浅谈基于电力通讯网组建IP以太网的方式及存在的问题

摘要：电力系统通讯网主要服务调度系统，满足其语音指挥为主的调度运行方式，依靠SDH成熟的故障监测、控制、环网故障转移及自愈等技术，基于光纤的SDH网络在电力系统内得到了长足的发展。近年来，由于信息及自动化技术的不断发展，特别是信息IP网络技术的发展，传统通讯传输网逐步过渡到传输和接入混合的模式。基于SDH的电力通讯需要在通道速度、信号频率、数据容量等满足基于IP以太网的众多信息类数据的通讯要求。如变电MIS系统、各种设备自动视频监控系统等。为了解决网络边缘复杂的用户业务接入，尤其是动态IP　新业务接入的特点，电力系统SDH基础设备跟随技术发展从传统的承载和传送网，转变为集传输层和接入层于一体的多业务传送平台（MSTP，Multi-Service　Transport　Platform）。借助于MSTP多功能接入，SDH传统的可靠稳定性，具备MSTP功能的SDH设备的高带宽、丰富的通道管理和动态规划能力，集监控管理和故障自愈为一体的网关系统等功能，使电力系统通讯网能够支撑新时期电力系统自动化、信息化的发展需求。但由于SDH网技术的演进性和电力系统相关设备技术代差，IP网架构在电力SDH传输网上还存在一定的问题，需要我们密切关注。

关键词：SDH MSTP IP网络

中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0044-02

1、基于SDH光传输的电力通讯网

SDH（Synchronous　Digital　Hierarchy同步数字体系）是21世纪80年代末崛起的一门传输技术，是为满足电信网朝着高速化、数字化、综合化及智能化方向发展的一种必然结果。它是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络，是美国贝尔通信技术研究所提出来的同步光网络（SONET）。国际电话电报咨询委员会（CCITT）（现ITU-T）于1988年接受了SONET　概念并重新命名为SDH，使其成为不仅适用于光纤也适用于微波和卫星传输的通用技术体制，它可实现网络有效管理、实时业务监控、动态网络维护、不同厂商设备间的互通等多项功能，能大大提高网络资源利用率、降低管理及维护费用、实现灵活可靠和高效的网络运行与维护，因此是当今世界信息领域在传输技术方面的发展和应用的热点，受到人们的广泛重视。自1998年以来，国际电信联盟（ITU）陆续为SDH技术制定了一系列标准化的协议。这些协议涉及比特率、网络节点接口、复用结构、复用设备、网络管理、线路系统和光接口、SDH信息模型、网络结构、抖动性能、误码性能、组网及环互通等内容。根据实际应用的需要，SDH技术及其国际建议规范仍在发展之中，几乎每年都对部分协议进行修改和完善，同时也有新的标准出现。SDH的初衷是为了在各个电信运营商不同的设备间建立起标准兼容、运行高效、稳定可靠、结构简单的通讯通道来实现的，当时传输的主要内容是语音通讯，现今已经成为电信骨干及城域光纤网传输的主要技术手段，其作用范围和技术关注层面主要集中在信号的编码和传输上，参照OSI网络模型，属于物理层和链路层范畴。

在系统内，电力系统通讯网主要服务调度系统，满足其语音指挥为主的调度运行方式。后来随着变电自动化的发展，人们在电力通讯网内接入了固定帧结构和长度的自动化设备遥测信号和控制上下行命令。由于很好的契合了在满足基本通话要求上的稳定、快速传输变电自动设备信号要求，依靠SDH成熟的故障监测、控制、环网故障转移及自愈等技术，基于光纤的SDH网络在电力系统内得到了长足的发展。近年来，由于信息及自动化技术的不断发展，特别是信息IP网络技术的发展，传统通讯传输网逐步过渡到传输和接入混合的模式。基于SDH的电力通讯需要在通道速度、信号频率、数据容量等满足基于IP以太网的众多信息类数据的通讯要求，如变电MIS系统、各种设备自动视频监控系统等。为了解决网络边缘复杂的用户业务接入，尤其是动态IP新业务接入的特点，电力系统SDH基础设备跟随技术发展从传统的承载和传送网，转变为集传输层和接入层于一体的多业务传送平台（MSTP，Multi-Service　Transport　Platform）。借助于MSTP多功能接入，SDH传统的可靠稳定性，具备MSTP功能的SDH设备的高带宽、丰富的通道管理和动态规划能力，集监控管理和故障自愈为一体的网关系统等功能，使电力系统通讯网能够支撑新时期电力系统自动化、信息化的发展需求。

2、传统IP网存在的问题及与SDH电力通讯网融合的必然性

传统IP网主要用于传输电力系统内非自动化基于管理类的数据，如常见的OA、生产MIS、营销等。IP网严格遵守OSI七层模型，实际数据封装基于IP包，局部系统内底层传输依靠常见的快速以太网。随着近年来，电力系统各种业务系统大规模的投入运行，对以太网络的带宽速率和运行可靠性提出了更高的要求。而IP网络对故障的监测和恢复机制大都基于OSI模型第3层即网络层，能够基于2层传递的故障信号作出相应处理，但对一、二层本身的物理信号故障监测较为薄弱（一般需要依靠专门的一二层专门硬件进行监测，交换机本身能力不完整），而且这种模式对于县级电力企业主要基于2层交换的网络而言不太适合。处于整个电力系统网络的末端，县级电力企业基本为接入层，最多加一个汇聚。其IP三层以上功能较为简单，管理和业务数据流主要依靠二层交换实现，二层信道质量的好坏将直接影响业务系统。就目前而言，投入使用的交换机对于二层信号质量的好坏无论功能和机制都偏弱，特别是为了提高网络带宽，县级电力企业大都采用千兆光纤作为传输媒介，其监测方法和故障现象有别于一般的铜缆系统，光纤单向断线或光纤施工引起的光功率损耗或布线时的意外折损往往会引起光纤信号质量迅速变差，如果没有额外的针对光纤的底层监测技术，极有可能导致上层IP以太网络崩溃，这种故障（特别是通过分立的光收发器而不是交换机热插拔的光模块）往往在交换机日志和接口故障记录中没有记录。为了改善和提高接入层网络可靠性，我们通常通过增加冗余通道的方式解决（如建设、租用多条冗余光纤链路等）。但这种网络结构为点对点的裸光纤方式比较占用通道资源，特别是根据安全因数各系统需要独立成网的话（如自动化数据和普通业务数据需要严格分离），往往需要大对数光纤才能满足。同时，对于以太网多条冗余链路的保护机制（STP防环或厂商各自类似的解决方案），光纤不能共享和复用，实际使用只能使用一条链路，使得冗余链路的带宽潜力得不到很好的利用造成浪费。特别的是，这种二层交换防护机制本身仍旧需要依靠底层信号的正确传输，一旦底层出现不可预测的故障，那么整个机制将会失效亦会导致IP网络崩溃。对于安全而言，电力系统往往需要对于不同的业务数据进行严格的分开处理（如自动化数据和普通业务数据需要严格分离），而IP网络只能实现2层以上的逻辑分离而不能做到信号级的物理隔离，从而限制光纤通道的复用能力。

通过以上分析，可以说一个能够承载众多业务需求的县级电力企业IP网络需要一个稳定、可靠的底层通讯支撑平台，它能够实现光纤资源统一规划、建设和动态调配使用，并有一整套故障监测和恢复的保障体制。而具备MSTP功能的SDH正是满足以上要求的较为理想的选择，且顺应了国网“三集五大”的要求，符合接入网光纤化的发展方向。

3、基于现代SDH的IP数据网存在的问题及解决方法

基于SDH的光纤传输网能集中所有的光纤资源，通过冗余环网和通道保护实现物理层和链路层级的信号故障监测和恢复，且信号传输恢复时间满足目前IP网各种自动检测机制信号时间间隔要求和三层以上业务系统恢复时间要求。实现MSTP的SDH传输网能够通过网管系统灵活配置，能够从整体通道中分出所需带宽并通过QOS保证其上IP网的通讯带宽、延迟、抖动等一些列要求。由于是在物理及链路层进行信号的传输分离，故其安全隔离程度远高于一般的IP网隔离。但由于SDH网技术的演进性和电力系统相关设备技术代差，IP网架构在电力SDH传输网上还存在一定的问题，需要我们密切关注。

目前，在SDH向MSTP技术演进的过程中，针对传统SDH技术在带宽指配、带宽粒度、自适应能力、动态IP/ATM业务接入能力等方面的缺陷，出现了各个发展阶段的多种版本的解决方案。

（1）最初版本为网桥方案。即在SDH设备内嵌或外置网桥，采用通用网桥/PPP/连续虚级联技术，占用E1/nE1专用电路，实现IP业务的接口转换和点对点透传功能。这一方案兼容各种SDH设备，专用带宽、天然隔离，但对SDH技术和IP技术的缺陷都没有改善。目前几乎电力系统内所有SDH都支持此方式，但其缺点明显：如带宽较小，数据流量只有10Mbit/s，且其无法透传802.1Q所规定的VLAN标签，也无法传输IP以太网实现环网保护的STP　Bpdu数据包，一旦在环网内存在一条基于此SDH设备的链路，那么STP防环机制将失效而导致广播风暴网络崩溃。

（2）改进版本为二层交换方案。即在SDH　设备内嵌低成本的IP　二层交换模块，采用MAC交换技术，实现网络侧N：1端口汇聚和带宽共享功能。系统支持802.1Q和STP传输，但不支持IP业务的QoS和快速自愈。该方案广泛存在于电力系统内，是目前的主流配置。通过这种设备建立的以太网络正常时能够环网正常运行，也能进行基本的Vlan管理，但需要根据底层SDH保护机制配合使用相应的IP网运行机制。如SDH网为通道保护环方式的双发选收，那么只会对光纤断纤作出反应实现线路倒换，而对SDH设备的以太接口板故障或接口板到下联交换机通路故障不会发生保护倒换，从而导致交换机脱机。由于这种SDH网络数据信号成单向传输，这时即使业务流信号通路正常，交换机彼此之间的转发也会处于故障状态（链路没有倒换），所以使需要以太网内交换机参与处理的IP网络机制将出现全面故障。如STP需要参与交换机转发Bpdu包而发生STP树震荡，又如Ospf路由需要互相发送邻居发现协议和链路路由协议，导致邻居断，路由转发关闭。针对上述问题，解决的办法一是SDH传输更改为复用段保护环方式，但由于传统上，电力通讯主要服务于调度通讯和自动化信号传输，更换保护方式会引起大面积调度业务停顿。二是改变IP以太网运行方式，取消全局二层STP生成树协议而采用交换机端口环路广播监测机制，三层关闭自动路由发现协议而采用手工静态路由指定方式。

（3）SDH最新版本为增加中间智能适配层方案。即在SDH设备内嵌RPR（Resilient　Packet　Ring，弹性分组环）模块，在SDH　的环网带宽上划分出独立的通道来支持RPR技术，IP业务运行于RPR　环网上，兼具IP技术和SDH技术的优点，有些新版本的MSTP　还结合采用了X.86、GFP、VCAT、LACS、MPLS等多种新技术，以增强功能。具备RPR技术的MSTP设备能完全满足IP网对底层通道的要求并与相关IP网控制协议保持兼容。但由于对设备要求较高，在电力系统内广泛应用可能存在一定困难。

4、结语

综上所述，对于目前县级电力企业SDH网络情况，如果IP运行在SDH网之上，采用第二种方式较为合理。可以说一个能够承载众多业务需求的县级电力企业IP网络需要一个稳定、可靠的底层通讯支撑平台，它能够实现光纤资源统一规划、建设和动态调配使用，并有一整套故障监测和恢复的保障体制。而具备MSTP功能的SDH正是满足以上要求的较为理想的选择，且顺应了国网“三集五大”的要求，符合接入网光纤化的发展方向。

参考文献

[1]肖萍萍，吴建学等.SDH原理与技术.北京邮电大学出版社，2002.

[2]虞晔.MSTP光传输网中以太网业务组网方式研究.电力系统通信，2010，2.

[3]俞建中，高芸.电力信息网中的新一代MSTP.电力系统通信，2004，6.