徐  杰，陳  璞，饒  強，周  正，詹  鵬，陳家璘，馮偉東

　　（國網湖北省電力公司信息通信公司，湖北 武漢 430077）

　　摘  要： 針對電網災備中心發展所面臨的迫切需求，以軟件定義網絡SDN在電網災備中心網絡應用為中心，從業務敏感性、網絡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的電網災備中心組網體系模型。對該框架中運用的資源高效利用的電網災備中心數據平面可共享技術、電網災備中心災難場景下內容連通性理論與控管技術、軟定制的拓撲分配與管理和電網災備中心的軟件定義組網實驗床技術進行了研究。針對虛擬網絡映射問題，提出了一種基于虛擬節點分類的啟發式算法來解決虛擬光網絡映射問題。在軟定制的拓撲分配與管理的研究中，提出要引入預置拓撲。

　　關鍵詞： SDN；架構；虛擬光網絡映射；預置拓撲；實驗床技術

0 引言

　　隨著電力通信網規模的增長以及“三地”信息系統災備中心的建立，電力通信網絡逐步呈現出由傳統通信業務為主模式向以災備中心為代表的新興業務為主模式快速轉變的發展趨勢[1]。傳統的電力通信網絡面向無連接的以太網體制的業務管控能力差，無法滿足大顆粒、高速數據傳輸需求，并面臨著業務敏感性、網絡安全性、資源高效性的重大挑戰。本文在軟件定義網絡（SDN）基礎上，構建了一個融合的、虛擬化的電網災備中心網絡架構，對提高網絡管控能力和運維水平，優化設備成本，促進異構網絡之間的互聯互通等方面具有重要意義。

1 災備中心組網的統一控制架構

　　為了更好地實現面向電網災備中心的軟件定義組網關鍵技術和控制機制，提出了軟件定義災備中心組網的統一控制架構，如圖1所示。在新的軟件定義光網絡架構中，主要包含四大層：轉發層、控制層、業務編排層和應用層。其中轉發層是將網絡資源軟硬件分離后的底層部分，由物理設備層和物理設備抽象層組成。轉發層實現網絡軟硬件的松耦合、基于流表對數據流的編程以及實現流表更新的一致性；控制層集中控制網絡資源，實現網絡資源的彈性調度和控制器的協同控制；業務編排層負責根據業務需求動態提供編排模板和控制策略；應用層實現基于網絡資源和應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化的基于OPENFLOW統一資源模型，可對多層多域多約束的光網絡實施優化控制[2，3]。

2 電網災備中心數據平面可共享技術

　　光網絡虛擬化技術使得網絡管理者可以動態地構建或配置多種高帶寬的異構虛擬網絡以滿足不同定制業務的需求，同時軟件定義網絡（SDN）技術越來越成熟，使得光網絡虛擬化的最終實現成為可能。目前網絡虛擬化技術的應用和研究，最大的挑戰就是如何在充分利用底層資源的情況下將虛擬網絡請求映射到物理鏈路上，即虛擬網絡映射問題[4]。本文提出了一種基于虛擬節點分類的啟發式算法來解決虛擬光網絡映射問題，在這個算法中，虛擬節點將被分成三類并被賦予不同的優先級，虛擬節點連同其相鄰的虛擬鏈路將會按此優先級先后映射到物理網絡中。虛擬光網絡頻譜一致性（SCVON）可以表示為?坌pi=fl(ei)，pj=fl(ej)，λ(pi)=λ(pj)，即虛擬網絡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絡頻譜一致性限制，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的虛擬光網絡映射算法，使得虛擬光網絡占用盡可能少的物理光網絡資源，這樣物理光網絡可以承載更多的虛擬光網絡，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。該算法將虛擬光網絡中的所有虛擬節點分為三類：數據中心節點Sn，鄰居節點Nn，邊緣節點En。首先按照度的大小依次把虛擬數據中心節點映射到物理光網絡中，然后按照已映射相鄰節點數目的降序，將所有鄰居節點映射到物理光網絡中，最后映射所有邊緣節點，并為虛擬光網絡分配合適的頻譜資源。特別要注意的是，當一個虛擬節點映射結束之后，連接這個節點以及其他已映射虛擬節點的虛擬鏈路，必須立即映射到物理光網絡中[5，6]。在虛擬光網絡頻譜一致性限制下，一條物理鏈路不能被同一虛擬光網絡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 電網災備中心災難場景下內容連通性理論與控管技術

　　災難場景是指引起多鏈路故障的自然災難或人為災害，出現災難情景的地域會出現相應的電網節點和鏈路同時損壞，從而導致電網的大規模毀壞[8]。而電網災備中心是為了抵抗大災難下電網中的多鏈路故障，并對多業務進行備份的數據中心。對于電網災備中心的災難保護機制研究，著重于連接請求的網絡資源分配和不同業務置于不同數據中心的網絡保護。在此網絡中，不同的業務或服務復制于多個數據中心，從而用戶請求可由任意支持該業務或服務請求的數據中心完成，提高可靠性。

　　３.1 災難場景下的內容連通性技術

　　在大規模網絡故障發生時，確保數據中心光網絡的安全性有多種方式。通常情況下，選擇提供保護路徑的網絡架構，即設立與主路徑不相交的路徑保護以抵抗網絡故障[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難來說是無用的。為了保證單個數據中心故障不會導致業務的丟失，應同時考慮業務配置、路徑保護和業務保護。災難區域保護可以在使用更少波長數目的基礎上，提供比單鏈路專有保護更可靠的抗災難性。通過智能網絡設計合理的數據中心數量，既可以保證災難下的生存性，同時又滿足了用戶的需求。網絡規劃中合理數量的數據中心和選擇性的業務備份，可以在支持用戶需求的前提下實現災難生存性。

　　３.２ 災難場景下網絡資源與應用資源協同保護架構

　　災備中心從物理設施上看，符合數據中心的條件，因此面向數據中心的網絡資源與應用資源協同保護架構可以用于電網災備中心災難場景下的控管[11]。針對電網數據中心服務提出了一個新的跨層柔性體系結構（Cross Stratum Resilience，CSR），如圖2所示。此結果與電網數據中心資源的管理策略息息相關。CSR結構基于OpenFlow的靈活柵格光網絡，它可以通過讓一個聯合的光網絡和應用層資源共同工作來增強端對端數據中心需求服務的韌性和響應性。

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

４ 軟定制的拓撲分配與管理

　　面向災備中心的軟件定義網絡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，后者體現了業務連接需求[12]，需要通過SO-RMSA算法來實現二者的嵌套關系。物理拓撲描述了傳輸網絡中節點和光纖鏈路的實際連接關系， 骨干層的物理拓撲一般為隨機網絡。在這種拓撲結構中，各節點之間的連接隨機布置，其分布遵循鐘形曲線，大部分節點擁有的連接數目相差不多。虛拓撲是指節點間的業務連接分布。根據業務需求，將每條連接在物理拓撲上選擇路徑并分配波長資源，從而構成虛拓撲。這種類型的網絡中，節點與節點之間的連接分布遵循冪次定律，其中大部分的節點只有少數連接，而少數節點則擁有大量連接[13]。

　　在傳統的軟件定義組網規劃研究中，通常是根據業務分布矩陣提出虛拓撲結構，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，拓撲設計的焦點主要放在物理資源的優化方面。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，難以優化控制平面的動態建路性能[14]。本論文提出的預置拓撲，是指利用物理拓撲的一部分資源構造的預置區段，加上物理拓撲剩余的波長區段共同構成的網絡拓撲，可視為一種兼顧業務需求和選路特征的、特殊的物理拓撲。引入預置拓撲的意義在于通過資源預置規劃，彌補簡單的物理拓撲和復雜虛拓撲之間的結構性矛盾，預置區段相當于已經預先配置好的連接資源，在實際建立路由時盡量選用預置區段可以提高控制平面的選路性能。如圖3(b)所示，由于預置拓撲與業務分布（虛拓撲）有較高的匹配度，基于預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勢。

5 面向電網災備中心的軟件定義組網實驗床技術

　　5.1 面向災備中心組網統一平臺功能結構

　　彈性可變靈活光網絡支持多載波調制的光收發技術、彈性可變的自適應調節技術、多約束條件下的路由與頻譜資源分配技術、帶寬碎片整理與頻譜重構技術，因而突破了傳統波長通道的剛性限制，根據業務質量與網絡狀態需求對端口速率、調制格式和頻譜資源進行動態調節，使得通道帶寬能夠按需提供，并在真實的業務需求與網絡提供的通道帶寬之間實現最佳匹配[15，16]。本設計的控制平臺分為4個層次：應用層、控制平面層、虛擬映射層、數據平面層，如圖4所示。應用層即網管（NE），主要用于用戶訪問和業務模擬，可以滿足多種用戶需求，如虛擬網絡覆蓋、網絡切片、遠程廣播、集成軟件包等；控制平面層即控制器（Nox），由數據平面資源調度，可以實現共享庫；虛擬映射層FlowVisor，用于屏蔽底層物理網絡，向控制器提供網絡資源切片服務。通過引入流量疏導等算法，實現網絡均衡負載等功能；數據平面層即交換機（Switch），可實現數據包轉發、數據包操縱、流量統計等，通過對控制協議的轉換，可以將光網絡設備虛擬成軟件可定義的交換節點。

　　設計的實驗平臺有4種優勢，使網絡運營商和使用者對所運營所使用的網絡有更大的權限、加快網絡創新、供應鏈多樣化和建立更健壯的機制。

　　5.2 面向電網災備中心的軟件定義組網演示功能

　　設計的平臺形成了三類演示功能：異構網絡統一控制、光路資源靈活配置和數據中心遠程互連。平臺基于SDN軟件定義光網絡的體系架構，設有集中式的網絡控制單元，能夠對不同形態、不同功能和不同類型的網絡設備進行統一的監測與控制，統一分配其通信資源，并實現實時在線互聯互通。平臺能夠對全網邊緣流量進行智能分析，從而在網中分配最佳的路徑、頻譜資源與出口。當網絡資源狀態發生變化時，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，使其達到最佳工作狀態[17]。基于頻譜靈活與軟定義的新型平臺架構，能夠動態感知核心與邊緣資源的變化，自適應調整資源的分配情況，使其承載的業務享有更優質的網絡資源。頻譜靈活的特性為平臺提供了超波長業務的承載能力。當業務需求發生變化時，控制器能夠為業務分配更多的連續頻譜資源，實時擴展頻譜寬度[18]。平臺也支持根據預置的業務需求列表，自動批量分配、回收網絡資源，實現與現網相同或相似的業務場景。平臺采用B/S架構實現了前端管理與后臺控制的遠程分離，網絡參與者可以在全球任何一個接入互聯網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，以獲得資源使用權或實驗數據。除此之外，平臺亦能夠感知和控制網絡邊緣的數據中心資源，可以實時獲取數據中心的運行狀況和參數，進行網絡資源與應用資源的聯合優化，實現動態虛擬遷移等跨層應用。

6 結束語

　　本文開展了面向電網災備中心的軟件定義組網理論與實現機理的研究。從網絡架構出發，構建了軟件定義災備中心組網體系架構。采用業界應用討論最廣泛的協議技術，將其應用在軟定義網絡中，構建適合電網災備中心業務應用的軟件定義網絡體系架構，解決了目前控制管理效能低下、業務時延大、安全性低、體驗性能差等問題。該結構的網絡內容連通性理論，利用災備中心冗余資源對業務進行有效保護，提高了電力通信網災備中心抵御災難能力，為科學、高效、合理地保障通信網絡安全穩定運行提供支持。本文提出的頻譜分配優化算法，可以對網絡資源進行優化分配，實現對網絡資源與業務資源靈活的定制，提高電力通信網絡的靈活性。同時構建了面向災備中心的軟件定義組網實驗床，將所提出的關鍵技術與控管機制實現平臺仿真，使得到的結果最接近現實數據，為進一步實現電力通信網智能化、精細化管理奠定基礎。

參考文獻

　　[1] 吳強，徐鑫，劉國燕.基于SDN技術的災備中心基礎網絡構建[J].電信科學，2013，29(1)：130-142.

　　[2] SHAO X，YEO Y K，XU Z W，et al.Shared-path protec-tion in OFDM-based optical networks with elastic bandwidthallocation[C].OFC, 2012:OTh4B.4.

　　[3] 王德文.基于云計算的電力數據中心基礎架構及其關鍵技術[J].電力系統自動化，2012，36(11)：67-71.

　　[4] 吳永娟，王振華，黃小紅. 災備中心的網絡虛擬化方案研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2012，37(6)：1193-1198.

　　[5] 裘曉峰，趙糧，高騰.VSA和SDS：兩種SDN網絡安全架構的研究[J].小型微型計算機系統，2013，34(10)：2298-2303.

　　[6] ROFOEE B R，ZERVAS G，YAN Y，et al. Network-on-and-off- chip architecture on demand for flexible optical intra-datacenter networks[C]. ECOC 2012，Th.2.B.2.

　　[7] 王淑玲，李濟漢，張云勇，等，SDN架構及安全性研究[J].電信科學，2013，29(3)：117-122.

　　[8] JINNO M，TAKARA H，KOZICKI B. Concept and enablingtechnologies of spectrum-sliced elastic optical path network (SLICE)[C].OSA/ACP 2009，F02:1-2.

　　[9] JINNO M，TAKARA H，KOZICKI B，Spectrum-efficient and scalable elastic optical path network：architecture，benefits，and enabling technologies[J]. Communications Magazine，2009(47):66-73.

　　[10] FONTAINE N K，RYF R，NEILSON D  T. N*M wave-length selective cross-connect with flexible passbands[C].

　　OFC 2012，PDP5B.2.

　　[11] JI P N，WANG T，QIAN D Y，et al. Demonstration ofhigh-speed MIMO OFDM flexible bandwidth data centernetwork[C]. ECOC 2012，Th.2.B.1.

　　[12] 鞠衛國，黃善國，徐珍珍，等.面向頻譜融合的路由頻譜分配和碎片整理算法[J]. 光子學報，2013，42(8)：929-935.

　　[13] Guoying Zhang，Marc De Leenheer，Biswanath Mukherjee.Optical grooming in OFDM-based elastic optical networks[C].OFC 2012，OTh1A.1.

　　[14] 丁澤柳，郭得科，申建偉，等. 面向云計算的災備中心網絡拓撲研究[J].國防科技大學學報，2011，33(6).

　　[15] JINNO M，YONENAGE K，TAKARA H，et al. Demonstra-tion of translucent elastic optical network based on virtu-alized elastic regenerator[C]. OFC 2012，PDP5B.6.

　　[16]肖媚，何動，張振榮.基于OOFDM的彈性光網絡研究[J].光通信技術，2013，37(4)：29-32.

　　[17] 賈聿庸，袁博，黃曉瑩.寬帶智能提速平臺向SDN演進的探討[J].電信科學，2013，29(6)：139-163.

　　[18] 羅萱，強思維，金耀輝.可變帶寬光網絡路由與資源分配研究[J].中興通訊技術，2011，17(6)：14-19.