基于SDN的云邊協同架構在電力信息系統的應用

趙一辰，余競航

（國網江蘇省電力有限公司信息通信分公司，南京 210024）

0 引言

為緩解云計算中心存在的網絡計算壓力和滿足用戶對業務的體驗需求，邊緣計算方案日漸成熟［1-2］。通過在本地部署具有一定算力的邊緣計算設備，可以為用戶提供實時性需求反饋，處理部分任務，但在某些情況下仍需要強算力支撐，例如邊緣智能設備對故障巡檢，因算力限制可能會對一些罕見故障產生誤判，此時便可以借助云計算平臺的算力，進行精確判斷［3-4］。實現云邊協同的關鍵在于如何有效、統一地管理、協調云邊網絡的各種資源，并且體現全局的控制和開放屬性，靈活開發可編程的SDN 網絡被認為是實現云邊協同的有效途徑［5-6］。

1 基礎理論

隨著物聯網和5G 技術的高速發展，電力行業加快新型電力系統建設，越來越多的邊緣終端設備接入到復雜網絡，如電力公司的用電信息采集系統和各類設備巡檢系統，均需要大量的數據交互來支撐，采集的數據量呈指數遞增［7］。云數據中心提供了超強的計算和存儲能力，但是針對瞬時大數據量的計算場景，由于網絡帶寬和處理能力的上限，云數據中心的處理速度很難達到實時性［8］。邊緣計算作為云計算的延伸和補充，通過邊緣計算和云計算的協同工作，有效解決實時性的問題［9-10］。

2 框架設計

基于SDN 的云邊協同在電力行業的框架主要包括云邊協同架構設計、云邊協同系統、云邊組網等相關內容。

2.1 架構設計

核心云計算中心和邊緣云計算中心的協同需要控制平臺進行支撐，連接云邊的計算環境，基于SDN 的云邊協同架構，主要由核心云、邊緣云、SDN 集中控制平臺構成，基于SDN 的云邊協同架構如圖1所示。

圖1 基于SDN的云邊協同架構

其中核心云和邊緣云均采用SDN 組網方案，SDN 集中控制平臺與云邊的SDN 控制器互聯，邏輯上進行集中控制，將核心云和邊緣云的網絡和計算資源統一整合形成視圖。根據邊緣云的任務時間資源需求，SDN 集中控制平臺可進行路徑優化，提供任務充足帶寬的鏈路并將其轉發至可支配計算資源多的數據中心，提高任務的處理效率。其次SDN 集中控制平臺可在北向提供統一應用接口，實現自動化業務編排、配置下發，降低云邊網絡管理的復雜度。

2.2 云邊協同系統

電力行業的信息化具有接入設備多的特點，基于電力業務實際情況與電網數字化轉型要求，某省電力公司將SDN 云邊協同架構應用于電力信息系統，建立SDN 集中控制平臺，管理省公司云數據中心與地市邊緣數據中心的SDN 控制器集群。電力云邊協同架構示意圖如圖2所示。

圖2 電力云邊協同架構示意圖

SDN 控制平臺支持云邊業務的統一編排和運維，提供可視化的網絡編排功能；南向對接核心云數據中心和邊緣數據中心的SDN 控制器，SDN 控制器管理物理設備，提供物理資源的虛擬化管理和虛擬網絡的運維部署。控制平面主要由編排層、控制層、網絡層組成。控制平面如圖3所示。

圖3 控制平面

控制平面北向由GUI 界面下發指令，南向對接云邊SDN 網絡的控制器。控制層的業務編排服務處理來自前端的租戶、網絡等業務請求；北向服務定制功能組件，通過上傳定制包文件功能，提供自定義網絡業務發放能力，并動態生成北向服務REST API接口；Driver Manager 管理SDN控制器driver插件，控制平臺需要安裝相應SDN 控制器的插件，才能對SDN 控制集群進行控制；driver 插件南向與站點對接，將Driver Manger分發的業務編排下發到站點。

2.3 云邊組網

云邊SDN的組網結構一致，均采用Spine-leaf架構。overlay 的數據平面使用虛擬網絡技術，控制平面采用二層網絡互聯的虛擬通道技術。云邊組網邏輯結構如圖4所示。

圖4 云邊組網邏輯結構

控制平臺首先與云邊站點建立連接，根據網絡規劃需求，設置用于互通的VNI 資源池，并向站點推送網絡資源，創建邏輯Fabric 網絡，將互通站點的設備組加入到邏輯網絡設備組中。此后，云邊站點根據實際互通需求編排租戶、虛擬路由器、網關、防火墻等資源。最后在邏輯Fabric 業務發放拓撲編排視圖，視圖下根據互通需求創建虛擬傳輸路由。

3 應用場景

隨著輸電網絡的不斷擴大，架空輸電線路的長度越來越長，輸電網絡的巡檢和維護負擔也在不斷增加，無人機憑借安全、靈活的特點，在高壓輸電線路、配電網巡檢中應用廣泛。在無人機巡檢中，對輸電線路進行圖像缺陷檢測是核心工作之一，其關鍵在于檢測模型的精度和速度，模型的更迭與訓練一直是難題。借助云邊協同，云計算中心依靠大量數據完成模型訓練，并直接將模型部署到邊緣節點，由邊緣節點結合實際環境進行測試，并進行反饋，便于云數據中心對模型進行優化，可極大提高無人機巡檢模型的更迭升級，提高智能巡檢的效率。

目前電力行業的業務應用正在虛擬化、容器化，業務迅速上線已經成為基本需求。結合SDN 系統，可以統一下發業務所需的虛擬地址、網關、防火墻等網絡配置，幫助業務迅速上線。同時借助系統的云邊協同屬性，無論是云計算中心還是地市邊緣云，都可以將優化后的業務版本迅速滾動更新至全省系統。

電力系統的智能化發展，提高了用戶用電需求的處理效率，但也帶來了大量的網絡流量。用電信息采集系統通過邊緣終端采集全省的用電數據，再傳入云端數據中心，在用電高峰期，極易出現網絡擁塞延遲的問題。基于SDN 的云邊協同，可以在全局視角對整個電力系統的網絡進行流量監控，SDN 轉控分離的性質，可以將網絡流量全部鏡像至流量分析器，實時展示系統的網絡情況，一旦出現擁塞風險，可以利用SDN 及時規劃新的網絡流量的流向路線，協調云邊的工作，減輕負載的網絡壓力。

4 結語

綜上所述，現有電力信息系統無法滿足海量終端數據的處理需求，需要構建新型的數據傳輸架構，分析了云邊協同架構的優勢和難點，探討了SDN 技術在云邊協同應用中的可行性，并詳細解析了基于SDN 的云邊協同架構在電力系統中的應用情況。下一步，將繼續拓寬SDN云邊協同框架在電力系統中的應用范圍，將電力系統的特點與物聯信息技術更好地結合起來，提高SDN 控制器的可靠性和整個架構的安全性，促進電力行業的數字化發展。