摘 要： 分析了電力光通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和SDN技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，指出了目前電力光通信存在的問題，并對(duì)SDN技術(shù)在電力通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了分析，最后結(jié)合電力光通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)提出了SDN技術(shù)在未來電力光通信網(wǎng)中的應(yīng)用策略。
關(guān)鍵詞： SDN；網(wǎng)絡(luò)虛擬化；集中控制；電力光通信網(wǎng)
0 引言
光纖通信系統(tǒng)在過去幾十年得到了飛速發(fā)展，各種器件、設(shè)備和組網(wǎng)技術(shù)層出不窮，隨著光纖損耗系數(shù)的逐步下降，各種光放大技術(shù)的成熟和DWDM、OTN等光通信設(shè)備的成功商用，使光通信網(wǎng)絡(luò)在大容量、長(zhǎng)距離傳輸和靈活組網(wǎng)方面得到了飛速的發(fā)展，目前光纖通信系統(tǒng)的單信道傳輸速率已經(jīng)邁入100 Gb/s時(shí)代，并正在向400 Gb/s~1 Tb/s發(fā)展。隨著業(yè)務(wù)承載的多樣性和網(wǎng)絡(luò)資源靈活分配需求的增強(qiáng)，光纖通信網(wǎng)絡(luò)從靜態(tài)組網(wǎng)方式向自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）方向發(fā)展。ASON技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制平面與傳輸平面的分離，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的動(dòng)態(tài)分配，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)生存性和可靠性。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，不同網(wǎng)絡(luò)層級(jí)間的路由日益復(fù)雜，限制了動(dòng)態(tài)資源分配技術(shù)在更大網(wǎng)絡(luò)范圍的應(yīng)用，路徑計(jì)算單元（PCE）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)集中路由計(jì)算和控制功能，解決了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中多層多域中的路徑計(jì)算與路由自動(dòng)分配問題。而隨著光通信技術(shù)的革命性進(jìn)展和光網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)的不斷變化，要求光網(wǎng)絡(luò)智能管控層的功能和范圍不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)不能滿足這一要求，迫切需要采用新的技術(shù)體系來滿足新形勢(shì)下的光網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展需求。
1 SDN技術(shù)
SDN即軟件定義網(wǎng)絡(luò)，相對(duì)于傳統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而言，SDN是一種革命性的變革[1]。它將控制功能從傳輸設(shè)備中分離出來，將其移入邏輯上獨(dú)立的控制環(huán)境——網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中。該系統(tǒng)可以在通用的服務(wù)器上運(yùn)行，用戶可隨時(shí)、直接進(jìn)行控制功能編程。因此，控制功能不再局限于設(shè)備中，也不再局限于只有設(shè)備的生產(chǎn)廠商才能編程和定義。
SDN的設(shè)計(jì)理念是將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，并實(shí)現(xiàn)可編程化控制。其關(guān)鍵的3大特征是控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離，進(jìn)而控制面邏輯集中，在集中基礎(chǔ)上進(jìn)一步形成開放。其目標(biāo)是通過軟件可編程方式來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò),其具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
從圖1可以看出，SDN的主要技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
⑴ 轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離。SDN具有轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離的特點(diǎn)，采用SDN控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞氖占⒙酚傻挠?jì)算、流表的生成及下發(fā)、網(wǎng)絡(luò)的管理與控制等功能，而網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備僅負(fù)責(zé)流量的轉(zhuǎn)發(fā)及策略的執(zhí)行。通過這種方式可使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面獨(dú)立發(fā)展。轉(zhuǎn)發(fā)面向通用化、簡(jiǎn)單化發(fā)展，成本可逐步降低；控制面可向集中化、統(tǒng)一化發(fā)展，具有更強(qiáng)的性能和容量。
⑵ 控制邏輯集中。轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離之后使得控制面向集中化發(fā)展。控制面的集中化使得SDN控制器擁有網(wǎng)絡(luò)的全局靜態(tài)拓?fù)洹⑷W(wǎng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)表信息、全網(wǎng)的資源利用率和故障狀態(tài)等。因此，SDN控制器可實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)級(jí)別的統(tǒng)一管理、控制和優(yōu)化，更可依托全局拓?fù)鋭?dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)信息，幫助實(shí)現(xiàn)快速的故障定位和排除，提高運(yùn)營(yíng)效率。
⑶ 網(wǎng)絡(luò)能力開放。SDN支持網(wǎng)絡(luò)能力開放化。通過集中的SDN控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理、整合以及虛擬化后，采用規(guī)范化的北向接口為上層應(yīng)用提供按需分配的網(wǎng)絡(luò)資源及服務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力開放，打破了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)對(duì)業(yè)務(wù)封閉的問題，實(shí)現(xiàn)了突破性的創(chuàng)新。
2 電力光通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析
電力光通信網(wǎng)為供電局、各級(jí)變電站、發(fā)電廠等單位提供通信通道基礎(chǔ)服務(wù)，服務(wù)對(duì)象以電力調(diào)度、生產(chǎn)、營(yíng)銷、行政辦公為主。現(xiàn)有電力光通信網(wǎng)絡(luò)以SDH/MSTP為主要技術(shù)體制，部分地區(qū)已采用WDM/OTN技術(shù)組網(wǎng)，電力系統(tǒng)網(wǎng)以及省和地區(qū)級(jí)組網(wǎng)主要選用2.5/10 G SDH或OTN+SDH來構(gòu)建骨干光傳輸網(wǎng)，接入層及匯聚層容量為155 Mb/s~622 Mb/s。組網(wǎng)方式大多采用普通的SDH 環(huán)網(wǎng)方式，環(huán)間業(yè)務(wù)的調(diào)度則基本通過大節(jié)點(diǎn)間設(shè)備的支路轉(zhuǎn)接來實(shí)現(xiàn)。承載業(yè)務(wù)類型包括EMS電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)、繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置信息、變電站視頻監(jiān)控、調(diào)度電話、會(huì)議電視、管理信息系統(tǒng)、行政電話、辦公自動(dòng)化等。
由于目前電力光通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類繁多，包括SDH設(shè)備、PTN設(shè)備、OTN設(shè)備等，并且各種設(shè)備的組網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立，難以形成有效的統(tǒng)一管理和網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一調(diào)度，并且各種通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟件和硬件高度集中，形成相對(duì)“封閉”的系統(tǒng)，存在如下不足：
(1) 通信網(wǎng)業(yè)務(wù)調(diào)度能力差，端至端業(yè)務(wù)配置耗時(shí)耗力。需要耗費(fèi)大量的人工來進(jìn)行資源的配置和對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
(2) 難以對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化做出快速準(zhǔn)確的反應(yīng),并且系統(tǒng)生存性薄弱。一旦出現(xiàn)故障或遭到惡意攻擊,將會(huì)造成全網(wǎng)癱瘓,同時(shí)網(wǎng)絡(luò)的故障恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng),且需要人工干預(yù),不能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地改變光網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求。
(3) 網(wǎng)絡(luò)的靈活性較差, 端到端業(yè)務(wù)配置耗時(shí)耗力，業(yè)務(wù)的疏導(dǎo)和匯聚容易出現(xiàn)阻塞，對(duì)于承載具有突發(fā)特性的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)存在先天不足，網(wǎng)絡(luò)利用率低，信息服務(wù)種類的增加非常困難,嚴(yán)重影響了電力通信的全面發(fā)展。
（4）網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性不足。隨著環(huán)網(wǎng)數(shù)量的增加，形成資源瓶頸，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和優(yōu)化的成本高，隨著公司信息化業(yè)務(wù)需求的不斷增長(zhǎng)，跨環(huán)大帶寬業(yè)務(wù)的需求將無法滿足，同時(shí)電路調(diào)度和環(huán)間資源優(yōu)化將變得十分繁瑣。
因此,如何克服傳統(tǒng)的電力通信光網(wǎng)絡(luò)已有的缺陷,并充分利用各種能提高光網(wǎng)絡(luò)性價(jià)比的新型技術(shù)來提高電力通信業(yè)務(wù)的傳輸性能和網(wǎng)絡(luò)的可靠性，是電力通信網(wǎng)發(fā)展所面臨的主要問題。
3 SDN技術(shù)在電力光通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用分析
3.1 應(yīng)用需求與應(yīng)用場(chǎng)景分析
光網(wǎng)絡(luò)引入SDN技術(shù)，主要目的是通過控制與傳送解耦，采用集中控制策略，簡(jiǎn)化現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、私有的控制管理協(xié)議，通過開放網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層接口，提供網(wǎng)絡(luò)的可編程能力，滿足未來數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、業(yè)務(wù)靈活快捷提供、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)創(chuàng)新等發(fā)展需求。智能電網(wǎng)和“三集五大”的建設(shè)，以及電力云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等信息通信新技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了傳統(tǒng)電力光通信網(wǎng)絡(luò)采用基于SDN技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來滿足新形勢(shì)下的電力通信業(yè)務(wù)承載需求。目前SDN技術(shù)在電力通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用場(chǎng)景主要有如下幾個(gè)方面[2]：
⑴ 電力云數(shù)據(jù)中心互聯(lián)。目前，電力光通信網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)中心互聯(lián)一般采用按照最大峰值配置靜態(tài)帶寬的模式。然而，由于數(shù)據(jù)中心的帶寬需求并非一直處于高峰狀態(tài)，因此這種模式造成了網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的浪費(fèi)。數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的動(dòng)態(tài)性還包括接入點(diǎn)的變化，這要求光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心之間連接的靈活調(diào)度和動(dòng)態(tài)調(diào)整。
⑵ 電力骨干通信網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制與協(xié)同。 隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)流量的快速增長(zhǎng)，擴(kuò)容成本的增加和電力通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的日益增加，給電力通信網(wǎng)的運(yùn)維帶來極大挑戰(zhàn)。SDN技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)和IP網(wǎng)絡(luò)之間的資源優(yōu)化和協(xié)同控制，有效降低路由器的容量需求，打破網(wǎng)絡(luò)容量的“瓶頸”，降低網(wǎng)絡(luò)綜合承載成本。同時(shí)，通過SDN控制器協(xié)同，可以實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)、骨干網(wǎng)，以及IP網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的智能互通和資源聯(lián)合調(diào)度，提升流量管控能力，提供更智能的管道服務(wù)，對(duì)于電力業(yè)務(wù)更為靈活的承載具有重要意義。
⑶ 網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化。 網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化可以更好地發(fā)揮光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)勢(shì)，使客戶能夠根據(jù)不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下快速有效地接入和控制網(wǎng)絡(luò)資源，并使得網(wǎng)絡(luò)資源的利用達(dá)到最優(yōu)化。基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，光網(wǎng)絡(luò)可以提供統(tǒng)一的平臺(tái)，并為上層應(yīng)用服務(wù)提供開放的業(yè)務(wù)及控制接口，提供按需調(diào)整、開放創(chuàng)新、高效協(xié)同的“軟網(wǎng)絡(luò)”能力。
3.2 SDN在電力光網(wǎng)絡(luò)中的引入策略分析
光網(wǎng)絡(luò)由于其物理層特性、集中控制以及面向連接的特性，因此與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的SDN化不同，光網(wǎng)絡(luò)的SDN化有其特點(diǎn)。首先，由于物理層的特性，光網(wǎng)絡(luò)本身就具有控制轉(zhuǎn)發(fā)分離的控制架構(gòu)；其次，在集中控制方面，光網(wǎng)絡(luò)已擁有成熟網(wǎng)管、路徑計(jì)算單元（PCE）等集中管控系統(tǒng)[3]。并且光網(wǎng)絡(luò)具有面向連接的特性，所有業(yè)務(wù)采用預(yù)先配置方式，無須控制器就可根據(jù)業(yè)務(wù)報(bào)文即時(shí)下發(fā)流進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，降低了對(duì)控制器性能的要求，具有較好的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力。
可以說，光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備了部分SDN的特征，這為其向SDN演進(jìn)奠定了良好的基礎(chǔ)。但是，光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備物理層可編程能力較弱，資源虛擬化和切片實(shí)現(xiàn)較困難，使得光網(wǎng)絡(luò)引入SDN技術(shù)存在一定的難度[4]。 基于光網(wǎng)絡(luò)SDN化的特點(diǎn)，光網(wǎng)絡(luò)SDN采取的發(fā)展演進(jìn)思路與數(shù)據(jù)網(wǎng)SDN化有所區(qū)別。目前光通信網(wǎng)絡(luò)引入SDN技術(shù)主要有基于現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)控制平面的增強(qiáng)和直接在光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上引入OpenFlow協(xié)議兩種策略，表1對(duì)上述兩種引入策略的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析[5]。
由于目前國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)建成完善的一、二、三、四級(jí)骨干光纜和10 kV通信接入網(wǎng)，光纜總長(zhǎng)度達(dá)到約 7 00 000 km，其中，骨干光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制以SDH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主，以O(shè)TN技術(shù)和PTN技術(shù)組網(wǎng)，部分地區(qū)在SDH或OTN網(wǎng)絡(luò)上加載了控制平面，接入光纖網(wǎng)絡(luò)主要采用EPON技術(shù)體制組網(wǎng)[6]。一方面電力通信光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備較為龐大的規(guī)模，另外，電力通信業(yè)務(wù)對(duì)電力光通信網(wǎng)絡(luò)在通信的實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定性有較高的要求，不適合對(duì)現(xiàn)有電力通信光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大規(guī)模升級(jí)改造，根據(jù)表1分析，采用策略2將會(huì)使光通信設(shè)備升級(jí)改造的難度增大，建議充分利用現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，采用策略1，基于現(xiàn)有ASON/GMPLS控制平面和集中路徑計(jì)算單元PCE技術(shù)，通過擴(kuò)展和增強(qiáng)PCE管控能力和開放北向接口，實(shí)現(xiàn)SDN集中控制器，并對(duì)上層網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用提供開放可編程應(yīng)用服務(wù)，具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。
如圖2所示， SDN控制器可加載在OTN、SDH等傳統(tǒng)的光通信網(wǎng)絡(luò)上層。SDN控制器包含了原有PCE控制器路徑計(jì)算的全部功能，并且增加了多域協(xié)同和將網(wǎng)絡(luò)虛擬化的能力。光網(wǎng)絡(luò)未來所需要的控制策略、保護(hù)協(xié)調(diào)與流量監(jiān)控功能將作為SDN控制器的核心模塊存在，快速響應(yīng)業(yè)務(wù)的請(qǐng)求并通過控制器高速處理，迅速下發(fā)指令，完成網(wǎng)絡(luò)的全局優(yōu)化。通過統(tǒng)一的SDN集中控制器，可以對(duì)傳統(tǒng)的各個(gè)封閉式的網(wǎng)絡(luò)形成有效的統(tǒng)一管理和網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一調(diào)度。
4 結(jié)束語
SDN是一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其集中控制、平面解耦、通用硬件的思想為解決光網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際問題提供了有益的思路。SDN技術(shù)的應(yīng)用必將成為未來電力光通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。由于SDN技術(shù)目前尚不夠成熟，標(biāo)準(zhǔn)化程度也不夠高，光網(wǎng)絡(luò)本身協(xié)議復(fù)雜設(shè)備繁多，光路靈活調(diào)節(jié)與動(dòng)態(tài)交換技術(shù)難度較高，因此SDN在電力光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，并且電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)對(duì)電力光通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性有較高要求，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中根據(jù)目前電力光通信網(wǎng)絡(luò)的狀況，應(yīng)本著循序漸進(jìn)的原則，先小范圍試點(diǎn)應(yīng)用后再逐步推廣，最終實(shí)現(xiàn)SDN對(duì)不同層次的光通信網(wǎng)絡(luò)的集中控制功能，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一資源管理和調(diào)度。利用SDN網(wǎng)絡(luò)能力開放化的特點(diǎn)，為電力通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)層應(yīng)用擴(kuò)展提供便捷的服務(wù)，從而改善現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸容量、效率，提供差異化服務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性和生存性，為打造更加堅(jiān)強(qiáng)的數(shù)字化電網(wǎng)提供有效的保障。
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