2. 国家电网公司信息通信分公司, 北京 100761
流传输控制协议(SCTP)可以在电力通信网络与输电线路同时发生故障时实现广域后备保护迅速可靠动作.针对主路径性能急剧下降但仍未发生断开错误时广域后备不能及时动作问题, 首先分析了基于时延的主路径自动切换方法和基于路径综合评价主路径自动切换方法, 随后, 将基于路径综合评价主路径自动切换方法引入广域后备保护信息通信传输中, 最后, 通过NS2仿真实验环境进行了验证.实验结果表明, 基于路径综合评价的主路径自动切换方法降低了主路径自动切换时间, 提高了广域后备保护通信传输的可靠性.
2. State Grid Information and Telecommunication Branch, Beijing 100761, China
Stream transmission control protocol (SCTP) in the electric power communication network and transmission line can be failed simultaneously onto both fast and reliable Wide-area backup protection action. However, when the primary path failure results in performance degradation and disconnection when error occurs, the problem mentioned above leading Wide-Area backup would not be timely acted. To solve this problem, the main path was analyzed based on delay automatic switching paths comprehensive evaluation method which was based on the primary path automatically switching method. The main path automatically switched Wide-area backup protection of information and communication transmission were also introduced. The NS2 simulation environment is verified. Experiments show that the path-based comprehensive evaluation method of main path automatically switch the primary path reduces time consumption and improves wide-area backup protection communication transmission reliability.
广域后备保护与传统后备保护相比具有在保证选择性的前提下动作速度快等优点，近年来受到国内外学者的广泛关注[1]. Dong Phil Kim[2]和Manoj Dahal[3]针对上述问题，提出了当备选路径时延明显低于主路径时时延进行主路径自动切换的方法，提高了数据传输效率. Yunsop Han等[4]在提高路径传输的吞吐量和降低时延方面进行了研究.李玲等[5]在拥塞控制和重传控制机制优化方面进行了研究.
然而，仅仅依据时延因素进行主路径切换还存在一定的不足.使用基于路径综合评价的主路径自动切换方法.该方法通过采用路径切换综合评价方法进行主路径自动切换，以避免仅依据Heart Beat机制进行路径存活判断和基于时延因素进行主路径切换的不足，从而提高主路径自动切换的及时性，保证广域后备保护的可靠性，并且提高偶联资源的利用率和数据传输效率.
1 广域后备保护中SCTP协议应用1.1 广域后备保护电力系统通信目前主要以光纤通信方式为主，主要基于架空地线复合光缆(OPGW, optical fiber composite overhead ground wire)和全介质自承式光缆(ADSS, all dielectric self-supporting optical fiber cable).两种光缆一般采用与输电线路同杆塔架设的方式，在极端自然灾害情况下，当电网出现断线、倒杆塔等事故时，电力通信容易发生中断.现代社会对电力系统的依赖与日俱增，极端自然灾害的发生容易引发电网事故，这时电网后备保护显得尤为重要，如何提高电网的灾害防御能力和应急响应能力，保证电力网络的可靠运行，值得进一步研究.
电力通信网络与输电线路同时发生故障时，如何通过保证信息传输的实时性和可靠性来实现广域后备保护迅速可靠动作是当前值得研究的问题.
1.2 基于SCTP协议的广域后备保护通信信息传输当前电力通信网络中，多协议标签交换(MPLS, multi-protocol label switching)获得了广泛应用，MPLS独立于第2层和第3层协议，用于不同的分组转发和分组交换技术.同时，当前电力通信网络中链路的2个通信站点间均存在冗余链路，因此可以基于MPLS为广域通信网络节点间配置多条路径，为SCTP的应用奠定基础.
2 路径切换方法为了应对SCTP协议Heart Beat机制探测路径故障反映慢的问题，分别将基于时延主路径自动切换方法和基于路径综合评价主路径自动切换方法引入到广域后备保护通信信息传输中，解决电网通信故障时路径切换不及时的问题.
2.1 基于时延主路径自动切换针对SCTP在主路径性能恶化时不能进行主路径自动切换的问题，研究人员提出的改进方案多数集中在基于时延进行主路径自动切换的方法，即主路径时延大于备选路径时的时延，将主路径自动切换到时延最小的备选路径上.基于时延的主路径自动切换方法过程描述如下：
步骤1 分别预测主路径时延RTTpri和各备选路径时延RTTalt；
步骤2 设定切换阈值m，m经验取值为0.95，比较主路径和各备选路径时延，当备选路径时延与主路径时延比值低于阈值时，转步骤3，否则转步骤1，比较式为
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(1) |
步骤3 将主路径切换到时延最小的备选路径上，转步骤1.
2.2 基于自适应滤波算法的时延、带宽预测时延是路径性能的重要评价指标，STCP保留了TCP中原有算法进行的时延预测.
研究表明RTT (round-trip time)具有自相似的特性，这种特性是影响网络数据传输性能的重要因素之一[6].采用基于自适应滤波算法进行时延预测的方法，对SCTP中的时延进行预测.该方法过程描述如下.
步骤1 初始化滤波器的输入向量和滤波器参数向量.设Xn为滤波器的输入向量，其取值为实际测得的p个RTT值，Wn为滤波器的p维参数向量，Wn中所有参数初始值为1/p，向量分别表示为
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(2) |
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(3) |
步骤2 计算RTT预测值，该预测值为滤波器的输出值
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(4) |
步骤3 计算RTT实际值rn和预测值
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(5) |
步骤4 更新滤波器参数向量Wn，更新方程为
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(6) |
其中μ为收敛因子.
步骤5 更新Xn.
步骤6 转步骤2，计算下一时刻的RTT预测值.
在数据传输过程中，当路径性能下降或遇到拥塞时，路径可用带宽下降，发送端接收到的确认数据分组会明显减少，这种现象比时延预测能够更及时地反映当前路径性能的变化，因此带宽预测在路径切换综合评价中具有重要意义.李国栋等[7]提出基于自适应滤波的带宽测量方法，将自适应滤波算法引入到带宽测量中，能够测得更接近实际的链路可用带宽.
2.3 基于路径综合评价主路径自动切换方法虽然基于时延的主路径自动切换方法能够在一定程度上降低故障切换时间，在一定程度上降低了平均数据传输时延，提高了数据传输效率；但是，仅依据时延因素进行主路径切换还存在一定的不足.因此，结合基于自适应滤波算法的时延预测方法和基于自适应滤波算法的带宽预测方法，使用基于路径综合评价的路径切换综合评价方法，进行基于路径综合评价的主路径自动切换.该方法过程描述如下.
步骤1 采用自适应滤波算法对备选路径进行时延带宽性能指标进行预测，设主路径时延为RTTpri，备选路径时延为RTTalt，主路径带宽为Bandwidthpri，备选路径带宽为Bandwidthalt.
步骤2 定义备选路径i的路径切换综合评价值为Ei，设α和β分别为时延和带宽评价系数.将各备选路径同主路径进行性能比较，得到各备选路径的路径切换综合评价值Ei，计算式为
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(7) |
步骤3 设定切换阈值为t，其经验取值为1.75，比较各备选路径的路径切换综合评价值和切换阈值，当存在一个或多个备选路径的路径切换综合评价值Ei低于阈值t时，则转步骤4，否则转步骤1，比较式为
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(8) |
步骤4 选择备选路径中路径切换综合评价值Ei最小值Emin，可知其所在的路径性能最优，将主路径切换到该路径上，该路径成为新主路径，转步骤1.
使用该方法，主路径自动切换能够在主路径性能恶化时及时、准确地进行，从而提高偶联资源的利用率和数据传输效率.
3 实验验证及分析3.1 实验拓扑环境采用NS2仿真实验环境进行验证，将2个电力通信节点之间的拓扑进行抽象，得出如图 1所示拓扑结构，实验采用半双工的通信方式.在该拓扑结构中，“发送端接口1”和“发送端接口2”为发送端的2个接口；同样，“接收端接口1”和“接收端接口2”分别是接收端2个接口.
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图 1 网络拓扑结构 |
网络拓扑中设置的各个链路带宽初始值为5 Mbit/s，时延为50 ms.实验过程模拟设置了3个阶段来模拟电力通信网络发生故障以及故障恢复过程中SCTP路径切换动作.
阶段1 经过5 s后，路径1(链路1—3—5—7) 性能恶化，带宽降低为1 Mbit/s，时延增加为200 ms，同时，路径2(链路2—4—6—8) 性能保持不变；
阶段2 经过10 s后，路径1性能转好，带宽恢复为5 Mbit/s，时延恢复为50 ms，路径2性能恶化，带宽降低为1 Mbit/s，时延增加为200 ms；
阶段3 经过20 s后，路径1性能恶化，带宽降低为1 Mbit/s，时延增加为200 ms，路径2性能转好，带宽恢复为5 Mbit/s，时延恢复为50 ms.
3.2 实验结果实验在图 1的拓扑中完成.该实验分别使用标准SCTP、基于时延的主路径自动切换方法和基于路径综合评价的主路径自动切换方法进行数据传输，并对所产生的时延结果进行比较，判断主路径自动切换能否在主路径性能恶化及时进行.
图 2为使用标准SCTP和基于时延的主路径自动切换方法所产生的时延结果比较图.其中，“Standard”曲线为使用标准SCTP的主路径切换方法进行数据传输所产生的时延变化曲线. “RTT”曲线为基于时延的主路径自动切换方法进行数据传输所产生的时延变化曲线.
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图 2 传输时延比较 |
图 3为基于时延的主路径自动切换方法和基于路径综合评价的主路径自动切换方法所产生时延的结果比较图.其中，“RTT”曲线为基于时延的主路径自动切换方法进行数据传输所产生的时延变化曲线，“Filter”曲线为基于路径综合评价的主路径自动切换方法进行数据传输所产生的时延变化曲线.
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图 3 传输时延比较 |
表 1和表 2对以上实验数据进行了分析比较.其中，表 1为3种方法主路径自动切换时间对比情况，表 2为3种切换方法平均数据传输时延对比情况.
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表 1 3种方法主路径切换时间对比 |
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表 2 3种方法平均数据传输时延对比 |
表 1中“Standard”表示标准SCTP的主路径切换方法，因路径没有发生断开故障等情况，SCTP协议中没有进行主路径切换. “RTT”表示基于时延的主路径自动切换方法，3次切换的时间分别发生在主路径性能恶化之后的0.69 s、1.42 s和1.60 s. “Filter”表示基于路径综合评价的主路径自动切换方法，3次主路径自动切换时间分别发生在主路径性能恶化后的0.10 s、0.51 s和0.71 s.从表中数据可以计算得出，与基于时延的主路径自动切换方法相比，基于路径综合评价的主路径自动切换方法在主路径自动切换时间上分别缩短了86%、68%和56%.
表 2中“Standard”表示标准SCTP主路径切换方法，因路径没有发生路径断开故障等情况，SCTP中没有进行路径切换，导致平均数据传输时延最高. “RTT”表示基于时延的主路径自动切换方法，由于在路径性能发生较大变化后进行了主路径自动切换，平均数据传输时延有所降低. “Filter”表示基于路径综合评价的主路径自动切换方法，由于在路径性能发生变化后较短时间内进行了主路径自动切换，平均数据传输时延最低.从表中数据可以计算得出，基于路径综合评价的主路径自动切换方法比标准SCTP主路径切换方法和基于时延的主路径自动切换方法，在平均数据传输时延上分别降低了30%和16%.
以上实验表明，使用基于路径综合评价的主路径自动切换方法的SCTP，在主路径自动切换时间、平均数据传输时延等方面性能明显优于基于时延的主路径自动切换方法，更优于标准SCTP.
4 结束语针对SCTP路径故障检测不及时问题，特别是故障导致主路径性能急剧下降但是仍未发生断开错误时，导致广域后备不能及时动作问题.分析了基于时延的主路径自动切换方法和基于路径综合评价主路径自动切换方法，将基于路径综合评价主路径自动切换方法引入广域后备保护信息通信传输中；最后通过NS2仿真实验环境进行了验证.实验结果证明：采用基于路径综合评价的主路径自动切换方法进行主路径自主切换能够在主路径性能恶化并低于备选路径性能时及时、准确地进行主路径自动切换，从而能够有效地应对电网中发生极端自然灾害导致的倒杆塔事故，提高了电网信息通信的可靠性，同时有效地提高了偶联资源的利用率和数据传输效率.因此，基于路径综合评价的主路径自动切换方法降低了主路径自动切换时间，提高了广域后备保护通信传输的可靠性.
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