大型综合布线系统的灾难备份思考

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大型综合布线系统的灾难备份思考

来源：德特威勒电缆系统（上海）有限公司供稿作者：技术部经理曾松鸣更新时间：2010-11-11

      综合布线系统自出世以来，一直是以高可靠性为核心焦点，它不惜为每一台电脑敷设一根双绞线这样的星型结构取代廉价的同轴电缆构成的总线型结构，使一根线发生故障所造成的信息中断仅限于一台电脑，使其他电脑依然能够正常工作。从这一角度来看，综合布线系统的最大亮点之一就是解决了总线型网络结构中始终无法回避的故障环境下的信息传输问题。随着智能建筑的规模越来越大，数据主干的星型结构就成为抵御故障的最大难点，为了解决这一问题，在近几年颁布的各种综合布线标准中，冗余型布线系统的拓扑结构已经成为基本的拓扑结构之一。

      在软件部分，在系统结构部分，国家已经出台了大量的灾备方面的标准，但在综合布线方面，至今能看到的仅仅是欧洲综合布线标准中有关线路冗余的相关内容，而对于线路的外部保护则没有配套的介绍。本文将使用冗余型布线技术，对灾难来临时面对着强烈冲击破坏、伴随着火灾的环境，依然要保证部分乃至大部分信息传输依然保持正常工作，提出自己的思考和观点。

     假设：某一建筑物高8层（含地下层），总建筑面积为48万平方米，其中有1个核心层交换机机房（假设为CD，是该建筑的信息机房，摆放有大量的服务器）、3个汇聚层交换机房（假设为BD），而接入层机房（楼层弱电间，FD）则呈菱形结构分布，共有36个弱电间（理想值：弱电间分布在1层、4层和7层，每层12个），每个弱电间管辖800个六类信息点，其中500个为数据点，使用1U48口网络交换机。该建筑对外有2个进线间，同时在同城的另一个地方，有一个异地备份机房，必要时可以承担核心层交换机房的功能。进一步假定是：各汇聚层机房可以通过桥架贯通、每层楼的各FD之间因同处一个楼层，也可以使用桥架贯通。

      按正常的综合布线设计方法，它的拓扑结构应该是：

图1 传统综合布线系统拓扑图

   作为传统的布线设计，到这一步拓扑结构的设计已经完成，后续所需的仅仅只是计算具体的参数。但作为面向灾难备份的布线系统，规划才刚刚开始。

      随着2001年的911事件和2008年的512地震，人为灾难和自然灾难都已经开始成为人们注意的焦点。在中国，自从512地震以后，建筑物设计中的冗余和灾难备份成为各设计单位的重要设计工作。自然，综合布线系统在灾难备份中能够发挥什么样的作用，也就成为综合布线规划设计人员应该考虑的问题。在本文中，对于灾难备份的考虑分为两个部分：信息传输的冗余备份、局部撞击和局部起火所引发的线路保护。

      常规的综合布线系统结构对由人为灾难引起的整栋建筑物或建筑群危害是无能为力的。综合布线系统的灾备设计所需要考虑的主要问题是：因灾难原因引起的电源断电、爆炸引起的冲击波和局部火灾、桥架断裂等等对信息传输的局部危害。

     为了解决这个问题，就需要从信息传输的拓扑结构和外部保护两方面共同进行。其中，拓扑结构应采用冗余备份结构，而外部保护在从关键缆线的路径上予以保护。

     ►线路冗余

     作为一栋大型建筑的正常信息传输而言，综合布线系统的多级星型结构和冗余结构已足以满足其安全性要求。当然，对于谁都不希望出现的天灾人祸降临在CD主机房或BD机房，则现有布线结构还是难以抵挡。

     在2007年颁布的欧洲综合布线标准：《信息技术：综合布线系统第2部分：办公建筑》（EN 50173.2-2007）第4.7节中，提供了冗余布线的拓扑示意图（因比较简单，没有译成中文）：

图2 冗余结构的布线拓扑示意图（引自EN 50173.2-2007图8）

     对于线路安全而言，冗余是一种非常理想的方案，同时也是在许多中、高等级的综合布线系统中经常采用（或部分采用）的方案。

    ►外部保护

    借助于桥架种类、多路径、安装位置、缆线的护套材料、场地等方式对信息传输缆线进行保护。

     回到图1的综合布线结构，摆在规划设计者面前可能出现的灾难及解决办法有：

     1. 每个楼层配线架FD通往汇聚机房BD的光缆桥架损坏

    每个楼层配线架FD通往汇聚机房BD的光缆桥架可能会损坏，导致其中的光缆损坏，造成相应的楼层配线架对外传输中断。

    从冗余角度看，如果采用两根桥架，经过两个不同的路径通往两个汇聚机房BD是最佳的选择（参见图3）。如果都做不到，那采用两根光缆取代一根光缆也是一个可以选择的构思（参见图4）。

图3 综合布线拓扑结构示意图（FD至BD之间为双路径冗余）

图4 综合布线拓扑结构示意图（FD至BD之间为单路径冗余）

      图3和图4的差异有两个，一是图3的两根光缆分别进入了两个汇聚层机房BD，图4的两根光缆则全部进入了同一根汇聚层机房BD，所以一旦其中一个汇聚层机房发生故障，在图3依然能够保持工作，图4将陷于瘫痪；二是图3的两个路径是分开的，其中任何一路发生故障，都不会影响信息传输，而图4是在同一个桥架中敷设两根首尾相同的光缆，所以它属于最简单、最低等级的冗余设计。如果条件允许，可以在图3和图4的两个极端冗余设计中选择一个性能价格比、符合现场实际情况的冗余方案。这些方案中包括：

     1) 两根光缆沿两个桥架敷设至两个不同位置的上级机房（参见图3）；
    2) 两根光缆沿两个桥架敷设至两个不同位置的上级机房，并在这两个不同位置的上级机房之间敷设光缆，最终将两根光缆的末端延伸至同一个上级机房（参见图5）；

图5 综合布线拓扑结构示意图（FD至BD之间为单路径冗余）

    3) 两根光缆先合并沿一个桥架，然后分开两个桥架敷设至两个不同位置的上级机房；
    4) ……；
    5) 两根光缆分别经两个桥架敷设至同一个上级机房；
     6) 两根光缆沿一个桥架敷设至同一个上级机房（参见图4）。

     2. 汇聚机房BD、进线间至核心机房CD之间的光缆桥架损坏

    当汇聚机房BD和进线间至核心机房CD之间的光缆一旦损坏，所造成的该汇聚机房所属的所有FD都将失去信息传输，或者是使本身已经形成的双冗余系统被破坏。所以这些光缆的重要性远高于FD至汇聚机房BD之间的光缆。

      典型的汇聚机房、进线间至核心机房之间冗余光缆的拓扑结构可以参见图2，对于图5反映的系统逻辑图，要构成冗余结构，则只能选择两根光缆分别走两个桥架到达核心机房CD的方式（参见图6）。

图6 汇聚机房、进线间至核心机房的综合布线拓扑结构示意图

      3. 汇聚机房BD损坏

      汇聚层机房在大型建筑物中是最基本的信息机房之一，它一旦发生故障，可能会导致FD至汇聚机房、汇聚机房至核心机房之间的信息传输全部中断或部分中断。

     在图6中，如果在常规拓扑结构下BD2损毁，将导致BD2所属的12个弱电间（FD13～FD24）信息传输中断。比较理想的解决方法是采用冗余方案：12个弱电间分设2根光缆，途径两个桥架，敷设到两个汇聚机房中（参见图3、图5和图6）。

     作为一间机房，还需要从光缆的外部保护角度分析光缆在受到外力是可能损伤的程度，我们所希望的是尽量保持光缆不被破坏。为此，可以例举几种保护光缆的方法：

     ♦使用全封闭金属桥架（带耐火内胆，即耐火桥架）。全封闭金属桥架可以全方位的保护光缆不受外力的打击，耐火内胆可以有效的防止因外力造成的损坏所引发的火焰和高温破坏光缆；

    ♦使用耐火光缆。在灾难来临时，往往会伴随着火灾，这是需要考虑的问题就引伸到火场附近、没有被火焰吞噬的网络设备和服务器是否还能够进行工作的问题。对于不重要的机房而言，火灾发生的同时，外部供电系统将立即切断，而UPS供电则根据业主方的要求分别有切断和不切断两种方案。对于重要的服务器而言，它将工作到“生命”的最后一刻。另外，机房内的灾备机柜内也用于保护服务器和网络设备，但它对外的信息传输和供电（也可以使用机柜内的内藏UPS供电）则依然暴露在火场中。如果要求保证这些没有被烧着的服务器和网络设备接续工作，则需要使用耐火光缆。中国的耐火光缆可以在750℃的火场中持续工作1.5小时，欧洲的耐火光缆可以在850℃的火场中持续工作3小时。如果选用耐火光缆，则可以防范因外部损坏导致局部火灾时仍然能够保持信息传输。当然如果采用耐火光缆，则有必要同步引入耐火电缆（电源线）；

    ♦水平主干桥架不采用架空，而是安装在墙边（并非隔断墙）的地面附近，因为万一发生爆炸时，架空桥架将首先损坏，而墙边地面附近则是受影响最小的地方。当然，这里所指的墙不是靠近走廊的玻璃墙和石膏板墙，而是比较坚固的墙。这与防地震的原理是相近的。

     ♦在汇聚机房中往往会有垂直进线桥架，对于这部分桥架同样一个选择全封闭耐火桥架。只是这些桥架应该固定在坚固的墙面上，并延伸到地面附近与水平主干桥架连接。如果在机房内的墙面上有突出的柱子，则能将桥架隐藏在柱子旁的拐角内是比较理想的。

     4. 核心机房CD损坏

   核心机房CD是整栋建筑的信息传输中枢。就传统的传输结构来说，如果它因局部的不可抗力被毁（指人为灾难，如爆炸、局部火灾等等。地震、风灾等可能导致整个建筑被毁的灾难不在讨论之列），同时引发部分机房起火。如果起火的机房是网络设备和主配线架所在的区域，那就有可能导致整栋建筑的信息传输全部中断，即使有灾难备份机房也难以发挥作用。可以说从信息灾备角度来看，核心主机房（主配线架所在的机房）成为该建筑物信息系统中的“命门”。

     基于图1拓扑结构的综合布线系统的冗余结构依然可以参考图6，光缆的外部保护也可以参考汇聚机房BD中的外部保护方式。但还需要考虑另外两个问题：

     ♦核心机房的网络区（主配线架和网络交换机所在的区域）往往只有一个，如果它一旦收到不可抗力的损毁，则通常会造成电源系统断电，导致这个防火区域内停电，这时如果外部灾备机房与该建筑物连接的光缆及网络设备也在主干区域内，那外部灾备机房形同虚设。为了避免以上问题，需根据图2的思路，在核心机房（一般式信息机房）内寻找第2个防火分区（通常每800㎡为一个防火分区），并在第2个防火分区中再设一套冗余的网络设备和主配线架。

    ♦万一网络区彻底毁损，上述的方法将全部失效。这时，可以考虑将部分汇聚机房作为核心机房的备份，使用光缆直接连接到各进线间，形成更为复杂的冗余拓扑结构（参加图7)。

     ♦当核心机房CD被损毁时，火势可能会蔓延到机房以外。这时，邻近的防火分区内也会起火，当某一汇聚机房BD在通往进线间的通路经过已经起火的防火分区时，如果所用光缆为普通的阻燃/低烟无卤光缆，则该光缆会被火焰烧毁，导致相应汇聚机房BD至进线间的光缆损坏，造成即使核心机房CD损毁仍然无法让汇聚机房BD通过光缆连接到进线间。随着防火缆线技术的发展，市场上已经出现了阻燃耐火/低烟无卤光缆，它可以在850℃的火场中持续传输时间可以达到3个小时，其工作温度远高于CMP所能达到的工作温度，而它的阻燃/低烟无卤特性，有保证了火势不会顺着光缆蔓延、火场中烟雾少和毒气少、利于火场中的人们逃生的特性，可以说它兼得了高阻燃缆线和低烟无卤缆线的双重优势，并有超越这两大类缆线的优越之处。至于耐火光缆的温度为850℃，则根据2008年颁布的《民用建筑电气设计规范》（JGJ 16-2008），民用火灾的温度通常小于1000℃，这样的耐火光缆可以保证在经过起火的防火分区时仍然能够正常工作。

图7 防核心机房彻底毁损的布线拓扑结构示意图

     5. 进线间损毁

     在图一所示的结构中，进线间有两个，而且不在同一个地方，从灾备角度看，除非整栋建筑全部倒塌，否则两个进线间同时损毁的概率是非常低的，几乎可以不用考虑。

    从图1演变到图7，利用了各种方法，其中包含外部灾备机房、光缆冗余、全封闭金属桥架、耐火桥架、耐火光缆、安装位置、双防火分区等等，借助于多重保护的方法使尽量多的信息传输依然能够保持正常的工作状态。这是灾备综合布线系统与常规冗余综合布线系统所不同的所在。

    对于一个实用的灾备布线系统，不是说越复杂越好，而是根据工程的实际情况，确定发生问题的几个可能性，针对这些可能性进行有效的灾备设计，以求具有实效性，而不是追求面面俱到。

     本文章的一系列解决方案是在一个业主问了一个问题：“万一我的主机房被炸时，怎样保证信息传输？”后，逐渐形成的。由于目前的各种标准中都没有这方面的描述，所以本文仅仅只希望能够发挥“抛砖引玉”的作用，为今后完善的灾备综合布线系统做出铺垫，希望在不久的未来，灾备综合布线系统能够进入标准，像冗余布线系统一样，成为有据可查的、规范化的综合布线系统。

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