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基于软件定义的下一代通信网络体系设计研究


作者:    时间:2016/6/7 13:07:50  来源:   

0 引言

  基于软件定义的下一代通信网络架构的规划,需要有效支撑未来能源互联网多样化综合能源业务,充分满足能源互联网综合能源业务需求。首先,分布式间歇性能源的广泛接入、电动汽车充放电极大影响了电力网络的稳定性,需要对分布式能源进行可靠高效管控。其次,用户端智能电表、智能家电及智能楼宇的广泛应用,配电网需求侧管理使得需要处理的数据量急剧增加,及时处理数据,甄别有效信息,挖掘数据潜力变得至关重要。最后,电力体制改革带来市场角色分化,未来能源交易平台的出现对网络的开放性、可靠性、有效性及安全性带来很高的要求。

  借助于软件定义(SDA)的思想,利用其灵活、高效、可配置网络的优点,设计网络性能突出、网络能力开放、安全可信、易扩展的下一代通信网络体系架构,为基础设施、控制平台、业务需求提供更完备的支撑。

  本文基于软件定义的下一代通信网络体系架构,设计新型网络架构下的综合能源服务的多功能网络应用平台。通过虚拟化技术在计算、存储、网络等方面的应用,研究实现网络资源的有效利用和信息网络的开放性和可扩展性;利用开放式OpenFlow网络协议,研究实现网络数据流和网络设备的安全管理和高效调度;利用对能源互联网中基础设施共享,研究实现网络的高可靠性保障,最终形成高效灵活、安全可信的基于软件定义的下一代通信网络体系。

1 基于软件定义的下一代通信网络体系架构

  在能源互联网中,以分布式能源系统为核心,以系统中的电力用户和其他储能设备、输配电设备为组成部分形成的发电与用电相统一的小型能源微网,与接入新能源长距离跨区域传输的大电网形成互为补充的分层的网络结构。从双层网络的特点,及与传统电网在测量和控制上的巨大差异出发,采用SDA的思想建设下一代通信网络体系架构。本文所提出的下一代通信网络体系架构分为四个层面:数据层、控制层、中间层和应用层。其中数据层(基础设施层)负责基于智能电表、监控等业务的数据处理、转发和状态收集;控制层主要采用扁平控制和层次控制相结合的方式对电网进行分布式扩展,负责处理数据层资源的抽象信息,可支持网络拓扑、状态信息的汇总和维护,并基于应用的控制来调用数据层的资源,合理规划多级分层控制结构,兼顾控制效率与控制稳定;中间层通过SDA的网络虚拟化和网络编排功能实现服务抽象,把网络资源抽象成电网自动化和能源管理功能模块,提高上层对网络资源调用的灵活性;应用层则包括企业资源管理系统(ERP)、云数据中心、通信网络和能量接口管理等不同业务和应用,可以管理和控制网络对应的转发、处理策略,也支持对网络属性的配置来提升网络资源利用率、保障通信网络的安全和实时性等服务质量,构建信息通信综合服务平台,为网络用户提供可定制的监测、控制策略,实现灵活的网络管理,提供支持虚拟运营的网络功能,从而保障电力网的稳定运行并为能源互联提供可靠支撑。基于软件定义和能源互联网结构的网络架构分层示意图如图1所示。

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  以保障网络可靠性为出发点,结合能源配置方式向配用电侧延伸,借鉴SDA的思想,利用基于LLDP (链路层发现协议)消息对与控制器直连的OpenFlow交换机进行链路发现,随时监控和采集网络中OpenFlow交换机的信息,及时监控网络的设备工作状态和链路链接状态,由控制器统一完成链路发现,实现基础设施在逻辑层面的共享。基于基础设施共享策略,可以在通信网链路出现故障时,仍然能保障其可靠性。

  以提高能源控制效率为出发点,支撑遍布电网的传感终端、信息采集终端、交互终端及业务应用系统对人们生产生活的改变,需要多级数据中心支持对服务商、用户的开放互动。通过测量控制实现电网自动化,多方协作共同实现能源管理。本论文采用SDA的思想对数据中心网络进行优化和演进,运用流量工程,通过负载均衡技术实现数据中心的高效工作。

  以保障广泛覆盖通信网络对实时性的需求为出发点,本论文利用控制器获取物理网络的状态信息,在数据面创建快速路径,这些快速路径依赖适用于多核处理器的软件开发工具,独立于操作系统本身,减少降低网络性能的系统开销,保障I/O性能,不受系统设备驱动和调度设备的影响。从而有效降低IP网的时延,实现实时数据业务的传输。

  以保障电力网络及通信网络安全运行为出发点,本论文依托SDA本身以安全为基础的特点,结合能源消费方式变革下能源交易平台对信息安全的需求,利用软件定义的概念创造更安全的网络架构设计。通过分离数据面和控制面,让控制器对用户来说不可见,同时简化接入设备,限制用户权限,并在控制平面进行信任整合,保障数据安全。为网络管理人员提供高水平查看网络的视角,减少恶意流量在网络的传输。在整体规划上使网络体系更好地应对安全挑战。

  以支持虚拟运营为出发点,利用软件定义开放灵活的北向接口(如REST API),开发基于API的网络资源管理应用,增强能量流与信息流的耦合度,将电力网络、电力能源、电价等资源进行抽象整合,为多方虚拟运营商参与到售配电环节提供资源管理平台支撑。利用软件定义灵活可编程的特性,结合NFV技术(网络功能虚拟化),在逻辑层面分隔虚拟网络,提供应用级QoS,保证各个虚拟运营商能够在共享网络开放资源、参与网络资源管理调度的基础上实现独立运营。

  以促进网络灵活管理为出发点,利用软件定义逻辑上的集中控制获得全局的网络资源信息及网络状态信息,可以对网络资源进行全局的调配优化,对网络状态的变化或异常做出及时应对;其次,利用软件定义虚拟化功能及其南向接口的统一和开放,有效屏蔽底层物理转发设备的差异,实现了底层物理网络对上层应用的透明化,增强电力通信网中多种异构网络的融合过程,进一步增强网络管理的灵活性。

2 能源互联网通信体系架构的网络应用验证

 

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  能源互联网通信体系架构的网络应用验证原型系统如图2所示,各个微电网信息通信网通过汇聚交换机接入到包含新能源发电基地、输电网、数据中心的大电网信息通信网中,通过大电网核心交换机实现互联互通,进而形成一个广域的能源互联网通信体系架构原型系统。每个微电网信息通信网都拥有各自的域控制器,向微网中的交换机下发控制策略,实现集中控制;大电网中的交换机也由一个全局的控制器实现集中控制。此外,全局控制器在实现对大电网交换机集中控制的同时,还要实现对各个微网通信控制器的集中控制,通过这种混合控制模式,完成对整个网络的全局控制。

  采用Mininet仿真软件仿真基于软件定义的能源互联网信息通信体系架构原型系统。Mininet是斯坦福大学基于Linux平台开发的轻量级开源软件定义研发与测试平台。Mininet可以相对比较容易地在PC机上仿真验证一个具有任意拓扑结构软件定义网络,对基于OpenFlow和Open vSwitch的各种协议进行开发验证,而且所有代码还可以无缝迁移到真实的硬件环境中。在网络功能验证方面,鉴于能源互联网对信息通信网络高实时性、高可靠性、高有效性和高安全性等网络功能的迫切需求,利用Mininet仿真平台,编辑命令代码,建立网络网元模型,配置控制器控制策略,对网络有效性、可靠性、安全性等进行验证。在网络应用验证方面,顺应能源互联网信息通信网络高资源利用率的特性,基于上述原型系统,对链路共享、负载均衡等基于软件定义架构的网络关键技术进行仿真验证。

3 总结

  针对未来能源互联网分布式运行结构复杂、业务需求增多、网络稳定性要求高的特点,基于软件定义的思想,构建了下一代通信网络体系架构,并在此基础上提出综合能源服务的多功能网络应用平台。对电力基础设施、电力信息测量采集系统和分析控制平台及相应的业务进行整合,提供对广域实时性业务、分布式管理业务、海量数据存储调度业务的全方位支撑,全面提升能源管理水平和电网自动化程度,在综合能源服务的多功能网络应用平台上实现支持运营和灵活管理并实现网络可靠性、有效性、安全性的优化管理。

关键词:能源互联网 软件定义思想 通信网络体系架
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