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电力通信网QoS的基本设计

来源:成都华三 时间:2017-01-12 23:43
 

   电力通信网承载了国家电网安全三、四区的业务,相比调度网,虽然对实时性、可靠性和安全性要求没有那么高,但承载的信息业务却是种类最多、信息量最大的。随着十一五国网、网省一二级通信网的完成,电力通信网的建设已经开始向电力通信网的地市网延伸,地市数量多,网络建设规模大,为了节省IT人员的实施时间,提供高质量的承载信息业务,很有必要建立统一的QoS设计和实施标准。

  本文将结合电力信息承载网的架构和业务特点,探讨电力行业广域网的QoS基本设计思路,以供参考。

  1. QoS技术

  • 网络QoS技术的本质是什么?

  QoS技术无论采用何种理论模型和技术手段,最终还是要体现在对业务的带宽资源分配和发送优先顺序上。因为目前的网络设备还无法直接设计出网络的丢包率、时延和抖动,但是能够精确的分配带宽和对业务报文进行排序发送。所以QoS的设计本质其实是网络对不同业务在各个途经节点的带宽资源分配和发送顺序的设计。而业务的质量保证却不仅仅是靠带宽分配和报文发送顺序进行全面保证的,比如还要考虑到链路的线路质量、物理拓扑、路由设计、可靠性设计、负载分担设计、安全性,以及业务终端自身对业务质量的提升技术,如视频编解码器的算法优化等等因素,这些都会影响到网络业务的服务质量。因此,这里说的网络QoS设计的实质是网络对业务的带宽可控分配,再加上一些发送顺序、丢包和缓冲的细节技术设计(主要针对媒体业务),多数情况下就是业务带宽的设计。简言之,就是一组主要的流量控制技术。如果说路由设计负责业务的可达性,QoS设计则主要负责业务的流量调节。

  • 电力通信网QoS技术应用在哪里?

  简单的说,只要涉及到带宽分配和对业务服务质量有要求的地方,就会有QoS设计。基于这两点,QoS技术主要应用于电力通信网的骨干广域网络和语音、视频等媒体业务系统。具体到电力通信网络中,则在35KV变电站以上的各广域网设备上均需进行QoS策略设计(如图1所示)。

  图1 电力通信网的典型网络结构

  • 网络QoS设计的标准是什么?

  网络QoS设计的本质是解决带宽资源与业务流量需求之间的矛盾,在矛盾中寻求一种动态的平衡,达到带宽资源的最大化和业务的高价值利用。因此,在电力通信广域网QoS设计过程需要考虑5个重要指标:网络和业务的QoS设计的全面性,带宽资源的利用效率,重点业务端到端的质量,不同时刻QoS策略的动态效果,QoS策略及部署的简单性。

  2. 电力通信网QoS的设计流程和准备工作

  2.1 电力通信网QoS设计流程

  如图2所示,全面的QoS设计流程应该包括三个部分:基于现有网络资源的业务带宽宏观规划,针对具体业务和网络设备的QoS技术设计,以及全网和重点业务的部署监管。当然,针对一个具体的电力通信网项目,可能并不会用到图中所列的所有环节:

  图2 QoS设计基本流程

  广域业务规划:理解电力通信网络业务规划是设计QoS方案的基本前提。业务规划主要涉及两大方面,一是电网的行政划分和相关路由、VPN、拓扑设计。比如地域的划分(省、地市、县等)和部门的划分,如市场、生产、财务、信息、调度等部门;二是安全区三、四的业务,比如语音业务、视频会议、视频监控、生产信息、OA办公等等。这两方面的因素是QoS业务分类设计的基本前提。

  QoS策略制定:在了解电力通信业务规划的前提下,针对网络中的带宽瓶颈节点,制定适合的业务流量分配方案是达成客户对业务流量和质量保证目标的关键。对于35KV以上的变电站和营业所,很多带宽都比较充足,但也应该进行策略设计,以充分保障核心业务,防止攻击业务和风暴对正常业务的影响。

  QoS部署和监管:广域网络规模大、业务种类多,QoS方案无论是部署,还是实施效果监管都比较复杂。借助H3C iMC网络管理平台的QoS管理组件可以简化QoS部署过程,提供QoS方案的实时队列流量监管。如果需要更为精细的流量分析,我们还可以采用NTA和SLA对业务的流量和质量进行监管。

  2.2 电力通信网QoS设计准备

  图3 QoS部署典型架构

  图3是电力通信地区广域网承载的典型架构,以及相应QoS部署建议。其中UPE多为110kv以下变电站的广域网接入设备,SPE为110kv和220kv以上变电站设备。

  • SGI业务的带宽需求

  电力通信网采用IP和MPLS VPN组网,因此作为广域网带宽分配和业务质量保障的QoS方案要因实际业务量和出口带宽而设计。后文将详细论述。

  • 媒体业务的自然需求

 

度量参数

高清

实时视频

监控点播

监控存储

语音

园区网分配

广域网分配

时延

150ms

150ms

1000ms

500ms

150ms

20%

80%

抖动

10ms

10ms

100ms

30ms

30ms

50%

50%

丢包

0.05%

0.10%

0.10%

3%

1%

50%

50%

净荷带宽

316M

128K4M

128K8M

128K8M

8K64K

——

——

实占带宽

4.222M

250K10M

250K11M

250K11M

24K80K

——

——

  表1. 媒体业务对网络质量的要求

  业务和网络评估

  • 媒体业务:确定网络中服务质量要求最高的媒体业务和相应带宽、时延、抖动和丢包要求,整体初步评估网络的可满足性。

  • 网络瓶颈:根据媒体业务和容量要求,确定网络关键拥塞点。

  • 准入控制:对网络拥塞点的媒体业务量进行呼叫准入控制,防止媒体业务自身拥塞。

  链路和设备评估

  • 链路评估:对于低速链路如E1,不建议视频和数据业务混合转发,或者要求视频业务等优先级业务实占带宽不能超过总带宽的1/3。对于低速接口捆绑链路,不建议进行视频业务转发,尤其对高码率视频。

  • 设备评估:需要重点评估QoS性能和接口Buffer,后文将详细介绍。

  QoS设计和计算

  • 业务识别:业务识别的原则是越早越好,以减轻上级网络设备业务识别负担。对于电力通信网网络,语音、视频业务建议采用专用的IP地址规划进行区分,这样就可以在UPE或PE设备的接入口通过IP识别业务并进行相应的优先级标记,而广域网出口(MPLS报文)只需进行优先级映射并进行队列调度即可。这样设计更为有效,而不需要所有媒体业务终端进行标记了。

  • 流量监管:对网络瓶颈点上游入端口进行流量限速,防止非优先级业务冲击导致的网络设备性能下降。

  • 拥塞避免:根据队列内业务分类和权重进行拥塞时的丢包处理。

  • 队列调度:根据业务种类和各自带宽需求进行出口带宽评估,确定业务带宽比例和优先级差别。

  • 流量整形:针对视频类业务一般不推荐。对视频业务,权衡自身时延、突发流量情况和下游设备缓冲能力后,可以进行整形。

  3. 业务的分类标准和识别

  3.1 广域网业务的分类标准

  QoS的核心任务有两点:一是带宽分配,二是确定调度优先顺序,前者最为主要。在广域网中,带宽分配大多数情况是基于客户的地域分布、网络结构和部门构成等行政因素进行划分,而对调度顺序的决定往往是根据业务的服务质量需求进行划分。但在电力通信网中,没有相应的部门带宽分配需求,因此QoS业务分类就只需考虑业务属性。

根据RFC4594标准分类,QoS业务分类按照流量的业务属性划分为以下几类(如表2所示):

  业务分类标准

  RC4594不仅根据业务性质和对服务质量要求的差异,对业务进行了分类,并且为了提高业务识别效率,还对不同类别的业务进行了标准的分类标记。QoS设计原则上要求在最接近数据源端的设备上识别数据流并根据统一的业务模型进行标记,之后的各个节点信任数据流的标记并根据标记进行QoS处理,保证QoS服务质量。但是对于实际组网情况,一般是采取就近(网络拥塞接口前最近的设备或端口)和能够(准确区分业务)结合的原则决定在哪里进行首次业务分类和标记,这样就避免了该拥塞节点前那些设备不必要的分类和标记操作,同时保证了对于拥塞接口的流量分类的完整性和针对性。也有时候会考虑核心设备的业务分类带来的性能压力,而把业务分类放在前面一跳的设备上进行。

  根据承载链路是采用二层以太、三层IP还是MPLS链路,可以分别采用CoS、DSCP、EXP进行业务标记。由于端到端链路上承载方式有可能发生变更,比如从IP承载改为了MPLS转发,此时就需要在承载层发生变更的设备上使能优先级信任和映射功能,也就是说标记体系之间必须有一个完整的映射关系。这样才能避免业务多次识别,保证端到端业务服务等级的一致性(如表3所示)。

  表3. 业务优先级映射关系

  3.2 电力通信业务识别

  3.2.1 主要承载业务的识别

  电力通信网主要包括安全区三(生产管理区)和安全区四(管理信息区)的业务。为了统一实施业务划分和识别,建议依据IP地址规划进行语音、视频、办公数据等业务的进行识别。采用媒体业务端口号的方式也是一类办法,但各媒体厂商的端口范围不一,会对业务识别带来困难。表4列出H3C公司常用媒体业务端口特征,供参考:

  表4. 多媒体业务识别

  3.2.2 控制管理业务的识别

  表5列出了业界常见路由协议和网管报文特征:

  表5. 控制和管理业务识别

  3.2.3 常见数据业务的识别

  表6列出了业界常见数据业务的报文特征:

  表6. 常见数据业务识别

  3.2.4 ACL业务识别管理

  根据以上业务分类方式和常见业务端口特征,通过H3C iMC ACL Manager进行业务流定义,并可以将ACL配置保存为模板资源,供所有设备使用(如图4所示)。

  图4 iMC ACL Manager的ACL定义

  4. 电力通信网QoS队列策略

  4.1 QoS队列模型的选择

  RFC4594从标准理论上对业务进行了完整划分,但在具体电力通信网建设中,我们通常不会针对每种业务分类指定调度队列,而是根据实际业务构成、端口速率和业务保证的精细度需要,将这些业务流引入到比业务分类更少的队列中做调度即可。常见的业务队列构成有4类(1个优先级队列,2个带宽保证队列,1个尽力转发队列)、6类和8类队列模型(如表7所示)。

  表7. 业务分类和队列调度模型

  4类队列模型较为简单,在通信网对业务不需要精细划分,或带宽较为充分的高带宽下,可以采用4队列调度模型。

  6类队列模型较为复杂,针对链路带宽适中,信息业务需要较为细致分类的情况。

  8类队列模型最全面,将来信息业务分类精细,VPN划分种类较多的情况下可以使用。

  在实际建设中,要根据SGI网对业务的分类精细化的发展要求,同时参考表7所列的标准的队列模型进行设计。一般建议至少采用4类队列模型,以保证语音视频类优先级业务、路由管理类协议、重要数据业务和尽力转发业务的整体QoS效果。如果还要同时考虑不同下级部门(如省对地市,地市对区县)的业务总体流量控制,则可能需要采用分层QoS队列调度机制。

  4.2 QoS队列参数的设计

  在电力通信网的QoS队列设计中,除了保证语音视频等实时性较强业务的优先转发外,最为关注的是各个队列的带宽分配。带宽分配主要根据客户对业务的实际带宽需求制定,但为了达到最佳的QoS部署效果,建议遵循以下两个带宽分配原则和一个视频突发流量参数设计经验,这是H3C在测试中心实验数据基础上,结合大量的实际部署实践的总结。

  QoS带宽分配原则:基于队列带宽需求进行分配,为达到整体业务最佳QoS效果,推荐遵循以下原则:

  PQ(或者EF)<1/3总带宽原则:语音、视频等采用PQ/LLQ队列保证其优先转发的同时,却增加了数据业务的排队时延,甚至丢包。PQ所占带宽比例越大,PQ业务瞬间突发对数据业务的冲击就越大。根据H3C大量项目建设经验和实验室数据,PQ带宽设计少于总带宽的1/3是保证业务总体质量达到最佳的基本要求。

  表8. 优先级队列流量突发时对数据业务(FTP)的影响

  DF>1/4总带宽原则:Default Forwarding默认转发队列,就像一个公共通道,为优先级标记为0的尽力转发业务和优先级业务超出指定带宽的额外流量转发使用,预留充足的带宽能够为其他业务和应对优先级业务流量突发提供很好的保障。所以,一般推荐DF带宽不低于总带宽的1/4。

  视频业务队列Burst设计:由于视频业务流自身存在I、P、B帧构成情况,导致其流量自身存在突发情况,由于I帧流量较大,其产生的突发瞬间速率可达到视频平均带宽的10倍以上,因此在视频业务队列进行参数设计时,需要考虑其CBS(承诺突发尺寸)设计满足视频自身突发的需求,保证瞬间报文不会丢失。针对25fps(每秒25帧)的PAL制式的视频帧构成,以常见的1个I帧+24个P帧的具体构成情况,当视频带宽设定为4M时,需要保证CBS不小于一个I帧的大小(约为64KB),以此类推,当视频带宽设计为8M时,建议CBS设计不小于128KB。表9根据视频码率和视频帧构成情况计算出I帧流量的大小,可以作为CBS设计参考。

  表9. 视频I、P、B帧流量情况

  4.3 QoS队列部署和监管

  完成了对各类业务的队列模型选择和参数设计后,可以通过管理平台iMC QoS Manager进行QoS策略的部署(如图5所示)。

  图5 iMC QoS管理部署界面

  QoS策略部署:结合ACL流分类或者业务优先级,进行向导式部署,包括业务识别、流量监管、拥塞避免、队列调度和流量整形。

  在iMC QoS Manager完成了队列策略部署后,还可以分别选择广域网管理平台iMC NTA和SLA组件对不同QoS队列的流量和服务质量进行监测,提供QoS策略优化参考。

  借助NTA管理组件的流量监管功能,对广域网设备的流量基于业务优先级标记,或者ACL所设定的IP特征进行统计,可以实现QoS策略部署效果的监管(如图6和图7所示)。

  图6 iMC NTA节点TopN流量监管界面

  图7 iMC NTA端口流入流量监管界面

  NTA监管与广域网络设备SR88、SR66和MSR路由器系列的NetStream流统计技术配合,可实现广域准实时流量监管。

  NTA可自动生成流量/应用/节点/会话四大类数十种预制报表,也可自定义报表。

  通过SLA管理组件设置检测流量的业务优先级标记,或者ACL所设定的IP特征进行统计,可以实现QoS策略质量效果的监管。

  图8 iMC SLA网络质量柱状监管界面

  SLA质量监管:SLA监管与网络设备NQA质量分析技术配合,可实现广域网业务质量监管。

  SLA质量报表:SLA提供设备管理、服务等级定义、服务类型定义、实例管理、审计管理和报表管理等功能。

  4.4 QoS管理任务小结

  从前面的QoS设计过程看出,完整的QoS管理应该包括业务的流量分类定义,QoS策略部署、QoS队列或业务流量的监管,以及业务的端到端的质量检测(如图9所示)。

  图9 iMC对QoS部署的步骤

  5. 结束语

  以上对电力通信网的基本QoS设计过程的介绍,更多的是提供了一种QoS设计参考思路,但是针对具体的各地电力通信网,会有一些业务区分粒度上的差异,还需要进行细致的QoS设计。

  希望我们成都华三的相关分享可以帮助到您!


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