OpenFlow在電力大數據平臺中的應用

尹曉華，胡楠，劉為，王萌，祁兵，李彬

(1.國網遼寧省電力有限公司信息通信分公司，沈陽市 110006；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市 102206)

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OpenFlow在電力大數據平臺中的應用

尹曉華1，胡楠1，劉為1，王萌2，祁兵2，李彬2

(1.國網遼寧省電力有限公司信息通信分公司，沈陽市 110006；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市 102206)

為解決電力大數據平臺數據通信網靈活性受限問題，針對OpenFlow技術的技術體系進行了研究，給出了該技術在融合數據平臺中的一種實現方法。分析了OpenFlow架構及現有標準化現狀，從數據處理流程以及業務配置等方面，分析了OpenFlow在未來電力大數據平臺中的應用優勢，并從SDN功能單元與技術擴展性等方面進行了研究。OpenFlow已被列入國家電網公司電力大數據平臺的關鍵技術，支持OpenFlow技術等SDN主流控制協議可以提升電力業務承載的靈活性，通過控制平面和數據平面解耦，將網絡的控制功能分離開，可滿足國家電網公司對數據網絡高效性的要求。

電力大數據；OpenFlow；網絡模型；軟件定義網絡

0 引 言

根據國家電網公司“十二五”信息化規劃對“三集五大”體系建設的要求，現有通信網絡應能夠為保障電網穩定、高效的運行以及各業務系統數據的服務質量(quality of service，QoS)，提供可靠的安全防御。但是，隨著電力通信網絡的快速發展及新型電力業務的需求，對傳統的電力數據網絡要求越來越高。在現有的網絡環境中，IP地址短缺、網絡安全等問題逐漸暴露出來，現有的網絡環境已無法滿足國家電網公司大數據平臺對信息通信網絡的要求[1]。針對目前網絡架構暴露出來的問題，研究人員認為必須重新設計數據網絡架構，在搭建網絡伊始就努力屏蔽掉所有的缺陷，提供新的網絡模型[2]。在所有新模型中，OpenFlow由于其功能強大倍受青睞[3]。

隨著電力系統中積累的數據量逐年增大，系統處理、存儲的壓力攀升，傳統的網絡架構已無法滿足電力行業快速增長的需求。為了提升電網的數據處理能力，中國電力科學研究院專門成立了電力大數據聯合攻關工作組，依托戰略中心及各個專業研究所的優勢資源，致力于解決未來5年內智能電網新業務開展的信息化工作瓶頸。電力大數據平臺的數據流量變化，改變了以往通信網絡的流量分布特征，因此在進行承載網絡設計時，無法按照傳統的通信網絡配置靜態的業務路由。而采用支持OpenFlow技術等SDN主流控制協議可以提升電力業務承載的靈活性，并且可以支持多控制系統協同工作。同時，SDN軟件定義網絡體系也是國家電網公司在“十二五”通信規劃中所提出的網絡演進路線，目前SDN的業務體系架構大多針對通用的通信網絡業務設計，作為通信與信息領域的技術人員對電力業務了解較少，無法擴展出針對電力業務應用的控制模型。OpenFlow是一種新型而靈活的技術，用以規范在SDN架構的交換機和基于軟件的控制器之間的通信[4]。2014年國家電網公司科技項目指南在電力信息與通信、用電與能效2個技術領域發布了SDN網絡技術的需求，并明確提出了SDN控制平面中應支持OpenFlow等SDN主流控制協議、支持流量鏡像與流量篩選功能、支持多控制系統協同控制功能等。OpenFlow的軟件可編程功能可以實現對電力數據網絡的虛擬化集中控制[6]，研究人員可以不使用現在的網絡流量以防造成網絡的擁堵，也可通過編程來模擬所需的網絡特性，將新的算法和協議設置在這個虛擬的網絡環境中，通過軟件模組的更新即可實現。

本文從SDN技術的基本原理出發，設計OpenFlow電力大數據系統集群架構，根據業務融合數據的需求剖析OpenFlow的業務處理流程，論述電力大數據平臺的業務應用、網絡配置方法并分析OpenFlow的優勢。

1 OpenFlow系統基礎架構

OpenFlow被公認為是改變下一代信息網絡的革命性技術[7]，其體系結構包括3部分：OpenFlow兼容交換機、安全通道和智能控制器。在傳統的網絡環境中，在同一網絡設備中實現對數據報文的路由決策和轉發功能，而OpenFlow技術著重對傳統一體化處理方式進行改造，將決策功能和轉發功能剝離，并由控制器和交換機分別實現。控制器主要負責控制交換機中流表的使用與OpenFlow協議的軟件程序。安全通道是控制器連接到所有交換機的接口。通過這個渠道，控制器可以管理所有的交換機，從交換機接收數據包和發送數據包到交換機。OpenFlow概念體系結構如圖1所示。

具體而言，采用OpenFlow技術作為控制單元的電力大數據平臺可將外部PC作為數據控制器；數據包的轉發功能是由交換機中的流表實現，在內部，1個交換機使用三態內容尋址存儲器(TCAM)和隨機存取存儲器(RAM)來處理每個數據報文，具體如圖2所示。

圖1 OpenFlow概念體系結構Fig.1 OpenFlow conceptual architecture

圖2 OpenFlow電力大數據系統集群Fig.2 OpenFlow cluster of electric power big data system

交換機中的數據流表中存儲了所有流表條目，其中每個流表條目由3部分組成[8]：(1)頭部信息，包含12元組信息用于匹配接收到的數據報文；(2)行為標記，用于指示處理已經匹配成功的數據報文的行為；(3)計數器，記錄與特定流表條目相關的數據，如發送/接收字節數、報文數等統計信息。對于復雜電力業務應用(如電力系統在線仿真計算、快速安穩分析等)，則需定義專用的OpenFlow流通道，當數據報文到達OpenFlow交換機后，快速匹配報頭信息，與流表條目的頭部進行匹配操作。如果報文與交換機的每條表項都不匹配，則數據報文被轉發到控制器，由控制器決定數據包的處理方式。在電力大數據平臺中，可以將中央監控機設置為未知表項數據，則在每個計算單元無法匹配時，該數據被立即送往中央監控機。如成功匹配，交換機應對該數據包采取適當的操作，并更新流表項的統計信息。為了說明OpenFlow交換機與傳統IP交換機處理的異同，圖3給出了詳細的報文解析流程。

圖3 交換機處理數據包的流程Fig.3 Packet proceeding flow of switch

OpenFlow的標準協議主要分2種，一種是定義了控制器和交換機之間通信的消息類型和數據格式，另一種則是對交換機中流表的定義。目前存在多個不同版本的OpenFlow協議規范。OpenFlow的第1個版本0.2.0發布于2008年3月, 同年12月發布的0.8.9版本中引入了包括了IP網絡掩碼、額外的統計信息和其他更新消息。OpenFlow的0.9版本發布于2009年7月，目前應用最為廣泛的是OpenFlow1.0版本，于2009年12月發布。由于以前的版本已經過時，研究人員主要專注于1.3版本的開發。OpenFlow1.3.0規范中匯總了每個版本的變化[9]，2014年6月ONF最新出版的SDN規范框架中又增加了OpenFlow的通道保護、控制器管理以及域間通信機制的規范[10]。

2 OpenFlow在融合數據平臺中的技術實現

2.1 OpenFlow的數據處理流程

在目前最為廣泛使用的1.0.0版本中，支持OpenFlow的交換機使用報頭的12個字節信息匹配進入交換機的有效載荷。數據報文通過在流表中使用的1個或多個數據報文的報頭與流表中特定流表條目匹配。流表的單個條目可以具有模糊匹配值“ANY”，用于匹配所有的數據報文。如果前一項流表中使用三態內容尋址存儲器(TCAM)落實，可以在交換機硬件使用TCAM的第三屏蔽狀態實現[11]。

在OpenFlow1.0.0的交換機中，數據報文處理和尋址的過程如下[12]：(1)進入交換機的以太網數據被送到報文解析系統。(2)從報頭字段中提取信息并放置在分組報頭中，報頭信息用于進行匹配操作。(3)查找生成的分組報頭，匹配成功則被發送到該分組的匹配系統。(4)數據包報頭的查找與在OpenFlow的流表中的每個流條目所定義的規則進行對比。注意，在表中的流條目中存在優先級由高到低的順序。因此，該數據包報頭的查找完成從流表中的第1個表項開始。如果匹配成功，則在匹配的流表條目上進行；否則，該數據報文被發送到控制器，用于處理。具體過程如圖4所示。

圖4 基于業務的OpenFlow交換機報文精細化解析Fig.4 Finer packet parsing of service oriented OpenFlow switch

2.2 OpenFlow在大數據平臺中的配置

為了在單一控制器操縱交換機流表的基礎上運行電力業務應用程序，網絡操作系統是必需的，其充當著OpenFlow交換機和用戶應用程序之間的中間層。網絡操作系統與使用OpenFlow協議的交換機進行通信，并通知各應用程序的網絡事件。

至少有4種可能的方法可用于實現基于OpenFlow的應用程序。首先，OpenFlow的兼容硬件交換機都可以使用。其次，也可使用基于Open vSwitch的交換機配備OpenFlow兼容軟件。第三，使用Mininet部署的虛擬網絡，這是一個虛擬的由斯坦福大學開發的網絡環境，可用于內部模擬虛擬網絡中多個主機或單一主機的行為。最后，使用NetFPGA平臺，通過具有多個千兆以太網端口的PCI卡、靜態RAM和其他網絡功能組成的設備進行組網[13]。

物理交換機和虛擬交換機可以用于部署一個OpenFlow的網絡，但在實現方式上有所不同。虛擬化的最大優勢是能夠提高大量硬件的復用度，從而節省網絡的絕對成本。開放的虛擬交換機可以靈活更新應用軟件，但其性能比基于硬件的交換機在進行數據平面操作方面略慢一些。

在OpenFlow網絡中，與電力業務相關的網絡流量和實驗流量可以共享相同的OpenFlow交換機。OpenFlow交換機流表中條目的操作可以把數據包發送到交換機，針對不同的流量可以定義不同的路徑。另一方面，不同的流表項目可以被定義為實驗流量。這樣，實驗流量可以在不干擾生產流量的情況下進行測試。為了減小干擾行為，有研究學者提出了FlowVisor技術，可以實現多個單獨的控制器共享某個交換機的控制。集中式的OpenFlow控制器可以對網絡進行集中管理，并且能夠與網絡中所有OpenFlow交換機進行交互，可以作為其他分布式控制器的中間層。

2.3 OpenFlow與SDN分析

由于OpenFlow已經成為最流行的SDN技術，有些人認為OpenFlow和SDN是同義詞，然而，它們之間的區別是很重要的。SDN包括從數據平面的去耦控制平臺，而OpenFlow描述了軟件控制器如何與交換機在SDN架構下進行通信。SDN關注重點是對給定用戶范圍內的網絡狀態抽象，而OpenFlow則側重于網絡組建的細節。SDN提供一個網絡范圍的抽象，好比操作系統提供了全系統的抽象，提供了單獨的網絡業務驅動。OpenFlow則是連接控制器和網絡組建的驅動連接，可以針對不同的電力業務應用設計單獨的控制組建，支撐電力大數據未來架構的可擴展性需求。

3 OpenFlow在電力大數據平臺的應用分析

作為新興網絡模型及實現技術，OpenFlow許多強大的功能可以幫助研究人員實現復雜的網絡功能并搭建更方便強大的網絡計算環境。目前對于大數據技術，尚不具有基準的測試體系和數據智能性交互標準。考慮到電力大數據技術的實際網絡中的應用，本文主要從以下幾個方面分析OpenFlow的技術優勢。

3.1 網絡配置優化

基于OpenFlow的應用程序可以簡化網絡的配置，常用的網絡配置方法包括訪問控制列表和配置文件，其管理非常耗時，而且經常會出現配置文件錯誤。特別是在電力大數據平臺中，同時存在著與電力系統生產安全運行數據以及綜合數據網絡中低優先級的數據，網絡的配置更不允許任何的疏忽。通過使用SDN，可以用軟件來管理數據的一致性問題，并對關鍵數據進行隔離。例如，日本的山崎等研究人員提出利用OpenFlow管理校園網的虛擬局域網(virtual local area network， VLAN)建議[14]。該研究成果描述了通過虛擬組的ID(GID)，限制VLAN的規模以及VLAN ID的范圍來減少網絡配置耗時的方法。控制器分析傳入網絡的流量，并且檢測該通信是否應被允許或拒絕。使用這種方法，VLAN的數量限制問題被克服，并且網絡的配置被簡化。OpenFlow網絡可以采用Zookeeper分布式協作服務，解決大量分散數據節點的網絡配置，并可實現集群化的同步。

3.2 標準的網絡管理

部署基于OpenFlow的電力大數據平臺，迫切需要建立通過OpenFlow簡化電力信息網絡的管理方法，結合電力業務特性設計OpenFlow的數據流處理流程，優化資源調配。通過友好的用戶接口，允許用戶直接參與管理網絡,其功能實現是基于NOX的。目前，電力大數據平臺的發展趨勢是向網絡化的虛擬操作系統發展，并且可基于Web接口提供給用戶并支持多主體系統的自主管理，通過設計智能化數據處理流程實現智能電網新型業務。

3.3 安全性保障

電力系統內部的數據安全性一直以來就是被關注的問題，目前普遍的做法是采用安全分區的方式區分內外網數據，同時也考慮安全生產、辦公自動化類別的數據區分。電力大數據平臺中的部分業務與系統的核心數據密切相關(如在線潮流計算)，也有部分數據只與一般的辦公自動化相關，需要進行區分。同時在大數據環境下，系統數據的流向也從單向數據流向雙向數據流發展，給電力數據的隱私性帶來了新的挑戰。目前Hadoop通過安全模型分層管理抵御網絡威脅確保數據完整性，OpenFlow可以采用定制化的安全接入單元管理網絡的數據安全性。最近已有研究學者提出了采用OpenFlow檢測DDoS攻擊的方法，該方法依賴于數據流的創建，基于客戶身份流量及數據流類型的區分進行管理。當提供了給定內容類型的服務器接收比預期范圍更多限定條件時，DDoS攻擊可被檢測出來。還有文獻提出通過分析流量頻率的方法(如設定頻率閾值)，識別非數據侵入。當出現異常情況時，自動丟棄數據。另外，通過自組織圖方法可以在流量收集的基礎上區分某一流量是正常的或是惡意的。文獻[15]明確提出了SDN的安全架構，該架構中存在的不同級別的安全間隙節點可以交流溝通。通過OpenFlow控制器設置的規則，僅在請求者比接收機具有更高的安全性時數據流量才能被授權。

3.4 靈活的數據可用性

基于OpenFlow的應用模式大多都集中在網絡的可用性、負載均衡性和容錯性。通過負載均衡技術確保電力大數據平臺中多個節點之間業務流量負荷的均勻性，從而提高網絡的可用性[16]。利用冗余的數據均衡通道，可以為系統提供多個單獨故障的容錯性，當發生故障時系統仍能夠正常工作。在數據存儲方面，可以采用Hadoop分布式文件系統(hadoop distributed file system, HDFS)提供數據容錯并檢測硬件的故障，通過流式數據訪問的方式，有效地提升系統數據訪問能力。在分布式列存儲架構中，HBase能夠提供大量數據的隨機訪問，并可以結合MapReduce對復雜電力業務提供并行存儲和處理的機制。

3.5 業務的廣域部署能力

國外已經有部分關于電力系統的廣域業務應用的報道，并且大多數研究學者均采用通過本地部署實驗裝置作數據分析。已有研究成果分析了在廣域網絡(wide area network, WAN)中部署OpenFlow測控裝置的可能性，文獻[17]分析了OpenFlow在廣域網絡中部署的可能性，并模擬了OpenFlow的網絡特性。另外，有研究學者提出使用在NOX控制器上運行OpenFlow的架構的域間路由解決方案，并解釋了如何在不同的自治系統(或域)通過互聯網彼此之間相互作用。為此，還有學者提出基于OpenFlow的跨區域路由方案，并允許自治系統相互溝通。在電力大數據平臺中采用分布式數據中心建設的方式，能夠有效進行業務路徑優化，并使得數據交換的方式更為快捷[18]。

3.6 數據平臺的無線應用擴展

OpenRoads被認為是OpenFlow的無線版本[19]，定位于在移動網絡中通過簡單網絡管理協議(simple network management protocol， SNMP)控制網絡設備協議，將多個控制器部署在網絡的頂層。PhoneNet概念模型是在OpenRoad架構下的一種采用多播地址的數據獲取方式，為組內所有其他成員提供數據服務[20]。類似地，OpenRadio設計了一個可編程無線網絡的數據平面，以使自動化設備的軟件更新[21]。現階段，軟件更新已變得更加頻繁(以前1個版本發布間隔為數年，現在則接近每月1次)。OpenRadio可以通過基站實現業務應用的自動更新。如果沒有這個方法，設備必須被收集，以使軟件可以手動更新，從而保障昂貴的硬件設備投資。

未來智能電網建設是逐步使電網智能化的過程，其數據平臺的建設也不可能一蹴而就[22]。在分步區域建設的范圍內，需要為每個數據采集設備提供足夠的覆蓋范圍，并且需要能夠識別智能傳感器的事件[23]。在這種情況下，每次傳感器數據的采集、更新具有更高的成本，利用OpenRadio更新設備，通過廣域網絡更新設備的固件版本。OpenFlow未來的無線網絡架構將給出的可編程性和光虛擬接入點技術規范，從而簡化大數據平臺的架構。

4 結 論

本文針對大數據時代下電力企業的數據通信網的靈活性受限的問題，提出了OpenFlow在未來國家電網公司大數據平臺應用的方法，從數據處理流程、平臺配置等方面開展了研究。在分析OpenFlow模型及功能的基礎上，探討了數據平臺中OpenFlow技術的應用方法，并致力于將SDN框架用作實現電力大數據平臺的基礎架構。最后給出OpenFlow技術在電力大數據網絡中業務應用及功能實現的建議方案，為未來國家電網公司建立統一數據管理平臺提供技術支撐。

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尹曉華 (1967)，男，主要研究方向為電力信息化、電力通信規劃及運行管理；

胡楠(1982)，男，博士，主要從事電力信息化運維工作；

劉為(1984)，男，碩士，主要從事電力系統信息化研究工作；

王萌(1993)，女，碩士研究生，主要從事通信與信息技術研究工作；

祁兵(1965)，男，教授，IEC PC118委員，主要從事智能電網用戶接口與數據信息模型相關研究工作；

李彬(1983)，男，講師，主要從事電力系統自動化與信息化相關技術研究工作。

(編輯：張小飛)

Application of OpenFlow in Electric Power Big Data Platform

YIN Xiaohua1, HU Nan1, LIU Wei1, WANG Meng2, QI Bing2, LI Bin2

(1.Information and Communication Branch of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co., Ltd., Shengyang 110006, China;2.School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

To solve the flexibility problem of communication network for electric power big data platform, its implementation method in data integration platform was presented according to the research on the technique architecture of OpenFlow.The standardization status and architecture of OpenFlow were analyzed from aspects of data processing and service configuration.The advantage of OpenFlow in future electric power big data platform was analyzed, and the perspectives of SDN functional unit and technology extensibility were also studied.OpenFlow has been included in the key technology of electric power big data platform in State Grid Corporation.OpenFlow Supporting technology and popular SDN controlling protocols can significantly improve the flexibility of electric power service.By decoupling the control plane and data plane, the controlling function can be separated so that the high efficiency requirement of data network efficiency can be satisfied for State Grid Corporation.

electric power big data； OpenFlow; network model； software defined network

國家電網公司科技項目(網絡與信息系統統一模型化管理的研究)。

TM 769

A

1000-7229(2015)03-0043-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.008

2014-09-25

2014-10-26