徐 杰，陈 璞，饶 强，周 正，詹 鹏，陈家璘，冯伟东

　　（国网湖北省电力公司信息通信公司，湖北 武汉 430077）

　　摘 要： 针对电网灾备中心发展所面临的迫切需求，以软件定义网络SDN在电网灾备中心网络应用为中心，从业务敏感性、网络安全性和资源高效性三个问题入手，提出了一种基于软件定义SDN的电网灾备中心组网体系模型。对该框架中运用的资源高效利用的电网灾备中心数据平面可共享技术、电网灾备中心灾难场景下内容连通性理论与控管技术、软定制的拓扑分配与管理和电网灾备中心的软件定义组网实验床技术进行了研究。针对虚拟网络映射问题，提出了一种基于虚拟节点分类的启发式算法来解决虚拟光网络映射问题。在软定制的拓扑分配与管理的研究中，提出要引入预置拓扑。

　关键词： SDN；架构；虚拟光网络映射；预置拓扑；实验床技术

0 引言

　　随着电力通信网规模的增长以及“三地”信息系统灾备中心的建立，电力通信网络逐步呈现出由传统通信业务为主模式向以灾备中心为代表的新兴业务为主模式快速转变的发展趋势[1]。传统的电力通信网络面向无连接的以太网体制的业务管控能力差，无法满足大颗粒、高速数据传输需求，并面临着业务敏感性、网络安全性、资源高效性的重大挑战。本文在软件定义网络（SDN）基础上，构建了一个融合的、虚拟化的电网灾备中心网络架构，对提高网络管控能力和运维水平，优化设备成本，促进异构网络之间的互联互通等方面具有重要意义。

1 灾备中心组网的统一控制架构

　　为了更好地实现面向电网灾备中心的软件定义组网关键技术和控制机制，提出了软件定义灾备中心组网的统一控制架构，如图1所示。在新的软件定义光网络架构中，主要包含四大层：转发层、控制层、业务编排层和应用层。其中转发层是将网络资源软硬件分离后的底层部分，由物理设备层和物理设备抽象层组成。转发层实现网络软硬件的松耦合、基于流表对数据流的编程以及实现流表更新的一致性；控制层集中控制网络资源，实现网络资源的弹性调度和控制器的协同控制；业务编排层负责根据业务需求动态提供编排模板和控制策略；应用层实现基于网络资源和应用资源的全局负载均衡策略。SDN管理模型是一种面向跨层优化的基于OPENFLOW统一资源模型，可对多层多域多约束的光网络实施优化控制[2，3]。

2 电网灾备中心数据平面可共享技术

　　光网络虚拟化技术使得网络管理者可以动态地构建或配置多种高带宽的异构虚拟网络以满足不同定制业务的需求，同时软件定义网络（SDN）技术越来越成熟，使得光网络虚拟化的最终实现成为可能。目前网络虚拟化技术的应用和研究，最大的挑战就是如何在充分利用底层资源的情况下将虚拟网络请求映射到物理链路上，即虚拟网络映射问题[4]。本文提出了一种基于虚拟节点分类的启发式算法来解决虚拟光网络映射问题，在这个算法中，虚拟节点将被分成三类并被赋予不同的优先级，虚拟节点连同其相邻的虚拟链路将会按此优先级先后映射到物理网络中。虚拟光网络频谱一致性（SCVON）可以表示为?坌pi=fl(ei)，pj=fl(ej)，λ(pi)=λ(pj)，即虚拟网络中不同虚拟链路所映射到的物理光路，必须选取相同的频谱资源。由于虚拟链路映射服从虚拟光网络频谱一致性限制，所以不同虚拟链路所映射的光路不能共享相同物理链路。此算法的目标是找到相对最优的虚拟光网络映射算法，使得虚拟光网络占用尽可能少的物理光网络资源，这样物理光网络可以承载更多的虚拟光网络，这个目标可以表示为：

　　其中card(fl(ei))表示光路fl(ei)中所包含的物理链路数目，式(1)意义实际上是试图最小化虚拟链路所映射到的光路长度。该算法将虚拟光网络中的所有虚拟节点分为三类：数据中心节点Sn，邻居节点Nn，边缘节点En。首先按照度的大小依次把虚拟数据中心节点映射到物理光网络中，然后按照已映射相邻节点数目的降序，将所有邻居节点映射到物理光网络中，最后映射所有边缘节点，并为虚拟光网络分配合适的频谱资源。特别要注意的是，当一个虚拟节点映射结束之后，连接这个节点以及其他已映射虚拟节点的虚拟链路，必须立即映射到物理光网络中[5，6]。在虚拟光网络频谱一致性限制下，一条物理链路不能被同一虚拟光网络中的不同虚拟链路所共享，这是由于所有虚拟链路必须选取相同的频谱资源[7]。

3 电网灾备中心灾难场景下内容连通性理论与控管技术

　　灾难场景是指引起多链路故障的自然灾难或人为灾害，出现灾难情景的地域会出现相应的电网节点和链路同时损坏，从而导致电网的大规模毁坏[8]。而电网灾备中心是为了抵抗大灾难下电网中的多链路故障，并对多业务进行备份的数据中心。对于电网灾备中心的灾难保护机制研究，着重于连接请求的网络资源分配和不同业务置于不同数据中心的网络保护。在此网络中，不同的业务或服务复制于多个数据中心，从而用户请求可由任意支持该业务或服务请求的数据中心完成，提高可靠性。

　　３.1 灾难场景下的内容连通性技术

　　在大规模网络故障发生时，确保数据中心光网络的安全性有多种方式。通常情况下，选择提供保护路径的网络架构，即设立与主路径不相交的路径保护以抵抗网络故障[9，10]。然而，这种保护方式对于同时损害了主路径与保护路径的灾难来说是无用的。为了保证单个数据中心故障不会导致业务的丢失，应同时考虑业务配置、路径保护和业务保护。灾难区域保护可以在使用更少波长数目的基础上，提供比单链路专有保护更可靠的抗灾难性。通过智能网络设计合理的数据中心数量，既可以保证灾难下的生存性，同时又满足了用户的需求。网络规划中合理数量的数据中心和选择性的业务备份，可以在支持用户需求的前提下实现灾难生存性。

　　３.２ 灾难场景下网络资源与应用资源协同保护架构

　　灾备中心从物理设施上看，符合数据中心的条件，因此面向数据中心的网络资源与应用资源协同保护架构可以用于电网灾备中心灾难场景下的控管[11]。针对电网数据中心服务提出了一个新的跨层柔性体系结构（Cross Stratum Resilience，CSR），如图2所示。此结果与电网数据中心资源的管理策略息息相关。CSR结构基于OpenFlow的灵活栅格光网络，它可以通过让一个联合的光网络和应用层资源共同工作来增强端对端数据中心需求服务的韧性和响应性。

　　灵活栅格光层网络主要用于与分布式数据中心（Data Center，DC）网络的互联，DC分布在应用层资源中（如CPU和内存）；OF-BVOS是一种具有支持OpenFlow协议的带宽变化光交换节点的OFP（OpenFlow Protocol）代理软件，其主要用于控制支持扩展OpenFlow协议的异构网络。CSR特别重视应用控制器（Application Controller，AC）和网络控制器（Network Controller，NC），它们通过在跨层资源上的相互工作来实现此架构。AC主要监视和维持CSR中数据中心服务器在应用层的资源，而NC用于维护从配置灵活栅格光网络的物理网络和柔性光路中抽象出来的网络层信息。一旦网络层或应用层突发故障，而单层的保护/恢复应用不再保证端对端QoE时，CSR在AC和NC之间的互动将会为用户提供应用和连接的恢复。

４ 软定制的拓扑分配与管理

　　面向灾备中心的软件定义网络需要维护物理拓扑和虚拓扑两类拓扑，前者取决于物理条件，后者体现了业务连接需求[12]，需要通过SO-RMSA算法来实现二者的嵌套关系。物理拓扑描述了传输网络中节点和光纤链路的实际连接关系， 骨干层的物理拓扑一般为随机网络。在这种拓扑结构中，各节点之间的连接随机布置，其分布遵循钟形曲线，大部分节点拥有的连接数目相差不多。虚拓扑是指节点间的业务连接分布。根据业务需求，将每条连接在物理拓扑上选择路径并分配波长资源，从而构成虚拓扑。这种类型的网络中，节点与节点之间的连接分布遵循幂次定律，其中大部分的节点只有少数连接，而少数节点则拥有大量连接[13]。

　　在传统的软件定义组网规划研究中，通常是根据业务分布矩阵提出虚拓扑结构，再利用RMSA算法将虚拓扑中的每条连接都映射到物理拓扑上，并按照算好的路由把所有路由建立起来。此时，拓扑设计的焦点主要放在物理资源的优化方面。如图3(a)所示，由于物理拓扑和虚拓扑的匹配度低，选路过程复杂，难以优化控制平面的动态建路性能[14]。本论文提出的预置拓扑，是指利用物理拓扑的一部分资源构造的预置区段，加上物理拓扑剩余的波长区段共同构成的网络拓扑，可视为一种兼顾业务需求和选路特征的、特殊的物理拓扑。引入预置拓扑的意义在于通过资源预置规划，弥补简单的物理拓扑和复杂虚拓扑之间的结构性矛盾，预置区段相当于已经预先配置好的连接资源，在实际建立路由时尽量选用预置区段可以提高控制平面的选路性能。如图3(b)所示，由于预置拓扑与业务分布（虚拓扑）有较高的匹配度，基于预置拓扑分配资源并建立路由，在连接的快速建立、减少控制信道带宽等性能方面具有显著优势。

5 面向电网灾备中心的软件定义组网实验床技术

　　5.1 面向灾备中心组网统一平台功能结构

　　弹性可变灵活光网络支持多载波调制的光收发技术、弹性可变的自适应调节技术、多约束条件下的路由与频谱资源分配技术、带宽碎片整理与频谱重构技术，因而突破了传统波长通道的刚性限制，根据业务质量与网络状态需求对端口速率、调制格式和频谱资源进行动态调节，使得通道带宽能够按需提供，并在真实的业务需求与网络提供的通道带宽之间实现最佳匹配[15，16]。本设计的控制平台分为4个层次：应用层、控制平面层、虚拟映射层、数据平面层，如图4所示。应用层即网管（NE），主要用于用户访问和业务模拟，可以满足多种用户需求，如虚拟网络覆盖、网络切片、远程广播、集成软件包等；控制平面层即控制器（Nox），由数据平面资源调度，可以实现共享库；虚拟映射层FlowVisor，用于屏蔽底层物理网络，向控制器提供网络资源切片服务。通过引入流量疏导等算法，实现网络均衡负载等功能；数据平面层即交换机（Switch），可实现数据包转发、数据包操纵、流量统计等，通过对控制协议的转换，可以将光网络设备虚拟成软件可定义的交换节点。

　　设计的实验平台有4种优势，使网络运营商和使用者对所运营所使用的网络有更大的权限、加快网络创新、供应链多样化和建立更健壮的机制。

　　5.2 面向电网灾备中心的软件定义组网演示功能

　　设计的平台形成了三类演示功能：异构网络统一控制、光路资源灵活配置和数据中心远程互连。平台基于SDN软件定义光网络的体系架构，设有集中式的网络控制单元，能够对不同形态、不同功能和不同类型的网络设备进行统一的监测与控制，统一分配其通信资源，并实现实时在线互联互通。平台能够对全网边缘流量进行智能分析，从而在网中分配最佳的路径、频谱资源与出口。当网络资源状态发生变化时，控制器能够智能感知这种变化，并重新为边缘流量进行资源重构，使其达到最佳工作状态[17]。基于频谱灵活与软定义的新型平台架构，能够动态感知核心与边缘资源的变化，自适应调整资源的分配情况，使其承载的业务享有更优质的网络资源。频谱灵活的特性为平台提供了超波长业务的承载能力。当业务需求发生变化时，控制器能够为业务分配更多的连续频谱资源，实时扩展频谱宽度[18]。平台也支持根据预置的业务需求列表，自动批量分配、回收网络资源，实现与现网相同或相似的业务场景。平台采用B/S架构实现了前端管理与后台控制的远程分离，网络参与者可以在全球任何一个接入互联网的位置访问平台管理页面，从而对平台的软硬件资源进行控制，以获得资源使用权或实验数据。除此之外，平台亦能够感知和控制网络边缘的数据中心资源，可以实时获取数据中心的运行状况和参数，进行网络资源与应用资源的联合优化，实现动态虚拟迁移等跨层应用。

6 结束语

　　本文开展了面向电网灾备中心的软件定义组网理论与实现机理的研究。从网络架构出发，构建了软件定义灾备中心组网体系架构。采用业界应用讨论最广泛的协议技术，将其应用在软定义网络中，构建适合电网灾备中心业务应用的软件定义网络体系架构，解决了目前控制管理效能低下、业务时延大、安全性低、体验性能差等问题。该结构的网络内容连通性理论，利用灾备中心冗余资源对业务进行有效保护，提高了电力通信网灾备中心抵御灾难能力，为科学、高效、合理地保障通信网络安全稳定运行提供支持。本文提出的频谱分配优化算法，可以对网络资源进行优化分配，实现对网络资源与业务资源灵活的定制，提高电力通信网络的灵活性。同时构建了面向灾备中心的软件定义组网实验床，将所提出的关键技术与控管机制实现平台仿真，使得到的结果最接近现实数据，为进一步实现电力通信网智能化、精细化管理奠定基础。

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