基于SDN架構(gòu)的電力通信網(wǎng)絡質(zhì)量感知技術(shù)研究

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(1.國網(wǎng)安徽省電力公司信息通信分公司,合肥 230061; 2.安徽繼遠軟件有限公司,合肥 230088)

基于SDN架構(gòu)的電力通信網(wǎng)絡質(zhì)量感知技術(shù)研究

謝小軍1,潘子春1,夏同飛2

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司信息通信分公司,合肥230061; 2.安徽繼遠軟件有限公司,合肥230088)

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎支柱，其通信網(wǎng)絡是電力生產(chǎn)、經(jīng)營和管理的一個重要組成部分;針對現(xiàn)通信網(wǎng)中業(yè)務流實時監(jiān)測的難題，提出引入一種基于SDN架構(gòu)設計的新型流量感知監(jiān)測技術(shù)方案，經(jīng)實際網(wǎng)絡延遲數(shù)據(jù)與RLI算法、MDI指標中的DF參數(shù)、VTD指標互作對比;為此搭建基于NetMag可編程網(wǎng)絡設備的實驗環(huán)境通過驗證及建模對比，均達到預期效果;論證該項質(zhì)量感知技術(shù)能為電力通信網(wǎng)提供可視化、實時、智能的運維平臺作部署，這將使運維管理工作更加主動、有效，有利于提高網(wǎng)絡運行的效率與穩(wěn)定性。

SDN網(wǎng)絡; 網(wǎng)絡監(jiān)測; 軟件定義; 調(diào)試可視化

0 引言

SDN網(wǎng)絡作為新興的網(wǎng)絡技術(shù)，其為國網(wǎng)電力通信大數(shù)據(jù)時代實現(xiàn)了網(wǎng)絡流量的靈活控制。從應用實效而言，其為現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務流量監(jiān)測技術(shù)在電力系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)揮指導作用，保證電力通信網(wǎng)絡中各種資源的高效利用，有利于節(jié)約研究開發(fā)資源，明確采購、生產(chǎn)和使用，其研究成果可應用于全國各個電力通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，滿足國家及各個省市對于電力下一代通信網(wǎng)絡的需求。因此，基于SDN架構(gòu)的電力通信網(wǎng)絡質(zhì)量感知技術(shù)研究成為當下重要研究的課題，其成效明顯地提升電力通信網(wǎng)絡的運維體驗、故障管理水平，對助力建設智能電網(wǎng)等有著十分重要的意義[1]。

1 電力通信網(wǎng)絡面臨的問題

電力通信數(shù)據(jù)網(wǎng)的設計組網(wǎng)是獨立組網(wǎng)，該網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)業(yè)務流的狀態(tài)直接影響到生產(chǎn)調(diào)度、網(wǎng)內(nèi)辦公等各方面。隨著公司業(yè)務的不斷發(fā)展，各種應用系統(tǒng)持續(xù)增加，數(shù)據(jù)、語音、視頻等業(yè)務實現(xiàn)高度融合，同時保證各種業(yè)務流量可靠穩(wěn)定的轉(zhuǎn)發(fā)，呈現(xiàn)出幾個越來越難以掌控的問題：

1)業(yè)務流數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中各個節(jié)點的傳輸質(zhì)量難以精細掌握。當網(wǎng)絡發(fā)生時延、抖動等故障時，管理員通過傳統(tǒng)技術(shù)，難以快速、精準地診斷出產(chǎn)生時延和抖動的真正原因。

2)網(wǎng)絡運行質(zhì)量無法實現(xiàn)可視化。依靠傳統(tǒng)手段難以掌握網(wǎng)絡運行實時質(zhì)量及真實業(yè)務性能，難以預測網(wǎng)絡帶寬瓶頸，難以掌握用戶行為數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有網(wǎng)管系統(tǒng)功能單一，無法提供有效手段實現(xiàn)網(wǎng)絡質(zhì)量的可視化展現(xiàn)。

3)網(wǎng)絡故障分責定位難。多廠商設備混合組網(wǎng)，出現(xiàn)故障時依靠傳統(tǒng)手段難以實現(xiàn)網(wǎng)絡分段定位，缺乏一套能夠跨平臺、跨廠商對網(wǎng)絡設備進行統(tǒng)一流量監(jiān)管的平臺，故障排查時間長，對運維人員的數(shù)量及技能要求高。

2 提出架構(gòu)SDN網(wǎng)絡質(zhì)量感知技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡監(jiān)測

所謂的網(wǎng)絡監(jiān)測是基于在一定的通信理論指導下由特定軟件和硬件工具經(jīng)算法監(jiān)控的總和。其提供實時監(jiān)控，用戶可了解相關(guān)運行數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)錯誤從而作出及時糾正，并進行適宜的優(yōu)化，有效提升通信的運維水平。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡監(jiān)測方法眾多，主要是針對網(wǎng)絡的性能作主動監(jiān)測或被動監(jiān)控，其源于度量IST網(wǎng)絡指數(shù)或PIMG典型應用通過積極ICMP包發(fā)現(xiàn)通信延遲和數(shù)據(jù)丟失和parameter Oder等參數(shù)。還有的采用第三方檢測工具達到網(wǎng)絡監(jiān)測，例如，Iperf軟件是一個極好的試驗工具，提供寬限的TCP 與UDP線性間的變化偵察，抖動時延和丟包等。也可以通過特定的裝置在網(wǎng)絡關(guān)鍵節(jié)點以捕獲分析通信數(shù)據(jù)包，以了解當前網(wǎng)絡狀態(tài)性能，索引參數(shù)。臂如Linux - 系統(tǒng)下tcpdump。其是一款功能強大的數(shù)據(jù)采集- 分析-統(tǒng)計-錄入，既可定向監(jiān)視，捕獲數(shù)據(jù)，甚至實現(xiàn)過濾包功能，可以通過刪除一些符合邏輯的解釋摒棄掉無用的信息[2-5]。

2.2 架構(gòu)SDN網(wǎng)絡感知技術(shù)目的

然而傳統(tǒng)網(wǎng)絡監(jiān)測技術(shù)雖多，卻沒有一套整合利用SDN架構(gòu)的網(wǎng)控與軟定義特性相輔的通信感知技術(shù)，存在一定的局限性。

基于SDN架構(gòu)下的網(wǎng)絡控制，能對電力通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡業(yè)務進行實時、精準的、端到端的性能監(jiān)控，實現(xiàn)網(wǎng)絡故障的快速定位，提升運維效率已經(jīng)是當下刻不容緩的趨勢，急需出現(xiàn)一種新型的流量檢測技術(shù)方案能在現(xiàn)網(wǎng)中實現(xiàn)以下功能：

實現(xiàn)架網(wǎng)點對點的通信性能偵測，賦予電力通信網(wǎng)知能化感知技術(shù)，IP Service Level Agreement 工作期整周全天侯無間斷，使故障精準判斷、快速定位、高效運作，一改過往運維拖沓的現(xiàn)象，使運維成本不再居高，整網(wǎng)達到可視、可控的目的，較傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)更具經(jīng)濟和實用價值[6]。

3 設計方案

3.1 設計原則

要實現(xiàn)基于SDN架構(gòu)的電力通信網(wǎng)，其有別于傳統(tǒng)意義上的IP網(wǎng)端，在部署監(jiān)測系統(tǒng)設計時需要依照下面三點原則：

1)運用SDN網(wǎng)絡的架構(gòu)優(yōu)勢，踐行可軟定義的特性以及其調(diào)、控分離的特點：

2)精細化運作SDN的監(jiān)測與測量，從而捕獲的反饋數(shù)據(jù)能充分反應當前網(wǎng)絡質(zhì)量，又能運算處理展現(xiàn)網(wǎng)絡感知技術(shù)；

3)遵循交換機的運作方式，使其最大發(fā)揮監(jiān)測效果，使控制器獨立運作，避免兩者沖突而降低電力通信網(wǎng)的質(zhì)量感知效果。

3.2 總體架構(gòu)配置

新型流量監(jiān)測解決方案基于SDN架構(gòu)設計，包括流量檢測儀、集中化的控制器、軟件平臺組成，將其引入到電力通信網(wǎng)后，可明顯地提高網(wǎng)絡質(zhì)量感知水平，實時地掌握流量在網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)發(fā)情況，并可基于真實業(yè)務提供端到端的監(jiān)測。

為了實現(xiàn)研究目的，首先需建立一套實驗環(huán)境，實驗環(huán)境分為4個環(huán)節(jié)，即一張小規(guī)模IP網(wǎng)絡(模擬電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng))，流量檢測儀、控制器、管理器，部署示意圖見圖1。

圖1 總體架構(gòu)部署

注釋：

1)IP網(wǎng)絡：與電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)類似，組建IP網(wǎng)絡設備主要路由器和交換機構(gòu)成，盡可能利用富余設備，減少投資，避免重復采購。

2)流量檢測儀(Meter)：完成OAM功能，支持TWAMP(雙向主動測量協(xié)議)、RFC2544、IPFPM(IP網(wǎng)絡性能檢測)；對業(yè)務進行統(tǒng)計，針對省內(nèi)電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)辦公OA數(shù)據(jù)流、語音數(shù)據(jù)流、視頻數(shù)據(jù)流進行統(tǒng)計；業(yè)務識別，染色，發(fā)包[7]。

3)控制器(Controller)：完成新型流量檢測儀的自動發(fā)現(xiàn)與代理管理功能，監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計上報。

4)管理器(Manager)：由管理和可視化兩部分組成，完成新型流量檢測儀的配置、日志(也可能是專門的日志服務器)、告警、性能監(jiān)控等功能的管理工作；收集告警，保存日志；實時輸出流量性能報表。

3.2.1 工作方式

新型流量檢測方案按照部署與工作方式的不同分為隨路方案(In-line)和旁路方案(Bypass)。

3.2.1.1 隨路方案

部署在業(yè)務路徑上的某個接口上，基于真實的業(yè)務流量進行性能統(tǒng)計，具有高精度和實時性的特點。同時也提供發(fā)送仿真測試流進行按需的性能統(tǒng)計。

3.2.1.2 旁路方案

部署在非業(yè)務路徑的某個接口上，發(fā)送仿真測試流進行按需的性能統(tǒng)計，具有快速部署和不中斷業(yè)務的特點。

3.2.2 新型流量檢測方案的優(yōu)勢

3.2.2.1 高精度

IP FPM利用報文染色技術(shù)進行性能統(tǒng)計，新型流量檢測儀通過三元組(S-IP，D-IP，DSCP)識別指定的業(yè)務流，對于IP報文頭字段以0或1著色信息的基礎上，使業(yè)報實現(xiàn)高精確度(10-6)性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)丟失，包括延遲和抖動等[8]。

3.2.2.2 靈活部署

新流量儀器可以判別于IP報文全部流量，含括Natve Eth、Native IP、L2VPN、L3VPN等，對所有業(yè)務OAM技術(shù)的一致管控[9]。

3.2.2.3 輕松運維

所有IP FPM的操作全部由獨立的可視化部分完成，實現(xiàn)了自動部署、實時統(tǒng)計和智能報表等實用的功能，解放了網(wǎng)絡的管理人員、降低了運營成本。

3.3 核心組件測量

核心組件即(新型流量儀表)基于不同的任務對交換機作性能檢測，一個測量任務是在消息經(jīng)發(fā)源端交換機后，由其來完成本次測量任務。而測量組件安置在SDN網(wǎng)絡業(yè)務應用層，在SDW基礎上以標準API開發(fā)的。本架構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型流量檢測儀總體架構(gòu)圖

3.3.1 測量組件的各個模塊功能

3.3.1.1 測量任務獲取模塊

執(zhí)行最新任務的采集指令，其內(nèi)容含括：任務ID,測量的類型、源和目的開關(guān)交換機ID及選路標識這5組信息。

3.3.1.2 可擴展算法的調(diào)度模塊

其主要功能是根據(jù)上一層獲取到的參數(shù),選用相應的算法來構(gòu)造測量數(shù)據(jù)包。在這個模塊中,可能需要添加各種各樣的測量運算的方法,測量算法不同的測量要求的包是不一樣的,打個比方來說，測量包的內(nèi)容、大小、發(fā)送的數(shù)量,發(fā)送的時間間隔,這些參數(shù)需要根據(jù)特定的測量算法和測量時長而定。雖然采取的運算方法不盡相同,但我們?nèi)匀豢梢灶A料到其基本操作,如添加時間戳、充填數(shù)據(jù)域,定義了基本操作，這種構(gòu)造形式的擴展有利，完成一個測量包結(jié)構(gòu)。

3.3.1.3 消息封裝和解析模塊

主要是對封裝和解析OpenFlow的消息傳輸作封裝和解析的,實驗制定對OpenFlow網(wǎng)絡消息擴展,后面再作詳細分析。

3.3.1.4 測量發(fā)送消息和接收模塊

其采用了合符要求的SDN API方式,收、發(fā)消息。檢測組件可以定義的測量事件并注冊到控制器來完成下發(fā)檢測消息的目的，還可以經(jīng)控制器上傳通過檢到的報文。

3.3.1.5 測量任務管理模塊

其表現(xiàn)為鏈表數(shù)據(jù)式的結(jié)構(gòu),其作用是便于存儲測量任務或數(shù)據(jù)。當每發(fā)出一個新構(gòu)造測量消息任務指令時,將存儲在鏈表當中,已經(jīng)通過的測量數(shù)據(jù)與測量結(jié)果最終傳遞到處理模塊,并從列表中刪除該任務。

3.3.1.6 測量結(jié)果計算處理模塊

其主要是適用于測量任務已經(jīng)達成,根據(jù)不同類型的測量方式,該模塊最大的的作用是調(diào)用測量相應的算法來處理測量數(shù)據(jù),計算的測算結(jié)果,并存儲結(jié)果。

實驗消息(Experimenter)可以被解釋為一個階段性實驗的消息,這是OpenFlow標準協(xié)議提供下給開發(fā)人員根據(jù)實驗要求的一類數(shù)據(jù)。此類消息結(jié)構(gòu)如圖3所示[10-13]:

/?Experimenterextension?/Structofp＿experimenter＿header{Structofpheaderheader；/?TypeOFPT＿EXPERIMENTER．?/Uint32＿texperimenter；/?ExpermenterID： ?-MSB0：low-orderbytesareIEEEOUI． ?-MSB！=0：definedbyONF?/Uint32＿texp＿type；/?Experimenterdefined?//?Expermenter-definednarbitraryadditionaldata．?/}；

圖3 實驗消息結(jié)構(gòu)

注：struct ofp header h eader作為OpenFlow協(xié)議消息常規(guī)格式，代表消息源的版本代號和類型、長度等數(shù)據(jù)。

uint32_t experimenter:代表的意思是實驗消息ID標識[14]。

uint32_t exp_type:代表在實驗消息的具體類型，以便開發(fā)者在其ID標識下配置成各種子消息型。

3.3.2 SDN網(wǎng)絡監(jiān)測子系統(tǒng)的驗證

針對該子系統(tǒng)驗證，工作人員選擇了測量模塊和交換機下擴大開放流量開關(guān)的模塊作測試，驗證對這些模塊的配置適宜性,得到的單元測試網(wǎng)絡拓撲圖見圖4。

圖4 單元測試網(wǎng)絡拓撲圖

在測量主件方面，可適時將算法延伸到調(diào)度測試模塊，從而能達到應對不同測量對象，選取出對應于適應于消息體的測量算法。

3.3.2.1 測試方法的步驟

首先作測量標準任務的參數(shù)輸入，相關(guān)的參數(shù)說明見下表1，其次該可延伸算法是經(jīng)調(diào)度模塊，可以在工作過程中輸出正確的消息。

表1 測量任務參數(shù)說明

測試結(jié)果表明：可擴展算法調(diào)度模塊解決了任務參數(shù)差異性需求，并達至轉(zhuǎn)化成新的測量消息體目的。

3.3.2.2 測量消息結(jié)構(gòu)體分析

下面得到可延伸的算法調(diào)度模塊的分析，其在實驗狀態(tài)下輸出的信息見圖5。

圖5 可擴展的算法調(diào)度模塊構(gòu)造量消息體

如圖5所示，可擴展的算法調(diào)度模塊選擇用于構(gòu)造消息體的往返延遲測量算法。在該任務在在600 s的有效時長下，對ofswitch1到ofswitch3所需的往返延遲，發(fā)出三組內(nèi)含3個測量包的數(shù)據(jù)，途經(jīng)通過ofswitch2轉(zhuǎn)發(fā)，從而達到本次的測量要求。見上圖選路信息顯示，測得的路徑上轉(zhuǎn)發(fā)分組交換測量端口，代碼0端口屬無效其代表無需測量報文轉(zhuǎn)發(fā)，總體結(jié)果已達預期。

4 建模實驗與結(jié)果分析

基于電力通信監(jiān)控方案首次采用SDN架構(gòu)的設計，其對消息的時間戳的變化監(jiān)測指標提出VTD(視頻時間戳抖動),源于指數(shù)從發(fā)報點起根據(jù)變化及時接收消息，從時間的變化可以直接反映通信傳輸延遲所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包內(nèi)，其時延是造成網(wǎng)絡抖動的主要原由。由此可知VTD索引可以實時、準確地反映網(wǎng)絡的傳輸時延抖動的消息。本課題重點將考慮如何架構(gòu)硬件方面的支撐，最終使數(shù)據(jù)包的時延測量精度可到達微秒、納秒級別。下面擬定實驗環(huán)境如圖6所示，時延抖動的消息經(jīng)Net Magic捕捉網(wǎng)中截獲得到的裝置P4和P5端口的報文摘要信息流，并將其存儲在文件數(shù)據(jù)源。

圖6 建模實驗環(huán)境圖

經(jīng)將實際網(wǎng)絡延遲數(shù)據(jù)與RLI算法、MDI指標中的DF參數(shù)、VTD指標互作對比。為此搭建基于NetMag可編程網(wǎng)絡設備的實驗環(huán)境，Net Magic捕捉得到真正的延遲值與VTD指數(shù)值比較：真實值存在比較簡單，其等于消息的接收端發(fā)送的時間戳之差，顯然發(fā)送端和接收端的時間不同步。

首先假設報文發(fā)送端每發(fā)送一個報文的間隔時間為ts1、ts2、ts3……tsn,接收端每接收一個報文的間隔時間為rs1、rs2、rs3……rsn。接收當前包等待的時間RS值(rs2)比當前包的TS值(ts2)大時，說明網(wǎng)絡延時變大了，數(shù)據(jù)反饋比預期來得遲。以此類推，得到新數(shù)據(jù)集,即VTD模式:

VTD1=X

VTD2=X+(rs1-ts1)

VTD3=X+(rs1-ts1)+(rs2-ts2)

……

VTDn+1=X+(rs1-ts1)+(rs2-ts2)+......+(rsn-tsn)

VTD1=X1

VTD指標計算公式中，引入了時間這個直接反映報文延遲變化的變量來計算VTD，沒有取一個測試周期、也沒有引入其它定值作為計算參數(shù)，所以更能夠準確、及時地反映網(wǎng)絡抖動的情況。VTD參數(shù)是一個大于0的數(shù)值，其值越大，測試計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 真實延遲與VTD計算值仿真對比

通過對圖7中的真實延遲與VTD計算值的仿真對比，可看到VTD值變化和理論計算下延遲值變化曲線的基本一致。個別報文存在100 μs的誤差范圍內(nèi)，部分延遲或?qū)⒏?，不?0 μs。所以本次VTD參數(shù)監(jiān)測結(jié)果是準確的，其時延測量精度在允許條件達到微秒，甚至納秒級別。

在測試程序的主界面的狀態(tài)欄中實時顯示當前的接收速率,系統(tǒng)的測試中接收速率在2 800～3 300 B/s之間,接收的數(shù)據(jù)不丟失,達到了系統(tǒng)預期要求。

總之基于SDN架構(gòu)的電力通信網(wǎng)絡質(zhì)量感技術(shù)，要求一方面接收組報文監(jiān)測已達一定精度，另一方面以太網(wǎng)報發(fā)命令匯同核心組件即(新型流量儀表)響應消息展現(xiàn)出其正確性。根據(jù)交換協(xié)議文本的協(xié)議過程，檢查響應消息對應的消息處理程序的正確性，對照控制和監(jiān)測主CPU，找出錯誤或錯誤類型，將更加有效地進行通信網(wǎng)絡的質(zhì)量感知技術(shù)的研發(fā)這也是我們后期工作重點。

5 結(jié)語

本課題緊跟智能電網(wǎng)信息化發(fā)展腳步，課題完成后具有多重效益。其直接效益分析如下：

1)有利于網(wǎng)路傳輸質(zhì)量監(jiān)測。通過本課題研究，引入新型流量檢測技術(shù)可以精確定位網(wǎng)絡中的時延和抖動，提供了一套有效的網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量監(jiān)測工具。

2)有利于網(wǎng)絡運行質(zhì)量可視化。通過本課題研究，引入一套網(wǎng)絡流量可視化展現(xiàn)工具，可以掌握網(wǎng)絡運行實時質(zhì)量及真實業(yè)務性能，同時可預測網(wǎng)絡帶寬瓶頸，掌握用戶行為數(shù)據(jù)。

3)有利于網(wǎng)絡故障分責定位。通過本課題研究，采用集中化的網(wǎng)管系統(tǒng)和流量分析軟件，對現(xiàn)網(wǎng)多廠商設備進行統(tǒng)一管理，可實現(xiàn)故障設備和線路的快速定位，解決了網(wǎng)絡故障分責定位難的問題。

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ResearchonQualityAwarenessTechnologyofPowerCommunicationNetworkBasedonSDNArchitecture

Xie Xiaojun1,Pan Zichun1,Xia Tongfei2

(1.State Grid Anhui Electric Power Company Information and Communication Branch, Hefei 230061, China;2.Anhui Jiyuan Software Co., Ltd., Hefei 230088, China)

The power industry is the basic pillar of the national economy, and its communication network is an important part of electric power production, operation and management. Aiming at the problem of real-time monitoring of traffic flow in the communication network, a new traffic perception monitoring scheme based on SDN architecture is proposed. The results are verified and compared. It is proved that the quality perception technology can provide visualization, real-time and intelligent operation and maintenance platform for the power communication network, which will make the operation and maintenance management more active and effective, and improve the efficiency and stability of the network operation.

SDN network; network monitoring; software definition; debugging visualization

2017-04-02；

2017-04-19。

安徽省電力公司科技項目(2016-00633-XTGS)。

謝小軍(1975-)，男，安徽涇縣人，碩士，高級工程師，主要從事電力通信網(wǎng)的運行管理和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的研究。

1671-4598(2017)10-0181-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.046

TP206

A