摘 要： 分析了電力光通信網(wǎng)絡現(xiàn)狀和SDN技術的優(yōu)勢和特點，指出了目前電力光通信存在的問題，并對SDN技術在電力通信網(wǎng)絡的應用需求和應用場景進行了分析，最后結合電力光通信網(wǎng)絡的特點提出了SDN技術在未來電力光通信網(wǎng)中的應用策略。

　　關鍵詞： SDN；網(wǎng)絡虛擬化；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、設備和組網(wǎng)技術層出不窮，隨著光纖損耗系數(shù)的逐步下降，各種光放大技術的成熟和DWDM、OTN等光通信設備的成功商用，使光通信網(wǎng)絡在大容量、長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時代，并正在向400 Gb/s~1 Tb/s發(fā)展。隨著業(yè)務承載的多樣性和網(wǎng)絡資源靈活分配需求的增強，光纖通信網(wǎng)絡從靜態(tài)組網(wǎng)方式向自動交換光網(wǎng)絡（ASON）方向發(fā)展。ASON技術實現(xiàn)了控制平面與傳輸平面的分離，容易實現(xiàn)對網(wǎng)絡帶寬的動態(tài)分配，同時提高了網(wǎng)絡生存性和可靠性。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的逐步擴大，網(wǎng)絡結構日益復雜，不同網(wǎng)絡層級間的路由日益復雜，限制了動態(tài)資源分配技術在更大網(wǎng)絡范圍的應用，路徑計算單元（PCE）技術實現(xiàn)了網(wǎng)絡集中路由計算和控制功能，解決了復雜網(wǎng)絡中多層多域中的路徑計算與路由自動分配問題。而隨著光通信技術的革命性進展和光網(wǎng)絡承載業(yè)務的不斷變化，要求光網(wǎng)絡智能管控層的功能和范圍不斷擴大，傳統(tǒng)的自動交換光網(wǎng)絡架構已經(jīng)不能滿足這一要求，迫切需要采用新的技術體系來滿足新形勢下的光網(wǎng)絡通信發(fā)展需求。

1 SDN技術

　　SDN即軟件定義網(wǎng)絡，相對于傳統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡架構而言，SDN是一種革命性的變革[1]。它將控制功能從傳輸設備中分離出來，將其移入邏輯上獨立的控制環(huán)境——網(wǎng)絡控制系統(tǒng)之中。該系統(tǒng)可以在通用的服務器上運行，用戶可隨時、直接進行控制功能編程。因此，控制功能不再局限于設備中，也不再局限于只有設備的生產(chǎn)廠商才能編程和定義。

　　SDN的設計理念是將網(wǎng)絡的控制平面與數(shù)據(jù)轉發(fā)平面分離，并實現(xiàn)可編程化控制。其關鍵的3大特征是控制面與轉發(fā)面分離，進而控制面邏輯集中，在集中基礎上進一步形成開放。其目標是通過軟件可編程方式來優(yōu)化網(wǎng)絡,其具體的結構如圖1所示。

　　從圖1可以看出，SDN的主要技術特點體現(xiàn)在如下幾個方面：

　　⑴ 轉發(fā)與控制分離。SDN具有轉發(fā)與控制分離的特點，采用SDN控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的收集、路由的計算、流表的生成及下發(fā)、網(wǎng)絡的管理與控制等功能，而網(wǎng)絡層設備僅負責流量的轉發(fā)及策略的執(zhí)行。通過這種方式可使得網(wǎng)絡系統(tǒng)的轉發(fā)面和控制面獨立發(fā)展。轉發(fā)面向通用化、簡單化發(fā)展，成本可逐步降低；控制面可向集中化、統(tǒng)一化發(fā)展，具有更強的性能和容量。

　　⑵ 控制邏輯集中。轉發(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)絡的全局靜態(tài)拓撲、全網(wǎng)的動態(tài)轉發(fā)表信息、全網(wǎng)的資源利用率和故障狀態(tài)等。因此，SDN控制器可實現(xiàn)基于網(wǎng)絡級別的統(tǒng)一管理、控制和優(yōu)化，更可依托全局拓撲動態(tài)轉發(fā)信息，幫助實現(xiàn)快速的故障定位和排除，提高運營效率。

　?、?網(wǎng)絡能力開放。SDN支持網(wǎng)絡能力開放化。通過集中的SDN控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的統(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用提供按需分配的網(wǎng)絡資源及服務，進而實現(xiàn)網(wǎng)絡能力開放，打破了現(xiàn)有網(wǎng)絡對業(yè)務封閉的問題，實現(xiàn)了突破性的創(chuàng)新。

2 電力光通信網(wǎng)絡現(xiàn)狀分析

　　電力光通信網(wǎng)為供電局、各級變電站、發(fā)電廠等單位提供通信通道基礎服務，服務對象以電力調(diào)度、生產(chǎn)、營銷、行政辦公為主?，F(xiàn)有電力光通信網(wǎng)絡以SDH/MSTP為主要技術體制，部分地區(qū)已采用WDM/OTN技術組網(wǎng)，電力系統(tǒng)網(wǎng)以及省和地區(qū)級組網(wǎng)主要選用2.5/10 G SDH或OTN+SDH來構建骨干光傳輸網(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)務的調(diào)度則基本通過大節(jié)點間設備的支路轉接來實現(xiàn)。承載業(yè)務類型包括EMS電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)、變電站自動化系統(tǒng)、繼電保護和安全自動裝置信息、變電站視頻監(jiān)控、調(diào)度電話、會議電視、管理信息系統(tǒng)、行政電話、辦公自動化等。

　　由于目前電力光通信網(wǎng)絡設備種類繁多，包括SDH設備、PTN設備、OTN設備等，并且各種設備的組網(wǎng)相對獨立，難以形成有效的統(tǒng)一管理和網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一調(diào)度，并且各種通信網(wǎng)絡設備的軟件和硬件高度集中，形成相對“封閉”的系統(tǒng)，存在如下不足：

　　(1) 通信網(wǎng)業(yè)務調(diào)度能力差，端至端業(yè)務配置耗時耗力。需要耗費大量的人工來進行資源的配置和對光網(wǎng)絡的結構重新設計和優(yōu)化。

　　(2) 難以對網(wǎng)絡狀態(tài)變化做出快速準確的反應,并且系統(tǒng)生存性薄弱。一旦出現(xiàn)故障或遭到惡意攻擊,將會造成全網(wǎng)癱瘓,同時網(wǎng)絡的故障恢復時間長,且需要人工干預,不能實時、動態(tài)地改變光網(wǎng)絡的邏輯拓撲結構以適應不斷變化的業(yè)務需求。

　　(3) 網(wǎng)絡的靈活性較差, 端到端業(yè)務配置耗時耗力，業(yè)務的疏導和匯聚容易出現(xiàn)阻塞，對于承載具有突發(fā)特性的數(shù)據(jù)業(yè)務存在先天不足，網(wǎng)絡利用率低，信息服務種類的增加非常困難,嚴重影響了電力通信的全面發(fā)展。

　　（4）網(wǎng)絡的可擴展性不足。隨著環(huán)網(wǎng)數(shù)量的增加，形成資源瓶頸，網(wǎng)絡擴容和優(yōu)化的成本高，隨著公司信息化業(yè)務需求的不斷增長，跨環(huán)大帶寬業(yè)務的需求將無法滿足，同時電路調(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)絡已有的缺陷,并充分利用各種能提高光網(wǎng)絡性價比的新型技術來提高電力通信業(yè)務的傳輸性能和網(wǎng)絡的可靠性，是電力通信網(wǎng)發(fā)展所面臨的主要問題。

3 SDN技術在電力光通信網(wǎng)絡的應用分析

　　3.1 應用需求與應用場景分析

　　光網(wǎng)絡引入SDN技術，主要目的是通過控制與傳送解耦，采用集中控制策略，簡化現(xiàn)有光網(wǎng)絡復雜、私有的控制管理協(xié)議，通過開放網(wǎng)絡和應用層接口，提供網(wǎng)絡的可編程能力，滿足未來數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)、網(wǎng)絡虛擬化、業(yè)務靈活快捷提供、網(wǎng)絡和業(yè)務創(chuàng)新等發(fā)展需求。智能電網(wǎng)和“三集五大”的建設，以及電力云計算和物聯(lián)網(wǎng)等信息通信新技術的應用，推動了傳統(tǒng)電力光通信網(wǎng)絡采用基于SDN技術的新型網(wǎng)絡架構來滿足新形勢下的電力通信業(yè)務承載需求。目前SDN技術在電力通信網(wǎng)絡中的應用場景主要有如下幾個方面[2]：

　?、?電力云數(shù)據(jù)中心互聯(lián)。目前，電力光通信網(wǎng)絡提供數(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)絡帶寬資源的浪費。數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的動態(tài)性還包括接入點的變化，這要求光網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心之間連接的靈活調(diào)度和動態(tài)調(diào)整。

　?、?電力骨干通信網(wǎng)絡的統(tǒng)一控制與協(xié)同。 隨著寬帶網(wǎng)絡流量的快速增長，擴容成本的增加和電力通信網(wǎng)絡復雜度的日益增加，給電力通信網(wǎng)的運維帶來極大挑戰(zhàn)。SDN技術可以實現(xiàn)光網(wǎng)絡和IP網(wǎng)絡之間的資源優(yōu)化和協(xié)同控制，有效降低路由器的容量需求，打破網(wǎng)絡容量的“瓶頸”，降低網(wǎng)絡綜合承載成本。同時，通過SDN控制器協(xié)同，可以實現(xiàn)接入網(wǎng)、骨干網(wǎng)，以及IP網(wǎng)等異構網(wǎng)絡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，對于電力業(yè)務更為靈活的承載具有重要意義。

　?、?網(wǎng)絡資源虛擬化。 網(wǎng)絡資源虛擬化可以更好地發(fā)揮光網(wǎng)絡基礎設施的優(yōu)勢，使客戶能夠根據(jù)不同業(yè)務的應用需求，在保證服務質量的前提下快速有效地接入和控制網(wǎng)絡資源，并使得網(wǎng)絡資源的利用達到最優(yōu)化?；诰W(wǎng)絡虛擬化技術，光網(wǎng)絡可以提供統(tǒng)一的平臺，并為上層應用服務提供開放的業(yè)務及控制接口，提供按需調(diào)整、開放創(chuàng)新、高效協(xié)同的“軟網(wǎng)絡”能力。

　　3.2 SDN在電力光網(wǎng)絡中的引入策略分析

　　光網(wǎng)絡由于其物理層特性、集中控制以及面向連接的特性，因此與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的SDN化不同，光網(wǎng)絡的SDN化有其特點。首先，由于物理層的特性，光網(wǎng)絡本身就具有控制轉發(fā)分離的控制架構；其次，在集中控制方面，光網(wǎng)絡已擁有成熟網(wǎng)管、路徑計算單元（PCE）等集中管控系統(tǒng)[3]。并且光網(wǎng)絡具有面向連接的特性，所有業(yè)務采用預先配置方式，無須控制器就可根據(jù)業(yè)務報文即時下發(fā)流進行報文轉發(fā)，降低了對控制器性能的要求，具有較好的網(wǎng)絡擴展能力。

　　可以說，光網(wǎng)絡已經(jīng)具備了部分SDN的特征，這為其向SDN演進奠定了良好的基礎。但是，光網(wǎng)絡設備物理層可編程能力較弱，資源虛擬化和切片實現(xiàn)較困難，使得光網(wǎng)絡引入SDN技術存在一定的難度[4]。 基于光網(wǎng)絡SDN化的特點，光網(wǎng)絡SDN采取的發(fā)展演進思路與數(shù)據(jù)網(wǎng)SDN化有所區(qū)別。目前光通信網(wǎng)絡引入SDN技術主要有基于現(xiàn)有光網(wǎng)絡控制平面的增強和直接在光網(wǎng)絡設備上引入OpenFlow協(xié)議兩種策略，表1對上述兩種引入策略的優(yōu)缺點進行了對比分析[5]。

　　由于目前國家電網(wǎng)公司已經(jīng)建成完善的一、二、三、四級骨干光纜和10 kV通信接入網(wǎng)，光纜總長度達到約 7 00 000 km，其中，骨干光網(wǎng)絡技術體制以SDH網(wǎng)絡結構為主，以OTN技術和PTN技術組網(wǎng)，部分地區(qū)在SDH或OTN網(wǎng)絡上加載了控制平面，接入光纖網(wǎng)絡主要采用EPON技術體制組網(wǎng)[6]。一方面電力通信光網(wǎng)絡已經(jīng)具備較為龐大的規(guī)模，另外，電力通信業(yè)務對電力光通信網(wǎng)絡在通信的實時性和網(wǎng)絡的安全穩(wěn)定性有較高的要求，不適合對現(xiàn)有電力通信光網(wǎng)絡進行大規(guī)模升級改造，根據(jù)表1分析，采用策略2將會使光通信設備升級改造的難度增大，建議充分利用現(xiàn)有光網(wǎng)絡控制與轉發(fā)分離的網(wǎng)絡架構的優(yōu)勢，采用策略1，基于現(xiàn)有ASON/GMPLS控制平面和集中路徑計算單元PCE技術，通過擴展和增強PCE管控能力和開放北向接口，實現(xiàn)SDN集中控制器，并對上層網(wǎng)絡和應用提供開放可編程應用服務，具體實現(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)絡上層。SDN控制器包含了原有PCE控制器路徑計算的全部功能，并且增加了多域協(xié)同和將網(wǎng)絡虛擬化的能力。光網(wǎng)絡未來所需要的控制策略、保護協(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，快速響應業(yè)務的請求并通過控制器高速處理，迅速下發(fā)指令，完成網(wǎng)絡的全局優(yōu)化。通過統(tǒng)一的SDN集中控制器，可以對傳統(tǒng)的各個封閉式的網(wǎng)絡形成有效的統(tǒng)一管理和網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一調(diào)度。

4 結束語

　　SDN是一種全新的網(wǎng)絡架構，其集中控制、平面解耦、通用硬件的思想為解決光網(wǎng)絡中的實際問題提供了有益的思路。SDN技術的應用必將成為未來電力光通信網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。由于SDN技術目前尚不夠成熟，標準化程度也不夠高，光網(wǎng)絡本身協(xié)議復雜設備繁多，光路靈活調(diào)節(jié)與動態(tài)交換技術難度較高，因此SDN在電力光網(wǎng)絡中的應用將是一個漫長的過程，并且電網(wǎng)通信業(yè)務對電力光通信網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和安全性有較高要求，因此在實際應用過程中根據(jù)目前電力光通信網(wǎng)絡的狀況，應本著循序漸進的原則，先小范圍試點應用后再逐步推廣，最終實現(xiàn)SDN對不同層次的光通信網(wǎng)絡的集中控制功能，實現(xiàn)異構網(wǎng)絡的統(tǒng)一資源管理和調(diào)度。利用SDN網(wǎng)絡能力開放化的特點，為電力通信系統(tǒng)的業(yè)務層應用擴展提供便捷的服務，從而改善現(xiàn)有的網(wǎng)絡傳輸容量、效率，提供差異化服務，提高網(wǎng)絡的安全性和生存性，為打造更加堅強的數(shù)字化電網(wǎng)提供有效的保障。

參考文獻

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