基于SDN技術的電力通信WLAN網絡研究

叢　犁　杜秋實　張　艷　李曉東　任智源

（1.國網吉林省電力有限公司信息通信公司，吉林長春　130021；2.國網吉林省電力有限公司經濟技術研究院，吉林長春　130061；3.國網吉林省電力有限公司，吉林長春　130021；4.西安電子科技大學ISN國家重點實驗室，陜西西安　710071）

基于SDN技術的電力通信WLAN網絡研究

叢犁1杜秋實2張艷3李曉東1任智源4

（1.國網吉林省電力有限公司信息通信公司，吉林長春130021；2.國網吉林省電力有限公司經濟技術研究院，吉林長春130061；3.國網吉林省電力有限公司，吉林長春130021；4.西安電子科技大學ISN國家重點實驗室，陜西西安710071）

無線通信技術在智能電網建設方面發揮了重要的支撐作用，本文提出WLAN網絡中基于軟件定義網絡（SDN）技術實現大規模業務終端組網拓撲發現以及用戶通斷可控的技術方案，合理使用共享的、不需提供使用申請的網絡資源。文中給出了具體的SDN WLAN系統實現方法，并通過網絡測試驗證：利用遠程進程調用（RPC）技術能夠在控制端對AP進行基本控制，基本實現了網絡的集中管理，包括功率控制、動態資源分配以及負載均衡等功能，能夠有效地提升偏遠地區智能電網業務數據傳輸效率，提升企業WLAN環境中業務接入的靈活性及網絡資源的使用的合理性。

無線通信智能電網軟件定義網絡（SDN）無線局域網（WLAN）

無線通信技術由于成本低、組網方便、拓展性強等優點是智能電網［1］中的理想通信方式。SDN［2］（Software Defined Network 軟件定義網絡）是一種新興的基于軟件的網絡架構及技術，具有松耦合的控制平面與數據平面、支持集中化的網絡狀態控制、開放靈活的編程接口、網絡虛擬化等特點。

本文提出基于SDN技術實現網絡中拓撲發現以及用戶通斷可控的技術方案，解決智能電網在WLAN環境下，通信節點功率控制、動態資源分配以及負載分擔等集中控制功能的實現，能夠有效地提升偏遠地區智能電網業務數據傳輸效率，提升企業WLAN環境中業務接入的靈活性及網絡資源利用的合理性。

1　WLAN在智能電網中的應用場景

3GPP與WLAN網絡的接入支持了多種模式終端用戶的無縫移動性，基于WLAN技術的無線通信的智能電網在智能家庭（smart home）、智慧城市（smart city）以及企業網絡完善中發揮了重要作用。文獻［3］針對智能電網建設的要求，提出了智能電網中采用無線局域網（WLAN）的總體架構，介紹了相關標準、技術選擇和建設原則，為智能電網中無線局域網的網絡建設和維護提供了借鑒。

智能家庭電價采用實時計費方式［1］，可以有效降低峰值用電量對電網穩定性的影響。家庭中的用電設備可利用WLAN方式與智能電表連接，并在用電設備中加入智能化功能，使得電器設備能在合理的電費下開始工作，從而降低用電成本。智能電表能與其他用戶和管理中心進行通信，實時獲得電網的狀態和網絡控制信息，從而提升家庭用電的安全性和穩定性。

隨著企業信息化水平的不斷提高，WLAN應用也在不斷豐富，語音，視頻的溝通方式大大提高了效率。企業網的主要應用如下：

（1）互聯網應用：主要為企業各部門提供對外訪問服務，以及為企業內部用戶提供互聯網訪問服務；

（2）企業部門應用：包括了企業各部門的日常辦公應用、業務處理、數據處理，語音協同、視頻會議等，屬于企業內部的范疇，通常需要高質量保障、安全隔離、防攻擊等特殊要求；

圖1　SDN WLAN網絡架構

（3）企業內部應用：主要是企業視頻監控、車輛管理、一卡通等物聯網應用，具有高質量、高可靠性等要求。同時，需要避免企業內部應用和互聯網開放式應用的互相影響，便于業務識別和區分管理，提高部署和維護的效率。

另外，企業級WLAN網絡還需要為用戶提供一個隨時隨地無縫接入的網絡，在向用戶提供高速的固定接入的同時還可以利用WiFi等技術實現用戶簡便的無縫接入。同時，為保障企業網內部應用的接入，也需要提供廣覆蓋的無縫接入能力，提供視頻攝像頭、物聯網等設備的便捷接入。

圖2　SDN WLAN測試網絡架構

圖3　交換機狀態拓撲圖

圖4　SDN控制實現

2　WLAN網絡環境下SDN技術實現

基于SDN的WLAN解決方案可以為用戶一共穩定可靠的無線網絡，即便是AC與AP中間鏈路故障，AP脫離AC管控，也能保證正常轉發業務；在中間網絡恢復正常后，AC與AP自動重新建立通訊，使用戶在整個過程中感知不到網絡的變化，從而保障網絡的穩定可靠，同時也降低用戶對設備維護的工作量。

2.1SDN技術特點

SDN利用分層的思想［4］，將數據與控制相分離。在控制層，包括具有邏輯中心化和可編程的控制器，可掌握全局網絡信息。在數據層，包括啞的（dumb）交換機（與傳統的二層交換機不同，專指用于轉發數據的設備）。兩層之間采用開放的統一接口（如OpenFlow等）進行交互。

采用SDN控制器實現網絡拓撲的收集、路由的計算、流表的生成及下發、網絡的管理與控制等功能，而網絡層設備僅負責流量的轉發及策略的執行。通過這種方式可使得網絡系統的轉發面和控制面獨立發展。轉發面向通用化、簡單化發展，成本可逐步降低；控制面可向集中化、統一化發展，具有更強的性能和容量。轉發與控制分離之后使得控制面向集中化發展?？刂泼娴募谢沟肧DN控制器擁有網絡的全局靜態拓撲、全網的動態轉發表信息、全網的資源利用率和故障狀態等。

兩種主要的SDN解決方案分別為Underlay（底層硬件實現）以及Overlay（軟件疊加實現）。前者需要沿途每一跳逐跳支持，需要用SDN交換機替換現有的所有交換機和路由器，支持的規模較小，僅支持幾百臺設備。硬件交換機需要負責所有虛擬機的通信。后者可商用兩端的switch軟件支持即可，通過隧道透傳中間網絡現有所有交換機和路由器都可以保留支持的規模大。兩種方案的區別主要是虛擬機間通信和物理服務器通信由不同交換機負責。

2.2應用目標

將SDN和網絡虛擬化的思想引入企業級WLAN網絡（有成百上千的AP），同時考慮WLAN網絡和固網的融合，即backhaul或回傳也利用SDN思想。實現AP間的快速無縫切換和其他移動性管理、干擾管理、網絡資源管理和功率管理；最為重要的是，利用SDN技術構建WLAN網絡，實現對網絡的統一管理，網絡的結構隨應用、業務的需求動態調整，用戶可以獲得更加流暢的網絡體驗。而不必受現有網絡架構的約束，這樣，網絡的配置、管理就變得更加靈活，從而降低運營成本。

2.3研究內容

傳統WLAN網絡組網方式存在擴展性不足，靈活性不高等缺點，所以將SDN引進WLAN網絡中，構建基于SDN技術的網絡架構。

當前WLAN網絡中，各種接入設備（統一稱作AP）混雜，且各大廠商的設備也并不開源，無法做到各種設備的統一管控。而在SDN網絡中，所有底層轉發設備，都對上層控制器開放，也就是說，底層轉發設備須具有統一的接口（如openFlow），來接收控制器的命令。故需開發出支持SDN南向接口協議openFlow的AP，并在此基礎上，搭建基本的網絡平臺。

現有南向接口openFlow主要針對有線網絡，對于無線網絡，并不支持對無線設備的配置和管理。要實現無線SDN，須結合現有的無線接入點控制和配置協議（CAPWAP），或者開發出其他支持該功能的方案（如Odin方案）。

在SDN WLAN網絡中需研究哪些SDN應用可以帶給用戶更好的服務體驗，如移動性管理、干擾管理、功率控制、負載均衡等，相應的，還有支持這些應用的技術。

2.4實現方式

需創建方式為SDN WLAN測試平臺，和研究測試報告。SDN WLAN測試網絡應能根據上層控制層的指令，虛擬硬件資源，完成特定的應用服務；用戶可享受內網提供的各種應用服務，如FTP，TELNET，VOD等，也可訪問外網，同時對無線網絡接入用戶進行統一管理。研究測試報告應對平臺測試成果給出詳細說明，并與現有WLAN網絡參數進行比較，分析是否能夠達到預期要求。

由于集中式控制方案可以更好地管理控制網絡，且這也是SDN本身的一個特點，所以SDN WLAN網絡架構采用集中控制方案，如圖1所示，該網絡分為應用層、控制層、基礎設施層。應用層是整個SDN網絡的最高層次，SDN網絡的最終目標就是服務于多樣化的業務應用創新。因此隨著SDN技術的部署和推廣，將會有越來越多的業務應用被研發。這類應用將能夠便捷的通過SDN北向接口調用底層網絡能力，按需使用網絡資源，其主要實現就是SDN云平臺（如OpenStack）。通過在其網絡資源管理組件中增加SDN管理插件，管理者和使用者可以利用SDN北向接口，便捷的調用SDN控制器對外開放的網絡能力和網絡資源?？刂茖又饕⊿DN控制器和認證服務器，SDN控制器（例如Floodlight）。負責整個網絡的運行，SDN交換機的去智能化，openFlow等南向接口的開放，使得SDN控制器需要具備鏈路發現、拓撲管理、策略制定、表項下發等支持SDN網絡運行等基本操作，同時還需要為上層應用提供接口。認證服務器主要完成對用戶的認證管理，是控制用戶接入網絡的關鍵設備。基礎設施層中主要由通用的SDN交換機組成。這些設備與傳統網元設備的區別是，SDN交換機中的匹配表項是由控制器統一下發的，而并非由各個設備自身根據周邊的網絡環境在本地生成的。因此各種復雜的控制邏輯（如鏈路發現、地址學習、路由計算等）都無需在SDN交換機中實現，從而實現設備的通用化。同時，由于SDN交換機通過標準的南向接口，為上層屏蔽了底層物理轉發設備的差異，實現了資源的虛擬化，使得上層對資源的調度與管理更加靈活高效。根據SDN交換機工作的特點，又可分為SDN無線交換機、SDN交換機、和SDN匯聚交換機。對于用戶端，不需要做任何的改動，即可享受SDN網絡帶來的靈活流暢的網絡服務體驗（如圖1）。

支持openFlow協議的AP的加工，基本測試平臺的搭建與測試因為廠商的固件并不對外開源，無法直接對AP進行改裝，也就無法使其支持openFlow協議。而openWRT作為一種開源的路由器系統，可以很方便的進行二次開發；openVswitch（簡稱ovs）是一種軟交換機，可以支持openFlow協議。通過交叉編譯后，加裝到openWRT中，就可以獲得支持openFlow協議的AP。

圖2中的AP1和AP2正是采用openWRT+ovs的方式改裝而成的。為降低初期的實施難度，前期搭建的平臺采用較為簡單的結構，如圖2所示，可以看到，該結構是對圖1中的各個層，進行了簡化而得到的；普通交換機如圖2所示為目前搭建的SDN WLAN測試平臺，在該網絡中控制器負責對整個網絡進行管控，目前，控制器可以獲取網絡各個節點的信息，也能通過流表的下發，來控制用戶之間的通信。網絡拓撲和交換機狀態如圖3所示。

從Ports欄中可以看到，該交換機有三個端口，其中br0為ovs虛擬出來的橋接口，用以掛載物理網口，eth0、eth1為掛載在br0上的網口；Flows選項表示，控制器向該交換機下發的流表，通過這些流表可以控制，連接到不同AP上的用戶（如用戶1與用戶2）的通斷。通過floodlight，目前只能做到對網絡拓撲、帶寬等進行調整，無法控制AP的功率、接入用戶數等，而通過RPC（遠程進程調用）可實現遠程控制。故通過編寫RPC服務器和客戶端程序，并用交叉編譯工具生成openWRT中可執行的程序，然后將程序分別加裝到AP和控制端，能通過RPC控制AP的功率、接入用戶、無線的開啟關閉。如圖4所示：

3　結語

本文通過對智能電網中無線通信技術的應用說明，提出基于SDN技術實現網絡集中控制的方案，基于上述技術可以實現網絡拓撲發現、用戶通信通斷可控、網絡AP功率自動調整及網絡資源負載均衡等功能，為下一步做MAC分離，實現移動性管理等應用打下了基礎。

［1］陸麗超，等.無線通信技術在智能電網中的應用［J］.深圳信息職業技術學院學報，2013，3（11）.

［2］郭云飛，等.SDN技術在電力光通信網絡中的應用研究［J］.微型機與應用，2014，23（33）.

［3］尤天晴，劉潔.無線局域網技術在智能電網中的應用研究［J］.吉林電力，2010，38（2）：20-23.

［4］張朝昆，等.軟件定義網絡（SDN）研究進展［J］.軟件學報，2015，26（1）.

叢犁（1984—），女，吉林通化人，博士，從事電力通信系統的運維工作。