PTN 技术在油气田组网中的应用

陈 建 1 龚 健 1

中国石油西南油气田分公司通信与信息技术中心川中总站 邮编： 629001

摘要：随着两化融合的深入，石油天然气工业也迈入了数智能化时代，按照“油公司”模式，需要实现组织机构扁平化，在新形势下，传统的网络传输模式已无法满足需要，建设大带宽、多业务，安全可靠的网络传输，成为智能化油气田建设的最优选择，因此使用技术成熟可靠的PTN进行组网，在安全可靠的前提下，探索新通信技术在石油专网中的适用性与融合性，满足数字化智能化油气田的建设。

关键词：两化融合 PTN 石油通信 组网方式

1 引言

石油通信专网是适应石油行业需求而量身定制的专业网，是伴随石油行业的发展而发展起来的。石油专网的优势在于其专业化电信基础网络，自成体系、性能稳定，为油气勘探开发发挥了不可替代的作用。随着油气场站无人化、智能化建设的不断深入，对数据业务的种类和带宽也不断增加，尤其是对于管道安全保护、管道及储气设施建设任务艰巨、协调难度大的地区。而作为传输骨干网的SDH网络，和作为接入层的工业交换机网络，从技术体系及网络架构、成本上，已严重限制了这部分业务发展，致使石油通信专网发展遇到前所未有的挑战。因此，石油专网生存与发展，必须依托新技术，积极寻求新业务，走转型之路。

全业务IP化已对承载网提出更高的要求，从业务接入、汇聚，到业务调度转发，都需要网络满足如下需求：

业务带宽化——大流量业务的调度和传递；

接口兼容性——以太网接口为主，兼容TDM/ATM等其它业务；

业务智能化——业务感知、端到端区分服务；

网络安全性——电信级的OAM和保护；

利润最大化——降低CAPEX/OPEX；

在这样的网络发展诉求下，PTN作为新的通信技术，引入油气田。PTN(Packet Transport Network)是一种以分组作为传送单位，承载电信级以太网业务为主，兼容TDM、ATM和FC等业务的综合传送技术。PTN技术基于分组的架构，继承了MSTP的理念，融合了Ethernet和MPLS的优点，面向连接，支持电信级OAM及保护，是下一代分组承载的新技术。

2 PTN技术组网的优点

2.1 业务间的安全隔离

油气田使用的PTN技术设备的架构，具备多个平面的融合特性，分组交换平面（PTN），光传送平面（OTN），以及波分平面（WDM）。

以下归纳并总结到以下几种通道隔离方式：

LSP：LSP是在网络中通过标签交换所经过的一系列的核心节点，PTN网络通过标签分发协议，实现了标签的建立和标签绑定的维护，并且以流控制实现了多个标签分发信息在一个数据包中承载，使得标签分发信息能够被可靠地传输，实现了网络中的FEC在交换节点中标签的统一性，保证通道的唯一性^[1]。

PWE3：PWE3技术时一种端到端的二层业务承载技术，该技术通过对各种业务的基本行为和特征进行仿真，为多种业务提供相应的伪线，来满足各种业务需求。PW的作用是连接两个边缘节点之间的距离，为实现不同业务通道隔离提供方案。PW的建立，实现了通信的两个端到端的PE针对仿真服务的信息进行交互和协商，包统一的封装PDU和处理帧序的机制，还能够根据相应的业务需求具体建立PW^[1]。

传输通道：LSP和PWE3是在业务通道的链路层实现的通道隔离，后续在更多业务承载及扩容需求是，可以OTN和WDM技术、板卡，实现基于不同波长的物理层的通道隔离，有效提升带宽容限，同时还可以进一步提升业务的隔离强度，加强业务安全性^[1]。

2.2 多平台灵活组网

在满足业务隔离的大带宽承载应用的前提下，结合PTN对全业务实现透传的功能，及标准SDH、PTN、OTN网络、业务接口，与原有主流SDH、Swith设备对接时，既不影响业务隔离和传输，还能透传原有设备网管信息，实现与原有站点设备的兼容^[2]。

同时，油气田通信网目前存在很多树状、链状网络，通过选取合适网络节点，部署PTN设备，将这些网络拓扑改进为环形，从而增加成环率，优化网络结构，提升网络健壮性、设备使用效率。

2.3高效运维

从网络维护和管理角度出发，在石油通信专网中，采用端到端的业务配置方式，通过网管类可视化的图形维护界面，在通道建立或QoS等配置上采取典型配置选择方法，可以简化网络的配置工作，也适合网络节点的增减。

同时借助增强的OAM信息资源，基于SD/CV性能参数实时监控，流量和带宽的实时监控，进一步实现了网络监控的自动化管理^[3]。

3 网络现状及需求分析

3.1 网络现状分析

对于油气田的大中型集气站，跟随油气管道铺设光纤到油井附近，并实现通信业务的有线传输和接入。

早期的的通信解决方案，是在油气田集气站、净化厂等站厂铺设光纤形成OTN/MSTP/SDH的环网，在站厂等区域部署工业以太网交换机设备，负责管理区域的光纤接入。

在计量站、井口等场所部署工业级以太网交换机，根据现场、光纤等情况可组成环型、链型、星型等多种组网方式；通常情况下，工业以太网交换机设备均支持环网保护技术，网络出现故障时可在实现环网自愈，确保SCADA网络的可靠运行，如图3-1所示。

图3-1 SCADA网络拓扑图

3.2 现有网络存在问题

3.2.1 传输网架构薄弱

依照现有SDH光传输网络硬件配置，近期可实现带宽升级的网络总带宽为2.5G，随着十二五规划，各类新型大颗粒IP化业务不断涌现。现有SDH传输网即便升级到2.5G也无法满足各类大颗粒新型业务的接入。若升至10G需将全网站点设备进行更换，且因品牌壁垒及商业垄断，每台SDH设备升级费用较高，由此所需的投资金额巨大。

针对现有光传输网络带宽低、资源殆尽问题，所以，在PTN技术使用前，单纯依托SDH设备所组成的光传输网络，支撑石油通信全网业务承载时，由于技术因素，其网架结构已无法满足网络建设，及未来大颗粒新型业务接入需求。

3.2.2 网络带宽无法满足业务需求

SDH带宽资源不足，升级造价高昂，而采用工业以太网交换网络时，现有工业交换机基本采用千兆组网，短期内可以满足业务需求，但随着网络升级，新业务尤其是生产视频业务出现，工业交换机的网络性能，已无法保证高清视频的准确、实时的传送，由此影响到生产业务的稳定实施。

3.2.3 运行安全、维护管理存在问题

工业交换网络，秉承以太网交换技术“尽力而为”的工作模式，在小型IP网络组网应用场景，可以快速、低成本部署，所以并未考虑专网中的业务隔离、安全性要求。在石油专网的数据网络中使用，基本可以满足需求，但如果和生产的安防、数据业务网融合传输，仅依靠简单的VLAN、QOS等功能，存在运行安全隐患。

另外在工业交换机组网，其“点到点”的业务开通模式，也必然使得网络中出现新的节点，增添设备时，需要对业务所经过的所有交换机设备进行相关配置，对于网络的维护管理，也带来了不便。

以太网交换是面向非连接的MAC地址转发机制，信息转发并不是事先确认信道是否健康，同时MAC寻址会有引起广播风暴的危险，简单的OAM机制使得故障侦测不可靠、定位不准确，同时环网保护机制也不可靠，基于广播域的隔离，也存在信息安全风险。

3.3 典型应用场景需求分析

石油通信系统按站点应用，承载生产网业务和办公网类业务,以西南油气田龙王庙区块场站为例，各级通信节点业务及带宽需求如表3-1所示。

表3-1 业务带宽需求表

集气站除汇聚下属生产气井的业务数据后，与站上的生产、办公业务数据，全部传送至净化厂进行落地及转发。

净化厂实现对各站、井业务的集中落地，同时将部分监控业务，通过SDH网络与上层通信站点实现传送。

4 增强型PTN解决方案

4.1 实际组网方案

结合技术对比，以及油气田通信业务的需求分析，油气田目前组建两种网络拓扑一是单独用PTN组建环网，汇聚点至各单井站采用E-TREE（以太网树型）方式开通业务，见图4-1；二是PTN加三层工业以太网交换机，汇聚点至单井站采用E-LINE建立三层交换机之间传输通道，见图4-2。

图4-1 PTN独立组网拓扑图

图4-2 PTN+三层交换机组网拓扑图

西南片区油气田的PTN组网应用中，使用的是增强型PTN设备，具备三平面三核心。第一平面：光传送网核心，第二平面：PTN核心，第三平面：TDM交叉核心。本次项目根据业务规划预算，结合现网情况，目前只是用了PTN核心，并预留了光传送核心，既节省了网络整体投资，又保证未来网络的升级能力。

目前设备均已在网运行，并通过网管实现图形化管理，图4-3为网管拓扑界面显示。

图4-3 西南片区油气田PTN网管拓扑图

4.1.1 汇聚点至单井站传输业务情况介绍

按照油气田网络安全管理规定各业务之间见要求实现物理隔离，因此采用各业务单独建立tunnel通道实现隔离，汇聚点业务至各单井站建立主备tunnel传输通道，采用E-TREE方式进行业务传输，见图4-4。

图4-4 E-TREE模式图

汇聚点至各单井站建立主备tunnel传输通道，采用E-LINE方式进行业务传输，见图4-5。

图4-5 E-LINE模式图

4.1.2 汇聚点至单井站传输业务保护情况介绍

通过主备tunnel进行环网内传输通道保护，见图4-6^[4]。

图4-6 传输通道保护机制

4.1.3 PTN与现有传输设备SDH混合组网

利用原有SDH传输通道建立中心井站至气矿备用通道实现PTN与现网设备无缝连接，如图4-7所示。

图4-7 PTN+SDH混合组拓扑图

5 运行效果

5.1 验证了业务隔离及大颗粒传送的效果

通过使用，PTN设备可根据业务类型分配端到端专用通道，并可配置多层级QOS，保证各业务通道之间安全隔离及稳定运行。

5.2 验证端到端业务管理的效果

通过使用PTN多协议标签交换网络，构建LSP及虚通道，进行了去IP化,增加了面向连接的的特性和操作管理维护功能，在网管的客户配置，只需要对业务源端、宿端的信息和QoS进行设置,系统自身可选择出一条最优的路径满足承载业务的需求。

5.3 验证了“全业务透传”的效果

通过使用PTN设备组网应用，验证该技术及设备，可实现石油通信专网的所有业务的承载传输，无需另外加装其他通信设备，使得整个厂区的网络更加简洁。

参考文献

[1]圣钱生,张桂英.PTN的关键技术及优势[J].信息技术,2010,34(12):202-205.

[2]王加莹.分组传送网(PTN)技术及发展[J].中国通信,2010,7(03):123-133.Wang Jia ying. Packet transport network (PTN) technology and development[J]. China Communications, 2010,7 (03): 123-133.

[3]陈学艺.PTN技术及组网应用[J].电信技术,2011(12):88-89.

[4]郭立强.光传送网PTN网络环网保护[J].信息通信,2018(08):177-180.Guo Liqiang. Ring network protection of optical transmission network PTN [J]. Information communication, 2018 (08): 177-180.