摘 要：针对电网公司主干数据网络的需求特点，为保证关键业务数据不会因为单点故障而中断，在数据网络的拓扑结构设计中采用具有冗余特点的三层体系结构，即在网络设备和网络链路上形成核心层、汇聚层的冗余网络结构。为了提高关键业务流量转发速度，数据转发技术采用基于IP的MPLS技术，较好地与物理转发进行有机结合。
关键词：数据网络；网络拓扑设计；MPLS；IP SAN
中图分类号：TN919.2；TM73 文献标识码：A 文章编号：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
随着现代城市的快速发展以及居民生活和工业用电的不断攀升，电缆的长度不断增加，电缆运行维护工作面临着巨大压力。而电力企业对高压电缆的管理还处于对运行状况进行定期巡视和检查，故障后进行检修的阶段，不仅耗费人力物力，而且使用肉眼观察故障点使得，巡视效果得不到保证。因此，数据传输网络建设迫在眉睫。而电网公司的主干数据网络承担着电网最重要的电力调度业务，如何保证关键业务数据不会因为单点故障而中断是主干数据网络设计需要考虑的主要问题。因此，数据网络结构设计时需要在网络设备和网络链路上形成核心层、汇聚层的冗余网络结构。除此之外，为了提高关键业务流量转发速度，数据转发技术应采用基于IP的MPLS技术，并与高性能硬件转发进行有机结合，该技术支持流量工程、QoS、VPN等多种技术，提高了业务的灵活性。
1 主干数据网络设计与实现
1.1 网络拓扑结构设计
网络拓扑即网络的组网形状，其将物理网络的布局通过几何学上的点、线、面形式抽象表达，因此，网络拓扑结构是否合理决定着网络数据传输是否具有可靠性和高效性。目前常见的网络拓扑主要有总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑、树型拓扑、网状拓扑等。
总线型拓扑网络是使用同轴电缆将所有工作站连接起来，总线两端使用终端电阻，最大限度地消除传送到末端的电信号，避免信号反弹所产生的干扰，所有工作站地位平等，无中央控制节点，信息发送采用CSMA/CD的广播方式，随着通信的节点增加，冲突概率也随之增加。
星型拓扑结构网络是各个工作站节点通过光纤或者双绞线连接至中心节点，中心节点一般为交换机，数据转发采用的是交换式以太网技术，数据转发速率高，也是目前常用的组网方式之一，但其存在单点故障的风险。
环型拓扑结构网络是通过通信介质，将所有工作站节点连接成环型，数据通过自举控制方式沿着环型的一个方向在各个节点间传输，这种组网方式存在不易扩充、单点故障和维护较难的问题。
树型拓扑结构网络属于分级控制网络，属于星型的拓展结构，成本低，是目前常用的局域网组网方式之一。
网状拓扑结构网络是各个工作站点通过全连接或者部分连接的方式组成的网络，适用于广域网络组建，成本较高，维护比较复杂。
综上所述，本文主干网络采用基于树型的三层体系架构，即核心层、汇聚层和接入层[1]。为了保证网络的安全性和可靠性，在国家核心层、省级汇聚层采用了双核心及上下行设备分开的架构设计，同时省级和地市节点具有城域网汇聚接入、专线汇聚及接入的功能。网络拓扑结构中的核心和汇聚设备应采用新华三等厂商的电信级高端路由器，其主控板、业务板、电源都要进行冗余备份，来保证电网数据传输的可靠性。如图1所示。
网络拓扑中采用的IRF[2]技术为智能弹性架构，该技术为新华三研发的用于虚拟化的技术，其核心思想是将多台路由设备通过IRF端口关联在一起，从逻辑上形成一台虚拟设备，让这些设备协同工作和统一管理，即避免了单点故障影响正常业务数据转发，也降低了形成环路的风险，便于后期维护与管理。如图2所示。
1.2 数据转发关键技术实现
依据上述设计，数据转发关键技术采用MPLS（多协议标签交换）技术[3]，该技术既支持目前较为广泛采用的IP技术，又具有ATM快速数据交换的特点。MPLS利用路由信息建立基于标签的虚拟转发连接，这样的优势在于MPLS网络中的设备不再依据目的IP地址查找路由，而是根据标签转发，从而加快了数据的转发速度；MPLS建立的分组转发虚拟连接可以为高层提供面向连接的服务，提高通信的可靠性；MPLS兼容多种链路层协议，可以连接不同局域网络；MPLS还可以构建VPN网络，实现流量工程，提供较高质量的服务。
MPLS网络的成员节点主要包括三类[4]，分别为入节点（Ingress）、中间节点（Transit）、出节点（Egress）。入节点负责为进入MPLS网络的分组添加标签，中间节点依据标签沿着一系列的标签交换路由构成标签交换路径，将分组输送给出口路由，出节点负责剥离分组标签，从而转发给目的网络节点，具体如图3所示。
主干网络中MPLS中使用的标签分发方式有两种：
（1）下游自主方式：对于一个特定的等价转发类，下游标签交换路由为该等价转发类分配标签，并主动将标签通告给上游的标签交换路由。
（2）下游按需方式：对于一个特定的等价转发类，上游标签交换路由请求下游标签交换路由为该等价转发类分配标签，下游标签交换路由收到请求后，为该等价转发类分配标签并告知上游的标签交换路由。
主干网络中的MPLS VPN由三部分构成：
（1）用户网络边缘设备：该设备通过结构直接与服务提供商设备相连，其不必支持MPLS。
（2）服务提供商边缘设备：该设备处理VPN所有数据转发，负责与VPN用户建立连接和维护连接，并与其他对等设备建立标签交换路径。
（3）骨干设备：该设备具备MPLS转发能力，根据外层标签进行MPLS转发，无须创建VPN用户及相关表项的维护。
部分配置如图4所示。
2 主干数据网络中数据存储网络设计与实现
存储体系架构从最初的DAS（Direct-Attached Sto-rage），经过NAS（Network- Attached Storage）和FC SAN（FC Storage Area Network），逐步发展到现阶段基于IP网络的IP SAN（IP Storage Area Network）架构。NAS是网络连接存储的一种架构，其是一种基于IP连接到局域网的文件共享设备，其使用一个专用的存储服务器与网络直接相连，通过NFS或CIFS对外提供文件级访问服务，因此，NAS是一个优越的存储方案。SAN是存储区域网络的一种架构，其通过网络方式连接存储设备和应用服务器，这个网络专用于主机和存储设备之间的访问，当有数据的存取需要时，数据可以通过存储区域网络在服务器和后台存储设备之间高速传输，同时数据以数据块I/O的形式在IP网络上进行传输。iSCSI协议是一种IP存储网络技术。使用TCP/IP作为SAN的基础设施，构建在TCP之上，将SCSI数据和指令打包成IP报文，实现IP网络上的块级数据传输和交换，提升了传输能力，也继承了以太网和IP技术的优点。同时也是SCSI技术的延伸，通信机制使用发起端和目标端的方式建立连接，认证机制采用基于名字的方式。
本方案采用基于iSCSI技术的IP SAN存储架构[5]。核心存储设备使用高端万兆存储IX3040，属于10Gb以太网iSCSI技术的高端万兆存储产品，其内部采用万兆（12Gb）交换体系。而连接主机的前端接口则可根据不同需要分别为多千兆汇聚万兆或万兆以及FC/千兆/万兆混合，从而保证了万兆存储的实际应用的可行性。存储支撑的业务系统包括重点数据存储备份、OA应用、FTP应用等，剩余存储空间供今后新增业务使用。为了提高系统的可靠性，可设置2台阵列实现数据互备，且分布在不同地理位置，实现互备容灾。
3 结 论
针对电网公司主干数据网络的需求特点，为保证关键业务数据不会因为单点故障而中断，在数据网络结构设计中需要在网络设备和网络链路上形成核心层、汇聚层的冗余网络结构。为了提高关键业务流量转发速度，数据转发技术应采用基于IP的MPLS技术，与高性能硬件转发进行有机结合。
参考文献：
[1] 杭州华三通信技术有限公司.路由交换技术（第1卷） [M].北京：清华大学出版社，2011.
[2] 杭州华三通信技术有限公司 [C].//2008中国教育信息化创新与发展论坛论文集，2008：359.
[3] 张晓翠.基于MPLS的流量工程与QoS的研究 [J].中国新通信，2018，20（7）：61.
[4] 董旭源，常鹏，王宝亮，等.校园网MPLSVPN系统的设计研究 [J].计算机应用与软件，2017，34（10）：209-213.
[5] 任斌，孔德刚.基于IPSAN的高校存储网络研究与实现 [J].长春工程学院学报（自然科学版），2011，12（4）：117-118+142.
作者简介：周莽（1973.08-），男，汉族，吉林长春人，硕士，营销部主任，高级工程师。研究方向：用电营销与智能电网。
