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校园网防雷分析与设计

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第27卷 第12期 计算机工程与设计 2006年6月 VO1.27 NO.12 Computer Engineering and Design June 2006 校园网防雷分析与设计 谢锐, 凌捷, 李振军 (广东工业大学计算机学院,广东广州510090) 摘 要:根据雷电入侵校园网络产生的危害,重点分析了直击雷和感应雷等不同的雷击方式和破坏作用,设计了不同的防 雷措施进行防范。以一个校园网络的方案,综合不同形式的防雷措施进行了一个系统的设计,提出了校园网络的多级防雷 和分区域防雷保护的设计方法,给出了校园网网络防雷设计的一般步骤和应注意的一些问题。 关键词:网络设计;防雷设计;雷电入侵 中图法分类号:TP393.02 文献标识码:A 文章编号:1000-7024(2006)12-2200-03 Analysis and design of lightning protection for campus network XIE Rui,LING Jie,LI Zhen-jun (College of Computer,Guangdong University of Technology,Guangzhou 5 1 0090,China) Abstract:According to the harm oflightning to network,the modes and damage ofinduction lightning and straight-lihgtning are analyzed emphatically. Based on these analyses,diferent measures oflightning protection to network nad na integrative system with different me- asrues oflihgtning protection for a campus newtork are designed.Then,the desing method ofmultilevel nad diferent areas ofprotection is presented.Finally,the steps and some problems in hte desing oflightning protection to network are given. Key words:newtork desing;lihgtning protection;lightning intrusion 0 引 言 系统可能产生的破坏作用进行分析,提出相应的多级防雷措 施和重点保护的设计思想,结合实例给出防雷设计的一般步 随着计算机技术的发展,越来越多的行业采用计算机网 骤。本文对于研究网络的安全、防雷设计的思想都具有指导 络技术来实现信息化管理,但是近年来发生了多起计算机网 意义,对计算机网络技术的普及应用、保障网络系统的安全具 络系统遭到雷击破坏的事件Ⅲ,这些计算机网络系统遭到雷击 有重要意义。 而破坏,常常造成巨大损失,也使人们更加重视计算机网络系 统的防雷技术,必须研究一个充分的网络防雷方案,保障网络 1雷击入侵与破坏 系统的安全。 雷击按其入侵网络系统的方式来分,主要有2种雷击 : 由于雷电的巨大破坏作用,国内外学者纷纷提出了防范 直击雷和感应雷。雷电直接击中线路并经电器设备进入大地 雷击的技术方案,主要是针对建筑物、电力线路和树木等的防 的雷击过电流为直击雷;而由雷闪电流产生的强大电磁场变 雷保护进行研究,并取得了卓有成效的成果 ,余济临等从电 化与导体感应出的过电压、过电流形成的雷击称为感应雷。它 磁角度提出了计算机网络防雷的思想 ,分别对电源、网络和 们都将对校园网络产生巨大的破坏情况,主要可以分为如 接地做了防雷的技术分析和理论设计参考,刘宁等从该单位 下几类: 的网络防雷建设分析旧,提出了计算机网络防雷设计思想,其 (1)网络供电电源的破坏:雷击产生的强大电磁场,将产 他学者也提出了众多不同的技术方案t2-91这些方案考虑的角 生高电压和过电流,可能对网络系统的供应电源产生巨大的 度不尽相同,但还没有形成一个更加完善的网络防雷体系。 破坏,烧毁设备,进一步可能引起火灾的发生。 网络防雷的重点一方面是直击雷的防范,另一方面是感应雷 (2)网络线路的破坏:一方面,雷电所产生强大电磁场脉 的防范,就是要研究两者的防范设计融合为一个安全的网络 冲与导线耦合传导,沿着线路入侵,将导致网络设备的击毁, 防雷方案,从而切实充分地保障计算机网络设备免遭雷击,减 因为网络设备都是电子设备,不能承受太强的脉冲冲击;另一 少损失。 方面,雷电也可能直接击毁户外的网络线路,比如双绞线等。 本文将讨论校园网设计中的防雷技术,根据雷电对网络 (3)接地体的破坏:在机房设计的时候都将考虑接地体的 收稿日期:2005—03—29。 基金项目:广州天河科技计划基金项目(041G015、052zlo4001)。 作者简介:谢锐(1977--),男,广东平远人,硕士研究生,研究方向为网络安全; 凌捷(1964--),男,广东平远人,教授,研究方向为网络安 全、图像处理; 李振军(1970一),男,河南洛阳人,研究生,研究方向为网络安全。 ・——2200・—— 维普资讯 http://www.cqvip.com

问题,这些设备接地体在雷击时将产生瞬间高电位而损坏。这 是因为防护直击雷的装置将雷电电流引向自身由接地体分流 流入大地,在接地体上形成高电位,使与接地体连接的网络设 备由于接地体电位升高而损坏。 一一级防雷;在网络控制室主机房的电源配电柜和其它机柜端 设立电源二级防雷;在服务器的电源端和交换机的电源端设 立电源三级防雷。 2.2线路防雷设计原则 这部分的设计主要针对感应雷的防雷设计,主要是抵挡 般来说,校园网络中的交换机、服务器和路由器等网络 设备安置在建筑物内,受建筑物的外部防雷系统保护,直击雷 破坏网络设备的可能性较小,但建筑物外部的网络线路可能 受到直击雷的破坏,若采用光纤线路,大大减少了直接雷破坏 雷电的耦合感应电流。在网络交换机、HUB之间用如果采 用光纤线路连接,光纤线路本身并不传导雷电流,因此无需 考虑此段线路的雷电防护,但如果采用双绞线路连接,则必 须对双绞线路网络进行防护 。一般来说,网络线路防护一 的可能;局域网中发生雷击事件主要是感应雷的破坏,因此防 雷的重点是感应雷。防范雷击入侵要注意设备安装方法,包 般在外线接口处采用第1级防护,交换机和路由器处采用第 括线路和布局、安装位置的规范,以免受雷电在空间分布的电 2级防护,终端设备处采用第.3级防护。防雷的安全性与采 场和磁场的影响而损坏线路和设备。 2防雷设计分析 网络防雷设计的基本原则就是要根据雷电对网络的破坏 角度出发,最大限度保护网络系统。主要围绕防止雷电对网络 系统产生过电压、过电流以及电磁干扰,将计算机网络屏蔽在 防雷保护器中间,使网络成为一个的保护区域。可以根据 雷电对网络的几种破坏情况来进行设计,在具体的每一种防雷 设计中还要根据实际情况采用多级保护设计,多级防雷设计是 因为能量需要逐级泄放,对于拥有网络系统的建筑物,多级防 雷成本较低,保护较为充分,是校园网防雷的基本方法。 因此,根据网络设备地理位置是否在建筑物内部或外部, 可以将网络系统的防雷设计分为内部防雷和外部防雷,内部 防雷是校园网络系统的重点,应该包括电源系统、网络线路、 网络屏蔽和接地等措施;外部防雷主要考虑建筑物的整体保 护和在建筑物外部的网络线路保护。网络防雷系统的结构示 意如图1所示。 网络防雷系统 根据校园网的特点,本文重点讨论内部防雷保护,对于外 部防雷设计只考虑外部线路保护,而其它外部保护措施则由 建筑物防雷设计完成。因此,具体来说,局域网的防雷设计可 从以下5个方面的设计原则进行设计。 2.1 电源防雷设计原则 电源系统防雷主要是防止过电流、过电压的入侵。由于 网络设备工作电压较低,比一般的电气设备更易被过电压击 毁。当雷击发生时,需要在短时间内释放很大的能量,为使最 终的网络设备不损坏,必须在过电压到达网络设备之前把能 量释放掉。所以电源系统的防护为多级保护,才能有效地逐 级泄放雷击产生的过电流和过电压,将过电压和过电流降到 设备所能承受的水平。因此,在建筑物的总电源处设立电源 用的防雷级数成正比,因此多一级防雷装置,防雷效果更安 全更可靠。 2.3屏蔽与接地设计原则 当雷电发生时,在整个自然环境中将产生强大的交变磁 场,为了防止这个自然界中的强大磁场产生的强脉冲与导线 耦合传导,必须对计算机网络系统进行网络屏蔽设计。屏蔽 系统是为了保证在有干扰环境下系统的传输性能。抗干扰性 能包括两个方面:系统抵御外来电磁干扰的能力和系统本身 向外辐射电磁干扰的能力。 接地保护根据国家相关技术标准,接地电阻必须小于1 欧姆,才能保证接地线间不产生电位差、不相互干扰。 2.4综合布线防雷设计原则 综合布线要从防雷的角度考虑,采用光纤连接的子系统 是最好的防雷措施,光纤通道的周围应没有容易产生雷击的 物品,避免雷电击中这些物品而导致光纤网络的破坏,同时做 好网络的屏蔽措施;如果采用双绞线的子系统则要注意在进 出建筑物时网络线路的防雷以及连接到网络设备时的防雷。 2.5设备选择原则 在做好相关的设计之后,还有一个重要的问题是设备选 择问题,必须按信息产业部标准选择网络防雷器等防雷设备, 满足相应的国家标准。 3防雷设计案例 现有如图2所示的拓扑结构(主干网)的校园网络。共装 备两台核心交换机、两台路由交换机、3台路由器、网管工作 网 千兆光纤通道……- 千兆以太网一百兆以太网—— 图2校园网拓扑结构 _——2201-—— 维普资讯 http://www.cqvip.com

站、工作组服务器、防火墙、www、DNS、E—mail、FTP、VOD、 在综合布线系统中要注意以下几个方面的问题:①电源线路 不要与网络线路同槽架设,数据插座与电源插座保持一定距 离;②广域网线路不与局域网线路同槽架设;③网络线路沿墙 壁布置时,有条件应距离墙壁一定距离安装;④屏蔽槽要有足 够的厚度,并要求两点接地。 BBS和数据库等服务器;在各分机房放有若干台二级交换机, 分机房分布于各栋楼中,在各栋楼中分别有各信息点。该网 络处于广东省内(雷电高发区),是一个中型校园网络。 根据前面提出的防雷设计思想对这个计算机网络做防雷 设计。根据该校园网的特点,将电源系统作为一个防雷区域, 中心机房内网络设备部分作为第二个防雷区域,而各分机房 和用户终端作为第三个防雷区域。每一个防雷区域对应不用 的防雷级别,分别配备不同的防雷措施。具体分析如下。 3.6防雷设备的选择 根据所选用的网络设备和所处的环境的电气特点,估算 各电气参数,即估算电源的电压电流值和电磁场的大小,并结 合实际的其它电气特性,选择合适的网络防雷设备。 最后形成的整个网络的多级防雷和多区域防雷结构如图 3所示(局部示意图),图中只标识了电源和网络部分的防雷设 3.1电源系统防雷设计 (1)一级防雷:该校园网地处广东雷电高发区,虽然中心 机房所在大楼防雷系统较好,考虑到中心机房的重要性,必须 作电源一级防雷设计。在中心机房所在大楼总电源进线的配 电柜安装电源防雷模块,并联安装,并在总UPS处安装电源防 雷模块。对于各二级交换机的分机房的一级保护一般由分机 房所在的大楼的防雷系统保护,如果经检测该楼的防雷系统不 满足网络的要求,同样安装电源防雷模块,进行一级防雷保护。 (2)二级防雷:对于中心机房和各分机房的电源进线处的 配电柜内安装防雷器,做二级保护。在电源的配电柜的防雷 设计中要考虑电源的接线方式,常见的是三相五线和单相三 线制,则应选用相应的电源防雷箱,并联安装。 (3)三级防雷:在中心交换机和各二级交换机的电源输入 处安装插座式防雷器,作为电源的末级保护,在网管工作站和 防火墙等应用服务器群的电源输入处安装带网络保护功能的 插座式网络防雷器。 3.2网络线路防雷设计 (1)一级防雷:在中心机房的网络输入端安装网络专用防 雷器作线路一级保护。中心交换机和二级交换机是用光纤连 接,光纤防雷效果好,因此这部分的网络可不做线路一级防 雷设计。 (2)二级防雷:各二级交换机与HUB,PC机通过双绞线连 接,因此在各二级交换机的机柜内安装网络交换机专用防雷 器做线路二级防雷。 (3)三级防雷:各HUB和PC机采用带有网络保护的防雷 插座作线路三级防雷,这部分的防雷保护在电源部分三级防 雷中同时具备电源和线路的保护。 3.3网络屏蔽防雷设计 在设计中采用的屏蔽方法是在连接硬件外层包上金属屏 蔽层以滤除不必要的电磁波。采用金属网和管套等围起保护 网络设备,在主机房将所有的金属门窗与天花板龙骨多次连 接,将雷电形成的脉冲电磁场从空间入侵的通道阻隔开来,以 达到电磁屏蔽的目的。 3.4等电位与接地防雷设计 本设计考虑采用综合接地方式,即交流接地和安全工作 接地合二为一,与直流接地,防雷接地分别用3根接地引线引 至大楼的地面,再将它们与避雷地桩接成综合接地网,这样, 它们应有同样的电位,在发生雷击时便不会发生雷电反击而 损坏设备。 3.5综合布线防雷设计 在这部分的设计中可结合前面的线路设计来考虑,同时 ・——2202・—— 计,未标识网络屏蔽、等电位、接地处理和综合布线等部分的 防雷设计。多于这种多级防雷和分区域防雷的系统,可以有 效控制雷击产生的破坏作用,尽可能避免雷击事件的破坏,可 以尽量减少雷击破坏的影响范围。 匝 画 币 罨 — 亟 卤 D1防雷区 D2、D3、L1、L2防雷区::D3、L2、L3防雷区 备注:D1:电源一级防雷L1:线路一级防雷 D2:电源二级防雷L1:线路一级防雷 D3:电源三级防雷L1:线路一级防雷 图3分级防雷区域 根据以上6个步骤的防雷设计,对整个校园网络形成一 个安全的防雷体系,满足了该校园网络的防雷要求,并取得了 良好的效果。 4结束语 全文根据网络防雷的要求,进行防雷设计分析,根据雷电 对网络系统可能产生的破坏作用,提出了网络防雷设计的一 般步骤,并结合实例,设计了网络防雷安全的方案。在进一步 的研究工作中将研究网络防雷系统的最优化问题,争取更大 程度地完善网络防雷安全体系。 参考文献: [1】 计算机网络及监控系统【EB,0L].2005.http:llwww,cma—tpinfo. gov.cn:81/servlet/News?Node=830. 【2】 Alexander Kern,Frank Kriche1.Considerations about the light— ning protection system of mains independent renewable energy hybrid-systems—practical experiences[J].Journal ofElectrosta- tics,2004,60(3):257—263. 【3】Horvaht T.Standardization of lihgtning protection based on hte physics or on hte tradition[J].Journal ofElectrostatics,2004,60 (3):265—275. [4]SantosMD,Melliar-SmihtPM,MoserLE.Flow controlinthe high—speed thunder and lightning ATM network[J].Computer (下转第22lO页) 维普资讯 http://www.cqvip.com

汉语是一种分析型语言,因此,在根据汉语的特点构建适 tics,l 998,24:275-298. 合汉语分析的句法分析模型的同时,还需要根据模型的要求, 研究相应的汉语句法分析算法。在上述的句法分析方法中, 因为缺乏语义机器词典的有力支撑,所引入的语义知识的信 【3】 Collnsi,Michael John.A new statistical parser based on bigram lexical dependencies[C].ACL,1996.184.191. 【4】 Bod Rens,Ron Kapln.A adata-oriented approach lexical・func- itonal grammar[C].Eindhoven,Netherlands."Computational Lin- guisticsintheNetherlands,l996. 息有限,而且语义分析只是句法分析方法中的用于消歧的一 种辅助分析手段,另外由于对汉语句法规则集进行总结归纳 工作的复杂性,而且大批语料的标注需要耗费大量的人力和 【5】 Collions,Michael John.Three generative lexicalized models ofr statistical parsing[C].ACL,1997.16-23. 【6】 Magerman,David M.Statistical decision-tree models for par- sing[C】.ACL,1 995.276・283. 财力。在某些情况下,难以避免时间、空间的组合爆炸。这些 都大大制约了汉语句法分析算法的分析效果。 另外,目前的自然语言处理研究不管是采用统计方法还 是采用规则方法,都离不开语料库这一基础资源。国外许多 研究机构花费大量的人力物力去构造规模更大、分布更广而 且加工深度更深的语料库。从2O世纪6O年代的lo0万词次 [7 Goodma7]n,Joshua.Parsing algorithms nd meatircs[c】.ACL, l996.177一l83. 【8】 Chamiak,Eugene.Statistical parsng iwith a context-if'ee gram- mar nd aword statistics[A】.Proceedings of the Fourteenth Na- tional Conference on Artiifcial Intelligence(AAAI’97)[C】.1 997. 598—603. 的Brown语料库,到2O世纪7O、8O年代的两千万次的Birming・ ham语料库,一直到今天很容易收集到的几亿甚至数十亿次 规模的样本语料库。同时在英文中出现了百万词次规模的树 库Treebank语料库等,这些都极大地推动了英语在这方面的 研究。但汉语自身灵活的特点使得语料库在标注体系的标准 化、系统化和加工深度等方面存在着困难。这是制约汉语进 行统计句法分析的一个很大的瓶颈。目前对汉语句法分析的 【9】 Ratnaparkhi,Adwait.A lniear observed time sattistical parser based on maximum entropy models[C].Providence,Rhode Is- land:EMNLp Brown University,1997.1-10. [10】Chamiak,Eugene.A maximum—entropy-inspired parser[A】. Proceedings ofNAACL[C】.2000.132.139. 【ll】Collions,Michael John.Discriminative reranking for natural lngauage parsing[A].Proceedings of het Seventeenth Interna— tional Conference on Machine Leaming(ICML2000)[C].2000. [12】Collnsi,Michael John.Head—driven sattisticalmodelsfornatural lngauage parsnig[D].Universiyt ofPennsylvania,1999. 研究通常都局限在一个较小的熟语料规模下;同时,汉语缺乏 一个像英语PennTreebank那样的标准语料也为各种汉语基于 统计的句法分析方法的性能比较带来了困难。所以要想真正 提高汉语信息处理的水平,增加句法分析器的鲁棒性,必须首 先开发大规模、高质量标注、深层次加工且多种信息能够共享 的汉语熟语料库。此外还要不断更新和增加汉语词典的含词 容量,采用更加有效的数据平滑算法,以减少数据稀疏问题。 汉语的分析过程是一个语法知识、语义知识以及常识性 [13】周明,黄昌宁,张敏,等.统计与规则并举的汉语句法分析模型 [J].计算机研究与发展,1994,3l(2):40-49. [14】周强,黄昌宁.基于局部优先的汉语句法分析方法[J].软件学 报,1999,lO(1):1-6. 知识共用的过程。如何在语料中表示句子中蕴涵的复杂知识, 如何使用机器学习的方法获取这些复杂的不同层次的知识, 并把它应用于汉语句法分析将是一个热点问题。通过知识工 程师书写包含语义、语言学常识等的规则,将这些规则与基于 统计的分析方法结合将成为汉语句法分析研究的趋势。 [15】张珥杰,朱靖波,张跃,等.基于DOP的汉语句法分析技术[J]. 中文信息学报,1999,14(1):13.21. [16】孟遥.基于最大熵的全局寻优的汉语句法分析模型和算法研 究[D】.哈尔滨工业大学,2003. 【17】Hao Zhang,Oun Liu,Kevin Zhang,et a1.Statistical Chinese par- ser ICTPROP【EB,0L].http.'//www,nip.org.cn/. 【18】WangxingChe,aTingLiu,ShengLi.AnewChinesenaturalln-a uage understganding architecture based on multilayer search 参考文献: 【l】 Chelba,Ciprian,Frederick Jelinek.Exploiitng syntactic struc- ture for language modeling[C].ACL.1998.225—23 1. 【2】 Caraballo,Sharon A,Eugene Chamiak.New ifgures ofmerit for best-fist probabilistic chart parsing[J】.Computational Linguis- mechanism[Z].Harbin Institute ofTechnology,2003.1-7. (上接第2202页) Communications,2000,23(1 0):928—935. [8】 刘晓辉.管理监控网络系统的防雷设计[J].无线电工程,2003, 33(1):55.57. [5 余济临.5】计算机网络的防雷措旖[J】.通信电源技术,2004,21(2): 39_4O. [9】 黄敏,张卫东.校园网防雷系统设计与应用[J].计算机应用研 究,2002(9):l32-l33. [6】 刘宁,梁京章,伍一坤.实用有效的校园网防雷方案[J].广西大 学学报(自然科学版),2004,29(增刊):77.79. [10】GB 50057—94.建筑物防雷设计规范[s】. [1 l】GB9361—88.计算机场地安全要求[s】. [12】GB50174.93.电子计算机机房设计规范[s】. 【7】 吴双全,胡红一.校园网防雷及其解决方法初探[J].教育信息 化,2003,(3):36-37. ・——2210・—— 

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