OpenFlow在电力大数据平台中的应用
2015-03-11尹晓华胡楠刘为王萌祁兵李彬
尹晓华,胡楠,刘为,王萌,祁兵,李彬
(1.国网辽宁省电力有限公司信息通信分公司,沈阳市 110006;2.华北电力大学电气与电子工程学院,北京市 102206)
OpenFlow在电力大数据平台中的应用
尹晓华1,胡楠1,刘为1,王萌2,祁兵2,李彬2
(1.国网辽宁省电力有限公司信息通信分公司,沈阳市 110006;2.华北电力大学电气与电子工程学院,北京市 102206)
为解决电力大数据平台数据通信网灵活性受限问题,针对OpenFlow技术的技术体系进行了研究,给出了该技术在融合数据平台中的一种实现方法。分析了OpenFlow架构及现有标准化现状,从数据处理流程以及业务配置等方面,分析了OpenFlow在未来电力大数据平台中的应用优势,并从SDN功能单元与技术扩展性等方面进行了研究。OpenFlow已被列入国家电网公司电力大数据平台的关键技术,支持OpenFlow技术等SDN主流控制协议可以提升电力业务承载的灵活性,通过控制平面和数据平面解耦,将网络的控制功能分离开,可满足国家电网公司对数据网络高效性的要求。
电力大数据;OpenFlow;网络模型;软件定义网络
0 引 言
根据国家电网公司“十二五”信息化规划对“三集五大”体系建设的要求,现有通信网络应能够为保障电网稳定、高效的运行以及各业务系统数据的服务质量(quality of service,QoS),提供可靠的安全防御。但是,随着电力通信网络的快速发展及新型电力业务的需求,对传统的电力数据网络要求越来越高。在现有的网络环境中,IP地址短缺、网络安全等问题逐渐暴露出来,现有的网络环境已无法满足国家电网公司大数据平台对信息通信网络的要求[1]。针对目前网络架构暴露出来的问题,研究人员认为必须重新设计数据网络架构,在搭建网络伊始就努力屏蔽掉所有的缺陷,提供新的网络模型[2]。在所有新模型中,OpenFlow由于其功能强大倍受青睐[3]。
随着电力系统中积累的数据量逐年增大,系统处理、存储的压力攀升,传统的网络架构已无法满足电力行业快速增长的需求。为了提升电网的数据处理能力,中国电力科学研究院专门成立了电力大数据联合攻关工作组,依托战略中心及各个专业研究所的优势资源,致力于解决未来5年内智能电网新业务开展的信息化工作瓶颈。电力大数据平台的数据流量变化,改变了以往通信网络的流量分布特征,因此在进行承载网络设计时,无法按照传统的通信网络配置静态的业务路由。而采用支持OpenFlow技术等SDN主流控制协议可以提升电力业务承载的灵活性,并且可以支持多控制系统协同工作。同时,SDN软件定义网络体系也是国家电网公司在“十二五”通信规划中所提出的网络演进路线,目前SDN的业务体系架构大多针对通用的通信网络业务设计,作为通信与信息领域的技术人员对电力业务了解较少,无法扩展出针对电力业务应用的控制模型。OpenFlow是一种新型而灵活的技术,用以规范在SDN架构的交换机和基于软件的控制器之间的通信[4]。2014年国家电网公司科技项目指南在电力信息与通信、用电与能效2个技术领域发布了SDN网络技术的需求,并明确提出了SDN控制平面中应支持OpenFlow等SDN主流控制协议、支持流量镜像与流量筛选功能、支持多控制系统协同控制功能等。OpenFlow的软件可编程功能可以实现对电力数据网络的虚拟化集中控制[6],研究人员可以不使用现在的网络流量以防造成网络的拥堵,也可通过编程来模拟所需的网络特性,将新的算法和协议设置在这个虚拟的网络环境中,通过软件模组的更新即可实现。
本文从SDN技术的基本原理出发,设计OpenFlow电力大数据系统集群架构,根据业务融合数据的需求剖析OpenFlow的业务处理流程,论述电力大数据平台的业务应用、网络配置方法并分析OpenFlow的优势。
1 OpenFlow系统基础架构
OpenFlow被公认为是改变下一代信息网络的革命性技术[7],其体系结构包括3部分:OpenFlow兼容交换机、安全通道和智能控制器。在传统的网络环境中,在同一网络设备中实现对数据报文的路由决策和转发功能,而OpenFlow技术着重对传统一体化处理方式进行改造,将决策功能和转发功能剥离,并由控制器和交换机分别实现。控制器主要负责控制交换机中流表的使用与OpenFlow协议的软件程序。安全通道是控制器连接到所有交换机的接口。通过这个渠道,控制器可以管理所有的交换机,从交换机接收数据包和发送数据包到交换机。OpenFlow概念体系结构如图1所示。
具体而言,采用OpenFlow技术作为控制单元的电力大数据平台可将外部PC作为数据控制器;数据包的转发功能是由交换机中的流表实现,在内部,1个交换机使用三态内容寻址存储器(TCAM)和随机存取存储器(RAM)来处理每个数据报文,具体如图2所示。
图1 OpenFlow概念体系结构Fig.1 OpenFlow conceptual architecture
图2 OpenFlow电力大数据系统集群Fig.2 OpenFlow cluster of electric power big data system
交换机中的数据流表中存储了所有流表条目,其中每个流表条目由3部分组成[8]:(1)头部信息,包含12元组信息用于匹配接收到的数据报文;(2)行为标记,用于指示处理已经匹配成功的数据报文的行为;(3)计数器,记录与特定流表条目相关的数据,如发送/接收字节数、报文数等统计信息。对于复杂电力业务应用(如电力系统在线仿真计算、快速安稳分析等),则需定义专用的OpenFlow流通道,当数据报文到达OpenFlow交换机后,快速匹配报头信息,与流表条目的头部进行匹配操作。如果报文与交换机的每条表项都不匹配,则数据报文被转发到控制器,由控制器决定数据包的处理方式。在电力大数据平台中,可以将中央监控机设置为未知表项数据,则在每个计算单元无法匹配时,该数据被立即送往中央监控机。如成功匹配,交换机应对该数据包采取适当的操作,并更新流表项的统计信息。为了说明OpenFlow交换机与传统IP交换机处理的异同,图3给出了详细的报文解析流程。
图3 交换机处理数据包的流程Fig.3 Packet proceeding flow of switch
OpenFlow的标准协议主要分2种,一种是定义了控制器和交换机之间通信的消息类型和数据格式,另一种则是对交换机中流表的定义。目前存在多个不同版本的OpenFlow协议规范。OpenFlow的第1个版本0.2.0发布于2008年3月, 同年12月发布的0.8.9版本中引入了包括了IP网络掩码、额外的统计信息和其他更新消息。OpenFlow的0.9版本发布于2009年7月,目前应用最为广泛的是OpenFlow1.0版本,于2009年12月发布。由于以前的版本已经过时,研究人员主要专注于1.3版本的开发。OpenFlow1.3.0规范中汇总了每个版本的变化[9],2014年6月ONF最新出版的SDN规范框架中又增加了OpenFlow的通道保护、控制器管理以及域间通信机制的规范[10]。
2 OpenFlow在融合数据平台中的技术实现
2.1 OpenFlow的数据处理流程
在目前最为广泛使用的1.0.0版本中,支持OpenFlow的交换机使用报头的12个字节信息匹配进入交换机的有效载荷。数据报文通过在流表中使用的1个或多个数据报文的报头与流表中特定流表条目匹配。流表的单个条目可以具有模糊匹配值“ANY”,用于匹配所有的数据报文。如果前一项流表中使用三态内容寻址存储器(TCAM)落实,可以在交换机硬件使用TCAM的第三屏蔽状态实现[11]。
在OpenFlow1.0.0的交换机中,数据报文处理和寻址的过程如下[12]:(1)进入交换机的以太网数据被送到报文解析系统。(2)从报头字段中提取信息并放置在分组报头中,报头信息用于进行匹配操作。(3)查找生成的分组报头,匹配成功则被发送到该分组的匹配系统。(4)数据包报头的查找与在OpenFlow的流表中的每个流条目所定义的规则进行对比。注意,在表中的流条目中存在优先级由高到低的顺序。因此,该数据包报头的查找完成从流表中的第1个表项开始。如果匹配成功,则在匹配的流表条目上进行;否则,该数据报文被发送到控制器,用于处理。具体过程如图4所示。
图4 基于业务的OpenFlow交换机报文精细化解析Fig.4 Finer packet parsing of service oriented OpenFlow switch
2.2 OpenFlow在大数据平台中的配置
为了在单一控制器操纵交换机流表的基础上运行电力业务应用程序,网络操作系统是必需的,其充当着OpenFlow交换机和用户应用程序之间的中间层。网络操作系统与使用OpenFlow协议的交换机进行通信,并通知各应用程序的网络事件。
至少有4种可能的方法可用于实现基于OpenFlow的应用程序。首先,OpenFlow的兼容硬件交换机都可以使用。其次,也可使用基于Open vSwitch的交换机配备OpenFlow兼容软件。第三,使用Mininet部署的虚拟网络,这是一个虚拟的由斯坦福大学开发的网络环境,可用于内部模拟虚拟网络中多个主机或单一主机的行为。最后,使用NetFPGA平台,通过具有多个千兆以太网端口的PCI卡、静态RAM和其他网络功能组成的设备进行组网[13]。
物理交换机和虚拟交换机可以用于部署一个OpenFlow的网络,但在实现方式上有所不同。虚拟化的最大优势是能够提高大量硬件的复用度,从而节省网络的绝对成本。开放的虚拟交换机可以灵活更新应用软件,但其性能比基于硬件的交换机在进行数据平面操作方面略慢一些。
在OpenFlow网络中,与电力业务相关的网络流量和实验流量可以共享相同的OpenFlow交换机。OpenFlow交换机流表中条目的操作可以把数据包发送到交换机,针对不同的流量可以定义不同的路径。另一方面,不同的流表项目可以被定义为实验流量。这样,实验流量可以在不干扰生产流量的情况下进行测试。为了减小干扰行为,有研究学者提出了FlowVisor技术,可以实现多个单独的控制器共享某个交换机的控制。集中式的OpenFlow控制器可以对网络进行集中管理,并且能够与网络中所有OpenFlow交换机进行交互,可以作为其他分布式控制器的中间层。
2.3 OpenFlow与SDN分析
由于OpenFlow已经成为最流行的SDN技术,有些人认为OpenFlow和SDN是同义词,然而,它们之间的区别是很重要的。SDN包括从数据平面的去耦控制平台,而OpenFlow描述了软件控制器如何与交换机在SDN架构下进行通信。SDN关注重点是对给定用户范围内的网络状态抽象,而OpenFlow则侧重于网络组建的细节。SDN提供一个网络范围的抽象,好比操作系统提供了全系统的抽象,提供了单独的网络业务驱动。OpenFlow则是连接控制器和网络组建的驱动连接,可以针对不同的电力业务应用设计单独的控制组建,支撑电力大数据未来架构的可扩展性需求。
3 OpenFlow在电力大数据平台的应用分析
作为新兴网络模型及实现技术,OpenFlow许多强大的功能可以帮助研究人员实现复杂的网络功能并搭建更方便强大的网络计算环境。目前对于大数据技术,尚不具有基准的测试体系和数据智能性交互标准。考虑到电力大数据技术的实际网络中的应用,本文主要从以下几个方面分析OpenFlow的技术优势。
3.1 网络配置优化
基于OpenFlow的应用程序可以简化网络的配置,常用的网络配置方法包括访问控制列表和配置文件,其管理非常耗时,而且经常会出现配置文件错误。特别是在电力大数据平台中,同时存在着与电力系统生产安全运行数据以及综合数据网络中低优先级的数据,网络的配置更不允许任何的疏忽。通过使用SDN,可以用软件来管理数据的一致性问题,并对关键数据进行隔离。例如,日本的山崎等研究人员提出利用OpenFlow管理校园网的虚拟局域网(virtual local area network, VLAN)建议[14]。该研究成果描述了通过虚拟组的ID(GID),限制VLAN的规模以及VLAN ID的范围来减少网络配置耗时的方法。控制器分析传入网络的流量,并且检测该通信是否应被允许或拒绝。使用这种方法,VLAN的数量限制问题被克服,并且网络的配置被简化。OpenFlow网络可以采用Zookeeper分布式协作服务,解决大量分散数据节点的网络配置,并可实现集群化的同步。
3.2 标准的网络管理
部署基于OpenFlow的电力大数据平台,迫切需要建立通过OpenFlow简化电力信息网络的管理方法,结合电力业务特性设计OpenFlow的数据流处理流程,优化资源调配。通过友好的用户接口,允许用户直接参与管理网络,其功能实现是基于NOX的。目前,电力大数据平台的发展趋势是向网络化的虚拟操作系统发展,并且可基于Web接口提供给用户并支持多主体系统的自主管理,通过设计智能化数据处理流程实现智能电网新型业务。
3.3 安全性保障
电力系统内部的数据安全性一直以来就是被关注的问题,目前普遍的做法是采用安全分区的方式区分内外网数据,同时也考虑安全生产、办公自动化类别的数据区分。电力大数据平台中的部分业务与系统的核心数据密切相关(如在线潮流计算),也有部分数据只与一般的办公自动化相关,需要进行区分。同时在大数据环境下,系统数据的流向也从单向数据流向双向数据流发展,给电力数据的隐私性带来了新的挑战。目前Hadoop通过安全模型分层管理抵御网络威胁确保数据完整性,OpenFlow可以采用定制化的安全接入单元管理网络的数据安全性。最近已有研究学者提出了采用OpenFlow检测DDoS攻击的方法,该方法依赖于数据流的创建,基于客户身份流量及数据流类型的区分进行管理。当提供了给定内容类型的服务器接收比预期范围更多限定条件时,DDoS攻击可被检测出来。还有文献提出通过分析流量频率的方法(如设定频率阈值),识别非数据侵入。当出现异常情况时,自动丢弃数据。另外,通过自组织图方法可以在流量收集的基础上区分某一流量是正常的或是恶意的。文献[15]明确提出了SDN的安全架构,该架构中存在的不同级别的安全间隙节点可以交流沟通。通过OpenFlow控制器设置的规则,仅在请求者比接收机具有更高的安全性时数据流量才能被授权。
3.4 灵活的数据可用性
基于OpenFlow的应用模式大多都集中在网络的可用性、负载均衡性和容错性。通过负载均衡技术确保电力大数据平台中多个节点之间业务流量负荷的均匀性,从而提高网络的可用性[16]。利用冗余的数据均衡通道,可以为系统提供多个单独故障的容错性,当发生故障时系统仍能够正常工作。在数据存储方面,可以采用Hadoop分布式文件系统(hadoop distributed file system, HDFS)提供数据容错并检测硬件的故障,通过流式数据访问的方式,有效地提升系统数据访问能力。在分布式列存储架构中,HBase能够提供大量数据的随机访问,并可以结合MapReduce对复杂电力业务提供并行存储和处理的机制。
3.5 业务的广域部署能力
国外已经有部分关于电力系统的广域业务应用的报道,并且大多数研究学者均采用通过本地部署实验装置作数据分析。已有研究成果分析了在广域网络(wide area network, WAN)中部署OpenFlow测控装置的可能性,文献[17]分析了OpenFlow在广域网络中部署的可能性,并模拟了OpenFlow的网络特性。另外,有研究学者提出使用在NOX控制器上运行OpenFlow的架构的域间路由解决方案,并解释了如何在不同的自治系统(或域)通过互联网彼此之间相互作用。为此,还有学者提出基于OpenFlow的跨区域路由方案,并允许自治系统相互沟通。在电力大数据平台中采用分布式数据中心建设的方式,能够有效进行业务路径优化,并使得数据交换的方式更为快捷[18]。
3.6 数据平台的无线应用扩展
OpenRoads被认为是OpenFlow的无线版本[19],定位于在移动网络中通过简单网络管理协议(simple network management protocol, SNMP)控制网络设备协议,将多个控制器部署在网络的顶层。PhoneNet概念模型是在OpenRoad架构下的一种采用多播地址的数据获取方式,为组内所有其他成员提供数据服务[20]。类似地,OpenRadio设计了一个可编程无线网络的数据平面,以使自动化设备的软件更新[21]。现阶段,软件更新已变得更加频繁(以前1个版本发布间隔为数年,现在则接近每月1次)。OpenRadio可以通过基站实现业务应用的自动更新。如果没有这个方法,设备必须被收集,以使软件可以手动更新,从而保障昂贵的硬件设备投资。
未来智能电网建设是逐步使电网智能化的过程,其数据平台的建设也不可能一蹴而就[22]。在分步区域建设的范围内,需要为每个数据采集设备提供足够的覆盖范围,并且需要能够识别智能传感器的事件[23]。在这种情况下,每次传感器数据的采集、更新具有更高的成本,利用OpenRadio更新设备,通过广域网络更新设备的固件版本。OpenFlow未来的无线网络架构将给出的可编程性和光虚拟接入点技术规范,从而简化大数据平台的架构。
4 结 论
本文针对大数据时代下电力企业的数据通信网的灵活性受限的问题,提出了OpenFlow在未来国家电网公司大数据平台应用的方法,从数据处理流程、平台配置等方面开展了研究。在分析OpenFlow模型及功能的基础上,探讨了数据平台中OpenFlow技术的应用方法,并致力于将SDN框架用作实现电力大数据平台的基础架构。最后给出OpenFlow技术在电力大数据网络中业务应用及功能实现的建议方案,为未来国家电网公司建立统一数据管理平台提供技术支撑。
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尹晓华 (1967),男,主要研究方向为电力信息化、电力通信规划及运行管理;
胡楠(1982),男,博士,主要从事电力信息化运维工作;
刘为(1984),男,硕士,主要从事电力系统信息化研究工作;
王萌(1993),女,硕士研究生,主要从事通信与信息技术研究工作;
祁兵(1965),男,教授,IEC PC118委员,主要从事智能电网用户接口与数据信息模型相关研究工作;
李彬(1983),男,讲师,主要从事电力系统自动化与信息化相关技术研究工作。
(编辑:张小飞)
Application of OpenFlow in Electric Power Big Data Platform
YIN Xiaohua1, HU Nan1, LIU Wei1, WANG Meng2, QI Bing2, LI Bin2
(1.Information and Communication Branch of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co., Ltd., Shengyang 110006, China;2.School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)
To solve the flexibility problem of communication network for electric power big data platform, its implementation method in data integration platform was presented according to the research on the technique architecture of OpenFlow.The standardization status and architecture of OpenFlow were analyzed from aspects of data processing and service configuration.The advantage of OpenFlow in future electric power big data platform was analyzed, and the perspectives of SDN functional unit and technology extensibility were also studied.OpenFlow has been included in the key technology of electric power big data platform in State Grid Corporation.OpenFlow Supporting technology and popular SDN controlling protocols can significantly improve the flexibility of electric power service.By decoupling the control plane and data plane, the controlling function can be separated so that the high efficiency requirement of data network efficiency can be satisfied for State Grid Corporation.
electric power big data; OpenFlow; network model; software defined network
国家电网公司科技项目(网络与信息系统统一模型化管理的研究)。
TM 769
A
1000-7229(2015)03-0043-06
10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.008
2014-09-25
2014-10-26