基于SDN 的電力通信網集中控制架構

李 凡

（中通服網盈科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

電網不僅維持著日常中電能的傳輸，而且能夠優化能源配備。目前，涌現出各種類型的電力通信服務，以往電力通信網絡的靈活性已無法適應業務需求。因此，針對統一的管理控制平臺的問題亟待解決，以達到電力服務靈活開放目的，進而實現網絡架構服務、控制和載體的分離。軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）受到了很大的關注[1]。傳統的通信網往往存在單一分散控制的缺陷，而SDN 技術可以輕松解決這一問題。雖然SDN 技術在許多云計算網絡中已經成功應用，但是相對于電力通信網中的應用仍不夠成熟。因此，為提升電網集中管理、控制的效率和可靠性，許多學者研究設計了SDN 的配電通信網絡集中管理控制體系結構。為了提升控制水平，參照控制器集群技術、南向及北向接口的策略，提出了基于SDN 的電力通信網集中控制網絡總體框架。

1 基于SDN 的電力通信網控制架構設計

1.1 復雜終端通信的南向接口方案

本文借助網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術并應用在南向接口，通過在通用硬件上的軟件化來實現不同的終端硬件功能。針對不同的管控設備和配用電監測，根據NFV 原理進行優化，將獨有的硬件集合成為通用硬件，其功能借由軟件來完成，并且提供可編程網絡接口。硬件功能統一化管控的內容包括：網絡功能虛擬化基礎設施（Network Functions Virtualization Infrastructure，NFVI）、虛擬網絡層（Virtual Network Feature，VNF）和NFV 管理與編排（Management and Orchestration，MANO）。第1 部分主要提供作業環境，以實施虛擬系統功能，包含云系統和通用硬件等；第2 部分與現實網絡的功能相同；第3 部分包括NFVI管理系統、VNF 管理系統及業務排編系統，其作用是處理網絡業務和對應資源的計算、編排、存儲和綜合管理控制。

1.2 電力大數據交互的北向接口方案

網絡管理與控制功能借助北向接口的簡單網管協議（Simple Network Management Protocol，SNMP）技術開發，以滿足大數據之間交流可管控化的需要。該方案的特點可以分為2 部分：一是在SNMP 的基礎上開發，作業人員操作經驗充足；二是擁有相對便捷的信息管理庫，管理流程明了。

管理工作站可通過SetRequest、GetRequest 和GetNextRequest 這3 種請求命令，用戶使用命令Get得到被管理方的變量數據，然后借助命令Set進行更新。用戶發布命令GetResponse 作為應答。SNMP 管理站協議處理的作用是將應答信息發送到需要管理和控制的應用程序中，而錯誤的消息則通過命令Trap 響應。

借助傳輸層用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）進行傳輸，并且為確保SNMP 信息的傳輸傳送的可靠性，需要在上層應用程序中實現重復發送、超時重新傳輸等操作。因此，SNMP 在可靠管理控制方面的缺點可以借由TL1（Transaction Language 1）協議進行彌補。

1.3 基于集群技術的SDN 高穩定性控制方案

控制器是SDN 控制架構的關鍵。控制器的設置、功能的實現效果是完成電力通信網絡集中控制和管理的重點。因此，利用已較為完備的控制器集群技術來多元化設置架構控制面中不同的控制器。電力通信網絡的運營、維護、管理和控制功能借助軟件完成，各種控制器之間的信息交互則借助特有的集中通信過程完成。

框架可分為3 層，從上到下依次為集群管理層、根控制器層、本地控制器層。集群管理層核心是實行各種控制器之間的信息同步和任務功能分配；根控制器層的作用是維持穩定的網絡狀態并實時解決相應的業務；本地控制器層的作用是管理并解決各種各樣的本地業務[2]。

控制系統中使用集群技術，可以一定程度降低原控制方案中設備單個失效的概率，并提高處理海量交換機數據的能力。此外，它可以優化網絡傳輸的品質并減少南向接口協議發送數據包時的時延。針對任意網絡K，包括3 個部分，即通信鏈路、拓撲結構和網絡節點設備。網絡K的可靠性G重點依賴于鏈路的可靠性N1、拓撲結構L，還有節點設備的可靠性Nn。在此基礎上，可以進一步優化控制系統。

1.4 電力通信網絡集中控制總體框架

提出南向接口、北向接口及集中控制策略，并在此基礎上借助SDN 技術設計了一套電通信網絡體系框架，其總體結構如圖1 所示。

圖1 電力通信網集中控制框圖

本框架分為3 個部分，分別為軟件化電力業務層、SDN 集群控制系統和電力業務數據轉發層。多域接入網的交換機等設備借助NFV 技術優化改進，OpenFlow協議則被運用到集中控制系統，對基層設備的域間切換、帶寬分配及路由選擇等功能的實行統籌管理。基層的設備只需負責流表匹配任務和信息轉發。南向接口則給其提供信息渠道和控制系統實現信息交互。各種不同的業務通過基層的硬件設備與數據轉發層相連，控制系統可以及時實現管理控制和監察[3]。

整個系統由集群管理系統、根控制器、本地控制器以及Flowvisor 物理網絡虛擬化平臺組成。這些組件負責全局網絡資源的掌控和調度、動態調整帶寬資源、網絡鏈路以及拓撲管理等。

本地控制器只需執行接入網的控制任務，并把接入網的信息即時發送至根控制器，數據的分發全在虛擬化平臺上完成。來自本地控制器轉發的信息由根控制器處理解析，以此保障網絡狀態穩定性，并且對域間切換業務進行數據傳送的管理和控制。集群管理層同時處理所有的根控制器數據，然后劃分底層控制器的功能范圍，并借助協調管控以防止網絡信息不能及時交互。此外，SDN 控制系統可以將多控制器協同、網絡監測等功能封裝成軟件應用接口，方便調用。

2 SDN 電力通信網集群控制系統總體設計

基于總體框架和控制功能實現方案設計，提出配電通信網絡的集群控制基礎系統平臺。此平臺借助了ODL（OpenDayLight）架構設計控制器，并基于北向接口設計各項重要應用程序。通過優化Openflow來定義用于電網通信與控制器的南向接口的標準[4]。集群控制基礎系統平臺在配電通信網絡中，使用SDN體系架構提升傳輸網絡的業務創新能力和控制靈活度。系統框架如圖2 所示。

圖2 配電通信網絡集群控制基礎系統平臺架構

3 實現集中式通信鏈路管理與頻譜分配的過程

配電通信網絡集中控制系統接口關系如圖3所示，描述了集群控制系統的關鍵控制部分，包括外部的連接邏輯和內部不同功能之間的連接關系。

圖3 配電通信網絡集中控制系統接口關系

控制器系統主要由拓撲和鏈路資源管理器、連接控制器、路由控制器、帶寬控制器、域間倒換控制器、Restful 應用程序接口以及英特爾針對Wi-Fi 和藍牙無線電提供的新型專有連接接口CVNI（Connectivity I/O Interface）南向協議模塊組成，可降低成本并簡化其無線模塊[5-7]。其中：拓撲和鏈路資源管理器進行網絡拓撲數據的接收、存儲和管理；連接控制器實現模塊間邏輯的建立、修改和刪除；路由控制器運算處理得出網絡中路由之間的路徑；帶寬控制器動態調節服務層網絡的帶寬；域間倒換控制器應對業務在多域網絡間切換的問題；Restful 應用程序接口處理與應用程序之間的通信管理；CVNI 南向協議實現OpenFlow協議的控制功能。

根據上述的集中控制器，可以建立配電通信網絡的集中控制基礎系統平臺[8]。其核心功能主要包括以下4 個方面，即網絡拓撲和鏈路資源的管理、在多域網絡間進行電力業務轉換、面向電力服務的路由選擇以及帶寬資源的動態調節。本設計借助了集群控制器系統中這些關鍵功能的相互協作，完成對配電通信網絡的集中管理控制。

4 SDN 集中控制系統的應用

提出基于SDN 的集中控制系統穩定性論證方案，使用主動撥測技術，通過在網絡關鍵節點設置探針對通信通道的性能和狀態進行主動監察，以保證配電通信系統穩定安全運轉[9,10]。具體實施方案如下：基于廣東省茂名市的配電網實際情況，采用特定的設置策略，其中包括在網絡節點設置主動探針進行撥測。為了監測網絡質量，可以通過撥測代理主動提交Ping 或Trace指令測量數據包丟失率和網絡延遲等信息。此外，可以模擬用戶行為來監測網絡質量，例如發送超文本傳輸協議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）、DNS、TCP SYN、文件傳輸協議（File Transfer Protocol，FTP）等請求來測量連接成功率、解析時間、連接時間以及響應時間等指標。值得注意的是，撥測終端必須與不同的虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）進行連接，訪問對應的服務器，模擬實際的業務操作以進行測試。建議同時部署多個撥測終端，分別對應各個VPN 并配置網口，其管理端口與全局路由進行連接，以達到數據傳輸至管理平臺的目的。

5 結 論

借助控制器集群技術，在北向和南向接口的方案基礎上，分析了SDN 電力通信網集中控制系統平臺設計和實現集中式通信鏈路管理與頻譜分配的過程，給出了實際通信網中SDN 集中控制系統的實踐方案，為進一步實施方案落地指明了方向。