SDN技術(shù)在電力通信網(wǎng)的應(yīng)用

付薇薇

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和云時(shí)代的到來，新興業(yè)務(wù)模式層出不窮，企業(yè)全面走向云化和數(shù)字化。網(wǎng)絡(luò)被動(dòng)地適配各種新業(yè)務(wù)，要么無法滿足，要么必須付出高昂的代價(jià)。業(yè)務(wù)中的網(wǎng)絡(luò)流量更加動(dòng)態(tài)多變、難以預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性弱，業(yè)務(wù)服務(wù)等級(jí)協(xié)議（Service-Level Agreement，SLA）保障面臨巨大的挑戰(zhàn)。隨著電力通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和復(fù)雜度的持續(xù)提高，運(yùn)維復(fù)雜度也相應(yīng)提高，亟需部署自動(dòng)化措施，降低對(duì)運(yùn)維人員的技能要求，提升網(wǎng)絡(luò)智能化和可靠性承載能力。

1 電力通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀及缺點(diǎn)

目前，電力通信數(shù)據(jù)網(wǎng)主要承載信息內(nèi)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、通信監(jiān)控、行政電話以及各類系統(tǒng)網(wǎng)管等業(yè)務(wù)，涵蓋了35 kV及以上電壓等級(jí)的所有站點(diǎn)。傳統(tǒng)電力數(shù)據(jù)網(wǎng)主要基于IPv4技術(shù)，采用廣域IP網(wǎng)絡(luò)的典型架構(gòu)組網(wǎng)，分為接入層、匯聚層、核心層3部分，基于開放式最短路徑優(yōu)先（Open Shortest Path First，OSPF）、邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Border Gateway Protocol，BGP）、MPLS-VPN協(xié)議傳輸，設(shè)備類型以AR2240、NE20E、NE40E等為主。電力通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)多用于承載一些非生產(chǎn)相關(guān)業(yè)務(wù)，難以保證一些對(duì)于時(shí)延、帶寬比較敏感的業(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行，承載業(yè)務(wù)的數(shù)量和種類非常有限。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控能力弱，無法對(duì)業(yè)務(wù)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network，VPN）進(jìn)行有效監(jiān)控，業(yè)務(wù)VPN的運(yùn)行狀態(tài)始終處于未知情況，業(yè)務(wù)通道的安全性和穩(wěn)定性較差。除此之外，故障處理、路徑調(diào)優(yōu)、檢修優(yōu)化以及業(yè)務(wù)配置等操作較為復(fù)雜，需耗費(fèi)大量的時(shí)間、精力，數(shù)據(jù)網(wǎng)日常運(yùn)維的復(fù)雜度提升，網(wǎng)絡(luò)可控性很低。

2 SDN技術(shù)應(yīng)用于電力通信網(wǎng)的價(jià)值分析

SDN技術(shù)能夠基于不同的業(yè)務(wù)類型動(dòng)態(tài)調(diào)整流量路由，加上全網(wǎng)的狀態(tài)可視化應(yīng)用，提供自動(dòng)化、智能化運(yùn)維能力[1]。通過零配置開局、廣域網(wǎng)優(yōu)化等方式，實(shí)現(xiàn)分支的快速部署上線和業(yè)務(wù)的快速布放，提高工作效率。

2.1 網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)感知

網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)感知體系架構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)健康檢測(cè)系統(tǒng)、質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)和流量分析系統(tǒng)，系統(tǒng)均采用前端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、后臺(tái)分析處理一體化方式建設(shè)。采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)狀態(tài)感知，將網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)信息呈現(xiàn)在圖形化界面上[2]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)健康感知

網(wǎng)絡(luò)健康包含網(wǎng)元、單板、端口光功率等多維度的分析，可以感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可用度指標(biāo)[3]。通過查看全網(wǎng)網(wǎng)元峰值數(shù)據(jù)，快速找到負(fù)載最高的設(shè)備和單板，同時(shí)對(duì)超門限指標(biāo)呈現(xiàn)顏色預(yù)警。此外，還可以查看越限對(duì)象的歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線并進(jìn)行比對(duì)，通過這些手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備健康度劣化問題。

2.3 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量感知

網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠能感知物理鏈路和業(yè)務(wù)的帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)以及丟包等信息，并作為智能分析引擎的重要輸入，為后續(xù)生成優(yōu)化策略、調(diào)整業(yè)務(wù)路徑提供輸入?yún)?shù)，直到鏈路質(zhì)量達(dá)到業(yè)務(wù)需求。通過這些信息，全景式展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的3層VPN質(zhì)量?jī)?yōu)劣[4]。

2.4 網(wǎng)絡(luò)流量智能預(yù)測(cè)

控制器通過采集網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量和帶寬占用信息，根據(jù)內(nèi)置的人工智能算法計(jì)算生成流量變化的曲線擬合函數(shù)，并通過函數(shù)曲線的延伸擴(kuò)展展示出未來一段時(shí)間內(nèi)的流量和帶寬變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管人員對(duì)網(wǎng)絡(luò)歷史流量信息的感知和未來變化趨勢(shì)的預(yù)判，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬提前做出調(diào)整[5]。

2.5 網(wǎng)絡(luò)故障仿真

故障仿真功能的主體是控制器的網(wǎng)絡(luò)分析模塊[6]。網(wǎng)絡(luò)管理員選擇模擬故障發(fā)生的某個(gè)網(wǎng)元或物理鏈路，自動(dòng)計(jì)算故障發(fā)生后網(wǎng)絡(luò)新的拓?fù)浜土髁糠植?，并將故障前后的差異變化信息通過圖形化界面呈現(xiàn)出來，且不會(huì)影響現(xiàn)有業(yè)務(wù)。

2.6 智能告警分鐘級(jí)故障定位

控制器通過告警分析，可以識(shí)別出根因告警和衍生告警，并反饋給網(wǎng)管維護(hù)人員。通過告警根因分析和呈現(xiàn)，能夠讓管理員快速獲取準(zhǔn)確的故障源、故障發(fā)生事件以及故障內(nèi)容，快速定位問題并修復(fù)故障，將傳統(tǒng)的故障被動(dòng)處理變?yōu)橹鲃?dòng)防御[7]。應(yīng)用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Sofeware Defined Networking，SDN）技術(shù)，通過對(duì)采集、存儲(chǔ)、分析以及呈現(xiàn)的一體化建設(shè)，可以實(shí)時(shí)感知網(wǎng)絡(luò)健康、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)流量以及應(yīng)用健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)的及時(shí)全面掌控，在運(yùn)維平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化運(yùn)維功能[8]。廣域SDN技術(shù)的引入會(huì)極大地提升運(yùn)維管理能力，保障承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)安全、穩(wěn)定、可視化運(yùn)行。

3 SDN技術(shù)應(yīng)用于電力通信網(wǎng)的方案

SDN方案的總體架構(gòu)主要包括網(wǎng)絡(luò)層、控制層和管理層3部分。其中管理層主要用于設(shè)備的納管與第三方應(yīng)用對(duì)接，本文采用iMaster NCE管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。采用總部、省公司二級(jí)布置架構(gòu)，省際網(wǎng)配置省際網(wǎng)控制器，管理總部及省際網(wǎng)絡(luò)所轄區(qū)域設(shè)備。每個(gè)省公司各搭建一套省級(jí)廣域網(wǎng)控制器，管理省網(wǎng)設(shè)備及地市級(jí)所轄設(shè)備，實(shí)現(xiàn)分級(jí)分域的合理化管控和平臺(tái)展示。網(wǎng)絡(luò)層與控制層采用SRv6+傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)混合模式，實(shí)現(xiàn)路由傳遞、網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。SDN技術(shù)引進(jìn)、網(wǎng)絡(luò)整體改造原則是總部數(shù)據(jù)中心首先運(yùn)行，其次廣域網(wǎng)絡(luò)搭建，接入?yún)^(qū)最后改造。SDN應(yīng)用于電力通信網(wǎng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 SDN應(yīng)用于電力通信網(wǎng)總體架構(gòu)

3.1 引入SRv6技術(shù)

基于原電力數(shù)據(jù)網(wǎng)整體架構(gòu)將核心層和匯聚層進(jìn)行設(shè)備升級(jí)和改造，引入SRv6技術(shù)。SRv6技術(shù)本身可以簡(jiǎn)化現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，能更好地促進(jìn)網(wǎng)云融合，提升國(guó)網(wǎng)總部-省際-地市之間的跨域體驗(yàn)[9]。SRv6設(shè)備能夠和支持IPv6的設(shè)備共同組網(wǎng)，對(duì)電力通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有設(shè)備具有很好的兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造過程中的平滑過渡，不會(huì)造成現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的大面積中斷問題。通過IPv6擴(kuò)展頭實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程，SRv6將IPv6地址定義成實(shí)例化的安全標(biāo)識(shí)符（Security IDentifiers，SID），通過不同的SID操作實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的VPN和靈活的路徑規(guī)劃[10]。SRv6的位置標(biāo)識(shí)由總公司統(tǒng)一規(guī)劃，確定網(wǎng)段和掩碼后，省公司、地市公司按核心層、匯聚層、接入層的順序從小到大分配。

3.1.1 路由設(shè)計(jì)規(guī)劃

電力通信網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)中運(yùn)行的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Interior Gateway Protocols，IGP）為OSPF，相較于OSPF，中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)（Intermediate System to Intermediate System，ISIS）協(xié)議對(duì)SRv6的支持更全面、擴(kuò)展性更好?？紤]到省公司統(tǒng)一布置控制器的方式，承載網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步擴(kuò)大，因此將網(wǎng)絡(luò)承載改造為ISIS協(xié)議，BGP配置方式與原網(wǎng)絡(luò)保持一致。

3.1.2 承載隧道與VPN設(shè)計(jì)

采用基于差分服務(wù)代碼點(diǎn)（Differentiated Services Code Point，DSCP）的隧道方式，根據(jù)配置將不同業(yè)務(wù)承載于不同的隧道上，從而較好地保證業(yè)務(wù)質(zhì)量。隧道策略宜選用優(yōu)先級(jí)方式，即按類型、優(yōu)先級(jí)順序以及負(fù)載分擔(dān)通道數(shù)進(jìn)行迭代。省際-省公司-地市邊界目前均運(yùn)行IPv4和L3VPN，使用SRv6承載總部-省、省-地市跨地區(qū)業(yè)務(wù)流量時(shí)，使用BGP EVPN地址簿傳遞VPN路由。

3.1.3 承載LSA與可靠性設(shè)計(jì)

由于電力通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)種類超過了8種，在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)不同業(yè)務(wù)規(guī)劃處于不同鏈路，互不影響。統(tǒng)一規(guī)劃服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）策略，根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司調(diào)度運(yùn)行規(guī)程的業(yè)務(wù)分類，對(duì)于重要的實(shí)時(shí)調(diào)網(wǎng)等業(yè)務(wù)，在鏈路故障時(shí)優(yōu)先保障其穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.4 設(shè)備選型

由于現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)支持SDN監(jiān)管的設(shè)備為華為NE40E-X8和NE20E-S8，因此核心層采用支持SDN技術(shù)的M8系設(shè)備對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行替換。新的產(chǎn)品形態(tài)生命周期長(zhǎng)，具有電信級(jí)的可靠性、全線速的轉(zhuǎn)發(fā)能力、完善的QoS管理機(jī)制、豐富的業(yè)務(wù)處理能力以及良好的擴(kuò)展性等特點(diǎn)。匯聚層對(duì)NE40E-X8、NE20E-S8進(jìn)行設(shè)備升級(jí)，將設(shè)備納入iMaster NCEIP控制器，對(duì)納管的設(shè)備版本從現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行的V5版本升級(jí)到V8版本，同時(shí)升級(jí)現(xiàn)網(wǎng)主控/網(wǎng)板硬件。分層次進(jìn)行設(shè)備調(diào)整，實(shí)施周期靈活。單站點(diǎn)完成設(shè)備運(yùn)行和業(yè)務(wù)測(cè)試，具有預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)可控、促進(jìn)設(shè)備再利用、降低資金投入的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 接入層設(shè)備采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式

iMaster NCE集成了傳統(tǒng)網(wǎng)管和SDN控制器的功能，支持對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)和非SDN網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管控。對(duì)于不支持SDN的接入層設(shè)備采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，最大化存量網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值，降低網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)。整體方案不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和互聯(lián)方式，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和感知網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，掌握網(wǎng)絡(luò)的流量分布和變化情況。

3.3 未來擴(kuò)展一跳入云

SRv6技術(shù)在跨域方面有著極簡(jiǎn)化的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的業(yè)務(wù)發(fā)放。國(guó)網(wǎng)外網(wǎng)云應(yīng)用系統(tǒng)多為各省獨(dú)立建設(shè)，資源不共享，集團(tuán)層面業(yè)務(wù)打通耗時(shí)久。結(jié)合SRv6技術(shù)實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)一體化，打破流程壁壘，加速業(yè)務(wù)開通，只需在SRv6隧道兩端部署即可實(shí)現(xiàn)一跳入云。

4 SDN技術(shù)應(yīng)用成果驗(yàn)證

模擬電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境，用5臺(tái)華為NE8000-M8設(shè)備、5臺(tái)升級(jí)至V8版本的NE40E設(shè)備、5臺(tái)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)AR2240設(shè)備以及iMaster NCE控制器搭建SDN實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過測(cè)試對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的監(jiān)控能力和網(wǎng)絡(luò)的控制能力，檢驗(yàn)SDN技術(shù)在電力數(shù)據(jù)網(wǎng)運(yùn)行中的實(shí)施效果。

4.1 網(wǎng)絡(luò)資源可視監(jiān)控

基于SDN技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)業(yè)務(wù)、通道、服務(wù)質(zhì)量信息的可視化呈現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)資源可視監(jiān)控

4.2 業(yè)務(wù)極簡(jiǎn)化部署

在不同服務(wù)商邊緣路由器（Provider Edge，PE）之間建立SR-TE隧道，通過any to any方式實(shí)現(xiàn)不同PE間的隧道建立。業(yè)務(wù)極簡(jiǎn)化部署如圖3所示。

圖3 業(yè)務(wù)極簡(jiǎn)化部署

PE設(shè)備上批量下發(fā)L3VPN業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)同一業(yè)務(wù)的批量下發(fā)。而SR-TE隧道可以更直觀地顯示出業(yè)務(wù)流量走向，方便運(yùn)維人員快速確定流量路徑。

4.3 智能化運(yùn)維

通過下發(fā)QoS配置實(shí)現(xiàn)向不同業(yè)務(wù)分配不同的業(yè)務(wù)帶寬，充分利用寶貴的傳輸帶寬資源。故障仿真及帶寬智能分配如圖4所示。通過模擬設(shè)備故障，仿真出隧道路徑在設(shè)備故障前后的路徑變化。

圖4 故障仿真及帶寬智能分配

5 結(jié) 論

SDN技術(shù)的引入在業(yè)務(wù)應(yīng)用和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之間建立一個(gè)智能的適配層，即全新的管理、監(jiān)控、分析一體化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源多維可視化監(jiān)控，加快網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)極簡(jiǎn)化部署，并及時(shí)感知網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。應(yīng)用智能化運(yùn)維手段，極大地提升了運(yùn)維管理能力。充分利用SDN技術(shù)的優(yōu)勢(shì)最大化存量網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值，降低網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)，減少資金投入。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和感知網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，掌握網(wǎng)絡(luò)的流量分布和變化情況。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試，在電力通信網(wǎng)絡(luò)引入SDN技術(shù)具有可行性，對(duì)于促進(jìn)電力通信網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、加快智能移動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。