獨家原創:MPLS技術在電力通信中的應用優勢

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摘要：文章描述了mpls技術的基本概念和工作原理以及我國電力通信的現狀，分析了在電力通信網中引進MPLS的必然性，并針對電力系統關鍵業務對傳送性能的要求，闡述了MPLS應用在電力通信網中帶來的優勢。

關鍵字:電力通信;電力系統;網絡;MPLS;ATM;IP

近年來,隨著網絡規模和用戶數量的迅猛發展,網絡數據流量以幾何級數速度增長,IPoverEverything技術越來越受到人們的關注。在現有的網絡技術條件下,針對網絡提出較高的實時性和可靠性要求時，IPoverATM當是首選。就電力系統而言,被傳送業務對實時性和可靠性的嚴格要求使得人們對實現IP與ATM結合的技術產生了濃厚的興趣。IP技術的優點是有靈活的路由體系,采用非面向連接的“盡力而為”的服務方式,適合于非實時信息的傳輸,但傳統的IP技術對時延、帶寬等QoS要求無法保證,也就不能滿足語音、視頻等實時信息的傳輸要求。ATM是寬帶通信網的核心技術,是一種面向連接的網絡技術,它綜合了分組交換和電路交換的優點,具有良好的QoS保證,支持語音、數據和圖像通信。但ATM的缺點是其連接建立信令過于復雜,路由靈活性不高且在傳輸較短的數據時,效率不高。

MPLS（MultiprotocolLabelSwitching多協議標簽交換技術）是一種在開放的通信網上利用標簽引導數據高速、高效傳輸的新技術。它的價值在于能夠在一個無連接的網絡中引入連接模式的特性;其主要優點是減少了網絡復雜性、兼容現有各種主流網絡技術,能降低50%網絡成本,在提供IP業務時能確保QoS和安全性,具有流量工程能力。此外,MPLS能解決VPN擴展問題和維護成本問題。MPLS技術是下一代最具競爭力的通信網絡技術。

1.MPLS技術

1.1基本概念

MPLS中引入了非常多的新概念和術語，其中比較關鍵和重要的有：

1.Label（標簽）：包含在每個分組中的短的、定長的、只有本地意義的標識符。某一分組的標記代表它所屬的FEC（轉發等價類），用來在一對LSR之間進行分組交換。

2.FEC（轉發等價類）：具有相同轉發方式（目的地相同、使用時轉發路徑相同、具有相同的服務等級等）的一類IP分組。每一個FEC被映射成同一標記，獲得相同處理。

3.LSR（標簽交換路由器）：LSR是執行MPLS協議、完成標記交換的物理設備，包括控制模塊和轉發模塊。處于MPLS邊緣的LSR被稱為LER（邊緣標記交換路由器）.

4.LSP（標簽交換路徑）：一個特定的FEC經過同一層次上的LSR所形成的路徑。

5.LDP（標簽分發協議）：一個LSR通知其它LSR關于Label/FEC綁定信息的一系列過程。

MPLS采用集成模型IP技術與下層技術結合在一起，利用第2層（數據鏈路層）的交換能力提高第3層（網絡層）的路由轉發速度，處于網絡層和數據鏈路層之間，可認為是處于2.5層的一個協議。MPLS兼具了高速交換、QoS、流量控制性能以及IP技術的靈活性和擴展性，不僅能夠解決當前網絡中存在的問題，而且能夠支持許多新功能，是一種較為理想的骨干IP網技術。多協議指的是支持IP和IPX等各種網絡協議。

1.2工作原理

多協議標簽交換(MPLS)技術把網絡層(第三層)的轉發和數據鏈路層(第二層)的交換有機地結合起來,實現了“一次路由多次交換”大大提高了分組轉發效率。MPLS的基本思想如圖1所示,具有MPLS功能的路由器稱為標簽交換路由器(LSR),MPLS域由一組屬于同一管理域(或路由域)并且相鄰的LSR組成。圖中箭頭方向表示數據流方向,LSR1和LSR3分別為入口和出口邊界標簽交換路由器,LSR2為內部標簽交換路由器。不同的數據流分組在LSR1處根據各自的策略被映射到相應的轉發等價類(FEC),通常一個FEC與一個標簽(Label)綁定。映射策略一般與網絡層協議地址五元組(源地址、源端口、目的地址、目的端口、協議類型)有關,如:把具有相同目的地址前綴的數據分組映射到一個FEC;把具有相同源地址和目的地址的數據分組映射到一個FEC;等等。“映射分組”與“標簽分組”有相同的語義,映射的過程也就是標簽分組的過程,具體操作為在數據分組前附加一個標簽頭,隨后這些被標簽的分組將在標簽交換路徑(LSP)上傳輸,LSP由分組傳輸路徑上所經過的一系列LSR組成。LSP上的LSR轉發數據分組時不再需要分析網絡層分組頭信息,而是以標簽作為索引交還分組。

2.我國電力通信現狀

目前，我國電力系統通信領域存在3個通信網絡:SPDnet電力調度網、SPTnet電力通信網（傳輸網）、SPInet電力信息網。同時SPDnet和SPTnet又合稱國家電力數據網。電力系統通信網是現代電網安全、穩定、經濟、優質運行的最基礎支柱，是實現現代化、集約化管理，建設現代化電力企業不可或缺的信息基礎設施。

我國電力專用通信網是電力市場的重要組成部分，為電力系統的生產指揮和調度、行政管理和傳輸自動化信息提供必要保證，承擔繁重的業務信息傳輸任務，這些信息包括以下6大類。

1調度電話、行政電話；

2保護信息、安全自動裝置信息、故障錄波信息和水文、水調信息等；

3調度自動化信息，包括電網生產實時信息、遠動信息、自動發電控制AGC信息、計算機實時信息能量計費系統、能量管理系統EMS、數據采集和監控SCADA等；

4自動化應用業務，包括電力企業MIS、VOD、交互視頻、會議電視系統；

5電力市場支持信息系統包含的各類應用業務；

6internet信息系統、多媒體系統等。

電力通信網作為一種專用網，它具有以下特點：

1高可靠性。這是電力系統行業特點的要求，也是最重要的要求之一。

2實時性要求高。傳輸實時信息通道占的比例較大，每天24h不間斷運行。

3網絡升級擴展余地要求大。隨著電網的迅速發展，各種通信新技術不斷的涌現，通信網也要相應的發展和變化。因此要求通信網絡易于升級和擴充。

4點多面廣、點對多點為主、容量要求不大。局部地區站點密度大，需要頻繁的上下話路。

傳統的IP技術適合傳輸非實時的信息，是面向非連接的。雖然路由靈活，但無法保證低時延、動態帶寬等QoS要求，容錯性和流量控制差，不能滿足電力通信的高可靠性和實時性的要求，無法很好傳輸電力系統中的語音、視頻會議等實時業務。ATM是面向連接的一種廣域網技術，在QoS、流量控制等方面有優勢，但ATM技術異常復雜，短途傳送數據效率低。

3．MPLS在電力通信網中的應用優勢

3.1.電力通信網中引進MPLS的必要性

MPLS技術融合了IP與ATM各自的優點，是IP與ATM的優勢互補。其特點決定了MPLS很適合電力通信網發展的需要。

（1）MPLS支持QoS、流量工程、CoS（服務等級）.MPLS網絡的數據傳輸和路由計算分開，能夠以無連接方式或顯示路由的方式提供面向連接的業務，保障傳輸業務的QoS需求和流量控制。良好的QoS保證和流量工程功能很好地滿足了電力通信對可靠性和實時性的高要求。

（2）MPLS是一種與鏈路層無關的技術，它同時支持X.25、FR、ATM、PPP、SDH、DWDM，最大限度地兼顧了原有的各種技術，保護了原有投資和網絡資源。在電力系統中，這一特點使得目前電力通信中使用廣泛的SDH、ATM等技術，能夠統一在同一個MPLS平臺上，促進了網絡互連互通和網絡的融合，節約投資。

（3）MPLS支持大規模層次化的網絡拓撲結構，進一步促進了網絡功能的劃分將復雜的事務處理推到網絡邊緣去完成，核心網只負責完成傳送功能，這有利于在一個大的網絡中維護IP協議的擴展性，具有良好的網絡擴展性，路由器容量很容易擴展到大比特級。把MPLS引入電力通信網中，很容易解決現有網絡的擴容升級的問題。

（4）MPLS支持大規模的虛擬專用網VPN。為了保證電力安全生產，必須保證各個應用系統具有相當的私密性和專有性以及各個系統之間的安全隔離。因此，各個應用系統建立各自的虛擬專用網絡VPN是電網發展的客觀要求。MPLS為VPN提供了技術支持保證，而VPN則是MPLS技術最重要的應用之一。

3.2.MPLS應用在電力通信中帶來的優點：

電力專用數據通信網是電力系統正常運行的重要保證,為電力系統的生產指揮調度、行政管理和辦公自動化提供了必要的保證。新時期,電力數據通信網承擔繁重的業務信息傳輸任務,包括調度自動化信息、辦公自動化信息、Internet信息系統、語音系統、多媒體系統以及電力市場支持信息系統等包含的各類應用業務。鑒于以上的分析，MPLS應用在電力通信網中將有以下的優點：

（1）在電力通信網傳輸的業務中,存在一部分關鍵性的業務,如調度電話、繼電保護信號、安全自動裝置信號、自動控制信號以及遠程控制信號,雖然數據流量不大但對可靠性和實時性要求很高。這些業務要求通信系統能夠容納第1,2層協議,同時要求通信系統能夠保證QOS和實時性。但很明顯,純IP網絡無法達到電力關鍵性業務的傳輸要求。而MPLS是被事業界普遍看好的解決未來IP骨干網中QoS問題的關鍵技術,改技術結合ATM和IP的優點,能夠保證達到電力系統的特殊要求。

（2）為保證電網安全可靠運行，現代電力系統都采用分層分級調度控制。各級調度控制的功能和目標有所差別，但都需要數據采集和監控即SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition），以此作為各級電網調度決策的依據。所以，SCADA系統是電網調度自動化的基礎與核心，是電網穩定安全運行的保證，其地位和作用十分重要。SCADA對通信的基本要求是可靠、準確、及時，特別是要在緊急狀態下能夠快速高效動作，從而有利于調度人員很好地預測、控制和迅速恢復大的電力事故。與SCADA系統的接口必須要考慮到開放性的要求，使其有一定的通用性，還要考慮到實時性的要求,能滿足電網調度的實際需要。對于電網調度自動化SCADA/EMS實時數據業務，針對其數據類型不同可以采用不同的接入方式。若是屬于網絡型數據業務，可直接接入，通過嚴格設定QoS保證數據傳輸的實時性和可靠性；若是屬于V.24/V.28（RS2232ORRS485）標準的低速實時數據業務，可通過具備V.24/V.28接口的IP設備轉換成IP數據包格式后，再通過MPLS域實現傳送。

（3）以IP技術作為EMS與RTU間通信的通用標準在1998年已經提出。現在可以建立一種通過MPLS完成的RTU與EMS之間的連接模型（如下圖）。在MPLS域內,由于MPLS支

圖3利用MPLS建立RTU與EMS之間的連接模型

持用資源預留協議（RSPV）攜帶預定的標簽信息來提供QoS,這樣可以保證具有實時性的信號在網絡中可靠,實時傳輸。MPLS可為不同服務等級的數據流建立不同的LSP,使得同一個物理網絡可被分為多個虛擬網絡,每一個虛擬網絡代表一個COS（服務等級）,這些虛擬網絡可以有不同的拓撲結構和信號源。這樣,四遙信號可以與其他低等級信號共存于同一物理網絡中,區別在與COS及不同的實現拓撲結構。除應當以最高優先級完成四遙信號的傳送,還應有網絡管理員在網絡建設期間或業務開通之前人工制定主、備用LSP,以提高傳送的可靠性。

結束語

從電力系統通信業務的發展需要來看，綜合化、寬帶化、智能化是發展的趨勢。隨著電力通信要求的提高，MPLS實現ATM與IP的結合將是一個必然的趨勢。滿足了電力調度、生產的各個應用系統的建設和發展。采用MPLS技術能夠建造一個可靠、高效、安全的電力系統通信網。

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