基于SDN的電力通信網絡關鍵技術綜述

吳路明, 裘愉濤, 陳 琦

( 1. 國電南京自動化股份有限公司, 江蘇 南京 210000；2. 南京國電南自電網自動化有限公司，江蘇 南京 210000；3. 國網浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著智能電網和能源互聯網的不斷深入發展和推進，云計算、數據倉庫、數據挖掘以及虛擬化等技術在電力行業的成熟應用，基于IP的簡潔網絡架構日益臃腫且越來越無法滿足高效、靈活的業務承載需求，網絡發展面臨一系列問題：全局優化的流量調度問題、精細化的流量操控問題、與上層應用的深度結合問題以及網絡功能多樣化后帶來的傳統設備實現困難、成本高昂的問題等[1]。并且，擾動信息、電力設備狀態等新信息的爆發式增長和新型技術及設備的應用對電力系統的信息實時傳輸性能和網絡的快速兼容性造成了巨大的挑戰。

因此，當前的電力系統迫切需要引入新的技術和架構，提高網絡的靈活性，以滿足定制化需求。為從根本上擺脫上述網絡困境，軟件定義網絡(software defined network，SDN)憑借其極其優越的性能(控制平臺邏輯集中、通用硬件及軟件可編程、控制和轉發分離)受到了業界的廣泛關注。

1 電力通信業務現狀

目前，電力通信網絡主要由基于時分多路復用技術的同步數字序列(synchronous digital hierarchy，SDH)專網、基于IP 技術的調度數據網和綜合數據網組成。其通信業務[2-3]如表1所示，典型電力業務的通信性能需求如表2所示[2]。目前電力系統所使用的雙網電力通信架構[3]如圖1所示。結合電力業務和電網的發展規劃，現有的電力通信網的不足主要體現在以下幾個方面。

表1 電力通信業務分類Tab.1 Services of the electric power telecommunication

表2 典型電力業務的通信性能需求Tab.2 The performance requirements of the typical electric power services

圖1 電力通信雙網基礎架構Fig.1 Thedual-network architecture of the electric power telecommunication

1.1 網架性能

電網智能化的建設和發展促使電網生產、運行、管理、經營等大規模全過程的監測、控制、分析、計算逐步向動態化、在線化、智能化、全過程化轉化，通信業務也從電話、數據向視頻、多媒體等寬帶業務發展。這導致了電網在各個環節增加了大量的信息采集、監測和傳輸點。電網核心業務數量及業務流量不斷上升[4]，網架性能的增長速度已無法匹配和信息量的增長速度。

此外，電網公司“三縱三橫一環網”的特高壓電網架構方案的實施，引發大電網的協同控制范圍日趨增大，進而導致承載電網的通信性能需要能夠跳躍式增長，表3即為最新的精準負荷控制系統對時延的需求。通過現有電力通信網絡的分析，可以發現傳統網絡的TCP(transmission control protocol)建立連接困難，TCP協議傳輸低效的缺點制約了電網通信性能的提高。

并且，伴隨電網公司系統SG-ERP平臺及數據容災中心建設[4]，傳統的計算/數據中心網絡中存在的IP 地址重疊、跨子網虛擬機遷移及跨數據中心業務遷移困難、STP(spanning tree protocol)和MSTP (multiple spanning tree protocol)技術收斂速度慢、無法為多租戶提供等截面帶寬、鏈路的實際利用率很低(平均只有30%～40%)等問題[5]導致現有電力通信網的傳輸性能、管控性能愈發難以滿足要求。

表3 精準負荷控制系統時延需求Tab. 3 Time delay demand of precise load control system

1.2 安全可靠性

現有電力通信網絡中設備種類繁多，相關標準和接口協議無法實現標準化，增加了網絡管理和維護的復雜性，加大了網絡安全防護壓力。

并且，在能源互聯網通信網絡大規模延伸的場景下，電力通信網絡需提供的新特性為：規定時間內以很高概率保持路由路徑的不變性。而目前的電力通信網IP化后，當電力通信網處于高負荷運行狀態時，交換器丟棄某些重要業務如調度與監控報文會對電網產生巨大的影響。

1.3 運維復雜性

基于電網建設的長期性，電網公司需要面對大量不同生產廠家、不同時間批次、不同類別設備的采購、設計、集成、部署、維護運行、升級改造，并且伴隨“三集五大”等體系建設的推進，通信網絡的運維復雜度日益增加[6]。

1.4 兼容擴展性

目前電力系統往往采用專用架構的通信設備來保證網絡的安全性。這導致目前電力通信網絡是復雜而剛性的，由大量單一功能的、專用網絡節點和碎片化、昂貴、專用的硬件設備構成，進而導致資源不能共享，業務難融合[6]。并且，智能電網和能源互聯網的網絡擴張以及電力市場等新興業務種類的持續增加要求電力通信網架能夠迅速兼容新業務、新技術和新設備。

2 軟件定義網絡

SDN起源于2006 年斯坦福大學的Clean Slate 研究課題。2008年，OpenFlow概念(即將傳統網絡設備的數據平面和控制平面兩個功能模塊相分離，通過集中式的控制器以標準化的接口對各種網絡設備進行管理和配置)被詳細提出，2009 年，Mckeown 教授正式提出了SDN 概念:SDN是一種新興的、控制與轉發分離并直接可編程的網絡架構，其核心是將傳統網絡設備緊耦合的網絡架構解耦成應用、控制、轉發三層分離的架構，并通過標準化實現網絡的集中管控和網絡應用的可編程，目前廣泛應用的架構有SDN和NFV，如圖2和圖3所示[7]。

目前，SDN的標準化組織主要有：開放網絡基金會(open networking foundation，ONF)、歐洲電信標準化協會(european telecommunications standards in-stitute, ETSI)、國際互聯網工程任務組(the internet engineering task forcem, IETF)、中國通信標準化協會(China communications standards association, CCSA)、城域以太網論壇(metro ethernet forum, MEF)和國際電信聯盟電信標準分局(ITU-T for ITU telecommunication standardization Sector, ITU-T)[8]，主流架構有OpendayLight，如圖4所示。其特征主要包括：(1) 控制功能與數據轉發功能解耦合，提高了復雜協議的運算效率和收斂速度；(2) 網絡控制平面集中化，簡化了運維復雜度，增加了管控的靈活性；(3) 統一化的數據轉發硬件平臺，有利于網絡的智能化、自動化和硬件的標準化，降低了網絡運營的復雜性和惡意端口的接入數量[9]。

圖2 SDN架構體系Fig.2 The architecture of the SDN

圖3 NFV架構體系Fig.3 The architecture of the NFV

網絡功能虛擬化(network function virtualization，NFV)技術的提出是基于現有專用通信設備的標準化不足特性。NFV試圖通過標準的IT虛擬化技術，把網絡設備統一到工業化標準的高性能、大容量的服務器，交換機和存儲平臺上，其主體架構如圖4所示[10]。NFV的最大特點是可以將網絡功能軟件化，能根據需要隨意布置服務器而不需要部署新的硬件設備，這也使其能夠同時適用于有線和無線網絡。

圖4 OpenDayLight架構體系Fig.4 The architecture of the OpenDayLight

從接口協議上看，SDN主流的南向接口協議OpenFlow如圖5所示[11]，OpenFlow網絡主要包括3個部分：Open flow 交換機、Flow Visor 及控制器Controller。而北向接口(northbound interface，NBI)是直接為業務應用服務的，其設計與業務應用的需求緊密相關，具有多樣化的特征。目前市面上已經出現了20余種不同的控制器，對外提供的接口不完全相同，這說明NBI標準還沒有完全統一。業內SDN基本以SDN/NFV為基礎，為SDN擴展及北向協議補充，這是由于SDN和NFV的技術基礎是一致的，都源于通用服務器、云計算和虛擬化技術，兩者的聯系如圖6所示[12]。

圖5 OpenFlow協議Fig.5 The protocol of the OpenFlow

圖6 SDN與NFV之間的聯系Fig.6 The relation between the SDN and NFV

鑒于SDN/NFV技術的巨大優越性，將SDN應用于電力通信網可以極大地改變目前電力通信網所面臨的嚴峻考驗，其影響主要體現在以下方面。

2.1 電力通信網性能提升

以SDN通信網為骨干網的電力通信網可以從流量控制、差異化處理、資源虛擬化分配等角度[13]優化電力通信骨干網的傳輸及管控能力，也可以充分調用現有公司網絡資源的能力。

而海量節點與海量數據是接入網的主要特征，通過引入SDN，可以實現接入節點的統一管理和維護，便于電力行業新業務的快速部署。新業務和新特性的部署均能通過流表的部署來快速添加，極大提高了效率。

并且，SDN電力通信網中的信息的傳輸路徑可通過控制功能與數據轉發功能解耦合實現最優化，網絡的延時等網絡效率性能可得到極大提高。

2.2 建設和運維復雜度降低

目前，調度數據網運維工作主要包括故障管理、變更管理、配置管理、訪問控制管理等內容[6],基于目前電力通信網絡中各種不同設備和協議共存的現狀，電力通信網絡迫切需求標準化的網絡架構和網絡設備。此外，目前的電力通信網絡在應對智能電網條件下大規模用于接入和精細化管理要求上顯得力不從心，而SDN網絡能夠統一進行流表配置，總體上能夠得到最優化。最后，基于標準化的SDN電力通信網絡在電力通信網的擴建和災后恢復上具有極大優勢。

2.3 電力數據中心效率增長

隨著智能電網進度的推進，設備數目的擴大、部署業務的種類和數量的增加和信息系統災備業務的龐大數據占用了現在已經日趨緊張的帶寬量。與此同時，在提倡節約型社會的背景下，電力數據中心的不斷增長的能耗也將被納入考核之內。

SDN/NFV的虛擬化能力強，能夠高效地管理和運維數據中心網絡，能夠智能進行虛擬機部署和遷移，在資源優化配置和彈性調度上具有高效性。

3 基于SDN的電力通信網絡的關鍵技術

SDN原理及特征表明基于SDN的新型電力通信網絡理論上將能夠很好地解決目前電力通信網絡中存在的問題。但是，以下關鍵技術的研究與應用將影響基于SDN的電力通信網絡的建設。

3.1 安全性

電力通信網中，存在諸多對通信安全要求很高的業務，甚至涉及電力系統敏感信息，但是電力系統內部數據共享、業務融合導致的交互共享導致網絡攻擊的形式發生了改變，高度動態用戶資源的安全風險進一步擴大。SDN的集中管控特性和開放性給傳統通信網絡帶來了不一樣的安全特性。

目前，我國的電力通信網絡不是一個寬帶綜合業務網絡。它是由國家電力通信傳輸網、國家電力數據網及國家電力信息網所組成[14],主要業務分別對應話音、實時數據和信息應用。

針對該通信架構，通信網絡安全通常包括承載網與業務網的安全、網絡服務安全以及信息傳遞安全；且其安全威脅主要表現在對抗攻擊方面，主要分為以下3類：(1) 非法利用，包括秘密使用電力通信網絡資源、非法騷擾和犯罪；(2) 秘密偵測是，包括秘密偵聽電力通信網絡的通信內容、秘密偵測網絡參數、在電力通信網絡中建立偵測環境、通過電力通信網絡偵測信息系統；(3) 惡意破壞，包括電磁干擾(例如劣化或阻斷電磁信號)、惡意業務量擁塞電力通信網絡(例如秘密制造虛偽的大話務量、釋放蠕蟲)、惡意控制破壞電力通信網絡的支持網絡和破壞電力通信網絡設施[15]。

作為新興的網絡架構，與傳統網絡相比，SDN網絡對目前的安全模型有了較大的沖擊。在傳統網絡中，防火墻等安全設備在網絡中的位置是固定的關鍵位置，信息流被強制性地從這些安全設備總流過。而SDN則是一個流規則驅動型網絡，信息流的路徑完全由流規則決定，預先部署的物理安全設備及其防護措施失去了防護作用。

在網絡安全態勢信息的獲取方式上，傳統網絡需要向多個設備發送請求信息，然后在收到信息后再進行綜合評估當前的態勢信息。而SDN網絡在本質上已經建立了整個網絡的全局視圖，其安全態勢信息可以直接從控制器中獲取[16]。與此同時，這種便捷性帶來的是可以被攻擊者獲取到更多的網絡信息而造成更大規模的攻擊。

SDN架構實現傳統網絡架構總網絡管理功能的集中。這種創新雖然帶來管理和運維的靈活性，但其也帶來特有的安全威脅，主要包括流規則的合法性和一致性問題、控制器的脆弱性、控制器和應用程序之間缺乏信任機制和控制層-基礎設施層之間的威脅(如OpenFlow 協議的安全性)等問題[16]。

在流規則的合法性和一致性問題上，主要表現形式為：(1) 控制器上同時運行著多個自定義或第三方提供的應用程序,這些應用程序生成的流規則之間可能出現相互競爭、彼此沖突或覆蓋的情況；(2) 流規則在下發時,由于時延或被攻擊者惡意篡改等原因,使得控制器和交換機流規則不一致；(3) 不同控制器之間缺乏有效、安全的流規則同步方案。

在控制器的脆弱性上，主要表現形式為：(1)SDN 中最嚴重的威脅、故障或惡意的控制器可使整個SDN 網絡受到威脅；(2) 常規入侵檢測系統(intrusion detection systems，IDS) 技術很難發現SDN 中某個具體攻擊的發起者,尚不足以保證SDN 的安全。

在控制器和應用程序之間缺乏信任機制上，主要表現形式為：(1) 控制器和應用程序之間缺乏有效的信任評估和信任管理機制；(2) 驗證網絡設備是否安全的技術和驗證應用程序是否安全的技術并不相同；(3) 惡意應用程序可以輕易地被開發,已授權的合法應用程序也可能被篡改,并應用于控制器上。

在控制層-基礎設施層之間的威脅上，主要表現形式為：(1) 主要指南向接口協議面臨的安全威脅,如拒絕服務攻擊(denial of service，DoS)、分布式拒絕服務(distributed denial of service，DDoS)攻擊或數據竊取等；(2) 安全傳輸層協議(transport layer security，TLS)、安全套接層(secure sockets layer，SSL)加密的基礎是公鑰基礎設施(public key infrastructure，PKI),不足以保證交換機與控制器之間的安全通信。

在局域網的接入控制及網絡監督上，傳統網絡的基本做法是基于IEEE 802.1Q協議，其方法配置和接入控制方案較為復雜，而SDN的控制器能夠通過便捷有效的管理功能模塊在底層就拒絕不符合要求的數據包。

在攻擊檢測和網絡溯源上(例如針對DDOS攻擊)，傳統網絡的識別過程會造成巨大的開銷壓力。而SDN得益于其可編程性，可通過控制器的轉發功能將數據轉發到特定的流量識別器上，從而避免在遭受攻擊的時候影響網絡的正常運行。

針對SDN 中存在的各種典型安全問題,現有解決方案的主要思路主要有：(1) SDN 安全控制器的開發；(2) 控制器可組合安全模塊庫的開發和部署；(3) 控制器DoS/DDoS 攻擊防御；(4) 流規則的合法性和一致性檢測[16]；(5) 北向接口的安全性;(6) 應用程序安全性[16-18]；(7) 安全策略：基于交換機安全等級(性能、被攻擊歷史、實時帶寬等)劃分的安全路由策略等[19]；(8)交換機洗牌[20]；(9) 基于端口跳變等。

3.2 時延

當數據包經過控制器轉發，向另一個節點發送時，總體的傳輸時延主要包括以下幾種延時類型：(1) 傳輸時延，數據包在鏈路上傳輸的時延；(2) 處理時延，控制器對數據包的轉發處理時延；(3) 排隊時延，數據包在發送前的緩沖時延；(4) 發送時延，將數據包由接口發送到鏈路的時延;(5) 失效恢復時延，網絡從失效到恢復的延時。

鑒于電力系統對信息傳遞的時延性越來越敏感(現有的電力業務的時延要求如表4[21]；針對過程層的信號傳輸，《智能變電站繼電保護技術規范》規定“傳輸各種幀長數據時交換機固有時延應小于10 μs”，具體如表5[22]所示)，SDN網絡需要保證時延的可控，即需要研究SDN網絡中對上述時延產生影響的各種因素，進而優化各階段的時延。表6[23]展示了一個具有1 GB/s帶寬，200 km長鏈路的網絡，在轉發長度為1250 B的數據包的時延情況[19]。

表4 電力業務通信性能需求Tab.4 The performance requirements of electric power communication

表5 變電站站內信息流的數據量及實時性要求Tab. 5 The performance requirements of the network in the single substation

表6 SDN網絡時延Tab. 6 The time delay of the SDN network

3.2.1 傳輸時延——控制器

Heller等在2012年首次提出了控制器放置問題，其指出該問題的關鍵點在于控制器數量和控制器在網絡拓撲中的位置[24]。然而目前電力系統中變電站的選址與電力通信網絡的建設是解耦的關系；因此，建設基于SDN的電力通信架構應當增加該因素的影響評估。與控制器放置位置相關聯的性能尺度包括以下若干因素：

(1) 傳輸延時因素，主要包括控制器與交換機間傳輸時延和控制器間傳輸時延。

(2) 開銷因素，主要包括成本開銷(控制器數量)[25]、流策略部署開銷(交換機向控制器請求的消息數和傳輸開銷)[26]。

(3) QoS影響，新型業務的興起，對網絡服務質量需求日益增加，低延時和延時抖動率對通信網絡的性能提出了更高要求。針對SDN網絡，國內外主要研究控制器部署動態調整中的拓撲映射、拓撲備份等問題[27]。

3.2.2 處理時延——路由算法

原有IP網絡路由器遵循內部網關協議(interior gateway protocol ,IGP)，大多基于距離、跳數或時延，采用最短路徑算法計算路徑，將數據按照計算好的最短路徑逐條轉發，但IGP是在不考慮鏈路擁塞的基礎上進行計算[28]。

基于SDN的控制與數據分離特性，SDN的路由算法具有更強的靈活性，能夠避免鏈路擁塞導致的時延。目前國內外的研究方向主要集中在基于負載均衡(大象流和老鼠流的相互影響[29])，基于業務資源偏好的批路由策略[30]，虛擬鏈路映射[31]，采用多路徑算法和動態調整路由計算參數等方法來改進路徑時延[32]，使用Steiner樹構建多播路由來節約帶寬和提高應用吞吐量[33]及分布式選擇探測算法[34]。

3.2.3 排隊/發送時延——數據平面時延

數據平面帶來的時延主要分為兩個方面：一種是由于SDN控制器計算路由信息帶來的首分組轉發時延；另一種是由于控制器計算路由后下發的流表項的不合理，導致的SDN交換機數據轉發查詢流表的時延[35]。

現有的相關測表明目前在運電力專用交換機通過網絡傳輸SV的轉發延時為1 μs左右，傳輸GOOSE報文的時延偏差值為4.5 μs以內[22]。

不同的流表下發模式將導致的不同的SDN控制器控制時延[36]，具體測試結果如表7所示。

表7 兩種流表下發模式下控制時延的測試結果Tab. 7 Test results of control time delay under two flow table release modes

3.2.4 失效恢復時延

目前失效恢復方式有兩種：一種為控制器主導的失效恢復，另一種為交換機主導的失效恢復[37]。目前的研究集中于控制器主導的失效恢復，使用局部路由[38]的方式能夠有效縮短恢復時間。

3.3 可擴展性

隨著經濟的發展，越來越多的變電站需要融入電力通信網絡，其可擴展性將是制約SDN電力通信網絡發展的一大障礙。然而SDN網絡的可擴展性問題是由其本質屬性決定的。影響其擴展性的因素主要有以下幾點。

3.3.1 本質特征

(1) 控制平面與數據平面分離帶來的通信開銷、傳輸延遲、數據平面處理延遲；

(2) 邏輯集中的控制帶來的擴展性問題：控制器負載過大、控制平面路由計算復雜度超線性增長；網絡規模受限。目前主要使用新的分布式網絡體系結構和東西向通信接口來解決問題。

(3) 細粒度的流管控帶來的擴展性問題：當大量的新流到來時，沒有匹配流表規則的分組將會被放入Packet_In 消息并發送到控制平面，將給控制平面帶來巨大的壓力。

目前主要的實現方案[39]如表8所示。

表8 SDN 可擴展問題研究進展Tab.8 Research on the scalability of SDN

3.3.2 技術迭代

SDN技術還處于高速迭代過程中，SDN網絡中使用的主流南向接口(OpenFlow)和北向接口協議并不能完全統一和定型，目前主要是通過接口抽象技術[40]和支持通用協議的相關技術[41]來進行解決，并且數學理論支持的抽象接口語言[42]成為了一種研究趨勢。

3.3.3 跨域通信

不同區域大規模部署SDN 網絡后， 鑒于實際利益關系，SDN可能將無法準確獲取對方域內的全部網絡信息。因此,SDN 跨域通信[43]將是另一亟待解決的問題。

目前跨域通信主要通過可擴展的會話協議(extensible session protoco1，XSP)[44]、多域網絡的高性能網絡交換機制[45]、分級路由[46]等方式來解決。

3.4 鏈路可靠性

電網中的鏈路的中斷會引起非常嚴重的后果，并且管理與控制SDN的命令是通過控制路徑傳輸的，控制路徑的可靠性更是通信網絡建設必須考慮到的一點。

針對鏈路的可靠性的可供參考的研究主要有：負載過大引起故障量的提高[47]，利用控制路徑失聯的預期率[48]，控制路徑有效性[49]和鏈路故障恢復(端口故障、流表條目錯誤和鏈路負載過重引起的大量分組丟失或者鏈路出現短路[50])。

3.5 容錯性

3.5.1 單點失效

由于控制器的故障率比較低，控制器系統的可靠性主要取決于控制器的單點故障率。N+1冗余備份模型作為經典的故障解決方案，能較好地解決該問題[51]。而網絡故障檢測方法是實現快速切除故障的技術支撐。目前，大量網絡故障檢測方法主要為貝葉斯網絡、人工智能、神經網絡等基于歷史信息的推斷方法。為保障故障檢測的實時性，三類方案被提出：輪詢、事件通知和兩者的集合[52]。

3.5.2 規則沖突

除了單點失效的影響，由于電力系統過于龐大，導致使用集中式SDN控制器不經濟也不現實。因此，分布式SDN控制器將是一個選擇，但是使用分布式SDN控制器必然帶來的嚴峻挑戰是如何在大規模頻繁變化的網絡環境保持各控制器的規則策略一致性、信息的同步性和數據的熱備份。

目前一致性和同步性主要集中在兩個方面：(1) 增加交換節點的自治智能(DIFANE系統[53]、DevoFlow設計方案[54])；(2) 讓控制器通過狀態管理模塊對網絡設備的暫時中間態進行管理[55]。

相關技術有：通過虛擬化切片技術[56]，使用基于角色認證和安全約束執行策略的控制器擴展軟件FortNox[57]，分階段更新方法(靜默更新和單觸更新)[58]，使用頭部交換機下發更新指令和流表[59]等方式。

3.6 兼容性

3.6.1 傳統網絡

電力通信是一個具有較重歷史負擔的通信網絡，網絡中存在種類繁多的通信設備和協議，隨著 SDN 的持續發展,傳統電力通信網絡將與SDN電力通信網絡長期共存。目前解決方案有：(1) 協議抽象技術；(2) 建立標簽機制,統一管理中間件。

3.6.2 新型終端

手持式終端在電力系統中呈現大量應用的趨勢，可以通過兩種方式進行接入SDN主電力通信網：(1) 通過靜態無線接入點直接為用戶提供服務；(2) 在核心網絡將數據傳輸給某個(某些)用戶之后，多個用戶之間通過D2D(device-to-device)通信的方式共享資源。

3.6.3 其他新型網絡架構

雖然SDN網絡具有巨大的優勢，但不可否認的是，其他新型網絡架構具備某些SDN不具有的優勢。如何將新技術的優點融入到SDN電力通信網絡中是一個巨大的挑戰，例如：(1) 主動網絡具有可編程性，允許執行環境(即控制層)直接執行代碼,具有很強的靈活性；(2) 信息中心網絡[64]，其采用了信息驅動的方式。

4 展望

通過更進一步的研究，使基于SDN的電力通信網絡可以滿足能源互聯網的建設，推動電力通信網向融合化、帶寬化、智能化、布局扁平化、功能層次化、業務靈活化多樣化的方向發展。例如：

(1) 應用于變電站站內，減少光纜的數量，降低相應的成本；

(2) 應用于變電站之間，可以穩定電力系統潮流方向，保證能源互聯網的穩固運行；

(3) 應用于電力數據中心，可以增加電力業務的靈活性，更好地服務用戶；

(4) 應用于電力系統的監控，可以很好地保證數據的實時性，提高穩控系統的反應速度。

5 結語

本文從電力系統對通信網架的新需求出發，結合SDN網絡的原理特征，討論了基于SDN網絡的電力通信網絡的網架性能、安全性、時延、可擴展性、鏈路可靠性和容錯性和兼容性的關鍵技術，并對SDN未來在電力通信系統中的應用場景進行了展望。現有研究表明，未來的基于SDN的電力通信網絡將是由基礎設施(物理層)、控制器和業務平臺三層架構組成的通信網絡。具體而言：(1) 為保證可擴展性，其控制器宜采用分布式部署；(2) 為保證業務特征的契合度，業務平臺宜采用NFV的數據中心架構，重點研究網絡虛擬化技術；(3) 為保證時延等網絡性能，控制器的流表控制模式應進行優化，需研究集中控制、資源彈性調度、控制器協同控制等控制平面關鍵技術；(4) 為保證容錯性和兼容性，需研究SDN的融合技術方案。

參考文獻：

[1] 陳仲華,沈成彬,張堅平. SDN技術在電信網絡中應用的關鍵問題探討[J]. 電信科學,2014,30(9):133-138.

CHEN Zhonghua, SHEN Chengbin, ZHANG Jianping, Discussion on the key problems in the application of SDN technology in telecommunication network[J]. Telecommunications Science, 2014,30(9): 133-138.

[2] 劉 川,黃 輝,喻 強,等. 基于SDN的電力通信集中控制高可靠性業務支撐機制研究[J]. 電力信息與通信技術,2015,13(12):1-5.

LIU Chuan , HUANG Hui, YU Qiang , et al. Research on high reliability business support mechanism for power communication system centralized control based on SDN[J]. Electric Power Information and Communication Technology, 2015,13 (12):1-5.

[3] 張倩倩. 面向配電網的電力通信流量分析和預測技術[D]. 天津:天津大學,2012.

ZHANG Qianqian. The power communication traffic analysis and forecasting techniques of power distribution network[D]. Tianjin:Tianjin University,2012.

[4] 趙子巖,張大偉. 國家電網公司“十二·五”電力通信業務需求分析[J]. 電力系統通信,2011,32(5):56-60.

ZHAO Ziyan, ZHANG Dawei. Analysis on the requirement of SGCC on telecommunication service in the “12thFive-Year Plan” period[J]. Telecommunications for Electric Power System ,2011,32(5):56-60.

[5] 溫向明，孫春蕾，張 威． 基于SDN的下一代能源互聯網通信網絡體系研究[J]． 智能電網，2015，3(12)：1168-1173．

WEN Xiangming, SUN Chunlei, ZHANG Wei. Research on the next generation communication network of energy internet based on SDN [J]． Smart Grid，2015，3 (12)：1168-1173．

[6] 王景川. 基于智能電網的電力調度數據網運維管理研究[D]. 北京：華北電力大學,2014.

WANG Jingchuan. Study on the operation and management of electric power dispatching data network based on smart grid[D]. Beijing:North China Electric Power University,2014.

[7] SDN產業白皮書[EB/OL]. http:∥www.sdnfv.org/class/view?id=10103.

SDN Industrial White Paper[EB/OL]. http:∥www.sdnfv.org/class/view?id=10103.

[8] 趙慧玲,史 凡. SDN/NFV的發展與挑戰[J]. 電信科學,2014,30(8):13-18.

ZHAO Huiling, SHI Fan. Development and challenge of SDN/NFV[J]. Telecommunications Science,2014, 30 (8):13-18.

[9] GUDE N, KOPONEN T, PETTIT J, et al. Nox: Towards an oper-ating system for networks[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2008,38 (3): 105-110.

[10] 閆魯生. OpenDayLight北向接口技術及其應用[J]. 指揮信息系統與技術,2015,6(5):74-78.

YAN Lusheng. Implementation of northbound interface techno-logy on OpenDayLight platform[J]. Command Information System and Technology, 2015,6(5): 74-78.

[11] 鄭 毅，華一強，何曉峰． SDN的特征、發展現狀及趨勢[J]．電信科學，2013，29(9)：102-107．

ZHENG Yi, HUA Yiqiang, HE Xiaofeng. Characteristics, development and future of SDN[J]. Telecommunications Science, 2013,29(9):102-107.

[12] 趙 河,華一強,郭曉琳. NFV技術的進展和應用場景[J]. 郵電設計技術,2014(6):62-67.

ZHAO He, HUA Yiqiang,GUO Xiaolin. The progress and application scenarios of NFV technology[J]. Designing Techniques of Posts and Telecommunications,2014(6):62-67.

[13] 郝悍勇,胡紫巍,李建岐. SDN在下一代電力通信網中的典型應用探討[J]. 電力信息與通信技術,2016,1405):65-68.

HAO Hanyong, HU Ziwei, LI Jianqi. Investigation on typical applications of SDN in next generation electric communication network[J]. Eelectric Power ICT, 2016,14(5):65-68.

[14] 丁道齊. 在現代電網上架構“1+3”電力電信復合型光通信網——兼談信息通信產業與電力工業的相互依存性及相關技術[J]. 中國電力,2002(10):4-13.

DING Daoqi. Configuring “1+3” electric power-communications composite optical communication network on the modern power system[J]. Electric Power,2002(10):4-13.

[15] 苗 新,陳 希. 電力通信網的安全體系架構[J]. 電力系統通信,2012,33(1):34-38.

MIAO Xin, CHEN Xi. Security architecture of electric power communication network[J]. Telecommunications for Electric Power System,2012,33(1):34-38.

[16] 王蒙蒙,劉建偉,陳 杰,等. 軟件定義網絡:安全模型、機制及研究進展[J]. 軟件學報,2016,27(4):969-992.

WANG Mengmeng, LIU Jianwei, CHEN Jie, et al. Software defined networking: security model, threats and mechanism[J]. Journal of Software. 2016,27(4):969-992.

[17] 陶 冶,張 尼,張云勇,等. SDN安全防護技術研究[J]. 電信技術,2014(6):14-17.

TAO Ye, ZHANG Ni, ZHANG Yunyong, et al. The safety technology of the SDN[J]. Telecommunications Technology,2014(6):14-17.

[18] 鐘志琛,尚 方,劉 生. 基于SDN的新一代電網數據中心安全防護架構研究[J]. 電力信息與通信技術,2017,15(8):21-25.

ZHONG Zhichen, SHANG Fang, LIU Sheng. Research on security protection architecture of new generation grid data center based on SDN[J]. Electric Power Information and Communication Technology,2017,15 (8): 21-25.

[19] 李兵奎,莊 雷,胡 穎,等. SDN中基于交換機等級劃分的安全路由策略[J]. 計算機應用研究,2017,34(2):522-525.

LI Bingkui, ZHUANG Lei,HU Ying, et al. Security routing strategy based on switch hierarchies in software defined network[J]. Application Research of Computers,2017,34(2):522-525.

[20] 武澤慧,魏 強,任開磊,等. 基于OpenFlow交換機洗牌的DDoS攻擊動態防御方法[J]. 電子與信息學報,2017,39(2):397-404.

WU Zehui, WEI Qiang, REN Kailei, et al. Dynamic defense for DDoS attack using OpenFlow-based Sswitch shuffling approach[J]. Journal of Electronics and Information Technology,2017,39 (2):397-404.

[21] 樊 冰,唐良瑞. 電力通信網脆弱性分析[J]. 中國電機工程學報,2014,34(7):1191-1197.

FAN Bing, TANG Liangrui. Vulnerability analysis of power communication network[J]. Proceedings of the CSEE,2014,34(7):1191-1197.

[22] 汪 強,徐小蘭. 電力專用交換機在智能變電站過程層通信網絡的測試研究[J]. 電力信息與通信技術,2016,14(8):132-136.

WANG Qiang, XU Xiaolan. Test study of samrt substation process layer communication network for power switch[J]. Electric Power ICT, 2016,14(8):132-136.

[23] ROYA，YOCUM K，SNOEREN A C．Challenges in the emulation of large scale software defined networks [C]∥APSYS 2013: Proceedings of the 2013 4th Asia-Pacific Workshop on Systems． New York: ACM， 2013: 10-16．

[24] HELLER B, SHERWOOD R, MCKEOWN N. The controller placement problem[C]∥The First Workshop on Hot Topics in Software Defined Networks. 2012: 7-12.

[25] SALLAHI A, STHILAIRE M. Optimal model for the controller placement problem in software defined networks[J]. IEEE Communications Letters, 2015, 19(1): 30-33.

[26] ZENG D, TENG C, GU L, et al. Flow setup time aware minimum cost switch-controller association in software-defined networks[C]∥The 11th International Conference on Heterogeneous Networking for Quality, Reliability, Security and Robustness (QSHINE). 2015: 259-264.

[27] HEELER B, SHERWOOD R, MCKEOWN N, et al. Thecontrollerplacement problem[C]∥The First Workshop on Hot Topics in Software Defined Networks. 2012: 7-12.

[28] 李婷婷,歐陽峰,賈庭蘭. SDN組網關鍵技術及標準化研究[J]. 廣播與電視技術,2017,44(06):68-72.

LI Tingting, OUYANG Feng, JIA Tinglan. Research on key technology and standardization of SDN[J]. Radio & TV Broadcast Engineering, 2017,44(06):68-72.

[29] KANDULA S, SENGUPTA S,GREENBERG A,et al.The nature of datacenter traffic: measurements and analysis [C]∥ IMC’09:Proceedings of the 9th ACM SIGCOMM Conference on Internet Measurement Conference．New York: ACM,2009: 202 -208．

[30] 房秋生,洪佩琳. SDN網絡中基于業務資源偏好的批路由策略[J]. 中國科學院大學學報,2016, 33(4):554-561.

FANG Qiusheng，HONG Peilin. Batch routing in SDN networks with resource preference consideration[J]. Journal of University of Chinese Academy of Sciences, 2016, 33(4):554-561.

[31] TRIVISONNO R，VAISHNAVI I，GUERZONI R，et al． Virtual links mapping in future sdn-enabled networks[C]∥ Future Networks and Services (SDN4FNS) ，2013 IEEE SDN for．IEEE，2013: 1-5．

[32] 柯友運. 面向SDN的路由算法研究[J]. 中國科技信息,2014,(22):131-134.

KE Yunyou. The research on routing algorithm of the SDN[J]. China Science and Technology Information, 2014,(22):131-134.

[33] RAMANATHAN S. Multicast tree generation in networks with asymmetric links[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking,1996, 4(4):558-568.

[34] 梁寧寧,蘭巨龍,張 巖. 基于分布式選擇探測算法的服務路由機制[J]. 電子學報,2017,45(7):1545-1552.

LIANG Ningning, LAN Julong, ZHANG Yan. A service routing mechanism nased on the distributed selection probing algorithm[J]. Acta Electrpmoca Somoca,2017,45(7):1545-1552.

[35] 陳偉虹. 基于時延的SDN控制器放置問題研究[D].長沙：湖南師范大學,2016.

CHEN Weihong. Research on controller placement problems based on delay in SDN[D]. Changsha：Hunan Normal University,2016.

[36] 劉 川,李炳林,婁 征, 等. 支撐電力業務規劃的軟件定義網絡控制器時延性能分析[J]. 電力系統自動化,2017,41(17):142-147.

LIU Chuan, LI Binglin, LOU Zheng, et al. Analysis on time delay performance of software defined networking controller in support of power service planning[J]. Electric Power Information and Communication Technology, 2017,41(17):142-147.

[37] 樊自甫,伍春玲,王金紅. 基于SDN架構的數據中心網絡路由算法需求分析[J]. 電信科學,2015,31 (2):42-51.

FAN Zifu, WU Chunling, WANG Jinhong. Requirements analysis of data center network routing algorithm based on SDN architecture[J]. Telecommunications Science, 2015,31 (2):42-51.

[38] GUDE N, KOPONEN T, PETTIT J, et al. Nox: Towards an operating system for networks[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2008,38 (3): 105-110.

[39] 付永紅,畢 軍,張克堯,等. 軟件定義網絡可擴展性研究綜述[J]. 通信學報,2017,38(7):141-154.

FU Yonghong, BI Jun, ZHANG Keyao, et al. Scalability of software defined network[J]. Journal on Communications,2017,38(7):141-154.

[40] SONG H. Protocol-oblivious forwarding: unleash the power of SDN through a future-proof forwarding plane. In: Proc. of the ACMSIGCOMM Workshop on HotSDN, 2013,127-132. http:∥dl.acm.org/citation.cfm? id= 2491190.

[41] REKHTER Y, LI T, HARES S. A border gateway protocol 4 (BGP-4)[J]. IETF RFC 4271, 2006.

[42] ANDERSON C J, FOSTER N, GUHA A, et al. NetKAT: semantic foundations for networks[C]∥In: Proc. of the ACM SIGPLAN-SIGACT Symp on POPL, 2014, 113-126.

[43] BENNESBY R, FONSECA P, MOTA E, et al. An inter-AS routing component for software-defined networks[J]. In: Proc. of the IEEENOMS, 2012,138-145.

[44] KISSEL E, SWANY M. The extensible session protocol: a protocol for future internet architectures[R].Dissertations & Theses-Gradworks, 2012：1-14.

[45] LIN P, BI J, WANG Y. East-west bridge for SDN network peering[M]. Berlin Heidelberg: Springer, 2013.

[46] EGILMEZ H E, CIVANLAR S, TEKALP A M. A distributed qos routing architecture for scalable video streaming over multi-domain open flow networks[M]. Proceedings of the 19th IEEE International Conference on Image Processing (ICIP), Orlando, USA, 2012: 2237-2240.

[47] YAO G, BI J, GUO L. On the cascading failures of multi-controllers in software defined networks[C]∥The IEEE International Conference on Network Protocols. 2013: 1-2.

[48] HU Y, WANG W, GONG X, et al. Reliability-aware controller placement for software-defined networks[C]∥IFIP/IEEE International Symposium on Integrated Network Management. 2013:672-675.

[49] TOOTOONCHIAN A, GORBUNOV S, GANJALI Y, et al. On controller performance in software-defined networks[C]∥2012 Usenix Conference on Hot Topics in Management of Internet, Cloud, and Enterprise Networks and Services. 2012:7-10.

[50] 侯 樂,汪 碩,林毅凱,等. 基于SDN的鏈路故障恢復[J]. 電信科學,2015,31(6):25-30.

HOU Le, WANG Shuo, LIN Yikai, et al. Link failure recovery based on SDN[J]. Telecommunications Science, 2015,31(6):25-30.

[51] 王賢鋒,劉 濤. 寬帶遠程接入服務器冗余熱備份技術在IP城域網中的應用[J]. 電信科學,2013,29(9):132-136.

WANG Xianfeng, LIU Tao. Application of redundancy and standby technology for BRAS in the metropolitan area network[J]. Telecommunications Science, 2013,29 (9):132-136.

[52] DINI P, BOUTABA R. Deriving variable polling frequencypolicies for pro-active management in networks anddistributed systems[C]∥Integrated Network Management V.Springer US, 1997: 541-552.

[53] MINLAN Y, MICHAEL J, JIA W. Scalable flow-based networking with DIFANE[C]∥SIGCOMM’ 10. New Delhi, India: [s.n.], 2010.

[54] CURTIS A R, MOGULJ C, TOURRILHES J, et al. DevoFlow: Scaling flow management for high-performance networks[C]∥Proc of the SIGCOMM. Toronto: ACM Press,2011.

[55] DAN L, ANDREAS W, BRANDON H. Logically centralized state distribution trade-offs in software defined networks[C]∥HotSDN’12. Helsinki, Finland: [s.n.], 2012.

[56] GUDE N, KOPONEN T, PRTTIT J, et al. Nox: Towards an operating system for networks[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2008,38 (3): 105-110.

[57] PHILIP P, SEUNGWON S, VINOD Y, et al. A security enforcement kernel for OpenFlow networks: proceedings of the first workshop on hot topics in software defined networks(HotSDN)[C]. Helsinki:ACM Press, 2012.

[58] REITBLATT M, FOSTER N, REXFORD J, et al. Abstrac-tions for network update[C]∥Proceedings of the ACM SIGCOMM 2012 Conference on Applications , Techologies , Architectures, and Protocols for Computer Communication, New York;ACM Press, 2012:323-334.

[59] CHEN G, PENG H, LIU S, et al. An efficient flow table consistent update scheme for software defined network[C]∥Proc of IEEE/CIC International conference on Communications in China(ICCC). Piscataway:IEEE Press,2015:1-5