0 引言

通信服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service,QoS）保證了接收端所需求數(shù)據(jù)的時(shí)延和可靠性要求。電網(wǎng)內(nèi)差異化QoS根據(jù)主要業(yè)務(wù)的時(shí)延、可靠性需求設(shè)定,幫助完成對(duì)設(shè)備的監(jiān)視、測(cè)量、協(xié)調(diào)和控制任務(wù),對(duì)電網(wǎng)故障處理與預(yù)防、維護(hù)、電力調(diào)度、運(yùn)行穩(wěn)定性均有指導(dǎo)性意義。由于QoS有多種實(shí)現(xiàn)方法,使用網(wǎng)絡(luò)資源分配的方法不同,找到一種能保證電網(wǎng)中報(bào)文時(shí)效性,且有效處理?yè)砣闆r,不易造成擁塞的QoS實(shí)現(xiàn)方法是十分重要的。QoS實(shí)現(xiàn)過(guò)程由數(shù)據(jù)流分類及標(biāo)記方法、流量管理與整形、擁塞管理和規(guī)避機(jī)制組成,文章將對(duì)上述內(nèi)容加以討論,并對(duì)比不同標(biāo)記方法、流量管理方法、隊(duì)列調(diào)度算法,對(duì)電網(wǎng)QoS進(jìn)行深入探討。

新能源接入電網(wǎng)后,電網(wǎng)主要業(yè)務(wù)分類如下。

1）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。包括低速和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：高速業(yè)務(wù)主要是Web業(yè)務(wù),如管理信息系統(tǒng)等;低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由故障信息業(yè)務(wù)、設(shè)備檢測(cè)、電力調(diào)度自動(dòng)化業(yè)務(wù)組成,包括SCADA和MIS類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)^[1]。其中SCADA數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性和時(shí)延要求很高;MIS類數(shù)據(jù)則有突發(fā)流量,對(duì)傳輸帶寬的要求很高。

2）語(yǔ)音業(yè)務(wù)。包括調(diào)度電話、行政辦公電話等,對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)性要求很高。

3）視頻業(yè)務(wù)。由視頻監(jiān)控和視頻會(huì)議組成,由于線路不可能由人實(shí)時(shí)看守,而線路的故障卻關(guān)乎系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,所以視頻類業(yè)務(wù)需要嚴(yán)格的時(shí)延和帶寬分配。

 1 QoS概述

QoS指一個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用各種技術(shù),增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信能力,解決網(wǎng)絡(luò)擁塞和延遲問(wèn)題,滿足用戶要求。QoS性能參數(shù)見表1所列。

IP QoS模型兼容性好,可以完成路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)決策,提高傳輸效率,最終緩解擁塞問(wèn)題。除了網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)的盡力而為服務(wù)類型,解決IP網(wǎng)絡(luò)中QoS問(wèn)題有2種方法：集成服務(wù)型（Integrated Service Model,IntServ）、區(qū)分服務(wù)型（Differentiated Service Model,DiffServ）^[2]。

表1 QoS性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of QoS

1）盡力而為服務(wù)型（Best-Effort Service Model）。最簡(jiǎn)單的服務(wù)模型,沒有針對(duì)QoS需求做出網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程。應(yīng)用層軟件在接入網(wǎng)絡(luò)后,不需要預(yù)留資源或通知網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一對(duì)待所有數(shù)據(jù),沒有加權(quán)過(guò)程,盡力傳輸報(bào)文,此時(shí)QoS沒有保障。

2）集成服務(wù)型（IntServ）。IntServ是端到端的基于流的QoS技術(shù),在發(fā)送流量前,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要通過(guò)資源預(yù)留協(xié)議（Resource Reservation Protocol,RSVP）向網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)?zhí)囟ǚ?wù)質(zhì)量,包括帶寬、時(shí)延需求等。在確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為該流量預(yù)留了資源后,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備才開始發(fā)送報(bào)文。IntServ存在局限性,首先,IntServ需要保證所有的節(jié)點(diǎn)都支持RSVP協(xié)議^[3],若存在節(jié)點(diǎn)不支持,則信令通過(guò)時(shí)對(duì)此節(jié)點(diǎn)無(wú)效,無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源預(yù)留;其次,IntServ需要定時(shí)與周圍網(wǎng)絡(luò)單元交換狀態(tài)信息,報(bào)文開銷大,無(wú)法在大型網(wǎng)絡(luò)中使用;最后,端到端基于流的技術(shù)需要節(jié)點(diǎn)中保留每個(gè)流的狀態(tài)信息,導(dǎo)致核心路由器負(fù)擔(dān)太大,因此擴(kuò)展性很差。

3）區(qū)分服務(wù)型（DiffServ）。DiffServ是為了解決IntServ可擴(kuò)展性差而提出的^[4],DiffServ是基于類的QoS技術(shù),在數(shù)據(jù)包進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)前,根據(jù)數(shù)據(jù)包內(nèi)容的優(yōu)先等級(jí)給報(bào)文分類并做標(biāo)記,后續(xù)的QoS技術(shù)根據(jù)IP報(bào)文標(biāo)記的優(yōu)先等級(jí)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的流量整形、流量監(jiān)管、隊(duì)列調(diào)度等內(nèi)容。然而,區(qū)分服務(wù)不需要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接受資源預(yù)留的信令,沒有端到端的預(yù)留帶寬,在數(shù)據(jù)擁塞的情況下服務(wù)保證受到一定的削弱。

 2 新能源接入通信網(wǎng)數(shù)據(jù)流分類與標(biāo)記技術(shù)

2.1 以太網(wǎng)優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)CoS

服務(wù)等級(jí)（Class of Service,CoS）是用于傳送QoS的一種方法。通常CoS是依據(jù)應(yīng)用程序類型（包括視頻、語(yǔ)音、文件和email傳輸?shù)龋⒂脩纛愋秃推渌诸惙椒?將數(shù)據(jù)包分類同時(shí)賦予不同優(yōu)
先級(jí)。

CoS技術(shù)為基于層的優(yōu)先級(jí)分類,分為802.1P第二層技術(shù)、服務(wù)類型（Type of Service,ToS）第三層技術(shù)。以層為類別分組是合理的,因?yàn)樵跀?shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中,需要應(yīng)用層的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)OSI 7層模型依次打包處理,通過(guò)電磁波的形式經(jīng)過(guò)物理層到達(dá)接收點(diǎn),再經(jīng)過(guò)7層到達(dá)應(yīng)用層供接收用戶使用;然而逐層打包會(huì)附加能量開銷且增加總傳輸時(shí)間,同時(shí),重要的控制信號(hào)或信令實(shí)際不需要經(jīng)過(guò)逐層添加報(bào)文信息,直接傳輸效果相同,所以存在跨層傳輸?shù)那闆r。

2.2 IP優(yōu)先級(jí)（IP-Precedence）

由RFC1122規(guī)定,三層報(bào)文表頭中前3位為IP優(yōu)先級(jí)標(biāo)志位。

8種優(yōu)先等級(jí)一般給到網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)、語(yǔ)音數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、語(yǔ)音數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),不同優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)了不同的用戶時(shí)延、可靠性需求,其中優(yōu)先級(jí)0為缺省值。

IP報(bào)文報(bào)頭高3位二進(jìn)制對(duì)應(yīng)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)^[5]見表2所列。

表2 優(yōu)先級(jí)定義Tab.2 Definition of priority

2.3 差分業(yè)務(wù)編碼標(biāo)識(shí)

差分業(yè)務(wù)編碼標(biāo)識(shí)（Differentiated Services Code Point,DSCP）在數(shù)據(jù)包IP頭部的服務(wù)類別定義字節(jié)中,利用已經(jīng)使用的6 bit和未使用的2 bit,得到DSCP的值的范圍0~63,數(shù)值越大優(yōu)先級(jí)別越高。IP-Precedence到DSCP的默認(rèn)映射規(guī)則見表3所列。

表3 IP-Precedence到DSCP默認(rèn)映射規(guī)則Tab.3 Mapping from IP-Precedence to DSCP

第2層CoS到DSCP的映射關(guān)系見表4所列。

表4 CoS到DSCP的映射關(guān)系Tab.4 Mapping from Cos to DSCP

2.4 單中繼段行為

報(bào)頭中的DSCP字段為報(bào)文選擇特定的單中繼段行為（Per-Hop Behavior,PHB）^[6]。

PHB根據(jù)DSCP值反映到入口節(jié)點(diǎn)后的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由選擇,這些路由分配了不同的網(wǎng)絡(luò)資源,可以根據(jù)QoS最大程度上滿足用戶需求。PHB服務(wù)等級(jí)見表5所列。

表5 PHB服務(wù)等級(jí)Tab. 5 PHB rank of service

 3 新能源接入通信網(wǎng)流量管理與整形技術(shù)

為了防止流量突發(fā)引起網(wǎng)絡(luò)阻塞,需要通過(guò)流量監(jiān)管和整形技術(shù)監(jiān)督數(shù)據(jù)流是否超過(guò)流量限制,進(jìn)而對(duì)有限的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行調(diào)度,大多使用令牌桶算法完成。

3.1 令牌桶

令牌桶算法通過(guò)令牌生成速度控制流量轉(zhuǎn)發(fā)速率。令牌是一種虛擬信息包,按照預(yù)先設(shè)定的生成速度添加到令牌桶中。對(duì)于需要流量監(jiān)管的報(bào)文,令牌類似于通行證,每一部分?jǐn)?shù)據(jù)包需要同樣數(shù)目的令牌才能使其進(jìn)入隊(duì)列,不管后續(xù)動(dòng)作進(jìn)入緩存區(qū)還是出端口,滿足令牌匹配原則才有機(jī)會(huì)發(fā)送到接收端,否則被丟棄。如果是丟棄或者重新標(biāo)記這個(gè)數(shù)據(jù)包,則是進(jìn)行流量控制^[9],如果等待新的令牌到來(lái)再發(fā)送,則是進(jìn)行流量整形;如果桶中無(wú)法產(chǎn)生新的令牌,報(bào)文將被直接丟棄。

3.2 流量監(jiān)管

流量監(jiān)管（Traffic policing）用于限制流入或流出某網(wǎng)絡(luò)的某連接的流量和突發(fā)。一般使用承諾訪問(wèn)速率（Committed Access Rate,CAR）對(duì)流量進(jìn)行控制。CAR示意如圖1所示。

圖1 CAR示意Fig.1 CAR diagram

圖中,紅色報(bào)文代表超出EBS的報(bào)文,即長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)或到達(dá)速率過(guò)快;綠色報(bào)文代表可以正常傳輸報(bào)文;黃色報(bào)文在圖中不需監(jiān)管,也可以直接傳輸;藍(lán)色報(bào)文的分組長(zhǎng)度在承諾突發(fā)長(zhǎng)度（Committed Burst Size,CBS）和擴(kuò)展突發(fā)長(zhǎng)度（Excess Burst Size,EBS）之間。此時(shí),不滿足令牌桶要求的紅色被丟棄,剩余3種正常通過(guò)。

3.3 流量整形

流量整形（Traffic Shaping）作用僅限制流出某網(wǎng)絡(luò)的某連接的流量和突發(fā)。流量整形技術(shù)有通用流量整形（Generic Traffic Shaping,GTS）、物理接口總速率限制（Line Rate,LR）。

1）通用流量整形（GTS）。同CAR,均采用令牌桶技術(shù)控制流量。2種方法的區(qū)別為：使用CAR進(jìn)行報(bào)文流量控制時(shí),將丟棄不符合流量特性的報(bào)文;而GTS行程緩沖區(qū),將不符合流量特性的報(bào)文保留,減少了報(bào)文的丟棄。GTS示意如圖2所示,緩存報(bào)文稱為GTS隊(duì)列。

圖2 GTS示意Fig.2 GTS diagram

2）物理接口總速率限制（LR）。LR依然利用令牌桶原理對(duì)流量進(jìn)行控制,如果路由器的某個(gè)接口預(yù)先配置了LR,對(duì)流量特性做出了規(guī)定,則所有經(jīng)過(guò)此端口發(fā)送的報(bào)文要先進(jìn)行LR令牌桶控制。根據(jù)LR令牌桶中令牌數(shù)量的足夠與缺失決定報(bào)文的發(fā)送或并入隊(duì)列等待發(fā)送。

 4 新能源接入通信網(wǎng)擁塞管理與規(guī)避機(jī)制

在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中,存在可靠傳輸層傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol,TCP）和不可靠傳輸層用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol,UDP）,這2種機(jī)制與信息重傳相關(guān)。TCP協(xié)議可解釋為若接收節(jié)點(diǎn)確實(shí)收到發(fā)出節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的報(bào)文,那么會(huì)反饋相應(yīng)數(shù)據(jù)包通知發(fā)出節(jié)點(diǎn);若沒有收到,經(jīng)過(guò)設(shè)置的時(shí)間閾值后,發(fā)出節(jié)點(diǎn)會(huì)再次發(fā)送認(rèn)為丟失的數(shù)據(jù)。UDP協(xié)議則為發(fā)出節(jié)點(diǎn)不重新發(fā)送數(shù)據(jù),并不在意接收節(jié)點(diǎn)是否真實(shí)收到數(shù)據(jù),或數(shù)據(jù)丟失。這種情況下,即使采取流量監(jiān)管和整形,也無(wú)法控制發(fā)送端由于重傳機(jī)制重新發(fā)送數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生
速度。

由于到電網(wǎng)中的報(bào)文傳輸需要精確性和可靠性,重傳機(jī)制需要納入考慮范圍。由此,QoS需要使用擁塞避免和擁塞管理機(jī)制。

4.1 擁塞避免機(jī)制

擁塞是指到達(dá)通信子網(wǎng)中某一部分分組過(guò)多,網(wǎng)絡(luò)來(lái)不及處理,網(wǎng)絡(luò)性能因此下降^[10],嚴(yán)重時(shí)造成死鎖現(xiàn)象,使得網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)中斷。

擁塞避免機(jī)制用于降低重傳動(dòng)作頻率,在緩沖區(qū)有擁塞情況或即將出現(xiàn)擁塞情況時(shí)丟棄部分報(bào)文,控制流量為網(wǎng)絡(luò)減負(fù)。由于UDP協(xié)議不考慮重傳,由支持UDP協(xié)議節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文可以通過(guò)流量監(jiān)管和整形進(jìn)行限制流量;支持TCP協(xié)議的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文則通過(guò)擁塞避免機(jī)制完成控制發(fā)送速度的目的^[11]。

4.1.1 隨機(jī)早期監(jiān)測(cè)算法

隨機(jī)早期監(jiān)測(cè)算法（Random Early Detec