电力分组传送网QoS保障技术

电力分组传送网QoS保障技术
摘要：电力大部分业务均采用了分组化传输，ptn分组传送网融合了sdh网络和ip网络各自的优势，已经成为电力通信系统网络宽带化、业务ip化和多元化的重要通信方式。

针对电力生产控制要求高可靠性、低时延特性要求，文章分析了ptn网络的qos网络保障架构，借鉴ason技术，建立了传送平面、管理平面、控制平面三个平面。

并从流量控制和传输路由两个方面论证了ptn的qos 保障体系。

根据流量从进入网络到出网络各个阶段，实现流分类、流量管理、拥塞管理、队列调度等流量控制机制。

最后阐述了面向连接的路由控制过程。

关键词：分组传送网；qos保障；流量控制；路由控制
中图分类号：tn915.02 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）16-0210-04
0 引言
电力通信网承载了电力系统各种具体的业务，是电力系统稳定可靠运行的基础保障设施。

电力通信网承载的电力业务主要包括以下六类[1]：电力自动化类业务、安稳保护类业务、语音类业务、电视电话会议类业务、企业管理类业务、视频监控类业务。

这六类业务要求传送的信息包括低速数据、实时数据、数据文件、语音、可视图文、视频流等多种通信业务，每种业务有不同要求。

在这六类业务中，除了安稳保护类业务因电力应用特殊性，对实时性、可靠性要求严格，主要采用tdm方式进行传输外，其他类的业务将来趋
势都将采用ip分组化方式进行传送。

目前电力通信网主要sdh技术组网[2-3]，虽然sdh网络通过mstp 技术支持ip业务传输，但其基于帧交换内核通过封装协议实现以太网承载，效率不高，网络灵活性差，无法满足大流量、突发性为特征的分组化传送的要求。

路由器、交换机传送技术虽然是针对分组传输特性设计的，但因其缺乏有效的监管手段、无连接的业务特性、缺乏有效的保护手段，因此，也难以扩展到电力的多种应用中。

分组传输网（ptn）技术融合了传统传送网和分组网络各自的优势，支持多种基于分组交换业务的双向点对点连接通道，具备快速的故障定位、故障管理和性能管理等丰富的操作管理维护（oam），支持快速的保护倒换；具有统计复用功能，支持突发性要求的分组数据传输。

在电力通信网，逐渐尝试采用ptn技术[4-8]。

文献4
提出了ptn应用于电力通信的构想，文献5提出了ptn在电力应用中的组网模式；文献6提出ptn在电力应用中的演进过程。

1 ptn qos网络保障架构
ptn是以分组业务为核心的多业务交换技术，其传输的核心是分组交换。

分组数据的特性是业务数据量呈泊松分布，数据流量具有突发特性，采用无连接方式进行传输，与sdh技术比较更适合于统计复用传送场合。

但是这种方式容易造成网络中部分链路空闲或利用率不高，而另一部分链路则发生拥塞，这主要是由于数据业务流汇聚到同一链路或同一个节点的相同端口引起的，因而导致流量在网络中分布不均衡，数据业务流不能够正常、可靠的传输。

由于电
力生产控制要求，大量的业务状态信息、控制命令，要求具有很高的可靠性，又要求具有严格的延时特性[9]。

因此，ptn技术若要在电力系统中进行应用，必须能够提供与sdh类似的可靠的传送机制，即要求提供符合要求的端到端的qos服务保障。

为此，ptn借鉴ason技术，建立了传送平面、管理平面、控制平面的qos网络保障架构。

（如图1所示）
1.1 传送平面：实现对ptn接口的业务适配、操作管理维护（oam）报文的转发和处理、业务报文的分组标签转发和交换、网络保护、业务的服务质量（qos）处理、同步信息的处理和传送以及nni接口的线路适配等功能。

主要包括流分类和流标记、队列和调度、流量监管、拥塞管理、拥塞避免、流量整形、连接运行等模块。

1.2 控制平面：完成处理业务流量经过的路径。

包括资源的发现、通告、预留、调度，路由的选择、监视，主要包括路由、信令、资源控制等模块。

1.3 管理平面：实现通道路由、故障管理、网元级和子网级的拓扑管理及状态监视、通路路由、配置管理、性能管理和安全管理等功能。

可以将qos网络保障构架功能模块细化到一个网络节点，如流分类、队列等；或者细化到一个网段，如qos路由等。

对于后者将无论这个网段是端到端、端到边、边到边还是网络到网络，要想实现网段必须在网络节点之间有信令。

在此架构下，业务qos服务保障技术手段主要是源节点到目的节
点间采用业务流量控制和业务路由控制，以便有效地管理控制好网络中流量而不导致网络出现堵塞，提高网络中的业务数据流的传输可靠性、服务质量及网络中资源的有效利用率。

2 ptn 流量控制技术
ptn网络的服务质量是指针对网络中各种业务的不同需求，为其提供不同的服务质量保证。

其最主要的手段就是对进入ptn网络的流量进行控制，功能模型如图2所示。

对网络中的各种业务提供如丢包率、延迟、抖动以及宽带等不同的服务质量保证以实现同时承载数据、语言和视频业务的综合机制是流量控制功能的目的。

其功能模型主要包括流分类和流标记、流量监管、队列调度、拥塞管理、拥塞避免、流量整形、连接允许功能等，按照部署位置，可分为uni（用户网络接口）侧功能和nni （网络结点接口）侧功能。

2.1 流分类流分类首先对进入ptn网络的包进行包标记。

根据服务级别的不同包被标记，这样在网络中就可以以单包的形式被接收。

一般包标记位于入口，分类依据是端口或协议，依据协议在包头某个域设置一个值（如ip头中的tos域，mpl包头中的exp域、pw、mac、vlan id等及其组合）。

然后对该包进行分类，通过解析包头多个域，决定这个包属于哪个聚集和服务等级协定。

流分类算法核心是构建一个范围集合，其每个域由一个规则类型映射得到，构成了包含多个规则的数据结构。

在流分类时，其特征由多个数据项来表示。

数据分类相当于对包含多项数据的数据包对
规则库中的每个域进行匹配，查找最佳匹配规则。

2.2 流量监管通过对业务流进行速度限制来实现流量监管，为了保护资源，通过监督进入网络的某一个流量的规格将其限制在合理的范围之内或者对超出的流量的部分进行惩罚。

流量监管可以通过丢弃报文或重新设置报文的优先级处理某个连接的超标流量。

流量监管过程如图3所示。

设令牌桶的最大尺寸为mbs，sir为令牌桶产生令牌的速率。

在0时刻，令牌桶是满的，即令牌数目tc（0）=mbs。

在时刻t，当一个尺寸为b字节的分组pk达到时：tc（t）大于等于b，评估结果表示“符合”，则pk分组可以继续发送，调整tc（t）令牌数目，tc（t）=tc（t）-b；如果tc（t）小于b，评估结果为“不符合”，表示pk分组无法发送，丢弃pk分组。

为提供服务优先级功能，对评估结果为“符合”的分组，可将他的标记改为其他的优先级后再进行转发。

2.3 流量整形流量整形是主动调整流量输出速率的常用措施，为了减少由于突发流量导致的下游网元丢包的现象，一般都过分组缓冲超出流量的约定并适时发送缓冲的分组从而达到均匀发送报
文的目的。

与流量监管最大的区别就是流量整形是将流量监管中需要丢弃的报文放入到他们的缓冲区或队列中。

（如图4所示）
2.4 拥塞管理一般采用队列技术进行拥塞管理，其主要用来监控网络负载，预见并避免拥塞的发生。

使用一个队列算法对流量进行分类，之后采用某种优先级别算法将这些流量发送出去。

每种队
列算法都严重的影响宽带资源的分配、延迟、抖动等，主要用来解决特定的网络流量问题。

2.5 拥塞避免当链路宽带和缓冲空间不足时即网络符合超过网络的承载能力时就会发生拥塞。

导致流量或非常严重的拥塞主要由于丢包引入重发导致的，而导致丢包的原因则是路由器或减缓及的一直处于满队队列。

避免拥塞主要是通过丢包技术来实现的。

一个典型的拥塞避免机制是，当要发生拥塞时减少进入网络的流量，除非有一个明确的指示，否则丢包或者生存期满都被认为是网络拥塞的标志。

这就使允许更高优先级的流量继续得到正常的服务。

当拥塞减弱时，发送者就可以适量增大发送流量了。

可以通过检测线路输出端口队列的平均长度来检测是否发生拥塞，如果发生拥塞，为了避免全局同步以及缓解网络拥塞，应当就近丢弃数据包以方便通知源端减小拥塞窗口来降低发送数据的速率。

丢弃数据包的方式可采用丢弃新到达的包的“尾丢弃”法、丢弃队列头的包而保留新到达的包的“头丢弃”法，这种方式不区分报文丢弃级别，以固定方式丢弃报文。

在电力应用中，为保证不同业务的qos，可以通过感知报文的丢弃优先级，基于不同的丢弃优先级给报文设定丢弃高、低门限和丢弃概率，从而对不同丢弃优先级的报文提供不同的丢弃特性。

2.6 队列调度队列调度目的是对不同优先级的报文进行分级处理，优先级高的会得到优先发送，以提供不同业务的qos保证。

队列调度一般方法包括先进先出（fifo）队列、严格优先级sp
（strict-priority）队列、加权轮询wrr（weighted round robin）队列和加权公平队列（weighted fair queuing）。

fifo队列调度对所有业务统一对待，没有区分服务，是一种默认服务，qos服务质量低。

sp优先队列将出口按服务等级分类。

在队列调度时，严格按照优先级从高到低的次序优先发送较高优先级队列中的分组，只有当较高优先级队列为空时，再发送较低优先级队列中的分组。

wrr队列包含多个队列，用户可以定制各个队列的权重、百分比或字节计数，wrr按用户设定的参数进行加权轮询调度。

同时，可融合sp算法，可对wrr优先级队列组设置优先级，进行队列调度时，首先在优先级队列组1中进行轮询调度；优先级队列组1中没有报文发送时，设备才在优先级队列组2中进行轮询调度。

这样，再考虑发送权重时依然保证了优先等级。

wfq在每个队列获得公平的调度机会，即轮询调度的基础上，在计算报文调度次序时增加了优先权方面的考虑。

从统计上，wfq使高优先权的报文获得优先调度的机会多于低优先权的报文。

wfq能够按流的“会话”信息（协议类型、源和目的tcp或udp端口号、源和目的ip地址、tos域中的优先级位等）自动进行流分类，并且尽可能多地提供队列，以将每个流均匀地放入不同队列中，从而在总体上均衡各个流的延迟。

在出队的时候，wfq可以按照流的优先级来分配每个流应占有出口的带宽。

优先级的数值越小，所得的带宽越少。

优先级的数值越大，所得的带宽越多。

3 ptn 路由控制技术
不同服务质量要求的分组数据在经过ptn流程控制处理后，基本保证了高优先服务等级的数据优先传送，但从端到端的角度，要解决分组传送固有的突发流量、动态路由、变化的时延与抖动等影响，ptn引入了面向连接的路由控制t-mpls技术，增强了分组业务的业务可扩展性、端到端的qos、高效的业务调度机制。

t-mpls数据转发面是mpls的一个子集，其数据是基于t-mpls标签进行转发的。

标签转发网络由入口处的标签边缘路由器ler （label edge router）和网络内部的标签交换路由器lsr（label switch router）构成。

当数据流进入标签交换网络时，入口标签交换边缘路由器ler（label edge router）首先将数据流映射到某个转发等价类fec（forward equal class），即网络中沿相同路径进行转发的一类分组的集合，并为每个分组加上固定长度的短标签。

之后数据转发就是沿着由一系列lsr构成的标签交换路径lsp 进行传送，lsr根据分组所携带的标签进行交换式转发。

ptn路由控制技术就是依据网络状态维护lsp，并进行数据转发，其实现框架如图5所示，分成信息发布、路径选择、lsp建立、数据转发四个阶段。

3.1 信息发布信息发布功能通过对现有的igp进行扩展，来发布网络拓扑、最大链路带宽、最大可预留带宽、当前预留带宽、当前链路流量等链路状态信息。

在每个路由器上维护网络的链路属性和拓扑属性，并泛洪形成流量状态数据库（tedb），利用tedb，通
过路由算法计算出以自己为根节点的、满足各种约束的到目的网络的路径。

3.2 路径选择根据tedb，计算符合带宽、颜色、抢占/保持优先级、显示路径等约束条件的路径。

在计算路径时，不仅考虑最短路径，同时将特定的约束也考虑进去。

路径计算的具体过程为：
①通过对比tedb中的每一个链路裁剪不满足宽带和颜色等要求的链路。

②剪切以后的拓扑为了得到一条满足lsp约束条件的最短路径一般采用最短路径算法即spf算法。

③当存在多条路径时应当选择跳数最少的路径。

④如果仍有多条路径，根据配置的负载分担策略进行选择。

3.3 lsp建立通过信令协议将选择好的路径明确的传到下游节点，沿着路径中的lsr建立te隧道，然后将需要进入这个隧道的ip包在隧道入节点打上相应的t-mpls标签，一直沿着隧道进行转发，一直到大隧道的出口。

具体过程为：
①根据te隧道配置的约束在te头节点上制定路径、宽带约束、链路着色等条件lsp隧道所要经过的路径path。

②te头节点产生携带相应带宽预留信息和路径信息的path消息，依计算的路径向te尾节点发送。

path消息经过的lsr，都依据path 消息生成路径状态。

③te尾节点收到path消息后，产生携带预留信息和标签的rsev 消息，沿path消息发送的相反路径逐跳返回te头节点。

同时，在
沿途的lsr上预留资源，并生成预留状态，生成标签交换路径。

④te头收到resv消息时，lsp建立成功。

沿途的lsr为该lsp
分配一定的资源，可以使在此lsp上传送的业务得到保证。

3.4 数据转发 lsp建立后，流量就会在lsp的入口节点根据分配好的标签通过这条lsp进行转发。

对应到相同标签的报文集合为一个fec。

属于相同fec的报文在mpls网络中将获得完全相同的处理，即通过同一隧道转发。

数字转发策略有静态路由指定、策略路由指定和自动路由发布三种方式。

静态路由指定，是在te头节点定义一条到达目的网络地址的静态路由，然后把流量引入到te隧道上进行转发。

策略路由指定是指在te头节点通过acl（access control list）匹配需要从te隧道转发的流量，并定义策略路由；如果匹配该流量，则将下一跳的接口指向te隧道的入接口，并应用策略路由，实现通过te隧道转发。

自动路由发布是指将te隧道的接口发布到igp路由中，参与路由的计算，在路由表中体现为通过隧道路由到达隧道末端。

这样，到达隧道末端的流量都会通过te隧道转发。

4 结束语
ptn通过流量控制和路由控制技术，继承了sdh传输高可用性、可靠性、高效的业务调度机制，可在电力通信网中实现了区分服务，明显的改善了数据流的特性，提高了缓存使用率，降低了延迟，保证了业务带宽和性能等qos指标。

但要在安稳保护类业务中推广应用，还需要提高ptn网络的快速保护倒换能力，满足电力保护业务
单向通道时延小于12ms、双向时延差一致、保护倒换时间小于50ms 能要求。

参考文献：
[1]赵子岩，刘建明.基于业务风险均衡度的电力通信网可靠性评估算法[j].电网技术，2011，35（10）：209-213.
[2]曹惠彬.国家电网公司“十二五”通信网规划综述[j].电力系统通信，2011，32（223）：1-6.
[3]吴小辰.南方电网“十二五”电力通信发展规划综述[j].电力系统通信，2011，32（223）：7-9.
[4]贾小铁，雷学义等.ptn为智能电网提供理想的信息通信平台[j].电力系统通信，2010，31（213）：20-23.
[5]于晓东，刘卫华.下一代光传送技术在电力通信网中的应用[j].电力系统通信，2010，31（216）：21-24.
[6]彭波涛.ptn技术在电力通信网中的应用探讨[j].电力技术，2010，19（9）：20-21.
[7]陈志佳，吴斌.ptn技术在上海电力城域网中的应用前景[j].华东电力，201l，39（3）：501—504.
[8]郑文斌.ptn技术在电力传输网中的应用研究[j].电信网技术，2010，4：47-50.
[9]熊小伏，吴玲燕，陈星田.满足广域保护通信可靠性和延时要求的路由选择方法[j].电力系统自动化，2011，35（3）：44-48.。