电力系统网络及设备的SDN演进研究

时间：2024-05-04

李芹黄鑫李文猛仇勇施玉祥

摘要：智能电网的建设发展催生了大量的电力新业务，电力系统网络和设备面临巨大的挑战，传统的网络和设备逐渐跟不上电力新业务的发展。在分析电力系统业务与网络设备发展现状以及SDN/NFV技术特点的基础上，将电力系统网络设备划分为两种模型：传统网络设备模型和SDN/NFV网络设备模型，提出了电力系统网络及设备在控制平面和数据平面的演进原则，总结了电力系统网络及设备的演进方向，给出了电力系统内应用SDN/NFV网络设备模型的应用案例设计和分析，为电力系统网络及设备的发展及建设提供参考。

关键词：紧耦合;SDN;控制器;NFV;Openflow

中图分类号：TP393

文献标志码：A

0 引言

电力系统通信网络的建设覆盖整个电力生产过程，包括电能的发、输、变、配、用及调度等各个环节的实时系统，支撑电网的安全和可靠运行。随着智能电网的建设发展，电力信息化建设的深入，电力新业务的不断增加，大能源思维与大数据思维的融合驱动电力系统迈入电力大数据时代[1-3]。电力新业务的发展，给电力系统网络及设备带来了前所未有的压力：电力系统网络区域覆盖广阔，网络设備种类繁多，缺乏集中统一管理，维护难度高;新业务数据量增长导致电力系统网络链路带宽受限，带宽利用率低，业务网络复杂度提升，流量调度困难，难以灵活部署关键的业务。传统的电力网络及设备作为一种封闭式的系统，已逐渐跟不上电力新业务的发展需求，这些都给智能电网的深入发展带来了诸多的挑战。

技术的变革推动着网络及设备业务架构的更新换代，随着开放、便于互操作的基础设施和解决方案快速得到采用，随着SDN技术的发展，提出了“软件定义电网”的概念来解决电网与设备的紧耦合问题以及网络设备软件与硬件的紧耦合问题[4]。

通过分析电力系统业务的发展需求，结合SDN体系架构的技术特点，提出了电力系统网络及设备的在控制平面及数据平面发展和演进原则，给出应用案例描述与分析，为SDN技术在电力系统的应用发展提供参考。

1 电力系统业务与网络设备发展现状

电力系统业务按功能主要可以分为以下几类业务：生产控制业务、管理信息业务以及话音视频业务等，各种类型的业务特点不同，要求也不尽相同。

生产控制类业务多为低速数据，对带宽要求不高，业务速率相对稳定，但业务实时性要求高，其中遥控、遥调等业务更是与电网安全直接相关，可靠性要求较高，是电力系统较为特殊的一类窄带业务。

管理信息类业务数据具有很强的突发性，带宽要求较高，覆盖了除生产控制类的以外的所有数据类业务，但对于实时性的要求不高。

话音视频类业务大多基于IP平台，对带宽要求较高，为保证语音的通话效果和视频传输的质量，必须保障该类数据传输的实时性。

由于电力系统业务性质的不同，目前电力系统构建了电力调度数据网和综合数据网分别承载不同类别的业务[5]，一般采用三层网络架构，核心、汇聚/骨干和接入，主要由传统的交换机和路由器网络设备组成。

在由交换机和路由器组成的传统的网络架构中，底层流量无论是靠二层MAC地址转发还是靠三层IP地址路由，这些转发规则对上层业务来说都是透明的，这种透明性可以说是传统网络架构的特性，为上层服务提供了方便，但是也为上层业务按需使用底层网络资源造成了障碍，同时也给网络的维护和扩展性带来不便。

随着智能电力系统和电力企业信息化建设的推进以及分布式能源的不断发展，电力系统数据的体量将以前所未有的速率增长，这将给传统电力网络及设备带来巨大的挑战。电力系统上层业务应用的发展对底层网络设备技术的发展提出了更高的要求。SDN作为一种新型的网络体系架构，旨在实现上层业务应用对底层网络资源的直接控制与使用，可以解决电网与设备的紧耦合问题。SDN网络架构的出现为电力系统网络设备技术的发展提供了一种新思路。

2 SDN技术特点

SDN的核心是实现应用程序直接控制和使用底层的网络资源，并且有一套开放的控制平面协议和开放的控制平面接口，包括北向接口（ Northbound Interface.NBI）和南向接口（也称为控制平面接口，Control-Data-Plane Interfaces，CD-PI），用来实现应用程序对底层资源的控制和使用，另外还需要控制器通过北向接口向应用程序进行反馈。SDN的网络架构图如图1所示。

由图1可看出，SDN架构体系采用了集中控制与转发分离的基本原则，应用程序通过控制器可直接命令SDN执行器进行数据转发和功能处理。目前较为流行的南向标准接口是Openflow，北向接口为Openstack，这些均为开源技术[6]。

应用程序（APP）对底层数据平面网络资源的分配，需对底层资源进行统筹规划使用，以避免资源的冲突与重叠。

与SDN相近的另一个概念是网络功能虚拟化（NFV），通过整合标准化的虚拟化技术将各种不同的网络设备嵌入到大容量的服务器、网络和存储中。NFV的最终目标是，通过基于行业标准的x86服务器、存储和交换设备，来取代网络中的私有专用的网元设备，通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，从而实现资源的充分灵活共享，新业务的快速开发和部署。

NFV与SDN虽然是是两个相互独立的概念，但在使用中存在一定的交集，采用SDN架构实现的NFV，可以工作的更为流畅和高效。Google在数据中心部署SDN，使得网络利用率接近100%。从已部署SDN网络的成功经验来看，SDN架构有可能减低30%-40%的总体拥有成本和60-80%的运行维护成本，可以提高约1倍左右的网络吞吐量。

技术有自己的“进化方向”和“行事逻辑”，具有“正反馈机制”和“自增强机制”[7]，在电力系统技术发展及其正反馈机制的大趋势下，电力系统网络及设备也在朝着SDN/NFV的方向发展演进，目前正在制定的IEC61850系列的国际标准中，已经在讨论SDN纳入电力系统通信网络体系中。

3 电力系统网络及设备的发展

电力系统网络设备随着电力系统业务需求的发展经历了从低速到高速、从多类型逐渐稳定至IP传输的发展过程。这里将电力系统网络设备划分为两类模型：传统网络设备模型和SDN/NFV网络设备模型。

3.1 传统网络设备模型

目前电力系统采用的是传统的网络模型，基于特定硬件构建网络功能，硬件与软件紧耦合，每个节点实现特定的网络功能，网络设备的类型在物理硬件上进行区分，比如路由器、交换机、防火墙等，各种类型的设备根据网络规划需求工作于特定的网络层次。路由器是传统网络模型中的典型代表设备，以路由器为例，其架构体系发展大致经历了集中式和分布式两种[8-10]，从设备内的集中管理、控制和转发，发展为设备内分布式的管理、控制与转发。

集中架构的设备，所有的数据报文和协议报文都必须经过CPU处理，因此会导致设备存在单点故障，存在处理瓶颈。分布式架构，实现了控制平面与数据平面的分离，数据报文和协议报文各有专门的CPU进行处理，避免了出现单点故障的可能。

从集中式到分布式的架构，理论和实际上解决了集中式架构由于CPU及总线帶来的瓶颈，增强了业务处理效率及处理能力，增强了网络设备的纵向可扩展性，但并未打破传统网络设备控制平面和数据平面、硬件与软件的紧耦合状态。

随着智能电网和分布式能源的快速发展，电力系统新业务类型不断扩展，业务接入点大量增加，采用传统网络设备模型，需要根据业务需求分析，筛选合适的组网方案，选取合适的网络设备，提出网络设备性能、功能要求，进行大量、多类型的网络设备扩容配合，并根据具体的业务场景具体配置网络设备的接口、协议和功能，工作量大，业务部署周期长。

3.2 SDN网络设备模型

SDN是一种集成的、可编排的网络生态系统，改变了传统网络设备的控制模式，针对不同的使用需求，建立服务层级协议，结合NFV技术，使得用户在统一的硬件平台上，在存取服务的同时，获得应有的保障，减少设备间的复杂连线，提高资源的利用率，减少设备空间占用、能源消耗，大大缩减业务的安装部署时间。

这里提出的SDN/NFV网络模型，可以理解为基于通用硬件实现特定应用功能，每个节点可实现多个功能，在统一硬件平台上由软件区分网络设备类型，如图4所示。一般情况下，统一的硬件平台相对独立，中间层的SDN控制器和上层的应用程序可存在于相同或不同的物理设备内，这样就解决了传统网络设备存在的硬件与软件紧耦合的问题，同时也可获得有效的故障保证机制。

这种SDN的网络设备模型较传统的网络模型来讲，具有以下优势：

——硬件平台趋于归一化，可大大减少网络设备硬件类型，弱化设备的硬件影响，解除了软件与硬件的紧耦合;

——弱化设备类型的边界，在同一硬件平台上通过软件实现不同网络或系统功能，或将不同的网络功能与系统协同工作;

——实现网络设备的空间分离，控制、管理和转发不局限于一个物理设备内部，扩展了网络设备的横向功能分布与联络;

——通过统一和标准化降低设备成本及能耗，减少网络设备的创新周期，加快其市场化进程。

SDN的网络模型是电力系统网络设备发展的趋势，利用SDN/NFV技术进行边缘网络网元的改造，进行接入网功能的虚拟化，可缩短新业务的部署周期，大大减少相应的工作量。

3.3 网络设备在电力系统的演进分析

从传统网络设备模型到SDN/NFV的网络设备模型的发展，不是一蹴而就的过程。电力系统不同业务类型对于安全性、可靠性、传输时延等方面有着不同的需求，在经过批量试点和完全性检测验证之后，新的网络设备模型才能够大量使用，因此电力系统网络设备演进到SDN/NFV模型还需要相对长的一段过渡时间。

12RS（Interface to the Routing System）路由系统接口，是IETF参与SDN提出的草案，目的是在传统的路由器的控制层面上提供一个北向接口来与外部控制层通信，外部控制层通过设备反馈的事件、拓扑变化、流量统计等信息来动态地下发路由状态、策略等到各个设备上去[11-13]。I2RS沿用了传统网络设备中正在使用的路由、转发等结构与功能，并在此基础上进行功能的扩展与丰富。相对于用新的架构来完全取代现有控制层面的技术，12RS是在传统路由器上实现SDN的一个折中方案，也是一种过渡方案。针对电力典型的MPLS纵向网络以及按VPN进行业务划分的模式，可以通过部署特定的应用程序，如流量调度APP、网络分析APP、自动部署APP和MPLS VPN管理APP等应用，实现基于用户策略和VPN对业务进行精细化的选路控制，流量智能化调度，从而简化网络运维管理，提升链路利用率，有效保障关键业务端到端的网络服务质量。

关于基于SDN/NFV架构网络设备的测试与性能、功能以及安全性验证方面，目前思博伦（SPI-ERNT）、IXIA等网络测试仪制造商均可提供针对南向接口openflow协议、NFV虚拟化设备以及SDN控制器相关测试套件，可测试SDN/NFV网络设备的性能、功能、可靠性、一致性、互通性等。这些都为SDN/NFV网络设备模型在电力系统应用发展奠定的基础。

总的来讲，电力系统网络及设备的演进主要在于控制平面和数据平面这两个平面，追求的目标是更好地控制网络，把网络控制模块化，对网络控制平面进行适当的软件抽象，使之可演进。

（1）控制平面演进的主要核心原则

控制平面演进的核心原则可总结为：虚拟隔离、深度可控、面向大网。控制平面重点解决资源统一抽象与网络虚拟化。基于三维网络资源抽象技术，对底层资源进行毫秒级的感知与检测;支持虚网划分、流量隔离、带宽隔离、虚网映射，支持大规模并行实验和破坏性测试的需求，支持虚网切片的分钟级创建与删除;基于服务编排与适配技术，为用户提供1-7层的网络实验能力;实现跨地域大规模组网，整网实现流量管控。

（2）數据平面演进的核心原则

数据平面演进的核心原则是：开放式的态度，演进式的发展。支持多种可编排技术，支持多种数据平面的设备，可编程虚拟化路由器、Openflow设备、广义SDN的路由器、交换机、VODP（虚拟开放数据平面）等。

电力系统网络最终的演进方向应是SCN（Service Customized Network，服务定制网络），由应用的需求驱动网络结构的编排，由服务化（计算、存储、传输资源消化）、虚拟化（统计复用、Qos按需保障等）和智能化（深度感知分、动态智能调度等）三部分有机结合，网络控制平面通过服务转发表项实现一定的服务功能。

4 电力系统SDN/NFV应用案例设计

随着电力新业务的增加以及“三集五大”建设的完成，内部应用系统不断增多，为实现各类系统可靠、安全的运行以及各类信息、数据的备份容灾，数据中心的扩容、建设成为迫切需求。电力系统数据中心的特点及应用需求是SDN落地应用最佳切入点。这里给出了基于SDN技术设计的电力数据中心方案，拓扑如图5所示。

由图5可看出，该方案采用分区设计，将数据中心分为SDN接入区、SDN汇聚区和SDN核心区。核心区实现数据中心内部网络互通及周边功能区域的连通以及资源的调度与管理。在核心交换机下，部署两台云安全防护网关，保障整个SDN数据中心南北向的安全防护。采用NFV技术设置多个相互独立的虚拟防火墙系统，实现路由协议，网络地址翻译（ NAT），状态检测，IPSECVPN，攻击防范等安全业务功能，为数据中心东西向的流量提供安全防护，并可根据实际业务情况，动态调整各虚拟防火墙系统的资源占用。

SDN接入区的SDN控制器以集群方式部署，通过混合虚拟可扩展局域网（ VxLAN）技术，将基于VLAN技术的云计算网络通过核心交换机转换接入VxLAN网络，实现对整个三层数据中心网络资源的统一管理。SDN汇聚区的SDN汇聚器作为VxLAN网络与VLAN网络设备的三层转换设备，通过与核心交换机互通，实现东西向网络资源的拉通，同时也可实现与原有传统网络设备的网络层拉通。

通过采用SDN技术，本方案横向融合传统网络，通过集中控制的方案简化网络架构、简化运维、实现对网络、对应用的感知，最终可实现面向应用的网络自动化运维，统一简化网络管理。

5 结论

电力系统网络设备演进的方向是在保证网络稳定性和业务可靠性的前提下实现全网路径、业务、数据的全面监管，从服务层面和控制层面来看网络，实现基于控制器的应用规划。SDN网络模型架构已是现在进行时的演变趋势。结合电力业务系统进行的对比测试，在SDN网络架构模型下，可大大提高网络的带宽利用率，降低新业务的上线时间，提供较好的业务部署和运维体验。SDN这种新型网络架构以其独特的优势在越来越多的行业中得到应用，随着SDN网络越来越多，如何让SDN网络与传统网络协调工作是一个值得关注和思考的问题。

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