趙高峰

（南瑞集團公司，南京 211106）

SDN在電力骨干通信網(wǎng)中的應(yīng)用研究

趙高峰

（南瑞集團公司，南京 211106）

電力通信網(wǎng)為電力生產(chǎn)及管理業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)保障，面對全球能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新業(yè)務(wù)需求的沖擊，現(xiàn)有電力骨干通信網(wǎng)面臨著極大的挑戰(zhàn)。研究軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)的特點和優(yōu)勢，分析SDN技術(shù)對傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)造成的直接或間接影響，以及SDN技術(shù)在電力骨干通信網(wǎng)的應(yīng)用場景，最后提出基于SDN的光網(wǎng)絡(luò)控制平面的具體實現(xiàn)方案。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)；電力骨干通信網(wǎng)；數(shù)據(jù)中心；全球能源互聯(lián)網(wǎng)

0 引言

電力骨干通信網(wǎng)承載著國家電網(wǎng)公司日常辦公和生產(chǎn)運行業(yè)務(wù)。近年來，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入開展和企業(yè)管理變革的深化，電力骨干通信網(wǎng)在支撐電網(wǎng)生產(chǎn)運行和企業(yè)信息化方面的基礎(chǔ)性作用日益凸顯，業(yè)務(wù)需求的增長和變化驅(qū)動著電力通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展。同時，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，電力骨干通信網(wǎng)在傳統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上也存在平滑演進的客觀要求。

當前，采用軟件化架構(gòu)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為信息通信技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的熱點，應(yīng)用范圍也已經(jīng)從最初的數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域向光通信領(lǐng)域延伸，并成為未來光網(wǎng)絡(luò)控制平面技術(shù)發(fā)展的重要方向。同樣，在電力通信領(lǐng)域，軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 電力骨干通信網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

國家電網(wǎng)公司電力通信專網(wǎng)隨各級電網(wǎng)建設(shè)，目前，光纖通信技術(shù)已經(jīng)成為電力骨干傳輸網(wǎng)采用的主流技術(shù)。按照國家電網(wǎng)公司“十二五”通信規(guī)劃的定義［1-2］，通信網(wǎng)由骨干通信網(wǎng)和終端通信接入網(wǎng)組成。經(jīng)過多年的發(fā)展和建設(shè)，一、二級骨干通信網(wǎng)已經(jīng)形成SDH與OTN兩種技術(shù)共用的雙平面結(jié)構(gòu)，為智能電網(wǎng)建設(shè)和運行管理提供了重要支撐和保障。

2014年劉振亞提出“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”的概念［3］，將能源互聯(lián)網(wǎng)的范圍提升到全球。未來的能源互聯(lián)網(wǎng)將通過能源技術(shù)和信息通信技術(shù)的深度融合，構(gòu)建能源與信息雙向互動的平臺，支撐多種能源的協(xié)調(diào)互補，滿足多種分布式發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備、用電設(shè)備等業(yè)務(wù)單元的即插即用。能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，用戶服務(wù)模式也將發(fā)生改變，基于移動互聯(lián)的客戶服務(wù)將普及，電網(wǎng)運行管理中移動接入需求越來越廣泛，電力云服務(wù)和數(shù)據(jù)中心的需求也在飛速增長［4］，這些都要求未來的電力通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活，具備網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)雙向智能感知能力，能夠動態(tài)配置通信網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)業(yè)務(wù)自動部署，帶寬動態(tài)調(diào)整。

當前電力骨干通信網(wǎng)主要作為電網(wǎng)一次網(wǎng)架的配套工程進行建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)整體規(guī)劃程度較低，結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)備廠家眾多，維護管理效率較低，網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)調(diào)度能力差，故障恢復時間長，靈活性較差，可擴展性不足。面對全球能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新業(yè)務(wù)需求的沖擊，現(xiàn)有電力骨干通信網(wǎng)面臨著極大的挑戰(zhàn)。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)是一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)［5］，通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制平面與數(shù)據(jù)平面分離開來，提供開放的可編程接口，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的靈活控制，為核心業(yè)務(wù)創(chuàng)新提供了良好的平臺?？刂破矫婧娃D(zhuǎn)發(fā)平面分離、控制平面邏輯集中、開放的可編程接口是SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的3大核心特征。

SDN網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點如下：1）通過控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品軟硬件分離，不再依賴單一設(shè)備廠商；2）通過控制平面邏輯集中，可以簡化運維，降低成本，方便與上層應(yīng)用協(xié)同，為網(wǎng)絡(luò)的使用和控制提供了更多的靈活性；3）通過提供可編程的北向接口，支持客戶化定制軟件，能夠幫助網(wǎng)絡(luò)運營者快速實現(xiàn)業(yè)務(wù)創(chuàng)新，縮短新業(yè)務(wù)的部署實施周期，提升市場競爭力；4）通過策略集中管控有助于形成一套整體的安全防御體系，不再依賴單一的解決方案。

綜上所述，SDN技術(shù)優(yōu)勢可以針對性地解決電力骨干通信網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)。在電力光網(wǎng)絡(luò)中引入SDN技術(shù)，采用獨立的控制平面和集中控制策略，可以屏蔽現(xiàn)有通信網(wǎng)復雜的私有管理協(xié)議，開放可編程的北向接口，使得光網(wǎng)絡(luò)具備前所未有的靈活性，滿足能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對電力骨干通信網(wǎng)靈活、開放、高效、智能的需求。

3 軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力骨干通信網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 電力云服務(wù)應(yīng)用

近年來，云計算技術(shù)在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，云服務(wù)數(shù)據(jù)中心通過電力骨干通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)量眾多的服務(wù)器和存儲設(shè)備進行互聯(lián)，并實現(xiàn)高效協(xié)同工作。目前，骨干通信網(wǎng)提供云服務(wù)數(shù)據(jù)中心互聯(lián)一般采用按照最大峰值靜態(tài)資源配置模式，這種模式易造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費，不能適應(yīng)接入點動態(tài)變化、用戶帶寬需求動態(tài)調(diào)整的需求。通過在電力骨干通信網(wǎng)中引入SDN技術(shù)，能夠統(tǒng)籌根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)和業(yè)務(wù)需求，將云服務(wù)資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬資源統(tǒng)一分配，實時動態(tài)地響應(yīng)用戶業(yè)務(wù)需求。

3.2 多廠家通信設(shè)備管理

當前，電力骨干通信網(wǎng)中運行設(shè)備的種類型號和廠家眾多，給網(wǎng)絡(luò)集中管理維護帶來極大挑戰(zhàn)。由于光網(wǎng)絡(luò)物理層技術(shù)復雜，各設(shè)備廠家的控制和管理協(xié)議均存在私有信息，跨廠家設(shè)備集中管理和業(yè)務(wù)調(diào)度難以實現(xiàn)，導致業(yè)務(wù)開通時間長、效率低。SDN通過轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，能夠屏蔽不同廠家的轉(zhuǎn)發(fā)平面細節(jié)，提供標準接口實現(xiàn)控制器互聯(lián)。運用SDN技術(shù)實現(xiàn)將封閉的私有系統(tǒng)變成具備標準接口的開放平臺，有利于解決多廠商光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集中管理和互聯(lián)互通，簡化通信網(wǎng)絡(luò)運維。

3.3 電力光網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的統(tǒng)一控制

云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等新技術(shù)的革新及部署應(yīng)用對電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)從架構(gòu)、部署、性能、功能等層面均提出了新的需求。調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)均承載在電力骨干通信網(wǎng)上，長期以來，數(shù)據(jù)網(wǎng)和光傳送網(wǎng)是分離的，光傳送網(wǎng)一直作為底層傳輸管道支撐著數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)，這種體系架構(gòu)易造成運行維護成本高、帶寬資源無法充分利用，同時由于數(shù)據(jù)網(wǎng)和光網(wǎng)絡(luò)不是動態(tài)相關(guān)的，無法實現(xiàn)端到端數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)動態(tài)按需建立和靈活資源調(diào)度［6］。軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以有效地解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合問題，通過對Openflow協(xié)議進行擴展，可以采用統(tǒng)一的SDN控制器實現(xiàn)IP層和光層的協(xié)同組網(wǎng)調(diào)度，如利用光網(wǎng)絡(luò)層大顆粒的流量調(diào)度和疏導，將路由器的過境流量在光層進行旁路。采用SDN技術(shù)，可以在電力數(shù)據(jù)網(wǎng)和光網(wǎng)絡(luò)間建立具備統(tǒng)一控制能力的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4 基于SDN的光網(wǎng)絡(luò)控制平面設(shè)計實現(xiàn)

4.1 SDN與光傳送網(wǎng)絡(luò)控制平面融合

數(shù)十年來，光傳送網(wǎng)一直沿著智能化的路徑演進。電力骨干通信網(wǎng)也經(jīng)歷了沒有獨立的控制平面到基于自動交換光網(wǎng)絡(luò)（Automatic Switch Optical Network，ASON）的架構(gòu)和基于 PCE（Path Computation Element）協(xié)議的控制平面發(fā)展［7-10］。為適應(yīng)更靈活、更開放、更高效的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，將SDN技術(shù)與光傳送網(wǎng)絡(luò)控制平面進行融合，可以實現(xiàn)光傳送網(wǎng)絡(luò)的可編程功能，帶動網(wǎng)絡(luò)變革。SDN與光傳送網(wǎng)絡(luò)控制平面融合如圖1所示。

圖1 SDN與光傳送網(wǎng)融合示意

4.2 SDN控制器設(shè)計難點

SDN控制器負責通信網(wǎng)絡(luò)的集中控制，控制能力的集中化，意味著SDN控制器的安全性和性能成為全網(wǎng)的瓶頸，SDN通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持多SDN控制器協(xié)同工作，避免單控制器失效導致通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓。目前，用于SDN控制器之間通信的東西向接口標準還未明確定義，多SDN控制器的協(xié)同工作機制是設(shè)計難點。

4.3 SDN控制器邏輯架構(gòu)

適用于光網(wǎng)絡(luò)的SDN控制器邏輯架構(gòu)采用分層設(shè)計原則，系統(tǒng)架構(gòu)分為物理設(shè)施層和應(yīng)用服務(wù)層，功能模塊如圖2所示。

圖2 SDN控制器功能模塊

物理設(shè)施層由網(wǎng)元管理模塊、拓撲管理模塊和流管理模塊3個功能模塊以及硬件設(shè)備抽象層接口集合而成，實現(xiàn)對光網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元、流表和拓撲等信息的查詢管理，并通過對流的管理實現(xiàn)對物理網(wǎng)絡(luò)的管控。硬件設(shè)備抽象層接口用于對物理設(shè)備的接口抽象，方便不同硬件設(shè)備的接入。南向接口采用擴展的Openflow協(xié)議，增加了對時隙、端口、波長等顆粒度的支持，將和光接口物理層性能相關(guān)的功率、衰減、非線性、色散等分別抽象建模，實現(xiàn)對光設(shè)備網(wǎng)元的支持。

應(yīng)用服務(wù)層分為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模塊、資源管理模塊、服務(wù)質(zhì)量模塊、PCE路由模塊、安全處理模塊、虛擬化模塊等。

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模塊。對網(wǎng)絡(luò)進行主動測量，周期性地收集光網(wǎng)絡(luò)物理層的實時性能，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時延、抖動、丟包率等信息。

資源管理模塊。對光網(wǎng)絡(luò)的波長、端口、時隙等資源進行統(tǒng)計，為流量控制、路由選擇、QoS保證提供支撐。

服務(wù)質(zhì)量模塊。依據(jù)用戶帶寬、時延、可靠性需求，設(shè)定服務(wù)優(yōu)先級，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)設(shè)置控制策略。

PCE路由模塊。基于已知的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和約束條件，在域間、域內(nèi)以及不同運營商之間等多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實現(xiàn)端到端路徑計算。

安全管理模塊。提供訪問接入控制、用戶認證等安全機制。

虛擬化模塊。對物理層資源進行虛擬化，實現(xiàn)對物理基礎(chǔ)設(shè)施資源的復用。

應(yīng)用服務(wù)層通過北向接口與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（Network Management System，NMS）以及新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用互聯(lián)，新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用包括光虛擬專用網(wǎng)（Optical Virtual Private Network，OVPN）、 帶寬按需分配（Bandwidth on Demand，BoD）等。

采用成熟的集群技術(shù)將多個SDN控制器組成的分布式集群，實現(xiàn)多控制器協(xié)同工作。

4.4 SDN控制器設(shè)計方案

4.4.1 硬件設(shè)計方案

SDN控制器原型機基于X86構(gòu)架的硬件平臺實現(xiàn)，整個硬件平臺主要由CPU模塊、存儲模塊、交換模塊以及一些必須的外圍設(shè)備模塊組成。其豐富的外圍接口可以進行大量的功能擴展，滿足電力網(wǎng)絡(luò)各種業(yè)務(wù)的開展。

4.4.2 軟件設(shè)計方案

物理設(shè)施層的設(shè)計實現(xiàn)。在Ubuntu操作系統(tǒng)上基于開源Floodlight平臺，設(shè)計實現(xiàn)服務(wù)提供組件、設(shè)備管理組件、鏈路發(fā)現(xiàn)管理組件、拓撲服務(wù)組件、RestAPI服務(wù)器、線程管理組件、數(shù)據(jù)包流轉(zhuǎn)換器。這些組件為網(wǎng)元管理模塊、拓撲管理模塊和流管理模塊提供基礎(chǔ)服務(wù)。

應(yīng)用服務(wù)層的設(shè)計實現(xiàn)。在Ubuntu操作系統(tǒng)上，調(diào)用控制層的網(wǎng)元管理模塊、拓撲管理模塊和流管理模塊來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測功能、資源管理功能。獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，保存到數(shù)據(jù)庫，為網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化提供依據(jù)。并依據(jù)優(yōu)先級評估模型，設(shè)定業(yè)務(wù)的服務(wù)等級，實現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量保證功能?；赑CE協(xié)議，根據(jù)實時的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和業(yè)務(wù)等級劃分，計算業(yè)務(wù)端到端的路徑，實現(xiàn)PCE路由模塊。設(shè)置集群通信機制用于控制器之間的信息傳遞，完成主控制器的選舉，實現(xiàn)控制器之間的負載均衡。

開發(fā)實現(xiàn)基于光網(wǎng)絡(luò)端口、波長、時隙，交換機端口、VLAN、應(yīng)用程序接口、MAC地址等的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)。依據(jù)優(yōu)先級評估，選用合適的網(wǎng)絡(luò)虛擬化方式來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化控制。

4.5 對物理層網(wǎng)元的要求

SDN的引入對光通信設(shè)備的可編程能力也提出了更高的要求。為了更好地支持業(yè)務(wù)動態(tài)調(diào)度需求，一些靈活可編程的物理層技術(shù)需要引入和應(yīng)用，包括通過光收放器波長、輸入輸出功率、調(diào)制格式、信號速率及光放的增益等物理參數(shù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)光路物理性能實時監(jiān)測、動態(tài)可調(diào)。設(shè)計具備方向無關(guān)、波長無關(guān)、競爭無關(guān)和柵格無關(guān)等特征的可重構(gòu)節(jié)點交換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高效的光路配置和帶寬管理。

5 結(jié)語

電力骨干通信網(wǎng)引入SDN技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)的控制層面與數(shù)據(jù)層面分離，構(gòu)建了一個新型的智能光網(wǎng)絡(luò)，通過對底層傳送能力的智能管控，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)虛擬化、集中控制、流量管控、QoS保障和快速故障診斷等功能，可以有針對性地解決傳統(tǒng)電力骨干通信網(wǎng)遇到的問題，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。但由于傳送光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復雜、各廠商設(shè)備的壁壘、現(xiàn)有投資的保護等都是一些挑戰(zhàn)性的問題，SDN的部署不可能一步到位，必將是一個長期的過程。

［1］曹惠彬.國家電網(wǎng)公司“十二五”通信網(wǎng)規(guī)劃綜述［J］.電力系統(tǒng)通信，2011，32（5）：1-6.

［2］金廣祥，張大偉，李伯中.國家電網(wǎng)公司“十二五”骨干傳輸網(wǎng)的發(fā)展［J］.電力系統(tǒng)通信，2011，32（5）：65-69.

［3］劉振亞.全球能源互聯(lián)網(wǎng)［M］.北京：中國電力出版社，2015.

［4］沐連順，崔立忠，安寧.電力系統(tǒng)云計算中心的研究與實踐［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（6）：171-175.

［5］鄭毅，華一強，何曉峰.SDN的特征、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.電信科學，2013，29（9）：102-107.

［6］鄭小平，華楠.軟件定義光／包交換混合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.中興通訊技術(shù)，2015，21（4）：1-5，10.

［7］ITU-T Recommendation G.8080／Y.1304 Architecture for the automatically switched optical network（ASON）［S］.

［8］黃麗麗，李曉東，葉運峰，等.基于PCE的ASON路由技術(shù)研究［J］.光通信研究，2009（2）：10-13，18.

［9］IETF RFC 4655—2006 A Path Computation Element（PCE）-Based Architecture［S］.

［10］IETF RFC 4674—2006 Requirements for Path Computation Element（PCE）Discovery［S］.

Application of SDN in Power Backbone Communication Network

ZHAO Gaofeng
（NARI Group Corporation，Nanjing 211106，China）

The power communication network provides a solid foundation for power production and management.The present power backbone communication network is facing more and more challenges as innovation requirements of global energy interconnection increasing quickly.The characteristic and advantage of SDN （software defined network）technology are studied firstly， then the direct and indirect effects of SDN technology to traditional optical network are analyzed as well as the application scenario of SDN technology in power backbone communication network.Lastly，the detailed realization scheme of the control plane for optical network based on SDN technology is provided.

software defined network；power backbone communication network；data center；global energy interconnection

TN915.853

A

1007－9904（2017）01－0046－04

2016-06-17

趙高峰（1975），男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)光通信技術(shù)研究。

國家電網(wǎng)公司科技項目“基于鏈路智能感知和端到端容災(zāi)安全的電力自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)鍵技術(shù)研究”。