基于SDN技術的電力通信WLAN網(wǎng)絡研究

叢　犁　杜秋實　張　艷　李曉東　任智源

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司信息通信公司，吉林長春　130021；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，吉林長春　130061；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林長春　130021；4.西安電子科技大學ISN國家重點實驗室，陜西西安　710071）

基于SDN技術的電力通信WLAN網(wǎng)絡研究

叢犁1杜秋實2張艷3李曉東1任智源4

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司信息通信公司，吉林長春130021；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，吉林長春130061；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林長春130021；4.西安電子科技大學ISN國家重點實驗室，陜西西安710071）

無線通信技術在智能電網(wǎng)建設方面發(fā)揮了重要的支撐作用，本文提出WLAN網(wǎng)絡中基于軟件定義網(wǎng)絡（SDN）技術實現(xiàn)大規(guī)模業(yè)務終端組網(wǎng)拓撲發(fā)現(xiàn)以及用戶通斷可控的技術方案，合理使用共享的、不需提供使用申請的網(wǎng)絡資源。文中給出了具體的SDN WLAN系統(tǒng)實現(xiàn)方法，并通過網(wǎng)絡測試驗證：利用遠程進程調(diào)用（RPC）技術能夠在控制端對AP進行基本控制，基本實現(xiàn)了網(wǎng)絡的集中管理，包括功率控制、動態(tài)資源分配以及負載均衡等功能，能夠有效地提升偏遠地區(qū)智能電網(wǎng)業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸效率，提升企業(yè)WLAN環(huán)境中業(yè)務接入的靈活性及網(wǎng)絡資源的使用的合理性。

無線通信智能電網(wǎng)軟件定義網(wǎng)絡（SDN）無線局域網(wǎng)（WLAN）

無線通信技術由于成本低、組網(wǎng)方便、拓展性強等優(yōu)點是智能電網(wǎng)［1］中的理想通信方式。SDN［2］（Software Defined Network 軟件定義網(wǎng)絡）是一種新興的基于軟件的網(wǎng)絡架構及技術，具有松耦合的控制平面與數(shù)據(jù)平面、支持集中化的網(wǎng)絡狀態(tài)控制、開放靈活的編程接口、網(wǎng)絡虛擬化等特點。

本文提出基于SDN技術實現(xiàn)網(wǎng)絡中拓撲發(fā)現(xiàn)以及用戶通斷可控的技術方案，解決智能電網(wǎng)在WLAN環(huán)境下，通信節(jié)點功率控制、動態(tài)資源分配以及負載分擔等集中控制功能的實現(xiàn)，能夠有效地提升偏遠地區(qū)智能電網(wǎng)業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸效率，提升企業(yè)WLAN環(huán)境中業(yè)務接入的靈活性及網(wǎng)絡資源利用的合理性。

1　WLAN在智能電網(wǎng)中的應用場景

3GPP與WLAN網(wǎng)絡的接入支持了多種模式終端用戶的無縫移動性，基于WLAN技術的無線通信的智能電網(wǎng)在智能家庭（smart home）、智慧城市（smart city）以及企業(yè)網(wǎng)絡完善中發(fā)揮了重要作用。文獻［3］針對智能電網(wǎng)建設的要求，提出了智能電網(wǎng)中采用無線局域網(wǎng)（WLAN）的總體架構，介紹了相關標準、技術選擇和建設原則，為智能電網(wǎng)中無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡建設和維護提供了借鑒。

智能家庭電價采用實時計費方式［1］，可以有效降低峰值用電量對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。家庭中的用電設備可利用WLAN方式與智能電表連接，并在用電設備中加入智能化功能，使得電器設備能在合理的電費下開始工作，從而降低用電成本。智能電表能與其他用戶和管理中心進行通信，實時獲得電網(wǎng)的狀態(tài)和網(wǎng)絡控制信息，從而提升家庭用電的安全性和穩(wěn)定性。

隨著企業(yè)信息化水平的不斷提高，WLAN應用也在不斷豐富，語音，視頻的溝通方式大大提高了效率。企業(yè)網(wǎng)的主要應用如下：

（1）互聯(lián)網(wǎng)應用：主要為企業(yè)各部門提供對外訪問服務，以及為企業(yè)內(nèi)部用戶提供互聯(lián)網(wǎng)訪問服務；

（2）企業(yè)部門應用：包括了企業(yè)各部門的日常辦公應用、業(yè)務處理、數(shù)據(jù)處理，語音協(xié)同、視頻會議等，屬于企業(yè)內(nèi)部的范疇，通常需要高質(zhì)量保障、安全隔離、防攻擊等特殊要求；

圖1　SDN WLAN網(wǎng)絡架構

（3）企業(yè)內(nèi)部應用：主要是企業(yè)視頻監(jiān)控、車輛管理、一卡通等物聯(lián)網(wǎng)應用，具有高質(zhì)量、高可靠性等要求。同時，需要避免企業(yè)內(nèi)部應用和互聯(lián)網(wǎng)開放式應用的互相影響，便于業(yè)務識別和區(qū)分管理，提高部署和維護的效率。

另外，企業(yè)級WLAN網(wǎng)絡還需要為用戶提供一個隨時隨地無縫接入的網(wǎng)絡，在向用戶提供高速的固定接入的同時還可以利用WiFi等技術實現(xiàn)用戶簡便的無縫接入。同時，為保障企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部應用的接入，也需要提供廣覆蓋的無縫接入能力，提供視頻攝像頭、物聯(lián)網(wǎng)等設備的便捷接入。

圖2　SDN WLAN測試網(wǎng)絡架構

圖3　交換機狀態(tài)拓撲圖

圖4　SDN控制實現(xiàn)

2　WLAN網(wǎng)絡環(huán)境下SDN技術實現(xiàn)

基于SDN的WLAN解決方案可以為用戶一共穩(wěn)定可靠的無線網(wǎng)絡，即便是AC與AP中間鏈路故障，AP脫離AC管控，也能保證正常轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務；在中間網(wǎng)絡恢復正常后，AC與AP自動重新建立通訊，使用戶在整個過程中感知不到網(wǎng)絡的變化，從而保障網(wǎng)絡的穩(wěn)定可靠，同時也降低用戶對設備維護的工作量。

2.1SDN技術特點

SDN利用分層的思想［4］，將數(shù)據(jù)與控制相分離。在控制層，包括具有邏輯中心化和可編程的控制器，可掌握全局網(wǎng)絡信息。在數(shù)據(jù)層，包括啞的（dumb）交換機（與傳統(tǒng)的二層交換機不同，專指用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的設備）。兩層之間采用開放的統(tǒng)一接口（如OpenFlow等）進行交互。

采用SDN控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的收集、路由的計算、流表的生成及下發(fā)、網(wǎng)絡的管理與控制等功能，而網(wǎng)絡層設備僅負責流量的轉(zhuǎn)發(fā)及策略的執(zhí)行。通過這種方式可使得網(wǎng)絡系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面獨立發(fā)展。轉(zhuǎn)發(fā)面向通用化、簡單化發(fā)展，成本可逐步降低；控制面可向集中化、統(tǒng)一化發(fā)展，具有更強的性能和容量。轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離之后使得控制面向集中化發(fā)展?？刂泼娴募谢沟肧DN控制器擁有網(wǎng)絡的全局靜態(tài)拓撲、全網(wǎng)的動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)表信息、全網(wǎng)的資源利用率和故障狀態(tài)等。

兩種主要的SDN解決方案分別為Underlay（底層硬件實現(xiàn)）以及Overlay（軟件疊加實現(xiàn)）。前者需要沿途每一跳逐跳支持，需要用SDN交換機替換現(xiàn)有的所有交換機和路由器，支持的規(guī)模較小，僅支持幾百臺設備。硬件交換機需要負責所有虛擬機的通信。后者可商用兩端的switch軟件支持即可，通過隧道透傳中間網(wǎng)絡現(xiàn)有所有交換機和路由器都可以保留支持的規(guī)模大。兩種方案的區(qū)別主要是虛擬機間通信和物理服務器通信由不同交換機負責。

2.2應用目標

將SDN和網(wǎng)絡虛擬化的思想引入企業(yè)級WLAN網(wǎng)絡（有成百上千的AP），同時考慮WLAN網(wǎng)絡和固網(wǎng)的融合，即backhaul或回傳也利用SDN思想。實現(xiàn)AP間的快速無縫切換和其他移動性管理、干擾管理、網(wǎng)絡資源管理和功率管理；最為重要的是，利用SDN技術構建WLAN網(wǎng)絡，實現(xiàn)對網(wǎng)絡的統(tǒng)一管理，網(wǎng)絡的結(jié)構隨應用、業(yè)務的需求動態(tài)調(diào)整，用戶可以獲得更加流暢的網(wǎng)絡體驗。而不必受現(xiàn)有網(wǎng)絡架構的約束，這樣，網(wǎng)絡的配置、管理就變得更加靈活，從而降低運營成本。

2.3研究內(nèi)容

傳統(tǒng)WLAN網(wǎng)絡組網(wǎng)方式存在擴展性不足，靈活性不高等缺點，所以將SDN引進WLAN網(wǎng)絡中，構建基于SDN技術的網(wǎng)絡架構。

當前WLAN網(wǎng)絡中，各種接入設備（統(tǒng)一稱作AP）混雜，且各大廠商的設備也并不開源，無法做到各種設備的統(tǒng)一管控。而在SDN網(wǎng)絡中，所有底層轉(zhuǎn)發(fā)設備，都對上層控制器開放，也就是說，底層轉(zhuǎn)發(fā)設備須具有統(tǒng)一的接口（如openFlow），來接收控制器的命令。故需開發(fā)出支持SDN南向接口協(xié)議openFlow的AP，并在此基礎上，搭建基本的網(wǎng)絡平臺。

現(xiàn)有南向接口openFlow主要針對有線網(wǎng)絡，對于無線網(wǎng)絡，并不支持對無線設備的配置和管理。要實現(xiàn)無線SDN，須結(jié)合現(xiàn)有的無線接入點控制和配置協(xié)議（CAPWAP），或者開發(fā)出其他支持該功能的方案（如Odin方案）。

在SDN WLAN網(wǎng)絡中需研究哪些SDN應用可以帶給用戶更好的服務體驗，如移動性管理、干擾管理、功率控制、負載均衡等，相應的，還有支持這些應用的技術。

2.4實現(xiàn)方式

需創(chuàng)建方式為SDN WLAN測試平臺，和研究測試報告。SDN WLAN測試網(wǎng)絡應能根據(jù)上層控制層的指令，虛擬硬件資源，完成特定的應用服務；用戶可享受內(nèi)網(wǎng)提供的各種應用服務，如FTP，TELNET，VOD等，也可訪問外網(wǎng)，同時對無線網(wǎng)絡接入用戶進行統(tǒng)一管理。研究測試報告應對平臺測試成果給出詳細說明，并與現(xiàn)有WLAN網(wǎng)絡參數(shù)進行比較，分析是否能夠達到預期要求。

由于集中式控制方案可以更好地管理控制網(wǎng)絡，且這也是SDN本身的一個特點，所以SDN WLAN網(wǎng)絡架構采用集中控制方案，如圖1所示，該網(wǎng)絡分為應用層、控制層、基礎設施層。應用層是整個SDN網(wǎng)絡的最高層次，SDN網(wǎng)絡的最終目標就是服務于多樣化的業(yè)務應用創(chuàng)新。因此隨著SDN技術的部署和推廣，將會有越來越多的業(yè)務應用被研發(fā)。這類應用將能夠便捷的通過SDN北向接口調(diào)用底層網(wǎng)絡能力，按需使用網(wǎng)絡資源，其主要實現(xiàn)就是SDN云平臺（如OpenStack）。通過在其網(wǎng)絡資源管理組件中增加SDN管理插件，管理者和使用者可以利用SDN北向接口，便捷的調(diào)用SDN控制器對外開放的網(wǎng)絡能力和網(wǎng)絡資源?？刂茖又饕⊿DN控制器和認證服務器，SDN控制器（例如Floodlight）。負責整個網(wǎng)絡的運行，SDN交換機的去智能化，openFlow等南向接口的開放，使得SDN控制器需要具備鏈路發(fā)現(xiàn)、拓撲管理、策略制定、表項下發(fā)等支持SDN網(wǎng)絡運行等基本操作，同時還需要為上層應用提供接口。認證服務器主要完成對用戶的認證管理，是控制用戶接入網(wǎng)絡的關鍵設備?；A設施層中主要由通用的SDN交換機組成。這些設備與傳統(tǒng)網(wǎng)元設備的區(qū)別是，SDN交換機中的匹配表項是由控制器統(tǒng)一下發(fā)的，而并非由各個設備自身根據(jù)周邊的網(wǎng)絡環(huán)境在本地生成的。因此各種復雜的控制邏輯（如鏈路發(fā)現(xiàn)、地址學習、路由計算等）都無需在SDN交換機中實現(xiàn)，從而實現(xiàn)設備的通用化。同時，由于SDN交換機通過標準的南向接口，為上層屏蔽了底層物理轉(zhuǎn)發(fā)設備的差異，實現(xiàn)了資源的虛擬化，使得上層對資源的調(diào)度與管理更加靈活高效。根據(jù)SDN交換機工作的特點，又可分為SDN無線交換機、SDN交換機、和SDN匯聚交換機。對于用戶端，不需要做任何的改動，即可享受SDN網(wǎng)絡帶來的靈活流暢的網(wǎng)絡服務體驗（如圖1）。

支持openFlow協(xié)議的AP的加工，基本測試平臺的搭建與測試因為廠商的固件并不對外開源，無法直接對AP進行改裝，也就無法使其支持openFlow協(xié)議。而openWRT作為一種開源的路由器系統(tǒng)，可以很方便的進行二次開發(fā)；openVswitch（簡稱ovs）是一種軟交換機，可以支持openFlow協(xié)議。通過交叉編譯后，加裝到openWRT中，就可以獲得支持openFlow協(xié)議的AP。

圖2中的AP1和AP2正是采用openWRT+ovs的方式改裝而成的。為降低初期的實施難度，前期搭建的平臺采用較為簡單的結(jié)構，如圖2所示，可以看到，該結(jié)構是對圖1中的各個層，進行了簡化而得到的；普通交換機如圖2所示為目前搭建的SDN WLAN測試平臺，在該網(wǎng)絡中控制器負責對整個網(wǎng)絡進行管控，目前，控制器可以獲取網(wǎng)絡各個節(jié)點的信息，也能通過流表的下發(fā)，來控制用戶之間的通信。網(wǎng)絡拓撲和交換機狀態(tài)如圖3所示。

從Ports欄中可以看到，該交換機有三個端口，其中br0為ovs虛擬出來的橋接口，用以掛載物理網(wǎng)口，eth0、eth1為掛載在br0上的網(wǎng)口；Flows選項表示，控制器向該交換機下發(fā)的流表，通過這些流表可以控制，連接到不同AP上的用戶（如用戶1與用戶2）的通斷。通過floodlight，目前只能做到對網(wǎng)絡拓撲、帶寬等進行調(diào)整，無法控制AP的功率、接入用戶數(shù)等，而通過RPC（遠程進程調(diào)用）可實現(xiàn)遠程控制。故通過編寫RPC服務器和客戶端程序，并用交叉編譯工具生成openWRT中可執(zhí)行的程序，然后將程序分別加裝到AP和控制端，能通過RPC控制AP的功率、接入用戶、無線的開啟關閉。如圖4所示：

3　結(jié)語

本文通過對智能電網(wǎng)中無線通信技術的應用說明，提出基于SDN技術實現(xiàn)網(wǎng)絡集中控制的方案，基于上述技術可以實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)、用戶通信通斷可控、網(wǎng)絡AP功率自動調(diào)整及網(wǎng)絡資源負載均衡等功能，為下一步做MAC分離，實現(xiàn)移動性管理等應用打下了基礎。

［1］陸麗超，等.無線通信技術在智能電網(wǎng)中的應用［J］.深圳信息職業(yè)技術學院學報，2013，3（11）.

［2］郭云飛，等.SDN技術在電力光通信網(wǎng)絡中的應用研究［J］.微型機與應用，2014，23（33）.

［3］尤天晴，劉潔.無線局域網(wǎng)技術在智能電網(wǎng)中的應用研究［J］.吉林電力，2010，38（2）：20-23.

［4］張朝昆，等.軟件定義網(wǎng)絡（SDN）研究進展［J］.軟件學報，2015，26（1）.

叢犁（1984—），女，吉林通化人，博士，從事電力通信系統(tǒng)的運維工作。