摘 要： 分析了電力光通信網絡現狀和SDN技術的優勢和特點，指出了目前電力光通信存在的問題，并對SDN技術在電力通信網絡的應用需求和應用場景進行了分析，最后結合電力光通信網絡的特點提出了SDN技術在未來電力光通信網中的應用策略。
0 引言
光纖通信系統在過去幾十年得到了飛速發展，各種器件、設備和組網技術層出不窮，隨著光纖損耗系數的逐步下降，各種光放大技術的成熟和DWDM、OTN等光通信設備的成功商用，使光通信網絡在大容量、長距離傳輸和靈活組網方面得到了飛速的發展，目前光纖通信系統的單信道傳輸速率已經邁入100 Gb/s時代，并正在向400 Gb/s~1 Tb/s發展。隨著業務承載的多樣性和網絡資源靈活分配需求的增強，光纖通信網絡從靜態組網方式向自動交換光網絡（ASON）方向發展。ASON技術實現了控制平面與傳輸平面的分離，容易實現對網絡帶寬的動態分配，同時提高了網絡生存性和可靠性。隨著網絡規模的逐步擴大，網絡結構日益復雜，不同網絡層級間的路由日益復雜，限制了動態資源分配技術在更大網絡范圍的應用，路徑計算單元（PCE）技術實現了網絡集中路由計算和控制功能，解決了復雜網絡中多層多域中的路徑計算與路由自動分配問題。而隨著光通信技術的革命性進展和光網絡承載業務的不斷變化，要求光網絡智能管控層的功能和范圍不斷擴大，傳統的自動交換光網絡架構已經不能滿足這一要求，迫切需要采用新的技術體系來滿足新形勢下的光網絡通信發展需求。
1 SDN技術
SDN即軟件定義網絡，相對于傳統傳輸網絡架構而言，SDN是一種革命性的變革[1]。它將控制功能從傳輸設備中分離出來，將其移入邏輯上獨立的控制環境——網絡控制系統之中。該系統可以在通用的服務器上運行，用戶可隨時、直接進行控制功能編程。因此，控制功能不再局限于設備中，也不再局限于只有設備的生產廠商才能編程和定義。
SDN的設計理念是將網絡的控制平面與數據轉發平面分離，并實現可編程化控制。其關鍵的3大特征是控制面與轉發面分離，進而控制面邏輯集中，在集中基礎上進一步形成開放。其目標是通過軟件可編程方式來優化網絡,其具體的結構如圖1所示。
從圖1可以看出，SDN的主要技術特點體現在如下幾個方面：
⑴ 轉發與控制分離。SDN具有轉發與控制分離的特點，采用SDN控制器實現網絡拓撲的收集、路由的計算、流表的生成及下發、網絡的管理與控制等功能，而網絡層設備僅負責流量的轉發及策略的執行。通過這種方式可使得網絡系統的轉發面和控制面獨立發展。轉發面向通用化、簡單化發展，成本可逐步降低；控制面可向集中化、統一化發展，具有更強的性能和容量。
⑵ 控制邏輯集中。轉發與控制分離之后使得控制面向集中化發展。控制面的集中化使得SDN控制器擁有網絡的全局靜態拓撲、全網的動態轉發表信息、全網的資源利用率和故障狀態等。因此，SDN控制器可實現基于網絡級別的統一管理、控制和優化，更可依托全局拓撲動態轉發信息，幫助實現快速的故障定位和排除，提高運營效率。
⑶ 網絡能力開放。SDN支持網絡能力開放化。通過集中的SDN控制器實現網絡資源的統一管理、整合以及虛擬化后，采用規范化的北向接口為上層應用提供按需分配的網絡資源及服務，進而實現網絡能力開放，打破了現有網絡對業務封閉的問題，實現了突破性的創新。
2 電力光通信網絡現狀分析
電力光通信網為供電局、各級變電站、發電廠等單位提供通信通道基礎服務，服務對象以電力調度、生產、營銷、行政辦公為主。現有電力光通信網絡以SDH/MSTP為主要技術體制，部分地區已采用WDM/OTN技術組網，電力系統網以及省和地區級組網主要選用2.5/10 G SDH或OTN+SDH來構建骨干光傳輸網，接入層及匯聚層容量為155 Mb/s~622 Mb/s。組網方式大多采用普通的SDH 環網方式，環間業務的調度則基本通過大節點間設備的支路轉接來實現。承載業務類型包括EMS電網調度自動化系統、變電站自動化系統、繼電保護和安全自動裝置信息、變電站視頻監控、調度電話、會議電視、管理信息系統、行政電話、辦公自動化等。
由于目前電力光通信網絡設備種類繁多，包括SDH設備、PTN設備、OTN設備等，并且各種設備的組網相對獨立，難以形成有效的統一管理和網絡資源的統一調度，并且各種通信網絡設備的軟件和硬件高度集中，形成相對“封閉”的系統，存在如下不足：
(1) 通信網業務調度能力差，端至端業務配置耗時耗力。需要耗費大量的人工來進行資源的配置和對光網絡的結構重新設計和優化。
(2) 難以對網絡狀態變化做出快速準確的反應,并且系統生存性薄弱。一旦出現故障或遭到惡意攻擊,將會造成全網癱瘓,同時網絡的故障恢復時間長,且需要人工干預,不能實時、動態地改變光網絡的邏輯拓撲結構以適應不斷變化的業務需求。
(3) 網絡的靈活性較差, 端到端業務配置耗時耗力，業務的疏導和匯聚容易出現阻塞，對于承載具有突發特性的數據業務存在先天不足，網絡利用率低，信息服務種類的增加非常困難,嚴重影響了電力通信的全面發展。
（4）網絡的可擴展性不足。隨著環網數量的增加，形成資源瓶頸，網絡擴容和優化的成本高，隨著公司信息化業務需求的不斷增長，跨環大帶寬業務的需求將無法滿足，同時電路調度和環間資源優化將變得十分繁瑣。
因此,如何克服傳統的電力通信光網絡已有的缺陷,并充分利用各種能提高光網絡性價比的新型技術來提高電力通信業務的傳輸性能和網絡的可靠性，是電力通信網發展所面臨的主要問題。
3 SDN技術在電力光通信網絡的應用分析
3.1 應用需求與應用場景分析
光網絡引入SDN技術，主要目的是通過控制與傳送解耦，采用集中控制策略，簡化現有光網絡復雜、私有的控制管理協議，通過開放網絡和應用層接口，提供網絡的可編程能力，滿足未來數據中心光互聯、網絡虛擬化、業務靈活快捷提供、網絡和業務創新等發展需求。智能電網和“三集五大”的建設，以及電力云計算和物聯網等信息通信新技術的應用，推動了傳統電力光通信網絡采用基于SDN技術的新型網絡架構來滿足新形勢下的電力通信業務承載需求。目前SDN技術在電力通信網絡中的應用場景主要有如下幾個方面[2]：
⑴ 電力云數據中心互聯。目前，電力光通信網絡提供數據中心互聯一般采用按照最大峰值配置靜態帶寬的模式。然而，由于數據中心的帶寬需求并非一直處于高峰狀態，因此這種模式造成了網絡帶寬資源的浪費。數據中心互聯的動態性還包括接入點的變化，這要求光網絡實現數據中心之間連接的靈活調度和動態調整。
⑵ 電力骨干通信網絡的統一控制與協同。 隨著寬帶網絡流量的快速增長，擴容成本的增加和電力通信網絡復雜度的日益增加，給電力通信網的運維帶來極大挑戰。SDN技術可以實現光網絡和IP網絡之間的資源優化和協同控制，有效降低路由器的容量需求，打破網絡容量的“瓶頸”，降低網絡綜合承載成本。同時，通過SDN控制器協同，可以實現接入網、骨干網，以及IP網等異構網絡的智能互通和資源聯合調度，提升流量管控能力，提供更智能的管道服務，對于電力業務更為靈活的承載具有重要意義。
⑶ 網絡資源虛擬化。 網絡資源虛擬化可以更好地發揮光網絡基礎設施的優勢，使客戶能夠根據不同業務的應用需求，在保證服務質量的前提下快速有效地接入和控制網絡資源，并使得網絡資源的利用達到最優化。基于網絡虛擬化技術，光網絡可以提供統一的平臺，并為上層應用服務提供開放的業務及控制接口，提供按需調整、開放創新、高效協同的“軟網絡”能力。
3.2 SDN在電力光網絡中的引入策略分析
光網絡由于其物理層特性、集中控制以及面向連接的特性，因此與數據網絡的SDN化不同，光網絡的SDN化有其特點。首先，由于物理層的特性，光網絡本身就具有控制轉發分離的控制架構；其次，在集中控制方面，光網絡已擁有成熟網管、路徑計算單元（PCE）等集中管控系統[3]。并且光網絡具有面向連接的特性，所有業務采用預先配置方式，無須控制器就可根據業務報文即時下發流進行報文轉發，降低了對控制器性能的要求，具有較好的網絡擴展能力。
可以說，光網絡已經具備了部分SDN的特征，這為其向SDN演進奠定了良好的基礎。但是，光網絡設備物理層可編程能力較弱，資源虛擬化和切片實現較困難，使得光網絡引入SDN技術存在一定的難度[4]。 基于光網絡SDN化的特點，光網絡SDN采取的發展演進思路與數據網SDN化有所區別。目前光通信網絡引入SDN技術主要有基于現有光網絡控制平面的增強和直接在光網絡設備上引入OpenFlow協議兩種策略，表1對上述兩種引入策略的優缺點進行了對比分析[5]。
由于目前國家電網公司已經建成完善的一、二、三、四級骨干光纜和10 kV通信接入網，光纜總長度達到約 7 00 000 km，其中，骨干光網絡技術體制以SDH網絡結構為主，以OTN技術和PTN技術組網，部分地區在SDH或OTN網絡上加載了控制平面，接入光纖網絡主要采用EPON技術體制組網[6]。一方面電力通信光網絡已經具備較為龐大的規模，另外，電力通信業務對電力光通信網絡在通信的實時性和網絡的安全穩定性有較高的要求，不適合對現有電力通信光網絡進行大規模升級改造，根據表1分析，采用策略2將會使光通信設備升級改造的難度增大，建議充分利用現有光網絡控制與轉發分離的網絡架構的優勢，采用策略1，基于現有ASON/GMPLS控制平面和集中路徑計算單元PCE技術，通過擴展和增強PCE管控能力和開放北向接口，實現SDN集中控制器，并對上層網絡和應用提供開放可編程應用服務，具體實現如圖2所示。
如圖2所示， SDN控制器可加載在OTN、SDH等傳統的光通信網絡上層。SDN控制器包含了原有PCE控制器路徑計算的全部功能，并且增加了多域協同和將網絡虛擬化的能力。光網絡未來所需要的控制策略、保護協調與流量監控功能將作為SDN控制器的核心模塊存在，快速響應業務的請求并通過控制器高速處理，迅速下發指令，完成網絡的全局優化。通過統一的SDN集中控制器，可以對傳統的各個封閉式的網絡形成有效的統一管理和網絡資源的統一調度。
4 結束語
SDN是一種全新的網絡架構，其集中控制、平面解耦、通用硬件的思想為解決光網絡中的實際問題提供了有益的思路。SDN技術的應用必將成為未來電力光通信網絡的發展趨勢。由于SDN技術目前尚不夠成熟，標準化程度也不夠高，光網絡本身協議復雜設備繁多，光路靈活調節與動態交換技術難度較高，因此SDN在電力光網絡中的應用將是一個漫長的過程，并且電網通信業務對電力光通信網絡的穩定性和安全性有較高要求，因此在實際應用過程中根據目前電力光通信網絡的狀況，應本著循序漸進的原則，先小范圍試點應用后再逐步推廣，最終實現SDN對不同層次的光通信網絡的集中控制功能，實現異構網絡的統一資源管理和調度。利用SDN網絡能力開放化的特點，為電力通信系統的業務層應用擴展提供便捷的服務，從而改善現有的網絡傳輸容量、效率，提供差異化服務，提高網絡的安全性和生存性，為打造更加堅強的數字化電網提供有效的保障。
參考文獻
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