CN104410170A - 一种适用于电力通信sdn技术 - Google Patents

Abstract

本发明是关于设计一种适用于电力通信SDN技术。该技术能够提供IEEE1588B网络优化方案，满足电力系统对同步时间的需求。通过控制器直接收发Announce报文，运行最佳主时钟算法，分析判断各设备的时间优先级，一次性确定主从层次状态；通过控制器下发流表，指定主从时钟之间的路径，强制保证两个方向的通信路径对称。提供业务流向多属性设计，保证部门间数据安全互访，在通信网络平台化的基础上，通过共享底层终端的方式实现部门之间的数据共享。

Description

一种适用于电力通信SDN技术

技术领域

本发明涉及的是电力通信技术领域，特别是指智能电网信息通信技术(Information Communication Technology，ICT)融合发展，一种适用于电力通信的软件定义网络(Software Definition Network，SDN)技术。 

背景技术

一种适用于电力通信的SDN网络，就是将传统的电力传输网与SDN网络相结合。以支撑电力传输网是要实现“电力流，业务流，信息流”深度融合。电力信息通信技术在智能电网建设中的定位是网络平台化、综合业务承载方向。由于电力系统生产流程的独立性及信息安全分区的需要，在实现ICT平台化过程中，电力信息通信网络必须具备一定程度的专有性，达到信息安全隔离及资源的基本保障，电力各个业务系统只有在获得对信息通信网络的控制前提下，才能真正将其业务与通信深度融合，进一步促进ICT平台化。 

SDN网络架构，由于其具有集中控制和网络虚拟化两大特征，适合电力通信网络向ICT方向的演进：1)集中控制，逻辑上集中的控制能够支持获得网络的全局信息并根据业务需求进行资源的全局调配和优化；2)网络虚拟化，通过南向接口的统一和开放，屏蔽了底层物理转发设备的差异，实现了底层网络对上层应用的透明化，各业务系统逻辑网络可以根据业务需要进行配置、迁移，同时，底层网络还支持多用户共享，支持不同用户的网络定制需求。 

发明内容

当前的SDN网络架构，具有集中控制和网络虚拟化两大特征，适合电力通信网络与SDN网络的融合。本发明所要解决的技术问题是SDN网络架构用于电力通信时结合电力业务用到的技术。 

由于电力业务的特殊性(主要是承载物物之间业务的工业控制特性)，SDN网络架构应用于电路通信时需要结合电力业务的特色进行二次开发，即把SDN相关技术(包括转发平面、控制平面及北向应用程序接口设计等)与电力业务进行融合，使得电网专有化。本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：提供IEEE1588B网络优化方案，以满足电力系统时间和实时性技术、业务流向多属性技术。 

S1：集中控制，使得整个通信网络中所要转发的Announce报文(通告时钟消息)，通过控制器集中收发，而不再是传统网络中各终端设备单独接收Announce报文，在分别运行最佳主时钟算法(Best Master Clock，BMC)，比较各个主时钟参数，以确定最佳主时钟参数的接收端口。通过控制平面中的控制器，集中收发Announce报文，把“分布式”的主从层次确定模式转换为“集中式”主从层次确认模式。在时间同步过程中，当通信路径对称时，可用平均路径时延计算单向路径，而在通信路径不对称时，IEEE1588B协议无法测量延迟不对称性。主从同步路径对称机制SDN优化技术，通过控制器下发流表，指定主时钟与从时钟之间的路径，强制保证两个方向上的通信路径对称，同时，对于排队时延的不确定性，可以通过在SDN数据转发平面为IEEE1588B协议的流量预留资源的方式解决，如预留交换机的缓存及端口资源，保正流量的优先调度。控制器的集中控制能够使得整个网络中时钟同步，使得IEEE1588B协议在通信路径在不对称的情况，计算路径延迟时间，以此实现与预期相一致的时间同步精度。 

S2：网络虚拟化，通过南向接口的统一和开放，屏蔽底层物理转发设备的差异，实现底层网络对上层应用的透明化，各用户逻辑网络可以根据业务需要进行配置、迁移，不再受具体设备物理位置的限制，同时，底层网络还支持多用户共享，支持不同用户的网络定制需求，解决ICT平台化和专有化之间的矛盾。提供 业务流向多属性设计，保证用户(业务部门)间数据安全互访，在通信网络平台化的基础上，通过共享底层终端的方式实现用户之间的数据共享。业务的多属性设计，使得不同用户之间业务的隔离与互通，虚拟局域网(Virtual Local Access Network，VLAN)多属性，多维VLAN，扩展的IEEE802.1Q协议，使得业务流具备不同用户的业务属性。实现业务流向多属性设计，通过在SDN控制器中开发“终端多归属组件”，用于区分不同用户终端。其中组件包括终端归属的用户VLAN ID及可共享用户的VLAN ID(以VLAN ID区分不同的用户)，甚至还可以深入到只能共享终端的某一类业务，保障了用户之间信息的安全性。 

本发明内容使得SDN技术应用于电力通信网络，能够提供IEEE1588B网络优化，提高电力系统的同步技术，特别是在通信路径不等称的情况。并且通过共享底层终端的方式实现用户之间数据共享，提高系统终端数据的效率。 

附图说明

图1SDN网络与电力通信的融合 

图2IEEE1588数据包的退避时间 

图3终端归属管理表 

图4多属性的VLAN 

图5多维VLAN的数据帧格式 

具体实施方式

本发明涉及的是一种适用于电力通信的SDN，将SDN网络与电力通信融合，实现了数据平面和转发平面的分离。优化了网络资源，提高整个通信网络的性能。 

下面将结合发明实施例公开的附图，对本发明的技术要点方案更为进一步 的描述与分析： 

本发明的基本思路如下： 

在传统电力通信网络中的各个设备可能参考不同的事件源，在执行时钟同步之前，需要确定整个域的主从关系。各时钟设备接收到Announce消息，分别运行最佳主时钟算法，各自比较主时钟参数，确定主时钟参数，最终确定各个端口的主从状态，从而确定整个域的主从关系。 

本发明中，SDN网络把“分布式”的主从层次确定模式转换为“集中式”主从层次模式。由控制器接受各转发设备的Announce报文，利用BMC算法，分析、比较、确认各设备的时钟优先级，确定各端口状态(主端口/从端口/被动端口)，再下发到转发设备(时钟设备)，实现时钟设备可视化管理，免去繁琐的人工配制。通过多次比较、策略下发、反馈达到收敛状态，在控制器内设定快速收敛算法，一次性确定最佳主从层次状态。 

在时间同步过程中，当通信路径对称时，两个方向上的路径延迟时间是一致的(不考虑排队时延)，此时平均路径延时可以用于单向路径延迟的计算。当通信路径不对称时，两个方向上的路径延迟时间不一致。此时单向的路径延迟需要在平均路径延迟上进行不对称修正。1588协议无法测量延迟不对称性，只能通过其他手段测量并提供给协议。同时，在复杂的系统中，通常存在不支持精确时间同步协议(Precision Time Protocol，PTP)的网络节点，这些设备通常会引起较大的延时和延时波动，无法实现预期的同步精度。 

如图2所示，t时刻数据包P_χ到达,P_χ的优先级高于其他所有包，但是要等待系统一个确定的T_退避时间才发送数据包。 

其中： 

T_退避时间＝Max{P_A，P_B，P_C，……}/本机端口发送速率 

T_退避时间取固定值，假定为： 

取数据包A的包长加上一个固定的δ值，发送速率取为100Mbps，这样就可以确定出T_退避时间，当退避时间选定后，就相当于设置了一个退避计时器。若检测到信道空闲，退避计时器就开始倒计时，如果信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲，再从剩余时间开始继续倒计时。如果退避计时器的时间减小到零时，就开始发送整个数据包。 

可以在SDN控制器中设置一个计数器Counter，将Counter的初值设定成退避时间，做计数用。程序伪代码如下： 

数据帧转发时还存在抖动时延，因此，还必须确定各数据帧转发时的抖动时延，进而确定整个数据帧的转发时延。 

$\mathrm{Jitter}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{hop}\_\mathrm{jitter}\left(i\right)$

hop+jitter(i)＝晶振的稳定值*T_退避时间

其中hop_jitter(i)表示第i个交换机的跳转时延。n表示跳转的次数 

在集中控制器中可以设定控制器下发流表，指定主时钟与从时钟之间的路径，强制保证两个方向上的通信路径对称，从而确定路径优化经过交换队列的时间。同时，通过确定数据转发的时延，使得SDN网络从确定路径和转发时延两个 方面对IEEE1588B协议进行优化。 

在通信网络平台化的基础上，可以通过共享底层终端的方式实现用户之间的数据共享，提高系统调度终端数据的效率，同时降低主站服务器的压力。在SDN控制器中开发“终端多归属组件”的转发表，如图3所示。终端IP，表示终端设备的IP地址，用于确定目的地址；归属VLAN ID，表示所属通信层的标签；共享用户VLAN ID，表示所需共享的VLAN标签号；共享信息类别，表示所需共享信息的种类，类别。 

电力系统中存在大量多属性的业务，比如终端变压器关口表采集的数据信息一方面要送达营销部门，另一方面要送达配电自动化部门，因此，该数据帧必须具备两个部门的属性，通过SDN网络分别对两个部门的业务打上VLAN标记，营销部门数据包VLAN1，自动化部门数据包VLAN2，因此关口表采集的数据信息都要具有VLAN1和VLAN2，如图4所示，这就是提出的多维VLAN。因为是多维VLAN的设计，因此多维VLAN的数据帧格式是在802.3Q帧格式的基础上，加以改变。如图5所示，VLAN标记的前两个字节总是设置为0x8101(即二进制10000001 00000001)称为多维VLAN标记类型。当数据链路层检测到MAC帧的源地址段后两字节为0x8101时，就知道插入了4字节的VLAN标记。标记类型后两个字节中，前三位是用户优先级字段，接着是一位的规范格式符(Canonical Format Indicator，CFI)，第五位是标志(FLAG)位，FLAG＝1表示后面还有VLAN Tag，FLAG＝0，表示该VLAN后面没有VLAN,也是多维VLAN结束的标志。最后的11位是VLAN标识符(VLAN，ID)，唯一地标志以太网帧属于哪一个VLAN。 

Claims (6)

1.一种适用于电力通信系统的SDN技术，是在电力通信ICT背景下提出的，对应于电力业务的业务应用层、业务承载控制层、业务承载层的三层结构，SDN为其部署业务层、管理控制层及数据转发层三层通信网络结构，实现业务信息与通信的深度交互，使得电力信息通信网络朝向ICT方向发展。其特征在于：能够提供IEEE1588B网络优化方案，以满足电力系统时间和实时性技术，所述网络优化方案包括同步系统主从层次确定(BMC算法)机制SDN优化技术和同步路径对称机制SDN优化技术。

2.如权利要求书1所述的适用于电力通信系统的SDN技术，其特征在于：同步系统主从层次确定机制SDN优化技术，通过控制器接收各转发设备的Announce报文，收集各时钟同步设备状态信息，把“分布式”的主从层次确定模式转换为“集中式”主从层次确认模式。主从同步路径对称机制SDN优化技术，通过控制器下发流表，指定主时钟与从时钟之间的路径，强制保证两个方向上的通信路径对称，同时，对于排队时延的不确定性，可以通过在SDN数据转发平面为IEEE1588B协议的流量预留资源的方式解决，如预留交换机的缓存及端口资源，保正流量的优先调度。

3.如权利要求书1所述的适用于电力通信SDN技术，其特征在于：通过SDN网络，优化IEEE1588B协议，确定最小的转发时延。转发时延包括：交换机内部发送退避时间，各转发设备的本振时延。通过SDN控制器确定最短的转发路径以及本振精度高的交换机，从而实现对IEEE1588B的优化。

4.如权利要求书1所述的适用于电力通信SDN技术，其特征在于：能够提供业务流向多属性设计，保证不同用户间数据安全互访，在通信网络平台化的基础上，可以通过共享底层终端的方式实现不同用户之间的数据共享。

5.如权利要求书6所述的适用于电力通信SDN技术，其特征在于：业务的多属性设计，使得不同用户之间业务的隔离与互通，VLAN多属性，多维VLAN，扩展的IEEE802.1Q协议，使得业务流具备不同用户的业务属性。

6.如权利要求书6所述的适用于电力通信SDN技术，其特征在于：实现业务流向多属性设计，通过在SDN控制器中开发“终端多归属组件”，用于区分不同用户终端，其中组件包括终端归属的用户VLAN ID及可共享用户的VLANID(以VLAN ID区分不同的用户)。