SDN在电力骨干通信网中的应用研究

赵高峰

（南瑞集团公司，南京 211106）

SDN在电力骨干通信网中的应用研究

赵高峰

（南瑞集团公司，南京 211106）

电力通信网为电力生产及管理业务提供基础保障，面对全球能源互联网创新业务需求的冲击，现有电力骨干通信网面临着极大的挑战。研究软件定义网络（Software Defined Network，SDN）技术的特点和优势，分析SDN技术对传统光网络造成的直接或间接影响，以及SDN技术在电力骨干通信网的应用场景，最后提出基于SDN的光网络控制平面的具体实现方案。

软件定义网络；电力骨干通信网；数据中心；全球能源互联网

0 引言

电力骨干通信网承载着国家电网公司日常办公和生产运行业务。近年来，随着智能电网建设的深入开展和企业管理变革的深化，电力骨干通信网在支撑电网生产运行和企业信息化方面的基础性作用日益凸显，业务需求的增长和变化驱动着电力通信网络架构的发展。同时，随着通信技术的不断发展，电力骨干通信网在传统架构的基础上也存在平滑演进的客观要求。

当前，采用软件化架构的软件定义网络技术成为信息通信技术领域关注的热点，应用范围也已经从最初的数据通信领域向光通信领域延伸，并成为未来光网络控制平面技术发展的重要方向。同样，在电力通信领域，软件定义网络技术也有着广阔的应用前景。

1 电力骨干通信网面临的挑战

国家电网公司电力通信专网随各级电网建设，目前，光纤通信技术已经成为电力骨干传输网采用的主流技术。按照国家电网公司“十二五”通信规划的定义［1-2］，通信网由骨干通信网和终端通信接入网组成。经过多年的发展和建设，一、二级骨干通信网已经形成SDH与OTN两种技术共用的双平面结构，为智能电网建设和运行管理提供了重要支撑和保障。

2014年刘振亚提出“全球能源互联网”的概念［3］，将能源互联网的范围提升到全球。未来的能源互联网将通过能源技术和信息通信技术的深度融合，构建能源与信息双向互动的平台，支撑多种能源的协调互补，满足多种分布式发电设备、储能设备、用电设备等业务单元的即插即用。能源互联网背景下，用户服务模式也将发生改变，基于移动互联的客户服务将普及，电网运行管理中移动接入需求越来越广泛，电力云服务和数据中心的需求也在飞速增长［4］，这些都要求未来的电力通信网络架构灵活，具备网络和业务双向智能感知能力，能够动态配置通信网络资源，实现业务自动部署，带宽动态调整。

当前电力骨干通信网主要作为电网一次网架的配套工程进行建设，网络整体规划程度较低，结构复杂，设备厂家众多，维护管理效率较低，网络的业务调度能力差，故障恢复时间长，灵活性较差，可扩展性不足。面对全球能源互联网创新业务需求的冲击，现有电力骨干通信网面临着极大的挑战。

2 软件定义网络技术

软件定义网络是一种新型网络创新架构［5］，通过将网络设备控制平面与数据平面分离开来，提供开放的可编程接口，实现对网络资源的灵活控制，为核心业务创新提供了良好的平台。控制平面和转发平面分离、控制平面逻辑集中、开放的可编程接口是SDN网络架构的3大核心特征。

SDN网络的主要优点如下：1）通过控制平面和转发平面分离，实现网络通信产品软硬件分离，不再依赖单一设备厂商；2）通过控制平面逻辑集中，可以简化运维，降低成本，方便与上层应用协同，为网络的使用和控制提供了更多的灵活性；3）通过提供可编程的北向接口，支持客户化定制软件，能够帮助网络运营者快速实现业务创新，缩短新业务的部署实施周期，提升市场竞争力；4）通过策略集中管控有助于形成一套整体的安全防御体系，不再依赖单一的解决方案。

综上所述，SDN技术优势可以针对性地解决电力骨干通信网面临的挑战。在电力光网络中引入SDN技术，采用独立的控制平面和集中控制策略，可以屏蔽现有通信网复杂的私有管理协议，开放可编程的北向接口，使得光网络具备前所未有的灵活性，满足能源互联网环境下对电力骨干通信网灵活、开放、高效、智能的需求。

3 软件定义网络技术在电力骨干通信网中的应用

3.1 电力云服务应用

近年来，云计算技术在电力系统得到了广泛应用，云服务数据中心通过电力骨干通信网络将数量众多的服务器和存储设备进行互联，并实现高效协同工作。目前，骨干通信网提供云服务数据中心互联一般采用按照最大峰值静态资源配置模式，这种模式易造成网络资源的浪费，不能适应接入点动态变化、用户带宽需求动态调整的需求。通过在电力骨干通信网中引入SDN技术，能够统筹根据网络资源状态和业务需求，将云服务资源和网络带宽资源统一分配，实时动态地响应用户业务需求。

3.2 多厂家通信设备管理

当前，电力骨干通信网中运行设备的种类型号和厂家众多，给网络集中管理维护带来极大挑战。由于光网络物理层技术复杂，各设备厂家的控制和管理协议均存在私有信息，跨厂家设备集中管理和业务调度难以实现，导致业务开通时间长、效率低。SDN通过转发与控制分离以及网络虚拟化技术，能够屏蔽不同厂家的转发平面细节，提供标准接口实现控制器互联。运用SDN技术实现将封闭的私有系统变成具备标准接口的开放平台，有利于解决多厂商光网络设备集中管理和互联互通，简化通信网络运维。

3.3 电力光网络和数据网的统一控制

云计算、物联网、移动互联等新技术的革新及部署应用对电力数据网络从架构、部署、性能、功能等层面均提出了新的需求。调度数据网和数据通信网均承载在电力骨干通信网上，长期以来，数据网和光传送网是分离的，光传送网一直作为底层传输管道支撑着数据网业务，这种体系架构易造成运行维护成本高、带宽资源无法充分利用，同时由于数据网和光网络不是动态相关的，无法实现端到端数据业务动态按需建立和灵活资源调度［6］。软件定义网络技术可以有效地解决异构网络的融合问题，通过对Openflow协议进行扩展，可以采用统一的SDN控制器实现IP层和光层的协同组网调度，如利用光网络层大颗粒的流量调度和疏导，将路由器的过境流量在光层进行旁路。采用SDN技术，可以在电力数据网和光网络间建立具备统一控制能力的新型网络架构。

4 基于SDN的光网络控制平面设计实现

4.1 SDN与光传送网络控制平面融合

数十年来，光传送网一直沿着智能化的路径演进。电力骨干通信网也经历了没有独立的控制平面到基于自动交换光网络（Automatic Switch Optical Network，ASON）的架构和基于 PCE（Path Computation Element）协议的控制平面发展［7-10］。为适应更灵活、更开放、更高效的网络发展需求，将SDN技术与光传送网络控制平面进行融合，可以实现光传送网络的可编程功能，带动网络变革。SDN与光传送网络控制平面融合如图1所示。

图1 SDN与光传送网融合示意

4.2 SDN控制器设计难点

SDN控制器负责通信网络的集中控制，控制能力的集中化，意味着SDN控制器的安全性和性能成为全网的瓶颈，SDN通信网络应支持多SDN控制器协同工作，避免单控制器失效导致通信网络瘫痪。目前，用于SDN控制器之间通信的东西向接口标准还未明确定义，多SDN控制器的协同工作机制是设计难点。

4.3 SDN控制器逻辑架构

适用于光网络的SDN控制器逻辑架构采用分层设计原则，系统架构分为物理设施层和应用服务层，功能模块如图2所示。

图2 SDN控制器功能模块

物理设施层由网元管理模块、拓扑管理模块和流管理模块3个功能模块以及硬件设备抽象层接口集合而成，实现对光网络网元、流表和拓扑等信息的查询管理，并通过对流的管理实现对物理网络的管控。硬件设备抽象层接口用于对物理设备的接口抽象，方便不同硬件设备的接入。南向接口采用扩展的Openflow协议，增加了对时隙、端口、波长等颗粒度的支持，将和光接口物理层性能相关的功率、衰减、非线性、色散等分别抽象建模，实现对光设备网元的支持。

应用服务层分为网络监测模块、资源管理模块、服务质量模块、PCE路由模块、安全处理模块、虚拟化模块等。

网络监测模块。对网络进行主动测量，周期性地收集光网络物理层的实时性能，数据网络的带宽、时延、抖动、丢包率等信息。

资源管理模块。对光网络的波长、端口、时隙等资源进行统计，为流量控制、路由选择、QoS保证提供支撑。

服务质量模块。依据用户带宽、时延、可靠性需求，设定服务优先级，并根据网络的状态设置控制策略。

PCE路由模块。基于已知的网络拓扑结构和约束条件，在域间、域内以及不同运营商之间等多种网络环境中实现端到端路径计算。

安全管理模块。提供访问接入控制、用户认证等安全机制。

虚拟化模块。对物理层资源进行虚拟化，实现对物理基础设施资源的复用。

应用服务层通过北向接口与传统的网络管理系统（Network Management System，NMS）以及新的网络应用互联，新的网络应用包括光虚拟专用网（Optical Virtual Private Network，OVPN）、 带宽按需分配（Bandwidth on Demand，BoD）等。

采用成熟的集群技术将多个SDN控制器组成的分布式集群，实现多控制器协同工作。

4.4 SDN控制器设计方案

4.4.1 硬件设计方案

SDN控制器原型机基于X86构架的硬件平台实现，整个硬件平台主要由CPU模块、存储模块、交换模块以及一些必须的外围设备模块组成。其丰富的外围接口可以进行大量的功能扩展，满足电力网络各种业务的开展。

4.4.2 软件设计方案

物理设施层的设计实现。在Ubuntu操作系统上基于开源Floodlight平台，设计实现服务提供组件、设备管理组件、链路发现管理组件、拓扑服务组件、RestAPI服务器、线程管理组件、数据包流转换器。这些组件为网元管理模块、拓扑管理模块和流管理模块提供基础服务。

应用服务层的设计实现。在Ubuntu操作系统上，调用控制层的网元管理模块、拓扑管理模块和流管理模块来实现网络监测功能、资源管理功能。获取网络状态信息，保存到数据库，为网络资源优化提供依据。并依据优先级评估模型，设定业务的服务等级，实现服务质量保证功能。基于PCE协议，根据实时的网络状态信息和业务等级划分，计算业务端到端的路径，实现PCE路由模块。设置集群通信机制用于控制器之间的信息传递，完成主控制器的选举，实现控制器之间的负载均衡。

开发实现基于光网络端口、波长、时隙，交换机端口、VLAN、应用程序接口、MAC地址等的网络虚拟化技术。依据优先级评估，选用合适的网络虚拟化方式来实现网络资源的优化控制。

4.5 对物理层网元的要求

SDN的引入对光通信设备的可编程能力也提出了更高的要求。为了更好地支持业务动态调度需求，一些灵活可编程的物理层技术需要引入和应用，包括通过光收放器波长、输入输出功率、调制格式、信号速率及光放的增益等物理参数的调节，实现光路物理性能实时监测、动态可调。设计具备方向无关、波长无关、竞争无关和栅格无关等特征的可重构节点交换结构，实现高效的光路配置和带宽管理。

5 结语

电力骨干通信网引入SDN技术，将网络的控制层面与数据层面分离，构建了一个新型的智能光网络，通过对底层传送能力的智能管控，实现了网络虚拟化、集中控制、流量管控、QoS保障和快速故障诊断等功能，可以有针对性地解决传统电力骨干通信网遇到的问题，具有较为广泛的应用前景。但由于传送光网络协议复杂、各厂商设备的壁垒、现有投资的保护等都是一些挑战性的问题，SDN的部署不可能一步到位，必将是一个长期的过程。

［1］曹惠彬.国家电网公司“十二五”通信网规划综述［J］.电力系统通信，2011，32（5）：1-6.

［2］金广祥，张大伟，李伯中.国家电网公司“十二五”骨干传输网的发展［J］.电力系统通信，2011，32（5）：65-69.

［3］刘振亚.全球能源互联网［M］.北京：中国电力出版社，2015.

［4］沐连顺，崔立忠，安宁.电力系统云计算中心的研究与实践［J］.电网技术，2011，35（6）：171-175.

［5］郑毅，华一强，何晓峰.SDN的特征、发展现状及趋势［J］.电信科学，2013，29（9）：102-107.

［6］郑小平，华楠.软件定义光／包交换混合网络的统一控制架构及关键技术研究［J］.中兴通讯技术，2015，21（4）：1-5，10.

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

［8］黄丽丽，李晓东，叶运峰，等.基于PCE的ASON路由技术研究［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

赵高峰（1975），男，高级工程师，从事电力系统光通信技术研究。

国家电网公司科技项目“基于链路智能感知和端到端容灾安全的电力自动化系统网络通信关键技术研究”。