徐  杰，陳  璞，饒  強，周  正，詹  鵬，陳家璘，馮偉東

　?。▏W(wǎng)湖北省電力公司信息通信公司，湖北 武漢 430077）

　　摘  要： 針對電網(wǎng)災(zāi)備中心發(fā)展所面臨的迫切需求，以軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN在電網(wǎng)災(zāi)備中心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為中心，從業(yè)務(wù)敏感性、網(wǎng)絡(luò)安全性和資源高效性三個問題入手，提出了一種基于軟件定義SDN的電網(wǎng)災(zāi)備中心組網(wǎng)體系模型。對該框架中運用的資源高效利用的電網(wǎng)災(zāi)備中心數(shù)據(jù)平面可共享技術(shù)、電網(wǎng)災(zāi)備中心災(zāi)難場景下內(nèi)容連通性理論與控管技術(shù)、軟定制的拓撲分配與管理和電網(wǎng)災(zāi)備中心的軟件定義組網(wǎng)實驗床技術(shù)進行了研究。針對虛擬網(wǎng)絡(luò)映射問題，提出了一種基于虛擬節(jié)點分類的啟發(fā)式算法來解決虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射問題。在軟定制的拓撲分配與管理的研究中，提出要引入預(yù)置拓撲。

　　關(guān)鍵詞： SDN；架構(gòu)；虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射；預(yù)置拓撲；實驗床技術(shù)

0 引言

　　隨著電力通信網(wǎng)規(guī)模的增長以及“三地”信息系統(tǒng)災(zāi)備中心的建立，電力通信網(wǎng)絡(luò)逐步呈現(xiàn)出由傳統(tǒng)通信業(yè)務(wù)為主模式向以災(zāi)備中心為代表的新興業(yè)務(wù)為主模式快速轉(zhuǎn)變的發(fā)展趨勢[1]。傳統(tǒng)的電力通信網(wǎng)絡(luò)面向無連接的以太網(wǎng)體制的業(yè)務(wù)管控能力差，無法滿足大顆粒、高速數(shù)據(jù)傳輸需求，并面臨著業(yè)務(wù)敏感性、網(wǎng)絡(luò)安全性、資源高效性的重大挑戰(zhàn)。本文在軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個融合的、虛擬化的電網(wǎng)災(zāi)備中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對提高網(wǎng)絡(luò)管控能力和運維水平，優(yōu)化設(shè)備成本，促進異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通等方面具有重要意義。

1 災(zāi)備中心組網(wǎng)的統(tǒng)一控制架構(gòu)

　　為了更好地實現(xiàn)面向電網(wǎng)災(zāi)備中心的軟件定義組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和控制機制，提出了軟件定義災(zāi)備中心組網(wǎng)的統(tǒng)一控制架構(gòu)，如圖1所示。在新的軟件定義光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，主要包含四大層：轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層、業(yè)務(wù)編排層和應(yīng)用層。其中轉(zhuǎn)發(fā)層是將網(wǎng)絡(luò)資源軟硬件分離后的底層部分，由物理設(shè)備層和物理設(shè)備抽象層組成。轉(zhuǎn)發(fā)層實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)軟硬件的松耦合、基于流表對數(shù)據(jù)流的編程以及實現(xiàn)流表更新的一致性；控制層集中控制網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的彈性調(diào)度和控制器的協(xié)同控制；業(yè)務(wù)編排層負責根據(jù)業(yè)務(wù)需求動態(tài)提供編排模板和控制策略；應(yīng)用層實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)資源和應(yīng)用資源的全局負載均衡策略。SDN管理模型是一種面向跨層優(yōu)化的基于OPENFLOW統(tǒng)一資源模型，可對多層多域多約束的光網(wǎng)絡(luò)實施優(yōu)化控制[2，3]。

2 電網(wǎng)災(zāi)備中心數(shù)據(jù)平面可共享技術(shù)

　　光網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)使得網(wǎng)絡(luò)管理者可以動態(tài)地構(gòu)建或配置多種高帶寬的異構(gòu)虛擬網(wǎng)絡(luò)以滿足不同定制業(yè)務(wù)的需求，同時軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)越來越成熟，使得光網(wǎng)絡(luò)虛擬化的最終實現(xiàn)成為可能。目前網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用和研究，最大的挑戰(zhàn)就是如何在充分利用底層資源的情況下將虛擬網(wǎng)絡(luò)請求映射到物理鏈路上，即虛擬網(wǎng)絡(luò)映射問題[4]。本文提出了一種基于虛擬節(jié)點分類的啟發(fā)式算法來解決虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射問題，在這個算法中，虛擬節(jié)點將被分成三類并被賦予不同的優(yōu)先級，虛擬節(jié)點連同其相鄰的虛擬鏈路將會按此優(yōu)先級先后映射到物理網(wǎng)絡(luò)中。虛擬光網(wǎng)絡(luò)頻譜一致性（SCVON）可以表示為?坌pi=fl(ei)，pj=fl(ej)，λ(pi)=λ(pj)，即虛擬網(wǎng)絡(luò)中不同虛擬鏈路所映射到的物理光路，必須選取相同的頻譜資源。由于虛擬鏈路映射服從虛擬光網(wǎng)絡(luò)頻譜一致性限制，所以不同虛擬鏈路所映射的光路不能共享相同物理鏈路。此算法的目標是找到相對最優(yōu)的虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射算法，使得虛擬光網(wǎng)絡(luò)占用盡可能少的物理光網(wǎng)絡(luò)資源，這樣物理光網(wǎng)絡(luò)可以承載更多的虛擬光網(wǎng)絡(luò)，這個目標可以表示為：

　　其中card(fl(ei))表示光路fl(ei)中所包含的物理鏈路數(shù)目，式(1)意義實際上是試圖最小化虛擬鏈路所映射到的光路長度。該算法將虛擬光網(wǎng)絡(luò)中的所有虛擬節(jié)點分為三類：數(shù)據(jù)中心節(jié)點Sn，鄰居節(jié)點Nn，邊緣節(jié)點En。首先按照度的大小依次把虛擬數(shù)據(jù)中心節(jié)點映射到物理光網(wǎng)絡(luò)中，然后按照已映射相鄰節(jié)點數(shù)目的降序，將所有鄰居節(jié)點映射到物理光網(wǎng)絡(luò)中，最后映射所有邊緣節(jié)點，并為虛擬光網(wǎng)絡(luò)分配合適的頻譜資源。特別要注意的是，當一個虛擬節(jié)點映射結(jié)束之后，連接這個節(jié)點以及其他已映射虛擬節(jié)點的虛擬鏈路，必須立即映射到物理光網(wǎng)絡(luò)中[5，6]。在虛擬光網(wǎng)絡(luò)頻譜一致性限制下，一條物理鏈路不能被同一虛擬光網(wǎng)絡(luò)中的不同虛擬鏈路所共享，這是由于所有虛擬鏈路必須選取相同的頻譜資源[7]。

3 電網(wǎng)災(zāi)備中心災(zāi)難場景下內(nèi)容連通性理論與控管技術(shù)

　　災(zāi)難場景是指引起多鏈路故障的自然災(zāi)難或人為災(zāi)害，出現(xiàn)災(zāi)難情景的地域會出現(xiàn)相應(yīng)的電網(wǎng)節(jié)點和鏈路同時損壞，從而導致電網(wǎng)的大規(guī)模毀壞[8]。而電網(wǎng)災(zāi)備中心是為了抵抗大災(zāi)難下電網(wǎng)中的多鏈路故障，并對多業(yè)務(wù)進行備份的數(shù)據(jù)中心。對于電網(wǎng)災(zāi)備中心的災(zāi)難保護機制研究，著重于連接請求的網(wǎng)絡(luò)資源分配和不同業(yè)務(wù)置于不同數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)保護。在此網(wǎng)絡(luò)中，不同的業(yè)務(wù)或服務(wù)復制于多個數(shù)據(jù)中心，從而用戶請求可由任意支持該業(yè)務(wù)或服務(wù)請求的數(shù)據(jù)中心完成，提高可靠性。

　　３.1 災(zāi)難場景下的內(nèi)容連通性技術(shù)

　　在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生時，確保數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡(luò)的安全性有多種方式。通常情況下，選擇提供保護路徑的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即設(shè)立與主路徑不相交的路徑保護以抵抗網(wǎng)絡(luò)故障[9，10]。然而，這種保護方式對于同時損害了主路徑與保護路徑的災(zāi)難來說是無用的。為了保證單個數(shù)據(jù)中心故障不會導致業(yè)務(wù)的丟失，應(yīng)同時考慮業(yè)務(wù)配置、路徑保護和業(yè)務(wù)保護。災(zāi)難區(qū)域保護可以在使用更少波長數(shù)目的基礎(chǔ)上，提供比單鏈路專有保護更可靠的抗災(zāi)難性。通過智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)計合理的數(shù)據(jù)中心數(shù)量，既可以保證災(zāi)難下的生存性，同時又滿足了用戶的需求。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中合理數(shù)量的數(shù)據(jù)中心和選擇性的業(yè)務(wù)備份，可以在支持用戶需求的前提下實現(xiàn)災(zāi)難生存性。

　?。?２ 災(zāi)難場景下網(wǎng)絡(luò)資源與應(yīng)用資源協(xié)同保護架構(gòu)

　　災(zāi)備中心從物理設(shè)施上看，符合數(shù)據(jù)中心的條件，因此面向數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)資源與應(yīng)用資源協(xié)同保護架構(gòu)可以用于電網(wǎng)災(zāi)備中心災(zāi)難場景下的控管[11]。針對電網(wǎng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)提出了一個新的跨層柔性體系結(jié)構(gòu)（Cross Stratum Resilience，CSR），如圖2所示。此結(jié)果與電網(wǎng)數(shù)據(jù)中心資源的管理策略息息相關(guān)。CSR結(jié)構(gòu)基于OpenFlow的靈活柵格光網(wǎng)絡(luò)，它可以通過讓一個聯(lián)合的光網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層資源共同工作來增強端對端數(shù)據(jù)中心需求服務(wù)的韌性和響應(yīng)性。

　　靈活柵格光層網(wǎng)絡(luò)主要用于與分布式數(shù)據(jù)中心（Data Center，DC）網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，DC分布在應(yīng)用層資源中（如CPU和內(nèi)存）；OF-BVOS是一種具有支持OpenFlow協(xié)議的帶寬變化光交換節(jié)點的OFP（OpenFlow Protocol）代理軟件，其主要用于控制支持擴展OpenFlow協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。CSR特別重視應(yīng)用控制器（Application Controller，AC）和網(wǎng)絡(luò)控制器（Network Controller，NC），它們通過在跨層資源上的相互工作來實現(xiàn)此架構(gòu)。AC主要監(jiān)視和維持CSR中數(shù)據(jù)中心服務(wù)器在應(yīng)用層的資源，而NC用于維護從配置靈活柵格光網(wǎng)絡(luò)的物理網(wǎng)絡(luò)和柔性光路中抽象出來的網(wǎng)絡(luò)層信息。一旦網(wǎng)絡(luò)層或應(yīng)用層突發(fā)故障，而單層的保護/恢復應(yīng)用不再保證端對端QoE時，CSR在AC和NC之間的互動將會為用戶提供應(yīng)用和連接的恢復。

４ 軟定制的拓撲分配與管理

　　面向災(zāi)備中心的軟件定義網(wǎng)絡(luò)需要維護物理拓撲和虛拓撲兩類拓撲，前者取決于物理條件，后者體現(xiàn)了業(yè)務(wù)連接需求[12]，需要通過SO-RMSA算法來實現(xiàn)二者的嵌套關(guān)系。物理拓撲描述了傳輸網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點和光纖鏈路的實際連接關(guān)系， 骨干層的物理拓撲一般為隨機網(wǎng)絡(luò)。在這種拓撲結(jié)構(gòu)中，各節(jié)點之間的連接隨機布置，其分布遵循鐘形曲線，大部分節(jié)點擁有的連接數(shù)目相差不多。虛拓撲是指節(jié)點間的業(yè)務(wù)連接分布。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，將每條連接在物理拓撲上選擇路徑并分配波長資源，從而構(gòu)成虛拓撲。這種類型的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點與節(jié)點之間的連接分布遵循冪次定律，其中大部分的節(jié)點只有少數(shù)連接，而少數(shù)節(jié)點則擁有大量連接[13]。

　　在傳統(tǒng)的軟件定義組網(wǎng)規(guī)劃研究中，通常是根據(jù)業(yè)務(wù)分布矩陣提出虛拓撲結(jié)構(gòu)，再利用RMSA算法將虛拓撲中的每條連接都映射到物理拓撲上，并按照算好的路由把所有路由建立起來。此時，拓撲設(shè)計的焦點主要放在物理資源的優(yōu)化方面。如圖3(a)所示，由于物理拓撲和虛拓撲的匹配度低，選路過程復雜，難以優(yōu)化控制平面的動態(tài)建路性能[14]。本論文提出的預(yù)置拓撲，是指利用物理拓撲的一部分資源構(gòu)造的預(yù)置區(qū)段，加上物理拓撲剩余的波長區(qū)段共同構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓撲，可視為一種兼顧業(yè)務(wù)需求和選路特征的、特殊的物理拓撲。引入預(yù)置拓撲的意義在于通過資源預(yù)置規(guī)劃，彌補簡單的物理拓撲和復雜虛拓撲之間的結(jié)構(gòu)性矛盾，預(yù)置區(qū)段相當于已經(jīng)預(yù)先配置好的連接資源，在實際建立路由時盡量選用預(yù)置區(qū)段可以提高控制平面的選路性能。如圖3(b)所示，由于預(yù)置拓撲與業(yè)務(wù)分布（虛拓撲）有較高的匹配度，基于預(yù)置拓撲分配資源并建立路由，在連接的快速建立、減少控制信道帶寬等性能方面具有顯著優(yōu)勢。

5 面向電網(wǎng)災(zāi)備中心的軟件定義組網(wǎng)實驗床技術(shù)

　　5.1 面向災(zāi)備中心組網(wǎng)統(tǒng)一平臺功能結(jié)構(gòu)

　　彈性可變靈活光網(wǎng)絡(luò)支持多載波調(diào)制的光收發(fā)技術(shù)、彈性可變的自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)、多約束條件下的路由與頻譜資源分配技術(shù)、帶寬碎片整理與頻譜重構(gòu)技術(shù)，因而突破了傳統(tǒng)波長通道的剛性限制，根據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)需求對端口速率、調(diào)制格式和頻譜資源進行動態(tài)調(diào)節(jié)，使得通道帶寬能夠按需提供，并在真實的業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)提供的通道帶寬之間實現(xiàn)最佳匹配[15，16]。本設(shè)計的控制平臺分為4個層次：應(yīng)用層、控制平面層、虛擬映射層、數(shù)據(jù)平面層，如圖4所示。應(yīng)用層即網(wǎng)管（NE），主要用于用戶訪問和業(yè)務(wù)模擬，可以滿足多種用戶需求，如虛擬網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)切片、遠程廣播、集成軟件包等；控制平面層即控制器（Nox），由數(shù)據(jù)平面資源調(diào)度，可以實現(xiàn)共享庫；虛擬映射層FlowVisor，用于屏蔽底層物理網(wǎng)絡(luò)，向控制器提供網(wǎng)絡(luò)資源切片服務(wù)。通過引入流量疏導等算法，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)均衡負載等功能；數(shù)據(jù)平面層即交換機（Switch），可實現(xiàn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)包操縱、流量統(tǒng)計等，通過對控制協(xié)議的轉(zhuǎn)換，可以將光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬成軟件可定義的交換節(jié)點。

　　設(shè)計的實驗平臺有4種優(yōu)勢，使網(wǎng)絡(luò)運營商和使用者對所運營所使用的網(wǎng)絡(luò)有更大的權(quán)限、加快網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新、供應(yīng)鏈多樣化和建立更健壯的機制。

　　5.2 面向電網(wǎng)災(zāi)備中心的軟件定義組網(wǎng)演示功能

　　設(shè)計的平臺形成了三類演示功能：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制、光路資源靈活配置和數(shù)據(jù)中心遠程互連。平臺基于SDN軟件定義光網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)，設(shè)有集中式的網(wǎng)絡(luò)控制單元，能夠?qū)Σ煌螒B(tài)、不同功能和不同類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行統(tǒng)一的監(jiān)測與控制，統(tǒng)一分配其通信資源，并實現(xiàn)實時在線互聯(lián)互通。平臺能夠?qū)θW(wǎng)邊緣流量進行智能分析，從而在網(wǎng)中分配最佳的路徑、頻譜資源與出口。當網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)發(fā)生變化時，控制器能夠智能感知這種變化，并重新為邊緣流量進行資源重構(gòu)，使其達到最佳工作狀態(tài)[17]。基于頻譜靈活與軟定義的新型平臺架構(gòu)，能夠動態(tài)感知核心與邊緣資源的變化，自適應(yīng)調(diào)整資源的分配情況，使其承載的業(yè)務(wù)享有更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)資源。頻譜靈活的特性為平臺提供了超波長業(yè)務(wù)的承載能力。當業(yè)務(wù)需求發(fā)生變化時，控制器能夠為業(yè)務(wù)分配更多的連續(xù)頻譜資源，實時擴展頻譜寬度[18]。平臺也支持根據(jù)預(yù)置的業(yè)務(wù)需求列表，自動批量分配、回收網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)與現(xiàn)網(wǎng)相同或相似的業(yè)務(wù)場景。平臺采用B/S架構(gòu)實現(xiàn)了前端管理與后臺控制的遠程分離，網(wǎng)絡(luò)參與者可以在全球任何一個接入互聯(lián)網(wǎng)的位置訪問平臺管理頁面，從而對平臺的軟硬件資源進行控制，以獲得資源使用權(quán)或?qū)嶒灁?shù)據(jù)。除此之外，平臺亦能夠感知和控制網(wǎng)絡(luò)邊緣的數(shù)據(jù)中心資源，可以實時獲取數(shù)據(jù)中心的運行狀況和參數(shù)，進行網(wǎng)絡(luò)資源與應(yīng)用資源的聯(lián)合優(yōu)化，實現(xiàn)動態(tài)虛擬遷移等跨層應(yīng)用。

6 結(jié)束語

　　本文開展了面向電網(wǎng)災(zāi)備中心的軟件定義組網(wǎng)理論與實現(xiàn)機理的研究。從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)出發(fā)，構(gòu)建了軟件定義災(zāi)備中心組網(wǎng)體系架構(gòu)。采用業(yè)界應(yīng)用討論最廣泛的協(xié)議技術(shù)，將其應(yīng)用在軟定義網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建適合電網(wǎng)災(zāi)備中心業(yè)務(wù)應(yīng)用的軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，解決了目前控制管理效能低下、業(yè)務(wù)時延大、安全性低、體驗性能差等問題。該結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容連通性理論，利用災(zāi)備中心冗余資源對業(yè)務(wù)進行有效保護，提高了電力通信網(wǎng)災(zāi)備中心抵御災(zāi)難能力，為科學、高效、合理地保障通信網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運行提供支持。本文提出的頻譜分配優(yōu)化算法，可以對網(wǎng)絡(luò)資源進行優(yōu)化分配，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源與業(yè)務(wù)資源靈活的定制，提高電力通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性。同時構(gòu)建了面向災(zāi)備中心的軟件定義組網(wǎng)實驗床，將所提出的關(guān)鍵技術(shù)與控管機制實現(xiàn)平臺仿真，使得到的結(jié)果最接近現(xiàn)實數(shù)據(jù)，為進一步實現(xiàn)電力通信網(wǎng)智能化、精細化管理奠定基礎(chǔ)。

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