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为进一步推进图像信息联网，使监控图像信息资源能够在广域范围内发挥效益，实现图像信息的全程、全网共享及深度应用，目前亟需尽快建立一套覆盖较大区域的视频传输网络。
本文介绍的视频传输骨干网络组网技术突破了传统的广域网路由组网方式，创造性地选用无阻塞全交换式组网，并在某省全省范围内实际部署应用，最终取得了理想的效果。
无阻塞数据交换
本方案采用的交换架构均为最新CLOS架构。CLOS架构最明显的好处就是真正做到了控制和转发的硬件分离。大型交换网络使用CLOS架构的优势包括：一是可以通过使用较小交换结构作为基础组件来构建大型交换结构，从而简化大型交换结构的构建；二是大幅度减少构建无阻塞交换结构所需要的交叉点，从而减少故障点，增强交换结构的可靠性；三是交换单元的交换路径完全独立，不会彼此干扰，从而不需要复杂的集中控制器来协调各交换单元的交换，进一步增强可靠性和可扩展性，支持递归扩展；四是CLOS架构可支持构建具有五级、七级或九级的巨大交换结构，在极大数量的输入和输出之间建立严格的无阻塞连接。
设计思路
本方案采用“以星型结构为主、星环结构融合”的拓扑结构，应用全交换架构方式实现骨干网络联网，即分别在省级、市级及县级三级节点部署双骨干交换设备，由市级节点骨干交换设备通过广域网线路实现视频监控骨干网络上下行互联。结合视频监控图像业务特点，本方案建设具有大容量高速传输能力、可靠稳定服务质量保证，实现了省级、市级、县级三级节点之间安全高速的视频监控数据联网和共享。
方案特点
根据行政划分隶属关系，本方案网络建设规划设计为二级网和三级网两层架构：省级节点和各市级节点之间联网为二级网；市级节点和其辖区内各县级节点之间联网为三级网。整体网络拓扑结构如图1所示。
本方案采用星型拓扑结构组网，将网络分为核心层、汇聚层和接入层。
核心层：省级节点作为视频传输骨干网络的核心，负责全省跨区域视频数据的交换，是视频传输骨干网络数据交换中枢，需要具备海量数据转发的能力和高可靠性。
汇聚层：各市级节点作为视频骨干网络汇聚层节点，实现辖区内各县级节点的汇聚，并与省级节点进行高速互联。
接入层：各县级节点作为视频骨干网络的接入层节点，实现前端视频图像的接入，并与市级汇聚层节点进行互联。
本方案作为全省视频图像数据的承载平台，要满足海量视频数据的实时传输、回放，对网络平台的要求非常高，需要建设一套高性能、高可靠性、易维护的网络平台。经过反复调研、论证，最终选用无阻塞全交换技术组网。在相同投资下，相对路由组网技术而言，全交换式组网技术转发性能更高，可靠性更强，也更易维护。该方案具有以下优势：
1. 高性能
方案主要用于承载视频图像数据。所承载的业务类型固定且相对单一，与传统广域网承载的业务类型存在较大的差异性。
如表1所示，传统广域网承载业务种类丰富，不同业务对网络转发的实时性要求不同，网络流量存在较多突发情况，要求网络系统具备非常强的业务识别能力，并根椐不同业务进行流量限制和调度，从而在网络流量突发时保证视频会议等关键业务的实时转发，总体而言，网络流量较小，对数据转发能力的要求较低。本方案承载业务类型单一，但作为全省视频监控图像信息的承载网络，其网络流量将一直维持在相当高的水平，且对数据转发的实时性要求较高，这就要求网络设备具备极高的转发性能。
如图2所示，可以明显地看出该方案不同于传统的广域网，在组网技术的选择上，需要根据网络建设的实际需求进行重新审视。
目前，组网技术主要分为路由型和交换型两种方式，路由型组网即在网络核心层、汇聚层、接入层采用路由设备组网，交换型组网即在网络核心层、汇聚层、接入层采用交换设备组网。
一直以来，业界普遍认为，与路由型广域网相比，交换型广域网在网络安全、可靠性、业务承载等方面有诸多不足，新的广域网建设应该主要考虑路由型广域网。实际上，随着技术、业务的不断发展，交换型、路由型之间并不存在取代的关系，而是根据不同的业务特征、网络规模、建设模式等各有用武之地。我们针对同等档次路由型和交换型两种组网方式进行了对比，如表2所示，我们可以清晰地看出，路由型组网具备广域网接口类型丰富，路由表、QOS、ACL规格高等特点，但转发性能相对交换型组网而言较低，整体性价比较低。交换型组网具备转发性能高、整体性价比高等特点，路由表、QOS、ACL规格相对路由型组网较低，但完全可以满足业务相对单一的网络建设需求。
通过以上分析，采用无阻塞全交换式组网更符合本案的实际需求，且相对路由型组网而言，具备更高的转发性能和性价比。
2.高可靠性
本方案作为全省视频数据的承载平台，对网络的可靠性要求非常之高，任何节点故障，均将导致大量视频图像无法上传，因此在本次网络设计的过程中，充分考虑了网络可靠性的需求，主要通过以下四个方面来实现。
（1）网络架构的高可靠性。一个普通的二、三层网络和一个虚拟化网络架构相比，其整体的可靠性、可用性是有天壤之别的。在本案，省级、市级及县级三级节点均部署有两台高端核心交换机，并通过虚拟化技术将两台高端核心交换机在逻辑上虚拟化为一台设备，实现控制平面和数据平面所有信息的冗余备份和无间断的数据转发，极大的增强了网络架构的可靠性和高性能，同时消除了单点故障，避免了业务中断。
（2）单设备的高可靠性。网络设备在系统设计和硬件架构上具备整体的高可靠能力，具备硬件的物理可靠性和系统部件的冗余能力，面对复杂环境能保持“不坏金身”。在本案，省级、市级及县级三级节点部署的核心交换机均采用创新的交换矩阵与路由引擎相分离的多级交换架构，路由引擎1 1冗余，专用于系统控制和协议计算，交换矩阵N 1冗余，专用于数据转发。把交换机最重要的两个关键部分硬件分离，各司其职，避免相互影响，整个系统可靠性极高。 （3）设备的软件可靠特性。在本方案中，省级、市级及县级三级节点部署的交换机设备均支持通过BFD高可靠检测技术和VRRP/RIP/OSPF/ISIS/BGP等网络协议联动，支持IP FRR、MPLS TE FRR，均实现50ms的快速收敛；同时还支持NSF技术、GR技术以及物理层和链路层高可靠性技术，从而保障网络的高可靠性。
（4）软件维护的高可靠性。设备在软件bug修复或者版本升级过程中，不会影响到设备的正常运行，在保证软件正常升级的同时，确保设备运行的稳定性，提高软件维护的易用性。在本案，省级、市级及县级三级节点部署的交换机设备，均支持通过在线热补丁技术来提升软件维护的可靠程度，避免可靠性“短板”的出现。
3.易扩展性
可扩展性反映了设备支持新业务的能力，一个扩展性优秀的产品可以通过增加新业务模块来满足未来新业务的需求，而不需要更换设备。因此才能有效保护用户的前期投资。
（1）网络结构扩展灵活。在本案，省级、市级及县级三级节点部署的核心交换机采用模块化的设计架构，设备可兼容40GE、100GE端口和FCoE（FC over Ethernet，以太网光纤通道），支持通过TRILL（Transparent Interconnection of Lots of Links，多链路透明互联）或SPB（Shortest Path Bridging，最短路径桥接）技术来进行数据中心大二层网络的构建，将二层的简单、灵活与三层的稳定、可扩展和高性能有机融合起来，可以提供更高密度的端口和更扁平化的网络架构，可满足数据中心大规模服务器的接入和扩展需求。
（2）应用结构扩展灵活。在本案，省级、市级及县级三级节点部署的核心交换机基于OAA（Open Application Architecture）理念设计，可以实现对外开放的业务平台，支持网络及安全多业务插卡模块，可以集成防火墙模块、IPS模块、ACG应用控制网关模块、LB负载均衡模块等，可以通过产品融合实现网络安全一体化，卓越的可扩展性有效地保护用户的现有投资。
4.易维护性
该方案网络覆盖全省所有市级及县级下属单位，网络规模庞大，如果按照传统广域网的建设思路，其网络的维护量将非常大。通过无阻塞全交换式组网，每个节点通过虚拟化技术将同一节点的两台设备横向整合，架构一个全新的虚拟化网络，从而大大减化网络管理的复杂度，虚拟化网络架构与传统的网络设计相比，提供了以下显著优势：
（1）运营管理简化。全局网络虚拟化能够提高运营效率，虚拟化的每一节点交换机组被逻辑化为单管理点，包括配置文件和单一网关IP地址，无需配置VRRP。
（2）整体无环设计。跨设备的链路聚合创建了简单的无环路拓扑结构，不再依靠生成树协议（STP）。虚拟交换组内部经由多个万兆互联，在总体设计方面提供了灵活的部署能力。
小结
结合业务实际应用和发展要求，本方案与当前国内外同类研究、同类技术相比，具备以下特点：
（1）海量数据高效传输。结合视频监控图像业务特点，本案视频传输骨干网络采用无阻塞全交换式组网，实现了省级、市级、县级三级节点之间安全高速的视频监控数据联网、共享。同时，全网无路由设备，节省投资且方便维护管理。
（2）网络运行可靠稳定。系统设计有效地避免单点故障，提供充分的设备及线路冗余备份。一方面最大限度地减少故障发生的可能性，另一方面有效提升了的网络故障自愈能力。
（3）业务支撑保障有力。网络系统设计具备强大的容错功能，关键设备、骨干线路能做到实时备份冗余和自动故障切换，有效规避单点故障，有力保障各种业务应用的正常运行。
（4）网络升级扩展灵活。所有系统设备不但满足当前需要，并在扩充模块或板卡后可满足未来新增业务的需求，如线路带宽扩容、设备板卡扩展及视频业务深度应用等，确保系统的可扩展性，有效保护投资。
作者简介
马晓晔 高级工程师，主要研究领域是信息化顶层设计、规划，信息通信系统建设、维护及管理。
夏军 工程师，主要研究领域为信息应用系统建设、维护及管理。
李澍 工程师（CCIE#22982），主要研究领域为骨干网络规划、建设、维护及管理。
张莉 工程师，主要研究领域为网络和信息安全管理。
本文介绍的视频传输骨干网络组网技术突破了传统的广域网路由组网方式，创造性地选用无阻塞全交换式组网，并在某省全省范围内实际部署应用，最终取得了理想的效果。
无阻塞数据交换
本方案采用的交换架构均为最新CLOS架构。CLOS架构最明显的好处就是真正做到了控制和转发的硬件分离。大型交换网络使用CLOS架构的优势包括：一是可以通过使用较小交换结构作为基础组件来构建大型交换结构，从而简化大型交换结构的构建；二是大幅度减少构建无阻塞交换结构所需要的交叉点，从而减少故障点，增强交换结构的可靠性；三是交换单元的交换路径完全独立，不会彼此干扰，从而不需要复杂的集中控制器来协调各交换单元的交换，进一步增强可靠性和可扩展性，支持递归扩展；四是CLOS架构可支持构建具有五级、七级或九级的巨大交换结构，在极大数量的输入和输出之间建立严格的无阻塞连接。
设计思路
本方案采用“以星型结构为主、星环结构融合”的拓扑结构，应用全交换架构方式实现骨干网络联网，即分别在省级、市级及县级三级节点部署双骨干交换设备，由市级节点骨干交换设备通过广域网线路实现视频监控骨干网络上下行互联。结合视频监控图像业务特点，本方案建设具有大容量高速传输能力、可靠稳定服务质量保证，实现了省级、市级、县级三级节点之间安全高速的视频监控数据联网和共享。
方案特点
根据行政划分隶属关系，本方案网络建设规划设计为二级网和三级网两层架构：省级节点和各市级节点之间联网为二级网；市级节点和其辖区内各县级节点之间联网为三级网。整体网络拓扑结构如图1所示。
本方案采用星型拓扑结构组网，将网络分为核心层、汇聚层和接入层。
核心层：省级节点作为视频传输骨干网络的核心，负责全省跨区域视频数据的交换，是视频传输骨干网络数据交换中枢，需要具备海量数据转发的能力和高可靠性。
汇聚层：各市级节点作为视频骨干网络汇聚层节点，实现辖区内各县级节点的汇聚，并与省级节点进行高速互联。
接入层：各县级节点作为视频骨干网络的接入层节点，实现前端视频图像的接入，并与市级汇聚层节点进行互联。
本方案作为全省视频图像数据的承载平台，要满足海量视频数据的实时传输、回放，对网络平台的要求非常高，需要建设一套高性能、高可靠性、易维护的网络平台。经过反复调研、论证，最终选用无阻塞全交换技术组网。在相同投资下，相对路由组网技术而言，全交换式组网技术转发性能更高，可靠性更强，也更易维护。该方案具有以下优势：
1. 高性能
方案主要用于承载视频图像数据。所承载的业务类型固定且相对单一，与传统广域网承载的业务类型存在较大的差异性。
如表1所示，传统广域网承载业务种类丰富，不同业务对网络转发的实时性要求不同，网络流量存在较多突发情况，要求网络系统具备非常强的业务识别能力，并根椐不同业务进行流量限制和调度，从而在网络流量突发时保证视频会议等关键业务的实时转发，总体而言，网络流量较小，对数据转发能力的要求较低。本方案承载业务类型单一，但作为全省视频监控图像信息的承载网络，其网络流量将一直维持在相当高的水平，且对数据转发的实时性要求较高，这就要求网络设备具备极高的转发性能。
如图2所示，可以明显地看出该方案不同于传统的广域网，在组网技术的选择上，需要根据网络建设的实际需求进行重新审视。
目前，组网技术主要分为路由型和交换型两种方式，路由型组网即在网络核心层、汇聚层、接入层采用路由设备组网，交换型组网即在网络核心层、汇聚层、接入层采用交换设备组网。
一直以来，业界普遍认为，与路由型广域网相比，交换型广域网在网络安全、可靠性、业务承载等方面有诸多不足，新的广域网建设应该主要考虑路由型广域网。实际上，随着技术、业务的不断发展，交换型、路由型之间并不存在取代的关系，而是根据不同的业务特征、网络规模、建设模式等各有用武之地。我们针对同等档次路由型和交换型两种组网方式进行了对比，如表2所示，我们可以清晰地看出，路由型组网具备广域网接口类型丰富，路由表、QOS、ACL规格高等特点，但转发性能相对交换型组网而言较低，整体性价比较低。交换型组网具备转发性能高、整体性价比高等特点，路由表、QOS、ACL规格相对路由型组网较低，但完全可以满足业务相对单一的网络建设需求。
通过以上分析，采用无阻塞全交换式组网更符合本案的实际需求，且相对路由型组网而言，具备更高的转发性能和性价比。
2.高可靠性
本方案作为全省视频数据的承载平台，对网络的可靠性要求非常之高，任何节点故障，均将导致大量视频图像无法上传，因此在本次网络设计的过程中，充分考虑了网络可靠性的需求，主要通过以下四个方面来实现。
（1）网络架构的高可靠性。一个普通的二、三层网络和一个虚拟化网络架构相比，其整体的可靠性、可用性是有天壤之别的。在本案，省级、市级及县级三级节点均部署有两台高端核心交换机，并通过虚拟化技术将两台高端核心交换机在逻辑上虚拟化为一台设备，实现控制平面和数据平面所有信息的冗余备份和无间断的数据转发，极大的增强了网络架构的可靠性和高性能，同时消除了单点故障，避免了业务中断。
（2）单设备的高可靠性。网络设备在系统设计和硬件架构上具备整体的高可靠能力，具备硬件的物理可靠性和系统部件的冗余能力，面对复杂环境能保持“不坏金身”。在本案，省级、市级及县级三级节点部署的核心交换机均采用创新的交换矩阵与路由引擎相分离的多级交换架构，路由引擎1 1冗余，专用于系统控制和协议计算，交换矩阵N 1冗余，专用于数据转发。把交换机最重要的两个关键部分硬件分离，各司其职，避免相互影响，整个系统可靠性极高。 （3）设备的软件可靠特性。在本方案中，省级、市级及县级三级节点部署的交换机设备均支持通过BFD高可靠检测技术和VRRP/RIP/OSPF/ISIS/BGP等网络协议联动，支持IP FRR、MPLS TE FRR，均实现50ms的快速收敛；同时还支持NSF技术、GR技术以及物理层和链路层高可靠性技术，从而保障网络的高可靠性。
（4）软件维护的高可靠性。设备在软件bug修复或者版本升级过程中，不会影响到设备的正常运行，在保证软件正常升级的同时，确保设备运行的稳定性，提高软件维护的易用性。在本案，省级、市级及县级三级节点部署的交换机设备，均支持通过在线热补丁技术来提升软件维护的可靠程度，避免可靠性“短板”的出现。
3.易扩展性
可扩展性反映了设备支持新业务的能力，一个扩展性优秀的产品可以通过增加新业务模块来满足未来新业务的需求，而不需要更换设备。因此才能有效保护用户的前期投资。
（1）网络结构扩展灵活。在本案，省级、市级及县级三级节点部署的核心交换机采用模块化的设计架构，设备可兼容40GE、100GE端口和FCoE（FC over Ethernet，以太网光纤通道），支持通过TRILL（Transparent Interconnection of Lots of Links，多链路透明互联）或SPB（Shortest Path Bridging，最短路径桥接）技术来进行数据中心大二层网络的构建，将二层的简单、灵活与三层的稳定、可扩展和高性能有机融合起来，可以提供更高密度的端口和更扁平化的网络架构，可满足数据中心大规模服务器的接入和扩展需求。
（2）应用结构扩展灵活。在本案，省级、市级及县级三级节点部署的核心交换机基于OAA（Open Application Architecture）理念设计，可以实现对外开放的业务平台，支持网络及安全多业务插卡模块，可以集成防火墙模块、IPS模块、ACG应用控制网关模块、LB负载均衡模块等，可以通过产品融合实现网络安全一体化，卓越的可扩展性有效地保护用户的现有投资。
4.易维护性
该方案网络覆盖全省所有市级及县级下属单位，网络规模庞大，如果按照传统广域网的建设思路，其网络的维护量将非常大。通过无阻塞全交换式组网，每个节点通过虚拟化技术将同一节点的两台设备横向整合，架构一个全新的虚拟化网络，从而大大减化网络管理的复杂度，虚拟化网络架构与传统的网络设计相比，提供了以下显著优势：
（1）运营管理简化。全局网络虚拟化能够提高运营效率，虚拟化的每一节点交换机组被逻辑化为单管理点，包括配置文件和单一网关IP地址，无需配置VRRP。
（2）整体无环设计。跨设备的链路聚合创建了简单的无环路拓扑结构，不再依靠生成树协议（STP）。虚拟交换组内部经由多个万兆互联，在总体设计方面提供了灵活的部署能力。
小结
结合业务实际应用和发展要求，本方案与当前国内外同类研究、同类技术相比，具备以下特点：
（1）海量数据高效传输。结合视频监控图像业务特点，本案视频传输骨干网络采用无阻塞全交换式组网，实现了省级、市级、县级三级节点之间安全高速的视频监控数据联网、共享。同时，全网无路由设备，节省投资且方便维护管理。
（2）网络运行可靠稳定。系统设计有效地避免单点故障，提供充分的设备及线路冗余备份。一方面最大限度地减少故障发生的可能性，另一方面有效提升了的网络故障自愈能力。
（3）业务支撑保障有力。网络系统设计具备强大的容错功能，关键设备、骨干线路能做到实时备份冗余和自动故障切换，有效规避单点故障，有力保障各种业务应用的正常运行。
（4）网络升级扩展灵活。所有系统设备不但满足当前需要，并在扩充模块或板卡后可满足未来新增业务的需求，如线路带宽扩容、设备板卡扩展及视频业务深度应用等，确保系统的可扩展性，有效保护投资。
作者简介
马晓晔 高级工程师，主要研究领域是信息化顶层设计、规划，信息通信系统建设、维护及管理。
夏军 工程师，主要研究领域为信息应用系统建设、维护及管理。
李澍 工程师（CCIE#22982），主要研究领域为骨干网络规划、建设、维护及管理。
张莉 工程师，主要研究领域为网络和信息安全管理。