路网管理与应急处置平台的多网融合组网实现

作者:查重猫     发表时间:2021-04-08 09:02:04   浏览次数:47



  摘要:智能交通正进入新时代,交通管控智能化以及综合交通系统协同化对网络传输要求融合处理的能力,需要效率更高、更智能的网络融合平台。基于现阶段我国省域高速公路网管理与应急处置平台多业务协同的需求,各数据专线通过先接入负载均衡器,实现网络的控制,保证网络稳定性。随着智能交通的发展,面对日益增长的数据量、系统庞杂的逻辑结构,四层负载均衡和七层负载均衡网络控制方案各自弊端逐渐显现,存在负载均衡器负载压力大、配置复杂、故障频繁等特点。为应对日新月异的网络现状,提出四层、七层负载均衡器的混合复用,并通过虚拟化网络链路,实现冗余热备,提供网络资源保障,满足未来构建交通云计算平台的需要。

  关键词:交通信息工程及控制;多网融合;负载均衡;网络虚拟化;应急指挥平台

  1高速公路网管理与应急处置平台概述

  智能交通系统是交通现代化建设的重要组成部分,是“十三五”期间我国交通科技领域重点发展和支持的重要战略方向。在新技术的引领和推动下,智能交通系统的发展开始进入一个全新的时代,交通运营与管理将更加突出管控的智能化与综合交通系统的协同服务,体现一体化服务和绿色环保。高速公路网管理与应急处置平台是在高速公路基础数据管理平台和高速公路地理信息系统平台基础上[1,2],将各业务子系统的信息通过多种网络方式传输并进行融合、处理,为管理者的日常运营、事务决策以及服务体系提供支撑,实现信息资源互联互通、协调联动,提高高速公路运行管理效率和服务水平。通过采用负载均衡和网络虚拟化技术,构建集交通动态监测分析、协调管理与应急指挥、信息服务于一体的多业务网络融合,数字化、创新化、协同化、智能化、系统化、可视化的路网智能化综合管理平台。

  2业务子系统与物理组网

  高速公路网管理与应急处置平台能为交通运输厅下的各业务部门服务,即该系统涵盖运行监测业务、路政业务、养护业务、应急管理业务、建设发展、高速公路收费等多业务。这些业务的功能主要由若干子系统来实现,如交通监控子系统、收费信息管理子系统、路网关键设备远程管理子系统、交通地理信息子系统(TGIS)、GPS车辆调度子系统、车载移动视频子系统、辅助决策子系统等,这些子系统通过联动、协作来实现高速公路网管理平台的各项功能[3,4]。但不同业务类型,不同硬件设施、网络架构以及数据格式,导致多业务有机结合能力差,协同办公效率低。因此为发挥平台各业务的整体效能,建立良好智慧高速、综合交通基础,现亟需实现基于多业务的网络融合,完成网络、数据格式的统一,有效整合数据资源,升级高速公路网管理与应急处置平台性能。

  物理构成上,高速公路网管理与应急处置平台由设在指挥调度中心的核心网络和各个功能业务子网组成的指挥调度中心核心网(内网)、由应急指挥子网、办公自动化网络组成的应急指挥网(外网)、及配套设施、路段机电设施、通信传输系统(光纤数字传输系统、办公网电话系统、调度电话系统、光电缆工程、通信电源等)等构成,见图1。

  高速公路网管理与应急处置平台主要有用户层、服务层、业务网、基础设施层,如总体架构见图2。随着高速公路网业务的扩展,业务网络中存在的各种异构网络导致扩展性差、网络管理不便、控制困难等问题,因此通过负载均衡、网络虚拟化等技术实现网络物理上的解耦,构建新型网络系统的研究十分有必要。

  3多业务网络融合

  3.1网络负载均衡技术

  系统建设初期,交通综合运行协调与应急指挥业务量相对较小,系统逻辑结构相对简单,原有的系统能满足业务基本需求,随着业务需求的不断拓展,管理部门也将不断产生新的需求,随着业务子系统增加、流量增大、系统逻辑结构更复杂,原有系统的性能问题日益凸显,因此系统设计和建设上要充分考虑今后一段时期内的拓展需要,考虑与指挥调度中心与路段分中心以及其他业务部门的数据交换共享需求,需要增设负载均衡器以及多台机器来提升交通综合运行协调与应急指挥系统的性能扩展和提升。高速公路网管理与应急处置平台租用的有移动IP数据专线、电信IP数据专线和联通IP数据专线,这些专线首先接入负载均衡器,通过负载均衡器对系统的互联网链路进行数据流量转发、处理和带宽控制,提高网络整体的稳定性和高可用性,链路负载均衡器见图3。

  负载均衡器通常分四层负载均衡和七层负载均衡[5,6],前者工作在OSI模型的传输层[7],后者工作在OSI模型的应用层[8,9]。具体原理如下。

  3.1.1四层负载均衡器

  不同于早期使用DNS给client端解析目的地址[10],四层负载均衡器在收到client端的流量报文后,通过修改传输层报文中的目的地址和端口信息,并经过设定的调度算法将流量报文转发到对应的服务器中。四层负载均衡器主要工作为转发,以TCP协议为例,外场路网监控系统道路监控摄像机终端向交通综合运行协调与应急指挥系统处理中心发送流量,四层负载均衡器收到其第一个SYN请求时,通过选择算法选择服务器群中的最优服务器,同时修改摄像机来源终端的报文目的地址,将报文转发给选中的服务器,由此建立了TCP的连接,见图4。

  3.1.2七层负载均衡器

  不同于四层负载均衡器修改报文的目的地址,七层负载均衡器的核心是应用层报文中有意义的内容以及在设备中设定的选择方式。同样以TCP协议为例,系统中的负载均衡器作为代理先和外场设备建立三次握手连接后,再根据报文中的内容以及均衡器的设置,最终选择对应的最优服务器,见图5。

  七层负载均衡器的投入使得交通综合运行协调与应急指挥系统的系统业务网络更智能,能根据客户端的连接请求选择最优服务器转发,并针对不同的请求使用不同的缓存、压缩等技术,极大程度地提升了多业务网络融合的灵活性。此外根据七层负载均衡器的实现原理,还能提高系统整体的安全性,有效避免SYNFlood攻击[11]。

  四层负载均衡器和七层负载均衡器各有利弊,七层负载均衡器虽使网络流量更智能化,但同时也带来配置繁复、故障排查困难、负载均衡压力增高等问题,而且七层负载均衡器多应用于基于B/S系统,四层负载均衡多应用基于C/S系统[12],对应的协议应用不同,因此本文提出四层负载均衡器和七层负载均衡器混合应用于高速公路网管理与应急处置平台。通过负载均衡器对各种网络链路的虚拟化处理,实现网络链路的冗余热备,为内外部资源的相互访问提供保障。

  3.1.3负载均衡算法

  负载均衡器算法是负载均衡器实现client端请求转发到最优服务器进行链路连接的基础,通常负载均衡算法有随机算法、轮询及加权轮询、最小连接及加权最小连接、哈希算法、IP地址散列、URL散列等[13]。本文设计的高速公路网管理与应急处置平台常用的负载均衡算法是轮询及加权轮询[14,15]和哈希算法[16,17]。

  (1)轮询及加权轮询。

  当路网管理与应急指挥中心服务器群的各服务器具备相同的处理能力,同时请求业务处理量相对均衡,较适合轮询,逻辑实现见图6。

  该原理是把来自客户端的用户请求按照规则轮流分配给服务器群中的内部服务器:从server1开始,直到serverN,然后重新开始循环。

  加权轮询则能根据服务器的性能、负载来分配权重,使整个高速公路网管理与应急处置平台各业务系统流程处理均衡。加权轮询算法的流程是:①轮询所有节点,找到一个最大权重节点;②选中的节点权重-1;③直到减到0,恢复该节点原始权重,继续轮询。逻辑实现见图7。

  (2)哈希算法。

  该算法将服务器IP地址转换成hashCode,然后对服务器的总个数取余,所得结果就是选择服务器的编号。逻辑实现见图8。

  3.1.4负载均衡的实现

  负载均衡的实现方法有DNS域名解析负载均衡、数据链路层负载均衡(LVS)、IP负载均衡(SNAT)、HTTP重定向负载均衡、反向代理负载均衡(Nginx)等。本文设计的高速公路网管理与应急处置平台应用的是四层负载均衡与七层负载均衡共同搭建使用,即LVS+Nginx负载均衡结构。

  3.2网络虚拟化技术

  3.2.1高性能二层网络

  由于高速公路网管理与应急处置平台包含交通监控子网、收费信息管理子网、呼叫中心、各路段分中心、应急指挥子网等,随着发展系统也将更复杂、设备更多,为实现系统平台稳定运行,需要一个性能更高、二层域更大的网络环境。高速公路网管理与应急处置平台新增核心交换机和汇聚交换机通过华三IRF2或思科VSS的跨设备链路聚合虚拟化技术,见图9,取代传统的STP+VRRP协议,将双交换机冗余热备虚拟成一台逻辑设备,提高资源利用率,简化网络规划和管理来减少故障节点,并能降低故障时间。

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  高速公路网管理与应急处置平台的业务二层网络经过透明化改造,视频监控、应急或路政养护移动终端、呼叫中心等不同业务接入对应的VLAN,并且汇聚层以上的数据会贴上VPN标签后再进行数据交换或路由转发,能保证不同业务区域的数据安全隔离,但如在不同业务分区的同一子系统能进行跨区灵活部署和迁移,为未来的交通云计算奠定基础。

  3.2.2网络服务虚拟化

  在传统网络结构上,路段监控收费分中心、核心业务区、应急指挥区、办公业务区等都各自配套安全设备,造成资源浪费、运维复杂和管理效率低下的情况。本文提出的高速公路网管理与应急处置平台通过网络服务虚拟化[18],并在汇聚层部署交换机、防火墙、负载均衡器等,能提高原有系统的资源利用效率,保证不同业务区域的系统安全,同时实现网络硬件的统一建设,为未来系统的良好扩展做准备,满足构建云计算平台的要求[19],该系统的网络服务虚拟化见图10。

  3.2.3虚拟交换机技术

  为在不同业务网络分区的虚拟主机迁移时,依然能确保业务网络无缝切换,本文采用VMware分布式虚拟交换机[20]。VMwarevNetworkDistributedSwitch示意图见图11。

  在高速公路网管理与应急处置平台的多业务网络分区的网络环境下,如果某端口开启TRUNK模式,VMware通过虚拟交换机的VLANTRUNK,对所有经过该端口的流量报文数据进行审计,根据标签把数据发送到物理交换机上与标签号对应的VLAN,实现虚拟机与物理机之间的通讯连接。

  4结语

  本文通过负载均衡、网络虚拟化技术来实现高速公路网管理与应急处置平台的多业务网络融合,业务网络部署的灵活性、安全性,推进云计算在交通行业的应用,提升交通机电资源的利用率和行政部门的办公效率,为信息互联互通与智能化服务在未来综合交通发展和人们便捷出行服务应用做准备。——论文作者:张伟1,邓晶2,3,罗薇1,肖日东2,3

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