陳然

(云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011)

云南電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)研究

陳然

(云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011)

介紹由于不同電力調(diào)度業(yè)務(wù)的重要性以及對(duì)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求不同，電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中要能控制各類業(yè)務(wù)的帶寬占用，優(yōu)先保證重要業(yè)務(wù)的傳輸。本文結(jié)合云南電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的組網(wǎng)特性和不同調(diào)度業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)中常用的QoS(服務(wù)質(zhì)量)技術(shù)進(jìn)行了研究和討論，并提出了實(shí)用技術(shù)方案。

調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)；MPLS VPN；服務(wù)質(zhì)量

0 前言

電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)中的IP分組交換技術(shù)帶來了極大的組網(wǎng)靈活性，相比起傳統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)與生俱來的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)特性所承載業(yè)務(wù)的 QoS (Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)難以得到保證。

云南電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)中絕大部分接入層站點(diǎn)的上聯(lián)帶寬均為2 M，而需要傳輸?shù)恼{(diào)度生產(chǎn)業(yè)務(wù)包括了6～7種，帶寬壓力比較大。一旦同一站點(diǎn)多個(gè)業(yè)務(wù)并發(fā)傳輸，將可能出現(xiàn)突發(fā)的帶寬需求，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。這時(shí)如果不采取一定的措施，保證實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù) (如調(diào)度自動(dòng)化業(yè)務(wù))優(yōu)先傳輸，將造成省調(diào)主站無法及時(shí)采集該廠站數(shù)據(jù)，導(dǎo)致調(diào)度失去對(duì)該廠站的監(jiān)控。因此，在云南電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)中采用適當(dāng)?shù)腝oS技術(shù)是非常必要的。

1 IP QoS技術(shù)與應(yīng)用方案

文中僅討論DiffServ(Differentiated Services，差分服務(wù))[3]服務(wù)模型下的IP QoS技術(shù)，IntServ服務(wù)模型相關(guān)技術(shù)由于不在調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)中使用，此處不做討論。

1.1 IP QoS技術(shù)研究

常見的IP QoS技術(shù)包括：流量分類與標(biāo)記、流量監(jiān)管、擁塞管理、擁塞避免以及流量整形。其中流量分類和標(biāo)記是基礎(chǔ)，是有區(qū)別地實(shí)施服務(wù)的前提；而其他QoS技術(shù)則從不同方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量及其分配的資源實(shí)施控制。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)QoS的支持是通過結(jié)合各種QoS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。

圖1 各QoS技術(shù)在同一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的處理順序

1.1.1 流量分類和標(biāo)記

流量分類可以使用IP報(bào)頭的ToS(Type of Service，服務(wù)類型)字段的優(yōu)先級(jí)位即 DSCP (Differentiated Services Code point，差分服務(wù)編碼點(diǎn))值，MPLS網(wǎng)絡(luò)可使用MPLS標(biāo)簽內(nèi)的EXP字段值，識(shí)別出有不同優(yōu)先級(jí)特征的流量；也可以由網(wǎng)絡(luò)管理員設(shè)置流量分類的策略，例如綜合源地址、目的地址、IP協(xié)議或應(yīng)用程序的端口號(hào)等信息對(duì)流進(jìn)行分類。

Diff-Serv網(wǎng)絡(luò)主要定義了三類流量，設(shè)備可根據(jù)優(yōu)先級(jí)對(duì)報(bào)文執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作：

·EF(Expedited Forwarding，加速轉(zhuǎn)發(fā))類，適用于有低時(shí)延、低丟包率、低抖動(dòng)、高帶寬需求的優(yōu)先業(yè)務(wù)；

·AF(Assured Forwarding，確保轉(zhuǎn)發(fā))類，此類業(yè)務(wù)在沒有超過最大允許帶寬時(shí)能夠確保轉(zhuǎn)發(fā)，其優(yōu)先級(jí)低于EF類；

·BE(Best Effort，盡力轉(zhuǎn)發(fā))類，沒有任何保證，主要用于對(duì)時(shí)延、抖動(dòng)和丟包不敏感的業(yè)務(wù)?，F(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)流量默認(rèn)為此類。

對(duì)于MPLS網(wǎng)絡(luò)，EXP優(yōu)先級(jí)與DSCP優(yōu)先級(jí)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，如EF類對(duì)應(yīng)EXP的 “5”。

1.1.2 擁塞管理

當(dāng)分組到達(dá)的速度大于接口發(fā)送分組的速度時(shí)，在該接口處就會(huì)產(chǎn)生擁塞。擁塞管理是指在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)使用隊(duì)列技術(shù)進(jìn)行管理和控制。常用的隊(duì)列技術(shù)有FIFO(先入先出)、PQ(優(yōu)先隊(duì)列)、WFQ(加權(quán)公平隊(duì)列)、CBWFQ(基于類的加權(quán)公平隊(duì)列)等。

FIFO按報(bào)文到達(dá)接口的先后順序讓報(bào)文入隊(duì)和出隊(duì)，不能保證重要業(yè)務(wù)QoS。

PQ根據(jù)流量分類，可將數(shù)據(jù)流劃入4個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列：高、中、正常和低。在報(bào)文出隊(duì)時(shí)，嚴(yán)格按照優(yōu)先級(jí)順序。PQ雖然保證了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的絕對(duì)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)，卻可能出現(xiàn)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)完全得不到帶寬的現(xiàn)象，因此這種隊(duì)列適用于實(shí)時(shí)視頻、語音等業(yè)務(wù)的QoS保障，卻不適用于電力調(diào)度業(yè)務(wù)。電力調(diào)度業(yè)務(wù)需要在能兼顧到所有業(yè)務(wù)傳輸公平性的前提下，優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)更重要的、實(shí)時(shí)性要求更高的業(yè)務(wù)。

WFQ根據(jù)流量分類將不同的數(shù)據(jù)流劃入不同的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。在出隊(duì)時(shí)，WFQ按流的優(yōu)先權(quán)來分配每個(gè)流應(yīng)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(shí)時(shí)性較為敏感的業(yè)務(wù)。

CBWFQ對(duì)流量進(jìn)行分類，按照優(yōu)先級(jí)遞減的順序，分為：EF隊(duì)列、AF隊(duì)列、BE隊(duì)列。EF和AF隊(duì)列都可自定義一個(gè)預(yù)留帶寬，在入隊(duì)之前需對(duì)報(bào)文進(jìn)行帶寬限制的檢查，如果超過設(shè)定的限額，將以某種策略丟棄新入報(bào)文。這與PQ不同，對(duì)于高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列有觸頂限制。出隊(duì)列時(shí)，將首先發(fā)送高優(yōu)先隊(duì)列中的報(bào)文，直到發(fā)送完后才發(fā)送低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的報(bào)文。沒有匹配進(jìn)EF和AF隊(duì)列的數(shù)據(jù)流會(huì)默認(rèn)進(jìn)入BE隊(duì)列，該隊(duì)列中采用基于流的WFQ進(jìn)行調(diào)度。

1.1.3 擁塞避免

擁塞避免監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)資源的使用情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)擁塞有加劇的趨勢(shì)時(shí)采取主動(dòng)丟棄報(bào)文的策略，通過調(diào)整流量來解除網(wǎng)絡(luò)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(quán)隨機(jī)早期檢測(cè))。Tail -Drop策略可能引發(fā)TCP全局同步現(xiàn)象。WRED通過隨機(jī)丟包的機(jī)制，可以避免TCP全局同步問題。

1.1.4 流量整形

一種主動(dòng)調(diào)整流的輸出速率的流控措施，是為了使流量適配下游設(shè)備可供給的網(wǎng)絡(luò)資源，避免不必要的報(bào)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(qū)和令牌桶技術(shù)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)報(bào)文的發(fā)送速度過快時(shí)，首先在緩沖區(qū)進(jìn)行緩存，在令牌桶的控制下，再均勻地發(fā)送這些被緩沖的報(bào)文，處理過程如圖2所示。

圖2 GTS處理過程

2 應(yīng)用實(shí)例

綜合以上對(duì)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)、業(yè)務(wù)特點(diǎn)，以及各種QoS技術(shù)的分析，提出了以下針對(duì)云南電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的QoS技術(shù)方案。技術(shù)方案的框架如圖3所示：

圖3 云南電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)QoS技術(shù)方案框架圖

2.1 控制的目標(biāo)和側(cè)重點(diǎn)

由于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)主要帶寬瓶頸位于每個(gè)站點(diǎn)上聯(lián)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(biāo)，包括接入層路由器的上聯(lián)端口、匯聚路由器的下聯(lián)端口。

在設(shè)計(jì)QoS方案時(shí)，對(duì)于不同方向數(shù)據(jù)流需分別考慮。調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是對(duì)各廠站的采集數(shù)據(jù)，因此絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)流的傳輸方向是從各廠站至省調(diào)、地調(diào) (簡稱上行數(shù)據(jù)流)；反向的傳輸數(shù)據(jù)主要是調(diào)度中心主站下發(fā)的一些控制指令、召喚指令等 (簡稱下行數(shù)據(jù)流)，數(shù)據(jù)量很小。這與運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)不同，QoS方案應(yīng)側(cè)重布置在廠站數(shù)據(jù)上傳至省調(diào)的方向。

2.2 基于MPLS-VPN的流量分類和標(biāo)記

調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)為安全Ⅰ區(qū)的業(yè)務(wù)構(gòu)建了 “實(shí)時(shí)VPN”，為安全Ⅱ區(qū)的業(yè)務(wù)構(gòu)建了 “非實(shí)時(shí)VPN”，兩個(gè)VPN在交換機(jī)層面物理隔離，在路由器層面邏輯隔離。由于在傳輸時(shí)已經(jīng)根據(jù)重要性和實(shí)時(shí)性對(duì)業(yè)務(wù)類別做了劃分，因此只需按照VPN的分法進(jìn)行流量分類并標(biāo)記IP DSCP值和MPLS EXP值即可。

簡單的，可以將實(shí)時(shí)VPN中的業(yè)務(wù)劃入EF類，保證其轉(zhuǎn)發(fā)的高優(yōu)先級(jí)和實(shí)時(shí)性，非實(shí)時(shí)VPN中的業(yè)務(wù)默認(rèn)劃入BE類。

流量分類和標(biāo)記需要在廠站端接入層路由器下聯(lián)交換機(jī)的接口的入方向上進(jìn)行。識(shí)別出實(shí)時(shí)VPN數(shù)據(jù)，并標(biāo)記其報(bào)文的 IP DSCP值為“EF”，設(shè)置MPLS EXP值為 “5”。

2.3 基于CBWFQ隊(duì)列技術(shù)的擁塞管理方案

通過對(duì)擁塞管理多種隊(duì)列技術(shù)的分析，CBWFQ非常適合調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)中上行數(shù)據(jù)流的QoS保障，它既能確保EF類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，又能限制其無限制的占用帶寬，兼顧了BE類數(shù)據(jù)的公平性。

按照業(yè)務(wù)重要性，可為 EF類隊(duì)列的實(shí)時(shí)VPN數(shù)據(jù)設(shè)置80%的最大預(yù)留帶寬。CBWFQ技術(shù)中，只要EF類隊(duì)列中有數(shù)據(jù)，就優(yōu)先發(fā)送EF類隊(duì)列的數(shù)據(jù)，最大預(yù)留帶寬實(shí)際上是EF類隊(duì)列速率的上限，超過80%的帶寬，新到的EF類數(shù)據(jù)將被丟棄。這意味著，在接口發(fā)生擁塞的情況下，只要實(shí)時(shí)VPN數(shù)據(jù)的帶寬占用小于80%，就能保證其得到實(shí)時(shí)優(yōu)先的轉(zhuǎn)發(fā)。

BE類隊(duì)列的非實(shí)時(shí)VPN數(shù)據(jù)使用除EF類隊(duì)列占用外的實(shí)際剩余帶寬傳輸，出現(xiàn)擁塞時(shí)，其至少可以保證20%的帶寬。在BE類隊(duì)列內(nèi)，使用WFQ進(jìn)行調(diào)度，保證不同非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)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(wǎng)接口的出方向上進(jìn)行。

2.4 擁塞避免

CBWFQ隊(duì)列技術(shù)中也用到了擁塞避免的技術(shù)。由于EF類隊(duì)列實(shí)時(shí)性需求高、業(yè)務(wù)數(shù)量少，并不需要WRED算法的提前、隨機(jī)丟包機(jī)制，因此使用Tail-Drop策略丟棄超過最大預(yù)留帶寬的流量數(shù)據(jù)較為合適。對(duì)于BE類隊(duì)列，由于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)種類多，而且大多都是基于TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，如果使用默認(rèn)的Tail-Drop丟包策略，很可能在擁塞時(shí)發(fā)生TCP全局同步的問題，因此應(yīng)將BE類隊(duì)列的擁塞避免丟包策略配置為WRED算法。

2.5 對(duì)下行流量的流量整形

對(duì)于使用了擁塞管理和擁塞避免技術(shù)的上行數(shù)據(jù)流，已能保障其QoS，不需要額外使用流量監(jiān)管或流量整形技術(shù)。但對(duì)于下行數(shù)據(jù)流，由于流量小，沒必要進(jìn)行CBWFQ這樣的復(fù)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(shù)據(jù)流量能適配廠站端的低速帶寬即可。

3 結(jié)束語

文中通過分析IP網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的各種QoS技術(shù)，提出了適用于云南電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的技術(shù)方案。未來可引入HQoS(分層QoS)技術(shù)對(duì)同一VPN內(nèi)的不同業(yè)務(wù)進(jìn)行精細(xì)化的QoS控制，有待進(jìn)一步研究。

[1] 陳然，劉宇明.MPLS-VPN在電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].云南電力技術(shù)，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(shè)備的應(yīng)用及驗(yàn)證 [J].科學(xué)技術(shù)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(diào)度控制中心，從事調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)方面研究工作 (email)crandy＠foxmail.com。