基于SDN技術(shù)的電力通信WLAN網(wǎng)絡(luò)研究

叢犁 杜秋實(shí) 張艷 李曉東 任智源

【摘 要】無(wú)線通信技術(shù)在智能電網(wǎng)建設(shè)方面發(fā)揮了重要的支撐作用，本文提出WLAN網(wǎng)絡(luò)中基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模業(yè)務(wù)終端組網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)以及用戶通斷可控的技術(shù)方案，合理使用共享的、不需提供使用申請(qǐng)的網(wǎng)絡(luò)資源。文中給出了具體的SDN WLAN系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，并通過網(wǎng)絡(luò)測(cè)試驗(yàn)證：利用遠(yuǎn)程進(jìn)程調(diào)用（RPC）技術(shù)能夠在控制端對(duì)AP進(jìn)行基本控制，基本實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的集中管理，包括功率控制、動(dòng)態(tài)資源分配以及負(fù)載均衡等功能，能夠有效地提升偏遠(yuǎn)地區(qū)智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸效率，提升企業(yè)WLAN環(huán)境中業(yè)務(wù)接入的靈活性及網(wǎng)絡(luò)資源的使用的合理性。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線通信 智能電網(wǎng) 軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN） 無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）

無(wú)線通信技術(shù)由于成本低、組網(wǎng)方便、拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)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(luò)）是一種新興的基于軟件的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及技術(shù)，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(luò)狀態(tài)控制、開放靈活的編程接口、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等特點(diǎn)。

本文提出基于SDN技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)以及用戶通斷可控的技術(shù)方案，解決智能電網(wǎng)在WLAN環(huán)境下，通信節(jié)點(diǎn)功率控制、動(dòng)態(tài)資源分配以及負(fù)載分擔(dān)等集中控制功能的實(shí)現(xiàn)，能夠有效地提升偏遠(yuǎn)地區(qū)智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸效率，提升企業(yè)WLAN環(huán)境中業(yè)務(wù)接入的靈活性及網(wǎng)絡(luò)資源利用的合理性。

1 WLAN在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景

3GPP與WLAN網(wǎng)絡(luò)的接入支持了多種模式終端用戶的無(wú)縫移動(dòng)性，基于WLAN技術(shù)的無(wú)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(luò)完善中發(fā)揮了重要作用。文獻(xiàn)[3]針對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)的要求，提出了智能電網(wǎng)中采用無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的總體架構(gòu)，介紹了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)選擇和建設(shè)原則，為智能電網(wǎng)中無(wú)線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)提供了借鑒。

智能家庭電價(jià)采用實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)方式[1]，可以有效降低峰值用電量對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。家庭中的用電設(shè)備可利用WLAN方式與智能電表連接，并在用電設(shè)備中加入智能化功能，使得電器設(shè)備能在合理的電費(fèi)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(jìn)行通信，實(shí)時(shí)獲得電網(wǎng)的狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用也在不斷豐富，語(yǔ)音，視頻的溝通方式大大提高了效率。企業(yè)網(wǎng)的主要應(yīng)用如下：

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

（2）企業(yè)部門應(yīng)用：包括了企業(yè)各部門的日常辦公應(yīng)用、業(yè)務(wù)處理、數(shù)據(jù)處理，語(yǔ)音協(xié)同、視頻會(huì)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；

（3）企業(yè)內(nèi)部應(yīng)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(yīng)用，具有高質(zhì)量、高可靠性等要求。同時(shí)，需要避免企業(yè)內(nèi)部應(yīng)用和互聯(lián)網(wǎng)開放式應(yīng)用的互相影響，便于業(yè)務(wù)識(shí)別和區(qū)分管理，提高部署和維護(hù)的效率。

另外，企業(yè)級(jí)WLAN網(wǎng)絡(luò)還需要為用戶提供一個(gè)隨時(shí)隨地?zé)o縫接入的網(wǎng)絡(luò)，在向用戶提供高速的固定接入的同時(shí)還可以利用WiFi等技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶簡(jiǎn)便的無(wú)縫接入。同時(shí)，為保障企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部應(yīng)用的接入，也需要提供廣覆蓋的無(wú)縫接入能力，提供視頻攝像頭、物聯(lián)網(wǎng)等設(shè)備的便捷接入。

3 WLAN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下SDN技術(shù)實(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)，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(wù)；在中間網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后，AC與AP自動(dòng)重新建立通訊，使用戶在整個(gè)過程中感知不到網(wǎng)絡(luò)的變化，從而保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠，同時(shí)也降低用戶對(duì)設(shè)備維護(hù)的工作量。

3.1 SDN技術(shù)特點(diǎn)

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(luò)信息。在數(shù)據(jù)層，包括啞的（dumb）交換機(jī)（與傳統(tǒng)的二層交換機(jī)不同，專指用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的設(shè)備）。兩層之間采用開放的統(tǒng)一接口（如OpenFlow等）進(jìn)行交互。

采用SDN控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞氖占⒙酚傻挠?jì)算、流表的生成及下發(fā)、網(wǎng)絡(luò)的管理與控制等功能，而網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備僅負(fù)責(zé)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(luò)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面獨(dú)立發(fā)展。轉(zhuǎn)發(fā)面向通用化、簡(jiǎn)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(qiáng)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(luò)的全局靜態(tài)拓?fù)?、全網(wǎng)的動(dòng)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(shí)現(xiàn)）以及Overlay（軟件疊加實(shí)現(xiàn)）。前者需要沿途每一跳逐跳支持，需要用SDN交換機(jī)替換現(xiàn)有的所有交換機(jī)和路由器，支持的規(guī)模較小，僅支持幾百臺(tái)設(shè)備。硬件交換機(jī)需要負(fù)責(zé)所有虛擬機(jī)的通信。后者可商用兩端的switch軟件支持即可，通過隧道透?jìng)髦虚g網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有所有交換機(jī)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(jī)間通信和物理服務(wù)器通信由不同交換機(jī)負(fù)責(zé)。

3.2應(yīng)用目標(biāo)

將SDN和網(wǎng)絡(luò)虛擬化的思想引入企業(yè)級(jí)WLAN網(wǎng)絡(luò)（有成百上千的AP），同時(shí)考慮WLAN網(wǎng)絡(luò)和固網(wǎng)的融合，即backhaul或回傳也利用SDN思想。實(shí)現(xiàn)AP間的快速無(wú)縫切換和其他移動(dòng)性管理、干擾管理、網(wǎng)絡(luò)資源管理和功率管理；最為重要的是，利用SDN技術(shù)構(gòu)建WLAN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)隨應(yīng)用、業(yè)務(wù)的需求動(dòng)態(tài)調(diào)整，用戶可以獲得更加流暢的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。而不必受現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的約束，這樣，網(wǎng)絡(luò)的配置、管理就變得更加靈活，從而降低運(yùn)營(yíng)成本。

3.3 研究?jī)?nèi)容

傳統(tǒng)WLAN網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式存在擴(kuò)展性不足，靈活性不高等缺點(diǎn)，所以將SDN引進(jìn)WLAN網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建基于SDN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

當(dāng)前WLAN網(wǎng)絡(luò)中，各種接入設(shè)備（統(tǒng)一稱作AP）混雜，且各大廠商的設(shè)備也并不開源，無(wú)法做到各種設(shè)備的統(tǒng)一管控。而在SDN網(wǎng)絡(luò)中，所有底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，都對(duì)上層控制器開放，也就是說，底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)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(chǔ)上，搭建基本的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

現(xiàn)有南向接口openFlow主要針對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并不支持對(duì)無(wú)線設(shè)備的配置和管理。要實(shí)現(xiàn)無(wú)線SDN，須結(jié)合現(xiàn)有的無(wú)線接入點(diǎn)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(luò)中需研究哪些SDN應(yīng)用可以帶給用戶更好的服務(wù)體驗(yàn)，如移動(dòng)性管理、干擾管理、功率控制、負(fù)載均衡等，相應(yīng)的，還有支持這些應(yīng)用的技術(shù)。

3.4 實(shí)現(xiàn)方式

需創(chuàng)建方式為SDN WLAN測(cè)試平臺(tái)，和研究測(cè)試報(bào)告。SDN WLAN測(cè)試網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能根據(jù)上層控制層的指令，虛擬硬件資源，完成特定的應(yīng)用服務(wù)；用戶可享受內(nèi)網(wǎng)提供的各種應(yīng)用服務(wù)，如FTP，TELNET，VOD等，也可訪問外網(wǎng)，同時(shí)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入用戶進(jìn)行統(tǒng)一管理。研究測(cè)試報(bào)告應(yīng)對(duì)平臺(tái)測(cè)試成果給出詳細(xì)說明，并與現(xiàn)有WLAN網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行比較，分析是否能夠達(dá)到預(yù)期要求。

由于集中式控制方案可以更好地管理控制網(wǎng)絡(luò)，且這也是SDN本身的一個(gè)特點(diǎn)，所以SDN WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用集中控制方案，如圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)分為應(yīng)用層、控制層、基礎(chǔ)設(shè)施層。應(yīng)用層是整個(gè)SDN網(wǎng)絡(luò)的最高層次，SDN網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)就是服務(wù)于多樣化的業(yè)務(wù)應(yīng)用創(chuàng)新。因此隨著SDN技術(shù)的部署和推廣，將會(huì)有越來越多的業(yè)務(wù)應(yīng)用被研發(fā)。這類應(yīng)用將能夠便捷的通過SDN北向接口調(diào)用底層網(wǎng)絡(luò)能力，按需使用網(wǎng)絡(luò)資源，其主要實(shí)現(xiàn)就是SDN云平臺(tái)（如OpenStack）。通過在其網(wǎng)絡(luò)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(duì)外開放的網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)資源?？刂茖又饕⊿DN控制器和認(rèn)證服務(wù)器，SDN控制器（例如Floodlight）。負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，SDN交換機(jī)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?fù)涔芾怼⒉呗灾贫?、表?xiàng)下發(fā)等支持SDN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行等基本操作，同時(shí)還需要為上層應(yīng)用提供接口。認(rèn)證服務(wù)器主要完成對(duì)用戶的認(rèn)證管理，是控制用戶接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備?；A(chǔ)設(shè)施層中主要由通用的SDN交換機(jī)組成。這些設(shè)備與傳統(tǒng)網(wǎng)元設(shè)備的區(qū)別是，SDN交換機(jī)中的匹配表項(xiàng)是由控制器統(tǒng)一下發(fā)的，而并非由各個(gè)設(shè)備自身根據(jù)周邊的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境在本地生成的。因此各種復(fù)雜的控制邏輯（如鏈路發(fā)現(xiàn)、地址學(xué)習(xí)、路由計(jì)算等）都無(wú)需在SDN交換機(jī)中實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通用化。同時(shí)，由于SDN交換機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)的南向接口，為上層屏蔽了底層物理轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的差異，實(shí)現(xiàn)了資源的虛擬化，使得上層對(duì)資源的調(diào)度與管理更加靈活高效。根據(jù)SDN交換機(jī)工作的特點(diǎn)，又可分為SDN無(wú)線交換機(jī)、SDN交換機(jī)、和SDN匯聚交換機(jī)。對(duì)于用戶端，不需要做任何的改動(dòng)，即可享受SDN網(wǎng)絡(luò)帶來的靈活流暢的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體驗(yàn)（如圖1）。

圖1 SDN WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

支持openFlow協(xié)議的AP的加工，基本測(cè)試平臺(tái)的搭建與測(cè)試因?yàn)閺S商的固件并不對(duì)外開源，無(wú)法直接對(duì)AP進(jìn)行改裝，也就無(wú)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(jìn)行二次開發(fā)；openVswitch（簡(jiǎn)稱ovs）是一種軟交換機(jī)，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 SDN WLAN測(cè)試網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

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(shí)施難度，前期搭建的平臺(tái)采用較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，可以看到，該結(jié)構(gòu)是對(duì)圖1中的各個(gè)層，進(jìn)行了簡(jiǎn)化而得到的；普通交換機(jī)如圖2所示為目前搭建的SDN WLAN測(cè)試平臺(tái)，在該網(wǎng)絡(luò)中控制器負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管控，目前，控制器可以獲取網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(luò)拓?fù)浜徒粨Q機(jī)狀態(tài)如圖3所示。

圖3 交換機(jī)狀態(tài)拓?fù)鋱D

其中 表示交換機(jī)， 表示與交換機(jī)相連的手機(jī)、筆記本電腦交換機(jī)（AP）的狀態(tài)圖。

從Ports欄中可以看到，該交換機(jī)有三個(gè)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(xiàng)表示，控制器向該交換機(jī)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(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、帶寬等進(jìn)行調(diào)整，無(wú)法控制AP的功率、接入用戶數(shù)等，而通過RPC（遠(yuǎn)程進(jìn)程調(diào)用）可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。故通過編寫RPC服務(wù)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(wú)線的開啟關(guān)閉。如圖4所示：

圖4 SDN控制實(shí)現(xiàn)

4結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)智能電網(wǎng)中無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用說明，提出基于SDN技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中控制的方案，基于上述技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、用戶通信通斷可控、網(wǎng)絡(luò)AP功率自動(dòng)調(diào)整及網(wǎng)絡(luò)資源負(fù)載均衡等功能，為下一步做MAC分離，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理等應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸麗超 等.無(wú)線通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，3（11）.

[2]郭云飛等.SDN技術(shù)在電力光通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014，23（33）.

[3]尤天晴，劉潔.無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)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(luò)（SDN）研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報(bào)，2015，26（1）.

作者簡(jiǎn)介：叢犁（1984—），女，吉林通化人，博士，從事電力通信系統(tǒng)的運(yùn)維工作。