剧 凌

（北京铁路局集团公司北京通信段，北京 100077）

1 数据通信网

数据通信网是由分布在各地的数据终端设备、数据交换设备和数据传输链路所构成的网络，其功能是在网络协议的支持下实现数据终端间的数据传输、交换。

1.1 网络结构

数据通信网分为分组交换网、数字数据网、帧中继/ATM网和IP数据网。其中，IP数据网支持数据业务、话音、传真和视频业务，应用最为广泛。IP数据网主要由用户终端、传输介质、网络设备组成[1]。网络结构基本模型如图1所示。

图1 数据通信网网络结构基本模型

其中，用户终端是用户直接面对的终端设备，比如计算机、手机等。传输介质可分为有线（网线、双绞线等）和无线（Wi-Fi、蓝牙等）。网络设备主要有路由器、交换机等。由于用户终端与传输介质较为直观，本文将着重讨论网络设备及其连接形成的网络，因此后续论述的数据网不包括对用户终端和传输介质部分。

IP数据网中最常见的设备是路由器和交换机。其中，路由器主要用以实现IP数据包高速路由和转发，以路由处理为主。交换机的主要功能是完成数据转发，追求转发速率的最大化。

路由器按其路由处理能力可分为高端路由器和中低端路由器，其中高端路由器的交换能力大于40 Gbits，低于此数值的称为中低端路由器。高端路由器的可靠性、扩展性和性能都要高于中低端路由器，通常处于网络的核心位置。就交换机而言，数据网中的交换机是采用分组交换方式的以太网交换机，以满足数据传输的需要。随着网络发展，以太网交换机也有一些具备了路由处理能力，如3层交换机。另外，以往的交换机接口都是电口，已不能满足用户的使用需求，而具有光口的光交换机则应运而生，并迅速在网络中得到应用。

1.2 网络协议

在通信网络中，为了保证通信双方能正确而自动地进行数据通信，针对通信过程的各种情况，制定了一整套约定，即网络的通信协议。协议规定了网络中使用的格式、定时方式、顺序和检错。网络协议是数据通信网不可缺少的组成部分。IP数据网遵循的是TCP/IP协议。TCP/IP是一组协议，其中最为核心的是TCP协议和IP协议。TCP（Transmission Control Protocol）是传输控制协议，它会在端到端建立一条虚拟通道，并要求数据包可靠通信，遇错重发，并自动调整数据包发送速度以匹配通道拥塞程度，TCP协议保证了网络传输的可靠和高效。IP（Internet Protocol）是互联网协议，它为接入网络的每一台设备、每一个设备接口，都定义了一个地址（IPv4是32位，IPv6是128位），通过这样的地址表达，确定出每个节点的位置，从而为数据包的转发标记出“跳点”。

TCP/IP定义了网络参考模型，将网络分为4层，自下而上分别是网络接口层、网络层、传输层、应用层。网络接口层主要规定了用户应使用某种协议接入网络，以便能够以IP分组方式传递数据。网络层最为关键，这也是IP协议工作的层，它用以实现用户数据分组、转发，使每一个数据包都能够到达目的地。传输层则是TCP协议工作的层，传输层使要进行数据交换的2个用户终端可以进行会话。应用层则是面向用户的，像HTTP、FTP等协议工作在这一层，使用户的表达可以接入网络进行传送。正是由于TCP/IP协议既不限制链路层的实现技术，也能包容应用层的复杂丰富，才使IP数据网有了如此飞速的发展。

2 铁路数据通信网的应用和发展

数据通信网自诞生起，就带来了信息传送的革命性变化。50多年的时间，数据通信网从开始的几台电脑的连接、几个字节信息的传送，到现在全球范围内的网络互联、数以亿计的数据量传送，完成了一次次技术飞跃。当数据通信网应用到铁路运输系统中以后，就为铁路信息传送提速提供了强大的网络支撑。

2.1 数据通信网在铁路系统中的应用

2.1.1 网络结构

数据通信网的组网方式灵活多样，常见的有线型、星型、树型等，各种方式各有利弊。在铁路系统中，数据网的结构也随着需求而发生了变化。目前覆盖全路的数据通信网由骨干网和区域网组成，铁路总公司与各局集团公司间、各局集团公司间的为骨干网，局集团公司到各站、段等下属单位的为区域网。在区域网中，数据网又按核心层、汇聚层、接入层搭建，各级的关键节点部署2台路由器，路由器间纵向、横向互联，形成结构清晰、保护完备的信息传送网络。下面将以北京局集团公司目前使用的区域网络为例，介绍铁路数据通信网的网络结构。

（1）核心层：在局所在地设置有2台核心节点路由器，上联骨干网转发路由器，下接区域汇聚层汇聚路由器，并承担局机关、调度所及就近站段单位的信息接入。（2）汇聚层：在区域枢纽节点设置有2台汇聚路由器，1对1上联核心节点路由器，2台路由器之间，进行横向联结。向下联结各地区接入路由器，并承担设在当地站段单位边界路由器（PE）的接入。（3）接入层：在各地区节点设置2台接入路由器，不同节点间进行同序号间的串联，并取适当位置的节点，1对1上联汇聚路由器，同节点2台路由器之间，进行横向联结，向下接入接入设备，现在多是采用吉比特无源全光网络（Gigabit-Capable Passive Optical Network，GPON） 技术接入，如图2所示[2]。从这样的路由架构可以看出，网络整体连接的安全性比较高，路由选择冗余度比较高。

图2 GPON系统结构示意图

2.1.2 网络协议

全路的数据通信网为多自治域结构，每个局集团公司构成独立自治域。在自治域内部，多采用IS-IS协议。IS-IS（Intermediate System-to-Intermediate System）协议是由ISO制定的一种链路状态路由选择协议，通过建立邻居关系获得路由选择，采用SPF算法确定最优路径[3]。

在IS-IS中可以把区域分为2层：level 1和level 2。某台路由器可以只是level 1或level 2路由器，也可以是level 1和level 2路由器。IS-IS中的区域划分是基于路由器间的链路的，所有建立L2邻居关系的路由器构成了level 2子域。IS-IS协议的主要目标是路由选择信息的收集与扩散，以及在网络的节点之间选择最佳路径，而IS-IS链路状态数据库是实现IS-IS协议目标的基础。在IS-IS里，实现路由转发首先需要建立邻居关系，对链路状态数据库进行同步，再经过SPF计算得出路由表，路由器转发进程根据路由表选择合适的路由完成数据转发。

路由协议必须拥有较高的可扩展性以满足多变和发展的网络环境，还应该能够用较短的收敛时间来应对网络拓扑发生变化引起的重新计算生成路由表的过程。在安全性上，路由协议还应该有一定的保护措施，来防范网络攻击。在这些方面，由于IS-IS协议的工作机制的特点，使得IS-IS协议下的网络扩容相对易实现，而收敛时间在不同的网络结构中不同。由于IS-IS协议直接运行于数据链路层，因此不会被基于IP的外部网络攻击，但IS-IS协议不能防范重放攻击。

2.1.3 业务接入及隔离方式

随着铁路信息化建设的推进，数据通信网在铁路系统中扮演了越来越重要的角色，越来越多的铁路运输生产信息需要通过铁路数据网进行传送。铁路数据通信网主要承载的业务有视频监控、视频会议、货票系统、车辆5T智能监控、电力远动、语音记录仪、财务联网、办公联网、可视调度以及应急等。

以视频监控业务为例，在车站、铁路沿线、进出站咽喉区等关键位置，安装视频监控采集终端，接入视频交换机，视频交换机接入数据网的接入层接入路由器，通过数据网将视频信号传递到相应网管中心服务器。

目前各种业务系统与数据通信网多以CE-PE方式互联。其中，CE为业务网络的边界路由器，PE为数据网的边界路由器。在同一节点，一般部署双CE和双PE，4台路由器以“▢”形式连接[4]。CE和PE间通过静态路由协议进行路由交换，各业务系统使用多协议标签交换（Multi-Protocol Load Switching，MPLS）虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）方式接入。

MPLS VPN是一种基于MPLS技术的IP VPN，是在数据网上应用的MPLS技术。通过将各种不同类型的业务划分为不同的VPN，来实现各业务之间的隔离和不同服务质量（Quality of Service，QoS）保证。通过MPLS VPN技术，将不同业务划分到不同的MPLS VPN，保证业务间的安全隔离，并对不同业务，设置不同的QoS策略。业务接入设备根据业务将不同端口或VLAN映射到不同的VPN[5]。

2.2 铁路数据通信网的演化

起初，无论是铁路信息网（Transportation Manayement Information System，TMIS）、客专数据通信网，还是铁通建设后划转铁路的数据通信网，均是搭建在传输网的基础上，各路由器间均通过同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）传输网络相连，接入路由器（Access Router，AR）上联带宽不超过10 M，汇聚层至核心层间的链路带宽不超过155 M。主要在其中承载了生产信息、办公、红外线、动环、记录仪等对带宽需求不大的业务。随着铁路提速、高铁客专线的建设，视频监控和视讯会议等流媒体业务大量增加，对网络带宽的需求也急剧增加，数据网的容量无法满足业务需求。但是，基于SDH传输网络搭建的数据网，扩充容量非常受限。因此，数据网独立组网在经过论证后，应用到了实践中。新建的独立组网的数据网或者依托于光传送网（Optical Transport Network，OTN），充分利用了OTN网络的灵活性，实现了路由器间的光纤直连，在路由冗余配置下，安全性不输传统模式。

不仅接入层、汇聚层和核心层的路由器完成独立组网，大大提高了网络的容量和灵活性，向用户延伸的“最后一公里”，也从之前的非对称数字用户线路（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）的电接入发展到了GPON光接入。GPON是光接入网的主流技术方案，无论从可靠性还是造价上都具有较大优势。应用GPON技术的光接入网主要由光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、光网络单元（ONU）和光分配网络（Optical Distribution Network，ODN）组成。OLT直接上联至AR，并采用双上行模式，即同时接入AR01、AR02，并可以设置为路由自动切换模式，确保一个方向的路由不通时，可以自动切倒另一路由。OLT一般部署在车站通信机房，采用直流供电方式。ONU通过光纤+ODN与OLT相连，一般部署在用户终端，将用户终端接入数据网网络，通常采用交流供电方式，壁挂箱式安装，节省空间。OLT上的一个下联口，可以通过ODN接入多台ONU，并实现对ONU的管理。ONU上可以为用户提供多种接入接口，包括以太网口、电话业务接口，并且同一台ONU可以接入办公网、视讯会议、视频监控等多种业务类型，不同业务类型划分不同VLAN相隔离。和ADSL的电接入相比，GPON光接入的接入能力更强、可提供带宽更宽、部署造价更低，非常适合当前同一节点多种类、大带宽业务接入需求。

现在独立组网的新数据网已完成了与原有铁路信息网和客专数据通信网的融合，再加上GPON技术将高速的光纤接入模式延申到工区班组，铁路数据通信网已具备了全覆盖、高带宽、强接入的强大网络能力，可以为铁路信息业务提供丰富的网络资源和强大的网络支撑。随着IP地址资源的重新划分，各站段部门的生产网平滑过渡到由新数据网承载，老数据网内的业务也逐渐倒接入新网内承载，开通在新数据网中的办公网业务，终端上行速率在技术上可达百兆。依托于雄厚的网络资源，视频监控和视讯会议大量接入，为旅客列车安全提供了有效保证，也使得灵活高效的会议办公成为可能。

路由协议选择上，也从之前使用开放式最短路径优先（Open Shortest Path First，OSPF）协议逐渐改用IS-IS协议。诚然，OSPF协议和IS-IS协议都属于内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP）用于在单一自治域（Autonomous System，AS）内决策路由。但随着网络规模的扩大，在铁路数据网中，OSPF协议逐渐被IS-IS协议所取代。OSPF协议和IS-IS协议都是链路状态协议，工作机制主要包括了邻居关系建立、链路状态数据库同步、SPF计算和路由转发4个部分功能。在这4个部分功能中，邻居关系建立的过程均使用Hello报文协议，但IS-IS里建立邻居关系的检查较为宽松，只要2台IS-IS路由器间具备双向连通性，双方就一定能同步各自的链路状态数据库；OSPF中更为严谨，只有邻居间的链路状态数据库同步之后，才能说2台路由器之间建立了齐备的邻居关系。链路状态数据库同步的过程中，2种协议的路由器都会定期生成和发出LSA/LSP，所不同的是，IS-IS协议的任何一个路由器都能丢弃错误LSP，而OSPF协议中，只有错误LSA的发送者才能丢弃该LSA。SPF算法的基本思路是：根据LSDB里描述的拓扑信息构建最短路径生成树，然后将LSDB里描述的路由信息作为树上的叶子生成最终路由。OSPF和IS-IS都是基于Edsger Dijkstra的SPF算法。不过，IS-IS采用的是部分路由计算算法计算，将IP前缀信息和拓扑信息分别通告，从而当IP前缀发生增删、调整时，可以降低路由运算量，使得IS-IS区域更具备可扩展性。在路由转发方面，路由器经过SPF计算得到路由表，路由器转发进程则根据路由表优选路由将数据进行转发。在相同的网络条件下，可以发现，IS-IS LS数据库比OSPF LS数据的规模小很多，显然，在大型网络中，这是较为突出的优势。除了工作机制，在可扩展性、安全性、收敛性几个方面上，IS-IS协议也显现出了高效、不易受外网攻击、运算量小等优点。可以看出，尽管OSPF协议和IS-IS协议都是较为成熟的链路状态路由协议，工作机制也相似，但IS-IS协议的一些特性与大型网络的需求更为匹配，能够使网络更为高效、稳定地运行。

3 铁路系统信息化对通信数据网发展的推动作用

通过梳理铁路通信数据网的发展可以看出，正是由于铁路系统信息化程度的不断加深，才对网络产生了更高的要求，从而推动了铁路通信数据网的发展。而铁路通信数据网的发展，又对铁路高质量发展提供了有力支撑。

起初铁路运输能力有限，铁路通信能够满足各种行车指挥命令传递的需要即可。随着铁路运营里程的不断增加，铁路运行速度不断提高，铁路生产管理也随之提效，而提效手段之一就是信息化。因此，所传递的信息也不再仅限于行车指挥命令，而是逐渐增加了诸如生产管理、会议电视、票务信息、客户服务、防灾预警、视频监控等各类信息。伴随而来的就是对传递这些信息所用的通信网的运行速度和容量的巨大的需求增长，这些增长推动铁路通信完成了从架空明线、磁石电话到光纤传输、数据通信的技术革新。到现在，铁路通信已逐步形成沿铁路部署、通达铁路各生产岗位、作业点的全程全网、车地一体、统一调度的通信网，紧密契合铁路运营需要[6]。铁路通信数据网更是实现了从无到有、从小到大的规模建设。

4 铁路通信数据网应用的趋势分析

纵观铁路数据网发展的过程，既符合通信网络发展的思路和方向，大容量、高效安全，又有铁路行业应用的特色需求，网络建设围绕铁路线开展，网络结构清晰，设备运行环境复杂，对网络的可靠性和安全性要求高，应急响应要求迅速。因此铁路数据网将来的发展，将会是选择成熟度高的技术方案，并充分结合铁路运输的实际需要，向更安全、更高效的方向高质量发展。

随着AI时代的到来，物联网、大数据等技术的广泛应用，必将使各行业发生深刻变革。铁路系统在“交通强国，铁路先行”新时代使命引领下，也将会在技术革新上持续发力，各工种的新技术将发生迅速迭代，将使列车运行更安全、作业更高效。可以预见，这样的技术迭代势必需要大量的数据交互，这种数据交互将需要更加强大的通信网络支撑，大数据量的信息交互将不仅限于远距离传输，因此网络末端的接入能力将会更大，网络连接方式也将更加多样，以灵活应对信息交互点位的变化。