王繼業,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絡體系架構,設計新型網絡架構下的綜合能源服務的多功能網絡應用平臺。通過虛擬化技術在計算、存儲、網絡等方面的應用,研究實現網絡資源的有效利用和信息網絡的開放性和可擴展性;利用開放式OpenFlow網絡協議,研究實現網絡數據流和網絡設備的安全管理和高效調度;利用對能源互聯網中基礎設施共享,研究實現網絡的高可靠性保障,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絡體系。
關鍵詞: 能源互聯網;軟件定義思想;通信網絡體系架構
0 引言
基于軟件定義的下一代通信網絡架構的規劃,需要有效支撐未來能源互聯網多樣化綜合能源業務,充分滿足能源互聯網綜合能源業務需求。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絡的穩定性,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,配電網需求側管理使得需要處理的數據量急劇增加,及時處理數據,甄別有效信息,挖掘數據潛力變得至關重要。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對網絡的開放性、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、可配置網絡的優點,設計網絡性能突出、網絡能力開放、安全可信、易擴展的下一代通信網絡體系架構,為基礎設施、控制平臺、業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絡體系架構,設計新型網絡架構下的綜合能源服務的多功能網絡應用平臺。通過虛擬化技術在計算、存儲、網絡等方面的應用,研究實現網絡資源的有效利用和信息網絡的開放性和可擴展性;利用開放式OpenFlow網絡協議,研究實現網絡數據流和網絡設備的安全管理和高效調度;利用對能源互聯網中基礎設施共享,研究實現網絡的高可靠性保障,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絡體系。
1 基于軟件定義的下一代通信網絡體系架構
在能源互聯網中,以分布式能源系統為核心,以系統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電與用電相統一的小型能源微網,與接入新能源長距離跨區域傳輸的大電網形成互為補充的分層的網絡結構。從雙層網絡的特點,及與傳統電網在測量和控制上的巨大差異出發,采用SDA的思想建設下一代通信網絡體系架構。本文所提出的下一代通信網絡體系架構分為四個層面:數據層、控制層、中間層和應用層。其中數據層(基礎設施層)負責基于智能電表、監控等業務的數據處理、轉發和狀態收集;控制層主要采用扁平控制和層次控制相結合的方式對電網進行分布式擴展,負責處理數據層資源的抽象信息,可支持網絡拓撲、狀態信息的匯總和維護,并基于應用的控制來調用數據層的資源,合理規劃多級分層控制結構,兼顧控制效率與控制穩定;中間層通過SDA的網絡虛擬化和網絡編排功能實現服務抽象,把網絡資源抽象成電網自動化和能源管理功能模塊,提高上層對網絡資源調用的靈活性;應用層則包括企業資源管理系統(ERP)、云數據中心、通信網絡和能量接口管理等不同業務和應用,可以管理和控制網絡對應的轉發、處理策略,也支持對網絡屬性的配置來提升網絡資源利用率、保障通信網絡的安全和實時性等服務質量,構建信息通信綜合服務平臺,為網絡用戶提供可定制的監測、控制策略,實現靈活的網絡管理,提供支持虛擬運營的網絡功能,從而保障電力網的穩定運行并為能源互聯提供可靠支撐?;谲浖x和能源互聯網結構的網絡架構分層示意圖如圖1所示。
以保障網絡可靠性為出發點,結合能源配置方式向配用電側延伸,借鑒SDA的思想,利用基于LLDP (鏈路層發現協議)消息對與控制器直連的OpenFlow交換機進行鏈路發現,隨時監控和采集網絡中OpenFlow交換機的信息,及時監控網絡的設備工作狀態和鏈路鏈接狀態,由控制器統一完成鏈路發現,實現基礎設施在邏輯層面的共享?;诨A設施共享策略,可以在通信網鏈路出現故障時,仍然能保障其可靠性。
以提高能源控制效率為出發點,支撐遍布電網的傳感終端、信息采集終端、交互終端及業務應用系統對人們生產生活的改變,需要多級數據中心支持對服務商、用戶的開放互動。通過測量控制實現電網自動化,多方協作共同實現能源管理。本論文采用SDA的思想對數據中心網絡進行優化和演進,運用流量工程,通過負載均衡技術實現數據中心的高效工作。
以保障廣泛覆蓋通信網絡對實時性的需求為出發點,本論文利用控制器獲取物理網絡的狀態信息,在數據面創建快速路徑,這些快速路徑依賴適用于多核處理器的軟件開發工具,獨立于操作系統本身,減少降低網絡性能的系統開銷,保障I/O性能,不受系統設備驅動和調度設備的影響。從而有效降低IP網的時延,實現實時數據業務的傳輸。
以保障電力網絡及通信網絡安全運行為出發點,本論文依托SDA本身以安全為基礎的特點,結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造更安全的網絡架構設計。通過分離數據面和控制面,讓控制器對用戶來說不可見,同時簡化接入設備,限制用戶權限,并在控制平面進行信任整合,保障數據安全。為網絡管理人員提供高水平查看網絡的視角,減少惡意流量在網絡的傳輸。在整體規劃上使網絡體系更好地應對安全挑戰。
以支持虛擬運營為出發點,利用軟件定義開放靈活的北向接口(如REST API),開發基于API的網絡資源管理應用,增強能量流與信息流的耦合度,將電力網絡、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節提供資源管理平臺支撐。利用軟件定義靈活可編程的特性,結合NFV技術(網絡功能虛擬化),在邏輯層面分隔虛擬網絡,提供應用級QoS,保證各個虛擬運營商能夠在共享網絡開放資源、參與網絡資源管理調度的基礎上實現獨立運營。
以促進網絡靈活管理為出發點,利用軟件定義邏輯上的集中控制獲得全局的網絡資源信息及網絡狀態信息,可以對網絡資源進行全局的調配優化,對網絡狀態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一和開放,有效屏蔽底層物理轉發設備的差異,實現了底層物理網絡對上層應用的透明化,增強電力通信網中多種異構網絡的融合過程,進一步增強網絡管理的靈活性。
2 能源互聯網通信體系架構的網絡應用驗證
能源互聯網通信體系架構的網絡應用驗證原型系統如圖2所示,各個微電網信息通信網通過匯聚交換機接入到包含新能源發電基地、輸電網、數據中心的大電網信息通信網中,通過大電網核心交換機實現互聯互通,進而形成一個廣域的能源互聯網通信體系架構原型系統。每個微電網信息通信網都擁有各自的域控制器,向微網中的交換機下發控制策略,實現集中控制;大電網中的交換機也由一個全局的控制器實現集中控制。此外,全局控制器在實現對大電網交換機集中控制的同時,還要實現對各個微網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網信息通信體系架構原型系統。Mininet是斯坦福大學基于Linux平臺開發的輕量級開源軟件定義研發與測試平臺。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構軟件定義網絡,對基于OpenFlow和Open vSwitch的各種協議進行開發驗證,而且所有代碼還可以無縫遷移到真實的硬件環境中。在網絡功能驗證方面,鑒于能源互聯網對信息通信網絡高實時性、高可靠性、高有效性和高安全性等網絡功能的迫切需求,利用Mininet仿真平臺,編輯命令代碼,建立網絡網元模型,配置控制器控制策略,對網絡有效性、可靠性、安全性等進行驗證。在網絡應用驗證方面,順應能源互聯網信息通信網絡高資源利用率的特性,基于上述原型系統,對鏈路共享、負載均衡等基于軟件定義架構的網絡關鍵技術進行仿真驗證。
3 總結
針對未來能源互聯網分布式運行結構復雜、業務需求增多、網絡穩定性要求高的特點,基于軟件定義的思想,構建了下一代通信網絡體系架構,并在此基礎上提出綜合能源服務的多功能網絡應用平臺。對電力基礎設施、電力信息測量采集系統和分析控制平臺及相應的業務進行整合,提供對廣域實時性業務、分布式管理業務、海量數據存儲調度業務的全方位支撐,全面提升能源管理水平和電網自動化程度,在綜合能源服務的多功能網絡應用平臺上實現支持運營和靈活管理并實現網絡可靠性、有效性、安全性的優化管理。