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)的重要性以及對傳輸?shù)膶崟r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，對IP網(wǎng)絡(luò)中常用的QoS(服務(wù)質(zhì)量)技術(shù)進行了研究和討論，并提出了實用技術(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。一旦同一站點多個業(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。這時如果不采取一定的措施，保證實時性要求高的業(yè)務(wù) (如調(diào)度自動化業(yè)務(wù))優(yōu)先傳輸，將造成省調(diào)主站無法及時采集該廠站數(shù)據(jù)，導(dǎo)致調(diào)度失去對該廠站的監(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)別地實施服務(wù)的前提；而其他QoS技術(shù)則從不同方面對網(wǎng)絡(luò)流量及其分配的資源實施控制。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對QoS的支持是通過結(jié)合各種QoS技術(shù)來實現(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報頭的ToS(Type of Service，服務(wù)類型)字段的優(yōu)先級位即 DSCP (Differentiated Services Code point，差分服務(wù)編碼點)值，MPLS網(wǎng)絡(luò)可使用MPLS標(biāo)簽內(nèi)的EXP字段值，識別出有不同優(yōu)先級特征的流量；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)用程序的端口號等信息對流進行分類。

Diff-Serv網(wǎng)絡(luò)主要定義了三類流量，設(shè)備可根據(jù)優(yōu)先級對報文執(zhí)行相應(yīng)的動作：

·EF(Expedited Forwarding，加速轉(zhuǎn)發(fā))類，適用于有低時延、低丟包率、低抖動、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能夠確保轉(zhuǎn)發(fā)，其優(yōu)先級低于EF類；

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

對于MPLS網(wǎng)絡(luò)，EXP優(yōu)先級與DSCP優(yōu)先級有對應(yīng)關(guān)系，如EF類對應(yīng)EXP的 “5”。

1.1.2 擁塞管理

當(dāng)分組到達的速度大于接口發(fā)送分組的速度時，在該接口處就會產(chǎn)生擁塞。擁塞管理是指在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時使用隊列技術(shù)進行管理和控制。常用的隊列技術(shù)有FIFO(先入先出)、PQ(優(yōu)先隊列)、WFQ(加權(quán)公平隊列)、CBWFQ(基于類的加權(quán)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(yè)務(wù)QoS。

PQ根據(jù)流量分類，可將數(shù)據(jù)流劃入4個優(yōu)先級隊列：高、中、正常和低。在報文出隊時，嚴格按照優(yōu)先級順序。PQ雖然保證了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的絕對優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)，卻可能出現(xiàn)低優(yōu)先級業(yè)務(wù)完全得不到帶寬的現(xiàn)象，因此這種隊列適用于實時視頻、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、實時性要求更高的業(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)先級隊列。在出隊時，WFQ按流的優(yōu)先權(quán)來分配每個流應(yīng)占有出口的帶寬。WFQ有效的解決了PQ的公平性問題，但是不太適用于實時性較為敏感的業(yè)務(wù)。

CBWFQ對流量進行分類，按照優(yōu)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(yù)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(shè)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(yōu)先級隊列有觸頂限制。出隊列時，將首先發(fā)送高優(yōu)先隊列中的報文，直到發(fā)送完后才發(fā)送低優(yōu)先級隊列的報文。沒有匹配進EF和AF隊列的數(shù)據(jù)流會默認進入BE隊列，該隊列中采用基于流的WFQ進行調(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)擁塞有加劇的趨勢時采取主動丟棄報文的策略，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)隨機早期檢測)。Tail -Drop策略可能引發(fā)TCP全局同步現(xiàn)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(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)實現(xiàn)，當(dāng)報文的發(fā)送速度過快時，首先在緩沖區(qū)進行緩存，在令牌桶的控制下，再均勻地發(fā)送這些被緩沖的報文，處理過程如圖2所示。

圖2 GTS處理過程

2 應(yīng)用實例

綜合以上對調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)、業(yè)務(wù)特點，以及各種QoS技術(shù)的分析，提出了以下針對云南電力調(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

由于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)主要帶寬瓶頸位于每個站點上聯(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QoS方案時，對于不同方向數(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)主要是對各廠站的采集數(shù)據(jù)，因此絕大部分數(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。這與運營商的網(wǎng)絡(luò)特點不同，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 “實時VPN”，為安全Ⅱ區(qū)的業(yè)務(wù)構(gòu)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(jīng)根據(jù)重要性和實時性對業(yè)務(wù)類別做了劃分，因此只需按照VPN的分法進行流量分類并標(biāo)記IP DSCP值和MPLS EXP值即可。

簡單的，可以將實時VPN中的業(yè)務(wù)劃入EF類，保證其轉(zhuǎn)發(fā)的高優(yōu)先級和實時性，非實時VPN中的業(yè)務(wù)默認劃入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)交換機的接口的入方向上進行。識別出實時VPN數(shù)據(jù)，并標(biāo)記其報文的 IP DSCP值為“EF”，設(shè)置MPLS EXP值為 “5”。

2.3 基于CBWFQ隊列技術(shù)的擁塞管理方案

通過對擁塞管理多種隊列技術(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)的實時傳輸，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類隊列的實時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類隊列中有數(shù)據(jù)，就優(yōu)先發(fā)送EF類隊列的數(shù)據(jù)，最大預(yù)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(shù)據(jù)將被丟棄。這意味著，在接口發(fā)生擁塞的情況下，只要實時VPN數(shù)據(jù)的帶寬占用小于80%，就能保證其得到實時優(yōu)先的轉(zhuǎn)發(fā)。

BE類隊列的非實時VPN數(shù)據(jù)使用除EF類隊列占用外的實際剩余帶寬傳輸，出現(xiàn)擁塞時，其至少可以保證20%的帶寬。在BE類隊列內(nèi)，使用WFQ進行調(diào)度，保證不同非實時業(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)接口的出方向上進行。

2.4 擁塞避免

CBWFQ隊列技術(shù)中也用到了擁塞避免的技術(shù)。由于EF類隊列實時性需求高、業(yè)務(wù)數(shù)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(yù)留帶寬的流量數(shù)據(jù)較為合適。對于BE類隊列，由于非實時業(yè)務(wù)種類多，而且大多都是基于TCP協(xié)議實現(xiàn)，如果使用默認的Tail-Drop丟包策略，很可能在擁塞時發(fā)生TCP全局同步的問題，因此應(yīng)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(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)。但對于下行數(shù)據(jù)流，由于流量小，沒必要進行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)對同一VPN內(nèi)的不同業(yè)務(wù)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(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)度自動化系統(tǒng)運行與維護方面研究工作 (email)crandy＠foxmail.com。