基于SDN的電力通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)綜述

吳路明, 裘愉濤, 陳 琦

( 1. 國電南京自動化股份有限公司, 江蘇 南京 210000；2. 南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 210000；3. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的不斷深入發(fā)展和推進，云計算、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘以及虛擬化等技術(shù)在電力行業(yè)的成熟應(yīng)用，基于IP的簡潔網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)日益臃腫且越來越無法滿足高效、靈活的業(yè)務(wù)承載需求，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨一系列問題：全局優(yōu)化的流量調(diào)度問題、精細化的流量操控問題、與上層應(yīng)用的深度結(jié)合問題以及網(wǎng)絡(luò)功能多樣化后帶來的傳統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)困難、成本高昂的問題等[1]。并且，擾動信息、電力設(shè)備狀態(tài)等新信息的爆發(fā)式增長和新型技術(shù)及設(shè)備的應(yīng)用對電力系統(tǒng)的信息實時傳輸性能和網(wǎng)絡(luò)的快速兼容性造成了巨大的挑戰(zhàn)。

因此，當(dāng)前的電力系統(tǒng)迫切需要引入新的技術(shù)和架構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性，以滿足定制化需求。為從根本上擺脫上述網(wǎng)絡(luò)困境，軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined network，SDN)憑借其極其優(yōu)越的性能(控制平臺邏輯集中、通用硬件及軟件可編程、控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離)受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

1 電力通信業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

目前，電力通信網(wǎng)絡(luò)主要由基于時分多路復(fù)用技術(shù)的同步數(shù)字序列(synchronous digital hierarchy，SDH)專網(wǎng)、基于IP 技術(shù)的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)組成。其通信業(yè)務(wù)[2-3]如表1所示，典型電力業(yè)務(wù)的通信性能需求如表2所示[2]。目前電力系統(tǒng)所使用的雙網(wǎng)電力通信架構(gòu)[3]如圖1所示。結(jié)合電力業(yè)務(wù)和電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，現(xiàn)有的電力通信網(wǎng)的不足主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

表1 電力通信業(yè)務(wù)分類Tab.1 Services of the electric power telecommunication

表2 典型電力業(yè)務(wù)的通信性能需求Tab.2 The performance requirements of the typical electric power services

圖1 電力通信雙網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)Fig.1 Thedual-network architecture of the electric power telecommunication

1.1 網(wǎng)架性能

電網(wǎng)智能化的建設(shè)和發(fā)展促使電網(wǎng)生產(chǎn)、運行、管理、經(jīng)營等大規(guī)模全過程的監(jiān)測、控制、分析、計算逐步向動態(tài)化、在線化、智能化、全過程化轉(zhuǎn)化，通信業(yè)務(wù)也從電話、數(shù)據(jù)向視頻、多媒體等寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展。這導(dǎo)致了電網(wǎng)在各個環(huán)節(jié)增加了大量的信息采集、監(jiān)測和傳輸點。電網(wǎng)核心業(yè)務(wù)數(shù)量及業(yè)務(wù)流量不斷上升[4]，網(wǎng)架性能的增長速度已無法匹配和信息量的增長速度。

此外，電網(wǎng)公司“三縱三橫一環(huán)網(wǎng)”的特高壓電網(wǎng)架構(gòu)方案的實施，引發(fā)大電網(wǎng)的協(xié)同控制范圍日趨增大，進而導(dǎo)致承載電網(wǎng)的通信性能需要能夠跳躍式增長，表3即為最新的精準(zhǔn)負荷控制系統(tǒng)對時延的需求。通過現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)的分析，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的TCP(transmission control protocol)建立連接困難，TCP協(xié)議傳輸?shù)托У娜秉c制約了電網(wǎng)通信性能的提高。

并且，伴隨電網(wǎng)公司系統(tǒng)SG-ERP平臺及數(shù)據(jù)容災(zāi)中心建設(shè)[4]，傳統(tǒng)的計算/數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中存在的IP 地址重疊、跨子網(wǎng)虛擬機遷移及跨數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)遷移困難、STP(spanning tree protocol)和MSTP (multiple spanning tree protocol)技術(shù)收斂速度慢、無法為多租戶提供等截面帶寬、鏈路的實際利用率很低(平均只有30%～40%)等問題[5]導(dǎo)致現(xiàn)有電力通信網(wǎng)的傳輸性能、管控性能愈發(fā)難以滿足要求。

表3 精準(zhǔn)負荷控制系統(tǒng)時延需求Tab. 3 Time delay demand of precise load control system

1.2 安全可靠性

現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備種類繁多，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和接口協(xié)議無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，增加了網(wǎng)絡(luò)管理和維護的復(fù)雜性，加大了網(wǎng)絡(luò)安全防護壓力。

并且，在能源互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模延伸的場景下，電力通信網(wǎng)絡(luò)需提供的新特性為：規(guī)定時間內(nèi)以很高概率保持路由路徑的不變性。而目前的電力通信網(wǎng)IP化后，當(dāng)電力通信網(wǎng)處于高負荷運行狀態(tài)時，交換器丟棄某些重要業(yè)務(wù)如調(diào)度與監(jiān)控報文會對電網(wǎng)產(chǎn)生巨大的影響。

1.3 運維復(fù)雜性

基于電網(wǎng)建設(shè)的長期性，電網(wǎng)公司需要面對大量不同生產(chǎn)廠家、不同時間批次、不同類別設(shè)備的采購、設(shè)計、集成、部署、維護運行、升級改造，并且伴隨“三集五大”等體系建設(shè)的推進，通信網(wǎng)絡(luò)的運維復(fù)雜度日益增加[6]。

1.4 兼容擴展性

目前電力系統(tǒng)往往采用專用架構(gòu)的通信設(shè)備來保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。這導(dǎo)致目前電力通信網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜而剛性的，由大量單一功能的、專用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和碎片化、昂貴、專用的硬件設(shè)備構(gòu)成，進而導(dǎo)致資源不能共享，業(yè)務(wù)難融合[6]。并且，智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)擴張以及電力市場等新興業(yè)務(wù)種類的持續(xù)增加要求電力通信網(wǎng)架能夠迅速兼容新業(yè)務(wù)、新技術(shù)和新設(shè)備。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

SDN起源于2006 年斯坦福大學(xué)的Clean Slate 研究課題。2008年，OpenFlow概念(即將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)平面和控制平面兩個功能模塊相分離，通過集中式的控制器以標(biāo)準(zhǔn)化的接口對各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行管理和配置)被詳細提出，2009 年，Mckeown 教授正式提出了SDN 概念:SDN是一種新興的、控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離并直接可編程的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其核心是將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊耦合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解耦成應(yīng)用、控制、轉(zhuǎn)發(fā)三層分離的架構(gòu)，并通過標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中管控和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的可編程，目前廣泛應(yīng)用的架構(gòu)有SDN和NFV，如圖2和圖3所示[7]。

目前，SDN的標(biāo)準(zhǔn)化組織主要有：開放網(wǎng)絡(luò)基金會(open networking foundation，ONF)、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(european telecommunications standards in-stitute, ETSI)、國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(the internet engineering task forcem, IETF)、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(China communications standards association, CCSA)、城域以太網(wǎng)論壇(metro ethernet forum, MEF)和國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局(ITU-T for ITU telecommunication standardization Sector, ITU-T)[8]，主流架構(gòu)有OpendayLight，如圖4所示。其特征主要包括：(1) 控制功能與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能解耦合，提高了復(fù)雜協(xié)議的運算效率和收斂速度；(2) 網(wǎng)絡(luò)控制平面集中化，簡化了運維復(fù)雜度，增加了管控的靈活性；(3) 統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)硬件平臺，有利于網(wǎng)絡(luò)的智能化、自動化和硬件的標(biāo)準(zhǔn)化，降低了網(wǎng)絡(luò)運營的復(fù)雜性和惡意端口的接入數(shù)量[9]。

圖2 SDN架構(gòu)體系Fig.2 The architecture of the SDN

圖3 NFV架構(gòu)體系Fig.3 The architecture of the NFV

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization，NFV)技術(shù)的提出是基于現(xiàn)有專用通信設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化不足特性。NFV試圖通過標(biāo)準(zhǔn)的IT虛擬化技術(shù)，把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備統(tǒng)一到工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的高性能、大容量的服務(wù)器，交換機和存儲平臺上，其主體架構(gòu)如圖4所示[10]。NFV的最大特點是可以將網(wǎng)絡(luò)功能軟件化，能根據(jù)需要隨意布置服務(wù)器而不需要部署新的硬件設(shè)備，這也使其能夠同時適用于有線和無線網(wǎng)絡(luò)。

圖4 OpenDayLight架構(gòu)體系Fig.4 The architecture of the OpenDayLight

從接口協(xié)議上看，SDN主流的南向接口協(xié)議OpenFlow如圖5所示[11]，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)主要包括3個部分：Open flow 交換機、Flow Visor 及控制器Controller。而北向接口(northbound interface，NBI)是直接為業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)的，其設(shè)計與業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求緊密相關(guān)，具有多樣化的特征。目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)了20余種不同的控制器，對外提供的接口不完全相同，這說明NBI標(biāo)準(zhǔn)還沒有完全統(tǒng)一。業(yè)內(nèi)SDN基本以SDN/NFV為基礎(chǔ)，為SDN擴展及北向協(xié)議補充，這是由于SDN和NFV的技術(shù)基礎(chǔ)是一致的，都源于通用服務(wù)器、云計算和虛擬化技術(shù)，兩者的聯(lián)系如圖6所示[12]。

圖5 OpenFlow協(xié)議Fig.5 The protocol of the OpenFlow

圖6 SDN與NFV之間的聯(lián)系Fig.6 The relation between the SDN and NFV

鑒于SDN/NFV技術(shù)的巨大優(yōu)越性，將SDN應(yīng)用于電力通信網(wǎng)可以極大地改變目前電力通信網(wǎng)所面臨的嚴峻考驗，其影響主要體現(xiàn)在以下方面。

2.1 電力通信網(wǎng)性能提升

以SDN通信網(wǎng)為骨干網(wǎng)的電力通信網(wǎng)可以從流量控制、差異化處理、資源虛擬化分配等角度[13]優(yōu)化電力通信骨干網(wǎng)的傳輸及管控能力，也可以充分調(diào)用現(xiàn)有公司網(wǎng)絡(luò)資源的能力。

而海量節(jié)點與海量數(shù)據(jù)是接入網(wǎng)的主要特征，通過引入SDN，可以實現(xiàn)接入節(jié)點的統(tǒng)一管理和維護，便于電力行業(yè)新業(yè)務(wù)的快速部署。新業(yè)務(wù)和新特性的部署均能通過流表的部署來快速添加，極大提高了效率。

并且，SDN電力通信網(wǎng)中的信息的傳輸路徑可通過控制功能與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能解耦合實現(xiàn)最優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)的延時等網(wǎng)絡(luò)效率性能可得到極大提高。

2.2 建設(shè)和運維復(fù)雜度降低

目前，調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)運維工作主要包括故障管理、變更管理、配置管理、訪問控制管理等內(nèi)容[6],基于目前電力通信網(wǎng)絡(luò)中各種不同設(shè)備和協(xié)議共存的現(xiàn)狀，電力通信網(wǎng)絡(luò)迫切需求標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。此外，目前的電力通信網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)對智能電網(wǎng)條件下大規(guī)模用于接入和精細化管理要求上顯得力不從心，而SDN網(wǎng)絡(luò)能夠統(tǒng)一進行流表配置，總體上能夠得到最優(yōu)化。最后，基于標(biāo)準(zhǔn)化的SDN電力通信網(wǎng)絡(luò)在電力通信網(wǎng)的擴建和災(zāi)后恢復(fù)上具有極大優(yōu)勢。

2.3 電力數(shù)據(jù)中心效率增長

隨著智能電網(wǎng)進度的推進，設(shè)備數(shù)目的擴大、部署業(yè)務(wù)的種類和數(shù)量的增加和信息系統(tǒng)災(zāi)備業(yè)務(wù)的龐大數(shù)據(jù)占用了現(xiàn)在已經(jīng)日趨緊張的帶寬量。與此同時，在提倡節(jié)約型社會的背景下，電力數(shù)據(jù)中心的不斷增長的能耗也將被納入考核之內(nèi)。

SDN/NFV的虛擬化能力強，能夠高效地管理和運維數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，能夠智能進行虛擬機部署和遷移，在資源優(yōu)化配置和彈性調(diào)度上具有高效性。

3 基于SDN的電力通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

SDN原理及特征表明基于SDN的新型電力通信網(wǎng)絡(luò)理論上將能夠很好地解決目前電力通信網(wǎng)絡(luò)中存在的問題。但是，以下關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用將影響基于SDN的電力通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

3.1 安全性

電力通信網(wǎng)中，存在諸多對通信安全要求很高的業(yè)務(wù)，甚至涉及電力系統(tǒng)敏感信息，但是電力系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)融合導(dǎo)致的交互共享導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)攻擊的形式發(fā)生了改變，高度動態(tài)用戶資源的安全風(fēng)險進一步擴大。SDN的集中管控特性和開放性給傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)帶來了不一樣的安全特性。

目前，我國的電力通信網(wǎng)絡(luò)不是一個寬帶綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。它是由國家電力通信傳輸網(wǎng)、國家電力數(shù)據(jù)網(wǎng)及國家電力信息網(wǎng)所組成[14],主要業(yè)務(wù)分別對應(yīng)話音、實時數(shù)據(jù)和信息應(yīng)用。

針對該通信架構(gòu)，通信網(wǎng)絡(luò)安全通常包括承載網(wǎng)與業(yè)務(wù)網(wǎng)的安全、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)安全以及信息傳遞安全；且其安全威脅主要表現(xiàn)在對抗攻擊方面，主要分為以下3類：(1) 非法利用，包括秘密使用電力通信網(wǎng)絡(luò)資源、非法騷擾和犯罪；(2) 秘密偵測是，包括秘密偵聽電力通信網(wǎng)絡(luò)的通信內(nèi)容、秘密偵測網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、在電力通信網(wǎng)絡(luò)中建立偵測環(huán)境、通過電力通信網(wǎng)絡(luò)偵測信息系統(tǒng)；(3) 惡意破壞，包括電磁干擾(例如劣化或阻斷電磁信號)、惡意業(yè)務(wù)量擁塞電力通信網(wǎng)絡(luò)(例如秘密制造虛偽的大話務(wù)量、釋放蠕蟲)、惡意控制破壞電力通信網(wǎng)絡(luò)的支持網(wǎng)絡(luò)和破壞電力通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施[15]。

作為新興的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，SDN網(wǎng)絡(luò)對目前的安全模型有了較大的沖擊。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，防火墻等安全設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的位置是固定的關(guān)鍵位置，信息流被強制性地從這些安全設(shè)備總流過。而SDN則是一個流規(guī)則驅(qū)動型網(wǎng)絡(luò)，信息流的路徑完全由流規(guī)則決定，預(yù)先部署的物理安全設(shè)備及其防護措施失去了防護作用。

在網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢信息的獲取方式上，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需要向多個設(shè)備發(fā)送請求信息，然后在收到信息后再進行綜合評估當(dāng)前的態(tài)勢信息。而SDN網(wǎng)絡(luò)在本質(zhì)上已經(jīng)建立了整個網(wǎng)絡(luò)的全局視圖，其安全態(tài)勢信息可以直接從控制器中獲取[16]。與此同時，這種便捷性帶來的是可以被攻擊者獲取到更多的網(wǎng)絡(luò)信息而造成更大規(guī)模的攻擊。

SDN架構(gòu)實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)總網(wǎng)絡(luò)管理功能的集中。這種創(chuàng)新雖然帶來管理和運維的靈活性，但其也帶來特有的安全威脅，主要包括流規(guī)則的合法性和一致性問題、控制器的脆弱性、控制器和應(yīng)用程序之間缺乏信任機制和控制層-基礎(chǔ)設(shè)施層之間的威脅(如OpenFlow 協(xié)議的安全性)等問題[16]。

在流規(guī)則的合法性和一致性問題上，主要表現(xiàn)形式為：(1) 控制器上同時運行著多個自定義或第三方提供的應(yīng)用程序,這些應(yīng)用程序生成的流規(guī)則之間可能出現(xiàn)相互競爭、彼此沖突或覆蓋的情況；(2) 流規(guī)則在下發(fā)時,由于時延或被攻擊者惡意篡改等原因,使得控制器和交換機流規(guī)則不一致；(3) 不同控制器之間缺乏有效、安全的流規(guī)則同步方案。

在控制器的脆弱性上，主要表現(xiàn)形式為：(1)SDN 中最嚴重的威脅、故障或惡意的控制器可使整個SDN 網(wǎng)絡(luò)受到威脅；(2) 常規(guī)入侵檢測系統(tǒng)(intrusion detection systems，IDS) 技術(shù)很難發(fā)現(xiàn)SDN 中某個具體攻擊的發(fā)起者,尚不足以保證SDN 的安全。

在控制器和應(yīng)用程序之間缺乏信任機制上，主要表現(xiàn)形式為：(1) 控制器和應(yīng)用程序之間缺乏有效的信任評估和信任管理機制；(2) 驗證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是否安全的技術(shù)和驗證應(yīng)用程序是否安全的技術(shù)并不相同；(3) 惡意應(yīng)用程序可以輕易地被開發(fā),已授權(quán)的合法應(yīng)用程序也可能被篡改,并應(yīng)用于控制器上。

在控制層-基礎(chǔ)設(shè)施層之間的威脅上，主要表現(xiàn)形式為：(1) 主要指南向接口協(xié)議面臨的安全威脅,如拒絕服務(wù)攻擊(denial of service，DoS)、分布式拒絕服務(wù)(distributed denial of service，DDoS)攻擊或數(shù)據(jù)竊取等；(2) 安全傳輸層協(xié)議(transport layer security，TLS)、安全套接層(secure sockets layer，SSL)加密的基礎(chǔ)是公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(public key infrastructure，PKI),不足以保證交換機與控制器之間的安全通信。

在局域網(wǎng)的接入控制及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督上，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的基本做法是基于IEEE 802.1Q協(xié)議，其方法配置和接入控制方案較為復(fù)雜，而SDN的控制器能夠通過便捷有效的管理功能模塊在底層就拒絕不符合要求的數(shù)據(jù)包。

在攻擊檢測和網(wǎng)絡(luò)溯源上(例如針對DDOS攻擊)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的識別過程會造成巨大的開銷壓力。而SDN得益于其可編程性，可通過控制器的轉(zhuǎn)發(fā)功能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到特定的流量識別器上，從而避免在遭受攻擊的時候影響網(wǎng)絡(luò)的正常運行。

針對SDN 中存在的各種典型安全問題,現(xiàn)有解決方案的主要思路主要有：(1) SDN 安全控制器的開發(fā)；(2) 控制器可組合安全模塊庫的開發(fā)和部署；(3) 控制器DoS/DDoS 攻擊防御；(4) 流規(guī)則的合法性和一致性檢測[16]；(5) 北向接口的安全性;(6) 應(yīng)用程序安全性[16-18]；(7) 安全策略：基于交換機安全等級(性能、被攻擊歷史、實時帶寬等)劃分的安全路由策略等[19]；(8)交換機洗牌[20]；(9) 基于端口跳變等。

3.2 時延

當(dāng)數(shù)據(jù)包經(jīng)過控制器轉(zhuǎn)發(fā)，向另一個節(jié)點發(fā)送時，總體的傳輸時延主要包括以下幾種延時類型：(1) 傳輸時延，數(shù)據(jù)包在鏈路上傳輸?shù)臅r延；(2) 處理時延，控制器對數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)處理時延；(3) 排隊時延，數(shù)據(jù)包在發(fā)送前的緩沖時延；(4) 發(fā)送時延，將數(shù)據(jù)包由接口發(fā)送到鏈路的時延;(5) 失效恢復(fù)時延，網(wǎng)絡(luò)從失效到恢復(fù)的延時。

鑒于電力系統(tǒng)對信息傳遞的時延性越來越敏感(現(xiàn)有的電力業(yè)務(wù)的時延要求如表4[21]；針對過程層的信號傳輸，《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》規(guī)定“傳輸各種幀長數(shù)據(jù)時交換機固有時延應(yīng)小于10 μs”，具體如表5[22]所示)，SDN網(wǎng)絡(luò)需要保證時延的可控，即需要研究SDN網(wǎng)絡(luò)中對上述時延產(chǎn)生影響的各種因素，進而優(yōu)化各階段的時延。表6[23]展示了一個具有1 GB/s帶寬，200 km長鏈路的網(wǎng)絡(luò)，在轉(zhuǎn)發(fā)長度為1250 B的數(shù)據(jù)包的時延情況[19]。

表4 電力業(yè)務(wù)通信性能需求Tab.4 The performance requirements of electric power communication

表5 變電站站內(nèi)信息流的數(shù)據(jù)量及實時性要求Tab. 5 The performance requirements of the network in the single substation

表6 SDN網(wǎng)絡(luò)時延Tab. 6 The time delay of the SDN network

3.2.1 傳輸時延——控制器

Heller等在2012年首次提出了控制器放置問題，其指出該問題的關(guān)鍵點在于控制器數(shù)量和控制器在網(wǎng)絡(luò)拓撲中的位置[24]。然而目前電力系統(tǒng)中變電站的選址與電力通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是解耦的關(guān)系；因此，建設(shè)基于SDN的電力通信架構(gòu)應(yīng)當(dāng)增加該因素的影響評估。與控制器放置位置相關(guān)聯(lián)的性能尺度包括以下若干因素：

(1) 傳輸延時因素，主要包括控制器與交換機間傳輸時延和控制器間傳輸時延。

(2) 開銷因素，主要包括成本開銷(控制器數(shù)量)[25]、流策略部署開銷(交換機向控制器請求的消息數(shù)和傳輸開銷)[26]。

(3) QoS影響，新型業(yè)務(wù)的興起，對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量需求日益增加，低延時和延時抖動率對通信網(wǎng)絡(luò)的性能提出了更高要求。針對SDN網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)外主要研究控制器部署動態(tài)調(diào)整中的拓撲映射、拓撲備份等問題[27]。

3.2.2 處理時延——路由算法

原有IP網(wǎng)絡(luò)路由器遵循內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(interior gateway protocol ,IGP)，大多基于距離、跳數(shù)或時延，采用最短路徑算法計算路徑，將數(shù)據(jù)按照計算好的最短路徑逐條轉(zhuǎn)發(fā)，但IGP是在不考慮鏈路擁塞的基礎(chǔ)上進行計算[28]。

基于SDN的控制與數(shù)據(jù)分離特性，SDN的路由算法具有更強的靈活性，能夠避免鏈路擁塞導(dǎo)致的時延。目前國內(nèi)外的研究方向主要集中在基于負載均衡(大象流和老鼠流的相互影響[29])，基于業(yè)務(wù)資源偏好的批路由策略[30]，虛擬鏈路映射[31]，采用多路徑算法和動態(tài)調(diào)整路由計算參數(shù)等方法來改進路徑時延[32]，使用Steiner樹構(gòu)建多播路由來節(jié)約帶寬和提高應(yīng)用吞吐量[33]及分布式選擇探測算法[34]。

3.2.3 排隊/發(fā)送時延——數(shù)據(jù)平面時延

數(shù)據(jù)平面帶來的時延主要分為兩個方面：一種是由于SDN控制器計算路由信息帶來的首分組轉(zhuǎn)發(fā)時延；另一種是由于控制器計算路由后下發(fā)的流表項的不合理，導(dǎo)致的SDN交換機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)查詢流表的時延[35]。

現(xiàn)有的相關(guān)測表明目前在運電力專用交換機通過網(wǎng)絡(luò)傳輸SV的轉(zhuǎn)發(fā)延時為1 μs左右，傳輸GOOSE報文的時延偏差值為4.5 μs以內(nèi)[22]。

不同的流表下發(fā)模式將導(dǎo)致的不同的SDN控制器控制時延[36]，具體測試結(jié)果如表7所示。

表7 兩種流表下發(fā)模式下控制時延的測試結(jié)果Tab. 7 Test results of control time delay under two flow table release modes

3.2.4 失效恢復(fù)時延

目前失效恢復(fù)方式有兩種：一種為控制器主導(dǎo)的失效恢復(fù)，另一種為交換機主導(dǎo)的失效恢復(fù)[37]。目前的研究集中于控制器主導(dǎo)的失效恢復(fù)，使用局部路由[38]的方式能夠有效縮短恢復(fù)時間。

3.3 可擴展性

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的變電站需要融入電力通信網(wǎng)絡(luò)，其可擴展性將是制約SDN電力通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一大障礙。然而SDN網(wǎng)絡(luò)的可擴展性問題是由其本質(zhì)屬性決定的。影響其擴展性的因素主要有以下幾點。

3.3.1 本質(zhì)特征

(1) 控制平面與數(shù)據(jù)平面分離帶來的通信開銷、傳輸延遲、數(shù)據(jù)平面處理延遲；

(2) 邏輯集中的控制帶來的擴展性問題：控制器負載過大、控制平面路由計算復(fù)雜度超線性增長；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受限。目前主要使用新的分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和東西向通信接口來解決問題。

(3) 細粒度的流管控帶來的擴展性問題：當(dāng)大量的新流到來時，沒有匹配流表規(guī)則的分組將會被放入Packet_In 消息并發(fā)送到控制平面，將給控制平面帶來巨大的壓力。

目前主要的實現(xiàn)方案[39]如表8所示。

表8 SDN 可擴展問題研究進展Tab.8 Research on the scalability of SDN

3.3.2 技術(shù)迭代

SDN技術(shù)還處于高速迭代過程中，SDN網(wǎng)絡(luò)中使用的主流南向接口(OpenFlow)和北向接口協(xié)議并不能完全統(tǒng)一和定型，目前主要是通過接口抽象技術(shù)[40]和支持通用協(xié)議的相關(guān)技術(shù)[41]來進行解決，并且數(shù)學(xué)理論支持的抽象接口語言[42]成為了一種研究趨勢。

3.3.3 跨域通信

不同區(qū)域大規(guī)模部署SDN 網(wǎng)絡(luò)后， 鑒于實際利益關(guān)系，SDN可能將無法準(zhǔn)確獲取對方域內(nèi)的全部網(wǎng)絡(luò)信息。因此,SDN 跨域通信[43]將是另一亟待解決的問題。

目前跨域通信主要通過可擴展的會話協(xié)議(extensible session protoco1，XSP)[44]、多域網(wǎng)絡(luò)的高性能網(wǎng)絡(luò)交換機制[45]、分級路由[46]等方式來解決。

3.4 鏈路可靠性

電網(wǎng)中的鏈路的中斷會引起非常嚴重的后果，并且管理與控制SDN的命令是通過控制路徑傳輸?shù)?，控制路徑的可靠性更是通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)必須考慮到的一點。

針對鏈路的可靠性的可供參考的研究主要有：負載過大引起故障量的提高[47]，利用控制路徑失聯(lián)的預(yù)期率[48]，控制路徑有效性[49]和鏈路故障恢復(fù)(端口故障、流表條目錯誤和鏈路負載過重引起的大量分組丟失或者鏈路出現(xiàn)短路[50])。

3.5 容錯性

3.5.1 單點失效

由于控制器的故障率比較低，控制器系統(tǒng)的可靠性主要取決于控制器的單點故障率。N+1冗余備份模型作為經(jīng)典的故障解決方案，能較好地解決該問題[51]。而網(wǎng)絡(luò)故障檢測方法是實現(xiàn)快速切除故障的技術(shù)支撐。目前，大量網(wǎng)絡(luò)故障檢測方法主要為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等基于歷史信息的推斷方法。為保障故障檢測的實時性，三類方案被提出：輪詢、事件通知和兩者的集合[52]。

3.5.2 規(guī)則沖突

除了單點失效的影響，由于電力系統(tǒng)過于龐大，導(dǎo)致使用集中式SDN控制器不經(jīng)濟也不現(xiàn)實。因此，分布式SDN控制器將是一個選擇，但是使用分布式SDN控制器必然帶來的嚴峻挑戰(zhàn)是如何在大規(guī)模頻繁變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境保持各控制器的規(guī)則策略一致性、信息的同步性和數(shù)據(jù)的熱備份。

目前一致性和同步性主要集中在兩個方面：(1) 增加交換節(jié)點的自治智能(DIFANE系統(tǒng)[53]、DevoFlow設(shè)計方案[54])；(2) 讓控制器通過狀態(tài)管理模塊對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的暫時中間態(tài)進行管理[55]。

相關(guān)技術(shù)有：通過虛擬化切片技術(shù)[56]，使用基于角色認證和安全約束執(zhí)行策略的控制器擴展軟件FortNox[57]，分階段更新方法(靜默更新和單觸更新)[58]，使用頭部交換機下發(fā)更新指令和流表[59]等方式。

3.6 兼容性

3.6.1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

電力通信是一個具有較重歷史負擔(dān)的通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中存在種類繁多的通信設(shè)備和協(xié)議，隨著 SDN 的持續(xù)發(fā)展,傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)絡(luò)將與SDN電力通信網(wǎng)絡(luò)長期共存。目前解決方案有：(1) 協(xié)議抽象技術(shù)；(2) 建立標(biāo)簽機制,統(tǒng)一管理中間件。

3.6.2 新型終端

手持式終端在電力系統(tǒng)中呈現(xiàn)大量應(yīng)用的趨勢，可以通過兩種方式進行接入SDN主電力通信網(wǎng)：(1) 通過靜態(tài)無線接入點直接為用戶提供服務(wù)；(2) 在核心網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給某個(某些)用戶之后，多個用戶之間通過D2D(device-to-device)通信的方式共享資源。

3.6.3 其他新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

雖然SDN網(wǎng)絡(luò)具有巨大的優(yōu)勢，但不可否認的是，其他新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備某些SDN不具有的優(yōu)勢。如何將新技術(shù)的優(yōu)點融入到SDN電力通信網(wǎng)絡(luò)中是一個巨大的挑戰(zhàn)，例如：(1) 主動網(wǎng)絡(luò)具有可編程性，允許執(zhí)行環(huán)境(即控制層)直接執(zhí)行代碼,具有很強的靈活性；(2) 信息中心網(wǎng)絡(luò)[64]，其采用了信息驅(qū)動的方式。

4 展望

通過更進一步的研究，使基于SDN的電力通信網(wǎng)絡(luò)可以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，推動電力通信網(wǎng)向融合化、帶寬化、智能化、布局扁平化、功能層次化、業(yè)務(wù)靈活化多樣化的方向發(fā)展。例如：

(1) 應(yīng)用于變電站站內(nèi)，減少光纜的數(shù)量，降低相應(yīng)的成本；

(2) 應(yīng)用于變電站之間，可以穩(wěn)定電力系統(tǒng)潮流方向，保證能源互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)固運行；

(3) 應(yīng)用于電力數(shù)據(jù)中心，可以增加電力業(yè)務(wù)的靈活性，更好地服務(wù)用戶；

(4) 應(yīng)用于電力系統(tǒng)的監(jiān)控，可以很好地保證數(shù)據(jù)的實時性，提高穩(wěn)控系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

5 結(jié)語

本文從電力系統(tǒng)對通信網(wǎng)架的新需求出發(fā)，結(jié)合SDN網(wǎng)絡(luò)的原理特征，討論了基于SDN網(wǎng)絡(luò)的電力通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)架性能、安全性、時延、可擴展性、鏈路可靠性和容錯性和兼容性的關(guān)鍵技術(shù)，并對SDN未來在電力通信系統(tǒng)中的應(yīng)用場景進行了展望?，F(xiàn)有研究表明，未來的基于SDN的電力通信網(wǎng)絡(luò)將是由基礎(chǔ)設(shè)施(物理層)、控制器和業(yè)務(wù)平臺三層架構(gòu)組成的通信網(wǎng)絡(luò)。具體而言：(1) 為保證可擴展性，其控制器宜采用分布式部署；(2) 為保證業(yè)務(wù)特征的契合度，業(yè)務(wù)平臺宜采用NFV的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，重點研究網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)；(3) 為保證時延等網(wǎng)絡(luò)性能，控制器的流表控制模式應(yīng)進行優(yōu)化，需研究集中控制、資源彈性調(diào)度、控制器協(xié)同控制等控制平面關(guān)鍵技術(shù)；(4) 為保證容錯性和兼容性，需研究SDN的融合技術(shù)方案。

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