电力数据通信网的SDN部署应用研究

陈光　马伟哲　程硕　冯宇　李蒙

摘  要：电力数据通信网是基于MPLS VPN技术构建的，在传统网络设备的运行维护方式下，存在着业务配置过程烦琐、业务流量调度不灵活、业务性能指标无可视化监控等问题。随着网络技术的发展以及SDN等新技术的应用，有效解决了传统网络中存在的运行维护问题，极大地提升了运维效率。文章对电力数据通信网的现状和SDN技术特点进行分析，提出在电力数据通信网中部署及应用SDN的方法。

关键词：电力数据通信网;MPLS VPN;SDN

中图分类号：TN915                    文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）20-0055-05

Research on SDN Deployment and Application of Power Data Communication Network

CHEN Guang， MA Weizhe， CHENG Shuo， FENG Yu， LI Meng

（Information and Communication Branch of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.， Ltd.， Shenyang  110055， China）

Abstract： The power data communication network is constructed based on MPLS VPN technology. Under the operation and maintenance mode of traditional network equipments， there are some problems， such as cumbersome business configuration process， inflexible business traffic scheduling， and no visual monitoring of business performance indicators. With the development of network technology and the application of new technologies such as SDN， the operation and maintenance problems existing in the traditional network are effectively solved， and the operation and maintenance efficiency is greatly improved. This paper analyzes the current situation of power data communication network and the characteristics of SDN technology， and puts forward the method of deploying and applying SDN in power data communication network.

Keywords： power data communication network; MPLS VPN; SDN

0  引  言

电力数据通信网是国家电网公司一张承载语音、视频、数据等各类管理信息业务综合性网络，具有覆盖范围广、设备数量多、设备品牌多、設备新旧程度不一等特点。电力数据通信网是基于MPLS-VPN技术构建，随着电力数据通信网多年的建设，形成了一张覆盖国网公司各级机构，用于承载公司三、四区管理信息大区各类业务的综合性网络，实现了电力系统数据通信的全网互联互通。

电力数据通信网总体由两级网络构成，即数据通信骨干网和数据通信接入网。其中骨干网又分为省际网和省内网，省际网由国网公司进行运维管理，省内网和接入网由省公司进行运维管理。数据中心、信息、视频、语音等业务局域网由各业务部门进行运维管理，接入在数据通信网接入网中。电力数据通信网网络结构如图1所示。

传统数据通信网络是分布式的控制架构，每台网络设备自身都包含独立的控制平面和数据平面。传统数据通信网络由管理平面、控制平面、数据平面共三个平面组成：

（1）管理平面：进行设备管理（主要协议：SNMP）

主要包括设备管理系统和业务管理系统，设备管理系统负责网络拓扑、设备接口、设备特性的管理，同时可以给设备下发配置脚本。业务管理系统用于对业务进行管理，比如业务性能监控、业务告警管理等。

（2）控制平面：进行路由控制（主要协议：IGP、BGP（EGP））。主要负责网络控制，进行路由协议处理与计算。常见的IGP路由协议如：ISIS、OSPF、BGP、RIP、静态路由等，通过路由协议完成路由信息的计算和路由表的生成，实现对网络数据转发的控制。

（3）数据平面：进行数据转发（主要协议：转发表FIB）。是指设备根据控制平面生成的指令完成用户业务的转发和处理。例如路由器根据路由协议生成的路由表对接收的数据包从相应的出接口转发出去。

传统网络局限性主要有：

（1）流量路径的灵活调整能力不足。传统网络通常部署网管系统作为管理平面，而控制平面和数据平面分布在每个设备上运行。流量路径的调整需要通过在网元上配置流量策略来实现，但对于大型网络的流量进行调整，不仅烦琐而且还很容易出现故障;当然也可以通过部署TE隧道来实现流量调整，但由于TE隧道的复杂性，对于维护人员的技能要求很高。

（2）网络协议实现复杂，运维难度较大。传统网络协议较复杂，有IGP、BGP、MPLS、组播协议等，而且还在不断增加。设备厂家除标准协议外都有一些私有协议扩展，不仅设备操作命令繁多，而且不同厂家设备操作界面差异较大，运维复杂。

（3）网络新业务升级速度较慢。传统网络中由于设备的控制面是封闭式的，且不同厂家设备实现机制也可能有所不同，所以一种新功能的部署可能会造成周期较长，且如果需要对设备软件进行升级，还需要在每台设备上进行操作，大大降低了工作效率。

1  SDN技术

1.1  SDN技术介绍

SDN可以被看作一种全新的网络结构，或者说是一种网络设计理念。从另一种意义上说，SDN是思考和解决当前网络所面临的问题的方法，代表着人们对网络变革的期盼[1]。

软件定义网络（SDN）是一种网络虚拟化和容器化的方法，致力于优化网络资源，使网络快速适应不断变化的业务需求、应用程序和流量。它的工作方法是分离网络的控制平面和数据平面，创建与物理设备不同的软件可编程基础架构。

借助SDN，网络编排、管理、分析和自动化成为SD控制器的工作职能。由于这些控制器不属于网络设备，因此它们可以利用现代云计算和存储资源的规模、性能和可用性。SDN 控制器越来越多地建立在开放平台之上，采用开放标准和开放式API，使它们能够编排、管理和控制来自不同供应商的网络设备。

SDN带来诸多业务优势。控制层和传输层的分离，提高了灵活性并加快了新应用程序的上市时间。能够更快地应对问题和故障，从而提高了网络可用性。此外，可编程性更便于 IT 组织实现网络功能的自动化，进而降低运维成本。

SDN可以和另一项技术（即网络功能虚拟化（NFV））紧密结合。NFV提供了虚拟化基于设备的网络功能的能力，例如防火墙、负载平衡器和WAN加速器。SDN提供的集中化控制可以有效管理和编排NFV支持的虚拟网络功能[2]。

1.2  SDN的优势

1.2.1  简化网络

SDN的网络架构简化了网络，消除了很多IETF的协议。协议的去除，意味着学习成本的下降，运行维护成本下降，业务部署快速提升。这个价值主要得益于SDN网络架构下的网络集中控制和转控分离。

因为SDN网络架构下的网络集中控制，所以被SDN控制器所控制的网络内部很多协议基本就不需要了，比如RSVP协议、LDP协议、MBGP协议、PIM组播协议等等。原因是网络内部的路径计算和建立全部在控制器完成，控制器计算出流表，直接下发给转发器就可以了，并不需要协议。未来大量传统的东西向协议会消失，而南北向控制协议比如Openflow协议则会不断地演进来满足SDN网络架构需求[3]。

1.2.2  网络设备白牌化

基于SDN架构，如果标准化了控制器和转发器之间的接口，比如OpenFlow协议逐渐成熟，那么网络设备的白牌化将成为可能，比如专门的OpenFlow转发芯片供应商，控制器厂商等，这也正是所谓的系统从垂直集成开发走向水平集成。

垂直集成是一个厂家供应从软件到硬件到服务。水平集成则是把系统水平分工，每个厂家都完成产品的一个部件，有的集成商把他们集成起来销售。水平分工有利于系统各个部分的独立演进和更新，快速进化，促进竞争，促进各个部件的采购价格的下降。

1.2.3  业务自动化

SDN网络架构下，由于整个网络归属控制器控制，那么网络业务网自动化就是理所当然的，不需要另外的系统进行配置分解。在SDN网络架构下，SDN控制器可以自己完成网络业务部署，提供各种网络服务，比如L2VPN、L3VPN等，屏蔽网络内部细节，提供网络业务自动化能力。

1.2.4  网络路径流量优化

通常传统网络的路径选择依据是通过路由协议计算出的“最优”路径，但结果可能会导致“最优”路径上流量拥塞，其他非“最优”路径空闲。当采用SDN网络架构时，SDN控制器可以根据网络流量状态智能调整网络流量路径，提升网络利用率[4]。

2  SDN在电力数据通信网中应用

由于电力数据通信网全网设备覆盖广、数量大、品牌多、新旧不一的特点，要实现电力数据通信网SDN化，需要分区域逐步去改造部署SDN网络，然后最终通过统一部署超级SDN控制器，实现电力数据通信网全网SDN。从网络结构和业务结构出发，电力数据通信网的改造过程主要可以分为以下3个阶段。

2.1  电力数据通信网业务局域网SD-WAN

相比于电力数据通信网广域网，各省视频、信息、语音、数据中心等业务局域网的设备数量规模相对较少，品牌较为单一，进行SDN改造部署的难度较低，所以可以优先从業务局域网开始进行SDN的改造工作。

以数据中心局域网为例，在进行SDN改造时，可以将数据中心CE及以下的网络设备进行统一的改造更换，更换为同一厂商的SDN网络设备，同时部署一套SDN网络控制器。这样就可以在数据中心中实现网络的灵活调度，有利于虚拟机的迁移以及业务应用的保障。同时对于本地数据中心间的互联互通，可以利用SDN实现对MPLS专网和传输专线通道进行灵活调度，实现SD-WAN[5]。

如图2所示，省内数据中心有2个不同地点的网络区域A区和B区，A区和B区的网络设备为同一厂商。在A区和B区各部署一套SDN控制器形成主备冗余，对数据中心的网络设备进行控制。通过SDN控制器对网络设备进行业务配置下发和业务流量调度，并可以通过开通VXLAN隧道实现虚拟机跨区域灵活部署。针对数据中心间的业务互通的出口通道，通过SDN控制器可以对MPLS专网线路和传输专线线路进行流量的调度调优。

2.2  电力数据通信网广域网SDN

电力数据通信网广域网存在覆盖范围广，设备数量、品牌多的特点，而且设备管理范围主要涉及总部和省公司。所以对于电力数据通信网广域网SDN的改造也需要根据管理区域分别去逐步完成。

2.2.1  电力数据通信网省际网

电力数据通信网省际网覆盖到各省公司及第二汇聚点，是各省电力数据通信网广域网的出口设备。由于电力数据通信网省际网为总部管理设备，由总部统一进行SDN的改造，改造完成后，总部可以对省际网设备进行SDN统一控制管理，而且可以在总部数据中心及各省间灵活开通、调度数据业务。

如图3所示，在两个总部数据中心分别部署一套SDN控制器形成冗余，对电力数据通信网省际网的设备进行配置下发以及业务流量调度。若各省之间或各省与数据中心间有业务互通需求，可以通过SDN控制器灵活开通业务通道。

2.2.2  电力数据通信网省内网和接入网

电力数据通信网省内网和接入网主要由省公司统一管理，进行SDN改造主要问题是地市接入网的设备量大，而且品牌不统一。在进行SDN改造时需要对全省的设备进行统一规划，包括SDN控制器的部署方式，各地市接入网设备的SDN改造过度方法。

如图上图所示，省内SDN改造需要统筹省内设备品牌情况，设备主要由A、B、C三个品牌组成，省内网设备均为A品牌、地市1接入网主要为A品牌、地市2接入网主要为B品牌、地市3接入网主要为C品牌、地市4接入网主要为B品牌。在进行SDN控制器部署时，需要在省内网核心节点以及第二汇聚点分别各部署一套A、B、C品牌的SDN控制器，形成冗余配置，实现对全省电力数据通信网A、B、C品牌设备的统一控制。地市接入网在进行SDN改造时，逐步将设备改造为本地市的同一品牌，方便SDN控制管理。如图所示完成SDN部署后，可以实现省内跨地市互通业务以及地市接入网内互通业务的快速配置和流量调度。

2.3  部署超级SDN控制器以实现全网SDN

经过逐步改造后，业务局域网、接入网、省内网、省际网可以分区域进行SDN控制器部署，然后最终总部统一部署超级SDN控制器，将电力数据通信网各层级的SDN控制器进行统一控制，实现电力数据通信网的全网SDN化。

如图5所示，在电力数据通信网业务局域网、省内网、省际网分别完成SDN部署，实现区域网络的SDN控制后，通过在总部部署超级SDN控制器，对电力数据通信网全网各层级网络的SDN控制器进行统一管理控制，形成全网SDN统一，从而达到通过超级控制器实现电力数据通信网全网的SDN化控制。

可以看出，通过分层进行SDN改造的方式，可以将电力数据通信网设备覆盖范围广、数量大、品牌多等因素帶来的SDN改造困难进行分解降低，以形成实现SDN改造优化落地的实施过程方案。

3  结  论

通过本文的研究，可以了解到目前电力数据通信网整体的网络结构以及眼前所面对的短板问题。通过部署SDN进行网络改造可以实现电力数据通信网的优化提升，提高网络运行效率。结合着网络实际情况，本文对提出了通过逐步分层改造的方式，对业务局域网、省内网和接入网、省际网分区域分层进行SDN改造部署，先实现区域性的SDN网络应用;然后再通过统一部署SDN超级控制器来实现对全网电力数据通信网各层级SDN控制器的管理，从而实现最终全网SDN可控的网络。通过这种方式进行SDN部署应用，在解决传统网络局限性的同时，降低了电力数据通信网品牌多、范围广、数量大的所带来的改造难度，具有很强的可行性，对电力数据通信网的SDN化改造具有指导意义。

参考文献：

[1] 孙奇.SD-WAN 架构与技术 [M].北京：人民邮电出版社，2019.

[2] 向敏，饶华阳，张进进，等.基于图卷积神经网络的软件定义电力通信网络路由控制策略 [J].电子与信息学报，2021，43（2）：388-395.

[3] 闫长江，吴东君，熊怡.SDN原理解析 [M].北京：人民邮电出版社，2016：240.

[4] 曲清茹.基于SDN的广域网BGP流量调度的设计与实现 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

[5] 李德伟.云架构下的SD-WAN技术探讨 [J].通讯世界，2020，27（2）：13-14.

作者简介：陈光（1990—），男，汉族，辽宁沈阳人，工程师，本科，研究方向：通信工程;

马伟哲（1983—），男，满族，辽宁本溪人，副高级工程师，本科，研究方向：通信工程;

程硕（1986—），男，汉族，辽宁锦州人，副高级工程师，本科，研究方向：通信工程;

冯宇（1990—），男，汉族，湖北黄冈人，工程师，硕士研究生，研究方向：电力通信技术;

李蒙（1995—），男，汉族，辽宁沈阳市，助理工程师，硕士研究生，研究方向：通信与信息系统。