基于PTN技術(shù)的配電通信網(wǎng)隔離度評估研究

薛 金，余 江，常 俊，施繼紅，練柱先

（云南大學(xué)信息學(xué)院，云南 昆明 650091）

0 引言

根據(jù)國家電力監(jiān)管委員會5號令（電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定），電力二次系統(tǒng)安全防護工作應(yīng)當(dāng)堅持安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證的原則，以保障電力監(jiān)控系統(tǒng)和電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的安全。電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)上承載電力生產(chǎn)的專用業(yè)務(wù)，其安全性一定要得到保障。邁向智能電網(wǎng)的關(guān)鍵一步是建立先進的通信系統(tǒng)，這樣才能保證智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護和控制的需求[1]。隨著發(fā)展當(dāng)微電網(wǎng)直接并入配電網(wǎng)時，原有通信規(guī)范應(yīng)考慮微電網(wǎng)對配電通信網(wǎng)的影響[2]。文獻[3]對智能電網(wǎng)的信息通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)作了介紹，并提出了智能電網(wǎng)的信息通信系統(tǒng)，但是對于智能電網(wǎng)信息通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型及方案仿真技術(shù)并沒有涉及。文獻[4]可以實現(xiàn)信息的交互，但是存在安全漏洞，并且數(shù)據(jù)的傳輸時延不可控，這樣對于實時性要求很高的報警信息的傳輸就存在缺陷。近期有關(guān)智能配電網(wǎng)的技術(shù)以及融合網(wǎng)絡(luò)隔離效果的研究就更少了[5-6]。本文通過利用信息論中的互信息),(YXI的含義，即收到某業(yè)務(wù)信息Y后獲得關(guān)于另一業(yè)務(wù)事件X的信息量，也相當(dāng)于兩個隨機變量之間的統(tǒng)計約束程度。由此，可以看出當(dāng)),(YXI為0時，即他們之間的約束程度為0，而這時可以定義整個通信網(wǎng)的隔離度為1。依次可以類推隨著約束度的增加，網(wǎng)絡(luò)的隔離度隨之降低?；诖朔N理論，本文綜合考慮影響網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的各個因素以及外部環(huán)境對隔離度估計模型進行了理想化、合理化的構(gòu)建和定義，以確?？梢詼?zhǔn)確、完整、有效地構(gòu)建出一種科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)隔離度評估模型。本文的評估方法的構(gòu)建和智能配電網(wǎng)的隔離度效果的驗證，對未來的智能電網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)信息安全隔離研究有十分重要的現(xiàn)實意義以及啟迪效果。

1 PTN智能電網(wǎng)中的隔離度

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，PTN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的日益完善，使得PTN成為智能電網(wǎng)傳輸網(wǎng)建設(shè)中的一大重點及熱點問題。PTN 采用了基于路由器構(gòu)架的分組內(nèi)核，擁有無阻塞的大容量信元交換單元，不但提高了標(biāo)簽信息分組交換能力，同時保證了電力多種業(yè)務(wù)（數(shù)據(jù)、視頻、多媒體等業(yè)務(wù)）系統(tǒng)的低時延、抖動的嚴(yán)格QOS 要求，很好的滿足電網(wǎng)對業(yè)務(wù)信息的實時性要求。還通過采用端到端偽線仿真PWE3 技術(shù)，可以很好地支持高帶寬的FE、GE 以及傳統(tǒng)的E1、ATM數(shù)據(jù)通道，滿足了電力通信網(wǎng)中的多種業(yè)務(wù)的接入能力。通過IEEE 1588V2 技術(shù)為電網(wǎng)的多種實時業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了時鐘同步的可靠保證[7-8]。PTN技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用的卻帶來便捷和優(yōu)勢，但是這種基于PTN技術(shù)構(gòu)建的智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)雖然在理論上安全性很好、隔離效果不錯，但是其隔離程度到底能達(dá)到怎樣的級別以及這個級別怎么來定義一直以來都是一個值得研究的問題。

網(wǎng)絡(luò)隔離方法作為一種網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，是在可信網(wǎng)絡(luò)之外和保證可信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息不外泄的前提下以及把有害的攻擊和外來業(yè)務(wù)隔離開，以完成網(wǎng)絡(luò)間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全交換和有效傳輸?？梢妼τ谥悄茈娋W(wǎng)中的多業(yè)務(wù)傳輸以及業(yè)務(wù)之間的分離單獨傳輸具有很重要的意義，在以PTN技術(shù)建立的智能配電通信網(wǎng)系統(tǒng)中，通過建立LSP、PW等數(shù)據(jù)通信方式使得數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以在共享同一通道進行數(shù)據(jù)的傳送，并通過設(shè)置VPN、VLAN使得數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在傳輸過程中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隔離，以滿足業(yè)務(wù)的隔離有效傳輸。無論什么形式的網(wǎng)絡(luò)隔離，最終一定是要落實到數(shù)據(jù)或信息上的隔離，并且任何形式的隔離都是相對的，而不是絕對的隔離。這就存在一個隔離程度問題，當(dāng)然PTN智能配電網(wǎng)也同樣面臨著這樣一個問題，這就需要我們建立一個可信的、科學(xué)的數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)方法來評估通信網(wǎng)絡(luò)中的隔離程度，即對隔離度進行量化，從而讓大家對某一種通信網(wǎng)的隔離效果達(dá)到感官上的認(rèn)識。

在PTN的智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是通過在建立網(wǎng)絡(luò)時設(shè)置好的虛擬通道或隧道進行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送的，對于智能電網(wǎng)中的自動化、集抄、視頻等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)同樣也是事先在設(shè)備中已經(jīng)配置好的VPN、VLAN來傳送的。在這種情況下可以把在智能電網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)與設(shè)置好的虛擬通道（VLAN、VPN）看成是綁定關(guān)系或者一一對應(yīng)關(guān)系。因此，針對PTN智能配電網(wǎng)中的隔離度估算問題，也就是通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)或者信息的隔離度，從本質(zhì)上講也就是一種數(shù)據(jù)的邏輯隔離估計問題。可以通過數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的邏輯隔離估算來替代，兩者是同一網(wǎng)絡(luò)隔離實質(zhì)下的不同概念。對于數(shù)據(jù)的邏輯隔離度是指傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)在共享信道傳輸過程中，其中一個特定的業(yè)務(wù)在共享信道中的某一個虛擬通道中的高度匯聚的程度，從而形成了這一類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在共享信道中的達(dá)到了邏輯隔離的狀態(tài)。這種高度匯聚程度的大小就是本文所講的隔離度。

2 信息網(wǎng)絡(luò)隔離度估計模型

通過文獻[9-10]，可以知道進行網(wǎng)絡(luò)隔離的目的是因為安全的威脅所造成的，而隔離所要達(dá)到的目的就是保證數(shù)據(jù)具有完整性并且外部的數(shù)據(jù)無法通過網(wǎng)絡(luò)侵入到內(nèi)部網(wǎng)中，同時阻止內(nèi)部網(wǎng)信息通過網(wǎng)絡(luò)連接泄漏到外部網(wǎng)中，而對于網(wǎng)絡(luò)的完整性來說是指信息在傳輸過程中可以保持不被修改、不被破壞和不丟失。也相當(dāng)于在網(wǎng)絡(luò)中傳輸信息時各種影響網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)與另外一個信道的有無是沒有任何關(guān)系的。基于此，可以通過網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的變化間接地反映出網(wǎng)絡(luò)信道之間的隔離效果。

對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的邏輯隔離度大小產(chǎn)生影響的指標(biāo)如下。（A）丟包率：傳輸過程中損失的包數(shù)與發(fā)送的總包數(shù)之間的比值；（B）延遲：數(shù)據(jù)分組的最后一位從源結(jié)點到它通過網(wǎng)絡(luò)送至目的結(jié)點所用的時間；（C）抖動：指在依次傳送的相鄰兩個幀或包的轉(zhuǎn)發(fā)時延之差的絕對值；（D）吞吐量：指在單位時間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量；（E）誤碼率：傳輸中的誤碼數(shù)量與所傳輸?shù)目倲?shù)之間的比值。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的邏輯隔離的實質(zhì)，就是要保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在傳輸過程中以及在數(shù)據(jù)接收時，都可以使各個數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)按照設(shè)定的傳輸路徑進行傳送。但是由于網(wǎng)絡(luò)不確定性的存在，以及任何隔離都是相對的條件下，這就使得測量隔離度具有了很強的實際意義。

本文提出一種性能關(guān)聯(lián)變化頻率的隔離估計法對通信網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)信息的邏輯隔離度進行估計。當(dāng)某一隨機信息在通信網(wǎng)絡(luò)中的某一信道隨機通信，可知在此情況下，不同信息之間就有可能產(chǎn)生相互的影響，從而產(chǎn)生信息的相互交錯以及干擾，在此基礎(chǔ)上，可通過對信息的性能參數(shù)指標(biāo)的變化頻率的互信息來進行隔離度估計。在此基礎(chǔ)上，本文給出以下網(wǎng)絡(luò)隔離的概念。

定義1 就是通過禁止網(wǎng)絡(luò)之間的有效信息資源的共享，從而防止一個網(wǎng)絡(luò)上的信息泄露到另一個網(wǎng)絡(luò)上去，以保證各自的信息是相互獨立并有條不紊地在網(wǎng)絡(luò)上進行數(shù)據(jù)傳輸。

定義2 數(shù)據(jù)的邏輯隔離是指傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)在共享信道傳輸過程中，其中一個特定的業(yè)務(wù)在共享信道中的某一個虛擬通道中的高度匯聚的程度，從而形成了這一類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在共享信道中的達(dá)到了邏輯隔離的狀態(tài)。

對于要評估網(wǎng)絡(luò)的隔離度來講，可以通過計算兩類信息造成的隔離問題來評估整個通信網(wǎng)的隔離度大?。海?）網(wǎng)絡(luò)通信過程中自身的隔離問題；（2）外來攻擊引入的隔離問題。本文主要研究的是第一種情況下的隔離度問題，也是網(wǎng)絡(luò)隔離問題中最主要的。網(wǎng)絡(luò)隔離度記作)(XW，其中表示某一信道中的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)中的吞吐量、時延、抖動、丟包率、誤碼率在另一變化量影響下的變化量的互信息值，指這一信道受另外因素的影響程度的大小，分別代表某一信道在另一信道加入信息量以后，其網(wǎng)絡(luò)中吞吐量、時延、抖動、丟包率、誤碼率的變化頻率熵，其隔離度的關(guān)系表達(dá)式為

其中，i指傳輸時刻，指每一時段吞吐量、時延、抖動、丟包率、誤碼率的變化率，YΔ 指另一信道的信息在傳輸過程中的自身變化率，指在另一信道的影響下，信道中信息的吞吐量、時延、抖動、丟包率，誤碼率的變率,,指信息在傳輸過程中各指標(biāo)的變化的頻率大小，指在另外一信道有傳輸流量的影響下各個指標(biāo)發(fā)生變化的頻率，),(ZXI指的是X和Z的互信息量，這里的Z指網(wǎng)絡(luò)攻擊事件，本文對其大小假設(shè)值為0。

假定在理想狀態(tài)下通道X和通道Y是純物理隔離，那么通道Y在任何傳輸速率下都不會對通道X造成影響。也就是說，在純物理隔離狀態(tài)下，通道Y對通道X計算出的互信息值為0，其隔離度為1。那么如果通道X對通道Y不完全隔離，通道X對通道Y計算出的互信息值將不為零。根據(jù)互信息的概念，如果通道X對通道Y的相關(guān)性越大，互信息值將越大，根據(jù)隔離度定義所計算得到的值也將越小。文中的隔離度是介于0-1之間的數(shù)，“0”代表隔離性很差，“1”代表隔離性很好即完全隔離狀態(tài)。

3 隔離度估計實例

依據(jù)本文提出的隔離度量化方法，對南方電網(wǎng)云南分公司的電力通信網(wǎng)的架構(gòu)方案，利用OPNET仿真工具實時性模擬仿真并對統(tǒng)計結(jié)果進行隔離度評估，得出客觀評估結(jié)果。云南電網(wǎng)公司組建的PTN配電通信網(wǎng)實驗網(wǎng)為模型，其設(shè)計如圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為三層：骨干核心層、匯聚層和接入層。核心層采用一臺PTN設(shè)備（具有MPLS特性的原型設(shè)備，它也是匯聚層PTN環(huán)網(wǎng)的節(jié)點。匯聚層由五臺PTN設(shè)備組成兩個1000Mb/s的PTN環(huán)網(wǎng)。接入層使用3臺PTN設(shè)備作為接入點和多套寬帶PLC、Zigbee作為集中器，以及無數(shù)終端設(shè)備。PTN配電通信系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)綜合通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Network architecture diagram of communication system

本次通信系統(tǒng)的骨干層及匯聚層采用PTN設(shè)備，因此，在匯聚層應(yīng)構(gòu)建三層以太網(wǎng)交換機網(wǎng)絡(luò)，并將該網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)接入骨干層PTN設(shè)備，在主站端監(jiān)測通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。測試不同技術(shù)的隔離度，不同的接入層-匯聚層組網(wǎng)方式多樣性對隔離度的影響，本次試驗網(wǎng)絡(luò)要探索在怎樣的組網(wǎng)方式下，能實現(xiàn)最好的業(yè)務(wù)隔離度。對于接入層網(wǎng)絡(luò)與匯聚層網(wǎng)絡(luò)的接入有兩種方式：

一是直接將不同網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)接入至PTN或具有MPLS特性的設(shè)備，該方式能更加充分地發(fā)揮MPLS技術(shù)的業(yè)務(wù)隔離優(yōu)勢，但也要求PTN設(shè)備有較多的業(yè)務(wù)接入接口。

二是將業(yè)務(wù)接入到就近的二層工業(yè)以太網(wǎng)交換機環(huán)網(wǎng)，再由環(huán)網(wǎng)接入至骨干層，該方式易于擴容，但二層交換機環(huán)網(wǎng)可能成為整網(wǎng)業(yè)務(wù)隔離度的瓶頸。

因此，上述兩種方案都應(yīng)該在本次試驗網(wǎng)絡(luò)中有所體現(xiàn)，通過對試驗數(shù)據(jù)的對比來驗證兩種接入方式的可行性和性能的優(yōu)劣。并通過本文提出的隔離度估計模型對兩種接入方式的隔離度進行估計，通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析來驗證以PTN技術(shù)接入方式的隔離度的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及隔離度的大小，測試數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示，由于在不發(fā)生故障以及攻擊的情況下誤碼率、丟包率以及抖動都是零，實驗中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)就沒有另作圖表進行顯示了，不過在針對隔離度計算時是有所考慮的。

圖2 吞吐量的統(tǒng)計Fig.2 Statistic of throughput

圖3 延時統(tǒng)計Fig.3 Statistic of delay

對實驗數(shù)據(jù)分析及計算可以得出PTN和二層交換機的隔離度大小，如圖4所示，1為利用PTN技術(shù)構(gòu)建的配電通信網(wǎng)的隔離度，其隔離效果達(dá)到0.9以上,2為二層交換機技術(shù)的隔離度，隔離效果只能達(dá)到0.6左右。這種利用網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)之間變化概率熵的互信息估算方法不但與實際的仿真結(jié)果一致，而且也符合理論分析結(jié)果，從而，可以看出利用本方法進行估算的實用價值，對未來的隔離效果評估也具有啟迪作用。總之利用PTN構(gòu)建的智能配電網(wǎng)可以很好地實現(xiàn)電網(wǎng)可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的有效運行，并且可以抵御攻擊和自愈。確保了PTN智能配電網(wǎng)的高度安全，通過對網(wǎng)絡(luò)的隔離評估，可以看到其網(wǎng)絡(luò)保證各自的數(shù)據(jù)信息相互獨立并有條不紊地進行數(shù)據(jù)傳輸。由于任何隔離形式都是相對的，再加上所有的網(wǎng)絡(luò)隔離方法歸根到底都是對數(shù)據(jù)的隔離。因此網(wǎng)絡(luò)中的隔離程度不可能也不能達(dá)到物理隔離的效果。

圖4 隔離度的比較Fig.4 Comparison of isolation degree

4 總結(jié)

文中通過一種可視化的測量計算模型對隔離度進行了理論上的研究和分析。并通過測量信道中的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的變化頻率（其中有虛擬信道已設(shè)置好的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)受到其他串?dāng)_進來的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的影響效果），來估算出實際網(wǎng)絡(luò)中的隔離度大小。通過對南方電網(wǎng)云南分公司的配電實驗網(wǎng)的構(gòu)架進行評估，驗證了此方法的實用性，其評估結(jié)果和仿真網(wǎng)絡(luò)中的運行結(jié)果基本上保持一致。但是，由于網(wǎng)絡(luò)中的性能指標(biāo)是在不考慮網(wǎng)絡(luò)攻擊以及人為破壞的情況下得到的，使得這些指標(biāo)在影響效果上還有一定的局限性，因此針對網(wǎng)絡(luò)的隔離度的量化評估，還有待于進一步研究。另外，由于影響隔離度的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)之間有很大的差異性，對于如何來統(tǒng)一這些網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)以及以一種什么樣的形式來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)隔離度與這些性能之間的關(guān)系，還有待于做進一步的研究。

[1]陳樹勇,宋書芳,李蘭欣,等.智能電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(8):1-7.

CHEN Shu-yong,SONG Shu-fang,LI Lan-xin,et al.Survey on smart grid technology[J].Power System Technology,2009,33(8):1-7.

[2]韓奕,張東霞,胡學(xué)浩,等.中國微網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(1):69-73.

HAN Yi,ZHANG Dong-xia,HU Xue-hao,et al.A study on micro-grid standard system in China[J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(1):69-73.

[3]苗新,張愷,田世明,等.支撐智能電網(wǎng)的信息通信體系[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(17):8-13.

MIAO Xin,ZHANG Kai,TIAN Shi-ming,et al.Information communication system supporting smart grid[J].Power System Technology,2009,33(17):8-13.

[4]林添順.基于GPRS 的新型配電網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)設(shè)計及實用性分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2008,36(19):44-47.

LIN Tian-shun.A new kind of communication system based on GPRS for power distribution and analysis of its practicability[J].Power System Protection and Control,2008,36(19):44-47.

[5]盛潔,唐良瑞,郝建紅.智能配電環(huán)境感知融合網(wǎng)絡(luò)的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(24):127-131.

SHENG Jie,TANG Liang-rui,HAO Jian-hong.Research of ambient composite networks towards the smart distribution grid[J].Power System Protection and Control,2011,39(24):127-131.

[6]吳國沛,劉育權(quán).智能配電網(wǎng)技術(shù)支持系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(21):162-166,172.

WU Guo-pei,LIU Yu-quan.Research and application of technology support system for smart distribute grid[J].Power System Protection and Control,2010,38(21):162-166,172.

[7]陳志佳,吳斌.PTN 技術(shù)在上海電力城域網(wǎng)中的應(yīng)用前景[J].華東電力,2011,39(3):501-504.

CHEN Zhi-jia,WU Bin.Application prospects of PTN technology in Shanghai power metropolitan areanetwork[J].East China Electric Power,2011,39(3):501-504.

[8]賈小鐵,雷學(xué)義,吳云峰,等.PTN 為智能電網(wǎng)提供理想的信息通信平臺[J].電力系統(tǒng)通信,2010,31(213):21-23.

JIA Xiao-tie,LEI Xue-yi,WU Yun-feng,et al.PTN provides an ideal information and communication platform for smart grid[J].Telecommunications for Electric Power System,2010,31(213):21-23.

[9]潘超.電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)隔離的研究[J].現(xiàn)代電力,2002,19(3):66-70.

PAN Chao.Research on network isolation between electric network monitoring system and information system[J].Modern Electric Power,2002,19(3):66-70.

[10]傅祖蕓.信息理論基礎(chǔ)理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

FU Zu-yun.Application and basic theory of information theory[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2009.