SDN在電力骨干通信網中的應用研究

趙高峰

（南瑞集團公司，南京 211106）

SDN在電力骨干通信網中的應用研究

趙高峰

（南瑞集團公司，南京 211106）

電力通信網為電力生產及管理業務提供基礎保障，面對全球能源互聯網創新業務需求的沖擊，現有電力骨干通信網面臨著極大的挑戰。研究軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術的特點和優勢，分析SDN技術對傳統光網絡造成的直接或間接影響，以及SDN技術在電力骨干通信網的應用場景，最后提出基于SDN的光網絡控制平面的具體實現方案。

軟件定義網絡；電力骨干通信網；數據中心；全球能源互聯網

0 引言

電力骨干通信網承載著國家電網公司日常辦公和生產運行業務。近年來，隨著智能電網建設的深入開展和企業管理變革的深化，電力骨干通信網在支撐電網生產運行和企業信息化方面的基礎性作用日益凸顯，業務需求的增長和變化驅動著電力通信網絡架構的發展。同時，隨著通信技術的不斷發展，電力骨干通信網在傳統架構的基礎上也存在平滑演進的客觀要求。

當前，采用軟件化架構的軟件定義網絡技術成為信息通信技術領域關注的熱點，應用范圍也已經從最初的數據通信領域向光通信領域延伸，并成為未來光網絡控制平面技術發展的重要方向。同樣，在電力通信領域，軟件定義網絡技術也有著廣闊的應用前景。

1 電力骨干通信網面臨的挑戰

國家電網公司電力通信專網隨各級電網建設，目前，光纖通信技術已經成為電力骨干傳輸網采用的主流技術。按照國家電網公司“十二五”通信規劃的定義［1-2］，通信網由骨干通信網和終端通信接入網組成。經過多年的發展和建設，一、二級骨干通信網已經形成SDH與OTN兩種技術共用的雙平面結構，為智能電網建設和運行管理提供了重要支撐和保障。

2014年劉振亞提出“全球能源互聯網”的概念［3］，將能源互聯網的范圍提升到全球。未來的能源互聯網將通過能源技術和信息通信技術的深度融合，構建能源與信息雙向互動的平臺，支撐多種能源的協調互補，滿足多種分布式發電設備、儲能設備、用電設備等業務單元的即插即用。能源互聯網背景下，用戶服務模式也將發生改變，基于移動互聯的客戶服務將普及，電網運行管理中移動接入需求越來越廣泛，電力云服務和數據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絡架構靈活，具備網絡和業務雙向智能感知能力，能夠動態配置通信網絡資源，實現業務自動部署，帶寬動態調整。

當前電力骨干通信網主要作為電網一次網架的配套工程進行建設，網絡整體規劃程度較低，結構復雜，設備廠家眾多，維護管理效率較低，網絡的業務調度能力差，故障恢復時間長，靈活性較差，可擴展性不足。面對全球能源互聯網創新業務需求的沖擊，現有電力骨干通信網面臨著極大的挑戰。

2 軟件定義網絡技術

軟件定義網絡是一種新型網絡創新架構［5］，通過將網絡設備控制平面與數據平面分離開來，提供開放的可編程接口，實現對網絡資源的靈活控制，為核心業務創新提供了良好的平臺。控制平面和轉發平面分離、控制平面邏輯集中、開放的可編程接口是SDN網絡架構的3大核心特征。

SDN網絡的主要優點如下：1）通過控制平面和轉發平面分離，實現網絡通信產品軟硬件分離，不再依賴單一設備廠商；2）通過控制平面邏輯集中，可以簡化運維，降低成本，方便與上層應用協同，為網絡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，能夠幫助網絡運營者快速實現業務創新，縮短新業務的部署實施周期，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技術優勢可以針對性地解決電力骨干通信網面臨的挑戰。在電力光網絡中引入SDN技術，采用獨立的控制平面和集中控制策略，可以屏蔽現有通信網復雜的私有管理協議，開放可編程的北向接口，使得光網絡具備前所未有的靈活性，滿足能源互聯網環境下對電力骨干通信網靈活、開放、高效、智能的需求。

3 軟件定義網絡技術在電力骨干通信網中的應用

3.1 電力云服務應用

近年來，云計算技術在電力系統得到了廣泛應用，云服務數據中心通過電力骨干通信網絡將數量眾多的服務器和存儲設備進行互聯，并實現高效協同工作。目前，骨干通信網提供云服務數據中心互聯一般采用按照最大峰值靜態資源配置模式，這種模式易造成網絡資源的浪費，不能適應接入點動態變化、用戶帶寬需求動態調整的需求。通過在電力骨干通信網中引入SDN技術，能夠統籌根據網絡資源狀態和業務需求，將云服務資源和網絡帶寬資源統一分配，實時動態地響應用戶業務需求。

3.2 多廠家通信設備管理

當前，電力骨干通信網中運行設備的種類型號和廠家眾多，給網絡集中管理維護帶來極大挑戰。由于光網絡物理層技術復雜，各設備廠家的控制和管理協議均存在私有信息，跨廠家設備集中管理和業務調度難以實現，導致業務開通時間長、效率低。SDN通過轉發與控制分離以及網絡虛擬化技術，能夠屏蔽不同廠家的轉發平面細節，提供標準接口實現控制器互聯。運用SDN技術實現將封閉的私有系統變成具備標準接口的開放平臺，有利于解決多廠商光網絡設備集中管理和互聯互通，簡化通信網絡運維。

3.3 電力光網絡和數據網的統一控制

云計算、物聯網、移動互聯等新技術的革新及部署應用對電力數據網絡從架構、部署、性能、功能等層面均提出了新的需求。調度數據網和數據通信網均承載在電力骨干通信網上，長期以來，數據網和光傳送網是分離的，光傳送網一直作為底層傳輸管道支撐著數據網業務，這種體系架構易造成運行維護成本高、帶寬資源無法充分利用，同時由于數據網和光網絡不是動態相關的，無法實現端到端數據業務動態按需建立和靈活資源調度［6］。軟件定義網絡技術可以有效地解決異構網絡的融合問題，通過對Openflow協議進行擴展，可以采用統一的SDN控制器實現IP層和光層的協同組網調度，如利用光網絡層大顆粒的流量調度和疏導，將路由器的過境流量在光層進行旁路。采用SDN技術，可以在電力數據網和光網絡間建立具備統一控制能力的新型網絡架構。

4 基于SDN的光網絡控制平面設計實現

4.1 SDN與光傳送網絡控制平面融合

數十年來，光傳送網一直沿著智能化的路徑演進。電力骨干通信網也經歷了沒有獨立的控制平面到基于自動交換光網絡（Automatic Switch Optical Network，ASON）的架構和基于 PCE（Path Computation Element）協議的控制平面發展［7-10］。為適應更靈活、更開放、更高效的網絡發展需求，將SDN技術與光傳送網絡控制平面進行融合，可以實現光傳送網絡的可編程功能，帶動網絡變革。SDN與光傳送網絡控制平面融合如圖1所示。

圖1 SDN與光傳送網融合示意

4.2 SDN控制器設計難點

SDN控制器負責通信網絡的集中控制，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的瓶頸，SDN通信網絡應支持多SDN控制器協同工作，避免單控制器失效導致通信網絡癱瘓。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控制器的協同工作機制是設計難點。

4.3 SDN控制器邏輯架構

適用于光網絡的SDN控制器邏輯架構采用分層設計原則，系統架構分為物理設施層和應用服務層，功能模塊如圖2所示。

圖2 SDN控制器功能模塊

物理設施層由網元管理模塊、拓撲管理模塊和流管理模塊3個功能模塊以及硬件設備抽象層接口集合而成，實現對光網絡網元、流表和拓撲等信息的查詢管理，并通過對流的管理實現對物理網絡的管控。硬件設備抽象層接口用于對物理設備的接口抽象，方便不同硬件設備的接入。南向接口采用擴展的Openflow協議，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的功率、衰減、非線性、色散等分別抽象建模，實現對光設備網元的支持。

應用服務層分為網絡監測模塊、資源管理模塊、服務質量模塊、PCE路由模塊、安全處理模塊、虛擬化模塊等。

網絡監測模塊。對網絡進行主動測量，周期性地收集光網絡物理層的實時性能，數據網絡的帶寬、時延、抖動、丟包率等信息。

資源管理模塊。對光網絡的波長、端口、時隙等資源進行統計，為流量控制、路由選擇、QoS保證提供支撐。

服務質量模塊。依據用戶帶寬、時延、可靠性需求，設定服務優先級，并根據網絡的狀態設置控制策略。

PCE路由模塊。基于已知的網絡拓撲結構和約束條件，在域間、域內以及不同運營商之間等多種網絡環境中實現端到端路徑計算。

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，實現對物理基礎設施資源的復用。

應用服務層通過北向接口與傳統的網絡管理系統（Network Management System，NMS）以及新的網絡應用互聯，新的網絡應用包括光虛擬專用網（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將多個SDN控制器組成的分布式集群，實現多控制器協同工作。

4.4 SDN控制器設計方案

4.4.1 硬件設計方案

SDN控制器原型機基于X86構架的硬件平臺實現，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，滿足電力網絡各種業務的開展。

4.4.2 軟件設計方案

物理設施層的設計實現。在Ubuntu操作系統上基于開源Floodlight平臺，設計實現服務提供組件、設備管理組件、鏈路發現管理組件、拓撲服務組件、RestAPI服務器、線程管理組件、數據包流轉換器。這些組件為網元管理模塊、拓撲管理模塊和流管理模塊提供基礎服務。

應用服務層的設計實現。在Ubuntu操作系統上，調用控制層的網元管理模塊、拓撲管理模塊和流管理模塊來實現網絡監測功能、資源管理功能。獲取網絡狀態信息，保存到數據庫，為網絡資源優化提供依據。并依據優先級評估模型，設定業務的服務等級，實現服務質量保證功能。基于PCE協議，根據實時的網絡狀態信息和業務等級劃分，計算業務端到端的路徑，實現PCE路由模塊。設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，實現控制器之間的負載均衡。

開發實現基于光網絡端口、波長、時隙，交換機端口、VLAN、應用程序接口、MAC地址等的網絡虛擬化技術。依據優先級評估，選用合適的網絡虛擬化方式來實現網絡資源的優化控制。

4.5 對物理層網元的要求

SDN的引入對光通信設備的可編程能力也提出了更高的要求。為了更好地支持業務動態調度需求，一些靈活可編程的物理層技術需要引入和應用，包括通過光收放器波長、輸入輸出功率、調制格式、信號速率及光放的增益等物理參數的調節，實現光路物理性能實時監測、動態可調。設計具備方向無關、波長無關、競爭無關和柵格無關等特征的可重構節點交換結構，實現高效的光路配置和帶寬管理。

5 結語

電力骨干通信網引入SDN技術，將網絡的控制層面與數據層面分離，構建了一個新型的智能光網絡，通過對底層傳送能力的智能管控，實現了網絡虛擬化、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電力骨干通信網遇到的問題，具有較為廣泛的應用前景。但由于傳送光網絡協議復雜、各廠商設備的壁壘、現有投資的保護等都是一些挑戰性的問題，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.國家電網公司“十二五”通信網規劃綜述［J］.電力系統通信，2011，32（5）：1-6.

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

［3］劉振亞.全球能源互聯網［M］.北京：中國電力出版社，2015.

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

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

［6］鄭小平，華楠.軟件定義光／包交換混合網絡的統一控制架構及關鍵技術研究［J］.中興通訊技術，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，從事電力系統光通信技術研究。

國家電網公司科技項目“基于鏈路智能感知和端到端容災安全的電力自動化系統網絡通信關鍵技術研究”。