CN115883460A - 基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法与系统 - Google Patents

基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法与系统，在交换机和网络设备的输入端口装配Qci实例；根据信息流报文的发送频率及报文长度计算信息流的带宽；根据带宽设置信息流计量器的保留带宽，限制信息流的最大输入带宽；计算接收斜率和等待斜率；分析各交换机端口的突发情况，确定最大报文突发数量；根据流量分析得到的最大突发数,计算允许通过信息流计量器的最大突发数；根据接收斜率、最坏突发情况时信息流报文的最大排队长度和端口带宽计算信息流计量器信用值上界。采用上述一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法与系统，实现了利用TSN技术解决变电站信息过流量异常问题，提高信息流传输可靠性。

Description

基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法与系统
技术领域
本发明涉及电力通信网络技术领域，尤其是涉及一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法与系统。
背景技术
近年来，随着现代通信网络的营运水平不断提高，向着人工智能化、大数据分析以及5G通信的方向不断演进。电力通信网络也由以往传统的固定电话通信逐步发展成为集音频、视频和实时数据于一体的多媒体、大数据、多元化的综合通信。这就导致了其数据流量呈指数增长与对业务控制信息的实时性的矛盾产生，此时，传统的以太网网络已不能完全满足智能电网领域的技术要求。
TSN(Time-Sensitive Networking)是一组IEEE协议标准，它是由AVB(audiovideo bridging)任务组与2012年更名而来，对AVB已有的协议进行了补充。主要包括的协议有IEEE 802.1AS-Rev(Timing and Synchronization)、IEEE 802.1 Qbv(Enhancementsfor Scheduled Traffic)、IEEE 802.1 Qbu(Frame Preemption)等多个协议，工作在OSI七层网络模型中的第二层——数据链路层。相对于传统的以太网网络，时间敏感网络是一种新型的确定性网络传输技术，主要提供了以下能力：时间同步、流预留、流量调度和整形、网络配置等。使得“时间敏感数据流”的QoS(服务质量)得到保障。因此，目前有研究尝试采用时间敏感网络技术提高数据传输的实时性。但是这些研究没有考虑对应的可靠性传输问题。
在变电站过程层网络设备故障或者网络环路引起网络风暴时，大量无用的数据包在网络中重复发送，使网络流量在极短的时间内迅速大幅度增加，导致信息过流量异常，严重影响信息流的实时性和可靠性，给继电保护等二次系统的可靠运行带来挑战。因此，利用TSN(时间敏感型网络)技术解决变电站信息过流量异常问题，对提高信息流传输可靠性具有重要应用价值。
发明内容
本发明的目的是解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法，具体步骤如下：
步骤S1：在每个交换机和网络设备的输入端口装配Qci实例；
步骤S2：根据信息流报文的发送频率及报文长度计算信息流的带宽；
步骤S3：根据计算出的带宽设置信息流计量器的保留带宽，限制信息流的最大输入带宽；
步骤S4：根据保留带宽和交换机端口速率计算信息流计量器的接收斜率和等待斜率；
步骤S5：确定网络中各信息流参数及信息流流向，分析各交换机端口的突发情况，确定最大报文突发数量；
步骤S6：根据流量分析得到的最大突发数,计算允许通过信息流计量器的最大突发数；
步骤S7：根据接收斜率、最坏突发情况时信息流报文的最大排队长度和端口带宽计算信息流计量器的信用值上界，最大排队长度根据报文长度和允许通过信息流计量器的最大突发数计算。
优选的，在步骤S1中，所述Qci实例装配于交换机和网络设备的输入端口，且位于输入端口和排队队列之间，所述Qci实例用于在信息流进入网络节点时进行异常流量的筛选和滤除，所述Qci实例包括信息流过滤器部分、信息流门控部分和信息流计量器部分。
优选的，在Qci实例的信息流计量器部分基于接收斜率和等待斜率控制信用值变化，进而限制带宽，信用值大于0时允许报文输入，信用以接收斜率减少，信用值小于等于0时丢弃报文，信用以等待斜率增加，接收斜率Sreceive和等待斜率Swait分别表示为：
Swait＝BR(1)
Sreceive＝BR-B(2)
其中，B为端口带宽，BR为保留带宽。
BR＝Fframe*Sframe(3)
其中，Fframe为报文发送频率，Sframe为报文长度。
优选的，在步骤S6中，允许通过信息流计量器的最大突发数量Burstmax表示为：
Burstmax＝Burstout+1(4)
其中Burstout为最大报文突发数量。
优选的，在步骤S7中，信息流计量器的信用值上界Creditmax的表达式为：
Creditmax＝Sservice*Lmax/B(5)
其中B为端口带宽,Lmax为最坏突发情况时信息流报文的最大排队长度，表示为：
Lmax＝Sframe*Burstmax(6)
其中Sframe为报文长度。
优选的，在步骤S3和S7中，计算公式中的报文长度Sframe的确定方式可分为三种情况。
如果业务流报文长度固定，则报文长度即为常数，表达式为：
Sframe＝S(7)
如果业务流报文长度变化，且可获得报文长度概率分布，则报文长度取业务流报文的长度均值，表达式为：
Sframe＝E(S)(8)
如果业务流报文长度变化且长度随机，则报文长度取业务流报文的长度最大值，表达式为：
Sframe＝Smax(9)
一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法的系统，包括装配在每个交换机和网络设备的输入端口的Qci实例，所述Qci实例包括信息流过滤器部分、信息流门控部分和信息流计量器部分，
信息流过滤器部分为信息流分配对应的信息流门控和信息流计量器；
信息流门控部分用于控制是否允许信息流报文通过；
信息流计量器部分用于利用预先设计并配置算法筛选滤除不符合要求的报文。
因此，本发明采用上述一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法与系统，具有以下有益效果：
采用TSN的可靠性技术标准IEEE802.1Qci并考虑了变电站网络风暴后的信息流过流量异常状态，在交换机和网络设备的输入端口装配Qci实例，并且通过信用值变化滤除不满足信息流计量器算法的信息流报文，能在异常信息流进入网络的第一跳完成滤除，滤除效果可靠、有效且不会出现错误过滤其他信息流报文。解决了变电站网络风暴引起的信息流过流量异常状态，提高了信息流的可靠性，不仅可以减少网络故障带来的经济损失保证电网安全稳定运行，而且具有重大的社会效益和经济效益。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法流程图；
图2为本发明TSN网络模型图；
图3为本发明交换机和网络设备输入端所装配Qci实例的结构图。
具体实施方式
实施例
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法的系统，包括装配在每个交换机和网络设备的输入端口的Qci实例，所述Qci实例包括信息流过滤器部分、信息流门控部分和信息流计量器部分。
信息流过滤器部分为信息流分配对应的信息流门控和信息流计量器。
信息流门控部分用于控制是否允许信息流报文通过。
信息流计量器部分用于利用预先设计并配置算法筛选滤除不符合要求的报文。
实施例1：图2为本发明TSN网络模型图，本案例考虑如图2所示的由三个终端和一个TSN交换机组成的TSN网络。实施例考虑针对信息流1的方法步骤及信息流计量器配置过程。
步骤S1：在每个交换机和网络设备的端口装配Qci实例。
Qci实例装配于交换机和网络设备的输入端口，且位于输入端口和排队队列之间，所述Qci实例用于在信息流进入网络节点时进行异常流量的筛选和滤除。在Qci实例的信息流计量器部分基于接收斜率和等待斜率控制信用值变化，进而限制带宽，接收斜率Sreceive和等待斜率Swait分别表示为：
Swait＝BR (1)
Sreceive＝BR-B (2)
其中，B为端口带宽，BR为保留带宽。
BR＝Fframe*Sframe (3)
其中，Fframe为报文发送频率，Sframe为报文长度。
步骤S2：根据信息流报文的发送频率及报文长度确定信息流的带宽。
在本实施例中，信息流1报文的发送频率为4000帧/s，报文长度为固定值250Byte，则信息流带宽为8Mbps。
步骤S3：根据计算出的带宽设置信息流计量器的保留带宽，限制信息流的最大输入带宽；上述计算得出信息流带宽为8Mbps，则将信息流计量器的保留带宽也设置为8Mbps。
步骤S4：根据保留带宽和交换机端口速率计算信息流计量器的接收斜率和等待斜率；在本实施例中，交换机端口速率为100Mbps，保留带宽如上述计算为8Mbps。则接收斜率和等待斜率分别为-92和8。
步骤S5：确定网络中各信息流参数及信息流流向，分析各交换机端口的最坏突发情况，确定此时的报文突发数量；在本实施例中，信息流1和信息流2都是周期性的，所以在各交换机端口的最坏突发情况时，突发报文数为1。
步骤S6：根据流量分析得到的最大突发数计算允许通过信息流计量器的最大突发数量。允许通过信息流计量器的最大突发数量Burstmax表示为：
Burstmax＝Burstout+1 (4)
其中Burstout为最大报文突发数量。
如上分析，在各交换机端口的最坏突发情况时，突发报文数为1，则允许通过信息流计量器的最大突发数量为2。
步骤S7：根据接收斜率、最坏突发情况时信息流报文的最大排队长度和端口带宽计算信息流计量器的信用值上界。
信息流计量器的信用值上界Creditmax的表达式为：
Creditmax＝|Sservice|*Lmax/B (5)
其中B为端口带宽,Lmax为最坏突发情况时信息流报文的最大排队长度，表示为：
Lmax＝Sframe*Burstmax (6)
其中Sframe为报文长度。
上述计算得到接收斜率为-92，端口允许最大突发数为2，交换机端口带宽为100Mbps，报文长度为固定值250Byte，则信息流计量器的信用值上界为3680。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：在每个交换机和网络设备的输入端口装配Qci实例；
步骤S2：根据信息流报文的发送频率及报文长度计算信息流的带宽；
步骤S3：根据计算出的带宽设置信息流计量器的保留带宽，限制信息流的最大输入带宽；
步骤S4：根据保留带宽和交换机端口速率计算信息流计量器的接收斜率和等待斜率；
步骤S5：确定网络中各信息流参数及信息流流向，分析各交换机端口的突发情况，确定最大报文突发数量；
步骤S6：根据流量分析得到的最大突发数,计算允许通过信息流计量器的最大突发数；
步骤S7：根据接收斜率、突发情况时信息流报文的最大排队长度和端口带宽计算信息流计量器的信用值上界，最大排队长度根据报文长度和允许通过信息流计量器的最大突发数计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法，其特征在于：
在步骤S1中，所述Qci实例装配于交换机和网络设备的输入端口，且位于输入端口和排队队列之间，所述Qci实例用于在信息流进入网络节点时进行异常流量的筛选和滤除，所述Qci实例包括信息流过滤器部分、信息流门控部分和信息流计量器部分。
3.根据权利要求2所述的一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法，其特征在于：
在Qci实例的信息流计量器部分基于接收斜率和等待斜率控制信用值变化，进而限制带宽，信用值大于0时允许报文输入，信用以接收斜率减少，信用值小于等于0时丢弃报文，信用以等待斜率增加，接收斜率Sreceive和等待斜率Swait分别表示为：
Swait＝BR (1)
Sreceive＝BR-B (2)
其中，B为端口带宽，BR为保留带宽。
BR＝Fframe*Sframe (3)
其中，Fframe为报文发送频率，Sframe为报文长度。
4.根据权利要求3所述的一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法，其特征在于：
在步骤S6中，允许通过信息流计量器的最大突发数量Burstmax表示为：
Burstmax＝Burstout+1 (4)
其中Burstout为最大报文突发数量。
5.根据权利要求4所述的一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法，其特征在于：
在步骤S7中，信息流计量器的信用值上界Creditmax的表达式为：
Creditmax＝|Sservice|*Lmax/B (5)
其中B为端口带宽,Lmax为最坏突发情况时信息流报文的最大排队长度，表示为：
Lmax＝Sframe*Burstmax (6)
其中Sframe为报文长度。
6.根据权利要求5所述的一种基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法，其特征在于：
在步骤S3和S7中，计算公式中的报文长度Sframe的确定方式可分为三种情况，
如果业务流报文长度固定，则报文长度即为常数，表达式为：
Sframe＝S (7)
如果业务流报文长度变化，且可获得报文长度概率分布，则报文长度取业务流报文的长度均值，表达式为：
Sframe＝E(S) (8)
如果业务流报文长度变化且长度随机，则报文长度取业务流报文的长度最大值，表达式为：
Sframe＝Smax (9)
7.一种基于上述权利要求1-6任意一项的基于802.1Qci的变电站通信网过流量异常抑制方法的系统，其特征在于：包括装配在每个交换机和网络设备的输入端口的Qci实例，所述Qci实例包括信息流过滤器部分、信息流门控部分和信息流计量器部分，
信息流过滤器部分为信息流分配对应的信息流门控和信息流计量器；
信息流门控部分用于控制是否允许信息流报文通过；
信息流计量器部分用于利用预先设计并配置算法筛选滤除不符合要求的报文。
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