基于SDN的云邊協(xié)同架構(gòu)在電力信息系統(tǒng)的應(yīng)用

趙一辰，余競航

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司信息通信分公司，南京 210024）

0 引言

為緩解云計算中心存在的網(wǎng)絡(luò)計算壓力和滿足用戶對業(yè)務(wù)的體驗(yàn)需求，邊緣計算方案日漸成熟［1-2］。通過在本地部署具有一定算力的邊緣計算設(shè)備，可以為用戶提供實(shí)時性需求反饋，處理部分任務(wù)，但在某些情況下仍需要強(qiáng)算力支撐，例如邊緣智能設(shè)備對故障巡檢，因算力限制可能會對一些罕見故障產(chǎn)生誤判，此時便可以借助云計算平臺的算力，進(jìn)行精確判斷［3-4］。實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同的關(guān)鍵在于如何有效、統(tǒng)一地管理、協(xié)調(diào)云邊網(wǎng)絡(luò)的各種資源，并且體現(xiàn)全局的控制和開放屬性，靈活開發(fā)可編程的SDN 網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同的有效途徑［5-6］。

1 基礎(chǔ)理論

隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G 技術(shù)的高速發(fā)展，電力行業(yè)加快新型電力系統(tǒng)建設(shè)，越來越多的邊緣終端設(shè)備接入到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，如電力公司的用電信息采集系統(tǒng)和各類設(shè)備巡檢系統(tǒng)，均需要大量的數(shù)據(jù)交互來支撐，采集的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)遞增［7］。云數(shù)據(jù)中心提供了超強(qiáng)的計算和存儲能力，但是針對瞬時大數(shù)據(jù)量的計算場景，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬和處理能力的上限，云數(shù)據(jù)中心的處理速度很難達(dá)到實(shí)時性［8］。邊緣計算作為云計算的延伸和補(bǔ)充，通過邊緣計算和云計算的協(xié)同工作，有效解決實(shí)時性的問題［9-10］。

2 框架設(shè)計

基于SDN 的云邊協(xié)同在電力行業(yè)的框架主要包括云邊協(xié)同架構(gòu)設(shè)計、云邊協(xié)同系統(tǒng)、云邊組網(wǎng)等相關(guān)內(nèi)容。

2.1 架構(gòu)設(shè)計

核心云計算中心和邊緣云計算中心的協(xié)同需要控制平臺進(jìn)行支撐，連接云邊的計算環(huán)境，基于SDN 的云邊協(xié)同架構(gòu)，主要由核心云、邊緣云、SDN 集中控制平臺構(gòu)成，基于SDN 的云邊協(xié)同架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于SDN的云邊協(xié)同架構(gòu)

其中核心云和邊緣云均采用SDN 組網(wǎng)方案，SDN 集中控制平臺與云邊的SDN 控制器互聯(lián)，邏輯上進(jìn)行集中控制，將核心云和邊緣云的網(wǎng)絡(luò)和計算資源統(tǒng)一整合形成視圖。根據(jù)邊緣云的任務(wù)時間資源需求，SDN 集中控制平臺可進(jìn)行路徑優(yōu)化，提供任務(wù)充足帶寬的鏈路并將其轉(zhuǎn)發(fā)至可支配計算資源多的數(shù)據(jù)中心，提高任務(wù)的處理效率。其次SDN 集中控制平臺可在北向提供統(tǒng)一應(yīng)用接口，實(shí)現(xiàn)自動化業(yè)務(wù)編排、配置下發(fā)，降低云邊網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度。

2.2 云邊協(xié)同系統(tǒng)

電力行業(yè)的信息化具有接入設(shè)備多的特點(diǎn)，基于電力業(yè)務(wù)實(shí)際情況與電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求，某省電力公司將SDN 云邊協(xié)同架構(gòu)應(yīng)用于電力信息系統(tǒng)，建立SDN 集中控制平臺，管理省公司云數(shù)據(jù)中心與地市邊緣數(shù)據(jù)中心的SDN 控制器集群。電力云邊協(xié)同架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 電力云邊協(xié)同架構(gòu)示意圖

SDN 控制平臺支持云邊業(yè)務(wù)的統(tǒng)一編排和運(yùn)維，提供可視化的網(wǎng)絡(luò)編排功能；南向?qū)雍诵脑茢?shù)據(jù)中心和邊緣數(shù)據(jù)中心的SDN 控制器，SDN 控制器管理物理設(shè)備，提供物理資源的虛擬化管理和虛擬網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維部署。控制平面主要由編排層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層組成。控制平面如圖3所示。

圖3 控制平面

控制平面北向由GUI 界面下發(fā)指令，南向?qū)釉七匰DN 網(wǎng)絡(luò)的控制器?？刂茖拥臉I(yè)務(wù)編排服務(wù)處理來自前端的租戶、網(wǎng)絡(luò)等業(yè)務(wù)請求；北向服務(wù)定制功能組件，通過上傳定制包文件功能，提供自定義網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)放能力，并動態(tài)生成北向服務(wù)REST API接口；Driver Manager 管理SDN控制器driver插件，控制平臺需要安裝相應(yīng)SDN 控制器的插件，才能對SDN 控制集群進(jìn)行控制；driver 插件南向與站點(diǎn)對接，將Driver Manger分發(fā)的業(yè)務(wù)編排下發(fā)到站點(diǎn)。

2.3 云邊組網(wǎng)

云邊SDN的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)一致，均采用Spine-leaf架構(gòu)。overlay 的數(shù)據(jù)平面使用虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，控制平面采用二層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的虛擬通道技術(shù)。云邊組網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 云邊組網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)

控制平臺首先與云邊站點(diǎn)建立連接，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需求，設(shè)置用于互通的VNI 資源池，并向站點(diǎn)推送網(wǎng)絡(luò)資源，創(chuàng)建邏輯Fabric 網(wǎng)絡(luò)，將互通站點(diǎn)的設(shè)備組加入到邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組中。此后，云邊站點(diǎn)根據(jù)實(shí)際互通需求編排租戶、虛擬路由器、網(wǎng)關(guān)、防火墻等資源。最后在邏輯Fabric 業(yè)務(wù)發(fā)放拓?fù)渚幣乓晥D，視圖下根據(jù)互通需求創(chuàng)建虛擬傳輸路由。

3 應(yīng)用場景

隨著輸電網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大，架空輸電線路的長度越來越長，輸電網(wǎng)絡(luò)的巡檢和維護(hù)負(fù)擔(dān)也在不斷增加，無人機(jī)憑借安全、靈活的特點(diǎn)，在高壓輸電線路、配電網(wǎng)巡檢中應(yīng)用廣泛。在無人機(jī)巡檢中，對輸電線路進(jìn)行圖像缺陷檢測是核心工作之一，其關(guān)鍵在于檢測模型的精度和速度，模型的更迭與訓(xùn)練一直是難題。借助云邊協(xié)同，云計算中心依靠大量數(shù)據(jù)完成模型訓(xùn)練，并直接將模型部署到邊緣節(jié)點(diǎn)，由邊緣節(jié)點(diǎn)結(jié)合實(shí)際環(huán)境進(jìn)行測試，并進(jìn)行反饋，便于云數(shù)據(jù)中心對模型進(jìn)行優(yōu)化，可極大提高無人機(jī)巡檢模型的更迭升級，提高智能巡檢的效率。

目前電力行業(yè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用正在虛擬化、容器化，業(yè)務(wù)迅速上線已經(jīng)成為基本需求。結(jié)合SDN 系統(tǒng)，可以統(tǒng)一下發(fā)業(yè)務(wù)所需的虛擬地址、網(wǎng)關(guān)、防火墻等網(wǎng)絡(luò)配置，幫助業(yè)務(wù)迅速上線。同時借助系統(tǒng)的云邊協(xié)同屬性，無論是云計算中心還是地市邊緣云，都可以將優(yōu)化后的業(yè)務(wù)版本迅速滾動更新至全省系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展，提高了用戶用電需求的處理效率，但也帶來了大量的網(wǎng)絡(luò)流量。用電信息采集系統(tǒng)通過邊緣終端采集全省的用電數(shù)據(jù)，再傳入云端數(shù)據(jù)中心，在用電高峰期，極易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞延遲的問題。基于SDN 的云邊協(xié)同，可以在全局視角對整個電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流量監(jiān)控，SDN 轉(zhuǎn)控分離的性質(zhì)，可以將網(wǎng)絡(luò)流量全部鏡像至流量分析器，實(shí)時展示系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)情況，一旦出現(xiàn)擁塞風(fēng)險，可以利用SDN 及時規(guī)劃新的網(wǎng)絡(luò)流量的流向路線，協(xié)調(diào)云邊的工作，減輕負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)壓力。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)有電力信息系統(tǒng)無法滿足海量終端數(shù)據(jù)的處理需求，需要構(gòu)建新型的數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)，分析了云邊協(xié)同架構(gòu)的優(yōu)勢和難點(diǎn)，探討了SDN 技術(shù)在云邊協(xié)同應(yīng)用中的可行性，并詳細(xì)解析了基于SDN 的云邊協(xié)同架構(gòu)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。下一步，將繼續(xù)拓寬SDN云邊協(xié)同框架在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍，將電力系統(tǒng)的特點(diǎn)與物聯(lián)信息技術(shù)更好地結(jié)合起來，提高SDN 控制器的可靠性和整個架構(gòu)的安全性，促進(jìn)電力行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展。