吳 崢1，唐志紅2，饒 強(qiáng)2，周 正2，馮偉東2
（1. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430000）
（2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司信息通信公司，湖北 武漢 430077）
摘 要： 智能電網(wǎng)中,大量的智能設(shè)備、數(shù)據(jù)采集終端都部署在電網(wǎng)中的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電各個(gè)環(huán)節(jié),這將產(chǎn)生海量的IP地址需求，所以必然需要發(fā)展IPv6技術(shù)來滿足這一需求。本文結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)公司智能終端發(fā)展現(xiàn)狀，研究了基于不同IPv6過渡技術(shù)下的智能終端通信技術(shù)，提出了三種智能終端的改造方案。
關(guān)鍵詞： IPv6；終端改造；智能電網(wǎng)；智能終端
0 引言
隨著電網(wǎng)智能化程度的提高及維護(hù)和運(yùn)行管理自動(dòng)化的升級(jí)，智能電網(wǎng)中的設(shè)備將會(huì)帶有Internet協(xié)議（IP）地址。例如：在智能變電站中，符合IEC 61850的設(shè)備都將帶有IP地址，以便于維護(hù)和運(yùn)行管理。
以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的智能電網(wǎng)對(duì)IP地址需求強(qiáng)烈。電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)將越來越多地采用IP化的信息通信技術(shù)，包括：（1）發(fā)電專業(yè)的智能化過程中，常規(guī)電源網(wǎng)廠協(xié)調(diào)、新能源發(fā)電并網(wǎng)、大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)等技術(shù)領(lǐng)域；（2）輸電專業(yè)的智能化過程中，柔性直流輸電、柔性交流輸電、線路狀態(tài)與運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域；（3）變電專業(yè)的智能化過程中，智能變電站內(nèi)全站集、智能用能服務(wù)、電動(dòng)汽車充放電、智能量測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域；（4）調(diào)度專業(yè)的智能化過程中，電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)、電網(wǎng)運(yùn)行集中監(jiān)控系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域。
同時(shí)，隨著傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大量采用，以及資產(chǎn)壽命的全生命周期管理，對(duì)IP地址的需求也將越來越迫切。通信信息專業(yè)是加強(qiáng)智能電網(wǎng)的支撐平臺(tái)，輸電、配電和用電側(cè)通信網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)、通信支撐網(wǎng)、智能電網(wǎng)信息基礎(chǔ)平臺(tái)、智能電網(wǎng)信息應(yīng)用平臺(tái)、通信與信息安全等技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)IP地址的需求也很強(qiáng)烈。而IPv6是現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)協(xié)議的唯一選擇，國(guó)際和國(guó)內(nèi)也發(fā)布了智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系研究成果?？梢?，電網(wǎng)智能化的發(fā)展離不開IP地址的標(biāo)識(shí)，必然需要IPv6技術(shù)。
國(guó)家電網(wǎng)公司現(xiàn)有智能終端數(shù)量巨大，種類繁多，所以智能終端的改造方案需要具有成本節(jié)約，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，便于部署的特點(diǎn)，并且具有普遍適用性。
本文對(duì)智能電網(wǎng)中智能終端IPv6改造技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并提出了基于相關(guān)技術(shù)的終端改造方案。
1 過渡技術(shù)下的智能終端通信技術(shù)
?。?）基于雙棧的智能終端通信技術(shù)
雙棧是單個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)完整的IPv4和IPv6協(xié)議棧[1]。兩種協(xié)議基于相同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施獨(dú)立運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)隧道、翻譯等其他過渡技術(shù)的基礎(chǔ)，主要解決IPv4與IPv6如何共存的問題。協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。
雙棧的工作方式是以IPv6節(jié)點(diǎn)的身份與其他IPv6節(jié)點(diǎn)通信，以IPv4節(jié)點(diǎn)的身份與其他IPv4節(jié)點(diǎn)通信，獨(dú)立地進(jìn)行IPv4和IPv6數(shù)據(jù)包的處理和轉(zhuǎn)發(fā)，如圖2所示。
雙棧通過靜態(tài)配置或DHCP方式配置IPv4地址，通過靜態(tài)配置、無狀態(tài)自動(dòng)配置或DHCPv6的方式配置IPv6地址[2-4]。
雙棧的域名解析器必須能夠處理IPv4的A記錄和IPv6的AAAA記錄，并且可以將解析結(jié)果排序返回，從而實(shí)現(xiàn)IPv6優(yōu)先。DNS數(shù)據(jù)包可以由IPv4或IPv6承載。
雙棧的優(yōu)點(diǎn)有：無信息丟失，處理效率高，易于理解，互通性好，適于過渡全過程，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃較簡(jiǎn)單，在IPv6邏輯網(wǎng)絡(luò)中可以充分發(fā)揮IPv6協(xié)議的所有優(yōu)點(diǎn)（如安全性、路由約束、流的支持等）。
雙棧的缺點(diǎn)有：資源占用多，運(yùn)維復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)IPv4和IPv6的互訪，不能解決IPv4地址短缺問題；對(duì)網(wǎng)元設(shè)備的要求較高，要求其維護(hù)大量的協(xié)議和數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造將牽涉到網(wǎng)絡(luò)中的所有網(wǎng)元設(shè)備，投資大、建設(shè)周期比較長(zhǎng)。
所以對(duì)于國(guó)家電網(wǎng)公司中的終端設(shè)備，如果只部署雙棧技術(shù)，會(huì)在成本和建設(shè)周期這兩個(gè)方面無法滿足現(xiàn)實(shí)的需求。
?。?）基于翻譯的智能終端通信技術(shù)
翻譯技術(shù)主要是指一種協(xié)議轉(zhuǎn)換成另一種協(xié)議。雙棧策略解決了IPv6與IPv4的共存問題，但是在網(wǎng)絡(luò)的過渡時(shí)期不可能要求所有的主機(jī)或終端都升級(jí)支持雙棧，在網(wǎng)絡(luò)中必然存在純IPv4主機(jī)和純IPv6主機(jī)之間進(jìn)行通信的需求，由于協(xié)議棧的不同因此很自然地需要對(duì)這些協(xié)議進(jìn)行翻譯轉(zhuǎn)換，如圖3所示。
對(duì)應(yīng)協(xié)議的翻譯可以分為兩個(gè)層面來進(jìn)行，一方面是IPv4與IPv6協(xié)議層的翻譯，另一方面是 IPv4應(yīng)用與IPv6應(yīng)用之間的翻譯。前者主要是通過NAT64技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，后者則可以通過應(yīng)用層網(wǎng)關(guān) ALG來實(shí)現(xiàn)，但并不是所有的應(yīng)用層協(xié)議都需要 ALG[7]。NAT64實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議翻譯；應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)則實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的協(xié)議翻譯，對(duì)于不同的應(yīng)用，需要配置不同的應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)。
翻譯技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行IPv4、IPv6節(jié)點(diǎn)的升級(jí)改造，缺點(diǎn)是IPv4節(jié)點(diǎn)訪問IPv6節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法比較復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換、地址轉(zhuǎn)換的處理開銷較大。因此該策略一般是在其他互通方式無法使用的情況下使用。
?。?）基于隧道的智能終端通信技術(shù)
隧道技術(shù)主要指一種協(xié)議封裝于另一種協(xié)議。主要分為兩大類型：使用IPv4報(bào)頭封裝IPv6報(bào)文6over4[5]隧道和使用IPv6報(bào)頭封裝IPv4報(bào)文的4over6[6]隧道。如圖4所示。
隧道有三個(gè)關(guān)鍵組件：隧道入口（Tunnel Initiator，TI）：執(zhí)行封裝；隧道出口（Tunnel Concentrator，TC）：執(zhí)行解封裝；隧道管理：建立、拆除隧道。
隧道的優(yōu)點(diǎn)有：無信息丟失，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維比較簡(jiǎn)單；只要求在隧道的入口和出口處進(jìn)行修改，不需要進(jìn)行IPv4、IPv6節(jié)點(diǎn)的升級(jí)改造，非常容易實(shí)現(xiàn)，具有普遍適用性；能夠充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)投資，節(jié)約成本。所以本文選擇使用基于隧道的智能終端通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能終端改造。
2 智能終端改造方案
對(duì)于現(xiàn)有的具備IPv4網(wǎng)絡(luò)功能的終端可以通過兩種改造方式接入IPv6網(wǎng)絡(luò)，分別是臨近網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)集中改造方案和外掛IPv6通信模塊改造方案。對(duì)于原本不具有IPv4網(wǎng)絡(luò)功能的終端也可以使用外掛IPv6通信模塊改造方案實(shí)現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)接入。
?。?）臨近網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)集中改造方案
通過對(duì)原終端集中接入點(diǎn)進(jìn)行雙棧改造，并部署4over6隧道，可以以隧道的形式實(shí)現(xiàn)IPv4終端的IPv6網(wǎng)絡(luò)接入，如圖5所示。
這種方案相對(duì)于對(duì)每個(gè)終端逐個(gè)改造的方案具有改造工作量小的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)海量級(jí)終端的快速部署。
?。?）外掛IPv6通信模塊改造方案
外掛IPv6通信模塊是最具有普適意義的改造方案，無論終端原來是否具有IP網(wǎng)絡(luò)功能均可采用外掛的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流封裝，從而接入IPv6網(wǎng)絡(luò)。
對(duì)于具有IPv4網(wǎng)絡(luò)功能的終端，可以通過添加附加模塊實(shí)現(xiàn)通過4over6隧道接入IPv6網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。
?。?）不具有IP網(wǎng)絡(luò)功能的終端改造方案
對(duì)于不具有IP網(wǎng)絡(luò)功能的終端，也可以通過添加附加模塊實(shí)現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)接入，如圖7所示。
在附加通信模塊部署IPv6協(xié)議棧，以實(shí)現(xiàn)IPv6報(bào)文和原終端通信的數(shù)據(jù)格式之間的相互轉(zhuǎn)換。
3 總結(jié)
本文基于國(guó)家電網(wǎng)公司現(xiàn)有智能終端數(shù)量巨大、種類繁多的現(xiàn)狀，研究了基于多種IPv6過渡技術(shù)的智能終端通信技術(shù)，最終選擇了隧道技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能終端的改造。給出了智能終端改造的3個(gè)具體方案，為國(guó)家電網(wǎng)公司網(wǎng)絡(luò)的智能化、IP化作出了有益的探索。
參考文獻(xiàn)
[1]楊國(guó)良，李陽春，伍佑明,等.IPv6技術(shù)、部署與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2011.
[2]DEERING S. Internet protocol version 6(IPv6) specification[S]. RFC 2460，1998.
[3]HINDEN R. IP version 6 addressing architecture[S]. RFC 4291, 2006.
[4]NARTEN T. Neighbor discovery for IP version 6(IPv6)[S]. RFC 4861, 2007.
[5]CARPENTER B. Transmission of IPv6 over IPv4 domains without explicit tunnels[S]. RFC 2529, 1999.
[6]CUI Y. Lightweight 4over6: an extension to the dual-stack lite architecture[S]. RFC 7596, 2015.
[7]TANENBAUM A S，DAVI J. Wetherall計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第5版).北京:清華大學(xué)出版社，2012.