城市轨道交通综合监控系统基于工业以太网架构之网络广播风暴的研究与方法控制.docx

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城市轨道交通综合监控系统基于工业以太网架构之网络广播风暴的研究与方法控制

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董平

摘要：城市轨道交通综合监控系统（即ISCS）网络一般采用环网设计，按车站部署为不同层次。为了控制在环网上广播风暴对网络带来的冲击，按照车站部署层次，架构为大环套小环的结构，并融合几种常见的控制广播风暴的方法，形成一种基于网络架构的、能够全面而有效的控制ISCS网络广播风暴的方法。这种方法，不但控制了广播风暴问题，还能对网络运营维护和故障恢复起到很大作用。

关键词：综合监控系统；ISCS；广播风暴

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1综合监控系统一般结构简介

轨道交通综合监控系统（即ISCS）由位于控制中心的中央级ISCS系统、网络管理系统（NMS）；各车站级ISCS系统、车辆段级ISCS系统、停车场级ISCS系统；车辆段的设备维护管理系统（DMS）、培训管理系统（TMS）等组成。

ISCS系统采用主备、冗余、分层、分布式C/S结构，采用TCP/IP协议。

ISCS系统网络由三层组成，即主干层、局域层和现场层。

主干层，用于控制中心、与各车站、车辆段、停车场局域网的互联。主干网由ISCS系统专业自己构建千兆光纤以太环网。

局域层，控制中心ISCS系统、各车站ISCS系统、车辆段ISCS系统、停车场ISCS系统、TMS、DMS、NMS的局域网。中央级局域网采用冗余的1000M交换式工业以太网，车站、车辆段、停车场、NMS、DMS、TMS的局域网采用冗余的100M交换式工业以太网。

现场层，即各子系统执行层面上的网络，包括火灾报警系统（FAS）、环境控制系统（BAS）、电力监控系统（PSCADA）等系统，一般采用工业控制以太网或现场总线。

图1(a)ISCS综合监控系统构成图

如图1(a)所示，ISCS主干网一般采用环型结构，由冗余核心三层交换机构成。为什么工业以太网需要成环呢？回答这个问题，需要考虑工业网络对可靠性的高要求。网络故障在个人用户那可能没有什么太大影响，让网络工作人员简单查查、修复问题就可以了。但是在工业网络环境中，断网1分钟就可能导致成百上千万元经济损失，甚至会造成严重的安全事故。所以，在工业网络中，常常采用冗余设计，包括设备冗余和链路冗余等，方式又有冷和热之分。其实，环网就是一种冗余设计，一旦链路断了，环网立刻成为总线结构的以太网，网络的通信还是能正常进行。所以，现如今很多工业以太网结构都是环网。但在成环的网络拓扑中，会存在很多的网络问题，例如，著名的广播风暴。下面会详细介绍广播风暴的成因以及影响。

2广播风暴的形成

所谓广播风暴，简单的讲，当广播数据充斥网络无法处理，并占用大量网络带宽时，导致正常业务不能运行，甚至彻底瘫痪，这就发生了“广播风暴”。一个数据帧或包被传输到本地网段（由广播域定义）上的每个节点就是广播；由于网络拓扑的设计和连接问题，或其他原因导致广播在网段内大量复制，传播数据帧，导致网络性能下降，甚至网络瘫痪，这就是广播风暴。

广播风暴的产生有多种原因，如病毒，交换机端口故障、网卡故障、链路冗余、没有启用生成树协议、网线排线顺序错误导致的环路，或受到干扰等。病毒、ARP攻击和网络成环是造成网络广播风暴最主要的原因。

?网络设备原因：交换机转发数据包，是依赖自己的MAC地址表来进行的，MAC地址表内应该记录下目的物理地址与转发端口的对应关系。MAC地址表默认下是空的，交换机是通过ARP洪泛的方式学习到目的物理地址和转发端口的对应关系。正常网络环境中，所有终端的MAC地址和交换机相应端口一一对应，一旦其中一个终端网口掉线，交换机在维护自己MAC地址表条目的有效性时，就会再次的ARP洪泛，找不到该网口，一段时间后就会删除该失效MAC地址的对应条目。现在，正常的网络，终端网口故障了，时断时续，ARP始终在洪泛，大量ARP存在与网络中，势必造成网络广播风暴。因为，ARP是基于广播的原理，数据包途径每台交换机会复制N（N在这里为除进向端口之外的，交换机上所有端口数）份，分别向N个出向接口向外转发，让网络产生大量无用信息。

?网络环路：曾经在一次的网络故障排除中，发现一个很可笑的错误，一条双绞线，两端插在同一个交换机的不同端口上，导致了网络性能急骤下降，打开网管网页都非常困难。这种故障，就是典型的网络环路。网络环路的产生，一般是由于一条物理网络线路的两端，同时接在了一台网络设备中。ARP在环内，不断复制，不能消除，ARP数据包占满链路时，网络崩溃。

?网络病毒：目前，一些网络病毒，一旦有机器中毒后，会立即通过网络进行传播。网络病毒的传播，就会损耗大量的网络带宽，引起网络堵塞，引起广播风暴。

工业以太网，虽然在物理连接上成为环型，但是，在某两个车站之间，为了避免环路，手动设置某条合适的链路，在逻辑上断开链接，这也就是“虚断技