支撐電力業(yè)務(wù)規(guī)劃的軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器時(shí)延性能分析

劉 川, 李炳林, 婁 征, 陳 雷, 黃紅兵

(1. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 江蘇省南京市 210003; 2. 國(guó)家電網(wǎng)公司電力通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇省南京市 210003; 3. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司, 江蘇省南京市 210000; 4. 中國(guó)信息通信研究院, 北京市 100191;5. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司, 浙江省杭州市 310007)

支撐電力業(yè)務(wù)規(guī)劃的軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器時(shí)延性能分析

劉 川1,2, 李炳林1,2, 婁 征3, 陳 雷4, 黃紅兵5

(1. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 江蘇省南京市 210003; 2. 國(guó)家電網(wǎng)公司電力通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇省南京市 210003; 3. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司, 江蘇省南京市 210000; 4. 中國(guó)信息通信研究院, 北京市 100191;5. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司, 浙江省杭州市 310007)

引入集中控制理念的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)的智能化提供了新的思路,但也同時(shí)在業(yè)務(wù)的端到端傳輸時(shí)延中引入了控制時(shí)延。詳細(xì)闡述了SDN架構(gòu)下,硬件資源和流表下發(fā)模式對(duì)控制時(shí)延的影響,在仿真環(huán)境和實(shí)際測(cè)試中,開展了兩種流表下發(fā)模式下端到端時(shí)延對(duì)比和應(yīng)用系統(tǒng)控制時(shí)延對(duì)比。從數(shù)據(jù)分析中可以得出Reactive模式擁有較高的自動(dòng)化程度與靈活性,但會(huì)引入高控制時(shí)延,Proactive模式的控制時(shí)延很低,但需要人工干預(yù)和預(yù)配置?；趯?duì)比結(jié)論,結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)承載方式,建議電力通信網(wǎng)中涉及路由的承載方式可采用SDN技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化,通過預(yù)配置業(yè)務(wù)路徑,以Proactive模式保障實(shí)時(shí)性,同時(shí)支持Reactive模式,應(yīng)對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的靈活性需求。

電力通信網(wǎng); 軟件定義網(wǎng)絡(luò); 時(shí)延; 流表下發(fā)模式

0 引言

一次設(shè)備智能化后,電網(wǎng)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)交換、網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)控和多媒體交互信息管理等業(yè)務(wù)將更多的數(shù)據(jù)匯聚到集控中心、調(diào)度中心和數(shù)據(jù)容災(zāi)中心,數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)成為電力通信網(wǎng)帶寬的主要消耗業(yè)務(wù)[1]。

傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)由于老舊設(shè)備攀升、受制于一次線路切改等原因,呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)薄弱、智能化程度不高等不適應(yīng)性。因此,迫切需要引入全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以提高網(wǎng)絡(luò)資源控制的靈活性和帶寬的利用率,而軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined networking,SDN)正是這樣一種技術(shù)。

SDN最初是由美國(guó)斯坦福大學(xué)Clean Slate研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),其設(shè)計(jì)初衷是解決無法利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的大規(guī)模真實(shí)流量和豐富應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)的問題,同時(shí)研究如何提高網(wǎng)絡(luò)的速度、可靠性、能效性和安全性等問題。隨著研究的深入,SDN逐漸得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛認(rèn)可,成為未來互聯(lián)網(wǎng)的主流發(fā)展方向[2]。

由于電力業(yè)務(wù)在實(shí)時(shí)性與可靠性方面的極高要求,在將SDN技術(shù)引入電力系統(tǒng)的過程中,時(shí)延敏感業(yè)務(wù)[3-5]對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性,成為論證SDN技術(shù)在電力通信網(wǎng)中應(yīng)用可行性的重要因素之一,也是軟件定義電網(wǎng)[6]概念下的重要研究方向。由于實(shí)時(shí)性并不是SDN技術(shù)本身所關(guān)注的問題,因此,業(yè)界對(duì)于SDN時(shí)延的研究仍以設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延為主。

本文研究了SDN控制器的時(shí)延性能,通過測(cè)試與仿真,確定硬件資源對(duì)時(shí)延性能的影響,詳細(xì)闡述了SDN流表下發(fā)模式中業(yè)務(wù)控制及傳輸時(shí)延的組成,并基于時(shí)延性能與電力業(yè)務(wù)需求,提出規(guī)劃建議,提高SDN技術(shù)與電力業(yè)務(wù)的適配性。

1 業(yè)務(wù)時(shí)延需求分析

繼電保護(hù)、電量數(shù)據(jù)采集、變電站視頻監(jiān)控等[7]電力業(yè)務(wù)對(duì)丟包和時(shí)延極為敏感,即使很小的響應(yīng)時(shí)間增加,都會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)性能造成影響。以系統(tǒng)保護(hù)通信網(wǎng)的需求為例,考慮區(qū)域之間的通信需求,以區(qū)域內(nèi)最大傳輸距離3 000 km,區(qū)域間最大傳輸距離5 000 km估算,要求系統(tǒng)在60 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)發(fā)、輸、配及直流全景狀態(tài)監(jiān)測(cè),300 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)重要擾動(dòng)故障防御控制,而采集和控制通信時(shí)延均應(yīng)控制在50 ms以內(nèi)。

精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱精控系統(tǒng))作為系統(tǒng)保護(hù)的重要部分,在業(yè)務(wù)時(shí)延方面有著更加明確的需求,精控系統(tǒng)的時(shí)延需求如表1所示。

表1 精控系統(tǒng)時(shí)延需求Table 1 Time delay demand of precise load control system

2 SDN控制器時(shí)延性能

SDN控制器的流表下發(fā)性能受到諸多因素的影響。在硬件層面,控制器流表下發(fā)的性能與硬件配置直接相關(guān)。在軟件層面,根據(jù)不同的流表下發(fā)模式,會(huì)涉及多個(gè)處理模塊與軟件接口。

2.1 硬件資源對(duì)控制器時(shí)延性能的影響

SDN控制器是安裝在通用硬件平臺(tái)上的一組軟件程序,硬件資源的各種配置直接影響軟件的運(yùn)行性能。服務(wù)器主要的硬件資源包括計(jì)算資源(CPU主頻)、存儲(chǔ)資源(內(nèi)存和硬盤)和網(wǎng)絡(luò)資源(網(wǎng)卡接口和速率)。因流表的下發(fā)一般不會(huì)涉及硬盤存儲(chǔ),故硬盤不作為流表下發(fā)時(shí)延產(chǎn)生的因素。

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)流表下發(fā)性能的影響

如果控制器和交換機(jī)分屬于不同的物理位置,南向接口的流表下發(fā)需要通過物理網(wǎng)卡,且本文考察流表下發(fā)成功以物理交換機(jī)接收到流表為考察點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)于流表下發(fā)性能的影響應(yīng)該考慮進(jìn)去。對(duì)于網(wǎng)卡接口速率對(duì)下發(fā)速度的影響,以通用服務(wù)器網(wǎng)卡線速1 000 Mbit/s,OpenFlow下發(fā)流表的Flow_MOD消息為例,以實(shí)際應(yīng)用中發(fā)送流表的Flow_MOD消息為200 B計(jì)算,則千兆網(wǎng)卡流表下發(fā)速度理論上可以達(dá)到655條/s。

因此,如果使用Proactive模式(動(dòng)態(tài)模式)大規(guī)模部署流表,或者在小數(shù)據(jù)包大數(shù)據(jù)流量背景下的Reactive模式(靜態(tài)模式)下發(fā)流表,網(wǎng)卡速率有可能成為流表下發(fā)的瓶頸。

同時(shí),考慮到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)馁|(zhì)量,如線纜的質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)所通過連接設(shè)備的線速與轉(zhuǎn)發(fā)性能等各種綜合因素,以目前千兆網(wǎng)絡(luò)為主流的背景下,不建議流表下發(fā)速率規(guī)劃在500條/s之上。以現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的狀況,更高的流表下發(fā)速率將難以保障網(wǎng)絡(luò)的可靠性與實(shí)時(shí)性[7]。

2.1.2 內(nèi)存資源對(duì)流表下發(fā)性能的影響

為了探討服務(wù)器內(nèi)存資源對(duì)流表下發(fā)的影響,本文使用VMWare虛擬機(jī)安裝開放式網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(open network operating system,ONOS)控制器,每次測(cè)試重新分配虛擬機(jī)內(nèi)存,在其他條件不變的情況下,通過調(diào)整ONOS所在虛擬機(jī)的內(nèi)存大小,來觀察內(nèi)存大小變化對(duì)流表下發(fā)的影響。除內(nèi)存因素之外,其他不變因素見附錄A表A1。流表下發(fā)采用控制器的北向接口,通過表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移(representational state transfer,RESTful)在遠(yuǎn)端調(diào)用下發(fā)的方式轉(zhuǎn)換為控制器原語(yǔ),再經(jīng)由南向接口下發(fā)至交換設(shè)備進(jìn)行。測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 內(nèi)存資源對(duì)時(shí)延特性影響的測(cè)試結(jié)果Fig.1 Test result of impact of time delay characteristics on memory resource

通過圖1可以看出,在10萬條流表下發(fā)的情況下,內(nèi)存資源在0～13 GB的變化區(qū)間內(nèi),時(shí)延的浮動(dòng)在7 s左右,這種時(shí)延的波動(dòng)是由于某一測(cè)試時(shí)間點(diǎn),控制器內(nèi)部運(yùn)行模塊調(diào)度等因素造成了運(yùn)行背景環(huán)境的差異而導(dǎo)致的,考慮到此種誤差因素,結(jié)合實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù),可以得出單條流表承載單個(gè)業(yè)務(wù)的控制邏輯時(shí),內(nèi)存對(duì)于流表下發(fā)性能的影響不大于0.07 ms,且該時(shí)延與內(nèi)存資源不存在線性比例關(guān)系。因此,在保證控制器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下,控制器的流表下發(fā)速率與內(nèi)存變化的關(guān)系不明顯,可以認(rèn)為內(nèi)存的大小與流表下發(fā)時(shí)延性能基本無關(guān)。

2.1.3 CPU資源對(duì)流表下發(fā)性能的影響

為了探討CPU資源對(duì)流表下發(fā)的影響,本文同樣使用VMWare虛擬機(jī)安裝ONOS控制器,在其他條件不變的情況下,每次測(cè)試調(diào)整CPU主頻與核數(shù),來觀察CPU資源對(duì)流表下發(fā)性能的影響。流表下發(fā)通過控制器的北向接口,通過使用RESTful在遠(yuǎn)端調(diào)用下發(fā)的方式轉(zhuǎn)換為控制器原語(yǔ),再經(jīng)由南向接口下發(fā)至交換設(shè)備進(jìn)行。

分別測(cè)試流表下發(fā)性能在2 394 MHz(單核)、4 788 MHz(雙核)和7 183 MHz(三核)的主頻下的數(shù)據(jù),與內(nèi)存資源數(shù)據(jù)擬合,結(jié)果如圖2所示。除CPU因素之外,其他不變因素見附錄A表A2。

圖2 CPU資源與內(nèi)存資源時(shí)延特性的數(shù)據(jù)擬合Fig.2 Data fitting of time delay characteristics of CPU resource and memory resource

從圖2中可以看出,CPU的性能對(duì)控制器流表下發(fā)性能的影響較大,在提高CPU性能的條件下,流表下發(fā)時(shí)延明顯縮短,而這種提升存在一個(gè)CPU主頻的最優(yōu)值,即無法通過無限提高CPU主頻和核數(shù)來無限減少時(shí)延。

2.2 控制器流表下發(fā)模式對(duì)時(shí)延性能的影響

2.2.1 Proactive模式流表下發(fā)時(shí)延分析

SDN控制器與交換機(jī)之間的OpenFlow通道建立后,由控制器向OpenFlow交換機(jī)預(yù)先發(fā)送流表項(xiàng)設(shè)定的設(shè)置稱為Proactive模式,也即動(dòng)態(tài)模式。Proactive模式是在大量數(shù)據(jù)包進(jìn)入交換機(jī)需要轉(zhuǎn)發(fā)之前,用控制器將流表預(yù)先下發(fā)給交換機(jī),這樣交換機(jī)在收到數(shù)據(jù)包時(shí),就能根據(jù)相關(guān)的流表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。通過預(yù)先定義好所有流表的規(guī)則,并通過控制器下發(fā),在交換機(jī)中生效,該模式能夠避免交換機(jī)生成Packet-in消息所產(chǎn)生的時(shí)延,所有進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包都可以按照線速轉(zhuǎn)發(fā)。

SDN控制器流表的主動(dòng)下發(fā)過程,可以在控制器的北向接口使用RESTful風(fēng)格的Web調(diào)用,或使用超文本傳輸協(xié)議(HTTP)在遠(yuǎn)端進(jìn)行,也可以在控制器內(nèi)部通過內(nèi)嵌應(yīng)用(APP),利用嵌入式的應(yīng)用程序編程接口(application programming interface,API)直接下發(fā)流表[8]。一些支持如地址解析協(xié)議(address resolution protocol,ARP)解析等現(xiàn)有基本業(yè)務(wù)的流表下發(fā),就是通過內(nèi)嵌APP模塊的Proactive模式實(shí)現(xiàn)的。兩種Proactive模式下流表下發(fā)的過程見附錄B圖B1。

對(duì)于Proactive模式的流表下發(fā),當(dāng)采用北向接口RESTful調(diào)用的方式時(shí),從控制器北向接口看,流表下發(fā)過程的時(shí)延TPRestful滿足：

(1)

式中:TN為SDN控制器北向接口處理RESTful HTTP請(qǐng)求的時(shí)延,該部分時(shí)延主要包括SDN控制器北向接口(可能是物理接口)的處理時(shí)延TNp和控制器北向接口對(duì)HTTP請(qǐng)求進(jìn)行協(xié)議處理,并將該請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為控制器系統(tǒng)原語(yǔ)的時(shí)延TNh;TS為控制器南向接口流表下發(fā)時(shí)延,該部分時(shí)延主要包括控制器南向接口的OpenFlow協(xié)議棧生成OpenFlow流表下發(fā)消息的時(shí)延TSp和將流表下發(fā)的Flow Mod消息通過南向接口(可能是物理接口)轉(zhuǎn)發(fā)出去的時(shí)延TSh。

當(dāng)Proactive模式的流表下發(fā)采用控制器內(nèi)嵌APP模塊方式實(shí)現(xiàn)時(shí),流表下發(fā)過程的時(shí)延TPAPP滿足：

TPAPP=TC+TS

(2)

式中：TC為SDN控制器內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯處理時(shí)延。

由于北向接口對(duì)HTTP請(qǐng)求進(jìn)行協(xié)議處理可能會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的迭代過程,且北向接口的實(shí)現(xiàn)方式與算法的不同都會(huì)影響到TNh這部分的時(shí)延,因此北向接口調(diào)用的處理時(shí)延TN要遠(yuǎn)大于控制器內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯的處理時(shí)延TC。因此,對(duì)于時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的主動(dòng)流表下發(fā)處理,使用控制器內(nèi)嵌APP方式處理,比通過RESTful進(jìn)行遠(yuǎn)端調(diào)用實(shí)時(shí)性更高。

2.2.2 Reactive模式流表下發(fā)時(shí)延分析

Reactive模式,也即靜態(tài)模式,是當(dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)包進(jìn)入交換機(jī)時(shí),交換機(jī)首先在流表中查找匹配規(guī)則,如果沒有發(fā)現(xiàn)匹配的流表,交換機(jī)根據(jù)不匹配數(shù)據(jù)包規(guī)則或者丟棄數(shù)據(jù)包或者使用OpenFlow的Packet_in消息將該數(shù)據(jù)包上送到控制器,控制器根據(jù)數(shù)據(jù)包的各種信息和預(yù)配置的相關(guān)規(guī)則計(jì)算創(chuàng)建一個(gè)流表項(xiàng),使用OpenFlow的Flow Mod消息通過南向接口發(fā)送給交換機(jī)[9-10]。交換機(jī)下一次收到類似的數(shù)據(jù)包時(shí)就可以直接轉(zhuǎn)發(fā)。

Reactive模式的流表下發(fā)速率主要和控制器收到Packet-in消息并生成相關(guān)流表規(guī)則并下發(fā)的響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。使用Reactive模式的流表下發(fā),控制器可根據(jù)上報(bào)的數(shù)據(jù)包,按照策略實(shí)時(shí)改變特定粒度業(yè)務(wù)的路徑,可能涉及流量或者業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整,因此,該模式流表下發(fā)的各部分處理時(shí)延就顯得尤其重要。Reactive模式下流表下發(fā)過程見附錄B圖B2。對(duì)于Reactive模式的流表下發(fā),時(shí)延TR滿足：

(3)

式中：TF為SDN控制器收到Packet_in數(shù)據(jù)包,根據(jù)數(shù)據(jù)包內(nèi)容和應(yīng)用處理邏輯生成流表的時(shí)延,該部分時(shí)延主要包括控制器通過接口(可能是物理接口)收到Packet_in并做協(xié)議處理的時(shí)延TP和控制器根據(jù)內(nèi)部應(yīng)用處理邏輯產(chǎn)生流表項(xiàng)的時(shí)延TFL。

2.3 SDN架構(gòu)下端到端業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延分析

在基于OpenFlow的SDN控制器與交換機(jī)環(huán)境下,端到端數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延涉及的因素較多,除了鏈路傳送時(shí)延和交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延以外,還要考慮OpenFlow流表處理機(jī)制對(duì)端到端數(shù)據(jù)包傳送的影響。如果端到端的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)之前,數(shù)據(jù)包經(jīng)過路徑的全部交換機(jī)都已通過控制器使用Proactive模式將流表下發(fā)好且流表生效,則端到端的數(shù)據(jù)包時(shí)延只需要考慮數(shù)據(jù)包經(jīng)過每個(gè)OpenFlow交換機(jī)流表匹配和轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延,此種情況下,控制器流表下發(fā)的時(shí)間將不會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延造成影響。

如果該數(shù)據(jù)包在首個(gè)OpenFlow交換機(jī)中流表匹配未命中,而交換機(jī)的Table-Miss表規(guī)則是將未匹配的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到控制器,就會(huì)觸發(fā)Reactive模式的流表下發(fā),如圖3所示。

圖3 未知數(shù)據(jù)包在SDN網(wǎng)絡(luò)中的匹配過程Fig.3 Matching process of unknown packet in SDN network

如圖3所示,當(dāng)觸發(fā)Reactive模式的流表下發(fā),端到端的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延TEnd-to-End除了數(shù)據(jù)在物理鏈路上的傳送時(shí)延以外，還滿足：

TEnd-to-End=TPacket_in+TP_send+TF_send+TF_act+TR

(4)

TPacket_in=Tpim+Tpic+Tpis

(5)

TF_act=TFMc+Tset

(6)

式中：TPacket_in為交換機(jī)收到收據(jù)包后產(chǎn)生Packet_in報(bào)文的時(shí)延，該部分時(shí)延包括數(shù)據(jù)包在交換機(jī)內(nèi)部查找流表匹配的時(shí)延Tpim、交換機(jī)生成Packet_in消息的協(xié)議處理時(shí)延Tpic，以及Packet_in消息通過網(wǎng)絡(luò)接口的發(fā)送時(shí)延Tpis；TP_send為Packet_in報(bào)文通過OpenFlow通道的傳送時(shí)延；TF_send為流表通過OpenFlow通道的傳送時(shí)延；TF_act為流表在交換機(jī)中生效的時(shí)延，該時(shí)延包括了Flow Mod進(jìn)入交換機(jī)接口的處理時(shí)延TFMc和流表的安裝時(shí)延Tset。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn),在Reactive模式下,所引入的端到端轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延因素要遠(yuǎn)多于Proactive模式下的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

為了考察Proactive和Reactive兩種模式下端到端的時(shí)延情況,本文首先通過ONOS控制器和Mininet軟件交換機(jī)仿真環(huán)境進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn):使用Mininet創(chuàng)建7臺(tái)交換機(jī)的線形拓?fù)浜蜆湫瓮負(fù)?見附錄C圖C1、圖C2),分別模擬電力通信網(wǎng)絡(luò)中兩種典型的數(shù)據(jù)流向。線形拓?fù)淠M縱向交互的業(yè)務(wù)流向,如精控系統(tǒng)中,業(yè)務(wù)流僅在控制終端、控制子站、控制主站與控制中心站之間縱向交互,同一層級(jí)之間無數(shù)據(jù)交互;樹形拓?fù)淠M橫向交互的業(yè)務(wù)流向,如電力數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互?；赟DN分層分域的控制架構(gòu),在同一個(gè)域間交互的業(yè)務(wù)一般不大于7跳。

兩個(gè)主機(jī)分別下掛在路徑最遠(yuǎn)的兩個(gè)交換機(jī)下,考察端到端的數(shù)據(jù)傳送時(shí)延,結(jié)果見附錄C表C1。此次測(cè)試的轉(zhuǎn)發(fā)平面是基于服務(wù)器內(nèi)部采用軟件環(huán)境生成的OpenFlow交換機(jī),雖然沒有經(jīng)過實(shí)際的網(wǎng)卡和物理線路傳送,但對(duì)于兩種模式時(shí)延的比較結(jié)果沒有影響。從數(shù)據(jù)中可以得出,Proactive模式的端到端平均時(shí)延要遠(yuǎn)小于Reactive模式,并且可以滿足電力系統(tǒng)正常通信狀態(tài)和應(yīng)急通信狀態(tài)下的時(shí)延要求。

在控制器上層通過北向接口加入應(yīng)用系統(tǒng)后,本文在并發(fā)數(shù)50,100,150三種情況下,對(duì)Reactive和Proactive兩種模式下業(yè)務(wù)的端到端控制時(shí)延進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從測(cè)試結(jié)果中可以得出,Reactive模式在加入應(yīng)用系統(tǒng)后的控制時(shí)延較高,而Proactive模式的控制時(shí)延可以達(dá)到毫秒級(jí)。

3 支撐電力業(yè)務(wù)時(shí)延需求的SDN應(yīng)用規(guī)劃模式建議

3.1 硬件資源的選擇建議

根據(jù)上文硬件資源對(duì)SDN控制器時(shí)延性能的研究結(jié)論發(fā)現(xiàn),在硬件資源的選擇上,如果考慮流表下發(fā)時(shí)延和下發(fā)速率等性能因素,應(yīng)首先保證服務(wù)器計(jì)算資源(CPU)的充足配置。

表2 兩種流表下發(fā)模式下控制時(shí)延的測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of control time delay under two flow table release modes

在流表下發(fā)性能規(guī)劃的考慮上,應(yīng)該考慮控制通道的網(wǎng)絡(luò)接口瓶頸,合理規(guī)劃和配置網(wǎng)絡(luò)的硬件配置(網(wǎng)卡接口極限和物理網(wǎng)絡(luò)極限),盡量保證控制通道的網(wǎng)絡(luò)帶寬不會(huì)成為瓶頸,減少控制器南向接口流表消息下發(fā)的pending狀態(tài)[9],以減少時(shí)延。

3.2 流表下發(fā)模式選擇建議

電力通信網(wǎng)組網(wǎng)中涉及路由的承載方式可以采用SDN的技術(shù)體制實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管控與靈活調(diào)度。例如:精控系統(tǒng)中的秒級(jí)及分鐘級(jí)控制模式,由于其采集和控制指令通過營(yíng)銷控制大區(qū)的網(wǎng)絡(luò)傳送,涉及路由調(diào)度,因此適合用SDN的方式承載,而毫秒級(jí)控制模式的業(yè)務(wù)通道采用基于SDH的2 Mbit/s專線方式,利用骨干傳輸網(wǎng)分層傳輸,不具備靈活調(diào)度的條件,因此,不建議采用SDN方式承載。流表下發(fā)模式選擇建議如表3所示。

表3 流表下發(fā)模式選擇建議Table 3 Suggestions on flow table release mode

SDN技術(shù)最大的特色在于其靈活性與開放性,從某種意義上來說,SDN在某些場(chǎng)合反而會(huì)犧牲掉一定的實(shí)時(shí)性,正因如此,SDN在公網(wǎng)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)一般體現(xiàn)在資源利用率的提升和運(yùn)維管理的智能化上。然而,電力業(yè)務(wù)與公網(wǎng)業(yè)務(wù)卻也有著不同特點(diǎn),首先,電力通信網(wǎng)作為輔助電力一次設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施,其網(wǎng)絡(luò)相對(duì)固定,也即很少出現(xiàn)拓?fù)漕l繁變化的狀況;其次,電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流相對(duì)固定,業(yè)務(wù)流向與公網(wǎng)相反,一般以上行數(shù)據(jù)為主,也即電力業(yè)務(wù)一般不會(huì)伴隨高隨機(jī)性與高突發(fā)性?；谏鲜鲭娏I(yè)務(wù)特點(diǎn),SDN技術(shù)在電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用可以采用策略預(yù)先配置的方式,以Proactive模式的流表下發(fā)來保障業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,同時(shí)輔以Reactive模式的流表下發(fā),來應(yīng)對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)或復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的靈活性需求。針對(duì)不同業(yè)務(wù)的時(shí)延需求和控制需求,引入Hybrid模式(混合模式)的流表下發(fā)機(jī)制,在業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延可容忍的前提下,達(dá)到實(shí)時(shí)性與靈活性的平衡[11-12]。

4 結(jié)論

本文開展的面向電力業(yè)務(wù)規(guī)劃的SDN控制器時(shí)延性能分析,通過實(shí)際測(cè)試與仿真,從硬件資源和流表下發(fā)模式的角度詳細(xì)分析了各種情況下,網(wǎng)絡(luò)SDN化對(duì)承載業(yè)務(wù)時(shí)延造成的影響,并以系統(tǒng)保護(hù)精控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)時(shí)延需求出發(fā),提出SDN技術(shù)引入及流表下發(fā)模式選擇的方案,可以得到如下結(jié)論。

1)對(duì)于硬件資源,內(nèi)存和硬盤基本不會(huì)影響流表下發(fā)的時(shí)延,網(wǎng)卡會(huì)成為流表下發(fā)時(shí)延的瓶頸,CPU資源會(huì)明顯影響流表下發(fā)時(shí)延,但存在一個(gè)閾值。

2)Proactive流表下發(fā)模式比Reactive流表下發(fā)模式擁有更低的時(shí)延,但Reactive模式的自動(dòng)化程度更高。

3)考慮Hybrid模式理論上可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性與靈活性的平衡,但在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中,引入的環(huán)境因素將會(huì)更多,混合流表下發(fā)模式是否比單一流表下發(fā)模式更適用于實(shí)際部署還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

在后續(xù)工作中,將進(jìn)一步優(yōu)化SDN技術(shù)在實(shí)時(shí)性與靈活性方面的平衡點(diǎn),引入更多環(huán)境變量進(jìn)行仿真和測(cè)試,使其更加適用于實(shí)際部署。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Analysis on Time Delay Performance of Software Defined Networking Controller in Support of Power Service Planning

LIUChuan1,2,LIBinglin1,2,LOUZheng3,CHENLei4,HUANGHongbing5

(1. Global Energy Interconnection Research Institute, Nanjing 210003, China; 2. State Grid Laboratory of Electric Power Communication Network Technology, Nanjing 210003, China; 3. Nanjing Power Supply Company, State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210000, China; 4. China Institute of Information and Communication, Beijing 100191, China; 5. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, China)

The technology of software defined networking (SDN) has provided the intelligent network with a new line of thought. But at the same time, control delay is introduced into the end-to-end transmission delay of transaction. The influence of hardware resources and flow table release mode on control delay is described in detail under the SDN architecture. In the simulation environment and actual test, comparisons of end-to-end time delay and control time delay with application systems are made. From the data analysis, it can be seen that the Reactive mode has a high degree of automation and flexibility, but introduces high control delay. However, the Proactive mode has a low control delay, but requires manual intervention and pre-configuration. Based on the comparison conclusions and combined with business bearer of current network, it is suggested that the bearer mode involved in routing in the power communication network be optimized by SDN technology. Proactive mode guarantees real-time performance by pre-configuring service paths, while supporting Reactive mode to meet the flexibility requirements of complicated networks.

This work is supported by State Grid Corporation of China.

power communication network; software defined networking (SDN); time delay; flow table release mode

2017-03-02;

2017-06-12。

上網(wǎng)日期: 2017-07-21。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“面向電力通信多域交互的軟件定義光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究”。

劉 川(1986—),男,通信作者,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向:電力通信網(wǎng)絡(luò)與傳感、未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。E-mail：liuchuan@geiri.sgcc.com.cn

李炳林(1970—),男,碩士,研究員級(jí)高級(jí)工程師,主要研究方向:電力通信網(wǎng)絡(luò)與傳感。

婁 征(1978—),男,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向:電力信息安全及計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。

(編輯 章黎)