利用宽带网络建立智能化小区设计.docx
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利用宽带网络建立智能化小区设计
目录
1前言1
2智能小区系统总体方案设计2
2.1小区智能化系统分层结构2
2.2小区智能化系统功能模块3
3智能小区网络结构分析与设计4
3.1网络接入技术简介4
3.1.1接入网的概念4
3.1.2接入网的分类4
3.2以太接入网5
3.2.1以太网概述5
3.2.2CSMA/CD技术5
3.2.3四种以太网技术5
3.2.4基于以太网技术的宽带接入网6
3.2.5宽带接入的实现方案7
3.3智能住宅小区以太局域网设计方案8
4网络方案实现的关键设备选型10
4.1二层交换机10
4.2三层交换机11
4.2.1方案中的三层交换技术11
4.2.2三层交换机与二层交换机的比较12
4.3路由器13
4.3.1方案中的路由技术13
4.3.2方案中路由器的类型15
4.3.3路由器的基本协议与技术16
4.3.4方案中路由器的基本配置16
5智能小区系统网络运行机理18
5.1IP地址分配18
5.2VLAN划分19
6综合布线22
6.1概述22
6.2建筑物综合布线系统PDS22
6.3综合布线系统结构22
7总结与体会24
参考文献25
1前言
随着信息技术突飞猛进的发展，我们的日常生活逐步融入网络世界。
综合通信和计算机技术以其快速、便捷、经济等鲜明特点，代表了当今世界信息产业的发展趋势。
而宽带网络的发展为信息共享、信息协作和商务创造了一个新的空间，并终将引起消费方式的改变，从而根本改变我们的生活。
今天，人们对自己住宅的关注已不仅仅局限于居室面积、周边自然环境、交通等方面，而是把更多的兴趣和注意力放在与外界沟通、信息服务、安全防范、物业管理等方面，正是适应这种社会需求，智能小区应运而生。
智能化小区就是在住宅小区内采用现代信息网络技术，建立一个宽带信息业务接入平台，对各种信息实现全面、实时、有效的接收、传递，采集和监控。
具体讲就是在良好的建筑设计与施工基础上,以科学技术为基础,依靠先进的设备和科学的管理,利用计算机及最新相关技术,将建筑技术与计算机技术、自动控制技术、通信与信息处理技术等先进技术相结合的高度综合的复杂系统,实现住宅小区基础物业管理、安防管理以及信息服务等方面的高度自动化,实现节约能源、降低运行成本、提高服务质量等目标,提供良好物业管理服务的居民住宅小区。
其基本思想是“将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上，以进行集中式或异地式监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐及协调”。
智能化社区应包含小区安全防范、物业管理自动化、互联网三大主题。
建设部对小区智能化普及型提出了如下要求：
1、住宅小区设立计算机自动化管理中心；2、水、电、气、热等自动计量、收费；3、住宅小区封闭，实行安全防范自动化监控管理；4、住宅的火警、有害气体泄漏等实行自动报警；5、住宅设置紧急呼叫系统；6、对住宅小区的关键设备、设施实施远程监控。
智能化小区解决了通信网最后一段的接入瓶颈问题，将信息高速公路延伸至小区家庭，让居民享有安全、便捷、经济、舒适的现代家居生活。
宽带网络使居民能进行任意范围的信息共享，享受远程操作带来的便利生活。
建立在宽带平台上的现代化住宅小区已不仅是传统意义上的居身之处，而是朝着智能化、信息化的方向发展，在高度的安全性、舒适的生活环境、便利的通信方式、综合的信息服务和家庭智能化等五个层次上充分满足居民千变万化的需求。
2智能小区系统总体方案设计
小区智能化系统是一个复杂而庞大的系统工程。
它的设计主要从系统工程的角度综合考虑，进行系统的集成，其建设思想是先进行子系统的建设，然后再将子系统进行集成，使其成为一个有机的整体，综合地为用户服务。
2.1小区智能化系统分层结构
采用层次结构思想，可以对小区智能化系统进行如下分层，如图2-1所示。
图2-1小区智能化系统分层结构
系统的每一层由完成相同功能的不同实体构成，对等实体间按照同层协议进行通信；相邻层间采用标准接口进行通信。
在五层结构中，每一层都要为上一层提供标准服务，上下层间采用标准的协议接口和硬件接口。
各层之间彼此独立，形成有机整体的独立模块。
采用层次结构不仅有利于系统的分块设计、调试和生产，更重要的是为系统集成和系统升级提供了良好的基础。
建筑环境层是智能化系统层次结构中的最低层，其实体是安置综合布线系统所需的各种空间和支架，包括接线间的配线架空间和墙面尺寸、托线架、线槽、竖井和相应的线架等；协议是这些实体相应的标准，接口则是线缆与线槽、线架一一对应，线架与接线空间和墙面尺寸一一对应。
传输介质层的功能是为通信网络提供比特流传输介质，其实体为广义综合布线系统和无线通信信道，其协议是综合布线系统标准、安防施工系统标准和无线通信信道标准，接口是向通信网络服务的通信连接。
通信网络层的功能是为自动控制层实现其功能提供通信网络，其实体包括各种总线网络及相关网络设备、电话网及有线电视网、局域网和广域网等。
局域网和广域网的互联协议为计算机网络协议。
低层控制总线网络协议取决于低层控制总线形式。
其向上的接口是存在于传感控制设备、通信网络设备和智能节点实体中的，将信息组成特定网络帧结构及反向拆装的功能模块。
自动控制层实现对小区公共设施、安防设施、住户多表计量等设备的自动控制，其实体包括传感控制设备、通信监控设备和智能节点实体设备等。
这一层中存在各种各样的设备，其自动控制的统一接口和协议对系统集成和互联以及以后的升级是极为重要的，这是小区智能化系统的重点和难点之一。
管理应用层直接面对用户，为用户提供智能化管理功能和服务功能。
其实体主要有安防子系统、物业管理子系统和网络信息管理子系统。
管理应用层的标准保证了小区智能化系统的功能集成和软件界面的集成。
对于用户而言，小区智能化系统的集成都体现在应用层的集成，用户并不关心低层如何工作，所关心的只是应用层为其所提供的服务。
2.2小区智能化系统功能模块
小区智能化系统总体上是构建在一定的物理硬件基础上、以信息传输通道为物理集成的多功能管理与监控系统，并与CATV、公共交换网、互联网等联网使用，主要由安防子系统、信息管理子系统和信息网络子系统三部分构成，如图2-2所示。
图2-2小区智能化系统的组成
3智能小区网络结构分析与设计
接入网技术作为住宅小区网络问题的核心，关系到智能化家庭与小区管理中心的交互信息效果，关系到通信网络的经济效益和社会效益，关系到提供综合信息与咨询服务的能力，是信息高速公路的“最后一公里”。
因此合理选择网络接入技术，是组建科学合理的智能小区网络系统的前提。
3.1网络接入技术简介
3.1.1接入网的概念
根据我国接入网技术体制的定义，接入网是由业务节点接口（SNI）和相关用户-网络接口（UNI）之间的一系列传送实体（如线路设施和传送设施）所组成的为传送数据或电信业务提供所需传送承载能力的实施系统。
接入网可以被看作与业务和应用无关的传送网。
图3-1接入网接口定界
如图3-1所示，接入网所覆盖的范围由三个接口定界。
网络侧经由业务节点接口SNI与业务节点SN相连。
业务节点可以是电信交换机，也可以是路由器或特定配置情况下的点播电视和广播电视业务节点等。
业务节点接口是连接接入网和业务节点的开放接口，包括目前广泛应用的与窄带交换设备相连的V5接口，还有高速以太网接口及其它开放接口。
用户侧经由用户-网络接口（UNI）与用户终端设备（TE）或用户驻地网相连。
用户网络接口可以是ISDN接口、ATM接口，也可以是以太网接口或其它接口。
用户终端可以是计算机、普通电话机或其它电信终端设备，用户驻地网可以是局域网或其它专用通信网。
还有一个接口Q用于与网络管理系统相连。
3.1.2接入网的分类
接入网的分类有多种方法，常见的分类方法有以下两种:
（1）根据支持业务能力的不同，可以分为宽带接入和窄带接入。
宽带与窄带的一般划分标准是用户网络接口上的速率，即将用户网络接口上最大接入速率超过2Mbps的用户接入称为宽带接入，对最小接入速率则没有限制。
窄带接入系统是基于支持传统的64Kbps的电路交换业务发展而来的，对以IP为主流的高速数据业务支持能力差。
宽带接入系统则是以分组传送方式为基础。
（2）根据传输介质的不同，可以分为有线接入和无线接入。
其中，有线接入还可以进一步划分成基于铜线传输的接入网、基于光纤传输的接入网以及光纤与铜线混合的接入网。
在实际接入网建设中，往往将多种接入技术和接入介质混合在一起应用，以达到组网灵活、降低成本的目的。
3.2以太接入网
3.2.1以太网概述
以太网是在20世纪80年代发展起来的一种局域网技术。
最初的以太网共享传输介质，其带宽为10Mbps，使用效率和传输距离都不理想。
20世纪90年代交换式以太网的产生解决了上述问题，并先后出现了快速以太网FastEthernet（100Mbps）和吉比特以太网GbE（l000Mbps）及万兆以太网l0GbE（10Gbps）。
以太网的帧格式适合于传输IP数据，随着IP协议在各种网络上的广泛应用，以太网也被大量使用。
如果接入网也采用以太网，则将形成从局域网、接入网、城域网到广域网全部是以太网的结构。
各网之间无缝连接，不需要任何格式转换。
3.2.2CSMA/CD技术
通常局域网都采用共享传输介质的方式传输信息，即广播型网络。
为了使各个节点都能使用所共享的传输信道而又不发生混乱，就必须引入相应的控制机制来协调各个通信设备对传输介质的访问，这就是局域网所面临的信道共享问题。
CSMA/CD是一种广泛用于总线型局域网的随机访问控制方式。
CSMA（载波侦听多路访问）中的载波侦听是指总线上的节点在发送信息前先对总线进行监听，若检测到总线上有载波信号正在传输，则说明此时某个节点正访问总线，总线处于“忙”状态。
节点只有在听不到载波信号时，才能向总线发送信息。
多路访问是指多个节点共享同一传输介质发送信息。
由于发送信息前要进行载波侦听，从而避免了许多冲突。
CSMA/CD中的CD是冲突检测。
节点在发送数据信息的同时进行侦听，一旦侦听到冲突，便立即放弃冲突报文分组的发送，从而缩短了无效传送时间，并且等待冲突平息后，再进行CSMA/CD，直到将数据成功地发送完毕。
3.2.3四种以太网技术
1、以太网
IEEE802.3定义了10Mbps的以太网标准，采用CSMA/CD协议，以半双工方式运行。
从20世纪80年代末开始以太网取得了巨大的成功。
10Base-T是运行在3类或更高类别的双绞线上的以太网，10Base-2/5是运行在同轴电缆上的以太网，10Base-FL是运行在光纤上的以太网。
由于冲突检测的协议要求一个512位的时间槽保证无错误的检测到冲突，所以以太网的距离覆盖范围受到了限制，10Base-FL最大的覆盖距离为2km，10Base-T在一个网段内的最大覆盖距离为100m。
2、快速以太网
IEEE802.3u定义了100Mbps的快速以太网标准，它可以用半双工的方式运行CSMA/CD协议，也可以有全双工的方式。
由于快速以太网对以太网的后向兼容性，20世纪90年代中后期，快速以太网成为局域网中的主流技术。
100Base-TX是运行于5类双绞线上的快速以太网，100Base-FX是运行在光纤上的快速以太网。
对于以半双工方式运行的快速以太网，同样也有距离覆盖范围的限制，并且由于快速以太网以100Mbps的速率运行，时间槽长度同样是512位，所以它的最大距离覆盖范围是以太网的1/10（20Om）。
对于全双工方式运行的快速以太网，在理论上不再有距离的限制，而实际受限于电或光信号的衰减。
3、千兆以太网
IEEE802.3z定义了1000Mbps的千兆以太网标准。
千兆以太网支持新的全双工模式，不受时间槽长度的限制，从而也没有距离覆盖范围的限制。
半双工模式用于CSMA/CD访问方式。
千兆以太网可用作现有网络的主干网，也可在高宽带的应用场合中用来连接工作站和服务器。
4、万兆以太网
IEEE802.3ae定义了10Gbps的万兆以太网标准。
万兆位以太网的帧格式与10Mbps、100Mbps和1000Mbps以太网的帧格式完全相同，它还保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长。
由于数据率很高，万兆以太网不再使用铜线而使用光纤作为传输媒体。
10Gb以太网只工作在全双工方式，因此不存在争用问题，也不使用CSMA/CD协议，这就使得10G比特以太网的传输距离不再受进行碰撞检测的限制而大大提高了。
历史上，以太网一直被当做一种接入网技术来使用，万兆以太网有希望成为最简单、最快速以及最高性价比的骨干网络技术。
3.2.4基于以太网技术的宽带接入网
将以太网用于接入技术，需要解决的问题很多。
这主要是因为用户端的设备并不象局域网那样标准，而是包括了电话、电视、计算机等各种各样的数字或模拟设备，以太网的普及率也还远远不如电信网络和广播电视网络，因此需要对传统的以太网技术进行改造以用于接入网络。
改造的目的在于利用已有的电信网络与广播电视网络的设备和介质；同时开发适用于多种设备接口的网络适配器（以太网卡）。
另外，接入网是一个公用的网络环境，其要求与局域网这类私有网络环境有很大不同。
因此，以太网接入还存在用户管理、安全管理、业务管理和计费管理等方面的问题。
基于以太网技术的宽带接入网由局端设备和用户侧设备组成，如图3-2所示。
图3-2基于以太网技术的宽带接入网
局端设备一般位于小区内，用户侧设备一般位于居民楼内；或者局端设备位于商业大厦内，而用户侧设备位于楼内。
局端设备提供与IP骨干网的接口，用户侧设备提供与用户终端计算机相连接的10/100Base-T接口。
目前提出的以太网接入网方案，往往是将一栋楼内（或小区内）的用户连接成为一个局域网络，然后通过已有的骨干网络将整个小区的中心节点与核心网络连通。
以太网接入网需要在每个小区设置接入服务器负责客户的管理和计费。
在用户端，则设置一个虚拟局域网（VLAN）；同时为用户设备（计算机、机顶盒、电话、传真等）全部安装以太网卡，所有的用户设备就可以连接到核心网络上。
3.2.5宽带接入的实现方案
对于接入网的建设，很长一段时间以来我们都是通过对电视网、电话网的改造来提供综合业务（即所谓的“三网合一”）。
由于这些网络在设计之初并未考虑到支持多种业务的情形，因此改造的难度很大；同时改造后的接入网往往不能达到理想的对多种业务的支持能力，总会出现或大或小的缺陷。
新建设的接入网则摆脱了“改造时代”，可以根据现有的宽带接入网技术直接进行接入网的设计。
目前，比较成熟的可供住宅小区使用的宽带接入的实现方案主要有：
DDN接入小区，Ethernet接入户；DDN接入小区，HFC接入户；Ethernet接入小区，Ethernet接入户；ADSL直接入户。
由于小区类同于校园，所以采用校园网技术建立小区信息网络是一种比较好的解决方案。
建筑物之间采用光纤，室内采用综合布线系统中的UTP（非屏蔽双绞线）接入方式是一种很好的选择。
采用FTTB（光纤到大楼）/UTP接入方式和校园网技术建设智能小区可以做到很好的资源共享，降低投资。
3.3智能住宅小区以太局域网设计方案
本设计中住宅小区局域网要求涵盖小区内所有住宅楼、小区公共会所、小区物业管理公司和小区管理控制中心，并且要求与小区内的现场控制网络集成为一个完整的系统。
网络设计要求采用可靠、先进、成熟的技术，所有信息点具有交换能力；支持多媒体应用及虚拟网络的划分；必须具有良好的网管系统，具有良好的可扩充性和升级能力。
如图3-3所示，用户驻地网通过接入网与交换端局相连接。
图3-3小区网络结构示意
小区的网络结构涉及接入网和用户驻地网两个部分，网络结构将决定小区信息网络系统的速度、效率、服务等。
小区信息网络的物理基础是综合布线系统和局域网络。
住宅小区网络采用4层结构：
（1）系统中心（小区管理控制中心）；
（2）区域中心；（3）住宅楼；（4）住宅用户。
网络的拓扑结构采用星型结构。
小区区域中心的设置应根据小区的规模和用户楼宇的分布情况，为便利网络的设计和管理，可将整个小区分成若干个区域，每个区域设一个区域中心，管辖若干幢相邻的楼宇。
根据小区网络应用的要求，小区局域网主干采用千兆以太网主干交换机，在各区域中心设置工作组交换机，配置1O00MbpsFX上联端口，通过光纤与主干交换机连接，构成一个千兆位以太骨干网。
每个区域内，各楼宇设备间设置100/10Mbps交换式集线器，交换式集线器通过100MbpsTX上联端口经超5类双绞线/光纤与工作组交换机连接，如果需要也可通过100MbpsTX端口经楼内超5类综合布线连接用户（一般采用5类双绞线）。
这样系统主干交换机与工作组交换机之间可提供高达l000Mbps的传输速率，工作组交换机向各楼宇提供100Mbps的传输速率，每个最终用户可独享10Mbps的通信带宽，所以整体结构为:
1000Mbps、1000Mbps、100Mbps、10Mbps。
小区局域网络通过DDN、ADSL或Ethemet方式接入Intemet。
小区以太局域网的整体结构如图3-4所示，拓扑图如图3-5所示。
图3-4智能小区以太局域网整体结构
图3-5智能小区以太局域网拓扑图
4网络方案实现的关键设备选型
4.1二层交换机
二层交换技术的发展比较成熟，二层交换机属数据链路层设备，可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。
其实物如图4-1所示。
图4-1二层交换机实物图
图4-2二层交换机原理图
二层交换机原理如图4-2所示，其具体的工作流程如下：
（1）当交换机从某个端口收到一个数据包，它先读取包头中的源MAC地址，这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的；
（2）再去读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；
（3）如表中有与这目的MAC地址对应的端口，把数据包直接复制到这端口上；
（4）如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以学习该目的MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。
不断的循环这个过程，这样对于全网的MAC地址信息都可以学习到，二层交换机就是这样建立和维护它自己的MAC地址表的。
从二层交换机的工作原理可以推知以下三点：
（1）由于交换机对多数端口的数据进行同时交换，这就要求具有很宽的交换总线带宽，如果二层交换机有N个端口，每个端口的带宽是M，交换机总线带宽超过N×M，那么这交换机就可以实现线速交换；
（2）学习端口连接的机器的MAC地址，写入地址表，地址表的大小（一般两种表示方式：
一为BEFFERRAM，一为MAC表项数值），地址表大小影响交换机的接入容量；
（3）还有一个就是二层交换机一般都含有专门用于处理数据包转发的ASIC（ApplicationspecificIntegratedCircuit）芯片，因此转发速度可以做到非常快。
由于各个厂家采用ASIC不同，直接影响产品性能。
4.2三层交换机
三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机，三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。
对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现，而像路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，则由软件实现。
其实物如图4-3所示。
图4-3三层交换机实物图
4.2.1方案中的三层交换技术
三层交换技术就是二层交换技术＋三层转发技术。
传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。
应用第三层交换技术即可实现网络路由的功能，又可以根据不同的网络状况做到最优的网络性能。
为什么要使用三层交换机？
（1）网络骨干少不了三层交换
要说三层交换机在诸多网络设备中的作用，用“中流砥柱”形容并不为过。
在校园网、城域教育网中，从骨干网、城域网骨干、汇聚层都有三层交换机的用武之地，尤其是核心骨干网一定要用三层交换机，否则整个网络成千上万台的计算机都在一个子网中，不仅毫无安全可言，也会因为无法分割广播域而无法隔离广播风暴。
（2）连接子网少不了三层交换
同一网络上的计算机如果超过一定数量（通常在200台左右，视通信协议而定），就很可能会因为网络上大量的广播而导致网络传输效率低下。
为了避免在大型交换机上进行广播所引起的广播风暴，可将其进一步划分为多个虚拟网（VLAN）。
但是这样做将导致一个问题：
VLAN之间的通信必须通过路由器来实现。
但是传统路由器也难以胜任VLAN之间的通信任务，因为相对于局域网的网络流量来说，传统的普通路由器的路由能力太弱。
而且千兆级路由器的价格也是非常难以接受的。
如果使用三层交换机上的千兆端口或百兆端口连接不同的子网或VLAN，就可在保持性能的前提下，经济地解决了子网划分之后子网之间必须依赖路由器进行通信的问题，因此三层交换机是连接子网的理想设备。
4.2.2三层交换机与二层交换机的比较
除了优秀的性能之外，三层交换机还具有一些传统的二层交换机没有的特性，这些特性可以给校园网和城域教育网的建设带来许多好处，列举如下。
（1）高可扩充性
三层交换机在连接多个子网时，子网只是与第三层交换模块建立逻辑连接，不像传统外接路由器那样需要增加端口，从而保护了用户对校园网、城域教育网的投资，并满足学校3~5年网络应用快速增长的需要。
（2）高性价比
三层交换机具有连接大型网络的能力，功能基本上可以取代某些传统路由器，但是价格却接近二层交换机。
现在一台百兆三层交换机的价格只有几万元，与高端的二层交换机的价格差不多。
（3）内置安全机制
三层交换机可以与普通路由器一样，具有访问列表的功能，可以实现不同VLAN间的单向或双向通讯。
如果在访问列表中进行设置，可以限制用户访问特定的IP地址，这样学校就可以禁止学生访问不健康的站点。
（4）适合多媒体传输
教育网经常需要传输多媒体信息，这是教育网的一个特色。
三层交换机具有QoS（服务质量）的控制功能，可以给不同的应用程序分配不同的带宽。
（5）计费功能
在高校校园网及有些地区的城域教育网中，很可能有计费的需求，因为三层交换机可以识别数据包中的IP地址信息，因此可以统计网络中计算机的数据流量，可以按流量计费，也可以统计计算机连接在网络上的时间，按时间进行计费。
而普通的二层交换机就难以同时做到这两点。
4.3路由器
4.3.1方案中的路由技术
路由器（Router）是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。
当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器来完成。
因此，路由器具有判断网络地址和选择路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。
它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软件。
路由器分本地路由器和远程路由器，本地路由器是用来连接网络传输介质的，如光纤、同轴电缆、双绞线；远程路由器是用来连接远程传输介质，并要求相应的设备，如电话线要配调制解调器，无线要通过无线接收机、发射机。
其实物如图4-4所示。
图4-4路由器实物图
路由器工作原理举例说明如下图所示
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