基于SDN架構的電力通信網絡質量感知技術研究

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(1.國網安徽省電力公司信息通信分公司,合肥 230061; 2.安徽繼遠軟件有限公司,合肥 230088)

基于SDN架構的電力通信網絡質量感知技術研究

謝小軍1,潘子春1,夏同飛2

(1.國網安徽省電力公司信息通信分公司,合肥230061; 2.安徽繼遠軟件有限公司,合肥230088)

電力工業是國民經濟的基礎支柱，其通信網絡是電力生產、經營和管理的一個重要組成部分;針對現通信網中業務流實時監測的難題，提出引入一種基于SDN架構設計的新型流量感知監測技術方案，經實際網絡延遲數據與RLI算法、MDI指標中的DF參數、VTD指標互作對比;為此搭建基于NetMag可編程網絡設備的實驗環境通過驗證及建模對比，均達到預期效果;論證該項質量感知技術能為電力通信網提供可視化、實時、智能的運維平臺作部署，這將使運維管理工作更加主動、有效，有利于提高網絡運行的效率與穩定性。

SDN網絡; 網絡監測; 軟件定義; 調試可視化

0 引言

SDN網絡作為新興的網絡技術，其為國網電力通信大數據時代實現了網絡流量的靈活控制。從應用實效而言，其為現網業務流量監測技術在電力系統的發展發揮指導作用，保證電力通信網絡中各種資源的高效利用，有利于節約研究開發資源，明確采購、生產和使用，其研究成果可應用于全國各個電力通信數據網絡，滿足國家及各個省市對于電力下一代通信網絡的需求。因此，基于SDN架構的電力通信網絡質量感知技術研究成為當下重要研究的課題，其成效明顯地提升電力通信網絡的運維體驗、故障管理水平，對助力建設智能電網等有著十分重要的意義[1]。

1 電力通信網絡面臨的問題

電力通信數據網的設計組網是獨立組網，該網絡中的數據業務流的狀態直接影響到生產調度、網內辦公等各方面。隨著公司業務的不斷發展，各種應用系統持續增加，數據、語音、視頻等業務實現高度融合，同時保證各種業務流量可靠穩定的轉發，呈現出幾個越來越難以掌控的問題：

1)業務流數據在網絡中各個節點的傳輸質量難以精細掌握。當網絡發生時延、抖動等故障時，管理員通過傳統技術，難以快速、精準地診斷出產生時延和抖動的真正原因。

2)網絡運行質量無法實現可視化。依靠傳統手段難以掌握網絡運行實時質量及真實業務性能，難以預測網絡帶寬瓶頸，難以掌握用戶行為數據。現有網管系統功能單一，無法提供有效手段實現網絡質量的可視化展現。

3)網絡故障分責定位難。多廠商設備混合組網，出現故障時依靠傳統手段難以實現網絡分段定位，缺乏一套能夠跨平臺、跨廠商對網絡設備進行統一流量監管的平臺，故障排查時間長，對運維人員的數量及技能要求高。

2 提出架構SDN網絡質量感知技術

2.1 傳統網絡監測

所謂的網絡監測是基于在一定的通信理論指導下由特定軟件和硬件工具經算法監控的總和。其提供實時監控，用戶可了解相關運行數據，一旦出現錯誤從而作出及時糾正，并進行適宜的優化，有效提升通信的運維水平。

傳統的網絡監測方法眾多，主要是針對網絡的性能作主動監測或被動監控，其源于度量IST網絡指數或PIMG典型應用通過積極ICMP包發現通信延遲和數據丟失和parameter Oder等參數。還有的采用第三方檢測工具達到網絡監測，例如，Iperf軟件是一個極好的試驗工具，提供寬限的TCP 與UDP線性間的變化偵察，抖動時延和丟包等。也可以通過特定的裝置在網絡關鍵節點以捕獲分析通信數據包，以了解當前網絡狀態性能，索引參數。臂如Linux - 系統下tcpdump。其是一款功能強大的數據采集- 分析-統計-錄入，既可定向監視，捕獲數據，甚至實現過濾包功能，可以通過刪除一些符合邏輯的解釋摒棄掉無用的信息[2-5]。

2.2 架構SDN網絡感知技術目的

然而傳統網絡監測技術雖多，卻沒有一套整合利用SDN架構的網控與軟定義特性相輔的通信感知技術，存在一定的局限性。

基于SDN架構下的網絡控制，能對電力通信數據網絡業務進行實時、精準的、端到端的性能監控，實現網絡故障的快速定位，提升運維效率已經是當下刻不容緩的趨勢，急需出現一種新型的流量檢測技術方案能在現網中實現以下功能：

實現架網點對點的通信性能偵測，賦予電力通信網知能化感知技術，IP Service Level Agreement 工作期整周全天侯無間斷，使故障精準判斷、快速定位、高效運作，一改過往運維拖沓的現象，使運維成本不再居高，整網達到可視、可控的目的，較傳統電力通信網更具經濟和實用價值[6]。

3 設計方案

3.1 設計原則

要實現基于SDN架構的電力通信網，其有別于傳統意義上的IP網端，在部署監測系統設計時需要依照下面三點原則：

1)運用SDN網絡的架構優勢，踐行可軟定義的特性以及其調、控分離的特點：

2)精細化運作SDN的監測與測量，從而捕獲的反饋數據能充分反應當前網絡質量，又能運算處理展現網絡感知技術；

3)遵循交換機的運作方式，使其最大發揮監測效果，使控制器獨立運作，避免兩者沖突而降低電力通信網的質量感知效果。

3.2 總體架構配置

新型流量監測解決方案基于SDN架構設計，包括流量檢測儀、集中化的控制器、軟件平臺組成，將其引入到電力通信網后，可明顯地提高網絡質量感知水平，實時地掌握流量在網絡中轉發情況，并可基于真實業務提供端到端的監測。

為了實現研究目的，首先需建立一套實驗環境，實驗環境分為4個環節，即一張小規模IP網絡(模擬電力綜合數據網)，流量檢測儀、控制器、管理器，部署示意圖見圖1。

圖1 總體架構部署

注釋：

1)IP網絡：與電力綜合數據網類似，組建IP網絡設備主要路由器和交換機構成，盡可能利用富余設備，減少投資，避免重復采購。

2)流量檢測儀(Meter)：完成OAM功能，支持TWAMP(雙向主動測量協議)、RFC2544、IPFPM(IP網絡性能檢測)；對業務進行統計，針對省內電力綜合數據網辦公OA數據流、語音數據流、視頻數據流進行統計；業務識別，染色，發包[7]。

3)控制器(Controller)：完成新型流量檢測儀的自動發現與代理管理功能，監測結果統計上報。

4)管理器(Manager)：由管理和可視化兩部分組成，完成新型流量檢測儀的配置、日志(也可能是專門的日志服務器)、告警、性能監控等功能的管理工作；收集告警，保存日志；實時輸出流量性能報表。

3.2.1 工作方式

新型流量檢測方案按照部署與工作方式的不同分為隨路方案(In-line)和旁路方案(Bypass)。

3.2.1.1 隨路方案

部署在業務路徑上的某個接口上，基于真實的業務流量進行性能統計，具有高精度和實時性的特點。同時也提供發送仿真測試流進行按需的性能統計。

3.2.1.2 旁路方案

部署在非業務路徑的某個接口上，發送仿真測試流進行按需的性能統計，具有快速部署和不中斷業務的特點。

3.2.2 新型流量檢測方案的優勢

3.2.2.1 高精度

IP FPM利用報文染色技術進行性能統計，新型流量檢測儀通過三元組(S-IP，D-IP，DSCP)識別指定的業務流，對于IP報文頭字段以0或1著色信息的基礎上，使業報實現高精確度(10-6)性能統計數據丟失，包括延遲和抖動等[8]。

3.2.2.2 靈活部署

新流量儀器可以判別于IP報文全部流量，含括Natve Eth、Native IP、L2VPN、L3VPN等，對所有業務OAM技術的一致管控[9]。

3.2.2.3 輕松運維

所有IP FPM的操作全部由獨立的可視化部分完成，實現了自動部署、實時統計和智能報表等實用的功能，解放了網絡的管理人員、降低了運營成本。

3.3 核心組件測量

核心組件即(新型流量儀表)基于不同的任務對交換機作性能檢測，一個測量任務是在消息經發源端交換機后，由其來完成本次測量任務。而測量組件安置在SDN網絡業務應用層，在SDW基礎上以標準API開發的。本架構如圖2所示。

圖2 新型流量檢測儀總體架構圖

3.3.1 測量組件的各個模塊功能

3.3.1.1 測量任務獲取模塊

執行最新任務的采集指令，其內容含括：任務ID,測量的類型、源和目的開關交換機ID及選路標識這5組信息。

3.3.1.2 可擴展算法的調度模塊

其主要功能是根據上一層獲取到的參數,選用相應的算法來構造測量數據包。在這個模塊中,可能需要添加各種各樣的測量運算的方法,測量算法不同的測量要求的包是不一樣的,打個比方來說，測量包的內容、大小、發送的數量,發送的時間間隔,這些參數需要根據特定的測量算法和測量時長而定。雖然采取的運算方法不盡相同,但我們仍然可以預料到其基本操作,如添加時間戳、充填數據域,定義了基本操作，這種構造形式的擴展有利，完成一個測量包結構。

3.3.1.3 消息封裝和解析模塊

主要是對封裝和解析OpenFlow的消息傳輸作封裝和解析的,實驗制定對OpenFlow網絡消息擴展,后面再作詳細分析。

3.3.1.4 測量發送消息和接收模塊

其采用了合符要求的SDN API方式,收、發消息。檢測組件可以定義的測量事件并注冊到控制器來完成下發檢測消息的目的，還可以經控制器上傳通過檢到的報文。

3.3.1.5 測量任務管理模塊

其表現為鏈表數據式的結構,其作用是便于存儲測量任務或數據。當每發出一個新構造測量消息任務指令時,將存儲在鏈表當中,已經通過的測量數據與測量結果最終傳遞到處理模塊,并從列表中刪除該任務。

3.3.1.6 測量結果計算處理模塊

其主要是適用于測量任務已經達成,根據不同類型的測量方式,該模塊最大的的作用是調用測量相應的算法來處理測量數據,計算的測算結果,并存儲結果。

實驗消息(Experimenter)可以被解釋為一個階段性實驗的消息,這是OpenFlow標準協議提供下給開發人員根據實驗要求的一類數據。此類消息結構如圖3所示[10-13]:

/?Experimenterextension?/Structofp＿experimenter＿header{Structofpheaderheader；/?TypeOFPT＿EXPERIMENTER．?/Uint32＿texperimenter；/?ExpermenterID： ?-MSB0：low-orderbytesareIEEEOUI． ?-MSB！=0：definedbyONF?/Uint32＿texp＿type；/?Experimenterdefined?//?Expermenter-definednarbitraryadditionaldata．?/}；

圖3 實驗消息結構

注：struct ofp header h eader作為OpenFlow協議消息常規格式，代表消息源的版本代號和類型、長度等數據。

uint32_t experimenter:代表的意思是實驗消息ID標識[14]。

uint32_t exp_type:代表在實驗消息的具體類型，以便開發者在其ID標識下配置成各種子消息型。

3.3.2 SDN網絡監測子系統的驗證

針對該子系統驗證，工作人員選擇了測量模塊和交換機下擴大開放流量開關的模塊作測試，驗證對這些模塊的配置適宜性,得到的單元測試網絡拓撲圖見圖4。

圖4 單元測試網絡拓撲圖

在測量主件方面，可適時將算法延伸到調度測試模塊，從而能達到應對不同測量對象，選取出對應于適應于消息體的測量算法。

3.3.2.1 測試方法的步驟

首先作測量標準任務的參數輸入，相關的參數說明見下表1，其次該可延伸算法是經調度模塊，可以在工作過程中輸出正確的消息。

表1 測量任務參數說明

測試結果表明：可擴展算法調度模塊解決了任務參數差異性需求，并達至轉化成新的測量消息體目的。

3.3.2.2 測量消息結構體分析

下面得到可延伸的算法調度模塊的分析，其在實驗狀態下輸出的信息見圖5。

圖5 可擴展的算法調度模塊構造量消息體

如圖5所示，可擴展的算法調度模塊選擇用于構造消息體的往返延遲測量算法。在該任務在在600 s的有效時長下，對ofswitch1到ofswitch3所需的往返延遲，發出三組內含3個測量包的數據，途經通過ofswitch2轉發，從而達到本次的測量要求。見上圖選路信息顯示，測得的路徑上轉發分組交換測量端口，代碼0端口屬無效其代表無需測量報文轉發，總體結果已達預期。

4 建模實驗與結果分析

基于電力通信監控方案首次采用SDN架構的設計，其對消息的時間戳的變化監測指標提出VTD(視頻時間戳抖動),源于指數從發報點起根據變化及時接收消息，從時間的變化可以直接反映通信傳輸延遲所產生的數據包內，其時延是造成網絡抖動的主要原由。由此可知VTD索引可以實時、準確地反映網絡的傳輸時延抖動的消息。本課題重點將考慮如何架構硬件方面的支撐，最終使數據包的時延測量精度可到達微秒、納秒級別。下面擬定實驗環境如圖6所示，時延抖動的消息經Net Magic捕捉網中截獲得到的裝置P4和P5端口的報文摘要信息流，并將其存儲在文件數據源。

圖6 建模實驗環境圖

經將實際網絡延遲數據與RLI算法、MDI指標中的DF參數、VTD指標互作對比。為此搭建基于NetMag可編程網絡設備的實驗環境，Net Magic捕捉得到真正的延遲值與VTD指數值比較：真實值存在比較簡單，其等于消息的接收端發送的時間戳之差，顯然發送端和接收端的時間不同步。

首先假設報文發送端每發送一個報文的間隔時間為ts1、ts2、ts3……tsn,接收端每接收一個報文的間隔時間為rs1、rs2、rs3……rsn。接收當前包等待的時間RS值(rs2)比當前包的TS值(ts2)大時，說明網絡延時變大了，數據反饋比預期來得遲。以此類推，得到新數據集,即VTD模式:

VTD1=X

VTD2=X+(rs1-ts1)

VTD3=X+(rs1-ts1)+(rs2-ts2)

……

VTDn+1=X+(rs1-ts1)+(rs2-ts2)+......+(rsn-tsn)

VTD1=X1

VTD指標計算公式中，引入了時間這個直接反映報文延遲變化的變量來計算VTD，沒有取一個測試周期、也沒有引入其它定值作為計算參數，所以更能夠準確、及時地反映網絡抖動的情況。VTD參數是一個大于0的數值，其值越大，測試計算結果如圖7所示。

圖7 真實延遲與VTD計算值仿真對比

通過對圖7中的真實延遲與VTD計算值的仿真對比，可看到VTD值變化和理論計算下延遲值變化曲線的基本一致。個別報文存在100 μs的誤差范圍內，部分延遲或將更小，不到50 μs。所以本次VTD參數監測結果是準確的，其時延測量精度在允許條件達到微秒，甚至納秒級別。

在測試程序的主界面的狀態欄中實時顯示當前的接收速率,系統的測試中接收速率在2 800～3 300 B/s之間,接收的數據不丟失,達到了系統預期要求。

總之基于SDN架構的電力通信網絡質量感技術，要求一方面接收組報文監測已達一定精度，另一方面以太網報發命令匯同核心組件即(新型流量儀表)響應消息展現出其正確性。根據交換協議文本的協議過程，檢查響應消息對應的消息處理程序的正確性，對照控制和監測主CPU，找出錯誤或錯誤類型，將更加有效地進行通信網絡的質量感知技術的研發這也是我們后期工作重點。

5 結語

本課題緊跟智能電網信息化發展腳步，課題完成后具有多重效益。其直接效益分析如下：

1)有利于網路傳輸質量監測。通過本課題研究，引入新型流量檢測技術可以精確定位網絡中的時延和抖動，提供了一套有效的網絡傳輸質量監測工具。

2)有利于網絡運行質量可視化。通過本課題研究，引入一套網絡流量可視化展現工具，可以掌握網絡運行實時質量及真實業務性能，同時可預測網絡帶寬瓶頸，掌握用戶行為數據。

3)有利于網絡故障分責定位。通過本課題研究，采用集中化的網管系統和流量分析軟件，對現網多廠商設備進行統一管理，可實現故障設備和線路的快速定位，解決了網絡故障分責定位難的問題。

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ResearchonQualityAwarenessTechnologyofPowerCommunicationNetworkBasedonSDNArchitecture

Xie Xiaojun1,Pan Zichun1,Xia Tongfei2

(1.State Grid Anhui Electric Power Company Information and Communication Branch, Hefei 230061, China;2.Anhui Jiyuan Software Co., Ltd., Hefei 230088, China)

The power industry is the basic pillar of the national economy, and its communication network is an important part of electric power production, operation and management. Aiming at the problem of real-time monitoring of traffic flow in the communication network, a new traffic perception monitoring scheme based on SDN architecture is proposed. The results are verified and compared. It is proved that the quality perception technology can provide visualization, real-time and intelligent operation and maintenance platform for the power communication network, which will make the operation and maintenance management more active and effective, and improve the efficiency and stability of the network operation.

SDN network; network monitoring; software definition; debugging visualization

2017-04-02；

2017-04-19。

安徽省電力公司科技項目(2016-00633-XTGS)。

謝小軍(1975-)，男，安徽涇縣人，碩士，高級工程師，主要從事電力通信網的運行管理和數據通信領域的研究。

1671-4598(2017)10-0181-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.046

TP206

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