黃曉莉，許海銘
0 引言
國家電力數據通信網是國家電力公司綜合性的廣域網絡傳輸平臺[1]，是國家電力公司系統內各種計算機應用系統實現互聯的基礎，是電力信息基礎設施的重要組成部分。
近年來，國家電力公司各網(分)、省(市)公司紛紛建設數據通信網絡，據不完全統計，已建成并投入使用的網(分)、省公司有：華北、西北、河南、河北、湖北、江蘇、浙江、廣東、山東、黑龍江、天津、湖南、吉林、甘肅、陜西、新疆、四川、遼寧、上海、重慶、青海和福建等。這些數據通信網絡主要覆蓋范圍是網(分)、省(市)公司直屬電業局、網(分)公司所管轄的電廠、變電所。這些數據網絡大部分均為綜合業務網絡，采用的設備為異步轉移模式(ATM)設備。其中，甘肅、陜西、新疆、湖南為路由器組網。
隨著三峽工程、西電東送工程、全國聯網工程的實施，全國光纖網絡正在逐步形成。根據規劃，“十五”期間將建成覆蓋全國的三縱四橫的光纖網絡，為國家電力數據通信網絡的建設奠定了基礎。本文旨在探討國家電力數據通信網絡建設的技術方案。
1 網絡業務需求及業務流量、流向預測
國家電力數據通信網對內服務的業務范圍包括數據、圖像、多媒體和話音業務。當前，電力通信業務正在由以話音通信為主逐步向以數據通信為主轉變。數據通信的業務量已超過總帶寬需求的80％。在各種數據業務中，IP協議占據了主導地位，例如電力市場信息、企業管理信息等均采用IP協議。隨著電力市場化的進一步發展，基于Internet的具有開放性和安全可靠性的信息傳輸平臺將成為電力數據網絡發展的必然趨勢[2]。
當然，在數據通信業務中，有質量和可靠性要求非常高的保障業務，也有普通的數據業務；有連續的恒定比特率(CBR)的業務，也存在大量的突發性業務。因此，各種業務對傳輸質量的要求差別很大。
根據國家電力信息中心2002年7月份的統計信息，按每月運行744 h計，同時考慮到企業網的應用時間主要集中在上班時間，有效工作時間為6h/d，可計算出乎均各網、省的信息交換量約為0.8 Mbit/s。
根據中電飛華公司為全國各網、省公司提供的Internet訪問和IP電話服務的業務統計，2002年為各網、省配置的帶寬為1個～8個2 Mbit/s，而實際流量差距較大，使用較多的網、省，例如陜西、安徽、云南等省電力公司，將所配置的4個2 Mbit/s和5個2 Mbit/s全部用滿。經過對實際使用流量的計算，得出各網、省使用的平均流量為3Mbit/s。
根據中國電信的預測，“十五”期間全國IP骨干網的帶寬需求是“九五”末的16倍。假設“十五”期間電力IP骨干網的帶寬需求是目前的8倍，則“十五”期間電力數據網的骨干帶寬需求是(3 Mbit／s+0．8 Mbit／s)× 37(6個網(分)公司，31個省(市)公司)×8＝1124.8 Mbit/s。
信息的流向與行政管理關系、信息資源的分布及Internet出口設置等密切相關。目前，管理中心、信息資源中心及Internet出口均設在北京，因此，網上交換信息分布呈現以北京為中心的星形分布。今后，隨著網絡的健全和完善、網絡信息資源的豐富和合理化分布，以及上海、武漢、廣州等Internet出口的建立和行政管理關系的改變，信息將被分流，總體上應是以北京及各大區為中心的樹形分布。
2 網絡技術體制
未來網絡將具有統一的IP協議和巨大的傳輸容量，能以最經濟的成本，靈活可靠且持續地支持一切已有和將有的業務及信號。具體說來，其上層聯網協議將是TCP／IP，下面的基礎物理層是波分復用(WDM)光傳送網，因而可以提供巨大的網絡帶寬，保證以可持續發展的網絡結構、容量、性能和廉價的成本，支持當前和未來的任何業務和信號。
鑒于光纖的巨大帶寬、低成本和易維護等一系列優點,20世紀80年代中期以來，網絡的光纖化一直是世界各國網絡發展的主要趨勢之一，架空地線復合光纜(OPGW)和全絕緣自承式光纜(ADSS)等電力系統特種光纜已在電力系統廣泛使用[3]。
電信光纖網絡建設有以下重要趨勢：
a．采用新一代的非零色散光纖，特別是大有效面積光纖和低色散斜率光纖，目的是為了支撐下一代超高速、超高容量網絡。
b．光纜芯數明顯增加，平均可高達100芯以上。主要目的是轉售光纖。
c．普遍采用以10 Gbit/s為基礎的密集波分復用(DWDM)。這樣，目前干線路由橫截面的傳輸能力可以高達10 Tbit/s，而傳輸成本可望比傳統傳輸系統降低1個數量級左右。
d．設計以數據、特別是IP業務為中心的融合網絡，計劃在將來支持話音和實時多媒體業務。
采用新一代體系結構的太比特每秒(Tbit/s)交換機/路由器已經問世。它面向高密度的OC—192DWDM系統，提供高速(10 Gbit/s)光接口�；诖笕萘康膸捄透鞣N高速處理技術，融合同步數字系列(SDH)、ATM等各種技術的先進控制和處理機制，提供先進的綜合多業務平臺。滿足各種服務質量(QoS)和業務特性要求，例如提供絕對的QoS(類似ATM)、有保證的IP帶寬、時延和分組延遲變化以及提供CBR業務等，并廣泛支持各種傳統業務和新型網絡業務。
未來的網絡將是基于DWDM技術、以高速交換機／路由器為核心的多業務網絡。但是，根據需求預測和分析，電力系統內部業務需求的帶寬要求在“十五”期間不會超過2．5 Gbit／s，因此，尚無大規模發展DWDM/WDM的迫切需求。特別是電力系統特有的線路保護信號，要求逐站的點對點傳輸，SDH更是無法取代. 在這一基本需求和建網條件下，國家電力數據通信網絡技術體制的選擇主要集中在MPLS+POS+SDH和MPLS+ATM+SDH兩種技術平臺上。
2.1 MPLS
多協議標記交換(MPLS)與IP交換的區別在于，MPLS在控制流(controltraffic)出現的基礎上，特別在選路協議更新(routing protocol update)的基礎上，生成和分配標記，為路由器表中的每一個目的地都建立一條交換通路，去往某個特定目的網絡的所有數據都被安排在系統的交換通路上。IP交換是為實際達到的數據流本身建立一條交換通路，該通路只能被該數據流使用。
MPLS是同時適用于SDH和ATM、并可適用于未來發展的任一特定鏈路層制式的技術。MPLS支持IP快速轉發、流量工程、服務等級(COS)、QoS、網絡管理等各項功能，同時提供了路由協議的伸縮性，提高了網絡的擴展性。
MPLS技術將第2層交換與第3層路由有機地結合在一起，是一種理想的ATM與IP融合技術。下一代的IP網絡必須能夠支持一些非缺省的服務才是最具有價值的，這些非缺省的服務可能是安全性、CoS、QoS、多播(multicast)、服務級別保證(SLA)等。MPLS將無連接的IP數據流放到了實質上是面向連接的一條第2層交換通路上，它能夠更有效和更經濟地幫助網絡提供商支持多種新業務。因此，MPLS將作為主要技術在國家電力數據通信網中加以采用。
2.2 ATM技術和POS技術
ATM技術定義了不同服務類別及流量參數，并且為不同的服務類別定義了豐富的QoS參數，包括：信元傳送時延(CTD)、信元時延變化(CDV)、信元丟失率(CLR)等，通過連接接納控制(CAC)、流量管理等控制策略保證連接的端到端QoS。ATM技術具有完善的流量控制、流量管理機制，例如CAC，用于建立連接時分配網絡資源，判斷是否滿足連接申請的帶寬和QoS要求。ATM網絡的路由協議可以根據網絡資源情況，選擇空閑鏈路，合理分配網絡帶寬，達到流量均衡。采用ATM技術的IP網絡可以靈活地適應新增路由器或調整網絡結構的情況，因為ATM技術是面向虛連接的技術，具有一點對多點的連接能力。但相對于SDH上的ATM實現，POS((1Pover SDH))技術對SDH的帶寬使用效率更高。因為ATM信元由5字節的控制頭和48字節的有效載荷，封裝開銷大，比POS技術浪費部分鏈路帶寬。ATM技術高效的帶寬管理能力可以適當彌補這個缺點。
POS只能承載IP業務。最新的POS技術通過CAR(committed access rate)、WRED(weighted random early detection)和WFQ(weighted fair queueing)等IP的QoS功能也可以提供基本的流量管理和阻塞控制。POS是基于SDH的點對點鏈路。SDH每條鏈路的帶寬是固定分配的，由于IP為無連接協議，包沿著最短路徑傳送，因而造成即使這條鏈路沒有數據傳輸，其他鏈路的應用也無法利用這一部分帶寬資源。POS技術與MPLS技術相結合，利用LSP連接技術可以克服這種缺陷。但是，POS技術沒有完善的帶寬管理能力，其最大缺點是帶寬分配不夠靈活(基于點對點傳輸，且最低速率為155 Mbit／s)。采用POS技術的路由器網絡，擴展靈活性差，當新增路由器或調整網絡結構時，往往需要改變物理網絡的拓撲結構。IP采用DiffServ技術可以提供有差別服務，但是這種有差別服務定義是粗線條的，用戶究竟能夠獲得什么樣定量化的端到端QOS，無法保證，實際上僅僅是COS，而不是QOS。MPLS技術的出現使得定量化的IP QoS可以通過MPLS信令CR-LDP得到顯式表示，但仍然需要依賴底層技術的QOS保證。
2.3 技術方案
a．建議初期網絡以"MPLS+ATM"技術構建，即核心部分采用支持MPLS的ATM多業務交換機，邊緣節點采用ATM多業務交換機、路由器、以太網交換機或綜合接人設備，根據接人業務的要求確定。將來隨著技術發展和網絡容量擴大，網絡核心節點將過渡到支持MPLS的大容量(太比特每秒)交換機／路由器，原來作為核心節點的多業務ATM交換機將退至邊緣作為多業務接人交換機。該方案的優點是：支持多業務，例如ATM、幀中繼、專線、話音和視頻等業務；對各種業務的QoS有可靠的保證；通過基于ATM的MPLS技術還可以提供高效、具有QoS保證的IP業務；較好地支持流量工程等；對大量的省級ATM網絡提供良好的互聯平臺，實現業務互通；支持網絡的平滑擴展，并在任何階段滿足各種業務的需要，最大可能地適應用戶的需求。其缺點是技術復雜、開銷較大、成本較高、無法直接支持桌面應用。
b．POS組網方案。采用高端路由器以“MPLS+POS"技術構建骨干網，邊緣采用高密度接入路由器。該方案支持純IP業務，并采用MPLS技術實現對各種級別IP業務的質量保證，協議簡單，對IP業務的處理更為直接，簡化了環節。缺點是：不支持非IP業務，例如非IP的話音、視頻、專線業務等；不支持基于帶寬隔離的QoS保證；對網絡的控制和管理能力低于ATM網絡；同時，由于POS技術是基于點對點傳輸的，因此網絡擴展靈活性較差，帶寬分配不夠靈活。
方案a和方案b比較，兩者各有側重。方案a更重視多業務的支持能力、QoS保證和技術的成熟性，適應于多業務的網絡，大多為傳統的電信運營商所采用。對IP業務，方案a采用MPLS技術實現，利用ATM強大的帶寬隔離和保證能力為IP業務提供嚴格的QoS保證，可實現在一個平臺上建立多個IP網和多種業務網，對電力系統通信業務提供了強大的發展空間。方案b更側重于IP業務的實現，強調協議的簡化，以高帶寬換取對QoS的保證。大多為提供以Internet互聯為主要業務的新型運營商(ISP)所采用。
根據國家電力數據通信網絡的業務定位，該網不經營對外服務業務，不承載與調度、交易、控制直接相關的業務(該類業務由調度專用網絡傳輸)。從前面對電力數據通信網業務的需求分析可看出，電力系統的內部業務主要是IP業務，包括數據、話音和多媒體。非IP業務主要是基于時分復用(TDM)的傳統話音和會議電視及變電站、機房、視頻監視系統。考慮到這部分業務目前已在電力系統的SDH網絡及程控交換網上承載，因此建議采用方案b。
3 網絡方案
國家電力數據通信網分為3級：①國家電力公司、大區網(分)公司、部分省和直轄市等核心節點組成核心層，采用環形加十字形網絡拓撲結構；②各省、直轄市等骨干節點組成骨干層，采用星形加鏈形結構；③省網(及城域網)構成接入網。接入網的劃分有2種方式：①城域網與省網融合(城域網作為省網內的接入網)，只存在一個省網作為接入網；②省網作為接入網，同時城域網也作為接入網。
省(市)網絡的建設相對獨立，并通過與全國骨干網設在各省(市)的骨干節點設備背靠背連接接入全國骨干網。
核心層設9個核心節點，基本中繼速率為n×155 Mbit／s。骨干層由31個骨干節點組成。每個骨干節點至少與2個核心節點或骨干節點相連�；局欣^速率為155 Mbit／s。
接入層包括省網、城域網及相關的廠站和直屬單位部門等，同時在骨干、核心節點設置接入路由器。接入層主要負責業務的集中，提供對各種業務的支持。接入層節點按就近入網的原則就近接入附近的核心節點或骨干節點，必要時可多點接入形成網絡。接入層節點與核心節點或骨干節點間的中繼接口速率，根據具體情況確定。省網、城域網接入速率一般為155 Mbit／s。
4 IP網絡路由設計
國家電力數據通信網路由設計總體方案為：骨干網設計成一個自治域(AS)，各省內數據網絡采用專用(privat)AS的方式建立省內的多自治域，用外部網關協議(EBGP)實現互聯和控制，對外顯示為一個AS，對內則顯示為多個AS；骨干網和各省內數據網的互聯采用BGP-4；域內網關協議(IGP)推薦采用開放式最短路徑優先協議(OSPF)。
4.1 多自治域方案的選擇
骨干網與省網采用策略化的路由協議——邊界網關協議(BGP)進行連接，可提高網絡的可擴展性、穩定性和開展新業務的靈活性。
OSPF路由協議一個域(Area)內正常情況下應不超過40臺路由器，而且，只能有2層化的網絡結構和1個骨干域(Area 0)，所有的下一級Area都需要與Areao相連，對于再下一級的節點，只能采用靜態路由協議，造成網絡內大量路由的再分發。
省網采用BGP與全國骨干網相連，可利用BGP實現路由的策略性。對于骨干網絡，在同一個IGP內的節點數將大大減少，便于骨干網的穩定性和可擴展性，由于減少了再分發點，也可大大降低網絡出現次選路徑和不精確路由的可能；而對于省內的網，可獨立地進行路由設計，獨立設計省內的OSPF／IS-IS網，實現多層次結構，省內網絡的可擴展性也將大大加強。省網內部的網絡變化或實現新的增值業務時，將不會對骨干網產生影響，反之亦然。而且，全國骨干網可通過BGP進一步實現對省網內向外流量的更好控制。
4.2 OSPF路由協議的選擇
目前，可以用于大規模的ISP、同時又基于標準的IGP路由協議有OSPF和IS-IS兩種，均是基于鏈路狀態計算的最短路徑路由協議，采用同一種最短路徑算法(Dijkstra)。IS-IS為ISO標準路由協議，可支持無連接網絡服務(CLNS)協議和IP協議，IS-IS路由協議標準化程度高，較OSPF更為成熟。OSPF是Internet工程工作組(1ETF)推薦的IP內部網關協議，在純IP環境中協議系統相對簡單。
從產品支持來看，OSPF廠家支持眾多，而且技術人員比較熟悉。為更好地支持多廠家環境，方便運行維護管理，建議國家電力數據通信網采用OSPF作為IGP協議。
4.3 骨干網BGP路由設計
國家電力數據通信網與各省網之間均采用BGP-4路由協議，而它們分別連接在國家電力數據通信網相應的核心和骨干路由器上，這就要求這些路由器均要支持并啟動BGP-4路由協議。骨干網所有路由器必須在同一個自治域內。
為了解決IBGP的全連接性問題，可采用路由反射器(RR)方式。在各網局的核心節點及北京市白廣路節點設置7組RR，將29個省網節點根據區域和物理鏈路的連接分別與7組RR實現對等(peer)關系，將7組RR設置為7個簇，彼此之間實現BGP的fullmesh連接，從而達到省網間路由的交換。RR功能可采用現有的骨干網路由器實現。
通過BGP-4可以控制不同路由的分布和傳播：全網的路由器均可透過IGP獲得缺省路由；省網路由是由骨干節點路由器通過EBGP從省網得到的，并傳播到全網。骨干節點路由器可以將不同省的省網路由打上不同的公用(community)標識，核心節點上分布有所有省的路由。
4.4 骨干網IGP路由設計
a．OSPF分區設計：IGP采用OSPF路由協議的網絡拓撲分區如圖1所示。其中包括1個主干域和7個OSPF子域、9個核心節點。
b．IS-IS分區設計：IGP采用IS-IS路由協議時，可采用2層IS-IS結構，也可采用1層IS-IS結構。推薦采用1層IS-IS結構，以實現動態的最短路徑路由選擇。作為網絡骨干匯接層，所有骨干路由作為IS-IS Level-2路由節點；每個節點在不同的域。
4.5 用戶路由策略
對于接入用戶，可采用以下2種路由策略：
a．靜態路由。用戶端采用缺省路由(default route)；網絡端配置靜態路由，并把用戶路由信息轉換到BGP路由。建議對小規模客戶采用靜態路由方式，以避免客戶路由波動對骨干路由造成影響。
b．BGP路由。采用EBGP與用戶交換路由信息；采用BGP的公用標識不同的BGP路由信息，便于服務的提供。
可以根據不同業務類型向不同用戶提供BGP缺省路由、國家電力數據通信網絡和國家電力數據通信網絡用戶的BGP路由信息，或者全部Interllet BGP路由信息。需要在用戶接入處做BGP路由過濾控制。
在BGP用戶接人端口配置BGP阻尼(dampening)以減少用戶路由波動的響應。需要對各種EBGP路由信息加上不同的公用字符串(communitystring)，保證網絡路由的易管理和易維護。
5 網絡和業務接入
根據省網、城域網是ATM網或路由器網，相應采用ATM，FE或POS方式與國家電力數據通信網骨干節點相連，接口速率可采用100 Mbit／s或155 Mbit／s。
5.1 路由器網接入方式
對采用路由器組網的省網、城域網可采用以太網方式和POS方式與全國骨干網相連。即兩個擬互聯的網絡設備可采用FE口相連，也可采用POS口相連。推薦采用FE方式。
5.2 ATM網接入方式
對采用ATM交換機組網的省網、城域網可采用ATM方式、以太網方式和POS方式與全國骨干網相連。
采用ATM方式時，兩個網絡設備以ATM端口互聯，端口速率可采用155 Mbit／s。在支持MPLS的IP網絡中對ATM網絡業務的處理有以下2種方式：
a．L3交換方式。在ATM網絡進入IP網絡PE節點上，把ATM業務轉換成IP業務，然后通過網絡對IP業務進行傳遞。
b．L2交換方式。在ATM網絡進入IP網絡的PE節點上對AALl，AAL3／4，AAL5進行終結，并把AALX報文作為鏈路層報文進行透傳，或以信元為單位直接透傳。采用該方式可實現基于AAL5的業務互通和AALl／2，AAL3／4的業務透傳。
對虛擬專用網(VPN)業務，可通過在互聯的ATM鏈路上為不同的VPN設定相應的永久虛信道(PVC)來進行區分。在這種方式下，根據需要可在北京節點配置1臺ATM交換機設備，這樣，所有ATM網絡中的業務均可透傳至北京。若僅考慮IP業務的傳遞，則不需要設置ATM設備。
采用以太網方式時，兩個網絡設備以FE端口互聯。采用該方式可實現IP業務的傳送。采用POS方式時，兩個網絡設備以POS端口互聯，采用該方式可實現IP業務的傳送。
5.3 MPLS VPN
為滿足不同部門及業務的安全性和服務質量要求，可采用VPN技術實現在單一網絡上的多個IP業務的有效隔離。
IP網絡上的VPN實現方式有多種，包括加密、隧道方式等。推薦采用MPLSVPN。
MPLSVPN是利用MPLS網絡，通過使用兩級標記堆棧建立IP隧道，使用上層標記實現標記分組在MPLS網絡內部轉發，使用下層標記來識別不同的VPN。
在路由器網絡中MPLS VPN采用BGP／VPN方式。BGP是一個路由信息分布協議，它利用多協議擴展和共有屬性來定義VPN的連接性。在基于MPLS的VPN中，BGP只對同一個VPN的成員發布信息，通過流量分離來提供基本的安全性。VPN轉發表中包括與VPN—IP地址相對應的標簽。通過這個標簽將數據傳送到相應地點。既然標簽代替了IP地址，用戶可以保持他們的專用地址結構，無須進行網絡地址轉換(NAT)來傳送數據。根據數據入口，交換機選擇一特定的轉發表，該表中只包括VPN中有效的目的地址。
這種解決方案的優勢在于可以通過相同的網絡結構來支持許多種VPN，并不需要為每一個用戶建立單獨的網絡。而且，這種方案將IP VPN的能力內置于網絡本身，因此，可以為所有用戶配置一個網絡來提供專用的IP網服務，而無須管理隧道或虛信道網絡(VC mesh)。QoS可為每個VPN提供特有的業務政策，而且QoS服務可與基于MPLS的VPN無縫結合，因為兩者都是基于標記的技術。
6 網絡技術性能
國家電力數據通信網絡主要指標要求如下：
a．任意兩個節點間，從一個節點接入層設備入端口至另一個節點接入層設備出端口最大多次往返(round trip)端到端時延小于150 ms，包時延變化小于50 ms。
b．在標準包長下網絡負載率達到70％時，端到端丟包率小于10-3
c．全網路由的收斂與恢復速度小于40 s(呼叫時間間隔為10 s時)。
d．網絡的可用率不小于99．99％。
對路由設備的主要要求如下：
a．高可用性。設備支持高可用度體系結構，關鍵部件包括路由引擎、交換模塊、接口卡、風扇系統
和電源等均有硬件冗余，單一部件的故障不影響網絡運行。骨干(匯聚)層路由器的可用性應不小于99.999％。各線路卡具有熱插拔功能，部件的更換和增加不影響網絡的運行，交換模塊提供容錯功能，單個部件的故障不影響網絡的運行，服務不會中斷。
b．良好的可擴充性。采用高度模塊化的結構設計，支持分布式處理，可通過增加處理器模塊來增強節點處理能力。
c．豐富的接口類型和足夠的接口數量。
d．根據網絡的拓撲結構，不同級別的路由器設備具有不同的交換容量。
e．支持MPLS及MPLS／TE，MPLS／VPN。
f．支持IP QoS和CoS，具有阻塞管理和控制功能等。
7 網絡管理和時鐘同步
國家電力數據通信網骨干網網管中心按二級設置，在北京設置2個全國網管中心，分別設在白廣路和西單，互為備用，以提高可靠性。在各網(分)公司設置分網管中心。設置省網管中心，負責管理省網網絡。
全國網管中心全面負責全國骨干網的管理；各網(分)公司的分網管中心協助全國網管中心監控骨干網中網(分)公司內的部分，并在全國網管中心的授權下對設備進行更改和處理；省網管中心負責省內網部分的管理。
國家電力數據通信網將同步于SDH傳輸網，由路由器的POS端口提取SDH傳輸鏈路的同步時鐘信息。建議西單節點的核心路由器設置為國家電力數據通信網的時間服務器，為全網提供時間信號。
8 網絡地址編碼
國家電力數據通信網骨干網在對骨干網IP地址進行規劃的同時，應充分考慮本地網對IP地址的需求，以滿足未來業務發展對IP地址的需求。IP地址的分配必須采用VLSM技術，保證IP地址的利用效率；采用無類別域內路由選擇(CIDR)技術以減小路由器路由表的大小，加快路由器路由的收斂速度，也可以減小網絡中廣播的路由信息。
國家電力數據通信網按國家骨干網(含大區網)、省(市)網、地區網(城網)分級建設。IP地址的分配應考慮全網的互聯互通。根據估算，平均每個地區網(城網)至少需要2個C類地址空間；平均每個省網約需32個C類地址空間；北京、上海等直轄市網約需16個C類地址空間。按上述要求，若按統一分配地址空間考慮國家電力數據通信網總體IP地址需求，約為4個B類地址。M網絡中的業務均可透傳至北京。若僅考慮IP業務的傳遞，則不需要設置ATM設備。
