基于SDN的IP與光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制技術(shù)研究

劉效禹　霍英哲　丁一　李立

摘要：通過對SDN的IP與光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制技術(shù)進行研究，在智能電網(wǎng)中引入SDON技術(shù)，構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)不同廠家光傳輸設(shè)備進行互聯(lián)互通SDN光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。實現(xiàn)IP與光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制，支持控制器的集群化，避免了單一的控制器造成的單點失效問題，可以提高電力傳輸網(wǎng)的高可靠性要求，同時能夠應(yīng)對大規(guī)模電力傳輸網(wǎng)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：SDN 控制技術(shù) 光網(wǎng)絡(luò) 統(tǒng)一控制

中圖分類號：TN929.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0068-02

隨著信息和通信在技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的相互促進以及信息應(yīng)用的快速增長，對電力通信網(wǎng)的支撐能力提出了更高的要求。信息技術(shù)需要為電力通信網(wǎng)的管理與運維提供更加有效的支撐手段。國網(wǎng)數(shù)據(jù)通信骨干網(wǎng)，作為中間層，將底層的光纖通信網(wǎng)絡(luò)和上層的信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行了緊密結(jié)合，是信息通信在電力系統(tǒng)發(fā)展中具有標志性意義的事件。本文通過對SDN的IP與光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制技術(shù)進行研究，在智能電網(wǎng)中引入SDON技術(shù)，可以提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性、擴展性及利用率。同時可以降低網(wǎng)絡(luò)功能成本，為未來電網(wǎng)的智能光傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)功能及定位

1.1 SDN技術(shù)簡介

軟件定義網(wǎng)絡(luò)是一種新型的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要是利用OpenFlow技術(shù)完成對網(wǎng)絡(luò)控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離，有效的掌控和管理整體網(wǎng)絡(luò)的全局，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，并使其達到最大化，可以靈活調(diào)度控制業(yè)務(wù)流量，可以實現(xiàn)不同廠家的傳輸設(shè)備進行互聯(lián)互通以及集中管控，由于目前傳輸光網(wǎng)絡(luò)向著大帶寬的方向發(fā)展，因此將SDN技術(shù)應(yīng)用到光傳輸網(wǎng)，可以提高傳輸網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴展性。

1.2 SDON技術(shù)優(yōu)勢

將SDN技術(shù)和概念應(yīng)用到光傳輸網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建新型光傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，形成SDON技術(shù)。該技術(shù)將傳送平面和控制平面進行分離，對光傳輸網(wǎng)絡(luò)中的物理技術(shù)的細節(jié)方面進行屏蔽，對光傳輸網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有復(fù)雜的私有網(wǎng)絡(luò)接口進行簡化，實現(xiàn)可以對光傳輸網(wǎng)絡(luò)的可編程。由于光傳輸網(wǎng)絡(luò)固有的集中化管理以及面向連接的交換機制等特點，因此在光傳輸網(wǎng)絡(luò)引入SDN技術(shù)更加符合SDN技術(shù)的發(fā)展和演進，可以滿足未來虛擬化網(wǎng)絡(luò)、提供靈活快捷的業(yè)務(wù)，滿足傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和業(yè)務(wù)創(chuàng)新的需求。

SDON技術(shù)主要具備以下幾方面優(yōu)勢：

（1）SDON技術(shù)可以滿足用戶對光傳輸網(wǎng)絡(luò)配置的需求。實現(xiàn)設(shè)備的使用、操作靈活、快捷，能夠使用戶用最快的速度獲取用戶想要的服務(wù)功能。（2）SDON技術(shù)可以實現(xiàn)對光傳輸網(wǎng)管資源進行虛擬化的管理，可以實現(xiàn)對不同常見所有的光傳輸網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的全覆蓋，可以充分發(fā)揮光傳輸網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施資源優(yōu)勢，通過構(gòu)建開放、統(tǒng)一的傳輸設(shè)備資源管理平臺，對傳輸網(wǎng)絡(luò)資源的利用進行優(yōu)化。（3）利用OpenFlow等相關(guān)協(xié)議，同時通過對協(xié)議進行擴展，實現(xiàn)不同廠家傳輸設(shè)備的互聯(lián)互通，對交互控制接口進行開發(fā)，實現(xiàn)面向?qū)ο蟮慕换ソ涌冢瑢崿F(xiàn)光傳輸網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)員的抽象化以及跨層網(wǎng)絡(luò)控制的集成化，構(gòu)建具備統(tǒng)一控制能力的新型光傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。

1.3 支持電力廣域互聯(lián)的SDN的IP與光網(wǎng)路關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容

支持電力廣域互聯(lián)的電力軟件定義光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)只要包括以下幾個方面：

（1）基于協(xié)同控制的SDON架構(gòu)；（2）支持標準化流表轉(zhuǎn)發(fā)的路由算法以及路徑配置方法；（3）支持集群控制機制的北向接口和南向接口的光擴展以及基于REST的北向接口及其核心功能。

采用電力廣域互聯(lián)的電力軟件定義光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)可以不同廠家傳輸設(shè)備的互聯(lián)互通與集中管控，降低了系統(tǒng)的構(gòu)建復(fù)雜度和使用復(fù)雜度，完成資源最優(yōu)化配置，提高資源利用率，為未來電網(wǎng)的智能光傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了技術(shù)支持。

1.3.2 啟用關(guān)鍵技術(shù)的效益

（1）由于傳統(tǒng)的電力光傳輸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)不夠靈活，無法適應(yīng)不斷涌現(xiàn)的新增承載業(yè)務(wù)的需求，無法保證服務(wù)質(zhì)量，無法進行可持續(xù)發(fā)展，無法保障產(chǎn)業(yè)鏈難的可持續(xù)發(fā)展。基于協(xié)同控制的電力軟件定義光網(wǎng)絡(luò)為電力光傳輸網(wǎng)的使用、控制以及如何創(chuàng)收提供了更多的靈活性，通過簡單的可控軟件的模塊進行組合可以替代傳統(tǒng)專用的傳輸設(shè)備與控制系統(tǒng)，減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的資本性支出（CAPEX）。 （2）電力軟件定義光網(wǎng)絡(luò)采用協(xié)同控制方式，可以實現(xiàn)對電力光傳輸網(wǎng)進行故障自我診斷以及自動化部署，減少電力光傳輸網(wǎng)絡(luò)由于人工干預(yù)而產(chǎn)生的錯誤，降低電力光傳輸網(wǎng)的運營管理費用（OPEX）。（3）電力軟件定義光網(wǎng)絡(luò)采用協(xié)同控制方式，可以集中管理和協(xié)調(diào)控制整體傳輸網(wǎng)絡(luò)，改變由于不同設(shè)備上提供的專有設(shè)備必須提供相應(yīng)的方案，可以加快網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度，可以實現(xiàn)為電力光傳輸網(wǎng)絡(luò)帶來良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 基于協(xié)同控制的電力軟件定義光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

區(qū)別于傳統(tǒng)的SDN架構(gòu)主要是基于協(xié)同控制的多廠家傳輸設(shè)備互聯(lián)互通的電力軟件定義光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)框架，對控制層進行擴展，將控制層分解成為協(xié)同控制層和單域控制層等兩個層次，實現(xiàn)一個垂直的控制層結(jié)構(gòu)，其體系架構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)電力光傳輸網(wǎng)的特點，傳統(tǒng)的SDN單域控制器的功能無法滿足應(yīng)用的需要，本文提出光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將控制層又分為兩層：單域控制器和協(xié)同控制器。其中單域控制器的作用和傳統(tǒng)SDN控制基本一致，負責生成域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)視圖、管理域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)資源。協(xié)同控制器用來協(xié)調(diào)單域控制器之間的工作，并負責網(wǎng)絡(luò)的全局視圖和全局網(wǎng)絡(luò)資源管理。

對于不同的電力傳輸子網(wǎng)來說，每個子網(wǎng)各自擁有不同的控制器。這些子網(wǎng)可能采用不同的傳輸技術(shù)，控制器也可能來自不同的廠商，擁有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為了支持協(xié)同控制器的功能實現(xiàn)，這些控制器必須提供相同的北向接口和協(xié)同控制器對接，以便協(xié)同控制器可以更好的實現(xiàn)協(xié)調(diào)功能。為了實現(xiàn)協(xié)同控制器的功能，單域控制器必須支持統(tǒng)一的、開放的北向接口，以實現(xiàn)和協(xié)同控制器之間的通信。

SDN技術(shù)典型的南向接口協(xié)議采用OpenFlow協(xié)議，實數(shù)據(jù)平面與控制平面的相對完全的分離，完成數(shù)據(jù)流層面控制轉(zhuǎn)發(fā)，采用SDON的光傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)該支持OpenFlow協(xié)議的光擴展。SDN北向接口是用戶業(yè)務(wù)以及各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)開發(fā)者有效控制和利用網(wǎng)絡(luò)的門戶，開發(fā)者可以采用軟件編程的形式來對各種網(wǎng)絡(luò)資源進行有效的調(diào)用；單域控制器和協(xié)同控制器等兩種控制器都可可以通過北向接口支持業(yè)務(wù)層應(yīng)用，通過相互配合形成控制器集群。

3 基于SDN的IP與光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制的組網(wǎng)技術(shù)

3.1 傳輸鏈路故障的感知技術(shù)

為了提高電力光傳送網(wǎng)絡(luò)的可靠性，采用主動式的光路損傷感知機制構(gòu)建SDON的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議，動態(tài)發(fā)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)中的鏈路故障。利用了Open Flow協(xié)議中的Packet In和Packet Out消息實現(xiàn)多域控制器和光傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的交互。多域控制器通過Packet Out消息來周期性的發(fā)送LLDP探測包，依據(jù)收到的Packet In消息來對光路的損傷進行感知。電力運維部門可以通過該功能對整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)清楚的了解，方便設(shè)備管理和故障排查，節(jié)省大量人力和物力。

3.2 基于多域協(xié)同的電力業(yè)務(wù)保障技術(shù)

通過對協(xié)同控制器以及單域控制器進行集群，實現(xiàn)在多域網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下給上層的應(yīng)用提供整體全局的網(wǎng)絡(luò)視圖。利用全局網(wǎng)絡(luò)視圖來對動態(tài)的路由算法進行研究，提高保證多域協(xié)同的電力業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。采用基于事件機制的最短路徑算法來進行動態(tài)路由計算。當網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，控制器依據(jù)動態(tài)路由算法動態(tài)建立恢復(fù)路徑，保障受影響的電力業(yè)務(wù)盡快恢復(fù)。

3.3 光通道按需帶寬分配技術(shù)

光通道按需帶寬分配技術(shù)采用OFDM技術(shù)，可以按照業(yè)務(wù)請求所需的不同帶寬的大小來對頻譜資源進行分配，將頻譜資源切割成粒度小、相互正交的諸多頻隙，這些頻隙可以根據(jù)實際請求所需的實際帶寬進行聚合和分拆，較好解決了承載業(yè)務(wù)的粒度互相不匹配等問題，既可以節(jié)約有限的頻譜資源，又可以頻譜資源的使用效率。目前光傳輸網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的為OTN技術(shù)，因此在多域傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中可能存在兩種技術(shù)同時并存的情況，面向多域交換光傳輸網(wǎng)絡(luò)的光通道按需帶寬分配技術(shù)，利用RWA、RWTA、RSA和RMLSA混合算法來動態(tài)地適應(yīng)電力業(yè)務(wù)多域交互的光通道按需帶寬分配的需求，可以極大提高電力光傳輸網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可重構(gòu)性，極大提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

4 結(jié)語

本文提出基于SDN的IP與光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制技術(shù)，構(gòu)建不同廠家傳輸設(shè)備進行互聯(lián)互通的SDN光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。作為一種基于統(tǒng)一控制技術(shù)的電力軟件定義光傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)控制器的集群化，可以有效避免由于單一的控制器失效而造成的單點失效問題，提高電力光傳輸網(wǎng)的高可靠性，同時能夠應(yīng)對大規(guī)模電力傳輸網(wǎng)的應(yīng)用。

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