電力數據通信網的SDN部署應用研究

陳光　馬偉哲　程碩　馮宇　李蒙

摘? 要：電力數據通信網是基于MPLS VPN技術構建的，在傳統網絡設備的運行維護方式下，存在著業務配置過程煩瑣、業務流量調度不靈活、業務性能指標無可視化監控等問題。隨著網絡技術的發展以及SDN等新技術的應用，有效解決了傳統網絡中存在的運行維護問題，極大地提升了運維效率。文章對電力數據通信網的現狀和SDN技術特點進行分析，提出在電力數據通信網中部署及應用SDN的方法。

關鍵詞：電力數據通信網;MPLS VPN;SDN

中圖分類號：TN915? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）20-0055-05

Research on SDN Deployment and Application of Power Data Communication Network

CHEN Guang， MA Weizhe， CHENG Shuo， FENG Yu， LI Meng

（Information and Communication Branch of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.， Ltd.， Shenyang? 110055， China）

Abstract： The power data communication network is constructed based on MPLS VPN technology. Under the operation and maintenance mode of traditional network equipments， there are some problems， such as cumbersome business configuration process， inflexible business traffic scheduling， and no visual monitoring of business performance indicators. With the development of network technology and the application of new technologies such as SDN， the operation and maintenance problems existing in the traditional network are effectively solved， and the operation and maintenance efficiency is greatly improved. This paper analyzes the current situation of power data communication network and the characteristics of SDN technology， and puts forward the method of deploying and applying SDN in power data communication network.

Keywords： power data communication network; MPLS VPN; SDN

0? 引? 言

電力數據通信網是國家電網公司一張承載語音、視頻、數據等各類管理信息業務綜合性網絡，具有覆蓋范圍廣、設備數量多、設備品牌多、設備新舊程度不一等特點。電力數據通信網是基于MPLS-VPN技術構建，隨著電力數據通信網多年的建設，形成了一張覆蓋國網公司各級機構，用于承載公司三、四區管理信息大區各類業務的綜合性網絡，實現了電力系統數據通信的全網互聯互通。

電力數據通信網總體由兩級網絡構成，即數據通信骨干網和數據通信接入網。其中骨干網又分為省際網和省內網，省際網由國網公司進行運維管理，省內網和接入網由省公司進行運維管理。數據中心、信息、視頻、語音等業務局域網由各業務部門進行運維管理，接入在數據通信網接入網中。電力數據通信網網絡結構如圖1所示。

傳統數據通信網絡是分布式的控制架構，每臺網絡設備自身都包含獨立的控制平面和數據平面。傳統數據通信網絡由管理平面、控制平面、數據平面共三個平面組成：

（1）管理平面：進行設備管理（主要協議：SNMP）

主要包括設備管理系統和業務管理系統，設備管理系統負責網絡拓撲、設備接口、設備特性的管理，同時可以給設備下發配置腳本。業務管理系統用于對業務進行管理，比如業務性能監控、業務告警管理等。

（2）控制平面：進行路由控制（主要協議：IGP、BGP（EGP））。主要負責網絡控制，進行路由協議處理與計算。常見的IGP路由協議如：ISIS、OSPF、BGP、RIP、靜態路由等，通過路由協議完成路由信息的計算和路由表的生成，實現對網絡數據轉發的控制。

（3）數據平面：進行數據轉發（主要協議：轉發表FIB）。是指設備根據控制平面生成的指令完成用戶業務的轉發和處理。例如路由器根據路由協議生成的路由表對接收的數據包從相應的出接口轉發出去。

傳統網絡局限性主要有：

（1）流量路徑的靈活調整能力不足。傳統網絡通常部署網管系統作為管理平面，而控制平面和數據平面分布在每個設備上運行。流量路徑的調整需要通過在網元上配置流量策略來實現，但對于大型網絡的流量進行調整，不僅煩瑣而且還很容易出現故障;當然也可以通過部署TE隧道來實現流量調整，但由于TE隧道的復雜性，對于維護人員的技能要求很高。

（2）網絡協議實現復雜，運維難度較大。傳統網絡協議較復雜，有IGP、BGP、MPLS、組播協議等，而且還在不斷增加。設備廠家除標準協議外都有一些私有協議擴展，不僅設備操作命令繁多，而且不同廠家設備操作界面差異較大，運維復雜。

（3）網絡新業務升級速度較慢。傳統網絡中由于設備的控制面是封閉式的，且不同廠家設備實現機制也可能有所不同，所以一種新功能的部署可能會造成周期較長，且如果需要對設備軟件進行升級，還需要在每臺設備上進行操作，大大降低了工作效率。

1? SDN技術

1.1? SDN技術介紹

SDN可以被看作一種全新的網絡結構，或者說是一種網絡設計理念。從另一種意義上說，SDN是思考和解決當前網絡所面臨的問題的方法，代表著人們對網絡變革的期盼[1]。

軟件定義網絡（SDN）是一種網絡虛擬化和容器化的方法，致力于優化網絡資源，使網絡快速適應不斷變化的業務需求、應用程序和流量。它的工作方法是分離網絡的控制平面和數據平面，創建與物理設備不同的軟件可編程基礎架構。

借助SDN，網絡編排、管理、分析和自動化成為SD控制器的工作職能。由于這些控制器不屬于網絡設備，因此它們可以利用現代云計算和存儲資源的規模、性能和可用性。SDN 控制器越來越多地建立在開放平臺之上，采用開放標準和開放式API，使它們能夠編排、管理和控制來自不同供應商的網絡設備。

SDN帶來諸多業務優勢。控制層和傳輸層的分離，提高了靈活性并加快了新應用程序的上市時間。能夠更快地應對問題和故障，從而提高了網絡可用性。此外，可編程性更便于 IT 組織實現網絡功能的自動化，進而降低運維成本。

SDN可以和另一項技術（即網絡功能虛擬化（NFV））緊密結合。NFV提供了虛擬化基于設備的網絡功能的能力，例如防火墻、負載平衡器和WAN加速器。SDN提供的集中化控制可以有效管理和編排NFV支持的虛擬網絡功能[2]。

1.2? SDN的優勢

1.2.1? 簡化網絡

SDN的網絡架構簡化了網絡，消除了很多IETF的協議。協議的去除，意味著學習成本的下降，運行維護成本下降，業務部署快速提升。這個價值主要得益于SDN網絡架構下的網絡集中控制和轉控分離。

因為SDN網絡架構下的網絡集中控制，所以被SDN控制器所控制的網絡內部很多協議基本就不需要了，比如RSVP協議、LDP協議、MBGP協議、PIM組播協議等等。原因是網絡內部的路徑計算和建立全部在控制器完成，控制器計算出流表，直接下發給轉發器就可以了，并不需要協議。未來大量傳統的東西向協議會消失，而南北向控制協議比如Openflow協議則會不斷地演進來滿足SDN網絡架構需求[3]。

1.2.2? 網絡設備白牌化

基于SDN架構，如果標準化了控制器和轉發器之間的接口，比如OpenFlow協議逐漸成熟，那么網絡設備的白牌化將成為可能，比如專門的OpenFlow轉發芯片供應商，控制器廠商等，這也正是所謂的系統從垂直集成開發走向水平集成。

垂直集成是一個廠家供應從軟件到硬件到服務。水平集成則是把系統水平分工，每個廠家都完成產品的一個部件，有的集成商把他們集成起來銷售。水平分工有利于系統各個部分的獨立演進和更新，快速進化，促進競爭，促進各個部件的采購價格的下降。

1.2.3? 業務自動化

SDN網絡架構下，由于整個網絡歸屬控制器控制，那么網絡業務網自動化就是理所當然的，不需要另外的系統進行配置分解。在SDN網絡架構下，SDN控制器可以自己完成網絡業務部署，提供各種網絡服務，比如L2VPN、L3VPN等，屏蔽網絡內部細節，提供網絡業務自動化能力。

1.2.4? 網絡路徑流量優化

通常傳統網絡的路徑選擇依據是通過路由協議計算出的“最優”路徑，但結果可能會導致“最優”路徑上流量擁塞，其他非“最優”路徑空閑。當采用SDN網絡架構時，SDN控制器可以根據網絡流量狀態智能調整網絡流量路徑，提升網絡利用率[4]。

2? SDN在電力數據通信網中應用

由于電力數據通信網全網設備覆蓋廣、數量大、品牌多、新舊不一的特點，要實現電力數據通信網SDN化，需要分區域逐步去改造部署SDN網絡，然后最終通過統一部署超級SDN控制器，實現電力數據通信網全網SDN。從網絡結構和業務結構出發，電力數據通信網的改造過程主要可以分為以下3個階段。

2.1? 電力數據通信網業務局域網SD-WAN

相比于電力數據通信網廣域網，各省視頻、信息、語音、數據中心等業務局域網的設備數量規模相對較少，品牌較為單一，進行SDN改造部署的難度較低，所以可以優先從業務局域網開始進行SDN的改造工作。

以數據中心局域網為例，在進行SDN改造時，可以將數據中心CE及以下的網絡設備進行統一的改造更換，更換為同一廠商的SDN網絡設備，同時部署一套SDN網絡控制器。這樣就可以在數據中心中實現網絡的靈活調度，有利于虛擬機的遷移以及業務應用的保障。同時對于本地數據中心間的互聯互通，可以利用SDN實現對MPLS專網和傳輸專線通道進行靈活調度，實現SD-WAN[5]。

如圖2所示，省內數據中心有2個不同地點的網絡區域A區和B區，A區和B區的網絡設備為同一廠商。在A區和B區各部署一套SDN控制器形成主備冗余，對數據中心的網絡設備進行控制。通過SDN控制器對網絡設備進行業務配置下發和業務流量調度，并可以通過開通VXLAN隧道實現虛擬機跨區域靈活部署。針對數據中心間的業務互通的出口通道，通過SDN控制器可以對MPLS專網線路和傳輸專線線路進行流量的調度調優。

2.2? 電力數據通信網廣域網SDN

電力數據通信網廣域網存在覆蓋范圍廣，設備數量、品牌多的特點，而且設備管理范圍主要涉及總部和省公司。所以對于電力數據通信網廣域網SDN的改造也需要根據管理區域分別去逐步完成。

2.2.1? 電力數據通信網省際網

電力數據通信網省際網覆蓋到各省公司及第二匯聚點，是各省電力數據通信網廣域網的出口設備。由于電力數據通信網省際網為總部管理設備，由總部統一進行SDN的改造，改造完成后，總部可以對省際網設備進行SDN統一控制管理，而且可以在總部數據中心及各省間靈活開通、調度數據業務。

如圖3所示，在兩個總部數據中心分別部署一套SDN控制器形成冗余，對電力數據通信網省際網的設備進行配置下發以及業務流量調度。若各省之間或各省與數據中心間有業務互通需求，可以通過SDN控制器靈活開通業務通道。

2.2.2? 電力數據通信網省內網和接入網

電力數據通信網省內網和接入網主要由省公司統一管理，進行SDN改造主要問題是地市接入網的設備量大，而且品牌不統一。在進行SDN改造時需要對全省的設備進行統一規劃，包括SDN控制器的部署方式，各地市接入網設備的SDN改造過度方法。

如圖上圖所示，省內SDN改造需要統籌省內設備品牌情況，設備主要由A、B、C三個品牌組成，省內網設備均為A品牌、地市1接入網主要為A品牌、地市2接入網主要為B品牌、地市3接入網主要為C品牌、地市4接入網主要為B品牌。在進行SDN控制器部署時，需要在省內網核心節點以及第二匯聚點分別各部署一套A、B、C品牌的SDN控制器，形成冗余配置，實現對全省電力數據通信網A、B、C品牌設備的統一控制。地市接入網在進行SDN改造時，逐步將設備改造為本地市的同一品牌，方便SDN控制管理。如圖所示完成SDN部署后，可以實現省內跨地市互通業務以及地市接入網內互通業務的快速配置和流量調度。

2.3? 部署超級SDN控制器以實現全網SDN

經過逐步改造后，業務局域網、接入網、省內網、省際網可以分區域進行SDN控制器部署，然后最終總部統一部署超級SDN控制器，將電力數據通信網各層級的SDN控制器進行統一控制，實現電力數據通信網的全網SDN化。

如圖5所示，在電力數據通信網業務局域網、省內網、省際網分別完成SDN部署，實現區域網絡的SDN控制后，通過在總部部署超級SDN控制器，對電力數據通信網全網各層級網絡的SDN控制器進行統一管理控制，形成全網SDN統一，從而達到通過超級控制器實現電力數據通信網全網的SDN化控制。

可以看出，通過分層進行SDN改造的方式，可以將電力數據通信網設備覆蓋范圍廣、數量大、品牌多等因素帶來的SDN改造困難進行分解降低，以形成實現SDN改造優化落地的實施過程方案。

3? 結? 論

通過本文的研究，可以了解到目前電力數據通信網整體的網絡結構以及眼前所面對的短板問題。通過部署SDN進行網絡改造可以實現電力數據通信網的優化提升，提高網絡運行效率。結合著網絡實際情況，本文對提出了通過逐步分層改造的方式，對業務局域網、省內網和接入網、省際網分區域分層進行SDN改造部署，先實現區域性的SDN網絡應用;然后再通過統一部署SDN超級控制器來實現對全網電力數據通信網各層級SDN控制器的管理，從而實現最終全網SDN可控的網絡。通過這種方式進行SDN部署應用，在解決傳統網絡局限性的同時，降低了電力數據通信網品牌多、范圍廣、數量大的所帶來的改造難度，具有很強的可行性，對電力數據通信網的SDN化改造具有指導意義。

參考文獻：

[1] 孫奇.SD-WAN 架構與技術 [M].北京：人民郵電出版社，2019.

[2] 向敏，饒華陽，張進進，等.基于圖卷積神經網絡的軟件定義電力通信網絡路由控制策略 [J].電子與信息學報，2021，43（2）：388-395.

[3] 閆長江，吳東君，熊怡.SDN原理解析 [M].北京：人民郵電出版社，2016：240.

[4] 曲清茹.基于SDN的廣域網BGP流量調度的設計與實現 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.

[5] 李德偉.云架構下的SD-WAN技術探討 [J].通訊世界，2020，27（2）：13-14.

作者簡介：陳光（1990—），男，漢族，遼寧沈陽人，工程師，本科，研究方向：通信工程;

馬偉哲（1983—），男，滿族，遼寧本溪人，副高級工程師，本科，研究方向：通信工程;

程碩（1986—），男，漢族，遼寧錦州人，副高級工程師，本科，研究方向：通信工程;

馮宇（1990—），男，漢族，湖北黃岡人，工程師，碩士研究生，研究方向：電力通信技術;

李蒙（1995—），男，漢族，遼寧沈陽市，助理工程師，碩士研究生，研究方向：通信與信息系統。