上百g b p s 。实际网络项目中要选择一种适 合的传输技术，使之在节省成本的同时，又不成为以后业务传输的瓶颈，并且 还可以为以后开展其他业务提供方便。而每种传输技术都有自己的优点，同时 也有一些不足之处，在进行网络建设时应对常用的传输技术进行对比，以便在 网络建设时能够选择一种或几种最适合自己的传输技术，组建最经济、可靠、 稳定、可升级的网络。表3 1 是几种常用传输技术的对比。 应该说选择s d h 传输技术建立主用通信信道是相对理想的，比较而言，s d h 在传输信道及控制方面具有优势，但在构建任意两点直连的网络系统上扩展性 差，而v p n 技术恰好可弥补了这一缺陷。因此备用通信信道的建立可选择v p n 技术。v p n ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ) 叫做虚拟专用网。它是一种通过对网络 数据的封包和加密传输，在公网上传输私有数据、达到私有网络的安全级别， 从而利用公网构筑企业专网的组网技术。它兼备了公众网的便捷和专用网的安 全，是介于公众网与专用网之间的一种网。 1 3 第3 章新一代气象传输网络系统的结构设计 表3 1 常用传输技术对比 a t m os d h d w d m 1m s t p * 1 0 g 以太。 r p r f r p p + 。 帝宽的可控需分配可分插出传输p 数比a t m 自t 提供 1 0 g b * t s 也 达到其息带贾利 莲接设备的以 灵 舌度一 15 4 4 m b _ l t s 多种低速据在 更多样性的带 可向l g 用的9 5 。烹畦路带冤，可 n 一 的支路信 1 0 0 m 宽1 0 f j m 1 0 m 以是1 0 0 m 、 20 4 8 m b i t s 号最低有2 孵之间一兼零+ 1 0 d o m 、 15 m 和2 m 1 0 g 建设成 设备昂责建设备成本与s d h 设在原有a t m 比p 汀m 和建设成牵鬲后相比采用$ t p 五 设维护成本高i 氐传输成 备相比价s d h 网络上进 s o n e t 设备 期扩展成本也高 的乡条冗糸琏 本低j格偏高。行改造，并通 成本低， 路，成本更l 庄 过软件在缍升 级增加新功能 q o s 完善的q o s 采用p p p采用快速响 灵活的q o s 技支持q o s 蔓 寺0 0 9 支持基于传统的以 技术，容易在的方式，不应的机制术能在数据但是无法支带宽预督的业务 太技木，q o s 无 1 p 级提供q o s +具备任何 蛳上打标签一持端至4 端法保证一 q o s 的能力 q o s 应用环s p 网和大型城域网核在城域网在城域传输网城域网核心r p r 主要在城域城域同的接入 境一企业局域网心，服务提 中 的汇聚和撸入和数据中心网骨干和接 方舒舟企业网、 d s l a m 的共供商的核i d c 和i g 层做2 层交换骨干；面应用，同时也砷务网和园区 事汇聚心网络， 中j 陵用，也可儆 可以在分敢的政 网 取代d d ! 、i 的专务网、盘= 业网和 线使用t校园网中应用， j 丕可j 互用于i d c 和i 蜉之中 因此，选择v p n 作为备份信道可谓经济实用。v p n 作为备份信道的优势有： ( 1 ) v p n 实现网络安全：具有高度的安全性，对于现在的网络是极其重要 的。v p n 以多种方式增强了网络的智f s - 匕e , 和安全性。首先，它在隧道的起点，在 现有的企业认证服务器上，提供对分布用户的认证。另外，v p n 支持安全和加 密协议。 ( 2 ) 简化网络设计：网络管理者可以使用v p n 替代租用线路来实现分支机 构的连接。这样就可以将对远程链路进行安装、配置和管理的任务减少到最小， 仅此一点就可以极大地简化企业广域网的设计。另外，v p n 通过拨号访问来自 于i s p 或n s p 的外部服务，减少了调制解调器池，简化了所需的接口，同时简 化了与远程用户认证、授权和记账相关的设备和处理。 ( 3 ) 降低通信成本：许多技术承诺可以降低成本，但v p n 降低成本的方法 是立即且显著的，它可以降低租用线路成本：v p n 可以以每条连接4 0 到6 0 的成本对租用线路进行控制和管理。另外，由于v p n 独立于初始的协议，这就 使得远端的接入用户可以继续使用传统的设备，保护了用户在现有硬件和软件 系统上的投资。 ( 4 ) 支持新兴应用：许多专用网对于许多新兴应用准备不足，如那些要求高 带宽的多媒体和协作交互式应用。v p n 则可以支持各种高级的应用，如i p 语音， i p 传真，还有各种协议，如r s i p 、i p v 6 、t o p i s 、s n m p v 3 等。 ( 5 ) 可以很方便的进行移动办公了。 1 4 第3 章新一代气象传输网络系统的结构设计 ( 6 ) 完全控制主动权。 ( 7 ) 容易扩展。 同时原有的卫星链路也可以作为节点间通信的有效信道，只是其作为备份 信道无法进行视频传输。 3 3 2 1s d h 传输技术 s d h 全称叫做同步数字体系( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 是一整套可进 行同步数字传输、复用和交叉连接的标准化数字信号的等级结构。适于各种经 适配处理的净负荷( 即网络节点接口比特流中可以用于业务的部分) 在物理媒 质上进行传送。 ( 1 ) s d h 产生的技术背景 高度发达的信息社会要求通信网能提供多种多样的电信业务，通过通信网 传输、交换、处理的信息量将不断增大，这就要求现代化的通信网向数字化、 综合化、智能化和个人化方向发展。传输系统是通信网的重要组成部分，传输 系统的好坏直接制约着通信网的发展。当前世界各国大力发展的信息高速公路， 其中一个重点就是组建大容量的传输光纤网络，不断提高传输线路上的信号速 率，扩宽传输频带，就好比一条不断扩展的能容纳大量车流的高速公路。同时 用户希望传输网能有世界范围的接口标准，能实现我们这个地球村中的每一个 用户能随时随地便捷地通信。目前，传统的由p d h 传输体制组建的传输网，由于 其复用的方式很明显的不能满足信号大容量传输的要求，另外p d h 体制的地区性 规 苞也使网络互连增加了难度，由此看出在通信网向大容量、标准化发展的今 天，p d h 的传输体制已经愈来愈成为现代通信网的瓶颈，制约了传输网向更高的 速率发展。图2 2 是光传输网络的发展历程。 ( 2 ) s d h 与s o n e t 的关系 s o n e t 臣 j 同步光网络，是由美国贝尔公司首先提出的，美国国家标准协 会( a n s i ) 于2 0 世纪8 0 年代制定了有关s o n e t 的国家标准。当时的c c i t t 采纳 了s o n e t 的概念，进行了一些修改和扩充，重新命名为同步数字体系 ( s d h ) ，并制定了一系列的国际标准。s d h , 币1 1 s o n e t 的基本原理完全相同， 标准也兼容，但还是略有差别，s o n e t 的电信号称同步传递信号s t s ( s y n c h r o n o u st r a n s p o r ts i g n a l ) ，光信号称光载体o c ( o p t i c a lc a r r i e rl e v e l ) ，它 的基本比特率是5 1 8 4 0 m b p s ：s d h 的基本速率为1 5 5 5 2 0 m b p s ，其速率分级 1 5 第3 章新一代气象传输网络系统的结构垃计 名称为同步传递模块s t m ( s y n c h r o n o u st r a n s p o r m o d u l e ) 。我国采用s d h 标 准。 p d hf i 弼拳；2 孚* 辅筑 s o t l 学兰竿* 铺氧 缝- 阱d 哲慝矗甘夏目i 最io m i + 光斗招曼q 糍： o x c 走窟里连接摹辑i ( i 、x 光h 碧 图32 光传输刚络的发展历程 ( 3 ) 特点与优势 s d h 具有明显的特点和优势。主要包括一 接口规范化方面，s d h 体制对网络节点接口( n n i ) 作了统一的规范。规范 的内容有数字信号速率等级、l 陡结构、复接方法、线路接口、监控管理等。这 就使s d h 设备容易丈现多厂家互连，也就是况在同一传输线路上可以安装不同厂 家的设备，体现，横向兼容性。这就方便r 组删设备的爿缴换代。 复用方式上同步利用和灵活的映射结构。可将p d h 低速支路信号( 例如 2 m b i t s ) 复用进s d h 信号的帧中去( s t m n ) ，这样使低速支路信号在s t m n 帧中的位置也是可预见的，于是可以从s t m n 信号中直接分插出低速支路信 号。另外，s d h 的这种复用方式使数字交叉连接( d x c ) 功能更易于实现，使 网络具有了很强的自愈功能，便于用户按需动志组网实现灵活的业务调配。 今后随着业务系统的不断发展，在需要进行带