0 引言

通信服務質量（Quality of Service,QoS）保證了接收端所需求數據的時延和可靠性要求。電網內差異化QoS根據主要業務的時延、可靠性需求設定,幫助完成對設備的監視、測量、協調和控制任務,對電網故障處理與預防、維護、電力調度、運行穩定性均有指導性意義。由于QoS有多種實現方法,使用網絡資源分配的方法不同,找到一種能保證電網中報文時效性,且有效處理擁塞情況,不易造成擁塞的QoS實現方法是十分重要的。QoS實現過程由數據流分類及標記方法、流量管理與整形、擁塞管理和規避機制組成,文章將對上述內容加以討論,并對比不同標記方法、流量管理方法、隊列調度算法,對電網QoS進行深入探討。

新能源接入電網后,電網主要業務分類如下。

1）數據業務。包括低速和高速數據業務：高速業務主要是Web業務,如管理信息系統等;低速數據業務由故障信息業務、設備檢測、電力調度自動化業務組成,包括SCADA和MIS類數據業務^[1]。其中SCADA數據業務對實時性、可靠性和時延要求很高;MIS類數據則有突發流量,對傳輸帶寬的要求很高。

2）語音業務。包括調度電話、行政辦公電話等,對可靠性和實時性要求很高。

3）視頻業務。由視頻監控和視頻會議組成,由于線路不可能由人實時看守,而線路的故障卻關乎系統運行的穩定性,所以視頻類業務需要嚴格的時延和帶寬分配。

 1 QoS概述

QoS指一個網絡運用各種技術,增強網絡通信能力,解決網絡擁塞和延遲問題,滿足用戶要求。QoS性能參數見表1所列。

IP QoS模型兼容性好,可以完成路由選擇和數據轉發決策,提高傳輸效率,最終緩解擁塞問題。除了網絡默認的盡力而為服務類型,解決IP網絡中QoS問題有2種方法：集成服務型（Integrated Service Model,IntServ）、區分服務型（Differentiated Service Model,DiffServ）^[2]。

表1 QoS性能參數Tab.1 Performance parameters of QoS

1）盡力而為服務型（Best-Effort Service Model）。最簡單的服務模型,沒有針對QoS需求做出網絡優化過程。應用層軟件在接入網絡后,不需要預留資源或通知網絡,網絡統一對待所有數據,沒有加權過程,盡力傳輸報文,此時QoS沒有保障。

2）集成服務型（IntServ）。IntServ是端到端的基于流的QoS技術,在發送流量前,網絡設備需要通過資源預留協議（Resource Reservation Protocol,RSVP）向網絡申請特定服務質量,包括帶寬、時延需求等。在確認網絡已經為該流量預留了資源后,網絡設備才開始發送報文。IntServ存在局限性,首先,IntServ需要保證所有的節點都支持RSVP協議^[3],若存在節點不支持,則信令通過時對此節點無效,無法實現資源預留;其次,IntServ需要定時與周圍網絡單元交換狀態信息,報文開銷大,無法在大型網絡中使用;最后,端到端基于流的技術需要節點中保留每個流的狀態信息,導致核心路由器負擔太大,因此擴展性很差。

3）區分服務型（DiffServ）。DiffServ是為了解決IntServ可擴展性差而提出的^[4],DiffServ是基于類的QoS技術,在數據包進入網絡前,根據數據包內容的優先等級給報文分類并做標記,后續的QoS技術根據IP報文標記的優先等級對應相應的流量整形、流量監管、隊列調度等內容。然而,區分服務不需要網絡節點接受資源預留的信令,沒有端到端的預留帶寬,在數據擁塞的情況下服務保證受到一定的削弱。

 2 新能源接入通信網數據流分類與標記技術

2.1 以太網優先級標識CoS

服務等級（Class of Service,CoS）是用于傳送QoS的一種方法。通常CoS是依據應用程序類型（包括視頻、語音、文件和email傳輸等）、用戶類型和其他分類方法,將數據包分類同時賦予不同優
先級。

CoS技術為基于層的優先級分類,分為802.1P第二層技術、服務類型（Type of Service,ToS）第三層技術。以層為類別分組是合理的,因為在數據傳輸的過程中,需要應用層的原始數據經過OSI 7層模型依次打包處理,通過電磁波的形式經過物理層到達接收點,再經過7層到達應用層供接收用戶使用;然而逐層打包會附加能量開銷且增加總傳輸時間,同時,重要的控制信號或信令實際不需要經過逐層添加報文信息,直接傳輸效果相同,所以存在跨層傳輸的情況。

2.2 IP優先級（IP-Precedence）

由RFC1122規定,三層報文表頭中前3位為IP優先級標志位。

8種優先等級一般給到網絡控制數據、語音數據、視頻數據、語音數據、數據業務,不同優先級對應了不同的用戶時延、可靠性需求,其中優先級0為缺省值。

IP報文報頭高3位二進制對應報文的優先級^[5]見表2所列。

表2 優先級定義Tab.2 Definition of priority

2.3 差分業務編碼標識

差分業務編碼標識（Differentiated Services Code Point,DSCP）在數據包IP頭部的服務類別定義字節中,利用已經使用的6 bit和未使用的2 bit,得到DSCP的值的范圍0~63,數值越大優先級別越高。IP-Precedence到DSCP的默認映射規則見表3所列。

表3 IP-Precedence到DSCP默認映射規則Tab.3 Mapping from IP-Precedence to DSCP

第2層CoS到DSCP的映射關系見表4所列。

表4 CoS到DSCP的映射關系Tab.4 Mapping from Cos to DSCP

2.4 單中繼段行為

報頭中的DSCP字段為報文選擇特定的單中繼段行為（Per-Hop Behavior,PHB）^[6]。

PHB根據DSCP值反映到入口節點后的內部節點進行路由選擇,這些路由分配了不同的網絡資源,可以根據QoS最大程度上滿足用戶需求。PHB服務等級見表5所列。

表5 PHB服務等級Tab. 5 PHB rank of service

 3 新能源接入通信網流量管理與整形技術

為了防止流量突發引起網絡阻塞,需要通過流量監管和整形技術監督數據流是否超過流量限制,進而對有限的網絡資源進行調度,大多使用令牌桶算法完成。

3.1 令牌桶

令牌桶算法通過令牌生成速度控制流量轉發速率。令牌是一種虛擬信息包,按照預先設定的生成速度添加到令牌桶中。對于需要流量監管的報文,令牌類似于通行證,每一部分數據包需要同樣數目的令牌才能使其進入隊列,不管后續動作進入緩存區還是出端口,滿足令牌匹配原則才有機會發送到接收端,否則被丟棄。如果是丟棄或者重新標記這個數據包,則是進行流量控制^[9],如果等待新的令牌到來再發送,則是進行流量整形;如果桶中無法產生新的令牌,報文將被直接丟棄。

3.2 流量監管

流量監管（Traffic policing）用于限制流入或流出某網絡的某連接的流量和突發。一般使用承諾訪問速率（Committed Access Rate,CAR）對流量進行控制。CAR示意如圖1所示。

圖1 CAR示意Fig.1 CAR diagram

圖中,紅色報文代表超出EBS的報文,即長度過長或到達速率過快;綠色報文代表可以正常傳輸報文;黃色報文在圖中不需監管,也可以直接傳輸;藍色報文的分組長度在承諾突發長度（Committed Burst Size,CBS）和擴展突發長度（Excess Burst Size,EBS）之間。此時,不滿足令牌桶要求的紅色被丟棄,剩余3種正常通過。

3.3 流量整形

流量整形（Traffic Shaping）作用僅限制流出某網絡的某連接的流量和突發。流量整形技術有通用流量整形（Generic Traffic Shaping,GTS）、物理接口總速率限制（Line Rate,LR）。

1）通用流量整形（GTS）。同CAR,均采用令牌桶技術控制流量。2種方法的區別為：使用CAR進行報文流量控制時,將丟棄不符合流量特性的報文;而GTS行程緩沖區,將不符合流量特性的報文保留,減少了報文的丟棄。GTS示意如圖2所示,緩存報文稱為GTS隊列。

圖2 GTS示意Fig.2 GTS diagram

2）物理接口總速率限制（LR）。LR依然利用令牌桶原理對流量進行控制,如果路由器的某個接口預先配置了LR,對流量特性做出了規定,則所有經過此端口發送的報文要先進行LR令牌桶控制。根據LR令牌桶中令牌數量的足夠與缺失決定報文的發送或并入隊列等待發送。

 4 新能源接入通信網擁塞管理與規避機制

在TCP/IP網絡中,存在可靠傳輸層傳輸控制協議（Transmission Control Protocol,TCP）和不可靠傳輸層用戶數據報協議（User Datagram Protocol,UDP）,這2種機制與信息重傳相關。TCP協議可解釋為若接收節點確實收到發出節點所發出的報文,那么會反饋相應數據包通知發出節點;若沒有收到,經過設置的時間閾值后,發出節點會再次發送認為丟失的數據。UDP協議則為發出節點不重新發送數據,并不在意接收節點是否真實收到數據,或數據丟失。這種情況下,即使采取流量監管和整形,也無法控制發送端由于重傳機制重新發送數據包的產生
速度。

由于到電網中的報文傳輸需要精確性和可靠性,重傳機制需要納入考慮范圍。由此,QoS需要使用擁塞避免和擁塞管理機制。

4.1 擁塞避免機制

擁塞是指到達通信子網中某一部分分組過多,網絡來不及處理,網絡性能因此下降^[10],嚴重時造成死鎖現象,使得網絡通信業務中斷。

擁塞避免機制用于降低重傳動作頻率,在緩沖區有擁塞情況或即將出現擁塞情況時丟棄部分報文,控制流量為網絡減負。由于UDP協議不考慮重傳,由支持UDP協議節點發送的報文可以通過流量監管和整形進行限制流量;支持TCP協議的節點發送的報文則通過擁塞避免機制完成控制發送速度的目的^[11]。

4.1.1 隨機早期監測算法

隨機早期監測算法（Random Early Detec