0 引言

通信服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service,QoS）保證了接收端所需求數(shù)據(jù)的時延和可靠性要求。電網(wǎng)內(nèi)差異化QoS根據(jù)主要業(yè)務(wù)的時延、可靠性需求設(shè)定,幫助完成對設(shè)備的監(jiān)視、測量、協(xié)調(diào)和控制任務(wù),對電網(wǎng)故障處理與預(yù)防、維護(hù)、電力調(diào)度、運(yùn)行穩(wěn)定性均有指導(dǎo)性意義。由于QoS有多種實(shí)現(xiàn)方法,使用網(wǎng)絡(luò)資源分配的方法不同,找到一種能保證電網(wǎng)中報文時效性,且有效處理擁塞情況,不易造成擁塞的QoS實(shí)現(xiàn)方法是十分重要的。QoS實(shí)現(xiàn)過程由數(shù)據(jù)流分類及標(biāo)記方法、流量管理與整形、擁塞管理和規(guī)避機(jī)制組成,文章將對上述內(nèi)容加以討論,并對比不同標(biāo)記方法、流量管理方法、隊(duì)列調(diào)度算法,對電網(wǎng)QoS進(jìn)行深入探討。

新能源接入電網(wǎng)后,電網(wǎng)主要業(yè)務(wù)分類如下。

1）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。包括低速和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：高速業(yè)務(wù)主要是Web業(yè)務(wù),如管理信息系統(tǒng)等;低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由故障信息業(yè)務(wù)、設(shè)備檢測、電力調(diào)度自動化業(yè)務(wù)組成,包括SCADA和MIS類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)^[1]。其中SCADA數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對實(shí)時性、可靠性和時延要求很高;MIS類數(shù)據(jù)則有突發(fā)流量,對傳輸帶寬的要求很高。

2）語音業(yè)務(wù)。包括調(diào)度電話、行政辦公電話等,對可靠性和實(shí)時性要求很高。

3）視頻業(yè)務(wù)。由視頻監(jiān)控和視頻會議組成,由于線路不可能由人實(shí)時看守,而線路的故障卻關(guān)乎系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,所以視頻類業(yè)務(wù)需要嚴(yán)格的時延和帶寬分配。

 1 QoS概述

QoS指一個網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用各種技術(shù),增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信能力,解決網(wǎng)絡(luò)擁塞和延遲問題,滿足用戶要求。QoS性能參數(shù)見表1所列。

IP QoS模型兼容性好,可以完成路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)決策,提高傳輸效率,最終緩解擁塞問題。除了網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)的盡力而為服務(wù)類型,解決IP網(wǎng)絡(luò)中QoS問題有2種方法：集成服務(wù)型（Integrated Service Model,IntServ）、區(qū)分服務(wù)型（Differentiated Service Model,DiffServ）^[2]。

表1 QoS性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of QoS

1）盡力而為服務(wù)型（Best-Effort Service Model）。最簡單的服務(wù)模型,沒有針對QoS需求做出網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程。應(yīng)用層軟件在接入網(wǎng)絡(luò)后,不需要預(yù)留資源或通知網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一對待所有數(shù)據(jù),沒有加權(quán)過程,盡力傳輸報文,此時QoS沒有保障。

2）集成服務(wù)型（IntServ）。IntServ是端到端的基于流的QoS技術(shù),在發(fā)送流量前,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要通過資源預(yù)留協(xié)議（Resource Reservation Protocol,RSVP）向網(wǎng)絡(luò)申請?zhí)囟ǚ?wù)質(zhì)量,包括帶寬、時延需求等。在確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為該流量預(yù)留了資源后,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備才開始發(fā)送報文。IntServ存在局限性,首先,IntServ需要保證所有的節(jié)點(diǎn)都支持RSVP協(xié)議^[3],若存在節(jié)點(diǎn)不支持,則信令通過時對此節(jié)點(diǎn)無效,無法實(shí)現(xiàn)資源預(yù)留;其次,IntServ需要定時與周圍網(wǎng)絡(luò)單元交換狀態(tài)信息,報文開銷大,無法在大型網(wǎng)絡(luò)中使用;最后,端到端基于流的技術(shù)需要節(jié)點(diǎn)中保留每個流的狀態(tài)信息,導(dǎo)致核心路由器負(fù)擔(dān)太大,因此擴(kuò)展性很差。

3）區(qū)分服務(wù)型（DiffServ）。DiffServ是為了解決IntServ可擴(kuò)展性差而提出的^[4],DiffServ是基于類的QoS技術(shù),在數(shù)據(jù)包進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)前,根據(jù)數(shù)據(jù)包內(nèi)容的優(yōu)先等級給報文分類并做標(biāo)記,后續(xù)的QoS技術(shù)根據(jù)IP報文標(biāo)記的優(yōu)先等級對應(yīng)相應(yīng)的流量整形、流量監(jiān)管、隊(duì)列調(diào)度等內(nèi)容。然而,區(qū)分服務(wù)不需要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接受資源預(yù)留的信令,沒有端到端的預(yù)留帶寬,在數(shù)據(jù)擁塞的情況下服務(wù)保證受到一定的削弱。

 2 新能源接入通信網(wǎng)數(shù)據(jù)流分類與標(biāo)記技術(shù)

2.1 以太網(wǎng)優(yōu)先級標(biāo)識CoS

服務(wù)等級（Class of Service,CoS）是用于傳送QoS的一種方法。通常CoS是依據(jù)應(yīng)用程序類型（包括視頻、語音、文件和email傳輸?shù)龋⒂脩纛愋秃推渌诸惙椒?將數(shù)據(jù)包分類同時賦予不同優(yōu)
先級。

CoS技術(shù)為基于層的優(yōu)先級分類,分為802.1P第二層技術(shù)、服務(wù)類型（Type of Service,ToS）第三層技術(shù)。以層為類別分組是合理的,因?yàn)樵跀?shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中,需要應(yīng)用層的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過OSI 7層模型依次打包處理,通過電磁波的形式經(jīng)過物理層到達(dá)接收點(diǎn),再經(jīng)過7層到達(dá)應(yīng)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(shí)際不需要經(jīng)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?shù)那闆r。

2.2 IP優(yōu)先級（IP-Precedence）

由RFC1122規(guī)定,三層報文表頭中前3位為IP優(yōu)先級標(biāo)志位。

8種優(yōu)先等級一般給到網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),不同優(yōu)先級對應(yīng)了不同的用戶時延、可靠性需求,其中優(yōu)先級0為缺省值。

IP報文報頭高3位二進(jìn)制對應(yīng)報文的優(yōu)先級^[5]見表2所列。

表2 優(yōu)先級定義Tab.2 Definition of priority

2.3 差分業(yè)務(wù)編碼標(biāo)識

差分業(yè)務(wù)編碼標(biāo)識（Differentiated Services Code Point,DSCP）在數(shù)據(jù)包IP頭部的服務(wù)類別定義字節(jié)中,利用已經(jīng)使用的6 bit和未使用的2 bit,得到DSCP的值的范圍0~63,數(shù)值越大優(yōu)先級別越高。IP-Precedence到DSCP的默認(rèn)映射規(guī)則見表3所列。

表3 IP-Precedence到DSCP默認(rèn)映射規(guī)則Tab.3 Mapping from IP-Precedence to DSCP

第2層CoS到DSCP的映射關(guān)系見表4所列。

表4 CoS到DSCP的映射關(guān)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(jù)DSCP值反映到入口節(jié)點(diǎn)后的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由選擇,這些路由分配了不同的網(wǎng)絡(luò)資源,可以根據(jù)QoS最大程度上滿足用戶需求。PHB服務(wù)等級見表5所列。

表5 PHB服務(wù)等級Tab. 5 PHB rank of service

 3 新能源接入通信網(wǎng)流量管理與整形技術(shù)

為了防止流量突發(fā)引起網(wǎng)絡(luò)阻塞,需要通過流量監(jiān)管和整形技術(shù)監(jiān)督數(shù)據(jù)流是否超過流量限制,進(jìn)而對有限的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行調(diào)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(zhuǎn)發(fā)速率。令牌是一種虛擬信息包,按照預(yù)先設(shè)定的生成速度添加到令牌桶中。對于需要流量監(jiān)管的報文,令牌類似于通行證,每一部分?jǐn)?shù)據(jù)包需要同樣數(shù)目的令牌才能使其進(jìn)入隊(duì)列,不管后續(xù)動作進(jìn)入緩存區(qū)還是出端口,滿足令牌匹配原則才有機(jī)會發(fā)送到接收端,否則被丟棄。如果是丟棄或者重新標(biāo)記這個數(shù)據(jù)包,則是進(jìn)行流量控制^[9],如果等待新的令牌到來再發(fā)送,則是進(jìn)行流量整形;如果桶中無法產(chǎn)生新的令牌,報文將被直接丟棄。

3.2 流量監(jiān)管

流量監(jiān)管（Traffic policing）用于限制流入或流出某網(wǎng)絡(luò)的某連接的流量和突發(fā)。一般使用承諾訪問速率（Committed Access Rate,CAR）對流量進(jìn)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(dá)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(jiān)管,也可以直接傳輸;藍(lán)色報文的分組長度在承諾突發(fā)長度（Committed Burst Size,CBS）和擴(kuò)展突發(fā)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(wǎng)絡(luò)的某連接的流量和突發(fā)。流量整形技術(shù)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(shù)控制流量。2種方法的區(qū)別為：使用CAR進(jìn)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(qū),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(duì)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(jìn)行控制,如果路由器的某個接口預(yù)先配置了LR,對流量特性做出了規(guī)定,則所有經(jīng)過此端口發(fā)送的報文要先進(jìn)行LR令牌桶控制。根據(jù)LR令牌桶中令牌數(shù)量的足夠與缺失決定報文的發(fā)送或并入隊(duì)列等待發(fā)送。

 4 新能源接入通信網(wǎng)擁塞管理與規(guī)避機(jī)制

在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中,存在可靠傳輸層傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol,TCP）和不可靠傳輸層用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol,UDP）,這2種機(jī)制與信息重傳相關(guān)。TCP協(xié)議可解釋為若接收節(jié)點(diǎn)確實(shí)收到發(fā)出節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的報文,那么會反饋相應(yīng)數(shù)據(jù)包通知發(fā)出節(jié)點(diǎn);若沒有收到,經(jīng)過設(shè)置的時間閾值后,發(fā)出節(jié)點(diǎn)會再次發(fā)送認(rèn)為丟失的數(shù)據(jù)。UDP協(xié)議則為發(fā)出節(jié)點(diǎn)不重新發(fā)送數(shù)據(jù),并不在意接收節(jié)點(diǎn)是否真實(shí)收到數(shù)據(jù),或數(shù)據(jù)丟失。這種情況下,即使采取流量監(jiān)管和整形,也無法控制發(fā)送端由于重傳機(jī)制重新發(fā)送數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生
速度。

由于到電網(wǎng)中的報文傳輸需要精確性和可靠性,重傳機(jī)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(jī)制。

4.1 擁塞避免機(jī)制

擁塞是指到達(dá)通信子網(wǎng)中某一部分分組過多,網(wǎng)絡(luò)來不及處理,網(wǎng)絡(luò)性能因此下降^[10],嚴(yán)重時造成死鎖現(xiàn)象,使得網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)中斷。

擁塞避免機(jī)制用于降低重傳動作頻率,在緩沖區(qū)有擁塞情況或即將出現(xiàn)擁塞情況時丟棄部分報文,控制流量為網(wǎng)絡(luò)減負(fù)。由于UDP協(xié)議不考慮重傳,由支持UDP協(xié)議節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報文可以通過流量監(jiān)管和整形進(jìn)行限制流量;支持TCP協(xié)議的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報文則通過擁塞避免機(jī)制完成控制發(fā)送速度的目的^[11]。

4.1.1 隨機(jī)早期監(jiān)測算法

隨機(jī)早期監(jiān)測算法（Random Early Detec