海上油氣田多業務融合IP承載網應用研究

楊金麗，蔣徐標，白琳

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

隨著 “數字油田”“智能油田”等信息化戰略要求的不斷深入，各類信息化業務在海上油氣田的應用深度及廣度不斷延伸，信息化已經成為該行業實現“提質增效”，推進“二次跨越”的重要推動力。而伴隨各種通信技術特別是光通信技術、大帶寬微波通信技術、4G無線組網技術的大力發展，TCP/IP協議得到廣泛應用。IP 承載網是利用 IP 技術構建的多業務融合的專網，用于承載，如語音、生產控制數據、視頻會議等，對傳輸質量要求較高的業務。IP 承載網絡在海上油氣田生產運行中，已逐漸成為當前應用規模最大的網絡，相比其他形態的網絡，具有低成本、易擴展等優勢，是多業務的承載平臺，能夠帶來更高效、便捷、智能的信息服務。

1 海上油氣田網絡現狀和主要問題

海上智能油氣田建設需開通油田調度指揮系統、智能監控系統、油氣田知識庫、電力組網系統、專家系統等多個信息管理平臺。目前，海上油氣田運營的通信網絡結構非常復雜，特別是早期建設的油氣田各系統，如生產、辦公、語音、視頻采用不同的傳輸協議，各自獨立組網，帶寬利用率低，網絡負荷非常嚴重。當前各油氣田IP承載網主要存在問題有以下幾點：

1)網絡拓展性相對差。早期建設并投入使用的海上油氣田基礎網絡，只能提供時分復用(TDM)業務。現有通信網絡帶寬低、延時大、不支持多業務網絡承載、接入方式不靈活，帶寬資源緊張。同時，平臺各數據系統通信協議不同，系統之間通信需要大量協議轉換器進行轉換。因此，對于新增業務及數據流量的增加，該網絡結構需要很大的改造工程量，實施難度大。

2)網絡維護困難。各油氣田生產辦公系統獨立成網，在骨干層主要通過點對點的微波網和衛星網與陸地各信息中心連接，南海某氣田群衛星組網架構如圖1所示。從圖1中可以看出點對點的衛星系統，網絡結構簡單，但每一條鏈路需要一對調制解調器，因此陸地各信息中心會堆疊很多調制解調器，接線與接口復雜，難以實現遠程網絡管理；而海上平臺不同于陸地，現場維護非常困難。

圖1 南海某氣田群衛星組網架構示意

3)網絡運行成本高，信息共享代價大。智能油氣田信息化系統對IP承載網絡要求非常高，需要全程監控各節點網絡設備，而目前各油氣田網絡結構不能滿足實時遠程網管，因此需要投入更多的人力和物力進行維護，運維費用昂貴。海上油氣田為實現信息共享，需要增加協議轉換器或網管設備，從而造成故障隱患點和設備投資的增加。

2 多業務融合的IP 承載網絡建設思路及原則

根據已建平臺的數據流量統計信息，不同規模油田的生產、辦公系統數據流是可估的，采用IP承載網可根據不同業務流量需求規劃資源，而TCP/IP技術的QoS 保障和安全機制的部署，可以避免Internet 上的安全和質量難題[1-2]。通過IP承載網合理的規劃建設可以有效解決目前海上油氣田面臨的問題。

2.1 網絡拓撲結構要求

海上油氣田IP 承載網可分為骨干層、匯聚層和接入層。海上油氣田接入層網絡為油田不同信息系統提供IP端口，通過以太網將各業務系統接入帶路由規劃功能的井口平臺交換機；匯聚層網絡則以中心平臺為核心節點，各井口平臺信息流通過光纖、微波網接入中心平臺局域網；而骨干層為IP承載網的主干鏈路，通過衛星、微波接入陸地各信息處理中心，骨干層網絡為油氣田生產(包括油田數據庫、工控網系統、電力組網系統等)、辦公(包括日常郵件、會議、語音、視頻等)、公共網等數據業務提供快速傳輸通道[3-4]。中海油IP 承載網絡架構如圖2所示。

圖2 中海油IP 承載網絡架構示意

2.2 海上油氣田網絡規劃原則及技術要求

2.2.1 骨干層

骨干層在中心平臺與陸地信息處理中心之間、中心平臺之間的通信以衛星、微波為主，光纖為輔助，構建能夠覆蓋整個海上油氣田業務需求并提供安全穩定的骨干鏈路。骨干層路由器與SDH光端機或核心交換機對接，通過傳輸鏈路完成路由器互聯，具有較強的數據轉發功能，同時應具備多協議標簽交換(MPLS)功能，支持二、三層MPLS虛擬專用網絡，滿足不同業務數據流相互隔離的需求[5]。

2.2.2 匯聚層

匯聚層是中心平臺與井口平臺之間以光纜為主，微波為備用路由構建的覆蓋一個油田群內部業務傳輸需求的鏈路。井口平臺的功能、定員、物流等因素決定了業務數據流量的不同，每個井口平臺接入匯聚層網絡的帶寬需求也不一樣。由于早期建設的平臺網絡改造是一個長期過程，非IP業務在未來一段時間會與IP業務并存[1-2]。因此，對于與老油田有接口業務的新建油田采用MSTP設備滿足網絡既能承載IP數據業務也能支持傳統業務需求。而對于新開發油氣田，則在匯聚層和骨干層采用三層交換機，利用快速以太網技術搭建IP承載網絡。匯聚層的路由器或核心交換機要求有足夠的IP接口，能夠將井口平臺各業務數據匯聚至中心平臺。

2.2.3 接入層

接入層選擇IP網絡傳輸平臺，采用統一的以太網接口，降低了設備投資，保證了高可靠性。SDH光端機或三層網絡交換機端口不足時，需采用二層交換機進行擴展，并需符合實際工作的不同實際情況需求。在生活樓內距離報房較近的房間采用超五類雙絞線；對于生產區內各控制室，當超過報房100 m較遠距離時，采用光纖進行組網。

2.3 網絡規劃

2.3.1 多業務數據IP 封裝并統一規劃

對于油氣田已建平臺和新建平臺，通過構建多業務融合的IP承載網，能夠提高油氣田網絡的兼容性和延展性。近年來IP電話，IPTV，IP CCTV等技術應用越來越廣，為IP承載網的規劃和建設提供了良好的基礎。IP承載網通過標準以太網接口將海上平臺不同業務融合封裝成IP報文進行統一傳輸。海上油氣田IP數據封裝如圖3所示。

圖3 海上油氣田各系統IP數據封裝示意

2.3.2 MPLS VPN 技術實現業務隔離

海上平臺二層網絡交換機將所有業務根據傳輸類型劃分虛擬局域網(VLAN)。各個VLAN 的數據流通過平臺路由器進行VRF路由轉發表封裝并標記，每種數據包獨立使用一條VPN 通道[6]。數據包通過骨干網到達陸地信息處理中心，經過具備標簽交換能力的核心設備和交換機進行標記拆除和解封，還原為各個不同VLAN。

通過VLAN劃分和MPLS VPN技術隔離平臺各業務數據，使各業務數據傳輸更加可靠[7]。同時，海上平臺各業務進行虛擬隔離后，統一分配各VLAN的IP 地址，方便IP地址管理，避免了IP資源浪費。

2.3.3 冗余鏈路實現智能切換

目前海上油氣田骨干鏈路主要以衛星系統和對岸微波為基礎傳輸鏈路，上岸光纖通信系統則根據項目實際情況配置。其中，以微波或光纖為主，衛星為備用路由。當其中一條鏈路中斷時，平臺所有業務應能自動切換到冗余鏈路。

2.3.4 QoS 保障及信息安全

IP承載網絡應具備QoS 保障能力，能夠確保最高優先級的數據業務享有更高的帶寬分配。在帶寬資源不足時，應保證優先級最高的業務通信。同時在平臺內部采用VLAN技術，在中心平臺路由器利用MPLS VPN 技術隔離不同業務數據流，保證網絡信息安全，提高了海上平臺IP承載網的安全性和可靠性。

2.4 路由協議選擇

海上油氣田的IP承載網路由協議已由靜態路由升級為開放式最短路徑優先(OSPF)動態路由協議。OSPF是一個內部網關協議(IGP)，用于在單一自治系統(AS)內決策路由。OSPF也稱鏈路狀態路由協議，是功能最強大、特點最豐富的開放式路由協議之一。OSPF 具有自動計算功能，可以自動計算出鏈路耗費，自動選擇默認路由，采用路由耗費的缺省值可以大幅簡化OSPF網絡設計。OSPF路由器通過網絡接口的狀態來建立鏈路狀態數據庫，生成最短路徑樹，從而構造路由表[8]。

2.5 路由和流量規劃

以海上某油田群為例，中心平臺與井口平臺之間通過海底復合光纜連接，中心平臺則依托岸電通過上岸光纜、對岸微波和衛星接入陸地海油網。其中，上岸光纜為主鏈路，大容量微波及衛星為備用鏈路，IP承載網結構如圖4所示。

圖4 渤海某油田IP承載網結構示意

由圖4可知，油田主要業務集中在生產數據、語音、辦公、視頻等方面。根據數據屬性和重要性等級分別規劃為生產網(工控網)、辦公網、公共網三個虛擬網絡，設置虛擬網OSPF的Cost值，可實現最佳路由和流量規劃。同時，整個IP承載網絡可采用流量監控和QoS技術使網絡資源得到合理利用[9]。

井口平臺各業務數據流通過以太網幀標記進行標識，以保障各數據流的轉發保障等級，以太網交換機將各數據轉發至路由器，并通過光纜傳輸至中心平臺路由器。該路由器利用IP 報文轉發DSCP等級標識和VLAN標識，將各業務數據流按報文等級和MPLS VPN 路徑進行流量的隊列調度、擁塞控制和監管整形，通過骨干網轉發[10]。各業務數據流傳輸至陸地信息中心后再進行反向映射。

正常運行時，全油田業務數據全部通過上岸光纜進行傳輸，當海纜因船舶拋錨掛斷或故障時，則自動切換至微波通信及衛星通信系統。備用路由流量規劃如下：

1)衛星年租費隨著帶寬的增大而增加，整個油田生命周期內費用昂貴，因此在微波鏈路使用良好的情況下，衛星只用于傳輸語音信號(需要較高的穩定性，并占有較小的帶寬)及重要工控網關斷數據。而微波鏈路雖然穩定性相對衛星較差，但具有20～40 M的帶寬，同時設備價格也相對低廉，因此需要較大的帶寬的生產數據和辦公數據通過微波鏈路傳輸。

2)當衛星鏈路中斷時，語音業務及所有工控數據通過路由選擇自動切換到微波鏈路進行傳送。當微波鏈路因設備損壞或臺風等惡劣天氣中斷時，生產和辦公業務自動切換到衛星鏈路。同時，當衛星鏈路帶寬有限時，通過QoS保障語音和控制數據的使用帶寬，將辦公業務切斷，由此可避免視頻流等因占用衛星流量而引起語音質量受損或控制網中斷。

3 海上油氣田IP承載網絡規劃建議

對于目前海上油氣田使用IP承載網情況，規劃建議有以下幾點：

1)IP承載網的規劃應具有前瞻性，從整個油田生命周期出發不僅僅考慮已建油田和新建油田網絡需求和承載能力，應同時將未來油田發展納入規劃范疇。

2)匯聚層網絡需要根據海上油氣田發展情況分期逐步改造，并根據項目實際情況盡可能利用原有資源，節省投資。

3)充分利用IP承載網優勢，將三層網絡交換機組網(快速以太網技術)與SDH光端機組網互聯，提升整個油田信息承載能力。

4 結束語

目前已在四個海域油氣田進行IP承載網絡規劃和設計，特別是渤海區域借助完善的光纖通信網、微波網和衛星網，網絡架構升級改造已基本完成。通過構建的多業務融合IP承載網，將衛星、微波、光纜鏈路進行集成、冗余及自動路由選擇，大幅增強了通信鏈路的穩定性和安全性。IP承載網為海上油氣田提供有QoS 保障的VPN 業務，提高了海上平臺生產數據、語音、辦公等業務的服務保障等級，大幅減少了網絡中斷時間。網絡穩定性的提高也較大程度減少了網絡故障率，有效降低了運維成本和設備投資成本。