云南電力調度數據網研究

陳然

(云南電力調度控制中心，昆明 650011)

云南電力調度數據網研究

陳然

(云南電力調度控制中心，昆明 650011)

介紹由于不同電力調度業務的重要性以及對傳輸的實時性要求不同，電力調度數據網在數據傳輸過程中要能控制各類業務的帶寬占用，優先保證重要業務的傳輸。本文結合云南電力調度數據網的組網特性和不同調度業務的特點，對IP網絡中常用的QoS(服務質量)技術進行了研究和討論，并提出了實用技術方案。

調度數據網；MPLS VPN；服務質量

0 前言

電力調度數據網中的IP分組交換技術帶來了極大的組網靈活性，相比起傳統的電路交換，鏈路帶寬利用率也得到了很大的提升。由于IP網絡與生俱來的報文轉發特性所承載業務的 QoS (Quality of Service，服務質量)難以得到保證。

云南電力調度數據網中絕大部分接入層站點的上聯帶寬均為2 M，而需要傳輸的調度生產業務包括了6～7種，帶寬壓力比較大。一旦同一站點多個業務并發傳輸，將可能出現突發的帶寬需求，導致網絡擁塞。這時如果不采取一定的措施，保證實時性要求高的業務 (如調度自動化業務)優先傳輸，將造成省調主站無法及時采集該廠站數據，導致調度失去對該廠站的監控。因此，在云南電力調度數據網中采用適當的QoS技術是非常必要的。

1 IP QoS技術與應用方案

文中僅討論DiffServ(Differentiated Services，差分服務)[3]服務模型下的IP QoS技術，IntServ服務模型相關技術由于不在調度數據網中使用，此處不做討論。

1.1 IP QoS技術研究

常見的IP QoS技術包括：流量分類與標記、流量監管、擁塞管理、擁塞避免以及流量整形。其中流量分類和標記是基礎，是有區別地實施服務的前提；而其他QoS技術則從不同方面對網絡流量及其分配的資源實施控制。網絡設備對QoS的支持是通過結合各種QoS技術來實現的，如圖1所示。

圖1 各QoS技術在同一網絡設備中的處理順序

1.1.1 流量分類和標記

流量分類可以使用IP報頭的ToS(Type of Service，服務類型)字段的優先級位即 DSCP (Differentiated Services Code point，差分服務編碼點)值，MPLS網絡可使用MPLS標簽內的EXP字段值，識別出有不同優先級特征的流量；也可以由網絡管理員設置流量分類的策略，例如綜合源地址、目的地址、IP協議或應用程序的端口號等信息對流進行分類。

Diff-Serv網絡主要定義了三類流量，設備可根據優先級對報文執行相應的動作：

·EF(Expedited Forwarding，加速轉發)類，適用于有低時延、低丟包率、低抖動、高帶寬需求的優先業務；

·AF(Assured Forwarding，確保轉發)類，此類業務在沒有超過最大允許帶寬時能夠確保轉發，其優先級低于EF類；

·BE(Best Effort，盡力轉發)類，沒有任何保證，主要用于對時延、抖動和丟包不敏感的業務。現有IP網絡流量默認為此類。

對于MPLS網絡，EXP優先級與DSCP優先級有對應關系，如EF類對應EXP的 “5”。

1.1.2 擁塞管理

當分組到達的速度大于接口發送分組的速度時，在該接口處就會產生擁塞。擁塞管理是指在網絡發生擁塞時使用隊列技術進行管理和控制。常用的隊列技術有FIFO(先入先出)、PQ(優先隊列)、WFQ(加權公平隊列)、CBWFQ(基于類的加權公平隊列)等。

FIFO按報文到達接口的先后順序讓報文入隊和出隊，不能保證重要業務QoS。

PQ根據流量分類，可將數據流劃入4個優先級隊列：高、中、正常和低。在報文出隊時，嚴格按照優先級順序。PQ雖然保證了高優先級業務數據的絕對優先轉發權，卻可能出現低優先級業務完全得不到帶寬的現象，因此這種隊列適用于實時視頻、語音等業務的QoS保障，卻不適用于電力調度業務。電力調度業務需要在能兼顧到所有業務傳輸公平性的前提下，優先轉發更重要的、實時性要求更高的業務。

WFQ根據流量分類將不同的數據流劃入不同的優先級隊列。在出隊時，WFQ按流的優先權來分配每個流應占有出口的帶寬。WFQ有效的解決了PQ的公平性問題，但是不太適用于實時性較為敏感的業務。

CBWFQ對流量進行分類，按照優先級遞減的順序，分為：EF隊列、AF隊列、BE隊列。EF和AF隊列都可自定義一個預留帶寬，在入隊之前需對報文進行帶寬限制的檢查，如果超過設定的限額，將以某種策略丟棄新入報文。這與PQ不同，對于高優先級隊列有觸頂限制。出隊列時，將首先發送高優先隊列中的報文，直到發送完后才發送低優先級隊列的報文。沒有匹配進EF和AF隊列的數據流會默認進入BE隊列，該隊列中采用基于流的WFQ進行調度。

1.1.3 擁塞避免

擁塞避免監督網絡資源的使用情況，當發現擁塞有加劇的趨勢時采取主動丟棄報文的策略，通過調整流量來解除網絡的過載，通常作用在接口出方向。

通常有2種可選的丟包策略：Tail-Drop(尾部丟棄)和WRED[4](加權隨機早期檢測)。Tail -Drop策略可能引發TCP全局同步現象。WRED通過隨機丟包的機制，可以避免TCP全局同步問題。

1.1.4 流量整形

一種主動調整流的輸出速率的流控措施，是為了使流量適配下游設備可供給的網絡資源，避免不必要的報文丟棄和擁塞，通常作用在接口出方向。GTS(通用流量整形)使用緩沖區和令牌桶技術實現，當報文的發送速度過快時，首先在緩沖區進行緩存，在令牌桶的控制下，再均勻地發送這些被緩沖的報文，處理過程如圖2所示。

圖2 GTS處理過程

2 應用實例

綜合以上對調度數據網組網技術、業務特點，以及各種QoS技術的分析，提出了以下針對云南電力調度數據網的QoS技術方案。技術方案的框架如圖3所示：

圖3 云南電力調度數據網QoS技術方案框架圖

2.1 控制的目標和側重點

由于調度數據網主要帶寬瓶頸位于每個站點上聯至匯聚路由器的鏈路，因此QoS方案主要以這類鏈路涉及到的端口為控制目標，包括接入層路由器的上聯端口、匯聚路由器的下聯端口。

在設計QoS方案時，對于不同方向數據流需分別考慮。調度數據網傳輸的數據主要是對各廠站的采集數據，因此絕大部分數據流的傳輸方向是從各廠站至省調、地調 (簡稱上行數據流)；反向的傳輸數據主要是調度中心主站下發的一些控制指令、召喚指令等 (簡稱下行數據流)，數據量很小。這與運營商的網絡特點不同，QoS方案應側重布置在廠站數據上傳至省調的方向。

2.2 基于MPLS-VPN的流量分類和標記

調度數據網為安全Ⅰ區的業務構建了 “實時VPN”，為安全Ⅱ區的業務構建了 “非實時VPN”，兩個VPN在交換機層面物理隔離，在路由器層面邏輯隔離。由于在傳輸時已經根據重要性和實時性對業務類別做了劃分，因此只需按照VPN的分法進行流量分類并標記IP DSCP值和MPLS EXP值即可。

簡單的，可以將實時VPN中的業務劃入EF類，保證其轉發的高優先級和實時性，非實時VPN中的業務默認劃入BE類。

流量分類和標記需要在廠站端接入層路由器下聯交換機的接口的入方向上進行。識別出實時VPN數據，并標記其報文的 IP DSCP值為“EF”，設置MPLS EXP值為 “5”。

2.3 基于CBWFQ隊列技術的擁塞管理方案

通過對擁塞管理多種隊列技術的分析，CBWFQ非常適合調度數據網中上行數據流的QoS保障，它既能確保EF類數據的實時傳輸，又能限制其無限制的占用帶寬，兼顧了BE類數據的公平性。

按照業務重要性，可為 EF類隊列的實時VPN數據設置80%的最大預留帶寬。CBWFQ技術中，只要EF類隊列中有數據，就優先發送EF類隊列的數據，最大預留帶寬實際上是EF類隊列速率的上限，超過80%的帶寬，新到的EF類數據將被丟棄。這意味著，在接口發生擁塞的情況下，只要實時VPN數據的帶寬占用小于80%，就能保證其得到實時優先的轉發。

BE類隊列的非實時VPN數據使用除EF類隊列占用外的實際剩余帶寬傳輸，出現擁塞時，其至少可以保證20%的帶寬。在BE類隊列內，使用WFQ進行調度，保證不同非實時業務之間的公平傳輸。

擁塞管理的配置，需在廠站端接入層路由器的廣域網接口的出方向上進行。

2.4 擁塞避免

CBWFQ隊列技術中也用到了擁塞避免的技術。由于EF類隊列實時性需求高、業務數量少，并不需要WRED算法的提前、隨機丟包機制，因此使用Tail-Drop策略丟棄超過最大預留帶寬的流量數據較為合適。對于BE類隊列，由于非實時業務種類多，而且大多都是基于TCP協議實現，如果使用默認的Tail-Drop丟包策略，很可能在擁塞時發生TCP全局同步的問題，因此應將BE類隊列的擁塞避免丟包策略配置為WRED算法。

2.5 對下行流量的流量整形

對于使用了擁塞管理和擁塞避免技術的上行數據流，已能保障其QoS，不需要額外使用流量監管或流量整形技術。但對于下行數據流，由于流量小，沒必要進行CBWFQ這樣的復雜QoS控制，只需在匯聚層路由器的下行端口處做GTS流量整形，使下行數據流量能適配廠站端的低速帶寬即可。

3 結束語

文中通過分析IP網絡中廣泛使用的各種QoS技術，提出了適用于云南電力調度數據網的技術方案。未來可引入HQoS(分層QoS)技術對同一VPN內的不同業務進行精細化的QoS控制，有待進一步研究。

[1] 陳然，劉宇明.MPLS-VPN在電力調度數據網中的應用[J].云南電力技術，2011，39(5)：25-27.

[2] RFC 2547，BGP/MPLS VPNs[S].

[3] RFC 2474，Definition of the Differentiated Services Field(DS Field)in the IPv4 and IPv6 Headers[S].

[4] 王瑤，張捷，孫致益.WRED在邊緣路由設備的應用及驗證 [J].科學技術與工程，2007，7(6)：1085-1088.

Research on QoS Technique in Yunnan Electric Power Dispatching Data Network

CHEN Ran
(Yunnan Electric Power Dispatching and Control Center，Kunming 650011)

As the importance and requirement for real-time transmission are different among various electric power dispatching operation systems，it is a necessity that the Electric Power Dispatching Data Network should be able to control the bandwidth occupied by different operation systems in data transfer process to ensure the communication priority of important ones.In this paper，we considered both the features of Yunnan Electric Power Dispatching Data Network and characteristics of different operation systems，researched and discussed QoS(Quality of Service)techniques commonly used in IP network，and then gave practical solutions.

electric power dispatching data network；MPLS VPN；QoS

TM73

B

1006-7345(2014)05-0016-04

2014-04-09

陳然 (1983)，男，碩士，工程師，云南電力調度控制中心，從事調度數據網、調度自動化系統運行與維護方面研究工作 (email)crandy＠foxmail.com。