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基于SDN技术的电力通信WLAN网络研究

出处:论文网
时间:2017-01-16

基于SDN技术的电力通信WLAN网络研究

  无线通信技术由于成本低、组网方便、拓展性强等优点是智能电网[1]中的理想通信方式。SDN[2](Software Defined Network 软件定义网络)是一种新兴的基于软件网络架构及技术,具有松耦合的控制平面与数据平面、支持集中化的网络状态控制、开放灵活的编程接口、网络虚拟化等特点。

  本文提出基于SDN技术实现网络中拓扑发现以及用户通断可控的技术方案,解决智能电网在WLAN环境下,通信节点功率控制、动态资源分配以及负载分担等集中控制功能的实现,能够有效地提升偏远地区智能电网业务数据传输效率,提升企业WLAN环境中业务接入的灵活性及网络资源利用的合理性。

  1 WLAN在智能电网中的应用场景

  3GPP与WLAN网络的接入支持了多种模式终端用户的无缝移动性,基于WLAN技术的无线通信的智能电网在智能家庭(smart home)、智慧城市(smart city)以及企业网络完善中发挥了重要作用。文献[3]针对智能电网建设的要求,提出了智能电网中采用无线局域网(WLAN)的总体架构,介绍了相关标准、技术选择和建设原则,为智能电网中无线局域网的网络建设和维护提供了借鉴。

  智能家庭电价采用实时计费方式[1],可以有效降低峰值用电量对电网稳定性的影响。家庭中的用电设备可利用WLAN方式与智能电表连接,并在用电设备中加入智能化功能,使得电器设备能在合理的电费下开始工作,从而降低用电成本。智能电表能与其他用户和管理中心进行通信,实时获得电网的状态和网络控制信息,从而提升家庭用电的安全性和稳定性。

  随着企业信息化水平的不断提高,WLAN应用也在不断丰富,语音,视频的沟通方式大大提高了效率。企业网的主要应用如下:

  (1)互联网应用:主要为企业各部门提供对外访问服务,以及为企业内部用户提供互联网访问服务;

  (2)企业部门应用:包括了企业各部门的日常办公应用、业务处理、数据处理,语音协同、视频会议等,属于企业内部的范畴,通常需要高质量保障、安全隔离、防攻击等特殊要求;

  (3)企业内部应用:主要是企业视频监控、车辆管理、一卡通等物联网应用,具有高质量、高可靠性等要求。同时,需要避免企业内部应用和互联网开放式应用的互相影响,便于业务识别和区分管理,提高部署和维护的效率。

  另外,企业级WLAN网络还需要为用户提供一个随时随地无缝接入的网络,在向用户提供高速的固定接入的同时还可以利用WiFi等技术实现用户简便的无缝接入。同时,为保障企业网内部应用的接入,也需要提供广覆盖的无缝接入能力,提供视频摄像头、物联网等设备的便捷接入。

  3 WLAN网络环境下SDN技术实现

  基于SDN的WLAN解决方案可以为用户一共稳定可靠的无线网络,即便是AC与AP中间链路故障,AP脱离AC管控,也能保证正常转发业务;在中间网络恢复正常后,AC与AP自动重新建立通讯,使用户在整个过程中感知不到网络的变化,从而保障网络的稳定可靠,同时也降低用户对设备维护的工作量。

  3.1 SDN技术特点

  SDN利用分层的思想[4],将数据与控制相分离。在控制层,包括具有逻辑中心化和可编程的控制器,可掌握全局网络信息。在数据层,包括哑的(dumb)交换机(与传统的二层交换机不同,专指用于转发数据的设备)。两层之间采用开放的统一接口(如OpenFlow等)进行交互。

  采用SDN控制器实现网络拓扑的收集、路由的计算、流表的生成及下发、网络的管理与控制等功能,而网络层设备仅负责流量的转发及策略的执行。通过这种方式可使得网络系统的转发面和控制面独立发展。转发面向通用化、简单化发展,成本可逐步降低;控制面可向集中化、统一化发展,具有更强的性能和容量。转发与控制分离之后使得控制面向集中化发展。控制面的集中化使得SDN 控制器拥有网络的全局静态拓扑、全网的动态转发表信息、全网的资源利用率和故障状态等。

  两种主要的SDN解决方案分别为Underlay(底层硬件实现)以及Overlay(软件叠加实现)。前者需要沿途每一跳逐跳支持,需要用SDN交换机替换现有的所有交换机和路由器,支持的规模较小,仅支持几百台设备。硬件交换机需要负责所有虚拟机的通信。后者可商用两端的switch软件支持即可,通过隧道透传中间网络现有所有交换机和路由器都可以保留支持的规模大。两种方案的区别主要是虚拟机间通信和物理服务器通信由不同交换机负责。

  3.2应用目标

  将SDN和网络虚拟化的思想引入企业级WLAN网络(有成百上千的AP),同时考虑WLAN网络和固网的融合,即backhaul或回传也利用SDN思想。实现AP间的快速无缝切换和其他移动性管理、干扰管理、网络资源管理和功率管理;最为重要的是,利用SDN技术构建WLAN网络,实现对网络的统一管理,网络的结构随应用、业务的需求动态调整,用户可以获得更加流畅的网络体验。而不必受现有网络架构的约束,这样,网络的配置、管理就变得更加灵活,从而降低运营成本。

  3.3 研究内容   传统WLAN网络组网方式存在扩展性不足,灵活性不高等缺点,所以将SDN引进WLAN网络中,构建基于SDN技术的网络架构。

  当前WLAN网络中,各种接入设备(统一称作AP)混杂,且各大厂商的设备也并不开源,无法做到各种设备的统一管控。而在SDN网络中,所有底层转发设备,都对上层控制器开放,也就是说,底层转发设备须具有统一的接口(如openFlow),来接收控制器的命令。故需开发出支持SDN南向接口协议openFlow的AP,并在此基础上,搭建基本的网络平台。

  现有南向接口openFlow主要针对有线网络,对于无线网络,并不支持对无线设备的配置和管理。要实现无线SDN,须结合现有的无线接入点控制和配置协议(CAPWAP),或者开发出其他支持该功能的方案(如Odin方案)。

  在SDN WLAN网络中需研究哪些SDN应用可以带给用户更好的服务体验,如移动性管理、干扰管理、功率控制、负载均衡等,相应的,还有支持这些应用的技术。

  3.4 实现方式

  需创建方式为SDN WLAN测试平台,和研究测试报告。SDN WLAN测试网络应能根据上层控制层的指令,虚拟硬件资源,完成特定的应用服务;用户可享受内网提供的各种应用服务,如FTP,TELNET,VOD等,也可访问外网,同时对无线网络接入用户进行统一管理。研究测试报告应对平台测试成果给出详细说明,并与现有WLAN网络参数进行比较,分析是否能够达到预期要求。

  由于集中式控制方案可以更好地管理控制网络,且这也是SDN本身的一个特点,所以SDN WLAN网络架构采用集中控制方案,如图1所示,该网络分为应用层、控制层、基础设施层。应用层是整个SDN网络的最高层次,SDN网络的最终目标就是服务于多样化的业务应用创新。因此随着SDN技术的部署和推广,将会有越来越多的业务应用被研发。这类应用将能够便捷的通过SDN北向接口调用底层网络能力,按需使用网络资源,其主要实现就是SDN云平台(如OpenStack)。通过在其网络资源管理组件中增加SDN管理插件,管理者和使用者可以利用SDN北向接口,便捷的调用SDN控制器对外开放的网络能力和网络资源。控制层主要包括SDN控制器和认证服务器,SDN控制器(例如Floodlight)。负责整个网络的运行,SDN交换机的去智能化,openFlow等南向接口的开放,使得SDN控制器需要具备链路发现、拓扑管理、策略制定、表项下发等支持SDN网络运行等基本操作,同时还需要为上层应用提供接口。认证服务器主要完成对用户的认证管理,是控制用户接入网络的关键设备。基础设施层中主要由通用的SDN交换机组成。这些设备与传统网元设备的区别是,SDN交换机中的匹配表项是由控制器统一下发的,而并非由各个设备自身根据周边的网络环境在本地生成的。因此各种复杂的控制逻辑(如链路发现、地址学习、路由计算等)都无需在SDN交换机中实现,从而实现设备的通用化。同时,由于SDN交换机通过标准的南向接口,为上层屏蔽了底层物理转发设备的差异,实现了资源的虚拟化,使得上层对资源的调度与管理更加灵活高效。根据SDN交换机工作的特点,又可分为SDN无线交换机、SDN交换机、和SDN汇聚交换机。对于用户端,不需要做任何的改动,即可享受SDN网络带来的灵活流畅的网络服务体验(如图1)。

  图1 SDN WLAN网络架构

  支持openFlow协议的AP的加工,基本测试平台的搭建与测试因为厂商的固件并不对外开源,无法直接对AP进行改装,也就无法使其支持openFlow协议。而openWRT作为一种开源的路由器系统,可以很方便的进行二次开发;openVswitch(简称ovs)是一种软交换机,可以支持openFlow协议。通过交叉编译后,加装到openWRT中,就可以获得支持openFlow协议的AP。

  图2 SDN WLAN测试网络架构

  图2中的AP1和AP2正是采用openWRT+ovs的方式改装而成的。为降低初期的实施难度,前期搭建的平台采用较为简单的结构,如图2所示,可以看到,该结构是对图1中的各个层,进行了简化而得到的;普通交换机如图2所示为目前搭建的SDN WLAN测试平台,在该网络中控制器负责对整个网络进行管控,目前,控制器可以获取网络各个节点的信息,也能通过流表的下发,来控制用户之间的通信。网络拓扑和交换机状态如图3所示。

  图3 交换机状态拓扑图

  其中 表示交换机, 表示与交换机相连的手机、笔记本电脑交换机(AP)的状态图。

  从Ports栏中可以看到,该交换机有三个端口,其中br0为ovs虚拟出来的桥接口,用以挂载物理网口,eth0、eth1为挂载在br0上的网口;Flows选项表示,控制器向该交换机下发的流表,通过这些流表可以控制,连接到不同AP上的用户(如用户1与用户2)的通断。通过floodlight,目前只能做到对网络拓扑、带宽等进行调整,无法控制AP的功率、接入用户数等,而通过RPC(远程进程调用)可实现远程控制。故通过编写RPC服务器和客户端程序,并用交叉编译工具生成openWRT中可执行的程序,然后将程序分别加装到AP和控制端,能通过RPC控制AP的功率、接入用户、无线的开启关闭。如图4所示:

  图4 SDN控制实现

  4结语

  本文通过对智能电网中无线通信技术的应用说明,提出基于SDN技术实现网络集中控制的方案,基于上述技术可以实现网络拓扑发现、用户通信通断可控、网络AP功率自动调整及网络资源负载均衡等功能,为下一步做MAC分离,实现移动性管理等应用打下了基础。

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