WAN技術在電力數據網智能化運維中的應用研究

馮禹清，金 燊，宋 偉，紀雨彤，申 昉

(國網冀北電力有限公司信息通信分公司，北京 100053)

電力數據通信網絡是實現電力系統信息采集與控制的基礎，是服務于電力業務、做好一次電氣網絡和二次自動化系統支撐工作的重要保障[1-3]。但由于受傳統網絡協議影響，當前電力數據通信網絡對于廣域低時延、大帶寬等敏感業務很難確保穩定運行，零散、分布式的控制轉發方式大大降低數據轉發效率，導致存在網管運維效率低下、業務缺乏質量保障、故障定位消缺反應能力差等問題，嚴重影響電力數據通信網絡的運維管理，制約電力數據網絡的業務應用及拓展。

近些年來，隨著電力通信廣域數據網絡建設的不斷深入，軟件定義網絡技術被廣泛認為將對傳統網絡帶來劃時代的變革，SDN-WAN也在運營商、金融等各大行業逐漸應用普及[4-7]。SDN-WAN作為一種新型的廣域數據網絡架構，以虛擬可視化的形式參與對全局網絡的控制管理，通過極簡化部屬業務上線流程、全局視角業務路徑計算和需求約束，多層次主動感知網絡變化和API開放可編程等能力，極大程度滿足了上層業務的需求。在運營商方面，著重推動彈性SDN-WAN打造能力開放性網絡，以標準化API接口進行云網耦合，以供SDN-WAN業務按需調用，力爭實現“云網一張圖”全景感知能力[8-9]；在金融領域，眾多銀行、證券紛紛應用SDN-WAN技術對骨干域網絡架構進行優化改造，應對即將面臨的集團化、互聯網化、運維復雜等諸多挑戰[10-12]。

隨著電力數字化轉型的不斷深入與新業務的不斷涌現，建設“架構領先、管理便捷、智能高效”的電力數據通信網絡是當前在電力云計算、大數據、物聯網等新興技術大背景下的必然要求。因此，本文在適應新型電力系統大格局下，提出新型電力數據通信網絡體系理念，重點針對網絡的通道域架構進行升級和優化，深入架構變革，探索通道高效管理與智能運維新模式，并選取實際典型應用案例，客觀評價SDN-WAN在電力數據通信網絡應用的優勢與不足，為“十四五”時期電力數據通信網絡的建設及發展提供參考性建議。

1 數據通信網絡態勢感知

1.1 新型電力數據通信網絡體系

在傳統網絡模式下，電力通信廣域數據網絡往往與業務接入側、業務部門應用側相互割裂，自治管理，雖同屬同一張網絡卻往往達不到統一、高效、精細化管理的效果，且平時缺乏溝通、遇到問題相互推辭現象屢有發生。在新時代、新網絡、高效協同一體化發展的大趨勢下，本文創新性地提出新型電力數據通信網絡體系理念，將網絡系統分為“通道域、服務域、業務域、安全域、管理域”五大模塊，化繁為整，以此實現全局網絡的統一、高效、協同化管理，具體如圖1所示。

圖1 新型電力數據通信網絡體系Fig.1 New power data communication network system

本文主要提出新型電力數據通信網絡體系，對數據網絡通道域的架構進行優化和改造。通道域是連接新型電力數據通信網絡各個域之間的交通紐帶，承載著大量的數據、語音、視頻、存儲、安全等多種業務，在電力行業中負責連接在服務域中海量數據信息采集，負責承載業務域中各類業務的應用、監控及數據存儲，負責安全域中各類隔離、加密等安全策略的連接及控制，以及負責管理域中各類云化虛擬服務器的協同一體化管理。在新型電力數據通信網絡系統中，如何管理好這張覆蓋范圍極廣的通道域網絡，將是電力數據通信網絡變革的重中之重。因此本文主要結合廣域SDN新型網絡技術，對新型電力數據通信網絡的通道域網絡架構進行優化和改造，提出電力SDN-WAN廣域網絡態勢感知模型，力爭實現電力數據通信網絡智能、便捷、精細化管理。

1.2 數據通信網絡態勢感知模型

電力SDN-WAN數據通信網絡態勢感知模型，主要由SDN-WAN數據通信網絡智能管控平臺和層次化3層網絡結構組成，具體如圖2所示。電力SDN-WAN網絡智能化管控平臺引用網絡云化引擎(NCE-IP)，將管理(網元、傳統業務告警、監控管理)、控制(集中算路、統一下發配置、網絡調優)、分析(網絡質量流量等性能分析、故障預測分析與診斷)及人工智能集成一體，通過在省公司級數據網絡通道域中鏈路通道進行優化改造，實現電力調度、通信、信息、視頻、IMS等各類電力信息管理大區業務以統一的網絡智能化管控平臺進行管理，實現自動化業務部署，網元健康、網絡質量、網絡流量多方位態勢感知。此外，該模型通過大數據和人工智能算法，逐級分析網絡健康質量情況，并根據網絡性能變化趨勢，提前預測并調優各級故障風險和故障風險點，從而提前規避網絡風險，提供修復建議，實現主動智能運維能力。

圖2 電力數據網SDN-WAN網絡管理模型Fig.2 Power data network SDN-WAN network management model

層次化3層網絡架構由核心層、匯聚層和接入層組成，具體網絡結構如圖2所示。該網絡系統應用前瞻性、兼容性的SR-TE Policy(Segment Routing Policy)技術組網，構建極強的控制平面和極簡的轉發平面，實現網絡資源靈活調度，在多個方面實現技術升級。

在業務上線方面，SDN-WAN控制器已經實現電力領域從業務的開通/變更手動逐臺配置到自動化配置業務下發的過渡，避免了手工配置錯誤，部署效率得以提升；在運維方面，原先的電力通信故障被動響應模式已經被剔除，取而代之的是業務流量的實時監測與人工智能主動運維分析相融合，可以實現故障提前精準定位，自動處理；在流量調度方面，將傳統網絡固定路徑轉發取代為按需路徑轉發，使業務路徑不局限于IGP、BGP計算路徑，解決網絡負載冷熱不均的問題，帶寬資源得到最大化利用，實現流量的靈活調度；在業務監控方面，它不僅可以實現語音、視頻、辦公等業務實時可視，而且能夠感知關鍵業務在網絡中的占比，智能秒級分析網絡故障，分鐘級定位、快速自愈通道問題。

2 應用案例

在構建電力SDN-WAN數據通信網絡態勢感知模型基礎上，結合電力領域實際運維應用中的難點、痛點，以現網實際應用為導向進行定制化開發研究。冀北電力SDN-WAN數據通信網現網及應用過程中，已實現極簡化部署、可開放編程、網絡360°可視、全生命周期化管理、網絡切片、路徑調優、維護窗口離線仿真、隨流檢測等8大態勢感知功能，并分別在業務上線、運維、保障、檢修和故障消缺等5大場景取得較大的成效，但在現網部署過程中同時也遇到了一些缺點和不足，限篇幅原因選取以下3個典型應用案例對已取得的結論進行闡述。

2.1 應用案例1

傳統電力數據通信網絡的業務發放都是以單個路由交換網元為個體逐個配置，需在多臺設備、多個頁面之間進行切換，下發效率較低，人工配置出錯頻發，因此實現業務自動下發和極簡化部署成為新型電力數據通信網絡的核心訴求。

在新型電力數據通信網絡中，業務下發主要在SDN-WAN數據通信網絡智能管控平臺上，通過Netconf/BGPSDN-WANLS/PCEP等標準的南向協議連接到網絡設備，業務配置意圖轉換為網絡模型和相關的網絡參數后，再將BGP、MPLS VPN和SR-TE等相關的配置通過WEB界面的形式下發到網元設備。傳統業務部署與電力SDN-WAN數據通信網絡對比情況如圖3所示。通過這種按需自動化的配置流程，使得電力領域調度、視頻、辦公等各類業務上線、遷移、調整工作由傳統的數天甚至數月縮短為分鐘級，運維效率實現質的飛躍，結合實際業務需求，現網已得到有效實現。

圖3 業務部署前后對比情況Fig.3 Comparison before and after service deployment

2.2 應用案例2

傳統電力數據通信網絡在運維管理過程中，主要采用SNMP(簡單網絡管理協議)技術對設備運行數據進行采集，通過MIB節點輪詢方式報送網管信息，經現網多年應用后總結有以下幾大問題：①SNMP的最小輪詢周期是分鐘級，無法做到真正意義上的實時監控；②采用數據流采樣的檢測方式忽略了網絡中大量微突發造成的網絡問題；③無法對業務流量、業務質量進行精細化運維及有效的保障。

上述問題制約著電力數據通信網絡的發展，導致對于低時延、大帶寬、特級重要保障等業務場景，舍棄IP數據網絡承載方案，更多轉向電力專線的形式，因此，本文結合實際業務需求，主要應用Telemetry(毫秒級高精度數據采集)、Netsteam(網絡流量采樣)、TWAMP(雙向主動測量協議)等先進網絡技術對電力SDN-WAN數據通信網絡進行了部署，并從網絡健康感知、網絡質量感知和網絡流量感知3個維度方面進行態勢感知分析，具體監控到的網絡性能指標如下。①資源：報表名稱及價值；②單板：單板健康度報表；③網元：網元健康度報表地址池資源統計報表；④端口：通用接口流量報表、以太端口光功率報表、端口流量報表；⑤鏈路：二層鏈路流量/質量報表、IP鏈路流量/質量報表、IGP鏈路流量/質量報表、IGP鏈路SD業務質量報表、IGP鏈路隊列流量/質量報表；⑥業務：L3VPN接口流量明細報表、L3VPN業務E2E質量報表(TWAMP)、QoS模板流量報表、VRF流量報表、TE Tunnel流量/質量報表、TE Tunnel匯聚流量報表；⑦IP流：出方向自定義流報表、入方向自定義流報表；⑧統計報表區域流量/質量統計報表、環流量報表。

2.2.1 網絡健康感知

采用新型的Telemetry協議，采集方式上從網管系統到設備的Polling輪詢，改進為設備主動推送上報數據，提高了數據采集的效率，具備毫秒級高精度采集能力(在實際現網部署中考慮CPU運行能力與現網實際需求，采用秒級信息采集方式)。其中，網元健康分析感知電力通信網絡設備整體的健康狀態，主要獲取網絡設備CPU、內存利用率以及可用度等指標，通過設置指標閾值告警形式，有效確保各網元設備運行正常；單板健康分析感知單板CPU、內存利用率、溫度、電壓等信息，能及時發現單板劣化問題；以太端口的光功率分析可以感知光纖模式、最大傳輸距離、接受/發送光功率高低門限、光功率平均值以及光功率最大值等信息，及時掌握全網設備端口光功率狀態和端口物理性能。現網應用中選取網絡健康感知結果如圖4所示。

圖4 網絡健康感知Fig.4 Network health perception map

2.2.2 網絡質量感知

傳統電力網管運維只能通過登錄逐臺設備、逐條PING大包等形式一段一段排查網絡質量問題，耗時長、難度大，且經常伴隨著多部門協同作業，效率低下。電力SDN-WAN數據通信網絡不僅實現了應用報表形式展現3層IP鏈路質量分析，而且引入TWAMP先進網絡技術，感知 MPLS L3 VPN 端到端的時延、抖動、丟包率等信息，通過這些信息全景式展現網絡的3層VPN質量優劣，實現網絡質量的精細化管理。現網應用中選取業務質量可視化測試結果如圖5所示。

圖5 業務質量可視化測試結果Fig.5 Business quality visual test results

2.2.3 網絡流量感知

傳統網管運維管理軟件只能實現分鐘級公網鏈路流量監測，精度低下，在部署電力SDN-WAN數據通信網絡后，不僅可以感知到具體業務L3VPN接口流速、業務接收/發送平均帶寬利用率、峰值利用率等指標，而且引入Netstream(網絡信息流)流量分析技術，細化到監測每個業務中每個IP的流量大小，極大提升了網絡運維的精度。現網應用中選取IP流作為流量對象，結果如圖6所示。

圖6 IP流量測試結果Fig.6 IP traffic test results

2.3 應用案例3

傳統的電力數據通信網絡僅能顯示網絡的網元邏輯拓撲，且只能通過調整鏈路Cost值、Preference等方式手工實現鏈路調整，缺乏靈活調度能力。針對此類問題，電力SDN-WAN數據通信網絡模型基于SR-TE Policy新技術進行優化和改造，使現網不僅實現邏輯拓撲、業務隧道、逐跳業務路徑分層可視，而且業務路徑不再受IGP、BGP等協議限制，在控制器上可優選設置大帶寬、低時延、低丟包等參數，以及設置必須經過哪跳或幾跳、不允許經過哪跳或哪幾跳等功能，根據業務需求下發至整條業務路徑，實現業務的靈活調度。

實踐證明，在國網冬奧保障、統一視頻會議、統一招聘考試等重大保障任務時期，該系統模型能提前對各層級業務隧道路徑進行圖形化展示，提前對大帶寬、低時延等業務按需進行靈活的網絡調整，是防止因網絡故障造成業務中斷的關鍵。業務隧道分層模式如圖7所示。

圖7 業務隧道分層模式Fig.7 Business tunnel layered mode diagram

3 存在問題

應用SDN-WAN技術提升網絡各項功能，近幾年來在其他相關行業得到迅速的發展，也逐漸改變著人們使用和運維網絡的原始思維。但必須認識到，在電力領域發展SDN-WAN數據通信網絡還處于不斷發展和完善的過程，在安全性、兼容性、經濟性等方面還有以下問題需要進一步研究。

(1)SDN-WAN各功能的實現要有新的網絡設備才能支持，當前電力數據通信網絡規模龐大，存量網絡設備改造難度巨大，至少要幾年時間逐漸淘汰，而新建的網絡畢竟是少數，若全網SDN-WAN網絡設備自然要比傳統網絡設備價格高出很多，投入成本與實際回報成效很難達成平衡，且各品牌廠商間存在各類協議對接兼容性問題，大規模應用前需提前考慮廠商綁定、兼容性及議價權等各類問題。

(2)很多先進網絡技術在電力數據通信網絡兼容性應用上存在局限性。諸如網絡調優、維護窗口、離線仿真、隨流檢測等很多功能必須需要業務承載在SRv6或者SR-TE隧道協議上，而SRv6隧道技術在引入了尚未完全推廣的IPv6技術同時，還存在與現網應用廣泛的Ospf協議不兼容問題，而SRv6或SR-TE隧道技術又需要對業務路徑經過的每一個節點進行軟件升級和硬件改造，有一個節點未滿足條件將影響整個網絡格局。FlexE(網絡切片)技術必須要整個業務路徑都要適配支持其功能的特殊板卡，價格高昂，且具體應用場景尚不明朗，這將導致現有電力數據通信網絡90%以上的網絡環境都暫時不適用此功能。

(3)在實際部署過程中發現，若一旦SDN-WAN出現問題，可能影響的往往是全局，整個網絡集中化管理的劣勢在于整個網絡監控都有可能陷入癱瘓，因此以電力業務安全穩定運行為主的電力行業，在SDN-WAN等新技術還未成熟商用化之前，建議先充分實踐檢驗和業內廣泛認可后，再做電力行業大范圍普及。

總之，問題要解決，電力數據通信網絡要發展。如何科學地推廣電力SDN-WAN數據通信網應用場景，如何經濟地利用電力數據通信網絡的資源，建立起完善、穩定、可靠的SDN-WAN數據通信網絡，提高經濟性與適用性，仍是電力通信專業一個值得不斷探索的課題。

4 結語

本文以電網數字化轉型過程中電力數據通信網絡技術升級為研究背景，創新性地提出新型電力數據網絡體系，重點針對網絡通道域提出電力SDN-WAN數據通信網絡態勢感知模型，并選取實際部署過程中3個典型應用場景，對SDN-WAN在電力數據通信網絡應用的優勢和不足進行闡述，為未來電力各業務端網協同、云網融合、多云融合的廣域網建設打下基礎，也為“十四五”時期電力數據通信網絡的發展提供參考