電網主干數據網絡體系結構的設計與實現

摘 要：針對電網公司主干數據網絡的需求特點，為保證關鍵業務數據不會因為單點故障而中斷，在數據網絡的拓撲結構設計中采用具有冗余特點的三層體系結構，即在網絡設備和網絡鏈路上形成核心層、匯聚層的冗余網絡結構。為了提高關鍵業務流量轉發速度，數據轉發技術采用基于IP的MPLS技術，較好地與物理轉發進行有機結合。

關鍵詞：數據網絡；網絡拓撲設計；MPLS；IP SAN

中圖分類號：TN919.2；TM73 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）12-0056-03

Design and Implementation of Power Grid Backbone Data Network Architecture

ZHOU Mang，GAO Tong，LI Chenguang，JIANG Chenlong

（State Grid Changchun Electric Power Supply Bureau，Changchun 130000，China）

Abstract：According to the demand characteristics of the backbone data network of grid companies，in order to ensure that the key business data will not be interrupted due to single point failure，the three-layer architecture with redundancy is adopted in the topology design of the data network，that is the redundant network structure with core layer and sink layer formed on the network equipment and network link. In order to improve the forwarding speed of key business traffic，the data forwarding technology adopts IP-based MPLS technology and organically combines with physical forwarding.

Keywords：data network；network topology design；MPLS；IP SAN

0 引 言

隨著現代城市的快速發展以及居民生活和工業用電的不斷攀升，電纜的長度不斷增加，電纜運行維護工作面臨著巨大壓力。而電力企業對高壓電纜的管理還處于對運行狀況進行定期巡視和檢查，故障后進行檢修的階段，不僅耗費人力物力，而且使用肉眼觀察故障點使得，巡視效果得不到保證。因此，數據傳輸網絡建設迫在眉睫。而電網公司的主干數據網絡承擔著電網最重要的電力調度業務，如何保證關鍵業務數據不會因為單點故障而中斷是主干數據網絡設計需要考慮的主要問題。因此，數據網絡結構設計時需要在網絡設備和網絡鏈路上形成核心層、匯聚層的冗余網絡結構。除此之外，為了提高關鍵業務流量轉發速度，數據轉發技術應采用基于IP的MPLS技術，并與高性能硬件轉發進行有機結合，該技術支持流量工程、QoS、VPN等多種技術，提高了業務的靈活性。

1 主干數據網絡設計與實現

1.1 網絡拓撲結構設計

網絡拓撲即網絡的組網形狀，其將物理網絡的布局通過幾何學上的點、線、面形式抽象表達，因此，網絡拓撲結構是否合理決定著網絡數據傳輸是否具有可靠性和高效性。目前常見的網絡拓撲主要有總線型拓撲、星型拓撲、環型拓撲、樹型拓撲、網狀拓撲等。

總線型拓撲網絡是使用同軸電纜將所有工作站連接起來，總線兩端使用終端電阻，最大限度地消除傳送到末端的電信號，避免信號反彈所產生的干擾，所有工作站地位平等，無中央控制節點，信息發送采用CSMA/CD的廣播方式，隨著通信的節點增加，沖突概率也隨之增加。

星型拓撲結構網絡是各個工作站節點通過光纖或者雙絞線連接至中心節點，中心節點一般為交換機，數據轉發采用的是交換式以太網技術，數據轉發速率高，也是目前常用的組網方式之一，但其存在單點故障的風險。

環型拓撲結構網絡是通過通信介質，將所有工作站節點連接成環型，數據通過自舉控制方式沿著環型的一個方向在各個節點間傳輸，這種組網方式存在不易擴充、單點故障和維護較難的問題。

樹型拓撲結構網絡屬于分級控制網絡，屬于星型的拓展結構，成本低，是目前常用的局域網組網方式之一。

網狀拓撲結構網絡是各個工作站點通過全連接或者部分連接的方式組成的網絡，適用于廣域網絡組建，成本較高，維護比較復雜。

綜上所述，本文主干網絡采用基于樹型的三層體系架構，即核心層、匯聚層和接入層[1]。為了保證網絡的安全性和可靠性，在國家核心層、省級匯聚層采用了雙核心及上下行設備分開的架構設計，同時省級和地市節點具有城域網匯聚接入、專線匯聚及接入的功能。網絡拓撲結構中的核心和匯聚設備應采用新華三等廠商的電信級高端路由器，其主控板、業務板、電源都要進行冗余備份，來保證電網數據傳輸的可靠性。如圖1所示。

網絡拓撲中采用的IRF[2]技術為智能彈性架構，該技術為新華三研發的用于虛擬化的技術，其核心思想是將多臺路由設備通過IRF端口關聯在一起，從邏輯上形成一臺虛擬設備，讓這些設備協同工作和統一管理，即避免了單點故障影響正常業務數據轉發，也降低了形成環路的風險，便于后期維護與管理。如圖2所示。

1.2 數據轉發關鍵技術實現

依據上述設計，數據轉發關鍵技術采用MPLS（多協議標簽交換）技術[3]，該技術既支持目前較為廣泛采用的IP技術，又具有ATM快速數據交換的特點。MPLS利用路由信息建立基于標簽的虛擬轉發連接，這樣的優勢在于MPLS網絡中的設備不再依據目的IP地址查找路由，而是根據標簽轉發，從而加快了數據的轉發速度；MPLS建立的分組轉發虛擬連接可以為高層提供面向連接的服務，提高通信的可靠性；MPLS兼容多種鏈路層協議，可以連接不同局域網絡；MPLS還可以構建VPN網絡，實現流量工程，提供較高質量的服務。

MPLS網絡的成員節點主要包括三類[4]，分別為入節點（Ingress）、中間節點（Transit）、出節點（Egress）。入節點負責為進入MPLS網絡的分組添加標簽，中間節點依據標簽沿著一系列的標簽交換路由構成標簽交換路徑，將分組輸送給出口路由，出節點負責剝離分組標簽，從而轉發給目的網絡節點，具體如圖3所示。

主干網絡中MPLS中使用的標簽分發方式有兩種：

（1）下游自主方式：對于一個特定的等價轉發類，下游標簽交換路由為該等價轉發類分配標簽，并主動將標簽通告給上游的標簽交換路由。

（2）下游按需方式：對于一個特定的等價轉發類，上游標簽交換路由請求下游標簽交換路由為該等價轉發類分配標簽，下游標簽交換路由收到請求后，為該等價轉發類分配標簽并告知上游的標簽交換路由。

主干網絡中的MPLS VPN由三部分構成：

（1）用戶網絡邊緣設備：該設備通過結構直接與服務提供商設備相連，其不必支持MPLS。

（2）服務提供商邊緣設備：該設備處理VPN所有數據轉發，負責與VPN用戶建立連接和維護連接，并與其他對等設備建立標簽交換路徑。

（3）骨干設備：該設備具備MPLS轉發能力，根據外層標簽進行MPLS轉發，無須創建VPN用戶及相關表項的維護。

部分配置如圖4所示。

2 主干數據網絡中數據存儲網絡設計與實現

存儲體系架構從最初的DAS（Direct-Attached Sto-rage），經過NAS（Network- Attached Storage）和FC SAN（FC Storage Area Network），逐步發展到現階段基于IP網絡的IP SAN（IP Storage Area Network）架構。NAS是網絡連接存儲的一種架構，其是一種基于IP連接到局域網的文件共享設備，其使用一個專用的存儲服務器與網絡直接相連，通過NFS或CIFS對外提供文件級訪問服務，因此，NAS是一個優越的存儲方案。SAN是存儲區域網絡的一種架構，其通過網絡方式連接存儲設備和應用服務器，這個網絡專用于主機和存儲設備之間的訪問，當有數據的存取需要時，數據可以通過存儲區域網絡在服務器和后臺存儲設備之間高速傳輸，同時數據以數據塊I/O的形式在IP網絡上進行傳輸。iSCSI協議是一種IP存儲網絡技術。使用TCP/IP作為SAN的基礎設施，構建在TCP之上，將SCSI數據和指令打包成IP報文，實現IP網絡上的塊級數據傳輸和交換，提升了傳輸能力，也繼承了以太網和IP技術的優點。同時也是SCSI技術的延伸，通信機制使用發起端和目標端的方式建立連接，認證機制采用基于名字的方式。

本方案采用基于iSCSI技術的IP SAN存儲架構[5]。核心存儲設備使用高端萬兆存儲IX3040，屬于10Gb以太網iSCSI技術的高端萬兆存儲產品，其內部采用萬兆（12Gb）交換體系。而連接主機的前端接口則可根據不同需要分別為多千兆匯聚萬兆或萬兆以及FC/千兆/萬兆混合，從而保證了萬兆存儲的實際應用的可行性。存儲支撐的業務系統包括重點數據存儲備份、OA應用、FTP應用等，剩余存儲空間供今后新增業務使用。為了提高系統的可靠性，可設置2臺陣列實現數據互備，且分布在不同地理位置，實現互備容災。

3 結 論

針對電網公司主干數據網絡的需求特點，為保證關鍵業務數據不會因為單點故障而中斷，在數據網絡結構設計中需要在網絡設備和網絡鏈路上形成核心層、匯聚層的冗余網絡結構。為了提高關鍵業務流量轉發速度，數據轉發技術應采用基于IP的MPLS技術，與高性能硬件轉發進行有機結合。

參考文獻：

[1] 杭州華三通信技術有限公司.路由交換技術（第1卷） [M].北京：清華大學出版社，2011.

[2] 杭州華三通信技術有限公司 [C].//2008’中國教育信息化創新與發展論壇論文集，2008：359.

[3] 張曉翠.基于MPLS的流量工程與QoS的研究 [J].中國新通信，2018，20（7）：61.

[4] 董旭源，常鵬，王寶亮，等.校園網MPLSVPN系統的設計研究 [J].計算機應用與軟件，2017，34（10）：209-213.

[5] 任斌，孔德剛.基于IPSAN的高校存儲網絡研究與實現 [J].長春工程學院學報（自然科學版），2011，12（4）：117-118+142.

作者簡介：周莽（1973.08-），男，漢族，吉林長春人，碩士，營銷部主任，高級工程師。研究方向：用電營銷與智能電網。