WAN技术在电力数据网智能化运维中的应用研究

冯禹清，金 燊，宋 伟，纪雨彤，申 昉

(国网冀北电力有限公司信息通信分公司，北京 100053)

电力数据通信网络是实现电力系统信息采集与控制的基础，是服务于电力业务、做好一次电气网络和二次自动化系统支撑工作的重要保障[1-3]。但由于受传统网络协议影响，当前电力数据通信网络对于广域低时延、大带宽等敏感业务很难确保稳定运行，零散、分布式的控制转发方式大大降低数据转发效率，导致存在网管运维效率低下、业务缺乏质量保障、故障定位消缺反应能力差等问题，严重影响电力数据通信网络的运维管理，制约电力数据网络的业务应用及拓展。

近些年来，随着电力通信广域数据网络建设的不断深入，软件定义网络技术被广泛认为将对传统网络带来划时代的变革，SDN-WAN也在运营商、金融等各大行业逐渐应用普及[4-7]。SDN-WAN作为一种新型的广域数据网络架构，以虚拟可视化的形式参与对全局网络的控制管理，通过极简化部属业务上线流程、全局视角业务路径计算和需求约束，多层次主动感知网络变化和API开放可编程等能力，极大程度满足了上层业务的需求。在运营商方面，着重推动弹性SDN-WAN打造能力开放性网络，以标准化API接口进行云网耦合，以供SDN-WAN业务按需调用，力争实现“云网一张图”全景感知能力[8-9]；在金融领域，众多银行、证券纷纷应用SDN-WAN技术对骨干域网络架构进行优化改造，应对即将面临的集团化、互联网化、运维复杂等诸多挑战[10-12]。

随着电力数字化转型的不断深入与新业务的不断涌现，建设“架构领先、管理便捷、智能高效”的电力数据通信网络是当前在电力云计算、大数据、物联网等新兴技术大背景下的必然要求。因此，本文在适应新型电力系统大格局下，提出新型电力数据通信网络体系理念，重点针对网络的通道域架构进行升级和优化，深入架构变革，探索通道高效管理与智能运维新模式，并选取实际典型应用案例，客观评价SDN-WAN在电力数据通信网络应用的优势与不足，为“十四五”时期电力数据通信网络的建设及发展提供参考性建议。

1 数据通信网络态势感知

1.1 新型电力数据通信网络体系

在传统网络模式下，电力通信广域数据网络往往与业务接入侧、业务部门应用侧相互割裂，自治管理，虽同属同一张网络却往往达不到统一、高效、精细化管理的效果，且平时缺乏沟通、遇到问题相互推辞现象屡有发生。在新时代、新网络、高效协同一体化发展的大趋势下，本文创新性地提出新型电力数据通信网络体系理念，将网络系统分为“通道域、服务域、业务域、安全域、管理域”五大模块，化繁为整，以此实现全局网络的统一、高效、协同化管理，具体如图1所示。

图1 新型电力数据通信网络体系Fig.1 New power data communication network system

本文主要提出新型电力数据通信网络体系，对数据网络通道域的架构进行优化和改造。通道域是连接新型电力数据通信网络各个域之间的交通纽带，承载着大量的数据、语音、视频、存储、安全等多种业务，在电力行业中负责连接在服务域中海量数据信息采集，负责承载业务域中各类业务的应用、监控及数据存储，负责安全域中各类隔离、加密等安全策略的连接及控制，以及负责管理域中各类云化虚拟服务器的协同一体化管理。在新型电力数据通信网络系统中，如何管理好这张覆盖范围极广的通道域网络，将是电力数据通信网络变革的重中之重。因此本文主要结合广域SDN新型网络技术，对新型电力数据通信网络的通道域网络架构进行优化和改造，提出电力SDN-WAN广域网络态势感知模型，力争实现电力数据通信网络智能、便捷、精细化管理。

1.2 数据通信网络态势感知模型

电力SDN-WAN数据通信网络态势感知模型，主要由SDN-WAN数据通信网络智能管控平台和层次化3层网络结构组成，具体如图2所示。电力SDN-WAN网络智能化管控平台引用网络云化引擎(NCE-IP)，将管理(网元、传统业务告警、监控管理)、控制(集中算路、统一下发配置、网络调优)、分析(网络质量流量等性能分析、故障预测分析与诊断)及人工智能集成一体，通过在省公司级数据网络通道域中链路通道进行优化改造，实现电力调度、通信、信息、视频、IMS等各类电力信息管理大区业务以统一的网络智能化管控平台进行管理，实现自动化业务部署，网元健康、网络质量、网络流量多方位态势感知。此外，该模型通过大数据和人工智能算法，逐级分析网络健康质量情况，并根据网络性能变化趋势，提前预测并调优各级故障风险和故障风险点，从而提前规避网络风险，提供修复建议，实现主动智能运维能力。

图2 电力数据网SDN-WAN网络管理模型Fig.2 Power data network SDN-WAN network management model

层次化3层网络架构由核心层、汇聚层和接入层组成，具体网络结构如图2所示。该网络系统应用前瞻性、兼容性的SR-TE Policy(Segment Routing Policy)技术组网，构建极强的控制平面和极简的转发平面，实现网络资源灵活调度，在多个方面实现技术升级。

在业务上线方面，SDN-WAN控制器已经实现电力领域从业务的开通/变更手动逐台配置到自动化配置业务下发的过渡，避免了手工配置错误，部署效率得以提升；在运维方面，原先的电力通信故障被动响应模式已经被剔除，取而代之的是业务流量的实时监测与人工智能主动运维分析相融合，可以实现故障提前精准定位，自动处理；在流量调度方面，将传统网络固定路径转发取代为按需路径转发，使业务路径不局限于IGP、BGP计算路径，解决网络负载冷热不均的问题，带宽资源得到最大化利用，实现流量的灵活调度；在业务监控方面，它不仅可以实现语音、视频、办公等业务实时可视，而且能够感知关键业务在网络中的占比，智能秒级分析网络故障，分钟级定位、快速自愈通道问题。

2 应用案例

在构建电力SDN-WAN数据通信网络态势感知模型基础上，结合电力领域实际运维应用中的难点、痛点，以现网实际应用为导向进行定制化开发研究。冀北电力SDN-WAN数据通信网现网及应用过程中，已实现极简化部署、可开放编程、网络360°可视、全生命周期化管理、网络切片、路径调优、维护窗口离线仿真、随流检测等8大态势感知功能，并分别在业务上线、运维、保障、检修和故障消缺等5大场景取得较大的成效，但在现网部署过程中同时也遇到了一些缺点和不足，限篇幅原因选取以下3个典型应用案例对已取得的结论进行阐述。

2.1 应用案例1

传统电力数据通信网络的业务发放都是以单个路由交换网元为个体逐个配置，需在多台设备、多个页面之间进行切换，下发效率较低，人工配置出错频发，因此实现业务自动下发和极简化部署成为新型电力数据通信网络的核心诉求。

在新型电力数据通信网络中，业务下发主要在SDN-WAN数据通信网络智能管控平台上，通过Netconf/BGPSDN-WANLS/PCEP等标准的南向协议连接到网络设备，业务配置意图转换为网络模型和相关的网络参数后，再将BGP、MPLS VPN和SR-TE等相关的配置通过WEB界面的形式下发到网元设备。传统业务部署与电力SDN-WAN数据通信网络对比情况如图3所示。通过这种按需自动化的配置流程，使得电力领域调度、视频、办公等各类业务上线、迁移、调整工作由传统的数天甚至数月缩短为分钟级，运维效率实现质的飞跃，结合实际业务需求，现网已得到有效实现。

图3 业务部署前后对比情况Fig.3 Comparison before and after service deployment

2.2 应用案例2

传统电力数据通信网络在运维管理过程中，主要采用SNMP(简单网络管理协议)技术对设备运行数据进行采集，通过MIB节点轮询方式报送网管信息，经现网多年应用后总结有以下几大问题：①SNMP的最小轮询周期是分钟级，无法做到真正意义上的实时监控；②采用数据流采样的检测方式忽略了网络中大量微突发造成的网络问题；③无法对业务流量、业务质量进行精细化运维及有效的保障。

上述问题制约着电力数据通信网络的发展，导致对于低时延、大带宽、特级重要保障等业务场景，舍弃IP数据网络承载方案，更多转向电力专线的形式，因此，本文结合实际业务需求，主要应用Telemetry(毫秒级高精度数据采集)、Netsteam(网络流量采样)、TWAMP(双向主动测量协议)等先进网络技术对电力SDN-WAN数据通信网络进行了部署，并从网络健康感知、网络质量感知和网络流量感知3个维度方面进行态势感知分析，具体监控到的网络性能指标如下。①资源：报表名称及价值；②单板：单板健康度报表；③网元：网元健康度报表地址池资源统计报表；④端口：通用接口流量报表、以太端口光功率报表、端口流量报表；⑤链路：二层链路流量/质量报表、IP链路流量/质量报表、IGP链路流量/质量报表、IGP链路SD业务质量报表、IGP链路队列流量/质量报表；⑥业务：L3VPN接口流量明细报表、L3VPN业务E2E质量报表(TWAMP)、QoS模板流量报表、VRF流量报表、TE Tunnel流量/质量报表、TE Tunnel汇聚流量报表；⑦IP流：出方向自定义流报表、入方向自定义流报表；⑧统计报表区域流量/质量统计报表、环流量报表。

2.2.1 网络健康感知

采用新型的Telemetry协议，采集方式上从网管系统到设备的Polling轮询，改进为设备主动推送上报数据，提高了数据采集的效率，具备毫秒级高精度采集能力(在实际现网部署中考虑CPU运行能力与现网实际需求，采用秒级信息采集方式)。其中，网元健康分析感知电力通信网络设备整体的健康状态，主要获取网络设备CPU、内存利用率以及可用度等指标，通过设置指标阈值告警形式，有效确保各网元设备运行正常；单板健康分析感知单板CPU、内存利用率、温度、电压等信息，能及时发现单板劣化问题；以太端口的光功率分析可以感知光纤模式、最大传输距离、接受/发送光功率高低门限、光功率平均值以及光功率最大值等信息，及时掌握全网设备端口光功率状态和端口物理性能。现网应用中选取网络健康感知结果如图4所示。

图4 网络健康感知Fig.4 Network health perception map

2.2.2 网络质量感知

传统电力网管运维只能通过登录逐台设备、逐条PING大包等形式一段一段排查网络质量问题，耗时长、难度大，且经常伴随着多部门协同作业，效率低下。电力SDN-WAN数据通信网络不仅实现了应用报表形式展现3层IP链路质量分析，而且引入TWAMP先进网络技术，感知 MPLS L3 VPN 端到端的时延、抖动、丢包率等信息，通过这些信息全景式展现网络的3层VPN质量优劣，实现网络质量的精细化管理。现网应用中选取业务质量可视化测试结果如图5所示。

图5 业务质量可视化测试结果Fig.5 Business quality visual test results

2.2.3 网络流量感知

传统网管运维管理软件只能实现分钟级公网链路流量监测，精度低下，在部署电力SDN-WAN数据通信网络后，不仅可以感知到具体业务L3VPN接口流速、业务接收/发送平均带宽利用率、峰值利用率等指标，而且引入Netstream(网络信息流)流量分析技术，细化到监测每个业务中每个IP的流量大小，极大提升了网络运维的精度。现网应用中选取IP流作为流量对象，结果如图6所示。

图6 IP流量测试结果Fig.6 IP traffic test results

2.3 应用案例3

传统的电力数据通信网络仅能显示网络的网元逻辑拓扑，且只能通过调整链路Cost值、Preference等方式手工实现链路调整，缺乏灵活调度能力。针对此类问题，电力SDN-WAN数据通信网络模型基于SR-TE Policy新技术进行优化和改造，使现网不仅实现逻辑拓扑、业务隧道、逐跳业务路径分层可视，而且业务路径不再受IGP、BGP等协议限制，在控制器上可优选设置大带宽、低时延、低丢包等参数，以及设置必须经过哪跳或几跳、不允许经过哪跳或哪几跳等功能，根据业务需求下发至整条业务路径，实现业务的灵活调度。

实践证明，在国网冬奥保障、统一视频会议、统一招聘考试等重大保障任务时期，该系统模型能提前对各层级业务隧道路径进行图形化展示，提前对大带宽、低时延等业务按需进行灵活的网络调整，是防止因网络故障造成业务中断的关键。业务隧道分层模式如图7所示。

图7 业务隧道分层模式Fig.7 Business tunnel layered mode diagram

3 存在问题

应用SDN-WAN技术提升网络各项功能，近几年来在其他相关行业得到迅速的发展，也逐渐改变着人们使用和运维网络的原始思维。但必须认识到，在电力领域发展SDN-WAN数据通信网络还处于不断发展和完善的过程，在安全性、兼容性、经济性等方面还有以下问题需要进一步研究。

(1)SDN-WAN各功能的实现要有新的网络设备才能支持，当前电力数据通信网络规模庞大，存量网络设备改造难度巨大，至少要几年时间逐渐淘汰，而新建的网络毕竟是少数，若全网SDN-WAN网络设备自然要比传统网络设备价格高出很多，投入成本与实际回报成效很难达成平衡，且各品牌厂商间存在各类协议对接兼容性问题，大规模应用前需提前考虑厂商绑定、兼容性及议价权等各类问题。

(2)很多先进网络技术在电力数据通信网络兼容性应用上存在局限性。诸如网络调优、维护窗口、离线仿真、随流检测等很多功能必须需要业务承载在SRv6或者SR-TE隧道协议上，而SRv6隧道技术在引入了尚未完全推广的IPv6技术同时，还存在与现网应用广泛的Ospf协议不兼容问题，而SRv6或SR-TE隧道技术又需要对业务路径经过的每一个节点进行软件升级和硬件改造，有一个节点未满足条件将影响整个网络格局。FlexE(网络切片)技术必须要整个业务路径都要适配支持其功能的特殊板卡，价格高昂，且具体应用场景尚不明朗，这将导致现有电力数据通信网络90%以上的网络环境都暂时不适用此功能。

(3)在实际部署过程中发现，若一旦SDN-WAN出现问题，可能影响的往往是全局，整个网络集中化管理的劣势在于整个网络监控都有可能陷入瘫痪，因此以电力业务安全稳定运行为主的电力行业，在SDN-WAN等新技术还未成熟商用化之前，建议先充分实践检验和业内广泛认可后，再做电力行业大范围普及。

总之，问题要解决，电力数据通信网络要发展。如何科学地推广电力SDN-WAN数据通信网应用场景，如何经济地利用电力数据通信网络的资源，建立起完善、稳定、可靠的SDN-WAN数据通信网络，提高经济性与适用性，仍是电力通信专业一个值得不断探索的课题。

4 结语

本文以电网数字化转型过程中电力数据通信网络技术升级为研究背景，创新性地提出新型电力数据网络体系，重点针对网络通道域提出电力SDN-WAN数据通信网络态势感知模型，并选取实际部署过程中3个典型应用场景，对SDN-WAN在电力数据通信网络应用的优势和不足进行阐述，为未来电力各业务端网协同、云网融合、多云融合的广域网建设打下基础，也为“十四五”时期电力数据通信网络的发展提供参考