基于城域网的数据共享解决方案

何鹏涛，彭蕴博，李聪祥，何昊洁，杨 群，宋瑞群

（1.西峡县大数据中心，河南 西峡 474500；2.中航光电科技股份有限责任公司，河南 洛阳 471000；3.西安中兴新软件有限责任公司，陕西 西安 710114；4.南阳职业学院，河南 西峡 474500；5.南阳职业学院，河南 西峡 474500；6.中国联通南阳市分公司，河南 南阳 473000）

0 引 言

当前，随着大数据、物联网、云计算等新兴技术的成熟应用，新型智慧城市的建设如火如荼。对于新型智慧城市的定义，可以概括为：能够充分运用信息和通信技术感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应，为人类创造更美好的城市生活环境。

智慧城市建设的功能模块一般可分为惠民服务、精准治理、生态宜居、智能设施、信息资源等。主模块包含公共安全、城市管理、智慧环保、智能农业、应急管理等子模块。各地区由于地域、发展的不同，因此侧重点也不相同。智慧城市建设中的难点主要是原有不同业务系统的整合，存在软件的兼容、数据的相互调用等问题。本文就以解决分布在不同场所的数据调用和共享问题展开讨论。

1 背景介绍

笔者工作的地方，涉及30余个单位的数据整合，大多数单位都建设了自己的数据中心（规模大小不一）。在智慧城市的建设过程当中，软件兼容和数据调用的实现建立在网络的可靠传输基础上。各单位的应用系统一般都有自建的服务器，分布在县内不同场所，这些数据中心有些通过互联网对公众提供服务，有些涉及安全无法与互联网连接。如何把这些分布在不同位置的数据中心（局域网）进行物理连接后，接入智慧城市的数据中台，实现数据的高速传输和交换，成为智慧城市建设的核心技术问题[1-3]。

互联网和智慧城市的数据中台互联存在以下弊端：

（1）可靠性差。互联网传输无法保证传输的可靠性，且延时较长。

（2）成本较高。对于视频数据，带宽需求很高，无法使用PON（无源光网络）接入方式，只能采用AON（有源光网络）方式，专线费用很高。

（3）安全性较差。通过互联网传输敏感信息违反了国家相关规定。

（4）数据转发效率低。在智慧城市建设中，除各单位数据和数据中台的交互外，还涉及各个单位之间的数据交互，通过互联网进行数据转发，使得各单位的互联网出口带宽负载很大，数据也需要多次路由，效率低下。同时数据的延时也较大。

经过前期调研，结合智慧城市建设需求，通过建设城域网实现数据互通已提上工作日程。

传统的城域网MAN标准为分布式队列双总线（Distributed Queue Dual Bus, DQDB），即IEEE802.6，具有可变带宽分配能力。借助DQDB，网络跨度可达50 km，传输速率范围为34～155 Mb/s。DQDB包含2根同时连接工作站的总线线路，并且在每根总线的末端各连接1个帧发生器。总线采用并行运行方式，在该方式下，允许数据帧反向通过工作站传输。考虑到异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode, ATM）技术较为复杂、性能有限（最高带宽为155 Mb/s）、设备成本高，而随着近年来光纤制造工艺、光纤连接器、WDM、路由器等技术的进步，通过以太网技术建设全光城域网完全可行[4]。

2 接入模式

针对我县的实际情况，采用以太网技术进行城域网建设，将静态路由协议和开放最短路径动态路由协议（Open Shortest Path First, OSPF）互联。部署4台万兆路由器，作为OSPF网络的主干区域，路由器采用单模单纤SFP+模块（万兆）模式，主干路由器间采用单模光纤全连接方式以保证链路冗余。4台万兆路由器分别部署在县内4个数据中心建设标准较高、具备冗余电力线路或发电机的单位。其他单位通过单模光纤就近接入临近的主干路由器[5]。接入模式如图1所示。

3 方案优势

通过以上部署，初步实现了数据在物理层面的高速互通。该方案具有可靠性高、兼容性强、成本较低、性能优异、安全性高、拓扑结构灵活、网络跨距大等优势。

3.1 可靠性高

主干区域（AREA 0）路由器采用网状网拓扑，OSPF协议配合BFD（双向检测机制）技术可以有效降低光纤链路断开、光纤模块故障、路由器故障带来的业务中断风险。当前方案中，非主干区域（AREA 1～AREA 4）的联网单位就近接入主干区域任意一台路由器，后期可根据智慧城市建设的需要，分别接入主干区域与任意两台路由器，以实现冗余[6]。

3.2 兼容性强

OSPF作为一种主流的动态路由协议，属于内部网关协议（Interior Gateway Protocol, IGP），技术成熟。这是一种典型的链路状态（Link-state）路由协议，一般用于同一个自治系统（Autonomous System, AS）内，所有OSPF路由器都维护一个相同的描述该AS结构的数据库。数据库中存放自治系统中相应链路的状态信息，OSPF路由器通过该数据库计算出其OSPF路由表。作为一种链路状态的路由协议，OSPF将链路状态组播数据（Link State Advertisement, LSA）传送给在某一区域内的所有路由器。这一点与距离矢量路由协议不同，运行距离矢量路由协议的路由器会将部分或全部路由表传递给与其相邻的路由器[7]。

在城域网中使用OSPF协议，主要具有以下优点：

（1）OSPF适合大型网络。OSPF协议相对于静态路由，设置完成后可以自动生成路由表，大大减轻了网管人员的负担。相对于RIP协议，没有对于路由跳数的限制，支持更大规模的网络。

（2）组播触发式更新。OSPF 协议在收敛完成后，会以触发方式发送拓扑变化的信息给其他路由器，以减少网络宽带的使用；同时，可以降低干扰的影响，特别是在使用组播网络结构对外发出信息时，不会对其他设备构成影响。

（3）收敛速度快。如果网络结构发生改变，OSPF协议系统会以最快的速度发出新的报文，使新的拓扑快速扩散至整个网络；OSPF采用周期较短（30 s）的Hello报文来维护邻居状态。

（4）以开销作为度量值。OSPF协议在设计时就考虑了链路带宽对路由度量值的影响。OSPF协议以开销值作为标准，而链路开销和链路带宽正好形成了反比关系，带宽越高，开销就越小，因此OSPF选择时主要基于带宽因素。

（5）OSPF协议的设计目的是为了避免路由环路。在使用最短路径的算法下，收到路由中的链路状态，然后生成路径，避免产生环路。

（6）应用广泛。无论是局域网、城域网或广域网都有大量应用。

支持目前主流的企业级网络设备（路由器、防火墙、三层交换机等）。各大厂商的网络设备OSPF协议除配置命令有差异外，实现原理和功能基本相同。在城域网的建设过程中，可以充分利旧。例如，县内多个单位在前期的信息化项目中，已采购了具有多个扩展模块的路由器和三层交换机，那么在这次城域网的建设中，无需额外购买设备，只需购买兼容的SFP+模块即可。OSPFv3支持IPv6，对于未来网络的升级和IPv6改造也具有良好的兼容性。

3.3 成本较低

近几年，随着光通信技术的进步，40G光传输技术已经成功商用，10G以太网技术成熟，价格相对低廉，因此我们抛弃了传统城域网建设中的ATM和DQDB技术，直接购买10G以太网设备或者利旧。数据中台需要和所有联网单位互联，对于带宽的需求较高，特别是大量的视频共享调用，如果采用互联网连接，各联网单位需要100～1 000 Mb/s的不同带宽，每个单位每年会产生数万元乃至数十万元的光纤专线租用费，考虑到智慧城市建设的长期化，后期对带宽的需求更高，而高昂的费用会制约智慧城市的建设与发展。因此智慧城市建设中的数据调用并非通过互联网，而是选择租用运营商裸光纤或者自行架设光缆的方案，互联带宽可以根据光纤模块性能自由掌控。比如在选购SFP和SFP+模块时，统一采用单模单纤模块，在一根光纤上，通过波分复用技术（Wavelength-Division Multiplexing, WDM）分别采用1 310 nm和1 270 nm波长作为收发信道，链路成本较低。

3.4 性能优异

该城域网划分为核心层和接入层。对于AREA 0区域（核心层）采用10 GE路由器（根据业务发展的需要，后期可以升级为40 GE路由器或者100 GE路由器），其他互联单位根据业务量采用千兆或者万兆设备，配合主干区域的冗余线路，既实现了核心层全光高速转发，也兼顾了网络的可靠性。

3.5 安全性高

在核心层和接入层的路由器设置ACL（访问控制列表），可以在逻辑上隔离各单位之间的不同网段，保证网络的安全性，对于一些涉密的信息系统，可以在出口设置单向或者双向网闸，以保证网络的物理隔离。在主干区域与非主干区域的OSPF协议中启用认证功能，也可以有效保证城域网的安全性。

3.6 拓扑结构灵活

通常运行OSPF协议的网络设备一般采用链型拓扑，在城域网的实施中，根据链路的距离、成本、安全性等因素，核心层采用环形拓扑，接入层既可以采用链形拓扑，也可以采用星型拓扑。

3.7 网络跨距大

目前，市场上成熟的SFP、SFP+模块具有10～80 km的无电中继发射距离，很容易实现半径80 km的城域网跨距，完全满足城市内各单位的互联需求，相比传统城域网的覆盖半径有了较大提升[8-9]。

4 结 语

综上所述，通过OSPF协议和光纤组建全光城域网具有诸多优点，但在实施过程中会出现规划设计复杂、ACL访问策略众多、网络管理不便、运营商利益受到影响（可能不会积极配合）等弊端。但作为以太网城域化和广域化的发展和演进，仍不失为一种优秀的城域网解决方案。还望与业界同仁一起探讨上述问题，也希望诸多业界同仁能不吝指教[10]。