基于流量調控平臺的電力監控網絡風暴定位及分析

◆楊嘉鵬 汪毅 譚雯

基于流量調控平臺的電力監控網絡風暴定位及分析

◆楊嘉鵬 汪毅 譚雯

（國網寧夏電力有限公司 石嘴山供電公司 寧夏 753000）

近年來我國電網的快速發展使得其通信層呈現設備數量大、層級多的特點，容易出現由故障設備引的網絡風暴造成網絡設備通信異常，甚至網絡癱瘓等風險。本文就電力監控網絡風暴定位開展了分析及研究，主要從電力監控網絡的特性出發分析了監控網絡的特征及其面臨的各類風險，并提出了一種針對電力網絡風暴風險的定位方法，為相關電網運行人員科學認識電力監控網絡風暴提供借鑒與參考。

調控平臺；電力監控；網絡風暴

作為電網大系統的關鍵基礎設施之一，電力監控系統的網絡安全是保障電網穩定運行的重要助力。電力監控系統具體包括電力數據采集與監控系統、能量管理系統、電力調度數據網絡等。本文所研究的電力監控網絡風暴是指數據廣播造成的電力通信系統網絡擁塞，使網速大大降低，或引起電力通信網絡癱瘓的一種現象。

近些年來由于社會的發展電網規模的也在不斷擴張，電力通信網是保障電網設備能夠被實時監控和控制的基礎，對通信網絡的各方面技術要求也越來越高，此外由于網絡中設備眾多，其產生的數據流量也在不斷加大，造成了通信層的網絡可能出現數據流超負荷等問題，進而使得其受到網絡風暴的影響更大。當系統中出現網絡風暴時，將會導致系統的數據流出現不平衡問題，顯著影響整體通信層的數據流通進而影響對設備的監控，最終將會影響電網的安全運行。為了解決網絡風暴對通信網絡的影響，實現對網絡風暴情形下對異常數據流的監控和調整也逐漸成為電網運行人員研究的主要方向[1?3]。另一方面，由于不同地區電網復雜情況不同，在網絡風暴情形下其通信網出現的故障概率和范圍影響也不相一致，當出現故障時采用通常的流量調控容易導致故障概率和范圍擴大的問題[4-5]。

1 電力監控網絡安全的發展

隨著電網通信技術的日新月異發展，電力系統作為關系國家及社會生活的重要設施，使得國家對生產控制領域的網絡安全及穩定運行等問題日益重視。早在2002年5月，國家經貿委發布了第30號令《電網和電廠計算機監控系統及調度數據網絡安全防護的規定》，同年出臺了《國家電網調度中心安全防護體系研究及示范》，其被列入了國家863計劃，隨后在2003年6月，為進一步加強對電網的安全防護，國家商密辦為電網系統及設施裝備了特制密碼算法及相應加密芯片，同時提出了《全國電力二次系統安全防護總體方案》并在全國推廣。2011年工信部發布了文件《工業控制系統網絡信息安全防護要求》，明確提出了針對SCADA、DCS等電力系統及設施應具備的各類風險防范措施。

在主站安全防護方面，近年來D5000（智能電網調度控制系統）逐步在各地電網得到推廣使用，企業也逐漸將原調度中心的十余套獨立應用系統進行安全整合，實現了系統的“橫向集成與縱向貫通”，已經在二十幾個調度中心上線運行。省級以上備用調度體系已初步建成。

場站安全防護方面，近些年各類智能變電站已相繼投入使用，采用無人值班的變電站發展迅速，普及率已達80%以上。10千伏電壓等級的配網自動化技術得到的飛速發展，已有眾多城市在進行推廣建設。此外，智能用電采集系統和智能電表的應用也飛速發展，遠程遙控功能對系統整體的安全防護提出了新的挑戰。

軟硬件安全防護方面，基于多路多核技術的國產計算機服務器（機架式、刀片式）、圖形工作站性能和可靠性已達到國際同類水平，物美價廉，正迅速在電力監控系統普及應用，近兩年已有超過1.5萬臺國產計算機在電網調度和變電站投入運行。此外，國產關系型商用數據庫、國產地理信息系統（GIS）、基于北斗衛星的對時裝置等已隨智能電網調度技術支持系統推廣應用。

2 電力監控網絡安全基本特征

2.1 電力監控網絡安全的主要特征

電力監控網絡主要有以下幾方面的特征：

（1）監控網絡安全是整體而不是割裂。在當今4G、5G等通信技術飛速發展支撐的情形下，保障網絡的安全已不僅僅關乎個人，更關乎整個國家和社會的安全穩定。而隨著信息技術的飛速發展，電力系統中眾多設施均通過各信息系統進行連接，信息系統的正常運行是電網設施穩定運行的重要基礎。因此，可以認為保障整體信息監控系統的安全是維持電網系統安全運行的重要保障。

（2）監控網絡安全是動態而不是靜態。保證網絡安全不是一勞永逸的。各類信息通信技術日新月異，而與之對應的各類網絡攻擊手段也層出不窮，如果一味固守原有的網絡安全防范措施等于坐以待斃，因此，對于監控網絡的安全問題是隨著時間發展而動態變化的，需時刻保持防范意識。

（3）監控網絡安全是開放而不是封閉。監控網絡安全是開放的并不是指針對外部網絡可以隨意進出開放，而是指其具有開放的屬性。即安全技術不能故步自封，要時刻吸取外部先進技術及安全事故教訓，對監控不斷進行完善才能充分保障監控網絡的安全

（4）監控網絡安全是相對而不是絕對的。要靈活對待監控網絡的安全概念，監控網絡安全是一個過程，或者說是一種狀態。對待監控網絡安全要時刻注意外部環境的變化，例如不同情形下的網絡風暴造成的損害情況可能并不一致，需要以辯證的思維方式去看待監控網絡安全。

（5）監控網絡安全是共同而不是孤立。我國的電網監控系統共分為五級，隨著電網網架的聯系逐漸完善，各地區監控網絡既相互獨立但又彼此聯系，即共同受最高級國網級層面監控。因此，在一定程度上可以認為監控網絡直接高度互聯，而當出現網絡風暴或者重大安全事故時，其后果將不可估量。另一方面，由于各地監控網絡的互聯，因此網絡安全并不是由孤立的一方去維持，而是靠多方合作，共同維護保障監控網絡的安全。

2.2 面臨的主要風險

正確認識電力監控網絡面臨的主要風險對于科學分析網絡風暴對系統的影響具有重要意義，當前，電力監控網絡主要面臨的風險主要有外部風險和內部風險，如表1所示。

表1 電力系統面臨的主要風險

3 網絡風暴定位方法

當前電力系統所使用的網絡從廣義上來說均為局域網，其通常都具備簡單網絡管理協議（SNMP），該協議的最重要特點就是在其系統內的每個網絡節點上設置一個管理信息庫MIB （ Management Information Base）。最常用的是MIB II （ RFC － 1213）和Bridge-MIB（ RFC-1493）。采用簡單網絡管理協議的系統可以得到其各個網絡設備的狀態信息，這樣利用特定的算法即可以高效地定位出系統中網絡風暴的源頭[6]。

當出現網絡風暴時，此時網絡流量會出現異常增大情況，即當系統中端口數據包的接收速率比系統中網絡正常運行的值高時，則可以認為從該端口接入的網絡設備中存在網絡風暴源，或者通過該端口接入網絡的設備就是網絡風暴源。圖1 為常見的系統網絡結構示意圖。圖1中，A、B、C等表示路由器和交換機等網絡設備，數字1表示1號端口。

圖1 網絡示意圖

認清電力通信系統網絡中各設施的拓撲連接關系對于開展網絡風暴的精準定位具有重要意義。本文考慮在Bridge-MIB（ RFC-1493）中定義了dot1dTpFdbAddress 存放網絡設備MAC 地址的地址轉發表，其對應的端口存放在dot1dTpFdbPort 上。這種利用地址轉發表AFT（Address ForwardingTable）的方法可得到交換機端口連接四元組（switchA，switchportA，switchB，switchportB）。該四元組表示交換機switchA的端口switchportA與交換機switchB的端口switchportB相互連接，即得到網絡拓撲信息[7]。表2為根據圖1得到的網絡拓撲連接信息情況表。

表2 網絡拓撲連接信息

用T表示電力通信網絡中的某設備，T的端口i采用Ti表示，則對電力通信網絡中的網絡風暴開展實時監控、對網絡風暴源進行自動定位的步驟如下：

（1）以系統中的核心設備為中心，開始監測網絡風暴，使T指向核心設備；

（2）采集T的各端口的ifInNUcastPkts 對象信息，計算各端口的廣播/多播包接收速率；

（3）找出廣播/多播包接收速率最大的端口Ti；

（4）如果Ti的廣播/多播包接收速大于廣播風暴閾值則繼續步驟（5），否則轉入步驟（2）；

（5）在網絡拓撲連接表中搜索Ti 端口連接的網絡設備L；

（6）如果L存在，使T指向L，轉入步驟（2）；如果L不存在，則表示Ti端口就是廣播風暴產生的源端口。

5 結束語

電力監控網絡是維持電力系統正常運行的重要保障，而流量調控平臺是系統面臨網絡風暴時保障系統通信網絡安全的重要補充，本文針對網絡設備眾多而導致的故障源定位難的問題研究了電力監控的網絡安全及其面臨網絡風暴時的定位方法，該方法有效提升了電力監控系統的網絡安全保障能力。

[1]張雙雙，王延年.節點分布不均勻的無線傳感網絡低功耗算法[J].西安工程大學學報，2015.

[2]鄧榮.基于包絡特征的網絡流量預測閾值調控算法[J].科技通報，2015.

[3]王建國. 網絡風暴沖擊下的流量調控平臺設計與實現[J]. 現代電子技術，2017．

[4]袁敏潔，徐梓曜，江恩慧，等.有效流量研究及應用現狀[J].人民黃河，2015.

[5]朱海鵬，趙磊，秦昆，等. 基于大數據分析的電力監控網絡安全主動防護策略研究[J].電測與儀表，2020.

[6]王愷，王慶人. 中英文混合文章識別問題[J]．軟件學報，2005．

[7]張濤. 局域網廣播風暴源自動定位算法的研究[J]，計算機應用軟件，2012.

國網寧夏電力有限公司科技項目資助（項目編號：5229SZ210008）