ⅠPv6 技術(shù)在配電通信網(wǎng)中的應(yīng)用

鄒艾均

（國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司江津供電分公司，重慶 402260）

0 引 言

隨著電力通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)電力業(yè)務(wù)的支撐能力也在不斷提高。配電通信網(wǎng)作為電力系統(tǒng)信息化建設(shè)的重要組成部分，已經(jīng)成為國(guó)家電網(wǎng)公司信息化建設(shè)的核心。配電通信網(wǎng)中大量的智能電表、環(huán)網(wǎng)柜等終端設(shè)備需要接入互聯(lián)網(wǎng)，加上配電網(wǎng)的業(yè)務(wù)特性，其承載業(yè)務(wù)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息采集、圖像視頻以及在線學(xué)習(xí)等，這些都對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提出了較高的要求。IPv6技術(shù)具有地址資源豐富、安全性高、服務(wù)質(zhì)量好等特點(diǎn)，可以很好地滿足配電通信網(wǎng)業(yè)務(wù)需求[1]。

1 IPv6 技術(shù)概述

IPv6 是由國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（Internet Engineering Task Force，IETF）設(shè)計(jì)的下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，旨在實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通。與IPv4 相比，IPv6 主要解決了地址空間不足、網(wǎng)絡(luò)安全性差以及缺乏服務(wù)質(zhì)量保證等問(wèn)題。

IPv6 提供了更大的地址空間，支持更多的地址類型和更多的網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)。它能夠提供更好的端到端安全服務(wù)，具有良好的服務(wù)質(zhì)量保證和路由優(yōu)化等特性。IPv6 協(xié)議本身就提供了完善的安全機(jī)制。除了支持傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)頭保護(hù)機(jī)制，還支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議安全（Internet Protocol Security，IPSec）、互聯(lián)網(wǎng)密鑰交換（Internet Key Exchange，IKE）、安全套接層（Secure Sockets Layer，SSL）等安全協(xié)議，為IPv4 網(wǎng)絡(luò)提供了更加完善、安全、可靠且高效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[2]。IPv6 還為下一代互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)，能夠拓展其發(fā)展空間。電力通信IPv6 技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 電力通信ⅠPv6 技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)

2 IPv6 優(yōu)化改造

2.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化改造

IPv6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議改造主要包括IPv4 和IPv6 層面的改造。在IPv4 層面，主要涉及對(duì)現(xiàn)有IPv4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的改造升級(jí)，以適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)需求和技術(shù)發(fā)展。在IPv6 層面，主要涉及全面推廣和應(yīng)用IPv6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)更高效、更安全、更可靠的網(wǎng)絡(luò)連接和服務(wù)。由于IPv4 和IPv6 是相互獨(dú)立的2 種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在改造過(guò)程中需要考慮不同階段的需求和實(shí)際情況，使IPv4 和IPv6 能夠相互兼容、同步進(jìn)行。

2.2 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)改造

為了更好地適應(yīng)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)有配電自動(dòng)化系統(tǒng)需要進(jìn)行IPv6 網(wǎng)絡(luò)改造，以充分利用IPv6 豐富的地址資源，同時(shí)解決目前配電自動(dòng)化系統(tǒng)IP 化改造過(guò)程中出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)改造復(fù)雜、IP 地址分配難度大等問(wèn)題。通過(guò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)改造，可以實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化系統(tǒng)IP 化改造后的穩(wěn)定運(yùn)行，為電力系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化發(fā)展提供更好的支持[3]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化

IPv6 網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)化主要包括數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)性能優(yōu)化和隧道機(jī)制性能優(yōu)化。在IPv6 網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)性能是決定其能否應(yīng)用于電力行業(yè)的關(guān)鍵因素之一。因此，有必要對(duì)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)性能進(jìn)行優(yōu)化，以提高電力系統(tǒng)應(yīng)用IPv6 網(wǎng)絡(luò)的效率。目前，最常見(jiàn)的優(yōu)化方法是在IP 層采用隧道技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在IPv6 網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的信令開(kāi)銷，直接影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議來(lái)優(yōu)化其性能。

3 基于IPv6 的配電通信網(wǎng)部署方案

基于IPv6 的配電通信網(wǎng)絡(luò)主要由IPv6 路由器、IPv6 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備、IPv6 應(yīng)用層設(shè)備以及IPv6 用戶層設(shè)備組成。其中，IPv6 路由器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。IPv6 終端設(shè)備和應(yīng)用層設(shè)備主要承擔(dān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和管理等功能。配電通信網(wǎng)采用IPv6 技術(shù)后，將IPv6 的地址擴(kuò)展為624 282 324 個(gè)，滿足配電系統(tǒng)對(duì)地址資源的需求。根據(jù)業(yè)務(wù)需要部署相應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議，終端無(wú)須添加任何新硬件或軟件即可直接訪問(wèn)IP 網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)。這種方法能夠有效解決IPv4 地址不足和IPv4 地址資源短缺的問(wèn)題，同時(shí)解決IPv6 地址分配和管理問(wèn)題。

3.1 基于IPv6 的配電通信網(wǎng)設(shè)備部署

配電通信網(wǎng)中的設(shè)備主要分為3 類：一是業(yè)務(wù)系統(tǒng)主機(jī)，如監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)采集主機(jī)、配變終端等；二是服務(wù)器，如Web 服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等；三是數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器等。IPv6 技術(shù)的引入可以提供更大的IP 地址空間，從而有效解決目前IP 地址資源稀缺的問(wèn)題。由于IP 地址被劃分為IPv4 和IPv6，可以實(shí)現(xiàn)IPv6 地址的自動(dòng)配置和管理。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備或主機(jī)要訪問(wèn)IPv4 地址時(shí)，IPv6 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備會(huì)根據(jù)相關(guān)要求對(duì)其進(jìn)行解析。當(dāng)某個(gè)設(shè)備或主機(jī)要訪問(wèn)IPv6 地址時(shí)，它會(huì)根據(jù)已知的地址來(lái)查找并選擇合適的路由器或交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

與IPv4 不同，IPv6 支持更高級(jí)別的安全機(jī)制和服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）保證機(jī)制，可以確保業(yè)務(wù)的連續(xù)性、穩(wěn)定性及安全性，有效提升用戶體驗(yàn)。隨著電力行業(yè)對(duì)信息安全的要求越來(lái)越高，電力企業(yè)可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上部署基于IPv6 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，利用其QoS 保證機(jī)制來(lái)進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能和安全性。基于IPv6 技術(shù)QoS 保證機(jī)制原理如圖2所示。

圖2 基于ⅠPv6 技術(shù)的QoS 保證機(jī)制原理

由于配電通信網(wǎng)中的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高，可以將業(yè)務(wù)系統(tǒng)主機(jī)和服務(wù)器部署在IPv6網(wǎng)絡(luò)中。為了方便管理和維護(hù)，可以在配電通信網(wǎng)中部署IP組播設(shè)備和防火墻設(shè)備。同時(shí)，為了滿足電力行業(yè)對(duì)安全可靠性、可用性、可管理性以及可維護(hù)性的要求，可以在配電通信網(wǎng)中部署智能電力終端。

智能電力終端主要包括智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）、集控終端和抄表終端等。這些設(shè)備利用電力系統(tǒng)中的電力線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和管理。IED 是一種可移動(dòng)、可攜帶、可遠(yuǎn)程操作且便于安裝的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備，可以通過(guò)通用分組無(wú)線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）等網(wǎng)絡(luò)接入方式與云平臺(tái)通信[4]。

為了保證配電網(wǎng)中通信系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，可以在配電通信網(wǎng)中部署安全防護(hù)設(shè)備，如防火墻等。對(duì)于配電通信網(wǎng)中的核心部分，其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)將被保存在云平臺(tái)中，因此需要部署網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全保護(hù)。

3.2 基于IPv6 的配電通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部署方案

為了滿足配電通信網(wǎng)中各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)互通和信息交換需求，需要改造配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，在原有IP 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上搭建IPv6 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)可以分為核心層、匯聚層以及接入層3 部分。核心層和匯聚層是整個(gè)IPv6 網(wǎng)絡(luò)的核心，主要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)與其他應(yīng)用系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。接入層包括對(duì)現(xiàn)有電力通信設(shè)備和用戶終端的部署改造，可以將配電通信設(shè)備和用戶終端升級(jí)為IPv6 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)與用戶終端之間的互聯(lián)互通。

為了滿足配電通信網(wǎng)中的各種業(yè)務(wù)需求，引入IPv6 路由協(xié)議。目前常用的IPv6 路由協(xié)議有動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）和IPSec 協(xié)議。在使用DHCP 協(xié)議時(shí)，需要將IP 地址分配給計(jì)算機(jī)中的終端設(shè)備。該協(xié)議存在2 個(gè)缺點(diǎn)：一是對(duì)IP 地址的分配比較隨意，可能導(dǎo)致地址沖突或分配不連續(xù)；二是在分配地址時(shí)不能根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求進(jìn)行靈活處理，缺乏對(duì)業(yè)務(wù)需求的針對(duì)性解決。對(duì)于這些問(wèn)題，可以采用IPSec 協(xié)議來(lái)解決。IPSec 是一種應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備、無(wú)線接入點(diǎn)（Access Point，AP）、移動(dòng)臺(tái)以及網(wǎng)絡(luò)接口等設(shè)備之間的安全隧道協(xié)議。在該協(xié)議中，只有服務(wù)器和客戶端才能對(duì)安全隧道進(jìn)行配置和管理[5]。

為了保證IPv6 網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，需要制定一套有效的IPv6 網(wǎng)絡(luò)流量控制策略。該策略主要涉及在IPv6 網(wǎng)絡(luò)中部署負(fù)載均衡設(shè)備、在IP 報(bào)文中加入路由標(biāo)記并增加報(bào)頭信息、對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行優(yōu)化處理以及對(duì)IPv6 報(bào)文進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)發(fā)等。

目前使用的設(shè)備大部分都采用了傳統(tǒng)的IPv4 地址格式，需要對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，使其支持IPv6 地址格式。具體措施為：首先替換設(shè)備中原有的IPv4 地址，并在設(shè)備中設(shè)置IPv4 路由標(biāo)記；其次利用現(xiàn)有設(shè)備搭建IPv6 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在IP 層采用雙棧方式進(jìn)行處理；最后利用IPv6 服務(wù)器和IPv4 服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

此外，現(xiàn)有的IP 路由協(xié)議存在安全性差、資源利用率低等問(wèn)題，需要引入IPv6 路由協(xié)議來(lái)解決這些問(wèn)題。具體措施包括5 個(gè)方面：一是在IP 報(bào)文中加入路由標(biāo)記信息；二是在IPv6 路由器中設(shè)置路由標(biāo)記；三是利用防火墻對(duì)用戶終端進(jìn)行設(shè)置；四是利用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translator，NAT）技術(shù)實(shí)現(xiàn)路由功能；五是在網(wǎng)絡(luò)層引入隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)IP 報(bào)文的轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)。電力通信網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備之間的互聯(lián)互通和信息交換比較頻繁，實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)這些設(shè)備的資源進(jìn)行優(yōu)化處理。

4 結(jié) 論

文章提出的基于IPv6 的配電通信網(wǎng)部署方案通過(guò)在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上部署IPv6 地址，可以實(shí)現(xiàn)IPv6 網(wǎng)絡(luò)和IPv4 網(wǎng)絡(luò)的混合組網(wǎng)，從技術(shù)層面解決IPv4 地址不足的問(wèn)題，提高了IP 網(wǎng)絡(luò)的安全性。同時(shí)，該方案能夠滿足配電通信網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的需求，有效提升配電通信網(wǎng)對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的承載能力。