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电力系统数据通信网IP地址规划分析论文
摘要:针对各省电力数据通信网业务承载需求增大，IP地址规划直接影响网络运行效率及收敛速度的现状，国家电网公司对IP地址进行了规范。结合IP地址的应用需求，介绍了数据通信网网架结构、IP地址规划原则及划分方式选择，对省内IP地址规划实例进行了分析。
关键词:数据通信网;网架结构;IP地址;规划
国家电网公司为使数据通信网发挥整体效用，促进支撑当前及未来各级业务应用系统的承载需求，增强数据通信网的优质服务水平，在数据通信网优化整合总体设计中对网络层次及网络结构进行了优化，提出了虚拟专用网络(VPN)的部署要求和服务质量(QoS)整体部署方案，对IP地址进行了规范。但是，该IP地址规范只是针对省级网络进行了大号段的划分，对省内IP地址没有详细的规划。为有效利用地址空间，体现网络的可扩展性、灵活性和层次性，便于网络路由聚合，减小路由表的长度，减少对路由器CPU、内存的消耗，提高路由算法效率，加快路由变化的收敛速度，各省电力公司有必要进行与网络拓扑结构相适应的、更加细化的IP地址规划。以下根据数据通信网的网架结构，结合电力系统IP地址需求，提出IP地址的规划原则、划分方法以及规划方案，并辅以规划实例。
1数据通信网网架结构
1．1数据通信骨干网网络架构a．网络层次划分。省级数据通信骨干网分为核心层、汇聚层、骨干层3个层次。核心层位于省公司和省第2汇聚节点的2台服务商(P)路由器，参与国网公司数据通信骨干网核心区域组网。汇聚层位于省公司2台服务商边缘(PE)路由器和省第2汇聚节点1台PE路由器，作为省级广域网汇聚设备。骨干层位于地市公司和地市第2汇聚节点各1台PE路由器，以及省公司本部2台PE路由器，作为自治域(AS)64600域的边界设备。b．网络拓扑结构。省级数据通信骨干网形成以省公司、省第2汇聚节点汇聚层PE设备为根节点的双星型拓扑结构。核心P设备与汇聚PE设备之间一跳直连，汇聚PE设备与骨干PE设备之间一跳直连。此外为满足边界网关协议(BGP)和多协议标签交换(MPLS)VPN的路由需要，在省公司和省第2汇聚节点设置路由器反射器(ＲＲ)设备，作为国网数据通信骨干网的2级ＲＲ，负责反射省级数据通信网络的全球的(Global)路由和业务VPN路由，并作为下辖各地市的VPN业务路由反射服务器。省级数据通信网骨干网络架构见图1。1．2数据通信接入网网络架构a．数据通信接入网也分为核心层、汇聚层、接入层3个层次。核心层位于地市公司和地市第2汇聚节点的2台PE路由器以及省公司本部2台PE路由器，与AS64600跨域。汇聚层位于县公司、重要直属单位、500kV变电站、重要220kV变电站、枢纽66kV变电站。接入层由末端220kV变电站、一般66kV变电站、供电所、营业厅、一般直属单位构成。b．接入网核心层采用PE路由器、接入层采用交换机已成共识，但汇聚层采用何种方式还存在异议。汇聚层可以采用路由器做PE起VPN功能，可以采用3层交换机做多实例用户边界设备(MCE)起VPN的业务接入功能，网络规模不大的情况下也可以采用2层交换机做业务汇聚和接入。3种方式各有优缺点，本文按照汇聚层采用路由器做PE方式进行IP地址规划。c．数据通信接入网形成以地市公司、地市第2汇聚节点PE设备为根节点的双星型拓扑结构。接入网核心PE设备与骨干网边界PE设备之间一跳直连，并与接入网汇聚层PE设备之间一跳直连。接入层设备优先采用树形结构上联至汇聚层PE设备。数据通信接入网网络架构示意图见图2。
2IP地址规划原则
a．可扩展性:充分考虑网络未来发展的需求，坚持统一规划、长远考虑、分片分区的原则，在规划深度要求的每一个级别均留有余量。b．连续性:充分利用无类别域间路由(CIDＲ)技术，连续地址在层次结构网络中进行有效的路由聚合，减小路由表大小，加快收敛速度，提高路由计算的效率。c．高效性:采用可变长子网掩码(VLSM)技术，使得有限的IP地址资源发挥最大的功能，确保IP地址的高效利用［1］。d．实意性:好的IP地址规划会使每个IP地址具有具体的含义，可以大致判断出该地址所属设备的属性。e．除在不同VPN中业务IP地址可以重复使用外，设备互联地址必须唯一，不可重复。
3IP地址分类、地址需求分析及划分方式选择
3．1地址分类数据通信网IP地址主要分为管理IP、设备IP、互联IP、业务IP等几类地址。a．管理IP即网元的网管IP，是设备能够被网管系统监控的必要条件，管理IP地址不仅在网关网元与网管通信时使用，而且是数据通信网络(DCN)中采用路由协议的基础。b．设备IP即本地环回地址(Loopback)，是应用最广泛的一种虚接口，通常的数据网建设过程中将该地址作为管理IP地址使用。c．互联IP用于网元之间互联的地址，要求本端与对端设备端口的IP配置在同一网段，但同一台设备的不同端口不能分配相同网段的IP地址，否则会导致路由器不同端口对应一个网段而使路由表存储错误。d．业务IP指链接在网络上的各种服务器、主机等设备所使用的地址。上述IP地址可以归为两大类，一类是网络设备地址，包含管理地址、设备地址以及互联地址，另一类是业务地址。3．2IP地址需求分析a．管理及设备IP地址。为了简化管理和维护便利起见，通常将管理和设备IP地址合设，并作为路由器的ID号，用作该路由器在自治域内的唯一标识。由于此类接口没有与对端互联互通的需求，为了节约资源，该地址通常采用32位掩码［2］。管理及设备IP地址规模与设备配置数量和网络架构、网络技术路线相关，在数据通信网的网络架构下，每台PE路由器需要2个Loopback地址，分别用于IPv4和VPNv4的BGP通信源地址，而一般接入交换机设备需要一个管理维护地址。b．互联IP地址。为了节约资源，设备互联IP地址通常采用30位掩码，考虑到一个30位掩码的地址段会浪费掉2个IP地址，因此互联地址数量为互联链路的4倍。c．业务IP地址。数据通信网将承载国网公司一级业务VPN和各网省公司二级业务VPN。其中七个一级业务VPN分别为信息、通信、调度、视频、语音、IPv6、网管VPN;二级业务VPN因省而异。以东北某省份为例，二级业务VPN有视频、动力环境监控、信息外网、网管VPN。各业务VPN的IP地址需求数量与业务系统的覆盖范围、覆盖站点数量、各站点的部署规模有关，同时需考虑未来业务量的增加。由于电力业务系统的部署基本趋于一致，差异较小，因此，业务IP地址的分配主要根据站点数量、各直属单位级别以及变电站的电压等级等进行加权分配。3．3IP地址划分方式选择IP地址的划分方式基本可分为平均划分和规模划分两种方式。平均划分是指将可用的IP地址资源，平均划分给所属单位。该方式适用于IP地址资源充足，当前及远期需求数量均较少的情况，比如对网络互联及设备地址的划分，建议采用平均划分的方式。该方式有利于管理人员对IP地址规划和分配，有利于运维人员对网络开通和调试。规模划分是指将可用的IP地址资源，根据所属单位站点数量、业务系统部署范围等加权分配。该方式适用于IP地址资源不是特别充足，远期需求数量未知，但需求数量与规模总体相关的情况，比如业务地址的划分建议采用该种方式。该方式可以很好地节省地址资源，避免部分地市地址资源紧张而另一部分地市地址资源浪费的情况。
4国网公司IPv4编址规范
国家电网公司省级及以下数据通信网优化整合总体设计对IPv4地址使用进行了规范，对设备及互联地址、各业务VPN地址进行了规范，其IP地址的第1个八位取值及相关说明见表1。第2个八位划分至各省，每省有两个B类号段，如辽宁、吉林、黑龙江及内蒙古东省级电力公司第2个八位取值分别为66/67、68/69、70/71、72/73。
5省内IP地址规划实例
5．1网络设备及互联地址规划5．1．1网络设备及互联地址需求统计网络设备地址及互联地址规模与设备配置数量和组网方式相关［4］。设备地址数量为网络中路由器数量的2倍加交换机的数量，通过统计省公司、地市公司、变电站、供电所、营业厅等站点的设备数量总和，可统计出设备地址的总需求。互联地址数量为互联链路数的4倍。骨干域根据实际拓扑结构统计需要IP地址数量，按照图1所示的网架结构，骨干域互联链路为38条，所需互联地址为152个。各地市域与骨干域边界路由器相连的地址计入骨干域。地市域按照500kV/220kV变电站、县公司为汇聚层，采用路由器做PE的拓扑结构，通过统计地市公司、县公司、500kV/220kV变电站等汇聚层节点的设备数量，互连链路数量按照设备数的两倍进行预估，即可统计出互联地址的总需求。本文以东北某省的2个地市公司为例，设备及互联地址需求统计见表2。表2只列举了东北某省份骨干域及2个地市的网络设备及互联地址需求，如果按照发达省份十五个地市的规模，其网络设备及互联地址需求大概在16000个左右，占用1个B类地址(65532个)的25%左右。国家电网公司为各省的网络设备及互联地址规划了2个B类地址(另2个作为预留)，因此各省的网络设备及互联地址资源比较充足。5．1．2网络设备及互联地址规划由于网络设备及互联地址资源比较充裕，因此将2个B类地址细分为2×256个C类地址，然后平均划分给骨干域和各地市接入域，各分配16个C类(4096个)分别用于网络设备地址和互联地址，设备地址由大到小、互联地址由小到大依次选取，设备和互联地址规划见表3。上述地址规划至地市级，地市以下县公司、直属单位等地址规划可依照上述方式进一步细化。5．2业务地址规划5．2．1业务地址需求统计从人员数量和业务权值合计2个维度来定义各地市公司规模的大小。以东北某省份为例，截止2015年底，省公司本部和其中两个地市公司办公人数统计见表4，其中2020年底人数规模按2%的年增长率估算。考虑到不同类型站点的业务数量不相同，需要为不同类型站点的业务确定一个权值，通过统计不同地市的权重分配IP地址。不同类型站点权值见表5。业务地址可根据站点数量和工作人员数量，进行加权求和，各级单位的地址需求统计见表6。从表6中可以看出，省公司业务地址需求较大，各地市的地址需求因站点规模和人员数量不同而差别较大。5．2．2业务地址规划国家电网公司为各业务VPN均分配了B类地址，其中信息VPN分配了14个B类地址，其他业务VPN基本各分配了2个B类地址，以通信VPN为例进行业务地址的分配。由于初期业务地址需求较小，因此先期考虑规划其中1个B类地址(细分为16×16个C类地址)，另一个B类地址整体预留，待业务增长到一定规模时，再行分配。按照表6所示省、地公司地址需求的相对权值比例，同时考虑CI-DＲ、逐级预留，尽可能将IP地址分配完毕。最终为省公司规划3×16个C类地址，规模较大的地市规划2×16个C类地址，规模不大的地市规划16个C类地址，最终全省共分配224个C类地址，同时为远期预留32个C类地址(见表7)。上述地址规划至地市级，地市以下的变电站、县公司、直属单位等业务地址规划可依照上述方式进一步细化。
6结束语
通过对IP地址需求的分析，明确了地址规划原则，提出了根据人员及业务两类权值划分IP地址的方式，并结合国家电网公司编址规范，以实例形式，对省级及以下数据通信网的设备互联地址以及业务地址进行了规划，可以为电力系统省级数据通信网的IP地址规划提供参考。
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