建筑智能化系统IP融合承载网分析

薛 凌 / 范 晨(同方数字城市产业本部， 北京 100083)

1 概述

数字化、网络化、集成化给智能建筑带来了前所未有的希望，这三者中，集成化是我们的里程碑。集成化所需要的技术含量最高，但给人类带来了极大的方便以及高效率、舒适、安全、节能的环境，它使一个复杂的事物在功能操作上变得简单化。为实现信息化，智能建筑中所涉及的各种子系统的高科技产品几乎全面进入了数字化时代，即已从原来的模拟产品进化到数字产品，并逐渐进入了能在IP通信模式下工作的系统时期。而通信网的融合，是信息集成化的基础。

由于IP网络在带宽、协议开放及标准化等方面优势突出，在其盛行之初，已经有智能化专业机构和厂商，开始考虑将其引入各自领域作为新的传输平台，替代过去以串行总线和专业协议为核心的传输架构，比如由ISO、ANSI和ASHRAE联合定义的BACnet/IP协议，由BOSCH公司基于以太网协议开发的Corbernet协议等。

随着智能建筑领域新需求的不断出现，尤其是以视频监控为代表的高带宽、高实时性多媒体应用系统的高速发展，进一步推动了IP网络在建筑智能化领域的渗透，使其逐步从服务于办公信息系统扩展到了服务于建筑智能化控制体系的传输领域，近几年各智能化系统厂商陆续推出各自基于TCP/IP架构的产品和解决方案，已经逐渐成为行业应用主流。

2 IP网络发展历程

在建筑智能化领域，IP网络的逐步渗透，经历了从后台处理数据传输逐步发展到前端原始数据传输的过程，从个别系统割裂传输到逐步融合传输的过程。

2.1 办公网阶段

在该阶段，计算机成为标准办公设备，电子化办公逐步取代传统的纸质办公，为实现办公计算机互联互通而产生的综合布线系统和计算机网络系统，逐渐成为智能建筑的标准系统。由于国内计算机及网络技术起步较晚，在开始得到大范围应用时，基于双绞线的以太网结构已经成为主流，而基于同轴线缆的总线网络部署还极少。

2.2 独立承载网阶段

真正促使IP网络成为智能化系统的传输平台，是源于以视频监控为代表的多媒体业务的兴起与大范围部署，由于模拟数据在处理方面的局限性及在传输方面的质量保证难度，视频监控系统率先成为大范围采用IP传输平台的子系统，针对视频监控的专用IP传输网在很多智能建筑项目中部署，同时楼控、广播等子系统的IP化进程也如火如荼，IP网络在建筑智能化领域由办公网阶段进入独立承载网阶段。

2.3 建筑智能化网阶段

近几年在大量建筑和园区智能化项目中，为解决传统架构在管理的灵活性和架构扩展性等方面存在的明显局限性，IP架构解决方案迅速成为此类项目的最佳选择。然而在同一项目中为各智能化子系统搭建独立IP网络，明显存在建设与运维成本高、管理难度大等问题，也不符合节能减排与绿色环保的理念。因此在一些实际项目中，已经有将多个系统承载在一套物理网络上的尝试，由于这种尝试没有规范化的解决思路与可靠的数据作为支撑，存在一定的潜在风险，针对这种情况，同方率先定义了“建筑智能化网”概念，并联合行业内的优秀企业发起“智能建筑网络融合实验”，开发出解决方案，用于指导设计与施工。

“智能建筑网络融合”与广义的“网络融合”概念是一致的，核心都是融合承载，差异是范围不同，业务不同。广义的“网络融合”着眼于将现存的电信网、移动网、互联网和广播电视网等承载多种不同业务的广域网络统一融合到一套新的网络架构上，而智能建筑网络融合(建筑智能化网)严格讲是广义网络融合的一个范例，是将建筑内所有的信息业务系统进行统一融合承载。

建筑智能化网(Building Intelligent Network，简称BINet)是指在智能建筑内构建单一物理IP网络，通过VLAN、Qos等保障策略，针对各子系统功能流量业务需求，为视频监控、出入口控制、多媒体信息发布、楼宇自动化控制等智能化子系统，提供功能流量级高可靠、高实时和高安全的统一传输承载服务。

建筑智能化网概念的清晰提出，实现了IP网络在智能建筑领域的重新定位，势必逐渐成为智能建筑的标准设计思路与规范，而此后IP网络在智能建筑内的发展走向则成为一个值得展望的话题。

我们在业界率先明确提出建筑智能化网(BINet)概念，并联合著名的网络厂商H3C和行业内的多家知名厂商发起“智能建筑IP网络融合实验”，目的是希望能够通过对智能化系统IP数据流量的分析，开发出多智能化系统在IP网络统一可靠承载的解决方案，使人们在规划和设计整个通信承载网络时，更加理性，尽可能避免在行业内部普遍存在的通信架构设计偏保守、系统规模和产品性能“越高越好”或“越大越好”等诸多问题。

3 融合实验分析

3.1 实验概述

建筑智能化系统IP网络融合最佳实践应用场景为一个建筑面积69 343m2，地上35层，地下2层的单体建筑，涵盖公共广播与背景音乐、门禁、楼宇自控、视频监控、多媒体信息发布五个智能化子系统。

网络融合实验结果对智能建筑具体工程的设计与实施具有一定的指导意义。在智能建筑系统集成工程中，建筑智能化各子系统应采用单独的网络还是采用统一的承载网络在业界争议已久，无非从网络安全、网络带宽、网络性能等方面众说纷纭，但都没有量化的实验数据来证实。通过这次网络融合实验，给实际工程提供了量化的实验数据。

本实验网络共承载5个弱电子系统：Techcon楼宇自控系统、H3C视频监控系统、TYCO门禁系统、ITC公共广播系统和神州视翰阳光多媒体信息发布系统，本网络融合项目将以上各弱电子系统统一承载在由以太网络交换设备构成的公共网络中，共用同一套网络承载设备。

各智能化子系统详细实验设计在前面各子系统章节中已经详述，这里不再赘述。

3.2 各子系统流量特征分析

前面各子系统文章中对各子系统的流量特征做了详细分析，现归纳如表1。

各弱电系统的业务流可通过源、目的地址，源、目的端口，协议类型等承载网络设备可识别的流量特征，从承载网络中传输的其他数据流中被识别分离出来，以得到承载网络提供的QOS保障。根据各弱电系统业务流的不同紧急程度赋予不同的优先级，各弱电系统相关的业务流量COS优先级标记值如表2。

网络融合采用严格优先级调度方式，确保紧急业务得到高优先级调度，优先转发。

3.3 融合承载的网络技术保障策略

本融合实验并不涉及新技术的开发，而是针对典型业务应用，分析其对传输的需求，选择网络技术中最适当的特性予以保障，本设计主要考虑了QOS、高可靠性、高安全性、可管理性和可扩展性五个方面的技术保障。

表1 各子系统流量特征详细分析表

3.3.1 QoS技术保障

网络上接入了5个弱电系统的大量设备，尤其是视频监控系统产生的流量冲击比较大，为避免各弱电系统业务流量相互影响，需要在承载网络上对各弱电系统的各种业务流部署端到端的QoS保障，从流量分类、流量标记、队列调度三个方面进行全网的QoS部署。

1)流量分类：各弱电系统的业务流可通过源、目的地址，源、目的端口，协议类型等承载网络设备可识别的流量特征，从承载网络中传输的其他数据流中被识别分离出来，以得到承载网络提供的QOS保障。

2)流量标记：通常情况下，弱电系统发出的流量不带有优先级标记，这样各弱电系统所处的地位一致，必须根据各弱电系统业务流的紧急程度不同赋予不同的优先级。例如由于公共广播系统具有消防联动紧急广播的业务，必须保障该业务具有最高优先级，因此在承载网络上对相关业务流量标记为COS6。

表1 各子系统流量特征详细分析表(接表1)

3)队列调度：采用严格优先级调度方式即Strict Priority (SP)，确保紧急业务得到高优先级调度，优先转发。

3.3.2 高可靠性技术保障

为保障各弱电系统在突发异常情况下仍能稳定可靠运行，需要在承载网络上做高可靠性保障。高可靠性设计如下：

1)承载网络核心采用两台核心交换机，每台交换机采用双主控、双电源、双风扇，提供硬件冗余保护；

2)两台核心交换机通过两条万兆链路形成IRF堆叠，消除单链路故障；

3)接入交换机与核心交换机之间的连接采用双千兆光纤上行，每根光纤分别连接双核心中的一台。两条千兆上行链路运行LACP协议实现跨设备跨板卡的链路聚合，既提高上行带宽，又可实现冗余备份。

3.3.3 安全性技术保障

表2 各弱电系统相关业务流量COS优先级标记表

图1 网络融合前建筑智能化子系统网络架构图

运行在同一个承载网络上的各弱电系统必须保证相互之间无流量干扰，才不会对其他系统的稳定运行造成影响，因此在承载网络的设计上必须考虑安全性保障，具体措施如下：

1)在楼层接入交换机、智能化机房接入交换机、消控中心接入交换机上做合理的VLAN和IP子网划分，保证各弱电系统的设备分别处于不同的VLAN和IP子网中，以隔离接入在同一接入交换机上的各弱电系统之间的网络广播流量；

2)不同楼层的弱电系统设备划分在不同VLAN和IP子网中，隔离各楼层之间的弱电系统流量串扰；

3)在核心交换机上为各弱电系统做合理VLAN和IP子网划分，且按不同弱电系统做VRF配置，保证各弱电系统间业务隔离。

3.3.4 可扩展性技术保障

楼层接入交换机已保证20%接入能力冗余，核心交换机两台各预留了若干可扩展槽位，以实现未来可能的弱电系统设备的扩容。

针对未来视频监控系统以IP摄像头替换四路视频编码器的情况，替换后视频监控系统所占承载网络的接入点数量将出现4倍增长，此时接入交换机可以由24口替换为48口，提供足够的接入点。

3.4 实验结果

根据各子系统的流量分析，设计了每个子系统

图2 网络融合后建筑智能化子系统网络架构图

的实验模型，采用真实设备在实验室完成搭建，通过有效触发，产品典型流量，并使用流量采集软件进行采集、分析与抽样，做成足以代表每个子系统流量特征的典型流量数据。再对应承载网络设计，在大型实验室按照1：1的规模进行组网，通过专业流量模拟设备(可同时输出数千路模拟流量的顶级专业设备)将此前采集的典型流量，按照实际系统的流量逻辑特征注入1：1网络中运行，并7×24h检测各流量的损耗参数，经过为期一个月的运行与监控，证明各种业务流量完全正常，智能化IP融合网络在承载、安全和优先级等方面的设计切实有效，达到了项目目标。

4 结束语

通过以上网络融合前后的对比不难发现，通过网络融合，智能建筑各子系统采用统一的网络承载平台，在完全满足各系统网络需求的前提下，优化了配置，大大降低了投资成本、施工成本及后期的维护管理成本。

网络融合前建筑智能化子系统网络架构如图1。

网络融合后建筑智能化子系统网络架构如图2。

通过实验发现各智能化系统的IP化程度不同，整体尚处在比较初步的阶段，而且由于弱电系统厂商实现方式有差异，弱电系统协议及原理种类繁多，因此不同系统不同产品对网络的要求也不同。

各弱电厂家目前还主要聚焦在其弱电功能实现上，对自身设备的网络特性关注较少，网络厂商因不了解弱电系统的业务及实现，对弱电系统的融合承载缺少经验。

传统组网中各弱电设备均是专网保障，因此部分弱电设备目前在设计上对网络资源的占用较大。

融合承载项目实际应用经验还不多，因此在有条件的情况下，可对方案功能、承载性能等进行测试验证工作，这样对融合承载项目能进行更好的保障。随着弱电系统IP化的逐渐深入，弱电网络融合承载的实际使用逐渐增加，弱电系统IP流量特征、实际工程等经验逐渐丰富，各项有效数据逐渐丰富。

[1]建筑智能化系统IP网络融合解决方案实践_H3C技术［EB/OL］.http://blog.sina.com.cn/s/blog_61bd83dc01011kv0.html.2012.8.

[2]张丹育.建筑智能化设备IP网融合承载实践初探[J].智能建筑电气技术,2012(10).