王繼業(yè)，王  磊，張  庚

　?。ㄖ袊娏茖W(xué)研究院，北京100192）

　　摘  要： 基于軟件定義的下一代通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，設(shè)計(jì)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的綜合能源服務(wù)的多功能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)。通過虛擬化技術(shù)在計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等方面的應(yīng)用，研究實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用和信息網(wǎng)絡(luò)的開放性和可擴(kuò)展性；利用開放式OpenFlow網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，研究實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全管理和高效調(diào)度；利用對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)中基礎(chǔ)設(shè)施共享，研究實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(luò)體系。

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

0 引言

　　基于軟件定義的下一代通信網(wǎng)絡(luò)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(wù)，充分滿足能源互聯(lián)網(wǎng)綜合能源業(yè)務(wù)需求。首先，分布式間歇性能源的廣泛接入、電動(dòng)汽車充放電極大影響了電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，需要對(duì)分布式能源進(jìn)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(yīng)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(shí)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(tái)的出現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(luò)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)性能突出、網(wǎng)絡(luò)能力開放、安全可信、易擴(kuò)展的下一代通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，為基礎(chǔ)設(shè)施、控制平臺(tái)、業(yè)務(wù)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(luò)體系架構(gòu)，設(shè)計(jì)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的綜合能源服務(wù)的多功能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)。通過虛擬化技術(shù)在計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等方面的應(yīng)用，研究實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用和信息網(wǎng)絡(luò)的開放性和可擴(kuò)展性；利用開放式OpenFlow網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，研究實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全管理和高效調(diào)度；利用對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)中基礎(chǔ)設(shè)施共享，研究實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(luò)體系。

1 基于軟件定義的下一代通信網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)能設(shè)備、輸配電設(shè)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(bǔ)充的分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從雙層網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，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(shè)下一代通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。本文所提出的下一代通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)分為四個(gè)層面：數(shù)據(jù)層、控制層、中間層和應(yīng)用層。其中數(shù)據(jù)層（基礎(chǔ)設(shè)施層）負(fù)責(zé)基于智能電表、監(jiān)控等業(yè)務(wù)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(duì)電網(wǎng)進(jìn)行分布式擴(kuò)展，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)層資源的抽象信息，可支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹顟B(tài)信息的匯總和維護(hù)，并基于應(yīng)用的控制來調(diào)用數(shù)據(jù)層的資源，合理規(guī)劃多級(jí)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(luò)虛擬化和網(wǎng)絡(luò)編排功能實(shí)現(xiàn)服務(wù)抽象，把網(wǎng)絡(luò)資源抽象成電網(wǎng)自動(dòng)化和能源管理功能模塊，提高上層對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)用的靈活性；應(yīng)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(luò)和能量接口管理等不同業(yè)務(wù)和應(yīng)用，可以管理和控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)、處理策略，也支持對(duì)網(wǎng)絡(luò)屬性的配置來提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率、保障通信網(wǎng)絡(luò)的安全和實(shí)時(shí)性等服務(wù)質(zhì)量，構(gòu)建信息通信綜合服務(wù)平臺(tái)，為網(wǎng)絡(luò)用戶提供可定制的監(jiān)測、控制策略，實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)管理，提供支持虛擬運(yùn)營的網(wǎng)絡(luò)功能，從而保障電力網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行并為能源互聯(lián)提供可靠支撐?；谲浖x和能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分層示意圖如圖1所示。

　　以保障網(wǎng)絡(luò)可靠性為出發(fā)點(diǎn)，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(duì)與控制器直連的OpenFlow交換機(jī)進(jìn)行鏈路發(fā)現(xiàn)，隨時(shí)監(jiān)控和采集網(wǎng)絡(luò)中OpenFlow交換機(jī)的信息，及時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施在邏輯層面的共享。基于基礎(chǔ)設(shè)施共享策略，可以在通信網(wǎng)鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，仍然能保障其可靠性。

　　以提高能源控制效率為出發(fā)點(diǎn)，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(wù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)人們生產(chǎn)生活的改變，需要多級(jí)數(shù)據(jù)中心支持對(duì)服務(wù)商、用戶的開放互動(dòng)。通過測量控制實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動(dòng)化，多方協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)能源管理。本論文采用SDA的思想對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化和演進(jìn)，運(yùn)用流量工程，通過負(fù)載均衡技術(shù)實(shí)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(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性的需求為出發(fā)點(diǎn)，本論文利用控制器獲取物理網(wǎng)絡(luò)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(dú)立于操作系統(tǒng)本身，減少降低網(wǎng)絡(luò)性能的系統(tǒng)開銷，保障I/O性能，不受系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和調(diào)度設(shè)備的影響。從而有效降低IP網(wǎng)的時(shí)延，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。

　　以保障電力網(wǎng)絡(luò)及通信網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行為出發(fā)點(diǎn)，本論文依托SDA本身以安全為基礎(chǔ)的特點(diǎn)，結(jié)合能源消費(fèi)方式變革下能源交易平臺(tái)對(duì)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(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)。通過分離數(shù)據(jù)面和控制面，讓控制器對(duì)用戶來說不可見，同時(shí)簡化接入設(shè)備，限制用戶權(quán)限，并在控制平面進(jìn)行信任整合，保障數(shù)據(jù)安全。為網(wǎng)絡(luò)管理人員提供高水平查看網(wǎng)絡(luò)的視角，減少惡意流量在網(wǎng)絡(luò)的傳輸。在整體規(guī)劃上使網(wǎng)絡(luò)體系更好地應(yīng)對(duì)安全挑戰(zhàn)。

　　以支持虛擬運(yùn)營為出發(fā)點(diǎn)，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(luò)資源管理應(yīng)用，增強(qiáng)能量流與信息流的耦合度，將電力網(wǎng)絡(luò)、電力能源、電價(jià)等資源進(jìn)行抽象整合，為多方虛擬運(yùn)營商參與到售配電環(huán)節(jié)提供資源管理平臺(tái)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(luò)功能虛擬化），在邏輯層面分隔虛擬網(wǎng)絡(luò)，提供應(yīng)用級(jí)QoS，保證各個(gè)虛擬運(yùn)營商能夠在共享網(wǎng)絡(luò)開放資源、參與網(wǎng)絡(luò)資源管理調(diào)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)營。

　　以促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)靈活管理為出發(fā)點(diǎn)，利用軟件定義邏輯上的集中控制獲得全局的網(wǎng)絡(luò)資源信息及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行全局的調(diào)配優(yōu)化，對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化或異常做出及時(shí)應(yīng)對(duì)；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(shè)備的差異，實(shí)現(xiàn)了底層物理網(wǎng)絡(luò)對(duì)上層應(yīng)用的透明化，增強(qiáng)電力通信網(wǎng)中多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合過程，進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)應(yīng)用驗(yàn)證

　　能源互聯(lián)網(wǎng)通信體系架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用驗(yàn)證原型系統(tǒng)如圖2所示，各個(gè)微電網(wǎng)信息通信網(wǎng)通過匯聚交換機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，進(jìn)而形成一個(gè)廣域的能源互聯(lián)網(wǎng)通信體系架構(gòu)原型系統(tǒng)。每個(gè)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(jī)下發(fā)控制策略，實(shí)現(xiàn)集中控制；大電網(wǎng)中的交換機(jī)也由一個(gè)全局的控制器實(shí)現(xiàn)集中控制。此外，全局控制器在實(shí)現(xiàn)對(duì)大電網(wǎng)交換機(jī)集中控制的同時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)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(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(xué)基于Linux平臺(tái)開發(fā)的輕量級(jí)開源軟件定義研發(fā)與測試平臺(tái)。Mininet可以相對(duì)比較容易地在PC機(jī)上仿真驗(yàn)證一個(gè)具有任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)軟件定義網(wǎng)絡(luò)，對(duì)基于OpenFlow和Open vSwitch的各種協(xié)議進(jìn)行開發(fā)驗(yàn)證，而且所有代碼還可以無縫遷移到真實(shí)的硬件環(huán)境中。在網(wǎng)絡(luò)功能驗(yàn)證方面，鑒于能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)信息通信網(wǎng)絡(luò)高實(shí)時(shí)性、高可靠性、高有效性和高安全性等網(wǎng)絡(luò)功能的迫切需求，利用Mininet仿真平臺(tái)，編輯命令代碼，建立網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元模型，配置控制器控制策略，對(duì)網(wǎng)絡(luò)有效性、可靠性、安全性等進(jìn)行驗(yàn)證。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用驗(yàn)證方面，順應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)信息通信網(wǎng)絡(luò)高資源利用率的特性，基于上述原型系統(tǒng)，對(duì)鏈路共享、負(fù)載均衡等基于軟件定義架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3 總結(jié)

　　針對(duì)未來能源互聯(lián)網(wǎng)分布式運(yùn)行結(jié)構(gòu)復(fù)雜、業(yè)務(wù)需求增多、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性要求高的特點(diǎn)，基于軟件定義的思想，構(gòu)建了下一代通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上提出綜合能源服務(wù)的多功能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)。對(duì)電力基礎(chǔ)設(shè)施、電力信息測量采集系統(tǒng)和分析控制平臺(tái)及相應(yīng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行整合，提供對(duì)廣域?qū)崟r(shí)性業(yè)務(wù)、分布式管理業(yè)務(wù)、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)調(diào)度業(yè)務(wù)的全方位支撐，全面提升能源管理水平和電網(wǎng)自動(dòng)化程度，在綜合能源服務(wù)的多功能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)支持運(yùn)營和靈活管理并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠性、有效性、安全性的優(yōu)化管理。