面向电力业务的“IP数据网光传输网”协同统一控制技术

网集中式统•控制架构以及业务协同控制机制，以实现电力IP网络与光传输网的高效协同。并在IP与光传输

网统一控制架构儿 基于OpenFlow协议提出IP层流表与光层流表汇聚映射算法，设计IP网络与光传输网的

统一控制交互机制，提高电力IP网络与光传输网对业务的高效支撑能力。关键词：智能电网；1P与光传输网；协同统一控制；软件定义网络；OpenFlow中图分类号：TN929.1文献标识码：Adoi: 10.11959/j.issn.l 000-0801.2019046Coordinated and unified control technology of IP and optical transport network for power servicesWANG Dongshan1, MA Yue2, LI Yan1, GAO Jian1, YIN Zhibin11. Beijing Smartchip Microelectr onics Techno logy Co., Ltd., Beijing 102200, China2. State Grid Jibei Electric Power Company, Beijing 100053, ChinaAbstract: Based on the advantages of centralized, open and manageable of SDN (software defined networking)

technology, a centralized unified control architecture and service coordination control mechanism of IP and optical transport networks for power services was proposed to realize power IP and optical transport network. Under the uni­

fied control architecture of IP and optical transport network, the IP layer flow table and optical layer flow table con­vergence mapping algorithm were proposed based on OpenFlow protocol, and the unified control interaction mecha­

nism between IP and optical transport network was designed to improve power IP and optical transport network. Therefore, the support ability of IP and optical networks to power services can be greatly improved.Key words: smart power grid, IP and optical transport network, coordinated and unified control, software defined

networking, OpenFlow收稿日期：2018-09-12；修回日期：2019-02-28基金项目：国家电网公司总部科技项目(No.546816180006)Foundation Item: The Science and Technology Project of State Grid Corporation of China (No.546816180006)2019046-1-117 •电信科学2019年第3期1引言能源互联网和智能电网的新发展不断推进电 力信息通信网络的技术创新与演进，强化对能源

IP网络与光传输网的统一控制交互机制。仿真验 证表明，本文所提出的IP网络与光传输网的统一控 制交互机制，能够更好地支撑智能电网通信业务。互联网以及智能电网安全稳定运行的支撑与保 障。随着电力1P数据网与光传输网容量和规模的

2电力业务“IP数据网+光传输网”统一

控制需求能源互联网快速发展的趋势，必然要求电力

不断扩大，海量的智能电网业务对电力通信网络 的承载能力提出了更高的要求。电力业务动态实

信息通信网络满足业务多样化、覆盖范围广的要 求，以实现对电网“输一变一配一用”全业务流

时性和业务多样性使得电力IP数据网与光传输网

的管控机制不断面临新挑战。程和全业务创新应用的支持。电力通信业务主要

能源互联网发展的新趋势下，电力信息通信 分为生产类业务和管理类业务，其中生产类业务 主要包括线路继电保护、安稳系统、广域相量测

新业务日益多样化和复杂化，海量终端的接入、 多业务差异化处理以及电网数据广域传输等对传 统的电力IP数据网和光传输网提出了更高的要

量系统调度自动系统等业务类型；管理类业务主 要包括行政电话、办公信息系统、视频会议系统、

求。在当前电力通信网络架构中，基于分组交换 的1P数据网和基于电路交换的光传输网的交换 机制和组网模式有本质不同。这使得电力IP数据

调度管理信息系统等业务。根据电力业务的特点 和需求，电力业务对其光传输网的可靠性有着严

格的要求，而多业务之间由于特性不同对网络时 延与带宽要求也存在明显的差异。当前的电力通信网络中，1P数据网与光传输

网与光传输网Z间相对独立，而IP数据网需要光

传输网提供大容量的传输通道，光传输网也需要

IP数据网充分髙效地利用其网络资源以实现对业

务的高实时性和咼灵活性。为了支持电网端到端 数据业务的动态按需建立和灵活资源调度，光传

网之间相互独立且分离，难以互联互通，这导致 电力业务IP数据网的路由算法未能充分考虑光传 输网状态参数，而是依赖传统的网络规划和配置 方法实现静态路由。在IP数据网与光传输网之间

输网和IP数据网的互通与融合成为亟待解决的 问题。的业务颗粒度差异较大的情况下，传统静态路由 不能实时获知光传输网状态，而光传输网难以适 配IP层的业务类型与需求，造成电力业务与其 通信网络系统匹配度差，严重影响了电力通信 业务量。SDN作为一种基于软件定义思想的开放式网 络架构及技术体系，其核心在于网络节点的控制

与转发功能相互分离，数据层设备只保留简单的 转发功能山讥通过控制器对网络的集中化控制， 能实现底层物理网络对上层网络应用的开放透

因此，电力通信网络IP层与光层迫切需要统

明件讥得益于灵活、高效、可编程的技术优势，

一控制，通过信令协议交互实现IP数据网与光传

SDN可以实现网络的智能化控制〔\"I。基于SDN 技术集中开放和可管可控的特点，本文提出了一 种面向电力业务的IP数据网与光传输网统一控制 架构以及业务协同控制机制，以实现电力1P数据

输网的协同运行。通过统一控制及两层协议信令 的互通，不但使IP层可以根据获取到的光传输网 状态进行路由计算，并使光层可以根据IP层各种

业务的需求动态建立光路。根据电力业务的需求,

网与光传输网的高效协同；并在IP数据网与光传 输网统一控制架构下，基于OpenFlow协议设计了

通过对IP业务流的汇聚，优化光传输网对业务的

高效承载，切实提高IP层与光层的网络资源利用

2019046-2电力信息化专栏• 118 •率。在统•控制架构下，整个电力光传输网得以

行交互⑷。基于IP层与光层统一控制架构可以 使得“1P数据网+光传输网”控制实现高效的可

实现面向业务的智能的动态控制，即通过智能控

制平面统•控制IP层路由及光层光路建立，保障 及优化电力通信系统的业务质量以及对新业务的 扩展支持。编程化，并实现“IP数据网+光传输网”的全局

视图控制，优化全网资源适配以提供有保证的 动态端到端的服务。基于OpenFlow的IP数据网与光传输网统

3电力业务“IP数据网+光传输网”集中

控制总体架构基于SDN技术开放统一的控制核心理念， 本文提出【P数据网和光传输网深度融合的“IP

一控制的网络架构中，底层数据平面采用光传 送网承载IP业务的方式，控制层为基于

OpenFlow协议的统一控制器。统一控制器负责 为业务连接请求进行IP路由和光通路的控制以

数据网+光传输网”网络协作统一控制架构⑶。

及IP资源及传输资源的统一调度和控制。统一

“IP数据网+光传输网”的统•集中控制架构如

图1所示，主要由包含IP层网络和光传输网的

控制器从IP路由器与光交换机实时采集各种节 点和链路状态信息、结合业务连接的需求，实 现路由计算和控制策略制定，为业务连接请求

底层数据平面、统一控制器和应用平面组成， 并且控制器通过北向可编程应用接口提供应用

分配资源提供服务。业务服务，并通过南向接口与底层数据平面进 统•控制器通过与IP网络和光传输网中所

I I:管：:理1网络元素一网络元素.SDN数据通路CDPI代理SDN数据通路CDP1代理元素安装转发引擊-或 处理函数.转发引擎-或 处理函数.+ ： —个或多个实例*：零个或多个实例图1 “IP数据网+光传输网”集中控制体系架构2019046-3-119 •电信科学2019年第3期连接农龙义在交换机中，电路交换流农包括端口、 波长、虚拟接口、信号及时间片。控制器根据光

有节点建立的控制逻辑通道连接获取整个网络

节点资源状态和拓扑信息，通过1P层与光层的 互通和交耳，进行统一的资源分配用I协同控制。

传输网的交换粒度，将一条波长级别或子波长级 别的光通道视作一条业务流；根据IP层业务流的 来源和去向，结合业务流对带宽的需求和优先级

基J' OpenFlow协议的IP层打光层集屮控制架 构使整个网络的控制具备可编程功能和网络虚

拟化抽象，实现对应用程序和网络业务的高效 优化。进行IP业务流聚合，以便于通过光通道传输。4.2 “ IP数据网+光传输网”统一控制流程“IP数据网+光传输网”统一控制主要完成由

4 “IP数据网+光传输网”统一控制方法4.1

用户请求驱动的优化通路的搭建与拆除，与光传 送网的资源统一控制，提供和光传送网的融合协

“IP数据网+光传输网”统一控制的流表汇聚

基于OpenFlow的“IP数据网+光传输网”主

调的、统•端到端连接服务，如图2所示。利用实时利用率和拓扑数据，然后应用算

要通过统•的流表机制实现对IP层与光层网络的 集中控制。因此需要分别对IP层与光层定义不同

法根据现在网络状态和工作负载以及限制来计 算新的网络状态以确定最佳的网络拓扑结构， 并分配最合适的资源来满足所有关联的需求。

粒度的流表，由控制器通过1P层交换流表和光层

交换流表的协同汇聚映射以实现“1P数据网+光传

输网”的高效统-控制。基J ' OpenFlow的IP与光传送网的统一控制

策略创建时优先满足明确的工作负载需求，如

带宽、时延和隔离，然后OpenFlow将路径信息 写入交换机。需要实现分组交换和电路交换的融合统•控制， 通过OpenFlow定义的两种流表，即IP层流表和 光层流表的形式实现。一个基本的电路交换交叉

“1P数据网+光传输网”统-控制器支持 OpenFlow节点间的信号过程引进确认消息，光节

2019046-4电力信息化专栏-120 •点根据流条目自动完成本地配置后能自动通知统 是因为业务连接请求的数量和光传输网的规模增 大，统一协同控制机制能够支持业务连接的快速开 通，随着涉及的节点数增多，实时性优势更为明显。一控制平台一个确认消息。“IP数据网+光传输网” 统一控制平台收集了足够的确认消息后再将流条

目插入原节点中，传输光层粒度信息。5验证分析针对软件定义的电力通信网业务感知的流量 调度机制进行仿真分析。仿真环境采用NS2网络

仿真软件构建，网络结构参照典型的NSFnet

(national science foundation net)的拓扑，网络规

模为包含32个节点和41条光链路的电力业务1P 数据网与光传输网，包括16台支持0penFlow的

0

0.2 0.4

负载/Erl0.6 0 8 1.0IP交换机以及16个光交换节点。每台IP交换机

产生的数据流可以分成两个部分：稳定的业务流 采用泊松分布模拟；突发业务流采用随机分布模

图4业务连接建立平均时延比较6结束语为了满足智能电网业务对电力业务的IP数据

拟。光交换节点带宽是10 GHz, IP交换机的链路 带宽是100 MHzo对不同业务连接的阻塞率及端

网和光传输网提出的协同控制要求，本文提出了 面向电力业务的“IP数据网+光传输网”集中式统

到端时延进行仿真分析。在电力业务“IP数据网+光传输网”系统中分

—控制架构以及业务协同控制机制，以实现电力

别采用本文机制与传统机制进行仿真比较，对比 结果如图3和图4所示。其中，Case_ 1和Case_2

IP数据网与光传输网的高效协同。并在1P与光传 输网统一控制架构下，基于OpenFlow协议提出

分别对应8个波长条件下的传统机制和本文机制，

IP层流表与光层流表汇聚映射方法以及协同控制

流程。仿真验证表明，本文所提出的IP网络与光

Case_3和Case_4则为16个波长配置下的传统机

制和本文机制。传输网的统一控制交互机制，能够更好地支撑智 能电网通信业务。参考文献：[1] 华楠，郑小平.智1能光网络发展历程的冋顾和展望：从

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nication Conference and Exposition and the National Fiber Op­

业务负载规模对连接建立时延的影响对比如

tic Engineers Conference, March 17-21, 2013, Anaheim, CA, USA. Piscataway: IEEE Press, 2013: 1-3.图4所示，本文机制的平均时延小于传统机制。这

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技有限公司高级工程师，主要从事电力通信

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马跃（1982- ）,男，国网冀北电力有限公 司高级工程师，主要从事电力通信研究和技

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李艳（1984-）,女，北京智芯微电子科技

有限公司中级工程师，主要从事电力通信研

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中级工程师，主要从事电力通信研究和技术管理工作。scheme under the consideration of diffserv QoS and energy saving in multi-domain software-defined flexible optical net- works[J]. Optics Communications, 2016(366): 229-240.尹志斌（1983-）,男，北京智芯微电子科技有限公司中级

工程师，主要从事电力通信与计算机网络技术研究工作。2019046-6