云南电力调度数据网研究

陈然

(云南电力调度控制中心，昆明 650011)

云南电力调度数据网研究

陈然

(云南电力调度控制中心，昆明 650011)

介绍由于不同电力调度业务的重要性以及对传输的实时性要求不同，电力调度数据网在数据传输过程中要能控制各类业务的带宽占用，优先保证重要业务的传输。本文结合云南电力调度数据网的组网特性和不同调度业务的特点，对IP网络中常用的QoS(服务质量)技术进行了研究和讨论，并提出了实用技术方案。

调度数据网；MPLS VPN；服务质量

0 前言

电力调度数据网中的IP分组交换技术带来了极大的组网灵活性，相比起传统的电路交换，链路带宽利用率也得到了很大的提升。由于IP网络与生俱来的报文转发特性所承载业务的 QoS (Quality of Service，服务质量)难以得到保证。

云南电力调度数据网中绝大部分接入层站点的上联带宽均为2 M，而需要传输的调度生产业务包括了6～7种，带宽压力比较大。一旦同一站点多个业务并发传输，将可能出现突发的带宽需求，导致网络拥塞。这时如果不采取一定的措施，保证实时性要求高的业务 (如调度自动化业务)优先传输，将造成省调主站无法及时采集该厂站数据，导致调度失去对该厂站的监控。因此，在云南电力调度数据网中采用适当的QoS技术是非常必要的。

1 IP QoS技术与应用方案

文中仅讨论DiffServ(Differentiated Services，差分服务)[3]服务模型下的IP QoS技术，IntServ服务模型相关技术由于不在调度数据网中使用，此处不做讨论。

1.1 IP QoS技术研究

常见的IP QoS技术包括：流量分类与标记、流量监管、拥塞管理、拥塞避免以及流量整形。其中流量分类和标记是基础，是有区别地实施服务的前提；而其他QoS技术则从不同方面对网络流量及其分配的资源实施控制。网络设备对QoS的支持是通过结合各种QoS技术来实现的，如图1所示。

图1 各QoS技术在同一网络设备中的处理顺序

1.1.1 流量分类和标记

流量分类可以使用IP报头的ToS(Type of Service，服务类型)字段的优先级位即 DSCP (Differentiated Services Code point，差分服务编码点)值，MPLS网络可使用MPLS标签内的EXP字段值，识别出有不同优先级特征的流量；也可以由网络管理员设置流量分类的策略，例如综合源地址、目的地址、IP协议或应用程序的端口号等信息对流进行分类。

Diff-Serv网络主要定义了三类流量，设备可根据优先级对报文执行相应的动作：

·EF(Expedited Forwarding，加速转发)类，适用于有低时延、低丢包率、低抖动、高带宽需求的优先业务；

·AF(Assured Forwarding，确保转发)类，此类业务在没有超过最大允许带宽时能够确保转发，其优先级低于EF类；

·BE(Best Effort，尽力转发)类，没有任何保证，主要用于对时延、抖动和丢包不敏感的业务。现有IP网络流量默认为此类。

对于MPLS网络，EXP优先级与DSCP优先级有对应关系，如EF类对应EXP的 “5”。

1.1.2 拥塞管理

当分组到达的速度大于接口发送分组的速度时，在该接口处就会产生拥塞。拥塞管理是指在网络发生拥塞时使用队列技术进行管理和控制。常用的队列技术有FIFO(先入先出)、PQ(优先队列)、WFQ(加权公平队列)、CBWFQ(基于类的加权公平队列)等。

FIFO按报文到达接口的先后顺序让报文入队和出队，不能保证重要业务QoS。

PQ根据流量分类，可将数据流划入4个优先级队列：高、中、正常和低。在报文出队时，严格按照优先级顺序。PQ虽然保证了高优先级业务数据的绝对优先转发权，却可能出现低优先级业务完全得不到带宽的现象，因此这种队列适用于实时视频、语音等业务的QoS保障，却不适用于电力调度业务。电力调度业务需要在能兼顾到所有业务传输公平性的前提下，优先转发更重要的、实时性要求更高的业务。

WFQ根据流量分类将不同的数据流划入不同的优先级队列。在出队时，WFQ按流的优先权来分配每个流应占有出口的带宽。WFQ有效的解决了PQ的公平性问题，但是不太适用于实时性较为敏感的业务。

CBWFQ对流量进行分类，按照优先级递减的顺序，分为：EF队列、AF队列、BE队列。EF和AF队列都可自定义一个预留带宽，在入队之前需对报文进行带宽限制的检查，如果超过设定的限额，将以某种策略丢弃新入报文。这与PQ不同，对于高优先级队列有触顶限制。出队列时，将首先发送高优先队列中的报文，直到发送完后才发送低优先级队列的报文。没有匹配进EF和AF队列的数据流会默认进入BE队列，该队列中采用基于流的WFQ进行调度。

1.1.3 拥塞避免

拥塞避免监督网络资源的使用情况，当发现拥塞有加剧的趋势时采取主动丢弃报文的策略，通过调整流量来解除网络的过载，通常作用在接口出方向。

通常有2种可选的丢包策略：Tail-Drop(尾部丢弃)和WRED[4](加权随机早期检测)。Tail -Drop策略可能引发TCP全局同步现象。WRED通过随机丢包的机制，可以避免TCP全局同步问题。

1.1.4 流量整形

一种主动调整流的输出速率的流控措施，是为了使流量适配下游设备可供给的网络资源，避免不必要的报文丢弃和拥塞，通常作用在接口出方向。GTS(通用流量整形)使用缓冲区和令牌桶技术实现，当报文的发送速度过快时，首先在缓冲区进行缓存，在令牌桶的控制下，再均匀地发送这些被缓冲的报文，处理过程如图2所示。

图2 GTS处理过程

2 应用实例

综合以上对调度数据网组网技术、业务特点，以及各种QoS技术的分析，提出了以下针对云南电力调度数据网的QoS技术方案。技术方案的框架如图3所示：

图3 云南电力调度数据网QoS技术方案框架图

2.1 控制的目标和侧重点

由于调度数据网主要带宽瓶颈位于每个站点上联至汇聚路由器的链路，因此QoS方案主要以这类链路涉及到的端口为控制目标，包括接入层路由器的上联端口、汇聚路由器的下联端口。

在设计QoS方案时，对于不同方向数据流需分别考虑。调度数据网传输的数据主要是对各厂站的采集数据，因此绝大部分数据流的传输方向是从各厂站至省调、地调 (简称上行数据流)；反向的传输数据主要是调度中心主站下发的一些控制指令、召唤指令等 (简称下行数据流)，数据量很小。这与运营商的网络特点不同，QoS方案应侧重布置在厂站数据上传至省调的方向。

2.2 基于MPLS-VPN的流量分类和标记

调度数据网为安全Ⅰ区的业务构建了 “实时VPN”，为安全Ⅱ区的业务构建了 “非实时VPN”，两个VPN在交换机层面物理隔离，在路由器层面逻辑隔离。由于在传输时已经根据重要性和实时性对业务类别做了划分，因此只需按照VPN的分法进行流量分类并标记IP DSCP值和MPLS EXP值即可。

简单的，可以将实时VPN中的业务划入EF类，保证其转发的高优先级和实时性，非实时VPN中的业务默认划入BE类。

流量分类和标记需要在厂站端接入层路由器下联交换机的接口的入方向上进行。识别出实时VPN数据，并标记其报文的 IP DSCP值为“EF”，设置MPLS EXP值为 “5”。

2.3 基于CBWFQ队列技术的拥塞管理方案

通过对拥塞管理多种队列技术的分析，CBWFQ非常适合调度数据网中上行数据流的QoS保障，它既能确保EF类数据的实时传输，又能限制其无限制的占用带宽，兼顾了BE类数据的公平性。

按照业务重要性，可为 EF类队列的实时VPN数据设置80%的最大预留带宽。CBWFQ技术中，只要EF类队列中有数据，就优先发送EF类队列的数据，最大预留带宽实际上是EF类队列速率的上限，超过80%的带宽，新到的EF类数据将被丢弃。这意味着，在接口发生拥塞的情况下，只要实时VPN数据的带宽占用小于80%，就能保证其得到实时优先的转发。

BE类队列的非实时VPN数据使用除EF类队列占用外的实际剩余带宽传输，出现拥塞时，其至少可以保证20%的带宽。在BE类队列内，使用WFQ进行调度，保证不同非实时业务之间的公平传输。

拥塞管理的配置，需在厂站端接入层路由器的广域网接口的出方向上进行。

2.4 拥塞避免

CBWFQ队列技术中也用到了拥塞避免的技术。由于EF类队列实时性需求高、业务数量少，并不需要WRED算法的提前、随机丢包机制，因此使用Tail-Drop策略丢弃超过最大预留带宽的流量数据较为合适。对于BE类队列，由于非实时业务种类多，而且大多都是基于TCP协议实现，如果使用默认的Tail-Drop丢包策略，很可能在拥塞时发生TCP全局同步的问题，因此应将BE类队列的拥塞避免丢包策略配置为WRED算法。

2.5 对下行流量的流量整形

对于使用了拥塞管理和拥塞避免技术的上行数据流，已能保障其QoS，不需要额外使用流量监管或流量整形技术。但对于下行数据流，由于流量小，没必要进行CBWFQ这样的复杂QoS控制，只需在汇聚层路由器的下行端口处做GTS流量整形，使下行数据流量能适配厂站端的低速带宽即可。

3 结束语

文中通过分析IP网络中广泛使用的各种QoS技术，提出了适用于云南电力调度数据网的技术方案。未来可引入HQoS(分层QoS)技术对同一VPN内的不同业务进行精细化的QoS控制，有待进一步研究。

[1] 陈然，刘宇明.MPLS-VPN在电力调度数据网中的应用[J].云南电力技术，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] 王瑶，张捷，孙致益.WRED在边缘路由设备的应用及验证 [J].科学技术与工程，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

陈然 (1983)，男，硕士，工程师，云南电力调度控制中心，从事调度数据网、调度自动化系统运行与维护方面研究工作 (email)crandy＠foxmail.com。