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SDN技术在电力光通信网络中的应用研究

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ucomxu 发表于 2021-12-13 10:22:46 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
摘要: 分析了电力光通信网络现状和SDN技术的优势和特点,指出了目前电力光通信存在的问题,并对SDN技术在电力通信网络的应用需求和应用场景进行了分析,最后结合电力光通信网络的特点提出了SDN技术在未来电力光通信网中的应用策略。

引言

  光纤通信系统在过去几十年得到了飞速发展,各种器件、设备和组网技术层出不穷,随着光纤损耗系数的逐步下降,各种光放大技术的成熟和DWDM、OTN等光通信设备的成功商用,使光通信网络在大容量、长距离传输和灵活组网方面得到了飞速的发展,目前光纤通信系统的单信道传输速率已经迈入100 Gb/s时代,并正在向400 Gb/s~1 Tb/s发展。随着业务承载的多样性和网络资源灵活分配需求的增强,光纤通信网络从静态组网方式向自动交换光网络(ASON)方向发展。ASON技术实现了控制平面与传输平面的分离,容易实现对网络带宽的动态分配,同时提高了网络生存性和可靠性。随着网络规模的逐步扩大,网络结构日益复杂,不同网络层级间的路由日益复杂,限制了动态资源分配技术在更大网络范围的应用,路径计算单元(PCE)技术实现了网络集中路由计算和控制功能,解决了复杂网络中多层多域中的路径计算与路由自动分配问题。而随着光通信技术的革命性进展和光网络承载业务的不断变化,要求光网络智能管控层的功能和范围不断扩大,传统的自动交换光网络架构已经不能满足这一要求,迫切需要采用新的技术体系来满足新形势下的光网络通信发展需求。

SDN技术

  SDN即软件定义网络,相对于传统传输网络架构而言,SDN是一种革命性的变革[1]。它将控制功能从传输设备中分离出来,将其移入逻辑上独立的控制环境——网络控制系统之中。该系统可以在通用的服务器上运行,用户可随时、直接进行控制功能编程。因此,控制功能不再局限于设备中,也不再局限于只有设备的生产厂商才能编程和定义。

SDN的设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面分离,并实现可编程化控制。其关键的3大特征是控制面与转发面分离,进而控制面逻辑集中,在集中基础上进一步形成开放。其目标是通过软件可编程方式来优化网络,其具体的结构如图1所示。

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从图1可以看出,SDN的主要技术特点体现在如下几个方面:

  ⑴ 转发与控制分离。SDN具有转发与控制分离的特点,采用SDN控制器实现网络拓扑的收集、路由的计算、流表的生成及下发、网络的管理与控制等功能,而网络层设备仅负责流量的转发及策略的执行。通过这种方式可使得网络系统的转发面和控制面独立发展。转发面向通用化、简单化发展,成本可逐步降低;控制面可向集中化、统一化发展,具有更强的性能和容量。

  ⑵ 控制逻辑集中。转发与控制分离之后使得控制面向集中化发展。控制面的集中化使得SDN控制器拥有网络的全局静态拓扑、全网的动态转发表信息、全网的资源利用率和故障状态等。因此,SDN控制器可实现基于网络级别的统一管理、控制和优化,更可依托全局拓扑动态转发信息,帮助实现快速的故障定位和排除,提高运营效率。

  ⑶ 网络能力开放。SDN支持网络能力开放化。通过集中的SDN控制器实现网络资源的统一管理、整合以及虚拟化后,采用规范化的北向接口为上层应用提供按需分配的网络资源及服务,进而实现网络能力开放,打破了现有网络对业务封闭的问题,实现了突破性的创新。

2 电力光通信网络现状分析

  电力光通信网为供电局、各级变电站、发电厂等单位提供通信通道基础服务,服务对象以电力调度、生产、营销、行政办公为主。现有电力光通信网络以SDH/MSTP为主要技术体制,部分地区已采用WDM/OTN技术组网,电力系统网以及省和地区级组网主要选用2.5/10 G SDH或OTN+SDH来构建骨干光传输网,接入层及汇聚层容量为155 Mb/s~622 Mb/s。组网方式大多采用普通的SDH 环网方式,环间业务的调度则基本通过大节点间设备的支路转接来实现。承载业务类型包括EMS电网调度自动化系统、变电站自动化系统、继电保护和安全自动装置信息、变电站视频监控、调度电话、会议电视、管理信息系统、行政电话、办公自动化等。

  由于目前电力光通信网络设备种类繁多,包括SDH设备、PTN设备、OTN设备等,并且各种设备的组网相对独立,难以形成有效的统一管理和网络资源的统一调度,并且各种通信网络设备的软件和硬件高度集中,形成相对“封闭”的系统,存在如下不足:

  (1) 通信网业务调度能力差,端至端业务配置耗时耗力。需要耗费大量的人工来进行资源的配置和对光网络的结构重新设计和优化。

  (2) 难以对网络状态变化做出快速准确的反应,并且系统生存性薄弱。一旦出现故障或遭到恶意攻击,将会造成全网瘫痪,同时网络的故障恢复时间长,且需要人工干预,不能实时、动态地改变光网络的逻辑拓扑结构以适应不断变化的业务需求。

  (3) 网络的灵活性较差, 端到端业务配置耗时耗力,业务的疏导和汇聚容易出现阻塞,对于承载具有突发特性的数据业务存在先天不足,网络利用率低,信息服务种类的增加非常困难,严重影响了电力通信的全面发展。

  (4)网络的可扩展性不足。随着环网数量的增加,形成资源瓶颈,网络扩容和优化的成本高,随着公司信息化业务需求的不断增长,跨环大带宽业务的需求将无法满足,同时电路调度和环间资源优化将变得十分繁琐。

  因此,如何克服传统的电力通信光网络已有的缺陷,并充分利用各种能提高光网络性价比的新型技术来提高电力通信业务的传输性能和网络的可靠性,是电力通信网发展所面临的主要问题。

3 SDN技术在电力光通信网络的应用分析

  3.1 应用需求与应用场景分析

  光网络引入SDN技术,主要目的是通过控制与传送解耦,采用集中控制策略,简化现有光网络复杂、私有的控制管理协议,通过开放网络和应用层接口,提供网络的可编程能力,满足未来数据中心光互联、网络虚拟化、业务灵活快捷提供、网络和业务创新等发展需求。智能电网和“三集五大”的建设,以及电力云计算和物联网等信息通信新技术的应用,推动了传统电力光通信网络采用基于SDN技术的新型网络架构来满足新形势下的电力通信业务承载需求。目前SDN技术在电力通信网络中的应用场景主要有如下几个方面[2]:

  ⑴ 电力云数据中心互联。目前,电力光通信网络提供数据中心互联一般采用按照最大峰值配置静态带宽的模式。然而,由于数据中心的带宽需求并非一直处于高峰状态,因此这种模式造成了网络带宽资源的浪费。数据中心互联的动态性还包括接入点的变化,这要求光网络实现数据中心之间连接的灵活调度和动态调整。

  ⑵ 电力骨干通信网络的统一控制与协同。 随着宽带网络流量的快速增长,扩容成本的增加和电力通信网络复杂度的日益增加,给电力通信网的运维带来极大挑战。SDN技术可以实现光网络和IP网络之间的资源优化和协同控制,有效降低路由器的容量需求,打破网络容量的“瓶颈”,降低网络综合承载成本。同时,通过SDN控制器协同,可以实现接入网、骨干网,以及IP网等异构网络的智能互通和资源联合调度,提升流量管控能力,提供更智能的管道服务,对于电力业务更为灵活的承载具有重要意义。

  ⑶ 网络资源虚拟化。 网络资源虚拟化可以更好地发挥光网络基础设施的优势,使客户能够根据不同业务的应用需求,在保证服务质量的前提下快速有效地接入和控制网络资源,并使得网络资源的利用达到最优化。基于网络虚拟化技术,光网络可以提供统一的平台,并为上层应用服务提供开放的业务及控制接口,提供按需调整、开放创新、高效协同的“软网络”能力。

  3.2 SDN在电力光网络中的引入策略分析

  光网络由于其物理层特性、集中控制以及面向连接的特性,因此与数据网络的SDN化不同,光网络的SDN化有其特点。首先,由于物理层的特性,光网络本身就具有控制转发分离的控制架构;其次,在集中控制方面,光网络已拥有成熟网管、路径计算单元(PCE)等集中管控系统[3]。并且光网络具有面向连接的特性,所有业务采用预先配置方式,无须控制器就可根据业务报文即时下发流进行报文转发,降低了对控制器性能的要求,具有较好的网络扩展能力。

  可以说,光网络已经具备了部分SDN的特征,这为其向SDN演进奠定了良好的基础。但是,光网络设备物理层可编程能力较弱,资源虚拟化和切片实现较困难,使得光网络引入SDN技术存在一定的难度[4]。 基于光网络SDN化的特点,光网络SDN采取的发展演进思路与数据网SDN化有所区别。目前光通信网络引入SDN技术主要有基于现有光网络控制平面的增强和直接在光网络设备上引入OpenFlow协议两种策略,表1对上述两种引入策略的优缺点进行了对比分析[5]。

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由于目前国家电网公司已经建成完善的一、二、三、四级骨干光缆和10 kV通信接入网,光缆总长度达到约 7 00 000 km,其中,骨干光网络技术体制以SDH网络结构为主,以OTN技术和PTN技术组网,部分地区在SDH或OTN网络上加载了控制平面,接入光纤网络主要采用EPON技术体制组网[6]。一方面电力通信光网络已经具备较为庞大的规模,另外,电力通信业务对电力光通信网络在通信的实时性和网络的安全稳定性有较高的要求,不适合对现有电力通信光网络进行大规模升级改造,根据表1分析,采用策略2将会使光通信设备升级改造的难度增大,建议充分利用现有光网络控制与转发分离的网络架构的优势,采用策略1,基于现有ASON/GMPLS控制平面和集中路径计算单元PCE技术,通过扩展和增强PCE管控能力和开放北向接口,实现SDN集中控制器,并对上层网络和应用提供开放可编程应用服务,具体实现如图2所示。

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如图2所示, SDN控制器可加载在OTN、SDH等传统的光通信网络上层。SDN控制器包含了原有PCE控制器路径计算的全部功能,并且增加了多域协同和将网络虚拟化的能力。光网络未来所需要的控制策略、保护协调与流量监控功能将作为SDN控制器的核心模块存在,快速响应业务的请求并通过控制器高速处理,迅速下发指令,完成网络的全局优化。通过统一的SDN集中控制器,可以对传统的各个封闭式的网络形成有效的统一管理和网络资源的统一调度。

4 结束语

  SDN是一种全新的网络架构,其集中控制、平面解耦、通用硬件的思想为解决光网络中的实际问题提供了有益的思路。SDN技术的应用必将成为未来电力光通信网络的发展趋势。由于SDN技术目前尚不够成熟,标准化程度也不够高,光网络本身协议复杂设备繁多,光路灵活调节与动态交换技术难度较高,因此SDN在电力光网络中的应用将是一个漫长的过程,并且电网通信业务对电力光通信网络的稳定性和安全性有较高要求,因此在实际应用过程中根据目前电力光通信网络的状况,应本着循序渐进的原则,先小范围试点应用后再逐步推广,最终实现SDN对不同层次的光通信网络的集中控制功能,实现异构网络的统一资源管理和调度。利用SDN网络能力开放化的特点,为电力通信系统的业务层应用扩展提供便捷的服务,从而改善现有的网络传输容量、效率,提供差异化服务,提高网络的安全性和生存性,为打造更加坚强的数字化电网提供有效的保障。

参考文献

  [1] 张杰,赵永利. 软件定义光网络技术与应用[J]. 中兴通信技术, 2013(3):22-26.

  [2] 黄孙亮. SDN的应用场景[J]. 通信世界, 2013(24):48.

  [3] 曹畅,简伟,王海军,等. 超长距离光传输系统设计[J]. 邮电设计技术, 2014(3):11-15.

  [4] 陶军. 基于OPENFLOW的SDN技术研究[J]. 电信技术, 2014(2):62-65.

  [5] 简伟,师严,沈世奎,等. 基于SDN的OTN和UTN网络融合技术研究 [J]. 邮电设计技术, 2014(3):41-43.

  [6] 张成良,韦乐平. 新一代传送网关键技术和发展趋势[J].电信科学, 2013(1):4-6.

原文:SDN技术在电力光通信网络中的应用研究-AET-电子技术应用 (chinaaet.com)








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