地铁智能运维平台的环网架构及其性能分析

覃 旺

目前,广州地铁信号系统维修维护模式主要以周期检修、预防维修为主,人力成本和材料成本消耗巨大,只能依靠检修人员以及复杂的维修管理流程保证设备维修质量。当检修人员或维修管理环节出现问题时,就会导致设备故障。为了提高信号系统维修水平,降低人力和材料消耗,同时保证信号系统安全、可靠运行,广州地铁、广州铁科智控公司联合开展了信号系统智能运维平台的研究。

智能运维平台需要采集各线路列车运行和关键设备状态等信息，并通过分布式控制系统DCS 系统传输到后台服务器，实现可视化呈现；根据DCS 系统设计的四维评价法［1-2］，可通过设备、网络拓扑的冗余，实现网络系统的高可靠保护；同时，部分业务系统对时延要求敏感，要求网络系统在故障切换过程中，尽可能地缩短切换时间。本文根据DCS 系统需求，提出了3 种不同的基于ERPS协议的环网架构，通过可靠性的分析、计算和对比，以及收敛性能的测试和分析，其结果可直接用于轨道交通或相关领域，工程人员可根据实际条件来选择合适的组网架构。

1 网络组网架构

1.1 全冗余环网架构

1）接入冗余。服务器双归接入交换机，服务器启用双网卡绑定功能，其中主、备网卡分别接入主交换机和备交换机，正常时，主网卡处于活跃状态，备网卡处于静默状态。当主网卡出现故障时，服务器的备网卡立刻激活，代替主网卡工作，实现环网保护。

2）交换机冗余。在每个节点机柜布置2 台交换机，一台为主，一台为备，两交换机之间通过堆叠线互连，用以传输心跳报文或业务数据。当主交换机故障时，数据切换到备交换机转发，实现环网保护。

3）线路冗余。节点之间主交换机与主交换机互连，备交换机与备交换机互连。配置跨设备的链路聚合，将2 条链路划入同一个跨设备Eth-Trunk接口，实现链路间的备份，保证了数据流量的可靠传输。

4）拓扑冗余。网络拓扑为环型，通过ERPS协议避免产生环路，防止发生广播风暴；同时在出现故障时，可快速激活冗余备份链路，恢复网络连通性，可达到电信级切换要求［3］。

该组网架构可以保证环网中出现二度故障时，业务不中断。全冗余环网架构拓扑见图1。

图1 全冗余环网架构拓扑

1.2 双环网架构

1）接入冗余。服务器2 块网卡不绑定，每个网卡均处于活跃状态。2 块网卡分别接到2 个互相独立的环网1 和环网2，由服务器的上层软件实现数据的“双发选收”，进行业务保护。

2）交换机冗余。在每个节点机柜布置2 台交换机，不区分主备，不需要互连，也不需要组成堆叠。2 台交换机分别属于2 个独立的环网Ring1 和环网Ring2，任何1 台交换机故障都只会影响其中1 个环网，实现冗余保护。

3）线路冗余。节点之间的2 条链路分别属于不同环网，其中1 条出现故障不影响另一个环网的运行，实现线路冗余。

4）拓扑冗余。2 个独立环网分别运行ERPS 协议，在环内避免发生广播风暴，并在故障切换时进行业务倒换，实现环内保护；环网Ring1 和环网Ring2 互为备份，进一步提高了其可靠性。

该网络架构同样可以保证环网中出现二度故障时，业务不中断。双环网架构拓扑见图2。

图2 双环网架构拓扑

1.3 单环网架构

单环网架构是双环网架构的简化，即去掉环网Ring2，只保留1 个环网。该架构无接入冗余、线路冗余、交换机冗余，只存在环路的拓扑冗余，可靠性相对较低；但由于其网络结构简单，节省了交换机资源和光缆（或电缆） 资源，降低了投资成本。单环网架构拓扑见图3。

图3 单环网架构拓扑

2 可靠性分析

网络系统的可靠性计算是当前研究的热门方向，主要有：状态枚举法、因子分解法、最小路（割）集法、不交化方法等精确算法；定界法、图变换、模拟法等近似算法［4-6］。这些计算方法都能有效解决网络可靠性的计算问题，但均较为复杂，直接应用于工程实践存在较大难度。本文提出的3种环网结构，其拓扑结构规则，每条链路、每个交换机的状态相互独立，可根据古典概型直接计算可靠性，计算过程如下。

2.1 全冗余环网可靠性计算

全冗余环网拓扑可等效为一些基本割集的串并联［7］，其等效拓扑结构如图4 所示。

图4 全冗余环网等效架构

假设任意一条链路的可靠性为λ，任意一台交换机的可靠性为P，服务器发送端下挂在节点1，服务器接收端下挂在节点k，整个环路有n 个节点，系统 整体可 靠 性 为P1。记u=2λ-λ2，v=[λP(2-λP)]，x=(1-P)·(λ+P-λP)·(λP)2，得到：

式中，P（La）为在环路无故障时，数据流通过顺时针方向链路La传输的可靠性；P（Lb）为在顺时针链路La不通后，数据流通过逆时针方向链路Lb传输的可靠性。为了减小计算P（La）、P（Lb）时的计算量，本文做了以下工程化假设。

1）通过拓扑分割成互相独立的子集，主设备与主链路、备设备与备链路各看作一个基本割集，本节点内只需要保证任意一个割集联通，就认为本节点通向相邻节点存在一条有效路径。此时，有2 种耦合形式会导致“黑洞路径”，需要排除。“黑洞路径”如图5 红线所示。

2）主备交换机之间的堆叠线，其距离近，且布置在有人值守机柜内，故障时可立即替换，维修耗时接近于0，因此可以忽略其可靠性对系统整体可靠性的影响，即默认可靠性等于1。

根据上述假设，记：

根据串并联概率计算方法，计算通过链路La通信的可靠性：

计算在La上发生“黑洞路径”概率，得到：

图5 节点间耦合故障

计算整条La的可靠性：

同理，可求得在La故障时，数据通过Lb传输的可靠性：

将式（2）、（9）、（8）代入式（1）、（3），得：

2.2 双环网可靠性计算

双环网拓扑亦可等效为一些基本割集通过串并联而成，其等效拓扑结构如图6 所示。

假设任意一条链路可靠性为λ，任意一台交换机可靠性为P，服务器发送端下挂在节点1，服务器接收端下挂在节点k，整个环路有n 个节点，系统整体可靠性P2，并记w =P(A网)。则有：

图6 双环网等效架构图

将式（14）代入（13），得

将（15）式代入（12），有

2.3 单环网可靠性计算

单环网只有1个ERPS 环，其可靠性即为双环网A 网的可靠性。设单环网系统整体可靠性为P3，有：

2.4 可靠性对比

根据广州地铁集团公司的光缆、交换机故障维修记录，在2004—2016 年的12 年时间内，网络故障主要来源于光纤链路故障，未发生过因为交换机故障而造成的网络中断。

根据交换机性能指标参数，其MTBF（平均无故障时间）=57 年，MTTR（平均修复时间）=2h，则根据可维修系统的可靠性计算公式［8～9］，有

计算得到交换机可靠性P=0.99999，为计算方便，取值P=0.99。

对于光缆故障，由于其发生的随机性较大，光缆可靠性λ 可视为变量，在0.9～1 变化区间内，观察其对网络可靠性的影响。

根据上述分析计算结果，本文给出不同n（环网节点总数）、k（环网中，服务器接收端下挂的节点编号，该变量表示接收端到发送端的距离）值的可靠性曲线，如图7 所示。同时，为了直观看出不同网络架构的可靠性，给出故障率变化曲线，如图8 所示。

由图7、图8 可看出，全冗余环网的可靠性最高，双环网次之，单环网的可靠性最低。由于全冗余网络架构采用心跳线互联，可提供更多连通路径。经过分析计算得出：当设备可靠性、链路可靠性均在0.999 以上时，全冗余网络架构的故障率比双环网架构的故障率低3个数量级。

图7 3 种环网的可靠性对比

3 收敛性能分析

当网络出现拓扑改变或者故障时，触发网络链路切换。在网络状态收敛过程中，不同组网方式、不同协议条件下会产生不同的故障切换时间［10-12］。本文针对3 种组网架构，采用6 台华为S5700 交换机，分别根据图1～图3，在节点数n=3 条件下，给出在一度、二度故障条件下的试验结果，并简单分析影响切换时间的因素。3 种组网方式的性能对比见表1。

图8 3 种环网架构的故障率对比

表1 3 种组网形式性能对比

续表

经过测试结果对比分析，可以看到，全冗余网络收敛最慢，双环网和单环网收敛性能相当，但单环网可靠性低，不能进行二度故障保护。

4 结论

3 种组网方式各有优缺点，对比如表2 所示。

表2 3 种组网方式的优缺点对比

综上所述，在一些对可靠性要求极高的场合，全冗余环网是首选方案，适合在信号系统部署；在一些对可靠性、时延有一定要求，但要求又不是特别高的场合，双环网方案是首选，适合在地铁综合监控系统部署；在一些可靠性要求较低、时延要求高，且价格敏感的应用场合，如运维系统、PIS 系统等，可优先考虑单环网方案［13-18］。目前，3种网络架构在广州地铁旧线运维、新线建设中得到了广泛应用，将来可在轨道交通其他线路或其他应用领域推广。