CISCO高速公路全IP路段信息化解决方案.docx
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CISCO高速公路全IP路段信息化解决方案
高速公路全IP路段信息化解决方案
2009年5月
前言
一、概述
由于高速公路管理的分散性和大空间跨度性、企业智能从建设性向运营性转变，传统的手段跟不上或者不能适应这种发展的要求。
因此，为了适应这种发展，就需要按国际公路管理的模式来增加企业信息化管理和运作企业，而且通过先进的技术手段来支撑这些内容。
高速公路数字信息平台指的是为高速公路现代化管理服务的软硬件信息平台。
高速公路数字信息平台的建设包括三部分：
高速公路宽带通信网、高速公路管理信息系统、电子政务系统。
二、高速公路宽带通信网
为了充分发挥高速公路“高速、高效、安全、舒适”的特点，提高高速公路网络的整体效益，迫切需要加速高速公路机电系统的网络化，相应的通信系统也应从单条路得内部通信转向路网条件下的广域通信。
当前，高速公路通信系统普遍采用了较为先进的技术和设备，也在一定程度上考虑到了系统扩容和业务发展，应该说这种带宽资源对于当前应用来说是相对充足的。
然而，以当今高速公路联网通信业务的急剧增长（如全线监控系统、办公系统对带宽的高需求），并参考通信、计算机等IT行业近几年的发展历程，高速公路通信系统全面数字化和宽带化已刻不容缓。
目前我国高速公路通信网采用的是基于SDH平台的MSTP（多业务传输网）技术构建。
整个通信网存在着不同厂家的SDH设备的MSTP不能互通、带宽小、升级费用高、组网复杂等问题，随着全线监控系统和办公系统等高带宽需求的系统的应用，目前的高速公路通信网将不能满足需求。
针对高速公路目前的现状以及未来的发展，基于IP的组网方式势在必行。
对于高速公路的实际情况，推荐两种基于IP组网的模式：
●基于光纤的GE/10GEREP环网组网方式；
●基于光纤的EthernetoverDWDM（密集波分复用光以太网）组网方式
三、高速公路管理信息系统
高速公路管理信息系统是由多个子系统构成的复杂信息系统，包括收费系统、监控系统、养护管理系统、工程数据库、事故分析及紧急救援系统、公众信息发布系统、灾害应急管理系统、规划决策支持系统，其中决策支持等子系统称为信息增值服务系统。
按照知识化、科学化管理要求，系统功能不仅需要完成各种事物性管理任务，而且需要逐步形成高速公路的“管理神经网络”，有效沟通各部门之间的信息联系，实现将数据组织成为信息，将信息提炼成为知识，将知识融入整个管理，全面支持事务管理、决策分析、制定战略过程的目标。
高速公路管理信息系统各子系统数据流关系图如下图所示：
各子系统间数据流内容如下表所示：
数据流
数据内容
1
监控系统向事故信息分析系统所传送的数据。
事故发生时，该路段的交通流量、交通流车速
2
监控系统向路网规划决策支持系统发送的数据
各路段（不包括立交匝道）的年平均日交通量，路段平均车速，路段5分钟流量与地点车速的抽烟数据。
3
监控系统向公众信息发布系统发送
各路段及立交5分钟时段平均流量、路段车速情况和路段交通情况图像。
4
监控系统向道路养护管理系统发送
各路段年平均日交通量
5
收费系统向规划决策支持系统发送
年平均日0D交通量，各种事件不均匀系数，交通的车种构成（客货构成，大小车型等）
6
收费系统向监控系统发送
动态0D数据以及车型构成信息。
7
收费系统向道路养护管理系统发送
年平均0D交通量，按照车辆轴重分类的车辆构成抽样调查数据。
8
道路养护管理系统向公众信息发布系统发送
道路施工养护信息
9
道路养护管理系统向灾害应急管理系统发送
桥梁维修情况和道路设施完好状况评估情况
10
道路养护管理系统向监控系统发送
道路路面状态数据。
11
工程数据库向公众信息发布系统发送
道路电子地图（数据更新时）
12
工程数据库向灾害应急管理系统发送
道路交叉口坐标位置、互通式立交形式、道路路段里程及车道数、道路各种桥梁基本设计图纸等（均在数据更新情况下发送）
13
工程数据库系统向规划决策支持系统发送
道路交叉口坐标位置、互通式立交形式、道路路段里程及车道数（均仅在数据更新情况下或具有特殊查询要求时发送）
14
工程数据库向监控系统发送
道路路段及立交几何设计参数（当数据更新时发送）
15
工程数据库向事故信息分析系统发送
道路几何设计参数（包括路段及立交）
16
事故信息分析系统向公众信息发布系统发送
交通事故分析报告信息
四、电子政务系统
电子政务系统包括协同政务系统、视频会议系统。
协同政务系统是实现高速公路各管理公司部门之间、省公司与下属公司之间办公信息的收集与处理、流动与共享、实现科学决策的具有战略意义的协同应用系统。
它的总体思路是：
“以先进成熟的计算机和通信技术为主要手段，建成一个覆盖整个政务的办公信息系统，建立高质量、高效率的政务信息网络，为领导决策和办公提供服务，实现办公现代化、信息资源化、传输网络化和决策科学化。
”
视频会议系统有硬件视频会议系统和软件视频会议系统。
硬件视频会议系统稳定性高，配合专业的摄像头能够更好的显示会场图像，适合于会场视频会议。
软件视频会议系统因为在数据功能上的优势，以及更容易实现升级、维护，更加适合于协同办公。
视频会议系统实现了网络语音和视频全方位交流，不但节省大量成本，而且可以提高工作效率，视频会议系统同时结合了网络会议系统的所需要的全部功能，方便的远程会议管理、便捷的文件传送，让远程会议轻松而精彩。
五、高速公路基于IP信息化架构图
第二章
高速公路全IP路段信息化解决方案
近年来，全国高速公路建设迅猛，基本形成了覆盖全国的高速公路网，与此同时，大部分高速公路建设了SDH光传输网络、计算机收费网络、PBX语音系统和模拟监控系统，传统解决方案解决了收费和语音问题，但由于基于SDH的收费网络和模拟PBX系统语音系统成本较高、管理维护复杂，模拟监控系统存在存储、查询不灵活、模拟光纤布线复杂等缺点，同时存在SDH资源闲置浪费、光纤资源浪费现象。
鉴于此，思科提出了基于IToIP架构的全IP路段信息化解决方案，全IP路段解决方案实现收费数据、语音、存储、视频监控统一在IP网络上承载，充分保证联网收费、电话、视频监控业务的稳定高效畅通，并且实现统一管理维护，光纤资源利用充分，同时具有较高的性价比。
一、高速公路信息化建设需求
1、收费业务
高速公路沿线收费站联网收费。
需求特点：
收费业务要求网络稳定可靠；
不光实现单一路段内联网收费，更需要实现全省范围统一联网收费；
如何实现收费数据实时可靠存储，需要考虑全省路段统一数据备份。
2、电话语音业务
路段内语音通话，并且同本地市话互联互通。
需求特点：
路段内语音通话清晰
同市话互通
具有电话会议等功能
3、视频监控业务
实时监控收费站收费、隧道、路边路况，并及时传递到路段监控中心。
需求特点：
收费站监控室和路段分中心对任意监控点实时察看，网络可靠，满足200-300摄像头同时传输带宽需求，监控控制灵活，摄像头调用无瓶颈，省交通主管部门如何随时察看任意监控点状态。
图像清晰,模式识别
视频流数据可靠存储，方便历史查询，充分数据保护，备份
二、全IP路段解决方案同传统解决方案对比分析
传统高速公路通信系统在SDH传输网络基础上分别建设PBX语音交换系统、计算机IP网络和基于模拟光纤或IP网络建设视频监控系统。
全IP高速公路信息化系统不需要SDH，直接在高带宽、高可靠IP网络上建设VoIP语音系统、收费系统、视频监控系统。
两种方案模型对比如下：
传统高速公路信息化系统建设内容如下：
1.SDH传输系统
SDH为计算机网络互联、电话语音系统、视频监控系统等提供承载业务的底层平台。
●基于SDH的计算机收费互联IP网络
●基于SDH的窄带数字程控交换系统
●在SDH通信平台基础上建立PBX程控交换系统，并且同当地市话交换系统互联，提供路内路外互通。
2.视频监控系统
收费站、路边、通过模拟光端机接入路段分中心视频矩阵，路段分中心视频矩阵通过DVR以IP方式同省高速公路管理局互联互通。
部分视频监控已经采用IP监控。
3.数据中心存储系统
收费管理等应用多采用SCSI或本地硬盘，作为存储设备，并且配置备份软件+磁带库的方式实现数据保护。
全IP高速公路信息化解决方案建设内容如下：
1.高品质高带宽IP网络
不再单独建立SDH传输，利用高速公路沿线光纤资源建立覆盖全路段高可用千兆IP骨干网络系统，骨干网高通过CISCOGE/10GEREP高可靠技术可以达到<50ms收敛。
2.基于IP的语音系统
建立覆盖全程的H.323/SIP体系IP电话系统，全线内部电话通过IP网络，为同市话通信，在路段分中心进行语音落地。
3.基于IP的视频监控系统
监控中心集中设置在路段分中心，监控中心通过IP网络控制各收费站互通，各收费站、隧道、路旁摄像头，数据集中存储在路段分中心。
4.基于IP的存储系统
高速公路管理中心和路段分中心采用基于iSCSI技术设计的存储设备完成数据存储，并且依托备份软件、虚拟磁带库、连续数据保护等手段，建设完善的数据保护机制。
两种建网方案综合对比分析总结：
传统解决方案
全IP解决方案
承载
网络
基于SDH/MSTP建设NX2M或10MMSTP互联方案，三层路由收敛在秒级，视频监控承载困难。
基于高速公路光纤实现GE/10GEREP，二层收敛<50ms,充分保证视频、语音、收费需求。
视频
监控
调用困难、图像清晰度差、存储不可靠、布线复杂，省高管局无法实时调用/查询路段状况。
调用灵活、图像清晰、存储可靠，编解码器通过IP接口接入IP网络即可，布线简单，依托高带宽网络和IP监控系统，省高管局随时调用/查询路段状况。
语音
系统
PBX程控交换机系统实现基本语音通话、附加功能有限。
基于H.323的IP语音系统从语音通话效果、系统可靠性等基本功能外，提供群呼、一号通、电话会议等功能。
存储
系统
FC-SAN和DAS不利于备份和资源共享，无法实现全省范围统一集中数据备份。
IP-SAN方便本地和异地备份、容灾和共享，基于统一IP承载网，方便实现全省路段集中统一备份。
运维
管理
光传输、PBX、计算机网络、监控多套系统，管理维护复杂。
全IP完整解决方案，不必理会复杂的传输设备，只要管理维护好IP网络设备，语音、视频监控、存储集中控制管理！
三、全IP路段解决方案概要
全IP路段解决方案理论基础为IToIP信息化模型，IToIP解决方案体系架构不是简单的将计算机业务、多媒体业务叠加于IP网络之上，其核心思想是基于IP的收费管理系统、基于IP的数据存储系统、基于IP的综合通信系统，计算、存储、通信融合于IP，统一考虑信息系统安全和管理！
其最终目标是IT资源化、虚拟化！
整体方案包括：
●路段统一开放的IP承载网：
以REP技术组建高可靠高带宽IP网络
●集中统一数据存储系统：
基于IP-SAN存储系统
●媒体服务系统：
VoIP语音、基于IP监控系统
●统一智能管理系统：
智能管理系统集中对网络、安全、存储、媒体服务系统管理。
整体方案拓扑图如下：
收费站、服务区、路段分中心通过REP高可靠IP网络互联，路段分中心集中设置收费管理服务器、管理服务器、存储系统，路段分中心同省高管局互通。
在路段分中心设置路段监控中心，设置视频管理服务器，数据管理服务器，监控终端等。
监控摄像头设置在收费站、服务区、路边，摄像头经编码器后通过统一IP网络同路段监控中心互通。
VoIP语音系统在路段分中心设置管理服务器和落地网关，沿途电话机接入IP网络。
另外VoIP语音系统通过模拟电话网关可以兼容传统的模拟电话，做到平稳过渡。
四、思科全IP路段信息通信系统详解
1、基于GE/10GEREP的高可靠网络
全IP路段的底层没有了SDH，直接基于光纤建设IP网络，这就需要IP网络满足<50ms的高可靠技术，以便语音和监控业务网络高品质传输，这里选用基于思科GE/10GE的REP高可靠环网技术。
REP技术为1个逻辑环，REP可以在GE/10GE环基础上实现<50ms的二层收敛，一组配置了相同的域ID和控制VLAN，并且相互联通的交换机群体构成一个REP域，REP物理上是一个环，二层逻辑上是一条链路。
由于高速公路是线型结构，如何首尾形成环形结构，需要些技巧，具体“由线变环”方案如下：
通过隔站互联方式逻辑上实现环形拓扑，同时解决了节点之间点对点距离>=100KM的情况，然后在该逻辑环上采用REP。
单一路段宽带IP网络可以通过环套环方式扩充到全省，形成面向全省网络：
全省联网不但可以实现全省高速公路统一联网收费，还可以实现统一监控，为各级行政主管单位提供互联平台。
路段间核心采用10GEREP环，REP环网具有SDH<50ms的快速收敛技术，很好地适应了多业务综合传输，整个环具有内环+外环的带宽，内环和外环同时传送数据并且互为备份。
REP可以基于裸光纤、SDH、以太网传输，REP是一种高性价比的二层高可用技术，对于语音和视频业务不受影响，同时保证收费业务的稳定可靠运行，GEREP为双环结构,利用GE端口组成REP设备环网，节点之间利用光纤互连，通过REP硬件实现故障保护、VLANloadbalancing以及QoS等技术。
2、全IP语音方案
基于以上高可用IP网络，全路段实现VoIP语音通话，具体方案部署如下：
路段分中心设置面向整个路段的Gatekeeper和计费系统，语音落地网关，各收费站设置直接接入IP网络的语音网关或IPPhone，语音网关如果跨越不同城市，还可以就近落地，接入本地PSTN。
相对于传统PSTN电话，CISCOVoIP解决方案具有如下优势：
●完美继承PSTN业务
思科方案实现400余项PSTN语音业务，使用户在传统PSTN中常用业务得到完美的继承，真正保护了用户使用习惯。
●IP融合业务提高工作效率
CISCO解决方案，提供了语音邮箱、传真邮箱、传真群发、号码随身游、配置自动下载等丰富的业务功能，这些业务的使用可以大大提高邮政的工作效率。
●方便的多方通话
利用IP智能终端，在不增加任何投资的情况下就可以实现最大6方通话。
传统模拟电话必须要会议服务器的支持才能有多方通话功能。
3、全IP视频监控方案
目前大部分高速公路视频监控现状及问题：
●收费监控视频存储在收费站或路段分中心，道路监控视频存储在路段分中心，存储分散，不利于集中备份、查询；
●收费站、路段分中心都是采用模拟方式，采用矩阵级联；摄像头切换和图像质量存在问题，每个路段选择1、2路图像上传到省中心，省中心之间采用DVR方式－编解码器压缩走IP方式传输，省中心监控摄像头困难；
●成本高，大量模拟光纤和光端机，导致成本较高。
CISCOIP监控方案
CISCO积极致力于高速公路信息化建设，针对高速公路监控现状和问题，推出了完整的基于IP的数字化视频监控解决方案。
方案中整个视频监控系统包括：
摄像头、视频编码器、视频解码器、IP-SAN存储系统和集中视频管理系统网络组成，所有这些设备通过统一的IP网络互联互通。
收费站、服务区设置编码器、摄像头，路段分中心设置解码器、监控终端、IP-SAN视频流存储系统、集中管理服务器和管理员客户端PC监控软件，同时同上级高管局通过IP互通。
CISCO全IP监控解决方案融合网络和存储，具有如下特点：
●基于开放的IP平台，易扩容，易于新业务的拓展，符合技术发展潮流，有IP网的地方就可以将编解码器接入到监控系统中
●灵活性可扩展，摄像头规模不受限，监控室和摄像头之间可以实现任意调用，存储可实现路段分中心集中存储，省中心互联互通方便，并且省中心方便调用任意摄像头。
●可靠性高，骨干网采用REP环，接入与主干之间双链路连接。
无源光网络没有单点故障风险。
编码数据流不经过服务器直接写入IPSAN，不受服务器瓶颈影响
●易管理，各系统统一管理，易管理。
所有存储设备、存储策略、编解码配置均可以在一个界面上统一集中配置与管理
●智能监控可以同车牌模式识别，门禁、告警进行联动，实现整体安防需求
●高性价比，IP接口的编解码器就近接入IP网络中，节省模拟光端机和光纤成本。
4、全IP数据存储和保护方案
目前大部分高速公路数据中心的现状及问题：
●基于服务器内置硬盘的存储方式的扩展不便，而且性能不足；
●数据保护方式以备份软件+磁带库的方式为主，备份软件只能满足一般业务数据的保护要求，无法满足收费管理秒级的保护频率，以及分钟级的恢复速度；而磁带库存在着机械部件故障率高、维护困难、读写速度慢的缺点。
全IP数据存储和保护方案采用CISCO基于IPSAN存储系统方案，实现数据集中存储，依托于IP-SAN优异的性能和良好的扩展性，满足各种应用对数据存储的要求。
通过备份软件和虚拟磁带库的配合，既能够满足大多数应用系统的数据保护需求，还能够解决物理磁带库读写速度慢等问题。
而针对收费管理等核心系统，采用连续数据保护技术，使得应用系统具备更高级别的数据保护和恢复能力，如：
秒级数据备份精度和分钟级快速恢复。
CISCO全IP数据存储保护方案具有如下特点：
●基于开放的IP平台，丰富的数据保护功能，可以提供本地备份、连续数据保护、异地灾备等不同级别的数据保护手段。
●虚拟磁带库具备比物理磁带库更高的性能，更好的操作性和可管理性，能够和备份软件无缝集成。
●具备数据虚拟化技术：
能够管理异构的存储设备，实现各系统的统一配置和管理。
5、传统解决方案同全IP解决方案互通
收费业务：
通过IP层互通实现传统路段和全IP路段互通，如传统基于Nx2M或10M/100MMSTP专线组建的星型路由环境，全IP路段承载网交换机可以通过10/100M以太网口对接路段分中心的路由器或交换机，通过设置IP路由，实现互通，进而实现全省收费系统联网。
语音业务：
通过路段分中心语音网关，通过E1同传统路段PBX或PSTNPBX互联，实现彼此互通，并且拨号习惯不变。
监控业务：
鉴于已有模拟监控或DVR方式监控，CISCO提供兼容解决方案。
E1/Nx64K传统通道问题：
由于收费业务和监控业务已经不需要窄带通道，车辆流量探测、气象探测、应急电话等需求，可以通过E1|FE转接器或以太网IP接口实现。
五、CISCO全IP路段通信系统方案优势总结
全IP路段通信系统解决方案是IToIP理论的实践应用，提供完整的收费联网、视频监控、语音解决方案，IP网络融合监控、语音和存储，具体优势体现在：
●统一高可靠IP承载网络，基于GE/10GEREP技术的网络带宽充分，<50ms收敛，有效承载语音和视频，降低了设备和管理维护成本；
●成熟完善的基于IP的H323/SIPVoIP系统解决方案，除满足基本语音通话业务外，还具有电话会议，收费站群呼等增值功能；
●全新体系的IP监控，具有扩展灵活、存储可靠、看的清除、调用方便特点，省高管局可以随时调用查询路段内任意摄像头；
●成熟标准的IP存储和数据保护技术，满足服务器存储和数据安全的要求，方便实现全省路段集中统一备份；
●集中便捷的网络管理，基于网管系统统一对网络平台、语音系统、监控系统、存储系统进行管理，可以针对不同业务流量进行分析管理,整体系统简单方便管理。
●简单、开放、兼容的整体解决方案，兼容原有解决方案。
第三章
CISCOREP（ResilientEthernetProtocol）技术介绍
一、前言
在二层网络中，对于网络可靠性一般采用STP协议，STP协议是由IEEE开发的一种标准的环网保护协议，并得到广泛应用，但实际应用中受到网络大小的限制，收敛时间受网络拓扑影响。
STP一般收敛时间为秒级，网络直径较大时收敛时间更长，采用RSTP/MSTP虽然可以减少收敛时间，但是对于3G/NGN语音等高服务质量要求的业务仍然不能满足要求。
为了缩短收敛时间，消除网络尺寸的影响，REP（ResilientEthernetProtocol）协议应运而生。
REP是一个专门应用于以太网环的链路层协议，它在以太网环中能够防止数据环路引起的广播风暴；当以太网环上一条链路断开时，能迅速启用备份链路以恢复环网上各个节点之间的通信。
和STP协议相比，REP协议具有拓扑收敛速度快（低于50ms）和收敛时间与环网上节点数无关的特点。
二、REP基本介绍
1、REP基本概念
1.1REP段（REPSegment）
REP段由整数表示的ID来标识，一组配置了相同的段ID和控制VLAN，并且相互联通的交换机群体构成一个REP段。
一个REP段具有如下的组成要素：
REP环
一个REP环物理上对应一个环形连接的以太网拓扑，一个REP段由彼此相接的多个REP环构成，其中有一个为主环，其他环为子环。
当然，一个REP段也可以只包含一个REP环。
在单环的情况下，既可以把环配制成主环，也可以配置成子环，在应用上具有相同的效果。
REP环的角色由用户通过配置决定。
REP控制VLAN
每个REP段具有两个控制VLAN，分别叫做主控制VLAN和子控制VLAN。
主环的协议报文在主控制VLAN中传播，子环的协议报文在子控制VLAN中传播。
主节点
主节点是REP环上的主要决策和控制节点。
每个REP环上必须有一个主节点，而且只能有一个。
传输节点
环上除主节点之外的其它节点都可以称为传输节点（边缘节点和辅助边缘节点实际上是特殊的传输节点）。
一个REP环上可以有多个传输节点，也可以没有传输节点（事实上这样的组网没有实际意义）。
边缘节点和辅助边缘节点
大家都知道，两个环形相交时一定有两个交点。
同理，子环和主环会有两个交点，这两个交点处的交换机其中一个叫做边缘节点，另外一个叫做辅助边缘节点。
把哪台交换机配置成边缘节点或辅助边缘节点没有特殊要求，只要配置上能区分两个节点就行了。
如图1所示Segment1就是一个REP段，所有从S1~S6的交换机属于Segment1。
Segment1的主控制VLAN和子控制VLAN分别为VLAN3和VLAN4，段中包含两个REP环，分别为Ring1和Ring2。
主环的主节点为S1，子环的主节点为S6。
S2、S3和S4都是主环的传输节点，S5是子环的传输节点。
子环的边缘节点和辅助边缘节点分别为S3和S2。
图1REP组网示意图
1.2REP环（REPRing）
每一个REP环物理上对应一个环形连接的以太网拓扑，REP环同样由整数表示的ID来标识。
每个REP环都是其所在的REP段的一个局部单元，实际上REP协议在REP环上起作用。
REP段中的环分为主环和子环，主环和子环通过配置时指定的级别来区分，主环的级别配置为0，子环的级别配置为1。
如图1所示REP段Segment1中包含了两个以太网环Ring1和Ring2。
Ring1为主环，级别配置为0；Ring2为子环，级别配置为1。
1.3REP控制VLAN
控制VLAN是相对于数据VLAN来说的，在REP段中，控制VLAN只用来传递REP协议报文。
每个REP段配有两个控制VLAN，分别为主控制VLAN和子控制VLAN，配置时只需要指定主控制VLAN，而把比主控制VLAN的ID值大1的VLAN作为子控制VLAN。
主环协议报文在主控制VLAN中传播，子环协议报文在子控制VLAN中传播。
主控制VLAN和子控制VLAN的接口上都不允许配置IP地址。
每个交换机上接入以
升级会员 