王繼業(yè)，王  磊，張  庚

　?。ㄖ袊娏茖W研究院，北京100192）

　　摘  要： 基于軟件定義的下一代通信網(wǎng)絡體系架構(gòu)，設計新型網(wǎng)絡架構(gòu)下的綜合能源服務的多功能網(wǎng)絡應用平臺。通過虛擬化技術(shù)在計算、存儲、網(wǎng)絡等方面的應用，研究實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的有效利用和信息網(wǎng)絡的開放性和可擴展性；利用開放式OpenFlow網(wǎng)絡協(xié)議，研究實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡設備的安全管理和高效調(diào)度；利用對能源互聯(lián)網(wǎng)中基礎設施共享，研究實現(xiàn)網(wǎng)絡的高可靠性保障，最終形成高效靈活、安全可信的基于軟件定義的下一代通信網(wǎng)絡體系。

　　關(guān)鍵詞： 能源互聯(lián)網(wǎng)；軟件定義思想；通信網(wǎng)絡體系架構(gòu)

0 引言

　　基于軟件定義的下一代通信網(wǎng)絡架構(gòu)的規(guī)劃，需要有效支撐未來能源互聯(lián)網(wǎng)多樣化綜合能源業(yè)務，充分滿足能源互聯(lián)網(wǎng)綜合能源業(yè)務需求。首先，分布式間歇性能源的廣泛接入、電動汽車充放電極大影響了電力網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，需要對分布式能源進行可靠高效管控。其次，用戶端智能電表、智能家電及智能樓宇的廣泛應用，配電網(wǎng)需求側(cè)管理使得需要處理的數(shù)據(jù)量急劇增加，及時處理數(shù)據(jù)，甄別有效信息，挖掘數(shù)據(jù)潛力變得至關(guān)重要。最后，電力體制改革帶來市場角色分化，未來能源交易平臺的出現(xiàn)對網(wǎng)絡的開放性、可靠性、有效性及安全性帶來很高的要求。

　　借助于軟件定義（SDA）的思想，利用其靈活、高效、可配置網(wǎng)絡的優(yōu)點，設計網(wǎng)絡性能突出、網(wǎng)絡能力開放、安全可信、易擴展的下一代通信網(wǎng)絡體系架構(gòu)，為基礎設施、控制平臺、業(yè)務需求提供更完備的支撐。

　　本文基于軟件定義的下一代通信網(wǎng)絡體系架構(gòu)，設計新型網(wǎng)絡架構(gòu)下的綜合能源服務的多功能網(wǎng)絡應用平臺。通過虛擬化技術(shù)在計算、存儲、網(wǎng)絡等方面的應用，研究實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的有效利用和信息網(wǎng)絡的開放性和可擴展性；利用開放式OpenFlow網(wǎng)絡協(xié)議，研究實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡設備的安全管理和高效調(diào)度；利用對能源互聯(lián)網(wǎng)中基礎設施共享，研究實現(xiàn)網(wǎng)絡的高可靠性保障，最終形成高效靈活、安全可信的基于軟件定義的下一代通信網(wǎng)絡體系。

1 基于軟件定義的下一代通信網(wǎng)絡體系架構(gòu)

　　在能源互聯(lián)網(wǎng)中，以分布式能源系統(tǒng)為核心，以系統(tǒng)中的電力用戶和其他儲能設備、輸配電設備為組成部分形成的發(fā)電與用電相統(tǒng)一的小型能源微網(wǎng)，與接入新能源長距離跨區(qū)域傳輸?shù)拇箅娋W(wǎng)形成互為補充的分層的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。從雙層網(wǎng)絡的特點，及與傳統(tǒng)電網(wǎng)在測量和控制上的巨大差異出發(fā)，采用SDA的思想建設下一代通信網(wǎng)絡體系架構(gòu)。本文所提出的下一代通信網(wǎng)絡體系架構(gòu)分為四個層面：數(shù)據(jù)層、控制層、中間層和應用層。其中數(shù)據(jù)層（基礎設施層）負責基于智能電表、監(jiān)控等業(yè)務的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集；控制層主要采用扁平控制和層次控制相結(jié)合的方式對電網(wǎng)進行分布式擴展，負責處理數(shù)據(jù)層資源的抽象信息，可支持網(wǎng)絡拓撲、狀態(tài)信息的匯總和維護，并基于應用的控制來調(diào)用數(shù)據(jù)層的資源，合理規(guī)劃多級分層控制結(jié)構(gòu)，兼顧控制效率與控制穩(wěn)定；中間層通過SDA的網(wǎng)絡虛擬化和網(wǎng)絡編排功能實現(xiàn)服務抽象，把網(wǎng)絡資源抽象成電網(wǎng)自動化和能源管理功能模塊，提高上層對網(wǎng)絡資源調(diào)用的靈活性；應用層則包括企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）、云數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡和能量接口管理等不同業(yè)務和應用，可以管理和控制網(wǎng)絡對應的轉(zhuǎn)發(fā)、處理策略，也支持對網(wǎng)絡屬性的配置來提升網(wǎng)絡資源利用率、保障通信網(wǎng)絡的安全和實時性等服務質(zhì)量，構(gòu)建信息通信綜合服務平臺，為網(wǎng)絡用戶提供可定制的監(jiān)測、控制策略，實現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡管理，提供支持虛擬運營的網(wǎng)絡功能，從而保障電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行并為能源互聯(lián)提供可靠支撐。基于軟件定義和能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡架構(gòu)分層示意圖如圖1所示。

　　以保障網(wǎng)絡可靠性為出發(fā)點，結(jié)合能源配置方式向配用電側(cè)延伸，借鑒SDA的思想，利用基于LLDP (鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議)消息對與控制器直連的OpenFlow交換機進行鏈路發(fā)現(xiàn)，隨時監(jiān)控和采集網(wǎng)絡中OpenFlow交換機的信息，及時監(jiān)控網(wǎng)絡的設備工作狀態(tài)和鏈路鏈接狀態(tài)，由控制器統(tǒng)一完成鏈路發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)基礎設施在邏輯層面的共享?；诨A設施共享策略，可以在通信網(wǎng)鏈路出現(xiàn)故障時，仍然能保障其可靠性。

　　以提高能源控制效率為出發(fā)點，支撐遍布電網(wǎng)的傳感終端、信息采集終端、交互終端及業(yè)務應用系統(tǒng)對人們生產(chǎn)生活的改變，需要多級數(shù)據(jù)中心支持對服務商、用戶的開放互動。通過測量控制實現(xiàn)電網(wǎng)自動化，多方協(xié)作共同實現(xiàn)能源管理。本論文采用SDA的思想對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡進行優(yōu)化和演進，運用流量工程，通過負載均衡技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的高效工作。

　　以保障廣泛覆蓋通信網(wǎng)絡對實時性的需求為出發(fā)點，本論文利用控制器獲取物理網(wǎng)絡的狀態(tài)信息，在數(shù)據(jù)面創(chuàng)建快速路徑，這些快速路徑依賴適用于多核處理器的軟件開發(fā)工具，獨立于操作系統(tǒng)本身，減少降低網(wǎng)絡性能的系統(tǒng)開銷，保障I/O性能，不受系統(tǒng)設備驅(qū)動和調(diào)度設備的影響。從而有效降低IP網(wǎng)的時延，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸。

　　以保障電力網(wǎng)絡及通信網(wǎng)絡安全運行為出發(fā)點，本論文依托SDA本身以安全為基礎的特點，結(jié)合能源消費方式變革下能源交易平臺對信息安全的需求，利用軟件定義的概念創(chuàng)造更安全的網(wǎng)絡架構(gòu)設計。通過分離數(shù)據(jù)面和控制面，讓控制器對用戶來說不可見，同時簡化接入設備，限制用戶權(quán)限，并在控制平面進行信任整合，保障數(shù)據(jù)安全。為網(wǎng)絡管理人員提供高水平查看網(wǎng)絡的視角，減少惡意流量在網(wǎng)絡的傳輸。在整體規(guī)劃上使網(wǎng)絡體系更好地應對安全挑戰(zhàn)。

　　以支持虛擬運營為出發(fā)點，利用軟件定義開放靈活的北向接口（如REST API），開發(fā)基于API的網(wǎng)絡資源管理應用，增強能量流與信息流的耦合度，將電力網(wǎng)絡、電力能源、電價等資源進行抽象整合，為多方虛擬運營商參與到售配電環(huán)節(jié)提供資源管理平臺支撐。利用軟件定義靈活可編程的特性，結(jié)合NFV技術(shù)（網(wǎng)絡功能虛擬化），在邏輯層面分隔虛擬網(wǎng)絡，提供應用級QoS，保證各個虛擬運營商能夠在共享網(wǎng)絡開放資源、參與網(wǎng)絡資源管理調(diào)度的基礎上實現(xiàn)獨立運營。

　　以促進網(wǎng)絡靈活管理為出發(fā)點，利用軟件定義邏輯上的集中控制獲得全局的網(wǎng)絡資源信息及網(wǎng)絡狀態(tài)信息，可以對網(wǎng)絡資源進行全局的調(diào)配優(yōu)化，對網(wǎng)絡狀態(tài)的變化或異常做出及時應對；其次，利用軟件定義虛擬化功能及其南向接口的統(tǒng)一和開放，有效屏蔽底層物理轉(zhuǎn)發(fā)設備的差異，實現(xiàn)了底層物理網(wǎng)絡對上層應用的透明化，增強電力通信網(wǎng)中多種異構(gòu)網(wǎng)絡的融合過程，進一步增強網(wǎng)絡管理的靈活性。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)通信體系架構(gòu)的網(wǎng)絡應用驗證

　　能源互聯(lián)網(wǎng)通信體系架構(gòu)的網(wǎng)絡應用驗證原型系統(tǒng)如圖2所示，各個微電網(wǎng)信息通信網(wǎng)通過匯聚交換機接入到包含新能源發(fā)電基地、輸電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心的大電網(wǎng)信息通信網(wǎng)中，通過大電網(wǎng)核心交換機實現(xiàn)互聯(lián)互通，進而形成一個廣域的能源互聯(lián)網(wǎng)通信體系架構(gòu)原型系統(tǒng)。每個微電網(wǎng)信息通信網(wǎng)都擁有各自的域控制器，向微網(wǎng)中的交換機下發(fā)控制策略，實現(xiàn)集中控制；大電網(wǎng)中的交換機也由一個全局的控制器實現(xiàn)集中控制。此外，全局控制器在實現(xiàn)對大電網(wǎng)交換機集中控制的同時，還要實現(xiàn)對各個微網(wǎng)通信控制器的集中控制，通過這種混合控制模式，完成對整個網(wǎng)絡的全局控制。

　　采用Mininet仿真軟件仿真基于軟件定義的能源互聯(lián)網(wǎng)信息通信體系架構(gòu)原型系統(tǒng)。Mininet是斯坦福大學基于Linux平臺開發(fā)的輕量級開源軟件定義研發(fā)與測試平臺。Mininet可以相對比較容易地在PC機上仿真驗證一個具有任意拓撲結(jié)構(gòu)軟件定義網(wǎng)絡，對基于OpenFlow和Open vSwitch的各種協(xié)議進行開發(fā)驗證，而且所有代碼還可以無縫遷移到真實的硬件環(huán)境中。在網(wǎng)絡功能驗證方面，鑒于能源互聯(lián)網(wǎng)對信息通信網(wǎng)絡高實時性、高可靠性、高有效性和高安全性等網(wǎng)絡功能的迫切需求，利用Mininet仿真平臺，編輯命令代碼，建立網(wǎng)絡網(wǎng)元模型，配置控制器控制策略，對網(wǎng)絡有效性、可靠性、安全性等進行驗證。在網(wǎng)絡應用驗證方面，順應能源互聯(lián)網(wǎng)信息通信網(wǎng)絡高資源利用率的特性，基于上述原型系統(tǒng)，對鏈路共享、負載均衡等基于軟件定義架構(gòu)的網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)進行仿真驗證。

3 總結(jié)

　　針對未來能源互聯(lián)網(wǎng)分布式運行結(jié)構(gòu)復雜、業(yè)務需求增多、網(wǎng)絡穩(wěn)定性要求高的特點，基于軟件定義的思想，構(gòu)建了下一代通信網(wǎng)絡體系架構(gòu)，并在此基礎上提出綜合能源服務的多功能網(wǎng)絡應用平臺。對電力基礎設施、電力信息測量采集系統(tǒng)和分析控制平臺及相應的業(yè)務進行整合，提供對廣域?qū)崟r性業(yè)務、分布式管理業(yè)務、海量數(shù)據(jù)存儲調(diào)度業(yè)務的全方位支撐，全面提升能源管理水平和電網(wǎng)自動化程度，在綜合能源服務的多功能網(wǎng)絡應用平臺上實現(xiàn)支持運營和靈活管理并實現(xiàn)網(wǎng)絡可靠性、有效性、安全性的優(yōu)化管理。