电力通信MPLS技术

摘要：文章描述了MPLS技术的基本概念和工作原理以及我国电力通信的现状，分析了在电力通信网中引进MPLS的必然性，并针对电力系统关键业务对传送性能的要求，阐述了MPLS应用在电力通信网中带来的优势。

关键字:电力通信;电力系统;网络;MPLS;ATM;IP

近年来,随着网络规模和用户数量的迅猛发展,网络数据流量以几何级数速度增长,IPoverEverything技术越来越受到人们的关注。在现有的网络技术条件下,针对网络提出较高的实时性和可靠性要求时，IPoverATM当是首选。就电力系统而言,被传送业务对实时性和可靠性的严格要求使得人们对实现IP与ATM结合的技术产生了浓厚的兴趣。IP技术的优点是有灵活的路由体系,采用非面向连接的“尽力而为”的服务方式,适合于非实时信息的传输,但传统的IP技术对时延、带宽等QoS要求无法保证,也就不能满足语音、视频等实时信息的传输要求。ATM是宽带通信网的核心技术,是一种面向连接的网络技术,它综合了分组交换和电路交换的优点,具有良好的QoS保证,支持语音、数据和图像通信。但ATM的缺点是其连接建立信令过于复杂,路由灵活性不高且在传输较短的数据时,效率不高。

MPLS（MultiprotocolLabelSwitching多协议标签交换技术）是一种在开放的通信网上利用标签引导数据高速、高效传输的新技术。它的价值在于能够在一个无连接的网络中引入连接模式的特性;其主要优点是减少了网络复杂性、兼容现有各种主流网络技术,能降低50%网络成本,在提供IP业务时能确保QoS和安全性,具有流量工程能力。此外,MPLS能解决VPN扩展问题和维护成本问题。MPLS技术是下一代最具竞争力的通信网络技术。

1.MPLS技术

1.1基本概念

MPLS中引入了非常多的新概念和术语，其中比较关键和重要的有：

1.Label（标签）：包含在每个分组中的短的、定长的、只有本地意义的标识符。某一分组的标记代表它所属的FEC（转发等价类），用来在一对LSR之间进行分组交换。

2.FEC（转发等价类）：具有相同转发方式（目的地相同、使用时转发路径相同、具有相同的服务等级等）的一类IP分组。每一个FEC被映射成同一标记，获得相同处理。

3.LSR（标签交换路由器）：LSR是执行MPLS协议、完成标记交换的物理设备，包括控制模块和转发模块。处于MPLS边缘的LSR被称为LER（边缘标记交换路由器）.

4.LSP（标签交换路径）：一个特定的FEC经过同一层次上的LSR所形成的路径。

5.LDP（标签分发协议）：一个LSR通知其它LSR关于Label/FEC绑定信息的一系列过程。

MPLS采用集成模型IP技术与下层技术结合在一起，利用第2层（数据链路层）的交换能力提高第3层（网络层）的路由转发速度，处于网络层和数据链路层之间，可认为是处于2.5层的一个协议。MPLS兼具了高速交换、QoS、流量控制性能以及IP技术的灵活性和扩展性，不仅能够解决当前网络中存在的问题，而且能够支持许多新功能，是一种较为理想的骨干IP网技术。多协议指的是支持IP和IPX等各种网络协议。

1.2工作原理

多协议标签交换(MPLS)技术把网络层(第三层)的转发和数据链路层(第二层)的交换有机地结合起来,实现了“一次路由多次交换”大大提高了分组转发效率。MPLS的基本思想如图1所示,具有MPLS功能的路由器称为标签交换路由器(LSR),MPLS域由一组属于同一管理域(或路由域)并且相邻的LSR组成。图中箭头方向表示数据流方向,LSR1和LSR3分别为入口和出口边界标签交换路由器,LSR2为内部标签交换路由器。不同的数据流分组在LSR1处根据各自的策略被映射到相应的转发等价类(FEC),通常一个FEC与一个标签(Label)绑定。映射策略一般与网络层协议地址五元组(源地址、源端口、目的地址、目的端口、协议类型)有关,如:把具有相同目的地址前缀的数据分组映射到一个FEC;把具有相同源地址和目的地址的数据分组映射到一个FEC;等等。“映射分组”与“标签分组”有相同的语义,映射的过程也就是标签分组的过程,具体操作为在数据分组前附加一个标签头,随后这些被标签的分组将在标签交换路径(LSP)上传输,LSP由分组传输路径上所经过的一系列LSR组成。LSP上的LSR转发数据分组时不再需要分析网络层分组头信息,而是以标签作为索引交还分组。

2.我国电力通信现状

目前，我国电力系统通信领域存在3个通信网络:SPDnet电力调度网、SPTnet电力通信网（传输网）、SPInet电力信息网。同时SPDnet和SPTnet又合称国家电力数据网。电力系统通信网是现代电网安全、稳定、经济、优质运行的最基础支柱，是实现现代化、集约化管理，建设现代化电力企业不可或缺的信息基础设施。

我国电力专用通信网是电力市场的重要组成部分，为电力系统的生产指挥和调度、行政管理和传输自动化信息提供必要保证，承担繁重的业务信息传输任务，这些信息包括以下6大类。

1调度电话、行政电话；

2保护信息、安全自动装置信息、故障录波信息和水文、水调信息等；

3调度自动化信息，包括电网生产实时信息、远动信息、自动发电控制AGC信息、计算机实时信息能量计费系统、能量管理系统EMS、数据采集和监控SCADA等；

4自动化应用业务，包括电力企业MIS、VOD、交互视频、会议电视系统；

5电力市场支持信息系统包含的各类应用业务；

6internet信息系统、多媒体系统等。

电力通信网作为一种专用网，它具有以下特点：

1高可靠性。这是电力系统行业特点的要求，也是最重要的要求之一。

2实时性要求高。传输实时信息通道占的比例较大，每天24h不间断运行。

3网络升级扩展余地要求大。随着电网的迅速发展，各种通信新技术不断的涌现，通信网也要相应的发展和变化。因此要求通信网络易于升级和扩充。

4点多面广、点对多点为主、容量要求不大。局部地区站点密度大，需要频繁的上下话路。

传统的IP技术适合传输非实时的信息，是面向非连接的。虽然路由灵活，但无法保证低时延、动态带宽等QoS要求，容错性和流量控制差，不能满足电力通信的高可靠性和实时性的要求，无法很好传输电力系统中的语音、视频会议等实时业务。ATM是面向连接的一种广域网技术，在QoS、流量控制等方面有优势，但ATM技术异常复杂，短途传送数据效率低。

3．MPLS在电力通信网中的应用优势

3.1.电力通信网中引进MPLS的必要性

MPLS技术融合了IP与ATM各自的优点，是IP与ATM的优势互补。其特点决定了MPLS很适合电力通信网发展的需要。

（1）MPLS支持QoS、流量工程、CoS（服务等级）.MPLS网络的数据传输和路由计算分开，能够以无连接方式或显示路由的方式提供面向连接的业务，保障传输业务的QoS需求和流量控制。良好的QoS保证和流量工程功能很好地满足了电力通信对可靠性和实时性的高要求。

（2）MPLS是一种与链路层无关的技术，它同时支持X.25、FR、ATM、PPP、SDH、DWDM，最大限度地兼顾了原有的各种技术，保护了原有投资和网络资源。在电力系统中，这一特点使得目前电力通信中使用广泛的SDH、ATM等技术，能够统一在同一个MPLS平台上，促进了网络互连互通和网络的融合，节约投资。

（3）MPLS支持大规模层次化的网络拓扑结构，进一步促进了网络功能的划分将复杂的事务处理推到网络边缘去完成，核心网只负责完成传送功能，这有利于在一个大的网络中维护IP协议的扩展性，具有良好的网络扩展性，路由器容量很容易扩展到大比特级。把MPLS引入电力通信网中，很容易解决现有网络的扩容升级的问题。

（4）MPLS支持大规模的虚拟专用网VPN。为了保证电力安全生产，必须保证各个应用系统具有相当的私密性和专有性以及各个系统之间的安全隔离。因此，各个应用系统建立各自的虚拟专用网络VPN是电网发展的客观要求。MPLS为VPN提供了技术支持保证，而VPN则是MPLS技术最重要的应用之一。

3.2.MPLS应用在电力通信中带来的优点：

电力专用数据通信网是电力系统正常运行的重要保证,为电力系统的生产指挥调度、行政管理和办公自动化提供了必要的保证。新时期,电力数据通信网承担繁重的业务信息传输任务,包括调度自动化信息、办公自动化信息、Internet信息系统、语音系统、多媒体系统以及电力市场支持信息系统等包含的各类应用业务。鉴于以上的分析，MPLS应用在电力通信网中将有以下的优点：

（1）在电力通信网传输的业务中,存在一部分关键性的业务,如调度电话、继电保护信号、安全自动装置信号、自动控制信号以及远程控制信号,虽然数据流量不大但对可靠性和实时性要求很高。这些业务要求通信系统能够容纳第1,2层协议,同时要求通信系统能够保证QOS和实时性。但很明显,纯IP网络无法达到电力关键性业务的传输要求。而MPLS是被事业界普遍看好的解决未来IP骨干网中QoS问题的关键技术,改技术结合ATM和IP的优点,能够保证达到电力系统的特殊要求。

（2）为保证电网安全可靠运行，现代电力系统都采用分层分级调度控制。各级调度控制的功能和目标有所差别，但都需要数据采集和监控即SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition），以此作为各级电网调度决策的依据。所以，SCADA系统是电网调度自动化的基础与核心，是电网稳定安全运行的保证，其地位和作用十分重要。SCADA对通信的基本要求是可靠、准确、及时，特别是要在紧急状态下能够快速高效动作，从而有利于调度人员很好地预测、控制和迅速恢复大的电力事故。与SCADA系统的接口必须要考虑到开放性的要求，使其有一定的通用性，还要考虑到实时性的要求,能满足电网调度的实际需要。对于电网调度自动化SCADA/EMS实时数据业务，针对其数据类型不同可以采用不同的接入方式。若是属于网络型数据业务，可直接接入，通过严格设定QoS保证数据传输的实时性和可靠性；若是属于V.24/V.28（RS2232ORRS485）标准的低速实时数据业务，可通过具备V.24/V.28接口的IP设备转换成IP数据包格式后，再通过MPLS域实现传送。

（3）以IP技术作为EMS与RTU间通信的通用标准在1998年已经提出。现在可以建立一种通过MPLS完成的RTU与EMS之间的连接模型（如下图）。在MPLS域内,由于MPLS支

图3利用MPLS建立RTU与EMS之间的连接模型

持用资源预留协议（RSPV）携带预定的标签信息来提供QoS,这样可以保证具有实时性的信号在网络中可靠,实时传输。MPLS可为不同服务等级的数据流建立不同的LSP,使得同一个物理网络可被分为多个虚拟网络,每一个虚拟网络代表一个COS（服务等级）,这些虚拟网络可以有不同的拓扑结构和信号源。这样,四遥信号可以与其他低等级信号共存于同一物理网络中,区别在与COS及不同的实现拓扑结构。除应当以最高优先级完成四遥信号的传送,还应有网络管理员在网络建设期间或业务开通之前人工制定主、备用LSP,以提高传送的可靠性。

结束语

从电力系统通信业务的发展需要来看，综合化、宽带化、智能化是发展的趋势。随着电力通信要求的提高，MPLS实现ATM与IP的结合将是一个必然的趋势。满足了电力调度、生产的各个应用系统的建设和发展。采用MPLS技术能够建造一个可靠、高效、安全的电力系统通信网。

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