（电力系统及其自动化专业论文）广域测量通信网络的分析与设计.pdf

第1 章电力通信网络概述 电力通信是电网生产运行中的重要环节，对电网的安全、稳定、经济运行起着不可忽视的 作用。电力通信网络监控中心担负着对全国电力系统通信网干线电路及本部通信设备运行状况 的监视、检测、维护、控制和管理的重要任务。 电力通信网络为电力部门提供多种业务的服务，包括语音通信、电视会议、l a n 数据传输、 虚拟网划分、实时数据传输等，通信服务的对象不再单纯是电力调度。特别是随着信息化时代 的到来，电力工业现代化水平的提高，电力工业各部门都离不开电力通信，而且要求越来越高。 电力通信网络涉及到数据、话音和视频的通信。不同的应用类型具有不同的特征，且需要 不同的网络环境。例如，电力行政电话、调度电话及呼叫中心是实时的话音应用，要求低延迟 和低抖动；电力办公自动化( o a ) 则是数据应用它对延迟和抖动无严格要求，但对数据包丢失 和误码率要求较高，需要宽带网络支持。其中一些业务要求通信网络提供优质可靠的服务，例 如电力调度自动化系统( d a s ) 和电力保护信号是要求高可靠性的网络系统，数据采集与监控 ( s c a d a ) 系统和功能更强的能量管理系统( e m s ) 其可用率要求达到9 9 7 ，对质量要求 比特差错率不大于l o 一。对于输电线路纵联保护的远方保护系统，要求通道具有极高的可靠性 和极短的传送时间，可用率指标为9 9 8 ”】。因此着实提高电力通信网络的服务质量是电力通 信网络发展中必须重视的问题。 对于w a m s 系统的开发与研究，我们同样要面对系统的通信网络设计的关键问题。数据通 信系统是组成广域测量系统的重要部分。在一个广域测量系统内，分散着各个计算机采用局域 嘲形式，通过子站与主站问实现监控功能与数据共享儿存储。因此一个可靠性高、功能强大、 无处不在的、方便使用的通信系统是一个现代化电力系统的十分重要、不可缺少的部分。 随着通信技术的发展目前可采用的通信手段和通信系统构成形式很多。从目前的技术水 平来看，尚没有热和一种单一的通信手段能够全面满足各种规模、各种层次的电力系统自动化 的需要，冈此必须对各种通信技术的长处和短处有较全面的了解，并根据所对应的自动化系统 的实际情况，选用一种合适的数据通信系统构成和通信方式，或者采用多种、多层次的系统构 成和通信方式的混合使用来满足与适合实际的需要。【1 5 1 f 1 6 ”】 电力系统自动化系统对通信系统的构成和要求取决于系统规模、复杂程度和预期达到的自 动化水平等主要体现在以下几个方面1 4 i ： 通信可靠性。具有在大量的、远距离传输数据过程中保证数据通道的通畅，误码率低， 并具备一定的误码检测和纠错能力建设费用较低。通信设备具备较高的性价比。但另 2 交换机 交换机是网络中的重要设备，它包含很多与局域网或基于端口的单个设备相连的高速端口。 交换机有很多 种，每种都支持 l ：同速度和不 同类型的局域 网，如以太网、 令牌环、f d d i 和a t m 等。与 网桥所有的端 口半分局域网 的带宽不同，交 图27 以太网交换机 1 卜1 l l o m n s 以 _ 一a 阿 o 换机是种更加“聪明”的设备，它把整个局域网传输带宽分配给每一个端口到端口的帧传输。 下面的例子说明了这个问题。 当交换机用作图2 7 中连接局域网段时，它会被用作网段交换设备。如果节点a 发出的一 个数据帧目的地址指向节点e ，交换机就会在端口l 和端口3 之间路由这个帧。在这种情况下， 端口3 和4 仍可以自由地以1 0 m b ，s 的速度发送数据。如果节点a 发送一个信息帧给节点b ， 交换机就会把这个数据帧限定在包含结点a 和b 局域嘲段中。所以，交换机会判断信息的流向， 通过生成基于每一个信息帧的虚电路来使整个网络带宽最大化。 与网桥相似，交换机只根据帧内目的m a c 地址做出简单的相关传输判断。传输的判断并 不考虑帧内的其他信息。但另一方面，交换机不像是种软件，它是用高速硬件完成大多数t 作，提供的性能接近简单局域网，而优于网桥局域网。 交换机是专门设计用来克服由于带宽不足或出现网络瓶颈而引起的局域网性能问题的设 备。交换机经济地把网络分成| 个小小的冲突域，为每一个终端工作站提供一个较高的带宽百 分比。交换机更应该被看作带宽提供者，而小应看作是安全、冗余、控制或网络管理的资源， 尽管最新的交换产品能提供这些功能。 集线器 集线器也是物理层的一种设备，它很像一个共享总线或者一个多端口中继器。所有连接到 同一个集线器的设备都属于同样的冲突域，连接到集线器上的设备会收到所有其他连接到同一 个集线器的设备传过来的信息帧。集线器价格便宜，使用非常简单，因此也成为了局域网中非 常通用的一种连接设备。 网桥 网桥在o s i 模型中数据链路层的介质访问控制( m a c ) 子层工作。它侦听所有互联网段间 的通信，检查目标网卡地址，将其与内部地址表比较以决定是否将一帧数据传到网络的其他部 分。网桥在某种程度上像一个软件。网桥使用时只需对其进行少量的配置，而且网桥可以连接 不同局域网技术的网络。 应用网桥时，应控制各网段或工作组对主干嘲的访问，防止主干网过载危及整个组织的通 信。如果只将网络互连设备和少量的大服务器直接连接到主干网，直接连到主干网，就可以减 少影响主干网的软、硬件错误。 网关 网关的通俗叫法是协议转换器，它可以在两种完全不同的协议之间进行数据转换。嘲关工 作于数据链路层之上的协议层，对于连接的两端是透明的。 网关是唯一可以把网络传输的形式从一种协议结构转化成另一种协议结构的网络互连设 备。例如，网关可以将t c p f i p 网与s n a 网连接起来。网关也可以遵照t c p i p 协议，将o s l m o t i s 邮件转换为s m t p 邮件进行传输。 另一方面，协议转换是一个软件过程，这一过程较慢。网关接收到一种通信结构的信息帧， 必须通过为协议栈的每一层协议重新建立信息报头，将这些信息帧转换为另一种通信结构。 在连接任何两种不同传输结构的网络时，网关是必须的。 在选择网络连接设备的时候，常常要考虑如下因素 设备的硬件特性； 设备的软件特性； 设备的升级费用； 所支持的网络结构； 可以提供的网络传输速率。 2 4 服务描述和特性 网络服务( n e t w o r ks e r v i c e ) ，在这里被定义为网络在性能和功能上的品质。服务主要表现为 两个方面：由网络提供给系统其余部分( 设备、应用和用户) 或者是网络中由用户、应用或设 备提出一组要求。性能的品质通过容量，延迟和r m a ( 可靠性、可维护性和可用性) 来描述， 而功能可以描述为安全性、计帐、进度安排和管理。 现代的许多网络服务是基于“尽力而为”( b e s t - e f f o r t ) 传递的。除“尽力而为”传递外， 我们还可以考查一些新类型的服务，包括高性能服务、可预测的服务以及有保证的服务。这些 l o 新的服务要求我们用从不同的角度看待网络。 服务特性 服务特性是用来描述服务的单个网络性能和功能参数，服务特性可以网络服务商提供的， 也可以用户或应用所要求的。从网络中请求的服务的特性也可以看作为对该网络的需求。 服务特性的例子可以是对用户定义一个安全或者隐私级别，给远程用户提供1 5 m b s 的峰 值容量或者给服务器提供一个最大往返程延迟为l o o m s 的保证。【7 】【” 服务特性有效的前提是必须将其定义为清晰的端到端之间的网络服务。需要说明的是，这 里所说的端到端并不一定是从一个用户的设备到另一个用户的设备之问，其可能定义在网络之 间，或者定义在专用设备之间。 服务品质 服务特性是分组在一起的一个和多个服务品质( s e r v i c el e v e l ) 。对服务品质进行分组使服务 更易于对一组服务特性( 服务品质) 而不是大量的单个特性进行配置、管理。例如，一个服务 品质可能结合了容量和可靠性。服务品质也为计帐方面提供了可靠的根据。从服务提供商的角 度看待网络，给用户提供收费的服务；对组网的这种看法在企业网络中变得日益流行，组网的 用户也不再将网络看作一个纯粹“烧钱”的东西。 存在很多种描述服务品质的方法，包括帧中继的承诺信息速率( c o m m i t t e di n f o r m a t i o nr a t e ， c i r ) ，主要表现为容量的特性；a t m 网络也提供了5 种服务级别( c l a s so f s e r v i c e ，c o s ) ，结 合了延迟祁容量的特性；l p 的服务类型( t y p e o f s e r v i c e ，t o s ) 和服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ， q o s ) 则为流量调节功能，它对流量进行优先级别划分。 s l 服务度量 服务度量关键是给服务进行量化，使服务性能需求和特性有用，使它们在系统中可以配置、 可估量和可校验。阚值被定义为性能特性两个值组成的一个区域，跨越该区域的边界就会触发 一个动作。限制是一个适合与不适合区域之间的边界，被取为性能特性的上或者下边界。超出 限制一比越过闽值更严重，造成的结果往往也更严重。 网络设计人员通常定义一个阈值以区分特性服务的低性能和高性能。低性能和高性能都是 适合服务需要的，阈值用来表示是否跨越了边界。这一阈值可以在网络中度量和监视，在闽值 被跨越时触发一个动作。例如，可咀测量+ 个路径的往返程延迟来确定网络的性能是否达到要 求。 闽值和限度在支持服务方面是一个很重要的服务度量应用。我们在理解和控制网络中的性 能品质时往往要通过阈值和限度。 2 5 性能特性 网络提供的服务往往包括一个和多个性能特性：容量、延迟和r m a ，每一个特性实际上都 是这一类型特性类的一个指标。容量是到将信息从地转移到另一地的指标，比如带宽、吞吐 量。同样地延迟是包括端到端延迟、往返程延迟和延迟变动量的特性类指标，r m a 是包括可靠 性、可维护性和可用性的特性类指标。容量、延迟和r m a 又是相互联系，互相制约的。 容量 容量是对系统传输信息能力的估量。与容量相关的有一些术语，比如带宽、吞吐量。带宽 ( b a n d w i d t h ) 是系统一个或多个网络设备或者通信链路的理论容量。因为容量并没有考虑到高 层协议的开销或者与系统中的低效率相关的性能损失，所以用吞吐量( t h r o u g h p u t ) 来表示系统 或者网络设备实际可实现的容量。吞吐量的值因系统的设计、线缆的布置和配置以及在协议栈 何处测量而不同。在描述系统、网络和设备的容量时，带宽和吞吐量都是重要的术语，它们对 容量进行了不同角度的描述。 例如：s 研幅t 光载波o c - 3 c 链路的带宽是1 5 5 5 3 m b s ，其是o c 1 链路带宽( 5 1 8 4 m b s ) 的三倍。这带宽并不包括数据链路层、网络层或传输层协议( 例如，a t m 、口或者传输控制 西议佣户数据报协议( t c p a j d p ) ) 的开销，不包括广域网中因网络中的带宽延迟设备而 带来的性能损失。当一个网络在其理论容量点运行时，我们说其运行速率为线速率。测试一个 o c 3 c 线路时，可实现的容量( 吞吐量) 值变动的范围大约是8 0 1 2 8 m b s 。 延迟 变时i 交 非实时 + 交互式猝发i 交互式丈宗 严格 源和目标之问的定时关系宽松 图2 7 延迟类型 延迟( d e l a y ) 定义为跨越系统的信息传输中的时间差。延迟是一个信息单元( 位、字节、 信元、帧或者分组) 从源到目的地的传输时间差。与容量一样，描述和估量延迟的也有不同的 考虑，或者被组合到复合流量中。复合流量是对来自多个应用的需求或者共享同一个链路、路 径或网络单成分流量组成。大多数网络中信息的传输都是以复合流量的形式进行的。图2 9 显 示了流量的几个例子。第。个例子是单成分流最，由应用的单路延迟需求组成( 单向流量) ；第 二个同样是单成分流量，但容量需求是双向的；( 上行通常是朝网络核心的方向，下行常朝向网 络的边缘) 第三个流量是复合流量，列出了来自同一个源的3 个应用需求；最后的例子使用了 性能简档来描述流量的性能需求。 关键流量 一些流量比其他流量更为重要，它们的性能更高或者有严格的需求( 例如，任务关键的需 求、速率关键的需求、实时需求等) ，而一些流量是为较为重要的用户、应用和设备提供服务， 这样的流量称为关键流量。我们在网络设计中，将考查如何确定流量何时是关键的，因为关键 流量是要优先考虑的。 流量优先化焉 一。0 0 n 群嚣近；f 卜 为网络开发和描述流量的时候，给流量确定优先 级是很有用的。流量优考化是根据其重要等对其分等 p 。卜一：器：誊；事 这可以用不同的方式来描述，取决于具体的环境。可 以根据图2 8 流量特性中显示的特性，根据其重要性r 氐 应用i ：5 0 0 k n sr n 对流量进行优先化。遗，卜向盏，竺并碧甚鲥 对流量进行优先化的目的，是确定哪个流量应获r 譬、 得最大的资源以及哪个流量应首先获得资源。典型地，妒+ 一应用1 ；忡能简档1 + 主要资源将获得晟大的资金支持。这是看待如何在网 络中分配资金的一种全新方法。网络设计者可以使用 图2 - 9 流量示例 超过一个参数进行优先化，也可以优先化创建多个层次。可以分别通过所服务用户的数量、可 靠性来对流量进行优先化。根据经验，给每级预算的分配中，最高级预算一半；中间级预算3 8 ： 最低级预算1 8 。 了解这些通信网络的基本概念后，我们便可以对通信网络进行分析与设计了。 6 第3 章广域测量通信网络的分析 3 1 广域测量系统的通信业务 广域测量系统中的通信网络是系统不可缺少的重要组成部分，也是系统能否正常运行的关 键部分。通信网络的稳定、高效运行是电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础， 是确保电网安全、稳定、经济运行，功能涉及语音、传真、数据、图像传输、远动保护、电力 监控、移动通信等领域。 对于广域测量系统，通信的业务可划分为关键运行业务和事务管理业务两大类。关键运行 业务是指远动信号、数据采集与监视控制系统、能量管理系统、继电保护信号等；事务管理业 务土要包括管理信息数据等。关键运行业务信息量不大但对通信的实时性、准确性要求很高； 事务管理性业务则是业务种类多、变化快、通信流量大。 电力系统运行时，各级调度中心及各发电厂、变电所相互之间传递的反映系统运行状态和 进行控制调节的信息综合称为电力系统调度信息。在广域测量系统中涉及的信息均属于电力系 统调度信息。 调度信息按功能要求，可以分为以下三类”l ： a ) 实时信息( r e a l 石m ei n f o h n a t i o n ) ，注意这里的“实时”和上章中介绍的“实时”的概念 有区别。电力系统中实时信息定义为反映电力系统实时运行状态和进行设各控制调节的信 息。例如反映电力系统中发电厂、变电所内各断路器的台分状态、并隔离开关的合分状态 的遥信信息：反映电力系统中发电厂、变电所和线路的运行参数，线路的有功功率、无功 功率、电压、电流、频率以及统计电能量的脉冲量等的遥测信；遥控信息，即调度中心向 所管辖的发电厂、变电所发送的断路器合闸、分闸，发电机开机、停机以及电容器和其它 自动装置投入切除的遥控命令。 b ) 批次信息( b a t c hi n f 0 1 1 i l a t i o n ) 。上级调度中心需要的管理服务的数据、报表以及对电力系统 安全、经济运行进行运算后的一些结果数据。其实时性要求较低，可以等待到当通道无重 要信息传输时按批次发送。 c ) 其他信息：特殊电站、终端的信息。例如水情信息( i n f o m 埘o no ff e g i m e n ) ，用来反映电 力系统有关地区内水情气象，此类信息对调度中心进行运行调度很有价值，例如水电站的 水库水位信息可以协助调度人员对水电站进行发电计划安排。雷雨信息有助于进行电力系 统事故预想。 该装置采用q n x 操作系统，q n x 嵌入式实时操作系统的特点： ( 1 ) 硬实时性 由于q n x 体系结构的这种特点，使q n x 实时操作系统非常实时、稳定、可靠、强壮。作 为实时性的两个主要指标的上下文切换和中断延时，其时间指标都在微秒一级。 ( 2 ) 高可靠性 q n x 实时操作系统的微内核加全面地址保护的结构，保证了运行系统的稳定性、可靠性和 强壮性，被无数用户在诸如医疗仪器、控制系统与自动化工程、电通网通、航空航天、铁道工 程等任务关键型应用领域的应用实践所证实。 此外q n x 还有一个h i g h a v a i l a b l e t o o lk i t ，可以给需要特别高可靠性的进程增加一个控制 线程，一旦该线程发生异常，控制线程可以按照事先确定的方案采取相关措施。 ( 2 ) 强大的网络功能 q n x 支持与异型机器之间网络通信的协议，如t c p i p 族的各种协议。q n x 机器自身之间 通信使用的协议，将多台q n x 物理机联成一体，在各物理机之间共享各种资源，使各物理机 联结成为一台逻辑机。对于需要分布式并行计算的应用系统而言，q n x 系统的这种特点无疑提 供了极大的方便。 ( 3 ) 对p o s i x 标准的高度兼容性 q n x 实时操作系统还是一个开放的系统，其应用程序接口完全符合p o s l x 标准。使 l i n u x u n i x 程序能够方便地移植到q n x 系统上来，极大地扩展了q n x 系统的可用资源。 3 3 通信网络的r m a 要求 在第二章中，我们介绍了r m a 的概念，r m a 是指网络的可靠性、可维护性和可用性。这 三个特性是相互关联的，它们的具体解释请参考第二章。可靠性代表了预料外的服务断供期， 可维护性为系统出现故障到将其恢复到完好状态所用时间的统计度量；两者结台就形成了故障 时间与恢复服务所需时间的关系，即可用性。 可用性的一个常用的、更易理解的度量是正常运行时间和停工时间的百分比。用百分比来 表示的时候，取的时间段可以是每周、每月、每年。常用的可用性百分比如下图，范围从9 9 到9 9 9 9 9 。 正常允许的停1 = 时间数 l 运行时间 ( 小时、分、秒每时间段) 每年每月每周每天 9 9 8 7 6 小时7 3 小时1 6 8 小时1 4 4 分钟 9 在9 9 9 9 9 8 7 6 小时4 4 分钟 1 9 分钟1 4 分钟 9 9 9 9 5 3 分钟4 4 分钟1 分钟 8 6 秒 9 9 9 9 9 5 3 分钟2 6 3 秒6 秒 0 8 6 秒 运行时间已 经达到了设备可提供性能的边缘，但其所消耗的资金也是非常巨大的。 在这里我要指出的是很多系统断供期( o u t a g e ) 在时间上都是非常短暂的，对用户及其 应用不会产生影响。但对于广域测量系统的网络，可靠性的要求是非常严格的。对于一个每周 1 0 分钟的停工时间，这么长 冀：0 ：篙：裹= 篓十臀卜一陛肛* h次1 秒的暂停分布出现，这样 一 ：! 的效果也是不同的。正常运行 ；+ 时间需求低于9 9 9 9 1 扣j ，被看 图31 测试网络和高低性能之间的正常运行时间闽值 作低性能，高于9 9 9 9 的被看 作高性能如图3 1 。 正常运行时间的测量 现实中的一些网络可以忍受每年5 3 分钟的累计停工时间，但是当发生一次5 3 分钟的停工 时间却是不可接纳的。对于广域测量系统的网络，我们不能允许某一次十几分钟的故障情况， 因此，每周测量的9 9 9 9 的正常运行时间比每年9 9 9 9 的正常运行时间更有意义。 对于测量正常运行时间的位置，也是需要认真考虑的。如果对在何处进行测量不加任何陈 述，则是在网络中任何地方的停工 时间都对整体正常运行时间产生影 响。在哪里测量的正常运行时间应 该明确陈述，这是有区别的。例如， 当考查服务器或者专用设备的性能 时，就不需要考虑网络的一般正常 运行时间。当一个正常运行时间测 量位置应用于网络的任何地方时， 任何设备的服务丢失对整体正常运 行时间都产生影响。对于上图3 2 ， 假如我们将正常运行时间精炼，仅 、 域网c 卜 局域嘲d ) 一 ，7 服务器服务器 图3 2 正常运行时间的测量位置 应用于每个用户局域网与服务器局域网之间，即只测试局域网a 与局域d 之间，局域网b 与局 域网d 之间的正常运行时间，这种情况下，局域网a 、b 之间的服务丢失的话，不会对整体正 2 0 常运行时间产生影响。 通常，测量正常运行时间时，可以将测量点设置在l a n w a n 接口、路由器入口点出口点 以及分布在整个网络种的监视站。 正常运行时间的测量中，应该以缺少连通性或者丢失率( 信元丢失率、帧丢失率或者分组 丢失率) 进行衡量。对于很多应用来说，经验显示，2 的分组丢失率就足够导致应用会话丢失。 因此，分组丢失率人于2 的时间被计算在停工时间内。 最后，正常运行时间的要求应该包括如下方面f 7 】： 通信网络中每一路由器和用户设备上每周测量的正常运行时间的要求。 在服务器群的路由器和网卡处每周测量的正常运行时间要求，同样要使用p i n g 来测试 用户局域网和服务器局域网之间的连通性。 需要说明的是，这些停工时问不包括用于维护所安排的停工时间。 3 。4 通信网络的延迟分析 延迟时通信网络中晟重要的性能特性之，我们主要通过系统的端到端、往返程延迟和延 迟变动作为延迟需求的表征。 之前，需要使用一些有用的通用阈值和限度：交互延迟、人的反应时间和网络传播延迟， 是三种非常典型与通用的闽值，这些阂值和限度帮助我们区分网络的高性能和低性能延迟需求 时非常有用。 交互延迟( i n t e r a c t i o n d e l a y ，i n t d ) 是对用户在交互式会话中愿意等待来自系统的响应多 长时间的一个估计，在这里，会话是一个比较抽象的概念，不能简单理解为网络的中两个用户 之i 可的对话，它其实是应用处于活动态的时间段，是一种广义的信息交流对话。交互延迟取决 于用户的行为、环境和所使用的应用的类型。它的范围可以从几百毫秒到1 分钟或者更多。一 般情况下，有效的估计为1 0 s - - 3 0 s 。交互延迟的估计在构建网络、刻画应用的特性时非常重要。 这适用于事务处理应用以及文件传输和一些数据库处理。交互延迟的上限是对用户容忍级别的 一种测最。 人的反应时间( h u m a nr e s p o n s et i m e ，h r t ) 是对用户开始感觉到系统中延迟的时问闽值 的估计。因此，当系统的反应时间比人的反应时间小的时候用户不会感觉到系统的延迟。一 股情况下，人的反应时间的一个良好的估计值为l o o m s 。h r t 对于高度交互式的应用是非常重 要的，因为这些应用的等待时间不应该被用户所感知。广域测量通信网络中的1 类信息的理想 目标是将延迟限制在人的反应时间内。 2 人的反应时间 _ + 交互延迟 网络的传播延迟卜- 卜 - 延迟( 秒) 图3 3 用户需求的延迟估计 网络传播延迟( n e t w o r kp r o p a g a t i o nd e l a y ) 是对于信号通过物理介质或者链路时间的估计。 这是端到端和往返程的网络和系统提供延迟估计的一个最低限。网络传播延迟取决于距离和使 用的通信媒介。 图3 3 表示了以上三者之间的阈值和限度。 上一节中我们还介绍了交互式猝发应用和交互式大宗应用交互延迟和人的反应时间一般 情况下可以作为交互式猝发应用和交互式大宗应用的性能阐值。在广域测量系统中。猝发应用 往往表现为：电力系统的开关量、故障信息、遥测的模拟量与遥控的合闸、分闸信息。这些信 息要求实时性较高，但数据量往往比较小：可以划分为广域测量系统中的l 类信息。还有一种 信息称为批次信息，它包括系统一f 1 经过经济运算后、为管理服务的数据报表，或者测量的历史 数据，用来进行系统分析；这样的信息数据量较大，但对实时性要求不是很高，可以划为2 类 信息，对应这里的交互式大宗应用。根据这样的信息需求特性，我们可以得到下图的应用需求 时间阈值。 图3 4 中，使用了人的反应时间合交互延迟作为区分应用的时间闽值。这两个延迟估计之间， 延避( 杪) 图3 4 广域测量不同应用的延迟性能区域 有一个灰色区域，根据网络的运行状态，可以认为是1 类信息的传输或者2 类信息的传输应用。 延迟中另外一个指标为延迟变动( d e l a yv a r i a t i o n ) ，它主要是对信息的两次获得时间的间隔 的描述。这一需求主要是针对产生视频、音频合遥测方面应用的描述。延迟变动常常和端到端 或者往返程延迟一起使用，使用经验中我们常常将端到端延迟的1 2 作为延迟变动。例如， 端到端延迟为4 0 m s 时，对延迟变动的估计为4 0 0 8 0 0 9 s 。 3 5 通信网络的流量分析 在第一章中我们对流量分析的一些概念进行了初步的介绍。这里我们将针对广域测量网络 的通信应用进行流量分析。 流量分析的第一步最好是将系统中的通信流量进行分类，建立流量模型。流量模型在帮助 快速标识和分类一个环境中的流量从而更早的识别出其流量特性方面也是很有用的。针对广域 测量系统的通信网络，我们将考查以下流量模型： 点对点 客户服务器 实时监测模型 对于每一模型，我们将考虑其流量的方向性和层级，并尽可能标识出每一模型中的关键流 量或重要流量。 l 点对点 第一个流量模型是点对点( p e e r - t o - p e e r ) 模型，在这一模型中，用户和应用在其流量行为 上在整个网络中是相当一致和始终如的。通信流最的两个端点是对等体，它们在同一个级别 上进行通信。这一模型的流量行为在广域测量系统中的表现一般为同级调度中心之间( 网调之 间、省调之间、地调之问) 的信息交互。这些同级调度中心之间的流量是同等的，或者所有的 流量都是关键的，或者所有的流量都不是关键的。 2 客广，服务器 客户服务器流量模型具有方向性和层级，是当前网络中撮普遍的模型。该模型中的流量是 双向的，在客户和服务器之间，以请求和响应的形式存在。该模型中的流量是不对称的、层级 的，网络中的流量行为人多表现为用户向服务器的信息请求。取决于应用的类型，某些应用中 可以认为流量几乎全单向的，从服务器到客户机。 客户朋务器的另外。种衍生模型是层级客户，服务器模型。这一模型中，具有客户朋h 务器 模型和服务器之间多个层的特性，存在从服务器到一个支持服务器或管理设备的流量。 0 、 客户机 客户机 客户机客户机客户机 客户机 图3 ，5 层级客户且展务器模型 历止数据服务器虫时数搀：高速计算 磁盘多列处t 电服务器了董统 障信息 埋系统 力市场 易系统 望荐嚣籼u 惴 卜j 交换机 眨矽交换机 0 0 h 以太叫 舒卉，一t 递 景境主站 鞠低埘 荷系缱 图3 6 华东电网广域测量系统 广域测量网络中的各个终端的通信，大多为上述两种通信模式。【2 0 1 m 1 1 2 3 1 下面我们举一个例 子，束分析广域测量网络中的通信模式。华东电网广域测量系统网络结构如图3 6 。电力调度数 据骨干网连接了p m u 子站通信以太网、分布式遥控子站、低频切负荷系统和调度中心的局域网。 ”在这一通信系统中的数据传输就是点对点模式和客户服务器模式的综合。 广域测量通信系统中的数据流量主要有以下几个类型 2 4 1 1 2 5 【2 9 ： 2 4 罴一 瀛 于 囟 电站自 类型1 ：外部实时数据上报。主要是p m u 监测子站向高性能实时数据库的数据上送： 类型2 ：内部实时数据交互。实时数据库作为服务器为高性能计算机、故障管理系统、 调度维护工作站和e m $ 系统提供的实时数据。 类型3 ：历史数据交互。主要是p m u 监测子站向历史数据库的历史数据上报；调度维 护工作站、e m s 、故障管理系统、电力市场交易系统对历史数据库的数据请求。 类型4 ：遥控数据的传输。主要为故障信息管理系统、e m $ 、调度工作站向远方设备的 遥控信息传输。 类型5 ：至外部服务器的数据迁移。调度中心的历史、实时数据向上级调度中心的数据 迁移。 m - 一一 i i l i i i 一一 固攀 文时数据服务器 图3 7 华东电网数据流量图 将这些流量添加到数据地图上，网络流量图简化，如图所示。 下面我们针对每种流量类型进行定量的分析。 流量类型1 、2 的实时数据主要为模拟量、开关量、故障信息，这类信息量总和约在l m b 到 2 m b 之间，延迟在0 1 s 级别；类型3 的历史数据量较大，约为1 0 m b i j s 0 0 m b 之间，但延迟范围 可以放宽至1 0 2 1 0 4 s 之问；类型4 为遥控信息，信息量较小，约为1 m b ，延迟在0 i s 级别；类型 5 中的实时数据流量比类型1 、2 要小，我们取为5 0 0 k b ，延迟o 1 s ，对于其中的历史数据，约为 1 0 m b 到5 0 m b 延迟也可以宽至1 0 1 0 4 s 。基于以上估计，我们可以得到各个流量类型的性能： 流量类型1 、2 ：( 1 2 m b ) ( 8 b b ) 0 1s = 8 0 1 6 0 m b s 流量类型3 ：( 1 0 5 0 0 m b ) ( 8 b b ) ( 1 0 2 1 0 4 s ) = 8 k b s 4 0 m b s 流量类型4 ：l m b ( 8 b b ) o 1 s = 8 0 m b s 流量类型5 ：5 0 0 k b ) ( ( 8 b b ) o 1 s = 4 0 m b s ( 实时数据) ( 1 0 5 0 m b ) ( 8 b b ) ( 1 0 2 1 0 4 s ) = 8 k b s 4 m b s ( 历史数据) 流量分析是分析过程最后的部分，在构建流量规范的时候，我们使用了各种各样的技术， 包括数据源、数据宿流量模型，以标识和确定流量的性质与特性。我们通过从用户、应用、设 备和网络那里收集、产生和跟踪网络的需求来开始这一过程。我们需要对流量的性能( 容量、 延迟和r m a 表述) 作出具体的描述。 拓扑结构总线、星状、环状总线 总线总线 无数据 m a c 层以太网、高速以太f d d i 、 ：i m 、s o n e t 咀太网、令牌以太网、令牌总线 以太网、令 协议网、令牌环网、c 叻i 总线牌总线、 f d d l 数据速率1 类：低速1 0 0 m b s 以上 1 0 0 m b s 1 0 m b s 微波：5 7 2 类：4 m b sm b s 3 类：1 6 m b s扩展无线电 4 类：2 0 i v l b s 波：1 2 5 类：1 0 0 m b s m b s 布式数据接口( f d d i ) 和令牌环网等拓扑结构所规定的物理标准进行了对比。 物理层规范表 以太网信物理介质 数据速晟大分段最大分段最大中继器数使用中 i e e e今 窒( m b s )距离( m )数 继器的 8 0 23 技最大长 术 度( k m ) 1 0 b a s e 5 基同轴电缆( 5 0 欧 l o 4 9 98 1 0 0 22 4 “胖”网 带姆) 1 0 b a s e 2 基同轴电缆( 欧姆) 1 01 8 53 020 9 “瘦”网 带 1 0 b a s e t墓 非屏蔽双绞线 1 09 9 9 无数据无数据 无数据 _ 双绞线带 1 0 b r o a d 3 6 宽同轴电缆( 7 5 欧 1 03 5 9 9 无数据 无数据无数据 双绞线带 姆) f d d l 物理介质信令技术数据速率最大中继器数 最大中 目继器间 距离 光纤光导纤维调幅 1 0 0 m b s1 0 0 02 0 0 0 m 令牌环网信令技术每环设数据速率晟大分每环集中器数 集中器 1 e e e8 0 25 备数段距离目可达距 离 屏蔽的曼切斯特编码 2 6 01 6 m b s3 0 0 m1 22 0 0 r n 非屏蔽的曼切斯特编码 2 7 2 4 m b s 1 0 0 m2 1 2 0 m 对于广域测量系统的骨干网络 通道上，我们选光纤作为物理介质， 对于调度中心的局域网。我们使用 以太网技术，可以根据提供的资金 选择表中的任何一种技术：对于连 接变电站的局域网，我们需要考虑 网络物理介质的中继特性与分段距 离，尽量选择分段距离与中继距离 较长的物理网络，如1 0 b r o a d 3 6 双 绞线网络和1 0 b a s e 5 “胖”网。 网络的逻辑设计还需要考虑连 蹿由器 图3 8 路由器实现方案 因为每个路由器都要接收新信息，更新路由表，然后把新的路由表向网络中的其他路由器发送 新表。这种路由协议占用的带宽大，延长了响应时问，导致资源潜力的浪费。使用链路状态路 由协议时，就可以有效的避免这样的问题。 ( 3 ) 使用有效的数据优先排序 优先权排序给管理员以灵活性，可以在网络传输队列中给时间敏感的消息或重要的流量更 高的优先权。通常优先权方案给每个数据包分配确定的优先权，然后把数据包发送给4 个优先 权队列之一：紧急、高级、一般和低级。网络中的关键信息，自动被分配到紧急优先权队列中， 紧急数据包在所有信息中具有晟高优先权。 有效的数据优先排序功能可以在网络拥塞时，保证优先权高的信息足够快地通过w a n 。解 决好这个问题，优先权高的信息就不会继续占用更多的带宽，可以保持网络的通畅。有限的带 宽就得到了有效的利用。 【4 ) 资源颓留【9 1 资源预留技术就是将网络中固定的带宽分配给某一颂协议，给重要的应用任务保证一定比 例的带宽。可以让管理员保证一定比例的w a n 链 接带宽用于特殊的协议或应用。如图3 1 l 。 资源预留不同于数据优先权排序方案。它是将 少量的连接带宽是为运行于w a n 中的各个协议静 态配置的。即使线路上另外传输着高优先级的数 i i 五丁矗濂预留 据，也必须保证这1 0 的线路可用。但是网络巾的带宽不够用的时候，预留带宽的空余部分就 被强制分配给其他协议和应用程序。 4 2 网络的布线设计 虽然局域网中外围设备、线缆系统或线缆设备相对网络的复杂系统而言是最为简单的，但 是在局域网中，这些最简单的部分出现的故障率却是最高的。因此，精心设计和正确安装网络 的中的硬件对于局域网的性能是绝对必要的。本节对广域测量网络中涉及到的传输介质进行分 析，包括结构化布线系统、线缆的特性以及安装。 4 2 1 结构化布线 现代的许多网络环境中，含有越来越多的数据网线缆，这一情况也要求了刚络设计 x 发生在非结构化布线系统，在这种系统中没有唯一的标准来对互连进行规定。对于非结构化布 线，尽管开始的费用相对较低，但是系统后期的升级和维护却带来了巨大的系统。聪明的设计 者是绝对不会采用这样的技术的。 解决这一问题最合理简便的方法就是采用结构化布线技术。这是观念上的变换，布线技术 地位上升了，设计者也把布线技术当作了一门艺术。线缆不再仅仅作为一种连接网络设备的方 式，而是被看作一种重要的建筑上的实体：线缆设备、线缆系统或建筑物布线。这个意图是要 安装一种配线能力，使其不仅与已经有的网络技术相兼容，而且还能预测将来的发展，允许对 其进行改装。 2 】 ” 结构化布线系统 结构化布线系统是采用整套的布线技术对信息系统进行布线。对于绝大部分的短距离或中 长距离应用而言，每一个重要的局域网技术都能通过屏蔽双绞线( s t p ) 或非屏蔽双绞线 x 使用的线缆，专门用于令牌环网络系统。屏蔽双绞线的特性阻抗是1 5 0 q ，它比非屏蔽双绞线 更能抵抗电磁干扰，但价格也更高。屏蔽双绞线虽然4 ；是为以太网度身制造的，但是以太网标 准说明可以通过阻抗适配器使之适应1 0 b a s e - t 、1 0 0 b a s e t x 以及1 0 0 b a s e - t 2 的使用。 同轴电缆的特性 同轴电缆电缆结构是以实心铜体为芯外包着一层绝缘材料，这层绝缘材料用密织的网状导 体环绕，网外又再覆盖一层保护性材料。有二种广泛使用的同轴电缆，一种为5 0 欧姆电缆，用 于数字佑输，由于多用于基带传输，也被称为基带同轴电缆；另一种为7 5 欧姆电缆，用于模拟 传输。同轴电缆可支持极宽频宽和具各极好的噪音抑制特性，故可同时传输数据、话音及影象 在以太网络中有两种同轴电缆，一为粗缆( t h i c k n e t ) 而另一种为细缆( t h i n n e t ) 。 美国政府无线电( r g ) 标准经常使用同轴电缆。下表列出了这种类型线缆的特性的阻抗。 局域网类型线缆类型阻抗0 1 0 b a s e 2 ( 细缆以太网) r g 5 85 0 1 0 b a s e 5 ( 粗缆以太网) r g 8 5 0 1 0 b r o a d 3 6r g - 67 5 a r c 网络 r g - 6 29 3 i b m3 2 7 0 网络 r g - 6 29 3 尽管同轴电缆有良好的抗电磁干扰能力，但是它笨重，在建筑物的布线通道或其他的场所 相对较难安装。一般而言，在实际应用中，网络设计师往往选择双绞线和光缆来取代同轴电缆。 4 2 3 光缆 光缆作为网络的传输介质有很多优点。它理论上传输速度可以高达5 0 g b s 。光缆可以用来 进行长距离的传输( 通常不经过中继器可达2 k m ) 。因为它沿导体传输时是用光波而不是依靠电 压的改变，所以这种传输方式完全可以抵抗屯磁干扰。光缆很难被信息切入，所以它是高度安 全的传输介质。 光缆最大的缺点是价格高。光缆的传输可以应用于所有的局域网。各种协议的具体内容不 尽相同，但是它们的实质却是一样的。 常用的光纤主要有两种类型： 多模光纤：直径较粗，能够同时传输多种频率的光信号( 模式) 。 单模光纤：直径较细，只能传输一种频率的光信号。 多模光纤 对于每路光信号或每条光线通过光纤时的传输方式都可以称为一种模式。多模光纤比单模 光纤更粗，因此它有足够的空间来传输多路光信号。但多模光纤可以传输的距离较短。不是因 为光的衰减，主要原因是多种模式的光信号传输时，会发生色散现象，所以多模光纤的传输距 离在2 k m 以内。 因为多模信号的不同的折射角，所以并不是所有的光线都通过相同的距离，长时间传输过 程中，信号发散程度增加，导致光脉冲的重叠而产生信号错误，即光的模发散。多模光纤可以 通过选用阶梯折射率光纤和等级型折射率光纤结构来减弱色散的影响。 单模光纤 单模光纤通常比多模光纤要细，只有一种频率的光在单模光纤中传输。采用多大的直径的 单模光纤是由它要传导的光信号的波长决定的。典型的单模光纤的内芯直径是5 一l o um 。假如 一种特定波长的光可以通过这种直径的光纤传输，那就仅一种模式可以用来传输光信号。光纤 的直径越小，光信号的传导途径越直，那么反射和发散现象会越少。但另一方面，内芯越细， 光纤越难安装，同时，安装费用也越高。 单模光纤需要激光二极管来发射。通过使用这种会聚性强的光源，可以使得单模光纤比多 模光纤支持更长距离的传输。单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在1 0 0 m b p s 的 以太网以至l g 千兆网，单模光纤都可支持超过5 0 0 0 m 的传输距离。从成本角度考虑，由于光 端机非常昂贵，故采用单模光纤的成本会比多模光纤电缆的成本高。 光缆的安装需要由经过专门培训和细心的安装工程师来完成。每个接头的连接也是很费时 的因此光缆的安装是价格最高的线缆安装工程。光缆安装中。不能把光纤弯的超过它的最小 承受半径。最小承受半径一般规定为光纤直径的l o 倍。例如一种光纤的直径是1 2 5um ，那么 这种光纤如果被弯成弧形的半径是1 2 5 m m 或更小一些，它可能就会折断。过度的弯曲即使没 有折断光纤也可能由于拉伸光纤材料而改变了光纤的折射率，改变信号的传输特性。 4 3 通信网络的技术选择 在前面的内容t j ，我们对广域测量通信网络进行的较为完善的分析。对网络的逻辑设计与 物理设计都有了一定的概念。这一章我们将使用前面的需求分析、网络分析的过程中获得的所 有材料来对这些技术进行选择。我将应用已经收集和获得的不同来源的信息，包括需求、流量、 目标、标准和指导原则，做出技术选择。在技术选择中，对设计目标和评估技术标准的了解是 非常重要的。但是，由于客观条件的限制，本论文不能将网络建设的资金考虑在设计中，是一 个很大的遗憾。我们将暂时不考虑资金的限制，尽量选出最为合理的网络技术。 4 3 1 几种网络技术的介绍 在技术选择巾，毫无疑问我们必须对网络使用的技术较为熟悉，包括多种多样的以太网、 帧中继、异步传输网络( a t m ) 、同步光纤网络( s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ，s o n e t ) 。这里， 我们将一些常用的网络技术进行简单的介绍。读者可以参考有关书籍了解详细的知识。 以太网0 1 2 】 以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，组建于七十年代早期。e t h e r n e t ( 太网) 足一种传输速率为l o m b p s 的常用局域网( l a n ) 标准。在以太网中，所有计算机被连 接一条同轴电缆上，采用具有冲突检测的载波感应多处访问( c s m a c d ) 方法，采用竞争机制 和总线拓朴结构。基本上，以太网由共享传输媒体如双绞线电缆或同轴电缆和多端口集线器、 网桥或交换机构成。在星型或总线型配置结构中，集线器交换栅网桥通过电缆使得计算机、打 印机和工作站彼此之间相互连接。 以太网具有的一般特征概述如下： 1 共享媒体：所有网络设备依次使用同一通信媒体。 2 广播域：需要传输的帧被发送到所有节点，但只有寻址到的节点才会接收到帧。 3 c s m a c d ：以太网中利用载波监听多路访问冲突检测方法( c a r d e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s