電力數據網絡可靠性保障方法

王文清 劉才華

摘 要：在全球能源互聯網背景下，安全穩定的電力系統是生產力發展的重要保障，而電力系統調度和信息數據是電網自動化的基礎，數據的重要性不言而喻。電力數據網絡系統的可靠性要求極高，我們如何才能保障并不斷提高電力數據網的可靠性，本文詳細闡述了數據網絡五個層次可靠性的設計方法和技巧，同時從三個方面介紹了常用可靠性技術。

關鍵詞：電力系統；數據網絡；可靠性

電力數據通信網是綜合性的廣域網絡傳輸平臺，是電力系統內各種計算機應用系統實現互聯的基礎，是電力信息基礎設施的重要組成部分。眾所周知，安全穩定的電力系統是生產力發展的重要保障，而電力系統的調度和信息數據是電網自動化的基礎，其數據的重要性不言而喻。電力數據網絡系統的可靠性要求極高，達到電信級承載網的要求。隨著電力市場化的進一步發展，采用自頂向下的網絡系統設計方法，在各個層次中從不同方面選取適合的可靠性保障機制，并綜合統一是電力數據網絡建設的必然趨勢。

1 數據網絡可靠性

1.1 電力數據網絡可靠性標準

可靠性較為公認的定義是元件、產品、系統在一定時間內、在一定條件下無故障地執行指定功能的能力或可能性。理論上衡量一套數據網絡系統優良與否的指標主要包括功能指標和性能指標，性能指標包括可用性、可靠性、可維護性和安全性。在現實實現中，運營商在開展通信業務時，最關心的三個因素是網絡的可靠性、網絡的可用性和網絡故障的處理能力，這三個因素都屬于可靠性范疇。

電力系統是國家經濟發展的推進器，其數據的重要性不言而喻。電力網絡系統的可靠性不僅是技術指標，也是質量管理的一貫要求，其遵循了6σ的標準，網絡設備的可用性要求達到99.999%，大致相當于設備在一年的連續運行中因各種可能原因造成停機維護的時間少于5分鐘，顯而易見超過了普通的民用網絡，達到電信級承載網的要求。作為業務承載主體的基礎網絡，其可靠性也因此成為日益關注的焦點。

1.2 可靠性技術矩陣

按照設備級、節點級、鏈路級、網絡級和網間級五個保障級別分別闡述。技術方面，分為備份保護技術、冗余保護技術和檢測技術三個方面。其中備份保護技術定義為被動的保護技術，在平時系統處于正常狀態時，將不起作用；冗余保護技術定義為主動的保護技術，不僅具備故障時的備份能力，在正常狀態時還可進行負載分擔等工作；故障檢測技術則是為保護技術的啟動服務的故障發現和報告技術。依此劃分原則，形成可靠性技術矩陣（見表一）。

通常來說，冗余保護技術因為既包含保護功能，又具備負載均衡能力，比備份保護技術更為先進，但冗余保護有時會帶來額外的投資，或某些技術僅限于某個廠家擁有，因此實際設計中是采用備份保護還是冗余保護，需要視情況而定。對于網絡系統中的某些關鍵部分，采用備份保護往往簡潔而有效。

2 層次化可靠性設計

要實現電信級IP運營，就必須在保證高帶寬、低時延、低丟包率等服務質量的同時，解決IP承載網的可靠性問題。這涉及到從設備級可靠性保證，到局部網絡級可靠性保證，再到全網級可靠性保證的每一個環節。

本章節將從設備、節點、鏈路、網絡和網間五個從小到大，從局部到全局的層次順序，對如何選用可靠性技術進行設計加以闡述。

2.1 設備的可靠性

網絡設備是組成多業務IP承載網的基本節點，其可靠性是整網可靠性的基礎，因此設備的可靠性成為整個系統可靠性的基礎。

各網絡設備的生產廠家對于設備可靠性的追求一直不遺余力，從最早的使用CPU作為運算器的設備設計，進化到如今主流的NP+ASIC搭配，采用數據轉發平面、控制平面和系統管理平面的分立設計，路由引擎（Routing Engine）和管理引擎（Management Engine）相分離，分布式硬件線速轉發技術，在提高數據設備性能的同時，也從根本上改進了設備板件級的可靠性。

在此基礎上，主流網絡設備的關鍵部件，包括主控單元、交換單元、電源、制冷系統等，都可采用熱備份設計，這是保證電信級IP承載網可靠性的最基本要求。

在網絡運營過程中，即使主控單元采用了冗余備份技術，在主控單元倒換期間，由于相鄰的網絡設備會中斷原有的連接關系，導致數據包無法繼續轉發，從而引起業務中斷。

于是出現了HA、GR和NSR等技術力圖在主控單元倒換期間，繼續維持鄰居連接狀態和報文轉發，進而保持業務轉發不中斷。同時注意在業務板件進行冗余設計的同時，將上下聯鏈路分配于不同的業務板卡上。

2.2 節點的可靠性

節點可靠性是設備可靠性的進一步發展。如何使節點失效幾率更小，穩定性提高，主要的設計思路是采用雙設備或設備組進行互備，以保證在其中一臺或幾臺設備失去工作能力的情況下不至于導致此節點從整個網絡系統中脫離。

VRRP和HSRP技術可用于將兩臺以上設備組成設備組并選舉出一臺設備作為主設備，利用其自帶的檢測機制，在檢測到主設備故障的時候從容將備設備推至前臺，代替主設備進行業務轉發。而GLBP不僅可以支持備份，更能夠提供負載分擔，實現冗余功能。

但對于可靠性的要求是永遠沒有止境的，于是在數通設備上出現了虛擬化技術，二層設備可以使用堆疊（Stack）技術使若干臺交換機作為一臺來使用和管理，而思科則率先推出了VSS技術，眾多安全設備廠家則多用設備間HA來進入這一層次。節點的可靠性設計中還可以考慮使用更加敏感的BFD和OAM等檢測手段，配合VRRP等備份和冗余協議，進一步細化節點故障檢測的粒度，使中斷時間能夠達到50ms級別。（下轉第154頁）（上接第152頁）

對于設備組的上下行路由，均要進行相應的雙歸設計。

2.3 鏈路的可靠性

設計的目的在于保證節點間端到端的可靠數據傳輸。鏈路可靠性由兩個層次決定，首先是通信信道的可靠性保障能力，其次是數據鏈路的可靠性設計。

通信信道的可靠性可以通過SDH/SONET或PON技術自帶的保護倒換功能提供，這種保護雖然只能提供備份，但在故障的反應速度方面具有很大優勢，因此現在的大多數數據中心內部組網方案也推崇使用POS口進行Full Mesh全連接的方式進行鏈路保障。

接口備份是比較早的用于數據鏈路可靠性保障的技術，但幾乎已被之后出現的各種具有冗余能力的保障技術所淘汰。如PPP協議可以通過MP-GROUP和Virtual-Template兩種方式創建MP，對于Ethernet，可以使用Aggregation進行聚合，使多條物理鏈路正常時能夠全部在用。

同時聚合技術還可以用于三層鏈路。鏈路的檢測一般使用BFD和Track等技術進行快速檢測，有些廠家設備還支持NQA與Track等協議的聯動，對鏈路出現的問題進行快速檢測，提高鏈路可靠性。

2.4 網絡的可靠性

網絡的可靠性可理解為在網絡局部出現停擺故障時整個網絡的自愈能力。網絡級可靠性的技術運用的非常成熟了，如較大的二層網絡主要通過STP/PVST或RSTP等協議，在避免環路的同時也對網絡進行備份保護。

而使用MSTP可以通過將不同VLAN的流量進行分別部署，可以達到冗余的目標。三層網絡使用動態路由協議進行選路和備份，對于關鍵路徑可人工部署FRR進行備份保護。

雖然TE目前只實現了部分功能，還無法實現RFC中設計的流量負載均衡的冗余級保護，但相信終有一天會有所突破，到時也會成為MPLS網絡核心匯聚層實現高可靠性的另一利器。

另有一些有助于可靠性提升的技巧可以用在多AS網絡的設計中，例如往往在AS或AREA邊界使用路由策略來過濾和聚合路由，以在AS或AREA邊界隔離路由震蕩。在部署路由反射器（RR）的BGP域中，常常設置若干RR形成RR組進行反射器的備份。而在故障檢測方面，除了各IGP自有的鄰接關系保持機制外，FRR通常需要BFD、Track、OAM等檢測手段才能有效且高效地工作。而SNMP實際也是一種檢測手段，雖然目前無法與其它保護技術聯動，但其Trap信息可將故障反映到網管上，方便網絡管理員處理。

2.5 網間的可靠性

很少有網絡能夠運用到網間級的可靠性設計，除非那些超大型的網絡且有非常高的可靠性要求。網間的可靠性是立于網絡級可靠性之上，更進一步的要求。

這種要求的設計實現很難通過某些具體技術能夠實現，而是要從整個網絡的結構設計來考慮，通過AS間的結構和業務流向的設計，在下向層次通過各種保護技術取得的可靠性基礎之上獲得更高層次的保障。

網間可靠性設計的總體思路是通過將各AS分級，形成不同作用級別的AS，利用AS對AS進行備份保護。在某些關鍵層次，還可以建設雙平面AS，力圖達到網間冗余。

3 結論

隨著“全球能源互聯網”構想成為提升為國家戰略，信息技術的支撐作用越發重要，其中數據網絡作為關鍵基礎設施，其可靠性要求將會越來越高。

近年來業內提出了很多新的可靠性技術，但都未脫離以上可靠性層次框架。電力信息化從業人員宜首先掌握可靠性的層次化設計思路，分析網絡層級和業務需求，在投入有限的情況下，優先考慮增加層次，避免在同一層次中堆砌多項技術而忽視了其它層次，提高資金利用率，獲得更好的可靠性收益。

參考文獻：

[1] 劉冬.IP承載的可靠性準則.華為技術，2007，1.

[2] 錢君霞，沈泓，霍雪松.江蘇電網110、35kV變電站電力調度數據網絡的建設與實施.中國電力，2008.10.

[3] 高雪生，陳冰.如何提高電力調度數據網承載業務可靠性.中國信息化（學術版），2013，06.

作者簡介：

王文清（1984-），女，本科，主要從事科研及管理工作，安徽繼遠軟件有限公司；劉才華（1983-），男，本科，主要從事信息通信技術研究和管理工作，安徽繼遠軟件有限公司。