基于SDN的智能電網(wǎng)降維數(shù)據(jù)傳輸研究

李小焱

(國網(wǎng)山東省電力公司 濟(jì)寧供電公司， 山東 濟(jì)寧 272000)

0 引言

智能電網(wǎng)(SG)系統(tǒng)中智能設(shè)備生成具有多個異構(gòu)屬性的高維數(shù)據(jù)，并且其值隨時(shí)間而變化[1]。數(shù)據(jù)的高維會影響大多數(shù)設(shè)計(jì)方案的性能，在對大數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲之后，主要任務(wù)是通過底層SG網(wǎng)絡(luò)高效地傳輸降維后的數(shù)據(jù)[2]。文獻(xiàn)[3]重點(diǎn)介紹了智能電表生成數(shù)據(jù)類型和處理數(shù)據(jù)所需的技術(shù)。由于從各種智能設(shè)備定期生成的數(shù)據(jù)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信流量擁堵，因此，網(wǎng)絡(luò)級的數(shù)據(jù)處理已成為SG系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)[4]。文獻(xiàn)[5]提出了在智能電表和電網(wǎng)之間，利用高級電表架構(gòu)(AMI)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。因此，軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)作為高效的數(shù)據(jù)流量平臺在SG系統(tǒng)中，可以在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)流處理。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于SDN的微電網(wǎng)通信體系結(jié)構(gòu)，以便為終端用戶提供靈活可靠的服務(wù)。文獻(xiàn)[7]利用SDN為SG系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自主管理的變電站網(wǎng)絡(luò)。SDN可減少延遲和提高吞吐量的形式提高傳輸性能，從而有利于大數(shù)據(jù)應(yīng)用[8]。

針對SG系統(tǒng)中不同智能設(shè)備獲取數(shù)據(jù)后的降維數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了一種基于SDN的智能電網(wǎng)降維數(shù)據(jù)傳輸方案，設(shè)計(jì)了一種基于經(jīng)驗(yàn)概率的控制算法(EPCS)，用于計(jì)算在SG網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)發(fā)降維數(shù)據(jù)的最佳路徑。

1 SDN模型

為了更好地說明本文所利用的SDN模型優(yōu)勢，將SDN模型與蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行對比示例，如圖1所示。

如果通過傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信道傳輸20 Mbits的數(shù)據(jù)幀，則以20 Mbps的數(shù)據(jù)速率到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)需要1秒，如圖1(a)所示。如果數(shù)據(jù)量被降維到16 Mbits，可以省略所有無用和不需要的值，則以相同的數(shù)據(jù)速率到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)僅需0.8秒，如圖1(b)所示。因此，數(shù)據(jù)量對傳輸時(shí)間有很大的影響。由于在SG系統(tǒng)中有大量的數(shù)據(jù)是無縫傳輸，因此，如果這些數(shù)據(jù)被減少，則有利于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼w性能。

(b) 路由方案得到的吞吐量圖4 方案的評價(jià)結(jié)果

(a) 降維率與誤差率之間的統(tǒng)計(jì)權(quán)衡

(b) 通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕稻S數(shù)據(jù)用時(shí)

(a) 通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)用時(shí)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)遵循動態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理方案時(shí)，可以幫助實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)資源利用率，從而實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。例如，如果在蜂窩網(wǎng)絡(luò)上傳輸降維的數(shù)據(jù)幀，則可以使用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選擇最短路徑。在這種情況下，實(shí)現(xiàn)50 Mbps的數(shù)據(jù)速率以及25%的鏈路利用率和12.5 Mbps的吞吐量，如圖1(c)所示。如果部署了諸如SDN之類的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，則實(shí)現(xiàn)55 Mbps的數(shù)據(jù)速率以及25.2%的較好鏈路利用率和13.7 Mbps的增強(qiáng)吞吐量，如圖1(d)所示。因此，通過在SG系統(tǒng)中部署SDN的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施用于數(shù)據(jù)管理，可以實(shí)現(xiàn)更好的吞吐量、數(shù)據(jù)速率和鏈路利用率。鏈路的更好利用還有助于減少網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的能耗。

(c) 通過傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕稻S數(shù)據(jù)

(d) 通過SDN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕稻S數(shù)據(jù)

2 基于SDN的控制方案

本文提出一種以SDN作為SG降維數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄芊桨福源藢G系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理。SDN作為開放且可編程的平臺，通過其良好的解耦平面可以實(shí)現(xiàn)智能且動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)控制。SDN從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中抽象出底層基礎(chǔ)設(shè)施，使得網(wǎng)絡(luò)配置中的動態(tài)變化管理和重新配置變得容易[9]。利用SDN的可擴(kuò)展性和高效性，可以有效地處理SG系統(tǒng)中不斷生成的大數(shù)據(jù)流量。因此，將大數(shù)據(jù)降維技術(shù)與SDN相結(jié)合，可以為終端用戶提供可擴(kuò)展、高效的服務(wù)。本文使用3個平面設(shè)計(jì)了SDN網(wǎng)絡(luò)模型：(1)數(shù)據(jù)平面；(2)控制平面；(3)應(yīng)用平面，如圖2所示。

圖2 SDN網(wǎng)絡(luò)模型三個平面設(shè)計(jì)

在該模型中，數(shù)據(jù)平面主要由交換機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，數(shù)據(jù)從SG系統(tǒng)中的各種設(shè)備獲取，如工業(yè)用電、家庭用電和商業(yè)用電。該平面使用OpenFlow協(xié)議(OFP)作為通信標(biāo)準(zhǔn)，將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上層平面[10]。在位于控制平面的服務(wù)器上，將采集到的數(shù)據(jù)降維處理，并結(jié)合控制算法對核心數(shù)據(jù)進(jìn)行高效傳輸。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于經(jīng)驗(yàn)概率的控制算法(EPCS)來估計(jì)SG網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)路徑。最后，應(yīng)用平面為不同的用戶和SG提供各種服務(wù)。

2.1 流量管理

數(shù)據(jù)平面由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(FN)組成，如OpenFlow交換機(jī)、路由器和網(wǎng)關(guān)。在控制平面上，SDN控制器負(fù)責(zé)為FN做出轉(zhuǎn)發(fā)決策。通過南向接口將這些決策配置為FN，結(jié)合位于FN的通道相互連接流量表和分組表。

由控制器提供的指令集遵循的流量表由不同的字段組成，例如，接口ID、指令、優(yōu)先級、操作、端口號等。SDN模型的流量匹配過程如圖3所示。

圖3 SDN模型中的流量匹配過程

控制器交換通信的主要步驟如下。

步驟1：解析系統(tǒng)分析輸入的數(shù)據(jù)包，以此確定如何對其進(jìn)行處理，主要分為3個步驟：(1)標(biāo)頭識別，(2)字段提取，(3)字段緩沖。在分析數(shù)據(jù)包之后，輸出數(shù)據(jù)將傳輸?shù)讲檎覙?biāo)頭。

步驟2：接收到輸出數(shù)據(jù)后，查找功能從入口端口啟動，并在出口端口結(jié)束。通常，使用兩種查找方法：(1)精確匹配，(2)通配符匹配。精確匹配使用hash函數(shù)設(shè)置特定項(xiàng)的精確位置。通配符匹配是用于多表查找的復(fù)雜部分字符串匹配，旨在匹配條目的標(biāo)頭字段。

步驟3：當(dāng)OpenFlow交換機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，匹配系統(tǒng)就會啟動路由決策任務(wù)。如果在表中找到合適的匹配項(xiàng)，則執(zhí)行相應(yīng)的操作。在這種情況下，數(shù)據(jù)包將轉(zhuǎn)發(fā)到相關(guān)端口，并且OpenFlow交換機(jī)更新其第一計(jì)數(shù)器，即匹配計(jì)數(shù)器。相反，如果匹配失敗，則將數(shù)據(jù)包發(fā)送回控制器。在這種情況下，OpenFlow交換機(jī)更新其第二計(jì)數(shù)器，即不匹配計(jì)數(shù)器，控制器重構(gòu)一個新的流量規(guī)則并將其插入到OpenFlow交換機(jī)。流量驅(qū)動規(guī)則緩存算法(FDRCA)[11]用于替換流量表中的條目，F(xiàn)DRCA是基于策略的算法，可通過特殊的替換策略來處理有限的緩存限制和不可預(yù)測的流量。

步驟4：使用流量表通道連接所有表(表1到表n)，還可以使用分組表。

步驟5：使用計(jì)數(shù)器記錄發(fā)送到控制器的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

步驟6：成功匹配數(shù)據(jù)包標(biāo)頭字段后，在操作集將輸出數(shù)據(jù)包定向到出口交換機(jī)端口。

每個OpenFlow交換機(jī)上維護(hù)的流量表?xiàng)l目，如表1所示。

表1 OpenFlow交換機(jī)的流量表?xiàng)l目

流量表?xiàng)l目(例如源ip、目標(biāo)ip、優(yōu)先級、端口號入口端口和操作)對于在不同實(shí)體之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎Q策非常重要。但是，這可能會根據(jù)輸入流的情況和要求動態(tài)變化。表1中各種流量表?xiàng)l目的具體說明如下。

(1) 表號：流量表的編號，即它在流量表管道中的相對位置。

(2) 條目ID：為OpenFlow交換機(jī)的流量表中的每個條目分配一個唯一的ID(主key)。

(3) 優(yōu)先級：流量表中每個條目的重要性。

(4) 入口端口：傳入數(shù)據(jù)包到達(dá)的物理端口及虛擬端口。

(5) VLAN id：包含13位虛擬LAN id和3位VLAN類型。

(6) IPv4地址(IPv4 dst)：由32位IPv4地址組成。

(7) TCP地址(TCP dst)：包含16位TCP源端口和目標(biāo)端口地址。

(8) 操作：數(shù)據(jù)包與相關(guān)規(guī)則匹配后要遵循的說明。

(9) 計(jì)數(shù)器：分配給各種屬性，如字節(jié)計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)器、標(biāo)志、流量持續(xù)時(shí)間和丟棄的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

2.2 基于經(jīng)驗(yàn)概率的控制算法(EPCS)

在該算法中，所有的FN都可以表示為SDN-FN和非SDN-FN。通過至少一個SDN-FN的數(shù)據(jù)屬于可控流，而不通過任何SDN-FN的數(shù)據(jù)視為不可控流[14]。對于網(wǎng)絡(luò)Z(N,L)，有N個節(jié)點(diǎn)和L個鏈路，c(l)表示信道容量；f(l)表示鏈路L上的流量。本文將流量表?xiàng)l目更新為新的流量表?xiàng)l目(Nr)，將舊的流量表?xiàng)l目作為觀測集，并將其反饋給SDN控制器的估計(jì)器，以此進(jìn)一步預(yù)測或估計(jì)最優(yōu)路徑(Np)。

(1)

其中，np表示轉(zhuǎn)發(fā)給控制器的新數(shù)據(jù)包;op表示流量表中的舊觀測值。

(2)

(3)

基于經(jīng)驗(yàn)概率的控制算法(EPCS)，如下所示。

THRcrlb的值是使用CramrRao下限(CRLB)方法計(jì)算得出[15]。文獻(xiàn)[15]指出，任何無偏估計(jì)量的方差至少與Fisher信息的逆(I(θ))一樣。如果估計(jì)器達(dá)到CRLB，則其有效。使用CRLB進(jìn)行MSE的條件如式(4)。

(4)

其中，I(θ)表示如式(5)。

(5)

3 結(jié)果討論

本文利用單個家庭用電量的數(shù)據(jù)集，對所提出的基于EPCS的SG設(shè)備降維數(shù)據(jù)傳輸SDN模型進(jìn)行評估。該數(shù)據(jù)集以每分鐘的采樣率收集了大約4年(2015年12月至2019年11月)，共2 075 259個測量值，數(shù)據(jù)集包含一些缺失值以及各種次級計(jì)量值和電量值。利用R編程和MATLAB將仿真結(jié)果進(jìn)行比較，為了評估SDN在傳輸SG降維數(shù)據(jù)方面的性能，在Mininet網(wǎng)絡(luò)仿真器中設(shè)計(jì)了一個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

3.1 評價(jià)參數(shù)

本文利用以下評價(jià)參數(shù)對所提出的方案進(jìn)行了評估。

(6)

(2) 統(tǒng)計(jì)權(quán)衡：降維前后數(shù)據(jù)誤差率(ρ)和降維率(λ)之間的權(quán)衡，并且彼此成反比，如式(7)。

(7)

(3) 傳輸延遲(d)：特定路由器上的延遲，包括處理延遲(dpr)、排隊(duì)延遲(dq)、傳輸延遲(dt)和傳播延遲(dpg)，如式(8)。

d=dpr+dq+dt+dpg

(8)

(4) 吞吐量：指通過通信信道成功傳遞消息的速率，也可以稱為數(shù)據(jù)處理的最大速率。

3.2 評估結(jié)果

將采集到的SG數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，利用本文所提出的SDN模型對降維后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4(a)表明，降維后的數(shù)據(jù)誤差率較低，保留較高的核心數(shù)據(jù)信息，因此，可以達(dá)到最小化誤差率的總體目標(biāo)，并且滿足后期SDN傳輸?shù)囊?。?dāng)從各種SG設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)保留為核心數(shù)據(jù)時(shí)，則使用SDN基礎(chǔ)設(shè)施在SG網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行處理和傳輸。為此，本文設(shè)計(jì)EPSC算法來估計(jì)簡化數(shù)據(jù)的最優(yōu)路徑。在對所提出的方案進(jìn)行評估后，所有性能指標(biāo)都顯示出適當(dāng)?shù)脑鲩L。圖4(b)表明，采用EPCS算法可以得到更高的吞吐量?；贓PCS路由估計(jì)器的評價(jià)結(jié)果如圖5所示。

圖5(a)給出了使用所提出基于EPCS路由估計(jì)器和SDN在SG網(wǎng)絡(luò)上傳輸簡化數(shù)據(jù)時(shí)所產(chǎn)生的延遲，與標(biāo)準(zhǔn)的SDN路由方案(不利用EPCS的OpenFlow算法)相比，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)所引起的延遲更小。圖5(b)給出了得到的估計(jì)精度，結(jié)果表明，最優(yōu)路徑估計(jì)精度明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的OpenFlow算法。在增加丟包率的情況下，其準(zhǔn)確度下降較小。圖5(c)給出了使用所提出基于EPCS路由估計(jì)器的帶寬使用情況?？刂品桨冈赟G網(wǎng)絡(luò)上傳輸降維數(shù)據(jù)時(shí)，可用帶寬得到了最佳利用。利用EPSC估計(jì)路線的RMSE值,如表2所示。

(a) 傳輸延遲

(b) 估計(jì)精度

(c) 帶寬使用情況圖5 基于EPCS路由估計(jì)器的評價(jià)結(jié)果

表2 EPCS的RMSE值

上述討論的評估結(jié)果描述了該方案在各種性能指標(biāo)下的有效性和效率。

4 總結(jié)

針對SG設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，本文利用SDN模型為基礎(chǔ)，提出了基于EPCS的SDN控制方案用于計(jì)算數(shù)據(jù)降維后的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。結(jié)果表明，所估計(jì)的路徑具有較低的傳輸延遲和較高吞吐量的特點(diǎn)，并且保持了較高的路由估計(jì)精度。最后，帶寬利用率保持穩(wěn)定，避免了任何擁塞或帶寬利用率不足。