電力通信網(wǎng)QoS的基本設計

 　　電力通信網(wǎng)承載了國家電網(wǎng)安全三、四區(qū)的業(yè)務，相比調(diào)度網(wǎng)，雖然對實時性、可靠性和安全性要求沒有那么高，但承載的信息業(yè)務卻是種類較多、信息量較大的。隨著十一五國網(wǎng)、網(wǎng)省一二級通信網(wǎng)的完成，電力通信網(wǎng)的建設已經(jīng)開始向電力通信網(wǎng)的地市網(wǎng)延伸，地市數(shù)量多，網(wǎng)絡建設規(guī)模大，為了節(jié)省IT人員的實施時間，提供高質量的承載信息業(yè)務，很有必要建立統(tǒng)一的QoS設計和實施標準。

　　本文將結合電力信息承載網(wǎng)的架構和業(yè)務特點，探討電力行業(yè)廣域網(wǎng)的QoS基本設計思路，以供參考。

　　1. QoS技術

　　• 網(wǎng)絡QoS技術的本質是什么?

　　QoS技術無論采用何種理論模型和技術手段，較終還是要體現(xiàn)在對業(yè)務的帶寬資源分配和發(fā)送優(yōu)先順序上。因為目前的網(wǎng)絡設備還無法直接設計出網(wǎng)絡的丟包率、時延和抖動，但是能夠精確的分配帶寬和對業(yè)務報文進行排序發(fā)送。所以QoS的設計本質其實是網(wǎng)絡對不同業(yè)務在各個途經(jīng)節(jié)點的帶寬資源分配和發(fā)送順序的設計。而業(yè)務的質量保證卻不僅僅是靠帶寬分配和報文發(fā)送順序進行全面保證的，比如還要考慮到鏈路的線路質量、物理拓撲、路由設計、可靠性設計、負載分擔設計、安全性，以及業(yè)務終端自身對業(yè)務質量的提升技術，如視頻編解碼器的算法優(yōu)化等等因素，這些都會影響到網(wǎng)絡業(yè)務的服務質量。因此，這里說的網(wǎng)絡QoS設計的實質是網(wǎng)絡對業(yè)務的帶寬可控分配，再加上一些發(fā)送順序、丟包和緩沖的細節(jié)技術設計(主要針對媒體業(yè)務)，多數(shù)情況下就是業(yè)務帶寬的設計。簡言之，就是一組主要的流量控制技術。如果說路由設計負責業(yè)務的可達性，QoS設計則主要負責業(yè)務的流量調(diào)節(jié)。

　　• 電力通信網(wǎng)QoS技術應用在哪里?

　　簡單的說，只要涉及到帶寬分配和對業(yè)務服務質量有要求的地方，就會有QoS設計?；谶@兩點，QoS技術主要應用于電力通信網(wǎng)的骨干廣域網(wǎng)絡和語音、視頻等媒體業(yè)務系統(tǒng)。具體到電力通信網(wǎng)絡中，則在35KV變電站以上的各廣域網(wǎng)設備上均需進行QoS策略設計(如圖1所示)。

　　圖1 電力通信網(wǎng)的典型網(wǎng)絡結構

　　• 網(wǎng)絡QoS設計的標準是什么?

　　網(wǎng)絡QoS設計的本質是解決帶寬資源與業(yè)務流量需求之間的矛盾，在矛盾中尋求一種動態(tài)的平衡，達到帶寬資源的較大化和業(yè)務的高價值利用。因此，在電力通信廣域網(wǎng)QoS設計過程需要考慮5個重要指標：網(wǎng)絡和業(yè)務的QoS設計的全面性，帶寬資源的利用效率，重點業(yè)務端到端的質量，不同時刻QoS策略的動態(tài)效果，QoS策略及部署的簡單性。

　　2. 電力通信網(wǎng)QoS的設計流程和準備工作

　　2.1 電力通信網(wǎng)QoS設計流程

　　如圖2所示，全面的QoS設計流程應該包括三個部分：基于現(xiàn)有網(wǎng)絡資源的業(yè)務帶寬宏觀規(guī)劃，針對具體業(yè)務和網(wǎng)絡設備的QoS技術設計，以及全網(wǎng)和重點業(yè)務的部署監(jiān)管。當然，針對一個具體的電力通信網(wǎng)項目，可能并不會用到圖中所列的所有環(huán)節(jié)：

　　圖2 QoS設計基本流程

　　廣域業(yè)務規(guī)劃：理解電力通信網(wǎng)絡業(yè)務規(guī)劃是設計QoS方案的基本前提。業(yè)務規(guī)劃主要涉及兩大方面，一是電網(wǎng)的行政劃分和相關路由、VPN、拓撲設計。比如地域的劃分(省、地市、縣等)和部門的劃分，如市場、生產(chǎn)、財務、信息、調(diào)度等部門;二是安全區(qū)三、四的業(yè)務，比如語音業(yè)務、視頻會議、視頻監(jiān)控、生產(chǎn)信息、OA辦公等等。這兩方面的因素是QoS業(yè)務分類設計的基本前提。

　　QoS策略制定：在了解電力通信業(yè)務規(guī)劃的前提下，針對網(wǎng)絡中的帶寬瓶頸節(jié)點，制定適合的業(yè)務流量分配方案是達成客戶對業(yè)務流量和質量保證目標的關鍵。對于35KV以上的變電站和營業(yè)所，很多帶寬都比較充足，但也應該進行策略設計，以充分保障核心業(yè)務，防止攻擊業(yè)務和風暴對正常業(yè)務的影響。

　　QoS部署和監(jiān)管：廣域網(wǎng)絡規(guī)模大、業(yè)務種類多，QoS方案無論是部署，還是實施效果監(jiān)管都比較復雜。借助H3C iMC網(wǎng)絡管理平臺的QoS管理組件可以簡化QoS部署過程，提供QoS方案的實時隊列流量監(jiān)管。如果需要更為精細的流量分析，我們還可以采用NTA和SLA對業(yè)務的流量和質量進行監(jiān)管。

　　2.2 電力通信網(wǎng)QoS設計準備

　　圖3 QoS部署典型架構

　　圖3是電力通信地區(qū)廣域網(wǎng)承載的典型架構，以及相應QoS部署建議。其中UPE多為110kv以下變電站的廣域網(wǎng)接入設備，SPE為110kv和220kv以上變電站設備。

　　• SGI業(yè)務的帶寬需求

　　電力通信網(wǎng)采用IP和MPLS VPN組網(wǎng)，因此作為廣域網(wǎng)帶寬分配和業(yè)務質量保障的QoS方案要因實際業(yè)務量和出口帶寬而設計。后文將詳細論述。

　　• 媒體業(yè)務的自然需求

 

度量參數(shù)	高清	實時視頻	監(jiān)控點播	監(jiān)控存儲	語音	園區(qū)網(wǎng)分配	廣域網(wǎng)分配
時延	150ms	150ms	1000ms	500ms	150ms	20%	80%
抖動	10ms	10ms	100ms	30ms	30ms	50%	50%
丟包	0.05%	0.10%	0.10%	3%	1%	50%	50%
凈荷帶寬	3～16M	128K～4M	128K～8M	128K～8M	8K、64K	——	——
實占帶寬	4.2～22M	250K～10M	250K～11M	250K～11M	24K、80K	——	——

　　表1. 媒體業(yè)務對網(wǎng)絡質量的要求

　　業(yè)務和網(wǎng)絡評估

　　• 媒體業(yè)務：確定網(wǎng)絡中服務質量要求較高的媒體業(yè)務和相應帶寬、時延、抖動和丟包要求，整體初步評估網(wǎng)絡的可滿足性。

　　• 網(wǎng)絡瓶頸：根據(jù)媒體業(yè)務和容量要求，確定網(wǎng)絡關鍵擁塞點。

　　• 準入控制：對網(wǎng)絡擁塞點的媒體業(yè)務量進行呼叫準入控制，防止媒體業(yè)務自身擁塞。

　　鏈路和設備評估

　　• 鏈路評估：對于低速鏈路如E1，不建議視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務混合轉發(fā)，或者要求視頻業(yè)務等優(yōu)先級業(yè)務實占帶寬不能超過總帶寬的1/3。對于低速接口捆綁鏈路，不建議進行視頻業(yè)務轉發(fā)，尤其對高碼率視頻。

　　• 設備評估：需要重點評估QoS性能和接口Buffer，后文將詳細介紹。

　　QoS設計和計算

　　• 業(yè)務識別：業(yè)務識別的原則是越早越好，以減輕上級網(wǎng)絡設備業(yè)務識別負擔。對于電力通信網(wǎng)網(wǎng)絡，語音、視頻業(yè)務建議采用專用的IP地址規(guī)劃進行區(qū)分，這樣就可以在UPE或PE設備的接入口通過IP識別業(yè)務并進行相應的優(yōu)先級標記，而廣域網(wǎng)出口(MPLS報文)只需進行優(yōu)先級映射并進行隊列調(diào)度即可。這樣設計更為有效，而不需要所有媒體業(yè)務終端進行標記了。

　　• 流量監(jiān)管：對網(wǎng)絡瓶頸點上游入端口進行流量限速，防止非優(yōu)先級業(yè)務沖擊導致的網(wǎng)絡設備性能下降。

　　• 擁塞避免：根據(jù)隊列內(nèi)業(yè)務分類和權重進行擁塞時的丟包處理。

　　• 隊列調(diào)度：根據(jù)業(yè)務種類和各自帶寬需求進行出口帶寬評估，確定業(yè)務帶寬比例和優(yōu)先級差別。

　　• 流量整形：針對視頻類業(yè)務一般不推薦。對視頻業(yè)務，權衡自身時延、突發(fā)流量情況和下游設備緩沖能力后，可以進行整形。

　　3. 業(yè)務的分類標準和識別

　　3.1 廣域網(wǎng)業(yè)務的分類標準

　　QoS的核心任務有兩點：一是帶寬分配，二是確定調(diào)度優(yōu)先順序，前者較為主要。在廣域網(wǎng)中，帶寬分配大多數(shù)情況是基于客戶的地域分布、網(wǎng)絡結構和部門構成等行政因素進行劃分，而對調(diào)度順序的決定往往是根據(jù)業(yè)務的服務質量需求進行劃分。但在電力通信網(wǎng)中，沒有相應的部門帶寬分配需求，因此QoS業(yè)務分類就只需考慮業(yè)務屬性。

根據(jù)RFC4594標準分類，QoS業(yè)務分類按照流量的業(yè)務屬性劃分為以下幾類(如表2所示)：

　　業(yè)務分類標準

　　RC4594不僅根據(jù)業(yè)務性質和對服務質量要求的差異，對業(yè)務進行了分類，并且為了提高業(yè)務識別效率，還對不同類別的業(yè)務進行了標準的分類標記。QoS設計原則上要求在較接近數(shù)據(jù)源端的設備上識別數(shù)據(jù)流并根據(jù)統(tǒng)一的業(yè)務模型進行標記，之后的各個節(jié)點信任數(shù)據(jù)流的標記并根據(jù)標記進行QoS處理，保證QoS服務質量。但是對于實際組網(wǎng)情況，一般是采取就近(網(wǎng)絡擁塞接口前較近的設備或端口)和能夠(準確區(qū)分業(yè)務)結合的原則決定在哪里進行首次業(yè)務分類和標記，這樣就避免了該擁塞節(jié)點前那些設備不必要的分類和標記操作，同時保證了對于擁塞接口的流量分類的完整性和針對性。也有時候會考慮核心設備的業(yè)務分類帶來的性能壓力，而把業(yè)務分類放在前面一跳的設備上進行。

　　根據(jù)承載鏈路是采用二層以太、三層IP還是MPLS鏈路，可以分別采用CoS、DSCP、EXP進行業(yè)務標記。由于端到端鏈路上承載方式有可能發(fā)生變更，比如從IP承載改為了MPLS轉發(fā)，此時就需要在承載層發(fā)生變更的設備上使能優(yōu)先級信任和映射功能，也就是說標記體系之間必須有一個完整的映射關系。這樣才能避免業(yè)務多次識別，保證端到端業(yè)務服務等級的一致性(如表3所示)。

　　表3. 業(yè)務優(yōu)先級映射關系

　　3.2 電力通信業(yè)務識別

　　3.2.1 主要承載業(yè)務的識別

　　電力通信網(wǎng)主要包括安全區(qū)三(生產(chǎn)管理區(qū))和安全區(qū)四(管理信息區(qū))的業(yè)務。為了統(tǒng)一實施業(yè)務劃分和識別，建議依據(jù)IP地址規(guī)劃進行語音、視頻、辦公數(shù)據(jù)等業(yè)務的進行識別。采用媒體業(yè)務端口號的方式也是一類辦法，但各媒體廠商的端口范圍不一，會對業(yè)務識別帶來困難。表4列出H3C公司常用媒體業(yè)務端口特征，供參考：

　　表4. 多媒體業(yè)務識別

　　3.2.2 控制管理業(yè)務的識別

　　表5列出了業(yè)界常見路由協(xié)議和網(wǎng)管報文特征：

　　表5. 控制和管理業(yè)務識別

　　3.2.3 常見數(shù)據(jù)業(yè)務的識別

　　表6列出了業(yè)界常見數(shù)據(jù)業(yè)務的報文特征：

　　表6. 常見數(shù)據(jù)業(yè)務識別

　　3.2.4 ACL業(yè)務識別管理

　　根據(jù)以上業(yè)務分類方式和常見業(yè)務端口特征，通過H3C iMC ACL Manager進行業(yè)務流定義，并可以將ACL配置保存為模板資源，供所有設備使用(如圖4所示)。

　　圖4 iMC ACL Manager的ACL定義

　　4. 電力通信網(wǎng)QoS隊列策略

　　4.1 QoS隊列模型的選擇

　　RFC4594從標準理論上對業(yè)務進行了完整劃分，但在具體電力通信網(wǎng)建設中，我們通常不會針對每種業(yè)務分類指定調(diào)度隊列，而是根據(jù)實際業(yè)務構成、端口速率和業(yè)務保證的精細度需要，將這些業(yè)務流引入到比業(yè)務分類更少的隊列中做調(diào)度即可。常見的業(yè)務隊列構成有4類(1個優(yōu)先級隊列，2個帶寬保證隊列，1個盡力轉發(fā)隊列)、6類和8類隊列模型(如表7所示)。

　　表7. 業(yè)務分類和隊列調(diào)度模型

　　4類隊列模型較為簡單，在通信網(wǎng)對業(yè)務不需要精細劃分，或帶寬較為充分的高帶寬下，可以采用4隊列調(diào)度模型。

　　6類隊列模型較為復雜，針對鏈路帶寬適中，信息業(yè)務需要較為細致分類的情況。

　　8類隊列模型較全面，將來信息業(yè)務分類精細，VPN劃分種類較多的情況下可以使用。

　　在實際建設中，要根據(jù)SGI網(wǎng)對業(yè)務的分類精細化的發(fā)展要求，同時參考表7所列的標準的隊列模型進行設計。一般建議至少采用4類隊列模型，以保證語音視頻類優(yōu)先級業(yè)務、路由管理類協(xié)議、重要數(shù)據(jù)業(yè)務和盡力轉發(fā)業(yè)務的整體QoS效果。如果還要同時考慮不同下級部門(如省對地市，地市對區(qū)縣)的業(yè)務總體流量控制，則可能需要采用分層QoS隊列調(diào)度機制。

　　4.2 QoS隊列參數(shù)的設計

　　在電力通信網(wǎng)的QoS隊列設計中，除了保證語音視頻等實時性較強業(yè)務的優(yōu)先轉發(fā)外，較為關注的是各個隊列的帶寬分配。帶寬分配主要根據(jù)客戶對業(yè)務的實際帶寬需求制定，但為了達到較佳的QoS部署效果，建議遵循以下兩個帶寬分配原則和一個視頻突發(fā)流量參數(shù)設計經(jīng)驗，這是H3C在測試中心實驗數(shù)據(jù)基礎上，結合大量的實際部署實踐的總結。

　　QoS帶寬分配原則：基于隊列帶寬需求進行分配，為達到整體業(yè)務較佳QoS效果，推薦遵循以下原則：

　　PQ(或者EF)<1/3總帶寬原則：語音、視頻等采用PQ/LLQ隊列保證其優(yōu)先轉發(fā)的同時，卻增加了數(shù)據(jù)業(yè)務的排隊時延，甚至丟包。PQ所占帶寬比例越大，PQ業(yè)務瞬間突發(fā)對數(shù)據(jù)業(yè)務的沖擊就越大。根據(jù)H3C大量項目建設經(jīng)驗和實驗室數(shù)據(jù)，PQ帶寬設計少于總帶寬的1/3是保證業(yè)務總體質量達到較佳的基本要求。

　　表8. 優(yōu)先級隊列流量突發(fā)時對數(shù)據(jù)業(yè)務(FTP)的影響

　　DF>1/4總帶寬原則：Default Forwarding默認轉發(fā)隊列，就像一個公共通道，為優(yōu)先級標記為0的盡力轉發(fā)業(yè)務和優(yōu)先級業(yè)務超出指定帶寬的額外流量轉發(fā)使用，預留充足的帶寬能夠為其他業(yè)務和應對優(yōu)先級業(yè)務流量突發(fā)提供很好的保障。所以，一般推薦DF帶寬不低于總帶寬的1/4。

　　視頻業(yè)務隊列Burst設計：由于視頻業(yè)務流自身存在I、P、B幀構成情況，導致其流量自身存在突發(fā)情況，由于I幀流量較大，其產(chǎn)生的突發(fā)瞬間速率可達到視頻平均帶寬的10倍以上，因此在視頻業(yè)務隊列進行參數(shù)設計時，需要考慮其CBS(承諾突發(fā)尺寸)設計滿足視頻自身突發(fā)的需求，保證瞬間報文不會丟失。針對25fps(每秒25幀)的PAL制式的視頻幀構成，以常見的1個I幀+24個P幀的具體構成情況，當視頻帶寬設定為4M時，需要保證CBS不小于一個I幀的大小(約為64KB)，以此類推，當視頻帶寬設計為8M時，建議CBS設計不小于128KB。表9根據(jù)視頻碼率和視頻幀構成情況計算出I幀流量的大小，可以作為CBS設計參考。

　　表9. 視頻I、P、B幀流量情況

　　4.3 QoS隊列部署和監(jiān)管

　　完成了對各類業(yè)務的隊列模型選擇和參數(shù)設計后，可以通過管理平臺iMC QoS Manager進行QoS策略的部署(如圖5所示)。

　　圖5 iMC QoS管理部署界面

　　QoS策略部署：結合ACL流分類或者業(yè)務優(yōu)先級，進行向導式部署，包括業(yè)務識別、流量監(jiān)管、擁塞避免、隊列調(diào)度和流量整形。

　　在iMC QoS Manager完成了隊列策略部署后，還可以分別選擇廣域網(wǎng)管理平臺iMC NTA和SLA組件對不同QoS隊列的流量和服務質量進行監(jiān)測，提供QoS策略優(yōu)化參考。

　　借助NTA管理組件的流量監(jiān)管功能，對廣域網(wǎng)設備的流量基于業(yè)務優(yōu)先級標記，或者ACL所設定的IP特征進行統(tǒng)計，可以實現(xiàn)QoS策略部署效果的監(jiān)管(如圖6和圖7所示)。

　　圖6 iMC NTA節(jié)點TopN流量監(jiān)管界面

　　圖7 iMC NTA端口流入流量監(jiān)管界面

　　NTA監(jiān)管與廣域網(wǎng)絡設備SR88、SR66和MSR路由器系列的NetStream流統(tǒng)計技術配合，可實現(xiàn)廣域準實時流量監(jiān)管。

　　NTA可自動生成流量/應用/節(jié)點/會話四大類數(shù)十種預制報表，也可自定義報表。

　　通過SLA管理組件設置檢測流量的業(yè)務優(yōu)先級標記，或者ACL所設定的IP特征進行統(tǒng)計，可以實現(xiàn)QoS策略質量效果的監(jiān)管。

　　圖8 iMC SLA網(wǎng)絡質量柱狀監(jiān)管界面

　　SLA質量監(jiān)管：SLA監(jiān)管與網(wǎng)絡設備NQA質量分析技術配合，可實現(xiàn)廣域網(wǎng)業(yè)務質量監(jiān)管。

　　SLA質量報表：SLA提供設備管理、服務等級定義、服務類型定義、實例管理、審計管理和報表管理等功能。

　　4.4 QoS管理任務小結

　　從前面的QoS設計過程看出，完整的QoS管理應該包括業(yè)務的流量分類定義，QoS策略部署、QoS隊列或業(yè)務流量的監(jiān)管，以及業(yè)務的端到端的質量檢測(如圖9所示)。

　　圖9 iMC對QoS部署的步驟

　　5. 結束語

　　以上對電力通信網(wǎng)的基本QoS設計過程的介紹，更多的是提供了一種QoS設計參考思路，但是針對具體的各地電力通信網(wǎng)，會有一些業(yè)務區(qū)分粒度上的差異，還需要進行細致的QoS設計。

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