一种电力通信网络及其扩容与抗毁路由路径确定方法

摘要

一种电力通信网络及其扩容与抗毁路由路径确定方法，属于通信技术领域。包括客户终端，还包括一个集中式控制器和多个支持OpenFlow协议的交换机；软件定义网络的应用使得电力数据通信获得了全局网络视图，服务质量得到较高质量保证。集中式控制器与支持OpenFLow协议的交换机之间进行消息交互，当电力通信网需要扩容或出现故障时，自动配置转发路径，缩减了处理延迟，使得扩容速度和故障恢复加快，而且极大地降低了配置失误率、并减少人力资源消耗。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术，尤其涉及一种电力通信网络及其扩容与抗毁路由路径确定方法。

背景技术

传统基于同步数字序列的分布式控制无法满足电力通信网中细粒度流量监测的需求。此 外，传统智能电网路由路径计算方法很少考虑电力通信网扩容与抗毁的应用场景和需求。当 电力通信网需要扩容或出现故障时，仍然通过人工配置转发路径的方法，从而产生较高的配 置失误率、消耗过多的人力资源，以及出现扩容速度和故障恢复均较慢的情况。

软件定义网络能使管理者通过集中式控制器对电力通信网进行全局控制和监测，同时， 它能够动态且快速配置转发路径。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提供一种电力通信网络及其扩容与抗毁路由路径确定 方法。

本发明所采用的技术方案是这样实现的：

一种电力通信网络，为软件定义网络，包括客户终端，还包括一个集中式控制器、和多 个支持OpenFlow协议的交换机；

所述集中式控制器，用于与多个支持OpenFlow协议的交换机建立连接关系；向各交换 机发送消息要求各交换机向其发送它们各自的物理特征和功能信息；对各交换机的属性进行 设置并删除所有的流表项；根据交换机收集的链路信息，获取整个网络的拓扑；根据用户请 求信息及网络拓扑，通过OpenFlow协议为每条数据流建立全局最短路由路径；当网络发生 扩容或者发生故障后，根据交换机收集的相应的增加或者丢失的链路信息，动态更新网络拓 扑结构；根据动态更新的网络拓扑和相应的用户请求信息，重新计算最短路由路径并给交换 机下发相应的流表项；

所述交换机，用于与集中式控制器建立连接关系；将其物理特征和功能信息发送给集中 式控制器；根据链路层发现协议将实时链路信息发送给集中式控制器；将用户的请求信息发 送给集中式控制器；

所述电力通信网络的扩容与抗毁路由路径确定方法，包括如下步骤：

步骤1：集中式控制器与各支持OpenFlow协议的交换机之间协商双方支持的OpenFlow 协议版本，以建立连接关系；

步骤2：集中式控制器向各交换机发送消息要求各交换机向其发送他们各自的物理特征 和功能信息；

步骤3：各交换机应集中式控制器要求向集中式控制器发送他们各自的物理特征和功能 信息；

步骤4：集中式控制器对各交换机的属性进行设置；

步骤5：集中式控制器对各交换机进行初始化设置，即删除所有的流表项；

步骤6：各交换机根据链路层发现协议将链路信息发送给集中式控制器；

步骤7：根据交换机收集的链路信息，获取并更新整个网络的拓扑；

步骤8：第一个收到用户请求信息的交换机将其收到的用户请求信息发送给集中式控制 器；

步骤9：根据用户请求信息及实时动态的网络拓扑，通过OpenFlow协议为用户请求建立 全局最短路径并给交换机下发相应的流表项；

步骤10：当网络发生扩容或者故障后，交换机收集相应的增加或者丢失的链路信息，返 回步骤7；

本发明的有益效果是：本发明将软件定义网络应用于电力数据通信中，使得电力数据通 信获得了全局网络视图，服务质量得到较高质量保证。又针对用于电力数据通信的软件定义 网络提出一种扩容与抗毁路由路径确定方法，当电力通信网需要扩容或出现故障时，自动配 置转发路径，缩减了处理延迟，使得扩容速度和故障恢复加快，而且极大地降低了配置失误 率、并减少人力资源消耗。

附图说明

图1为本发明实施方式的电力通信网络拓扑示例图；

图2为本发明实施方式的软件定义网络工作原理图；

图3为本发明实施方式的流表项结构示意图；

图4为本发明实施方式电力通信网络的扩容与抗毁路由路径确定方法流程图；

图5为本发明实施方式电力通信网扩容后的路由路径计算方法示意图；

图6为本发明实施方式电力通信网发生故障后的路由路径计算方法示意图；

图7为本发明实施方式采用电力通信网络的扩容与抗毁路由路径确定方法得到的扩容场 景与故障场景最短路由路径的端到端时延与正常场景的最短路由路径的端到端时延对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本实施方式的用于电力数据通信的软件定义网络，如图1所示，包括客户终端主机1和 主机2，还包括一个集中式控制器和9个支持OpenFlow协议的交换机；其中主机1负责发送 数据包而主机2负责接收数据包。主机1相当于电力通信网中的子站，主机2相当于电力通 信网中的主站，利用主机1和主机2模拟电力通信网中主站和子站之间的通信。其中，本实 施方式的集中式控制器采用的是NOX；采用OpenvSwitch，结合KVM虚拟化平台生成九个 支持OpenFlow协议的虚拟交换机。本实施方式中的NOX控制器、主机1和主机2的IP地 址分别为192.168.100.100，192.168.100.1，192.168.100.2。九个支持OpenFlow协议的虚拟交 换机依次为Br0，Br1，Br2，Br3，Br4，Br5，Br6，Br7，Br8，它们的IP地址依次为192.168.100.20， 192.168.100.21，192.168.100.22，192.168.100.23，192.168.100.24，192.168.100.25， 192.168.100.26，192.168.100.27，192.168.100.28。

软件定义网络中的数据转发是基于流的操作。交换机按照流表项的规则来转发数据包， 所有的网络控制功能由NOX控制器中的网络应用来完成。如图2所示，NOX控制器主要包 括NOX的核心模块和网络应用模块。其中核心模块主要包括：线程库模块；事件调度模块； 应用部署模块；OpenFlow数据的解析与封装模块；连接管理模块等。其中，线程库模块用于 提供操作系统的线程操作。事件调度模块负责将产生的事件调度给相应的应用，以便对事件 做出相应的处理。应用部署模块负责协调各个应用之间的部署执行。OpenFlow数据包的解析 与封装模块用于解析与封装OpenFlow协议数据包。连接管理模块负责控制器与交换机之间 的连接建立。网络应用模块主要包括：存储应用；发现应用；主机跟踪应用；认证应用；拓 扑应用；路由应用；监控应用；生成树应用；流量疏导应用等。存储应用用于存储交换机的 基本信息。发现应用负责发现底层交换机，通过Packet_out消息命令交换机发送LLDP包进 而发现链路，并抛出linkevent事件。主机跟踪应用用于对接入网络的主机进行跟踪。认证应 用负责跟踪网络中主机和交换机的位置。拓扑应用用于保存网络中目前激活的链路结构。负 责维护和更新整个底层物理网络的拓扑。路由应用用于利用动态最短路径算法计算出节点之 间的路径。监控应用负责收集和保持网络中的交换机、流表、队列以及端口的统计信息。生 成树应用模块是选路模块必不可少的底层模块。在OpenFlow网络中，控制器可以通过 Port_mod消息对交换机的物理端口进行设置，可以使该端口对广播包进行丢弃。这意味着即 使交换机收到对数据包的洪泛的命令，该数据包也仅仅是从确定的几个端口发送出去，而不 是交换机上的所有端口，这样就避免了广播风暴。下发流表应用用于当网络发生扩容和故障 时，按照路由应用重新计算的路径重新下发相应交换机的流表。

流表由很多个流表项组成，每个流表项就是一个转发规则。进入交换机的数据包通过查 询流表来获得转发的目的端口。流表项如图3所示，由头域、计数器和操作组成。其中，头 域是个十元组，是流表项的标识；计数器用来计数流表项的统计数据；操作标明了与该流表 项匹配的数据包应该执行的操作。OF安全通道连接OpenvSwitch交换机和NOX控制器。NOX 控制器通过这个接口控制和管理OpenvSwitch交换机，同时控制器接收来自交换机的事件并 向交换机发送数据包。交换机和控制器通过安全通道进行通信，而且所有的信息必须按照 OpenFlow协议规定的格式来执行。

本实施方式的电力通信网络的扩容与抗毁路由路径确定方法，包括如下步骤：

步骤1：集中式控制器与各支持OpenFlow协议的交换机之间协商双方支持的OpenFlow 协议版本，以建立连接关系；

本实施方式的九个支持OpenFlow协议的虚拟交换机向NOX控制器发送OPFT_HELLO 消息；NOX控制器分别向九个支持OpenFlow协议的虚拟交换机发送OPFT_HELLO消息， 协商双方支持的OpenFlow协议版本，建立起连接关系。

步骤2：集中式控制器向各交换机发送消息要求各交换机向其发送他们各自的物理特征 和功能信息；

本实施方式中NOX控制器向九个支持OpenFlow协议的虚拟交换机分别发送 OPFT_FEATURES_REQUEST消息，要求各交换机向其发送他们各自的物理特征和功能信息。

步骤3：各交换机应集中式控制器要求向集中式控制器发送他们各自的物理特征和功能 信息；

本实施方式的九个支持OpenFlow协议的虚拟交换机向NOX控制器返回 OPFT_FEATURES_REPLY消息，告知它们各自的物理特征和功能信息，例如，告诉NOX控 制器交换机有多少个流表和多少个端口，具备流表项统计、流表统计、端口统计、队列统计 等功能，支持哪些动作操作等。

步骤4：集中式控制器对各交换机的属性进行设置；

本实施方式中NOX控制器向九个支持OpenFlow协议的虚拟交换机分别发送 OPFT_SET_CONFIG消息，对它们的属性进行设置，如设置数据包的最大长度为128字节。

步骤5：集中式控制器对各交换机进行初始化设置，即删除所有的流表项；

本实施方式中NOX控制器向九个支持OpenFlow协议的虚拟交换机发送 OPFT_FLOW_MOD消息，最开始是删除所有的流表项。

步骤6：各交换机根据链路层发现协议将链路信息发送给集中式控制器；

步骤7：根据交换机收集的链路信息，获取整个网络的拓扑；

步骤8：第一个收到用户请求信息的交换机将其收到的用户请求信息发送给集中式控制 器；当有数据包到达交换机时，如果没有与数据包相匹配的流表项，则交换机向NOX控制 器发送PacketIn消息，如图4所示，并判断数据包是否是LLDP(链路层发现协议)数据包， 不是的话则执行步骤9，是的话则返回步骤7。

步骤9：根据用户请求信息及实时动态的网络拓扑，通过OpenFlow协议为用户请求建立 全局最短路径并给交换机下发相应的流表项；

NOX控制器收到PacketIn消息后，NOX控制器进行数据包解析获取目的主机地址并找 到与之相连的交换机地址。并通过源、目的交换机地址计算最短路径，为数据包的请求建立 路由并给交换机下发相应的流表项。如图4所示，如果该最短路径不合法，则将数据包洪泛 出去。本实施方式NOX控制器通过向九个支持OpenFlow协议的虚拟交换机发送 OPFT_PORT_MOD消息，规定它们的物理端口行为，例如配置交换机的某个端口，当发生洪 泛时不包括此端口，进而避免网络的广播风暴。

步骤10：当网络发生扩容或者故障后，交换机收集相应的增加或者丢失的链路信息，返 回步骤7；

网络发生扩容后，NOX控制器中的发现应用向路由应用发送datapath-join(链路增加) 事件警告。接收到警告后，路由应用向相关的支持OpenFlow协议的交换机发送更新后的 OPFT_FLOW_MOD消息，从而配置网络扩容后的最短路由路径。网络发生故障后，NOX控 制器中的发现应用向路由应用发送datapath-leave(链路丢失)事件警告。接收到警告后，路 由应用向相关的支持OpenFlow协议的交换机发送更新后的OPFT_FLOW_MOD消息，从而 配置网络发生故障后的路由恢复路径。

如图5所示，在图1所示的原有电力通信网拓扑中添加支持OpenFlow协议的虚拟交换 机Br9，从而模拟电力通信网的扩容场景，同时，两条新的链路和被建 立。当主机1发送的电力数据到达Br8，将发送Packet_In消息到NOX控制器，NOX控制器 中的发现应用向路由应用发送上述datapath-join事件警告，路由应用采用最短路径算法计算 出网络扩容后的最短路由路径为：Br8的7号输入端口→Br8的9号输出端口→Br9的4号输 入端口→Br9的2号输出端口→Br0的9号输入端口→Br0的7号输出端口。路由应用向相关 的支持OpenFlow协议的交换机Br8，Br9和Br0发送更新后的OPFT_FLOW_MOD消息，从 而配置网络扩容后的这条最短路由路径。

如图6所示，在图1所示的原有电力通信网拓扑中删除支持OpenFlow协议的虚拟交换 机Br1，从而模拟电力通信网的故障场景，同时，三条链路和失效。当主机1发送的电力数据到达Br5，将发送Packet_In消息到NOX控制器，NOX控制 器向快速配置转发路径模块发送上述datapath-leave事件警告，快速配置转发路径模块采用最 短路径算法计算出网络发生故障后的路由恢复路径为：Br8的7号输入端口→Br8的6号输出 端口→Br7的6号输入端口→Br7的2号输出端口→Br3的6号输入端口→Br3的2号输出端 口→Br0的6号输入端口→Br0的7号输出端口。路由应用向相关的支持OpenFlow协议的交 换机Br8，Br7，Br3和Br0发送更新后的OPFT_FLOW_MOD消息，从而配置网络发生故障 后的这条路由恢复路径。

图7中扩容场景为电力通信网络发生扩容的情况；故障场景为电力通信网络发生网络故 障的情况，正常场景为电力通信网络未发生扩容和故障的情况。端到端(源地址到目的地址， 发送数据的主机1到接收数据的主机2之间)时延测量采用Ping命令的方法，测量15组数 据再求其平均值。从图7中，可以看出利用本发明的电力通信网络的扩容与抗毁路由路径确 定方法为扩容场景和故障场景计算出的最短路由路径的端到端时延，非常逼近正常场景的最 短路由路径的端到端时延，从而验证了本发明的有效性。