基于電力系統(tǒng)IPv6升級與改造

南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)集團(tuán)有限公司 張曉東 張朝昌

1 基于電力系統(tǒng)IPv6升級改造常見技術(shù)

1.1 雙棧技術(shù)

雙棧技術(shù)，主要是指網(wǎng)絡(luò)對IPv4和IPv6兩種協(xié)議棧進(jìn)行同時承載，彼此間相互隔離，形成互相不通信的單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中，雙棧技術(shù)主要是在兩個不同的協(xié)議棧作業(yè)下，促使服務(wù)器、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、路由器等不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可同時在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中運(yùn)行和發(fā)揮作用，并基于系統(tǒng)架構(gòu)，建立彼此相互隔離的網(wǎng)絡(luò)。雙棧技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為簡潔，但其實(shí)際操作難度相對較大，往往面臨著改造周期長、投資成本高等問題，且操作過程需要依靠業(yè)務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等的全方位支持，以此將兩個協(xié)議棧加以運(yùn)行，并對相應(yīng)的數(shù)據(jù)包同時處理。同時，該技術(shù)對IPv6升級改造過程中，還存在較多的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險，相應(yīng)的安全防范技術(shù)仍然不夠完善。雖然雙棧技術(shù)已基本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共存效果，但網(wǎng)絡(luò)互訪仍然有待解決。

1.2 隧道Tunnel 技術(shù)

隧道Tunnel 技術(shù)，主要是通過搭建IPv4網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)IPv4協(xié)議棧和IPv6數(shù)據(jù)包的互聯(lián)，使得二者之間封裝處理，進(jìn)而發(fā)揮數(shù)據(jù)信息傳輸功能，通過數(shù)據(jù)封裝接縫處理，使得其有效達(dá)到目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以此完成數(shù)據(jù)包的通信傳輸效果。隧道Tunnel 技術(shù)操作較為便捷，實(shí)現(xiàn)過程相對容易，注意將便捷開關(guān)設(shè)備設(shè)置于隧道系統(tǒng)當(dāng)中即可，但往往對不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的連通問題解決難度較大[1]。

該技術(shù)下，數(shù)據(jù)包在傳輸期間，原始的IPv6數(shù)據(jù)包中，增加IPv4相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對報文的疊加和層次分明處理效果。這樣一來，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率將會受到影響，尤其在報頭文過長時，傳輸效率更是進(jìn)一步下降。但經(jīng)改造后，可有效避免這一問題，忽略隧道的阻礙作業(yè)，提高孤島數(shù)據(jù)在IPv6中的傳輸效率。

1.3 協(xié)議翻譯技術(shù)

協(xié)議翻譯技術(shù)中，有狀態(tài)翻譯，能夠有效互通互聯(lián)IPv6與IPv4，對應(yīng)用系統(tǒng)提供充分支持，解決其中的不良問題。無狀態(tài)翻譯同樣也可以實(shí)現(xiàn)對IPv6和IPv6的互聯(lián)互通功能，通過該協(xié)議，客戶可以通過互通方式，對IPv6與IPv4的地址進(jìn)行高效查詢，且連通和查詢過程具有較高的安全性，在互聯(lián)網(wǎng)和電力系統(tǒng)中具有重要價值。

2 基于電力系統(tǒng)IPv6升級改造實(shí)踐方案

根據(jù)電力系統(tǒng)工作運(yùn)行特點(diǎn)，明確IPv6的升級改造，不單單是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的改變，更在于整體框架的重建，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)架構(gòu)、應(yīng)用系統(tǒng)、平臺服務(wù)等為一體的統(tǒng)籌規(guī)劃。為達(dá)到改造升級效果，本次改造實(shí)踐以雙棧技術(shù)為主，協(xié)議翻譯技術(shù)作為輔助，在保障安全過渡和業(yè)務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，構(gòu)建整體規(guī)劃架構(gòu)，確定IPv6地址規(guī)劃等工作。

2.1 升級改造目標(biāo)

2.1.1 業(yè)務(wù)承載

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，電力系統(tǒng)IPv6升級改造應(yīng)當(dāng)以數(shù)據(jù)為主要核心，針對主網(wǎng)和配網(wǎng)不同層級，設(shè)計核心數(shù)據(jù)，收集整合數(shù)據(jù)流量信息工作。一是終端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中，包括采集器、集中以及智能融合終端等終端系統(tǒng)平臺，在這些終端系統(tǒng)當(dāng)中，包含著大量的電類數(shù)據(jù)信息，如非涉控電壓設(shè)備、電網(wǎng)采集低壓設(shè)備等的數(shù)據(jù)。二是應(yīng)用終端業(yè)務(wù)：按照電力系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計形式，在IPv6升級改造過程中，需要重點(diǎn)考慮管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用功能，其中主要包括供電服務(wù)指揮、配網(wǎng)管理、集控站系統(tǒng)、調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)、網(wǎng)上電網(wǎng)、用電信息采集系統(tǒng)、新能源云等相關(guān)應(yīng)用業(yè)務(wù)功能。三是承載業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)需求：不同采集終端和應(yīng)用終端在運(yùn)行過程中，為發(fā)揮其功能作用，對網(wǎng)絡(luò)寬帶和時延有著不同的需求，其中部分終端的具體需求見表1。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)功能

在云網(wǎng)融合過程中，突出強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)智能化、網(wǎng)絡(luò)可用性的實(shí)現(xiàn)，關(guān)注網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)的柔性適配和網(wǎng)絡(luò)安全性等方面內(nèi)容[2]。電力系統(tǒng)IPv6改造升級過程中，應(yīng)當(dāng)以信息云端信息化處理方法為參考，基于數(shù)字技術(shù)，構(gòu)建信息化支撐架構(gòu)體系。由于網(wǎng)絡(luò)功能的改造升級對網(wǎng)絡(luò)的靈活性提出更高要求，須不斷提高交付能力。

所以，為了提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效果，應(yīng)當(dāng)按照云端情況，配置相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，按照云需求，優(yōu)化彈性配置效果，打造從端到端的網(wǎng)適配云的模式，升級云服務(wù)功能效果，實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)的真正融合。云網(wǎng)融合中，網(wǎng)絡(luò)性能主要強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)寬帶、網(wǎng)絡(luò)覆蓋等指標(biāo)參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)智能性和網(wǎng)絡(luò)可用性，主要包括網(wǎng)絡(luò)可編程能力、網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)故障快速分析以及網(wǎng)絡(luò)的差異化保障和SLA 保障等；柔性適配性主要強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的供給程度、網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力和高速開通效果等；網(wǎng)絡(luò)安全中重點(diǎn)包括身份安全、協(xié)議安全、地址安全、標(biāo)識安全等。

2.2 基礎(chǔ)架構(gòu)改造設(shè)計

本次電力系統(tǒng)IPv6改造升級，選擇雙棧改造技術(shù)，重點(diǎn)改造網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、主機(jī)終端等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置。在雙棧改造技術(shù)運(yùn)行過程中，核心設(shè)備發(fā)揮其支持功能和作用，將智能轉(zhuǎn)換器接入系統(tǒng)中，鏈接路由器，并配置兩套不同的網(wǎng)絡(luò)IP 地址，同時接入內(nèi)網(wǎng)。經(jīng)升級改造的IPv6可對電力企業(yè)的相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行訪問。在電力系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)，新建IPv6系統(tǒng)域，將邊界部署IPv6和IPv6雙棧協(xié)議智能轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)接入其中，對IPv6業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行重新規(guī)劃，使得全部辦公終端可以對IPv6系統(tǒng)進(jìn)行訪問。在此基礎(chǔ)上，利用智能探針，對互聯(lián)網(wǎng)流量相關(guān)信息進(jìn)行分析，通過運(yùn)營商、域名等不同維度，監(jiān)控并統(tǒng)計，實(shí)時掌握IPv6流量變化趨勢，以此為參考，進(jìn)行流量模型和容量管理。

基礎(chǔ)架構(gòu)改造期間，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中配置IPv6和IPv4協(xié)議棧，通過雙棧技術(shù)，利用服務(wù)器、交換器、路由器網(wǎng)絡(luò)子設(shè)備，高效處理不同的協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)包信息，終端主機(jī)再按照數(shù)據(jù)包頭IP 地址，確定哪一協(xié)議可以運(yùn)行，進(jìn)行數(shù)據(jù)包和信息的發(fā)送或接收過程。針對臨近網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)部位進(jìn)行集中改造時，部署4over6隧道，實(shí)現(xiàn)IPv4向IPv6網(wǎng)絡(luò)終端的接入；針對外掛IPv6通信模塊，在改造過程中，對具備IPv4網(wǎng)絡(luò)功能的終端，增加附加模塊，實(shí)現(xiàn)IPv4向IPv6網(wǎng)絡(luò)終端的接入。電力系統(tǒng)IPv6的改造初始階段，須借助通信設(shè)備，對其改造升級，使其可以對不同協(xié)議棧發(fā)揮支持作用，同時封裝和處理不同的數(shù)據(jù)包，即便兩個協(xié)議棧相互獨(dú)立，也可完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)包處理工作。在此過程中，具體的TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)體系見表2。

2.3 地址規(guī)劃

IPv6地址規(guī)劃過程中，首先要設(shè)計科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)方案，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，保證形成的地址信息匹配拓?fù)涞南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)。在此過程中，充分利用IPv6空間，體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)主體的便捷性、拓展性和層次性特點(diǎn)，高效聚合和完善網(wǎng)絡(luò)路由，滿足多元化路由需求，并有效控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中路由器的規(guī)模，減少硬件運(yùn)行的損耗，減少內(nèi)存與CPU 消耗，進(jìn)而優(yōu)化路由算法，提高運(yùn)行效率，提升網(wǎng)絡(luò)地址的管理效果[3]。在實(shí)際操作過程中，可在電力企業(yè)的特定網(wǎng)絡(luò)中，按照企業(yè)的經(jīng)營模式和業(yè)務(wù)情況，將IPv6地址進(jìn)行科學(xué)配置。通過合理設(shè)置IPv6地址，結(jié)合專業(yè)算法，按照固定前綴，生成接口標(biāo)識，形成多位IPv6地址，具體分級體系見表3，在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)展DHCP 協(xié)議，防范源地址偽冒問題。

表3 IPv6地址規(guī)劃中的128位分級體系

2.4 DHCP 動態(tài)地址分配協(xié)議設(shè)計

為了促進(jìn)IPv6 DHCP 服務(wù)功能發(fā)揮作用，主要通過在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)專區(qū)中，集中化部署安排IPv6 DHCP 服務(wù)器的方式進(jìn)行，選擇專業(yè)化服務(wù)器，結(jié)合電力企業(yè)運(yùn)行需要，對其進(jìn)行統(tǒng)一運(yùn)行管理。此外，還可通過本地部署IPv6 DHCP 服務(wù)器的方式，實(shí)現(xiàn)服務(wù)功能，以此充分發(fā)揮IPv6 DHCP 服務(wù)器運(yùn)行優(yōu)勢，保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定安全，進(jìn)一步提高IPv6地址下發(fā)過程的整體安全性和高效性。

2.5 DNS 域名系統(tǒng)設(shè)計

DNS 域名系統(tǒng)主要為IPv4地址向IPv6地址過渡的重要服務(wù)載體，也是系統(tǒng)核心服務(wù)的不斷升級體現(xiàn)。在IPv6不斷升級更新的條件下，IPv6協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層次越來越豐富，借助該條件，進(jìn)行域名系統(tǒng)設(shè)計，可發(fā)揮突出作用。從域名系統(tǒng)的下部結(jié)構(gòu)考慮，IPv6協(xié)議棧和IPv4協(xié)議棧二者基本相同，通常企業(yè)都采用樹形結(jié)構(gòu)空間，呈現(xiàn)出一致的域名標(biāo)記特征。而通過域號申請的實(shí)現(xiàn)，企業(yè)也可以同時對多種IPv6地址和IPv4地址實(shí)現(xiàn)同時綁定。

由于本次IPv6改造升級的技術(shù)采用了雙棧技術(shù)，因此利用區(qū)域號系統(tǒng)服務(wù)器就可以對IPv4服務(wù)器地址與IPv6服務(wù)器地址實(shí)現(xiàn)同時分析。在IPv4協(xié)議棧下，端口可解析DNS，此時域名服務(wù)會向端口的應(yīng)答者及時發(fā)送服務(wù)信息，而端口在得到IPv4地址之后，便會對其解析，從而形成可以和IPv4地址相關(guān)聯(lián)的session 會話。同時，IPv6協(xié)議棧下，終端可對DNS解析處理，域名系統(tǒng)也會在此過程中不斷向終端傳輸數(shù)據(jù)記錄，使終端獲取對應(yīng)地址信息并對其分析處理，建立針對性的、可以關(guān)聯(lián)服務(wù)器的session 對話。

2.6 應(yīng)用系統(tǒng)升級改造

IPv4/IPv6智能轉(zhuǎn)換平臺，可實(shí)現(xiàn)在IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)多項(xiàng)功能的轉(zhuǎn)換，主要體現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)翻譯的互通轉(zhuǎn)換功能，如通信協(xié)議翻譯等，是一種典型的網(wǎng)絡(luò)互通平臺類型。智能轉(zhuǎn)換平臺，主要翻譯并轉(zhuǎn)換傳輸層和網(wǎng)際層的協(xié)議信息。TCP/IP 參考模型主要由網(wǎng)際層、接口層、應(yīng)用層和傳輸層構(gòu)成，由參考模型發(fā)揮主要作用，完成IP 地址轉(zhuǎn)換等工作。智能轉(zhuǎn)換過程，有效解決了網(wǎng)絡(luò)資源需求互聯(lián)訪問問題，促進(jìn)IPv4和IPv6的數(shù)據(jù)信息共享和互聯(lián)互通。對于電力系統(tǒng)而言，IPv6的升級改造，應(yīng)當(dāng)對應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行同步改造，使得智能轉(zhuǎn)換平臺，既能夠達(dá)到IPv6信息孤島和IPv4之間的互訪功能，又能夠有效解決IPv4互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)無法訪問IPv6用戶的問題，實(shí)現(xiàn)彼此互聯(lián)效果。

2.7 IPv6升級改造應(yīng)用方案

為支持IPv6升級改造，使得其在電力系統(tǒng)中發(fā)揮作用，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可利用異地互備控制器建設(shè)新型路由器，支持新技術(shù)的應(yīng)用，在主控制器的統(tǒng)一調(diào)度下，全面控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。若檢測到系統(tǒng)異常，自動切換到備用控制器，針對性管理異常故障問題。在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，可使用控制器，進(jìn)一步控制網(wǎng)絡(luò)流量和智能調(diào)度等功能，高效維護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)行電力系統(tǒng)的巡檢工作等，在數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)管的支持下，升級業(yè)務(wù)開通功能。通過SDN 改造的逐步完善，不斷豐富SDN 控制器功能，使其對數(shù)據(jù)網(wǎng)管功能統(tǒng)一搭配，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的綜合管理。

一是SDN 控制器選型。根據(jù)IPv6升級改造后的運(yùn)行需求，在選擇SDN 控制器時，可以選擇路由器廠家所提供的類型，也可跨廠家選擇并加以管控。當(dāng)前，路由器廠家可提供的SDN 控制器，只能用來管理自家產(chǎn)品，且只有該廠家的路由器才能在控制區(qū)域內(nèi)發(fā)揮其管理控制功能。跨廠家的SDN 控制器，在不少電力企業(yè)中已經(jīng)有所實(shí)踐，且在多個試點(diǎn)驗(yàn)證下，充分證明了單層控制器架構(gòu)和相應(yīng)的設(shè)備解耦技術(shù)能夠有效發(fā)揮其作用，保證結(jié)構(gòu)簡潔的同時，提高業(yè)務(wù)發(fā)放效率和故障處理效率，能夠有效完善SDN 控制器的開發(fā)選型，支持改造升級后的IPv6技術(shù)功能。

二是軟件配置。SDN 控制器主要由數(shù)據(jù)采集層、適配分析層、功能服務(wù)層等部分構(gòu)成，為多層架構(gòu)軟件。其中，適配分析層，主要利用多個管理協(xié)議，獲得不同廠家設(shè)備信息，全方位收集采集網(wǎng)絡(luò)IP 中的設(shè)備流量、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能等相關(guān)數(shù)據(jù)。