電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的SDN部署應(yīng)用研究

陳光　馬偉哲　程碩　馮宇　李蒙

摘? 要：電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是基于MPLS VPN技術(shù)構(gòu)建的，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運行維護方式下，存在著業(yè)務(wù)配置過程煩瑣、業(yè)務(wù)流量調(diào)度不靈活、業(yè)務(wù)性能指標(biāo)無可視化監(jiān)控等問題。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及SDN等新技術(shù)的應(yīng)用，有效解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中存在的運行維護問題，極大地提升了運維效率。文章對電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的現(xiàn)狀和SDN技術(shù)特點進行分析，提出在電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中部署及應(yīng)用SDN的方法。

關(guān)鍵詞：電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng);MPLS VPN;SDN

中圖分類號：TN915? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）20-0055-05

Research on SDN Deployment and Application of Power Data Communication Network

CHEN Guang， MA Weizhe， CHENG Shuo， FENG Yu， LI Meng

（Information and Communication Branch of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.， Ltd.， Shenyang? 110055， China）

Abstract： The power data communication network is constructed based on MPLS VPN technology. Under the operation and maintenance mode of traditional network equipments， there are some problems， such as cumbersome business configuration process， inflexible business traffic scheduling， and no visual monitoring of business performance indicators. With the development of network technology and the application of new technologies such as SDN， the operation and maintenance problems existing in the traditional network are effectively solved， and the operation and maintenance efficiency is greatly improved. This paper analyzes the current situation of power data communication network and the characteristics of SDN technology， and puts forward the method of deploying and applying SDN in power data communication network.

Keywords： power data communication network; MPLS VPN; SDN

0? 引? 言

電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是國家電網(wǎng)公司一張承載語音、視頻、數(shù)據(jù)等各類管理信息業(yè)務(wù)綜合性網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋范圍廣、設(shè)備數(shù)量多、設(shè)備品牌多、設(shè)備新舊程度不一等特點。電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是基于MPLS-VPN技術(shù)構(gòu)建，隨著電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)多年的建設(shè)，形成了一張覆蓋國網(wǎng)公司各級機構(gòu)，用于承載公司三、四區(qū)管理信息大區(qū)各類業(yè)務(wù)的綜合性網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的全網(wǎng)互聯(lián)互通。

電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)總體由兩級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，即數(shù)據(jù)通信骨干網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信接入網(wǎng)。其中骨干網(wǎng)又分為省際網(wǎng)和省內(nèi)網(wǎng)，省際網(wǎng)由國網(wǎng)公司進行運維管理，省內(nèi)網(wǎng)和接入網(wǎng)由省公司進行運維管理。數(shù)據(jù)中心、信息、視頻、語音等業(yè)務(wù)局域網(wǎng)由各業(yè)務(wù)部門進行運維管理，接入在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)接入網(wǎng)中。電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是分布式的控制架構(gòu)，每臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身都包含獨立的控制平面和數(shù)據(jù)平面。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)由管理平面、控制平面、數(shù)據(jù)平面共三個平面組成：

（1）管理平面：進行設(shè)備管理（主要協(xié)議：SNMP）

主要包括設(shè)備管理系統(tǒng)和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，設(shè)備管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、設(shè)備接口、設(shè)備特性的管理，同時可以給設(shè)備下發(fā)配置腳本。業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)用于對業(yè)務(wù)進行管理，比如業(yè)務(wù)性能監(jiān)控、業(yè)務(wù)告警管理等。

（2）控制平面：進行路由控制（主要協(xié)議：IGP、BGP（EGP））。主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)控制，進行路由協(xié)議處理與計算。常見的IGP路由協(xié)議如：ISIS、OSPF、BGP、RIP、靜態(tài)路由等，通過路由協(xié)議完成路由信息的計算和路由表的生成，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的控制。

（3）數(shù)據(jù)平面：進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)（主要協(xié)議：轉(zhuǎn)發(fā)表FIB）。是指設(shè)備根據(jù)控制平面生成的指令完成用戶業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)和處理。例如路由器根據(jù)路由協(xié)議生成的路由表對接收的數(shù)據(jù)包從相應(yīng)的出接口轉(zhuǎn)發(fā)出去。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)局限性主要有：

（1）流量路徑的靈活調(diào)整能力不足。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通常部署網(wǎng)管系統(tǒng)作為管理平面，而控制平面和數(shù)據(jù)平面分布在每個設(shè)備上運行。流量路徑的調(diào)整需要通過在網(wǎng)元上配置流量策略來實現(xiàn)，但對于大型網(wǎng)絡(luò)的流量進行調(diào)整，不僅煩瑣而且還很容易出現(xiàn)故障;當(dāng)然也可以通過部署TE隧道來實現(xiàn)流量調(diào)整，但由于TE隧道的復(fù)雜性，對于維護人員的技能要求很高。

（2）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)復(fù)雜，運維難度較大。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議較復(fù)雜，有IGP、BGP、MPLS、組播協(xié)議等，而且還在不斷增加。設(shè)備廠家除標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議外都有一些私有協(xié)議擴展，不僅設(shè)備操作命令繁多，而且不同廠家設(shè)備操作界面差異較大，運維復(fù)雜。

（3）網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)升級速度較慢。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中由于設(shè)備的控制面是封閉式的，且不同廠家設(shè)備實現(xiàn)機制也可能有所不同，所以一種新功能的部署可能會造成周期較長，且如果需要對設(shè)備軟件進行升級，還需要在每臺設(shè)備上進行操作，大大降低了工作效率。

1? SDN技術(shù)

1.1? SDN技術(shù)介紹

SDN可以被看作一種全新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，或者說是一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計理念。從另一種意義上說，SDN是思考和解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)所面臨的問題的方法，代表著人們對網(wǎng)絡(luò)變革的期盼[1]。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）是一種網(wǎng)絡(luò)虛擬化和容器化的方法，致力于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，使網(wǎng)絡(luò)快速適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求、應(yīng)用程序和流量。它的工作方法是分離網(wǎng)絡(luò)的控制平面和數(shù)據(jù)平面，創(chuàng)建與物理設(shè)備不同的軟件可編程基礎(chǔ)架構(gòu)。

借助SDN，網(wǎng)絡(luò)編排、管理、分析和自動化成為SD控制器的工作職能。由于這些控制器不屬于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因此它們可以利用現(xiàn)代云計算和存儲資源的規(guī)模、性能和可用性。SDN 控制器越來越多地建立在開放平臺之上，采用開放標(biāo)準(zhǔn)和開放式API，使它們能夠編排、管理和控制來自不同供應(yīng)商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

SDN帶來諸多業(yè)務(wù)優(yōu)勢?？刂茖雍蛡鬏攲拥姆蛛x，提高了靈活性并加快了新應(yīng)用程序的上市時間。能夠更快地應(yīng)對問題和故障，從而提高了網(wǎng)絡(luò)可用性。此外，可編程性更便于 IT 組織實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的自動化，進而降低運維成本。

SDN可以和另一項技術(shù)（即網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV））緊密結(jié)合。NFV提供了虛擬化基于設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能的能力，例如防火墻、負(fù)載平衡器和WAN加速器。SDN提供的集中化控制可以有效管理和編排NFV支持的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能[2]。

1.2? SDN的優(yōu)勢

1.2.1? 簡化網(wǎng)絡(luò)

SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡化了網(wǎng)絡(luò)，消除了很多IETF的協(xié)議。協(xié)議的去除，意味著學(xué)習(xí)成本的下降，運行維護成本下降，業(yè)務(wù)部署快速提升。這個價值主要得益于SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)集中控制和轉(zhuǎn)控分離。

因為SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)集中控制，所以被SDN控制器所控制的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部很多協(xié)議基本就不需要了，比如RSVP協(xié)議、LDP協(xié)議、MBGP協(xié)議、PIM組播協(xié)議等等。原因是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的路徑計算和建立全部在控制器完成，控制器計算出流表，直接下發(fā)給轉(zhuǎn)發(fā)器就可以了，并不需要協(xié)議。未來大量傳統(tǒng)的東西向協(xié)議會消失，而南北向控制協(xié)議比如Openflow協(xié)議則會不斷地演進來滿足SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需求[3]。

1.2.2? 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備白牌化

基于SDN架構(gòu)，如果標(biāo)準(zhǔn)化了控制器和轉(zhuǎn)發(fā)器之間的接口，比如OpenFlow協(xié)議逐漸成熟，那么網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的白牌化將成為可能，比如專門的OpenFlow轉(zhuǎn)發(fā)芯片供應(yīng)商，控制器廠商等，這也正是所謂的系統(tǒng)從垂直集成開發(fā)走向水平集成。

垂直集成是一個廠家供應(yīng)從軟件到硬件到服務(wù)。水平集成則是把系統(tǒng)水平分工，每個廠家都完成產(chǎn)品的一個部件，有的集成商把他們集成起來銷售。水平分工有利于系統(tǒng)各個部分的獨立演進和更新，快速進化，促進競爭，促進各個部件的采購價格的下降。

1.2.3? 業(yè)務(wù)自動化

SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，由于整個網(wǎng)絡(luò)歸屬控制器控制，那么網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)網(wǎng)自動化就是理所當(dāng)然的，不需要另外的系統(tǒng)進行配置分解。在SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，SDN控制器可以自己完成網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)部署，提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，比如L2VPN、L3VPN等，屏蔽網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部細節(jié)，提供網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)自動化能力。

1.2.4? 網(wǎng)絡(luò)路徑流量優(yōu)化

通常傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路徑選擇依據(jù)是通過路由協(xié)議計算出的“最優(yōu)”路徑，但結(jié)果可能會導(dǎo)致“最優(yōu)”路徑上流量擁塞，其他非“最優(yōu)”路徑空閑。當(dāng)采用SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時，SDN控制器可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量狀態(tài)智能調(diào)整網(wǎng)絡(luò)流量路徑，提升網(wǎng)絡(luò)利用率[4]。

2? SDN在電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中應(yīng)用

由于電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)全網(wǎng)設(shè)備覆蓋廣、數(shù)量大、品牌多、新舊不一的特點，要實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)SDN化，需要分區(qū)域逐步去改造部署SDN網(wǎng)絡(luò)，然后最終通過統(tǒng)一部署超級SDN控制器，實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)全網(wǎng)SDN。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)出發(fā)，電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的改造過程主要可以分為以下3個階段。

2.1? 電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)業(yè)務(wù)局域網(wǎng)SD-WAN

相比于電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)廣域網(wǎng)，各省視頻、信息、語音、數(shù)據(jù)中心等業(yè)務(wù)局域網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量規(guī)模相對較少，品牌較為單一，進行SDN改造部署的難度較低，所以可以優(yōu)先從業(yè)務(wù)局域網(wǎng)開始進行SDN的改造工作。

以數(shù)據(jù)中心局域網(wǎng)為例，在進行SDN改造時，可以將數(shù)據(jù)中心CE及以下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行統(tǒng)一的改造更換，更換為同一廠商的SDN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，同時部署一套SDN網(wǎng)絡(luò)控制器。這樣就可以在數(shù)據(jù)中心中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活調(diào)度，有利于虛擬機的遷移以及業(yè)務(wù)應(yīng)用的保障。同時對于本地數(shù)據(jù)中心間的互聯(lián)互通，可以利用SDN實現(xiàn)對MPLS專網(wǎng)和傳輸專線通道進行靈活調(diào)度，實現(xiàn)SD-WAN[5]。

如圖2所示，省內(nèi)數(shù)據(jù)中心有2個不同地點的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域A區(qū)和B區(qū)，A區(qū)和B區(qū)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為同一廠商。在A區(qū)和B區(qū)各部署一套SDN控制器形成主備冗余，對數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行控制。通過SDN控制器對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行業(yè)務(wù)配置下發(fā)和業(yè)務(wù)流量調(diào)度，并可以通過開通VXLAN隧道實現(xiàn)虛擬機跨區(qū)域靈活部署。針對數(shù)據(jù)中心間的業(yè)務(wù)互通的出口通道，通過SDN控制器可以對MPLS專網(wǎng)線路和傳輸專線線路進行流量的調(diào)度調(diào)優(yōu)。

2.2? 電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)廣域網(wǎng)SDN

電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)廣域網(wǎng)存在覆蓋范圍廣，設(shè)備數(shù)量、品牌多的特點，而且設(shè)備管理范圍主要涉及總部和省公司。所以對于電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)廣域網(wǎng)SDN的改造也需要根據(jù)管理區(qū)域分別去逐步完成。

2.2.1? 電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)省際網(wǎng)

電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)省際網(wǎng)覆蓋到各省公司及第二匯聚點，是各省電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)廣域網(wǎng)的出口設(shè)備。由于電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)省際網(wǎng)為總部管理設(shè)備，由總部統(tǒng)一進行SDN的改造，改造完成后，總部可以對省際網(wǎng)設(shè)備進行SDN統(tǒng)一控制管理，而且可以在總部數(shù)據(jù)中心及各省間靈活開通、調(diào)度數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

如圖3所示，在兩個總部數(shù)據(jù)中心分別部署一套SDN控制器形成冗余，對電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)省際網(wǎng)的設(shè)備進行配置下發(fā)以及業(yè)務(wù)流量調(diào)度。若各省之間或各省與數(shù)據(jù)中心間有業(yè)務(wù)互通需求，可以通過SDN控制器靈活開通業(yè)務(wù)通道。

2.2.2? 電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)省內(nèi)網(wǎng)和接入網(wǎng)

電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)省內(nèi)網(wǎng)和接入網(wǎng)主要由省公司統(tǒng)一管理，進行SDN改造主要問題是地市接入網(wǎng)的設(shè)備量大，而且品牌不統(tǒng)一。在進行SDN改造時需要對全省的設(shè)備進行統(tǒng)一規(guī)劃，包括SDN控制器的部署方式，各地市接入網(wǎng)設(shè)備的SDN改造過度方法。

如圖上圖所示，省內(nèi)SDN改造需要統(tǒng)籌省內(nèi)設(shè)備品牌情況，設(shè)備主要由A、B、C三個品牌組成，省內(nèi)網(wǎng)設(shè)備均為A品牌、地市1接入網(wǎng)主要為A品牌、地市2接入網(wǎng)主要為B品牌、地市3接入網(wǎng)主要為C品牌、地市4接入網(wǎng)主要為B品牌。在進行SDN控制器部署時，需要在省內(nèi)網(wǎng)核心節(jié)點以及第二匯聚點分別各部署一套A、B、C品牌的SDN控制器，形成冗余配置，實現(xiàn)對全省電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)A、B、C品牌設(shè)備的統(tǒng)一控制。地市接入網(wǎng)在進行SDN改造時，逐步將設(shè)備改造為本地市的同一品牌，方便SDN控制管理。如圖所示完成SDN部署后，可以實現(xiàn)省內(nèi)跨地市互通業(yè)務(wù)以及地市接入網(wǎng)內(nèi)互通業(yè)務(wù)的快速配置和流量調(diào)度。

2.3? 部署超級SDN控制器以實現(xiàn)全網(wǎng)SDN

經(jīng)過逐步改造后，業(yè)務(wù)局域網(wǎng)、接入網(wǎng)、省內(nèi)網(wǎng)、省際網(wǎng)可以分區(qū)域進行SDN控制器部署，然后最終總部統(tǒng)一部署超級SDN控制器，將電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)各層級的SDN控制器進行統(tǒng)一控制，實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的全網(wǎng)SDN化。

如圖5所示，在電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)業(yè)務(wù)局域網(wǎng)、省內(nèi)網(wǎng)、省際網(wǎng)分別完成SDN部署，實現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的SDN控制后，通過在總部部署超級SDN控制器，對電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)全網(wǎng)各層級網(wǎng)絡(luò)的SDN控制器進行統(tǒng)一管理控制，形成全網(wǎng)SDN統(tǒng)一，從而達到通過超級控制器實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)全網(wǎng)的SDN化控制。

可以看出，通過分層進行SDN改造的方式，可以將電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)設(shè)備覆蓋范圍廣、數(shù)量大、品牌多等因素帶來的SDN改造困難進行分解降低，以形成實現(xiàn)SDN改造優(yōu)化落地的實施過程方案。

3? 結(jié)? 論

通過本文的研究，可以了解到目前電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)整體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及眼前所面對的短板問題。通過部署SDN進行網(wǎng)絡(luò)改造可以實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的優(yōu)化提升，提高網(wǎng)絡(luò)運行效率。結(jié)合著網(wǎng)絡(luò)實際情況，本文對提出了通過逐步分層改造的方式，對業(yè)務(wù)局域網(wǎng)、省內(nèi)網(wǎng)和接入網(wǎng)、省際網(wǎng)分區(qū)域分層進行SDN改造部署，先實現(xiàn)區(qū)域性的SDN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用;然后再通過統(tǒng)一部署SDN超級控制器來實現(xiàn)對全網(wǎng)電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)各層級SDN控制器的管理，從而實現(xiàn)最終全網(wǎng)SDN可控的網(wǎng)絡(luò)。通過這種方式進行SDN部署應(yīng)用，在解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)局限性的同時，降低了電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)品牌多、范圍廣、數(shù)量大的所帶來的改造難度，具有很強的可行性，對電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的SDN化改造具有指導(dǎo)意義。

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作者簡介：陳光（1990—），男，漢族，遼寧沈陽人，工程師，本科，研究方向：通信工程;

馬偉哲（1983—），男，滿族，遼寧本溪人，副高級工程師，本科，研究方向：通信工程;

程碩（1986—），男，漢族，遼寧錦州人，副高級工程師，本科，研究方向：通信工程;

馮宇（1990—），男，漢族，湖北黃岡人，工程師，碩士研究生，研究方向：電力通信技術(shù);

李蒙（1995—），男，漢族，遼寧沈陽市，助理工程師，碩士研究生，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。