一個(gè)基于SND的大規(guī)模電力源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)

景棟盛，薛勁松，王　芳

(蘇州供電公司信通分公司 江蘇 蘇州　215004)

一個(gè)基于SND的大規(guī)模電力源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)

景棟盛，薛勁松，王芳

(蘇州供電公司信通分公司 江蘇 蘇州215004)

通過(guò)電力網(wǎng)絡(luò)中電源、電網(wǎng)、負(fù)荷之間有效的信息傳遞，實(shí)現(xiàn)了更為高效的、開(kāi)放互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，提高電網(wǎng)在復(fù)雜互動(dòng)環(huán)境中源-網(wǎng)-荷之間的協(xié)調(diào)能力，進(jìn)而改善電網(wǎng)功率動(dòng)態(tài)平衡能力。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的逐漸擴(kuò)展以及接入應(yīng)用和業(yè)務(wù)的不斷增加，IPv4網(wǎng)絡(luò)顯得捉襟見(jiàn)肘。提出了一個(gè)適用于大規(guī)模電力源-網(wǎng)-荷的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使用IPv6解決以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和發(fā)展，基于SDN的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了IPv6網(wǎng)和IPv4網(wǎng)絡(luò)之間的通信。系統(tǒng)利用專用網(wǎng)絡(luò)帶寬，通過(guò)VPN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了新網(wǎng)絡(luò)與原有網(wǎng)絡(luò)邏輯隔離，進(jìn)一步保證了系統(tǒng)的安全性；通過(guò)采用OSPF，使網(wǎng)絡(luò)層次化更為清晰，更為便于管理；設(shè)計(jì)了一個(gè)基于IS-IS路由協(xié)議的地址轉(zhuǎn)換方法，通過(guò)雙向驗(yàn)證、序列校驗(yàn)、區(qū)域定位、系統(tǒng)標(biāo)識(shí)、服務(wù)標(biāo)識(shí)、層次密鑰、同層密鑰、校驗(yàn)等方面充分考慮了系統(tǒng)的安全性和有效性。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模電力源-網(wǎng)-荷網(wǎng)絡(luò)的智能運(yùn)行控制系統(tǒng)一體化集成，形成完整的一體化大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)智能運(yùn)行控制體系。

源-網(wǎng)-荷；電力網(wǎng)絡(luò)；IPv6；軟件定義網(wǎng)絡(luò)

本文著錄格式：景棟盛，薛勁松，王芳. 一個(gè)基于SND的大規(guī)模電力源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)[J]. 軟件，2016，37（8）：32-36

0　引言

源-網(wǎng)-荷互動(dòng)是指電源、電網(wǎng)和負(fù)荷三者間通過(guò)多種交互形式，實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、高效和安全地提高電力系統(tǒng)功率動(dòng)態(tài)平衡能力的目標(biāo)[1]。隨著源-網(wǎng)-荷用戶接入網(wǎng)用戶規(guī)模的不斷擴(kuò)大，接入到網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)越來(lái)越多，未來(lái)還會(huì)出現(xiàn)智能電網(wǎng)的其他業(yè)務(wù)和應(yīng)用。用戶數(shù)量的快速增長(zhǎng)使得網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、擴(kuò)展、優(yōu)化以及安全等工作成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)的重要工作。大規(guī)模源-網(wǎng)-荷友好互動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的IP地址編碼、分配和管理就顯得尤為重要[2]。

隨著IPv4地址的日益緊缺，IPv4向IPv6過(guò)渡已成為必經(jīng)之路[3]。IPv6能夠從根本上解決IPv4地址不足的問(wèn)題?；謴?fù)業(yè)務(wù)的端到端特性，從而保證業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展。然而，由于IPv4與IPv6并不兼容，IPv4向IPv6過(guò)渡并不是一蹴而就的，因此必須引入IPv6過(guò)渡技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)IPv4到IPv6的轉(zhuǎn)換，一方面實(shí)現(xiàn)過(guò)渡期間IPv4地址的復(fù)用，從而節(jié)省IPv4公網(wǎng)地址消耗；另一方面實(shí)現(xiàn)IPv4與IPv6的轉(zhuǎn)換及網(wǎng)絡(luò)的跨越。

目前，雖然有包括隧道類、翻譯類等多種過(guò)渡技術(shù)，但大多采用流表的處理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)將IPv6地址、端口信息與IPv4地址及端口信息的映射，并按照隧道或翻譯方式予以實(shí)現(xiàn)，與SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))的流表處理方法相似[4]。SDN采用控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的思路，控制器具有全局視角，統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)策略的制定、流表的下發(fā)等操作，而轉(zhuǎn)發(fā)器接收來(lái)自控制器的請(qǐng)求，執(zhí)行相關(guān)流表的操作。SDN已廣泛受到包括思科、Juniper、華為等在內(nèi)的業(yè)界主流廠商和運(yùn)營(yíng)商的深度參與[5]，并有ONF、NFV、OUT-T、IETF、BBF等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。

雖然SDN技術(shù)已得到業(yè)界的廣泛關(guān)注，但如何將SDN技術(shù)與IPv6過(guò)渡技術(shù)相結(jié)合，從而解決在IPv6過(guò)渡時(shí)期的復(fù)雜性和業(yè)務(wù)開(kāi)展問(wèn)題，目前還沒(méi)有進(jìn)行深入研究[17,18]。本文介紹了一個(gè)基于SDN的大規(guī)模源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)在拓?fù)湓O(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了系統(tǒng)的安全性，保證專用網(wǎng)絡(luò)的帶寬，通過(guò)VPN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了新網(wǎng)絡(luò)與原有網(wǎng)絡(luò)邏輯隔離，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)利用OSPF動(dòng)態(tài)路由，并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于IS-IS路由協(xié)議的地址轉(zhuǎn)換方法。

1　IPv6研究現(xiàn)狀

由于互聯(lián)網(wǎng)地址空間即將耗盡，研究人員將注意力放在了一個(gè)新的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議——IPv6，用以解決一些目前IPv4協(xié)議存在的結(jié)構(gòu)限制問(wèn)題[19]。IPv6提供了2128個(gè)IP地址，比IPv4多了37個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著IPv4逐漸耗盡，IPv6變得越來(lái)越重要。

在2005年，ARIN贊助CAIDA分析統(tǒng)計(jì)了IPv4和IPv6地址配置[8]。圖1顯示了在不同時(shí)間每個(gè)組織IPv4地址分配數(shù)量。反映了已經(jīng)分配地址的組織的分布。在2005年8月，舊成員只有在組織中占有地址空間的2%和11.2%，但它們目前持有超過(guò)一半的地址空間。

IPv4的地址短缺，推動(dòng)了IPv6在現(xiàn)代操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的普及。主要的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和內(nèi)容提供商正在對(duì)IPv6的試驗(yàn)和生產(chǎn)的基礎(chǔ)進(jìn)行部署。但還有很多應(yīng)用程序和設(shè)備還不支持IPv6。包括6to4和Teredo等多種過(guò)渡技術(shù)常用于消費(fèi)終端系統(tǒng)和接入網(wǎng)關(guān)，這使得IPv4主機(jī)與IPv6主機(jī)能夠進(jìn)行通信；而包括NAT64/DNS64等技術(shù)使得IPv6主機(jī)和IPv4主機(jī)進(jìn)行通信。然而這些技術(shù)使得非技術(shù)人員加以利用IPv6，因此其在網(wǎng)絡(luò)中增加了額外的元素，增加了復(fù)雜性并降低了性能和可靠性。

圖2顯示了IPv4和IPv6的連接。從圖2可以看出，盡管IPv4的連接多于IPv6的連接，但是兩張圖片顯示了二者具有許多共同的結(jié)構(gòu)特性，如二者有相似的平均度和平均最短路徑距離。

圖1　IPv4空間的需求，并且在這種方式下IPv4地址空間即將耗盡

圖2　IPv4和IPv6的連接分布

2　網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

考慮到系統(tǒng)的安全性，大規(guī)模源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有電網(wǎng)和信息網(wǎng)邏輯隔離，并分配專用的帶寬。通過(guò)在大規(guī)模源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)中新建用戶智能負(fù)荷控制專用VPN，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)VPN的邏輯隔離，同時(shí)分配專用的網(wǎng)絡(luò)流量帶寬，用于支撐大規(guī)模源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主站與用戶終端間的數(shù)據(jù)可靠傳輸。

大規(guī)模源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)IP地址結(jié)合網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和用戶終端的接入特點(diǎn)，同時(shí)規(guī)劃了IPv4地址和IPv6地址，其中IPv6地址按照“國(guó)家電網(wǎng)IPv6地址規(guī)范”統(tǒng)籌規(guī)劃[9]，在有條件的用戶側(cè)啟用IPv6地址?？紤]到用戶智能負(fù)荷采集網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和安全性要求，并實(shí)現(xiàn)安全訪問(wèn)控制。

為避免產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，對(duì)基于SND的大規(guī)模源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)造成網(wǎng)絡(luò)沖擊，影響網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的安全和可靠運(yùn)行，在負(fù)控主站配置入侵檢測(cè)系統(tǒng)、防火墻、縱向加密認(rèn)證裝置；在用戶側(cè)配置縱向加密認(rèn)證裝置，在二級(jí)網(wǎng)絡(luò)配置入侵檢測(cè)系統(tǒng)、防火墻、安全接入平臺(tái)，在二級(jí)網(wǎng)絡(luò)側(cè)匯聚交換機(jī)配置基于端口的流量控制，自動(dòng)切斷非法流量傳輸，使用網(wǎng)管系統(tǒng)對(duì)新增的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在變電站側(cè)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)路由器配置基于端口的流量控制，自動(dòng)切斷非法流量傳輸。

圖3　基于SND的大規(guī)模源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

基于SND的大規(guī)模源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)三個(gè)層次。在一級(jí)網(wǎng)絡(luò)需要接入用戶終端的變電站配置三層交換機(jī)，負(fù)責(zé)用電信息采集和負(fù)控快速響應(yīng)；二級(jí)網(wǎng)絡(luò)配置匯聚交換機(jī)、防火墻、入侵檢測(cè)設(shè)備、安全接入平臺(tái)、網(wǎng)管系統(tǒng)，在三級(jí)網(wǎng)絡(luò)配置三層交換機(jī)。其中，變電站三層交換機(jī)連接到用戶終端交換機(jī)，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的匯聚交換機(jī)通過(guò)防火墻和安全接入平臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)接。變電站至主站端間利用現(xiàn)有調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2IGP路由

隨著Internet技術(shù)在全球范圍的飛速發(fā)展，開(kāi)放最短路由優(yōu)先協(xié)議（Open Shortest Path First，OSPF）已成為目前Internet廣域網(wǎng)和Intranet企業(yè)網(wǎng)采用最多、應(yīng)用最廣泛的路由協(xié)議之一[10]。OSPF（Open Shortest Path First）路由協(xié)議是由IETF（Internet Engineering Task Force）IGP工作小組開(kāi)發(fā)的一個(gè)基于鏈路狀態(tài)的自治系統(tǒng)內(nèi)部動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。在IP網(wǎng)絡(luò)上，它通過(guò)收集和傳遞自治系統(tǒng)的鏈路狀態(tài)來(lái)動(dòng)態(tài)地發(fā)現(xiàn)并傳播路由。OSPF是一種基于SPF算法的路由協(xié)議，目前使用的OSPF協(xié)議是其第二版，定義于RFC1247和RFC1583。

圖4　OSPF層次化結(jié)構(gòu)

在本文的方法中，采用OSPF動(dòng)態(tài)路由協(xié)議[11]。如圖5所示，利用OSPF層次化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的匯聚交換機(jī)互聯(lián)區(qū)域定義為骨干區(qū)域1，其他變電站直接通過(guò)上聯(lián)鏈路與二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的匯聚交換機(jī)互聯(lián)，分別定義為非骨干區(qū)域2、……、非骨干區(qū)域n，使網(wǎng)絡(luò)層次化更加清晰，更加便于管理。

基于對(duì)源網(wǎng)荷友好互動(dòng)業(yè)務(wù)未來(lái)發(fā)展規(guī)模的考慮，為了更加合理的利用各條物理鏈路，應(yīng)通過(guò)對(duì)IGP路徑的規(guī)劃，使數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)按照一定的規(guī)則運(yùn)作，形成每個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立地與地市匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的模式。避免在網(wǎng)絡(luò)非穩(wěn)態(tài)時(shí)IGP自動(dòng)計(jì)算選擇路徑，流量轉(zhuǎn)而疊加在其他節(jié)點(diǎn)正常路徑上，影響節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量轉(zhuǎn)發(fā)效率的問(wèn)題。

在源網(wǎng)荷用戶接入網(wǎng)時(shí)，根據(jù)實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、層級(jí)和區(qū)域設(shè)計(jì)思路，確保全網(wǎng)數(shù)據(jù)流量能夠選擇最優(yōu)最短路徑到達(dá)地市匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，應(yīng)減少同層節(jié)點(diǎn)間橫向交互數(shù)據(jù)流量，從而節(jié)省帶寬資源，因此規(guī)定IGP轉(zhuǎn)發(fā)路徑原則定義為：

規(guī)則1：所有節(jié)點(diǎn)內(nèi)的雙設(shè)備間互連Metric遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)間Metric；

規(guī)則2：正常情況下，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)間流量不經(jīng)過(guò)任何其他節(jié)點(diǎn)；

規(guī)則3：正常情況下，變電站至匯聚節(jié)點(diǎn)間流量不經(jīng)過(guò)其他變電站節(jié)點(diǎn)。

同時(shí)，使用IGP快速收斂模型加快IGP協(xié)議的路由計(jì)算快速收斂[12]，有助于在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)盡快恢復(fù)，降低對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的影響。但同時(shí)也要考慮到組網(wǎng)設(shè)備的不同廠家具有不同的軟硬件特性，即使關(guān)于公開(kāi)協(xié)議的功能，也有不同的解釋和實(shí)現(xiàn)方式，所以應(yīng)對(duì)實(shí)現(xiàn)方式較為統(tǒng)一，公有標(biāo)準(zhǔn)所定義的快速收斂功能進(jìn)行考察，并定義統(tǒng)一的快速收斂參數(shù)模型，制定快速收斂方案具體原則如下：

規(guī)則1：對(duì)大部分單設(shè)備故障實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)級(jí)的IGP收斂速度；

規(guī)則2：不影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；

規(guī)則3：路由器的CPU負(fù)載適度；

規(guī)則4：全網(wǎng)參數(shù)盡可能一致。

3　IS-IS路由標(biāo)識(shí)

IS-IS路由協(xié)議與OSPF路由協(xié)議都是鏈路狀態(tài)路由協(xié)議[13]。IS-IS路由協(xié)議與OSPF路由協(xié)議不但適合應(yīng)用于局域網(wǎng)的環(huán)境，而且更多使用在城域網(wǎng)的環(huán)境中，目前城域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展有三個(gè)主流方向，即IP城域網(wǎng)技術(shù)、城域以太網(wǎng)技術(shù)、光城域網(wǎng)技術(shù)。在IP城域網(wǎng)中關(guān)鍵技術(shù)包括路由技術(shù)、端到端的QoS管理、接入網(wǎng)技術(shù)和用戶/業(yè)務(wù)管理[14]。在路由技術(shù)中最常用的就是BGP、OSPF和IS-IS三種路由協(xié)議。在ISO 10589中定義了IS-IS，定義了在使用CLNP的網(wǎng)絡(luò)中，中間系統(tǒng)與中間系統(tǒng)間進(jìn)行路由信息的交換方式。

大規(guī)模源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部IGP采用IS-IS路由協(xié)議[15]，同時(shí)采用BGP/MP-BGP路由協(xié)議支持VPN路由的傳遞。

一個(gè)IS-IS的節(jié)點(diǎn)號(hào)采用NSAP地址格式，最長(zhǎng)可以采用20字節(jié)標(biāo)識(shí)[16]，在本系統(tǒng)中，采用20字節(jié)的NSAP地址來(lái)標(biāo)識(shí)IS-IS節(jié)點(diǎn)號(hào)。一個(gè)IS-IS節(jié)點(diǎn)號(hào)由前驅(qū)驗(yàn)證碼、序列碼、區(qū)域標(biāo)識(shí)、系統(tǒng)標(biāo)識(shí)、服務(wù)選擇標(biāo)識(shí)、縱向密鑰、后端驗(yàn)證碼和校驗(yàn)碼組成，如表1所示。

表1　長(zhǎng)度為20字節(jié)NSAP地址的IS-IS的節(jié)點(diǎn)號(hào)

4　結(jié)語(yǔ)

電力網(wǎng)絡(luò)的源-網(wǎng)-荷互動(dòng)是通過(guò)電源、電網(wǎng)和負(fù)荷三者間的友好通信，實(shí)現(xiàn)更為有效、高效的網(wǎng)絡(luò)，以提高電力系統(tǒng)功率動(dòng)態(tài)平衡能力。電力網(wǎng)絡(luò)的源-網(wǎng)-荷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的應(yīng)用和業(yè)務(wù)接入源-網(wǎng)-荷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，原來(lái)的IPv4網(wǎng)絡(luò)就顯得捉襟見(jiàn)肘了，需要使用IPv6。針對(duì)此，提出了一個(gè)基于SDN的大規(guī)模電力源-網(wǎng)-荷IPv6網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)利用SDN實(shí)現(xiàn)了新的IPv6網(wǎng)絡(luò)和原有的IPv4網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信。系統(tǒng)在拓?fù)湓O(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了系統(tǒng)的安全性，保證專用網(wǎng)絡(luò)的帶寬，通過(guò)VPN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了新網(wǎng)絡(luò)與原有網(wǎng)絡(luò)邏輯隔離，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)利用OSPF動(dòng)態(tài)路由，并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于IS-IS路由協(xié)議的地址轉(zhuǎn)換方法。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模電力源-網(wǎng)-荷網(wǎng)絡(luò)的智能運(yùn)行控制系統(tǒng)一體化集成，形成完整的一體化大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)智能運(yùn)行控制體系。

致謝

本文工作受到國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（SGJSSZ 00FZWT1601139）支持。

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A SND Based Large Scale Power Source-Grid-Load IPv6 Network

JING Dong-sheng, XUE Jin-song, WANG Fang
(State Grid Suzhou Power Supply Company, Suzhou Jiangsu 215004, China)

Through transfer the effective information between the power-grid-load in the power network，a more efficient, open and interactive network is generated so as to improve coordination ability between grid in complex interactive environment in source-grid-load network, and dynamic balance ability of the power grid. With the gradual expansion of network scale and increasing access applications and services, IPv4 network is hard to deal with them anymore. A network system which is suitable for large scale power source network load is proposed, which uses IPv6 to fit for large scale network, and uses SND based system to fulfill the communication between IPv6 network and IPv4 network. The system utilizes a special network bandwidth, through VPN technology, to achieve logic isolation among the new established network and the original network, and to ensure the safety and security of the system; the hierarchical network is defined more clearly and more convenient management with taking advantage of OSPF; an IS-IS routing protocol is designed which is based on address conversion method, through two-way authentication, sequence check, location, system identification, service identification, hierarchical key, the same layer, key verification and other aspects of full consideration of the safety and effectiveness of the system. The system achieves the integration of intelligent operation and control system of large scale power grid load network, and forms a complete integration of the interconnected power grid intelligent operation control system.

Source-grid-load; Power network; IPv6; SDN

TP311

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.08.007

本文受到國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SGJSSZ00FZWT1601139)支持。

景棟盛(1981-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏χ悄苄畔⑾到y(tǒng)和電力信息通信；薛勁松(1977-)，男，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏χ悄苄畔⑾到y(tǒng)；王芳(1977-)，女，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏χ悄苄畔⑾到y(tǒng)。