信息中心智能电网中软件定义的全路径时间同步方法

摘要

本发明提供了一种信息中心智能电网中软件定义的全路径时间同步方法，在基于命名的缓存路由中，利用缓存路由器中的待定兴趣表PIT和转发信息表FIB两个功能模块，数据包从兴趣包到达的同一条路径返回，该条路径上的所有节点实现一次同步，同时通过SDN控制器来管理时间同步过程，从而在大型网络上平衡效率和准确性。本发明方法引入了软件定义的方法来实现大规模智能电网中的灵活性，可控性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种信息中心智能电网中软件定义的全路径时间同步方法。

背景技术

智能电网是基于传统电网开发的，一般按照发电，输电，配电和电力控制这四个部分进行管理。与传统电网相比，智能电网的创建是通过双向流动来打破单向流量和集中发电的局限性，并且由于分布式能源智能电网也逐渐向分布式网络发展。随着从集中供电系统向更加分散化的系统转变，考虑到小型分布式发电厂，智能电网的需求正在发生变化，控制复杂度日益提高。作为未来电力电网有发展前景的基础设施，智能电网的特点是通过提高效率，可靠性和安全性与自动化控制和现代通信技术，如无线网络、ICN和SDN等满足电网新的要求。

信息中心智能电网中每一步，如发电，配电，消耗电力都是相互关联，互相影响的。由于缓存路由器与用户侧和电网侧都存在信息交互。因此在信息中心智能电网中，缓存路由器需要与用户侧节点还有电网实体都保持同步，具有全路径时间同步的基本要求。此外，智能电网放弃了集中控制，电网中的决策和控制基于多个路径缓存路由器和电网设备。因此，智能电网实体和路径中缓存路由器之间的数据交付导致了全路径时间同步要求。然而，现有的时间同步方案都是基于IP网络，它们不能直接应用于ICN，最重要的是它们不支持全路径时间同步。ICN中的缓存路由器可以进行内容存储缓存和重用数据包并与智能电网实体进行交互，与IP网络不同。另一方面，现有的时间同步方案在大规模的灵活和动态智能电网上缺乏全面的时间同步管理方案。SDN已经被引入以实现信息中心智能电网的动态和灵活性。

因为ICN(信息中心网络)采用命名数据而不是IP地址，它可以直接查找和获取基于数据包名称的信息，如果请求的数据已经缓存并且有效，用户可以从附近的缓存中获取数据包。另一方面，由于数据平面和控制平面的解耦合，软件定义的网络在大规模网络中实现了灵活，动态的控制和管理。因此，ICN提供高效率的数据传输，同时SDN增加了网络架构的灵活性。作为新兴网络模式，ICN和SDN已经应用于智能电网，这是一个研究热点问题。

首先，在智能电网中采用ICN可以提高智能电网的性能。信息与位置的分离增加了智能电网的安全性，信息中心智能电网中的缓存路由器提供高效的数据传输和能量分配。信息中心智能电网通信框架，采用发布/订阅范式来支持智能电网实体之间的通信，以利用ICN在灵活性方面的优势。此外，电网异常情况，这种范式可以通过简单的重新配置来有效地处理。

其次，SDN框架有可能解决智能电网在电力和通信方面遇到的许多挑战。使用SDN框架使控制平面和数据平面分离，实现的简单转发设备和逻辑集中控制器。目前已经有研究提出了基于SDN的智能电网框架来实现智能电网的动态管理。另外，也已经有文献提出了SDN框架内的ICN架构的设计，可以组合ICN和SDN的优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种信息中心智能电网中软件定义的全路径时间同步方法，结合了ICN的具体特点并针对大型智能电网做定制化设计，引入了软件定义的方法来实现大规模智能电网中的灵活性，可控性和可靠性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种信息中心智能电网中软件定义的全路径时间同步方法，在基于命名的缓存路由中，利用缓存路由器中的待定兴趣表PIT和转发信息表FIB两个功能模块，数据包从兴趣包到达的同一条路径返回，该条路径上的所有节点实现一次同步，同时通过SDN控制器来管理时间同步过程，从而在大型网络上平衡效率和准确性。

首先选择一个节点作为主节点同步，然后主节点作为时间同步主题中的提供商，智能电网中的其他实体都是消费者，消费者使用订阅者原语从主题获取时间数据，而提供商使用发布原语将测量数据发布到主题，在时间同步主题中，信息消费者和路径路由的本地时钟根据作为提供商的本地时钟的主时钟进行调整。

消费者订阅步骤包括：通过向其本地DN发送兴趣包来表达其时间同步请求，该节点是ICN节点，并指定主题的标识符，兴趣包由其时间同步的内容名称命名，首先，消费者发送兴趣包并根据自己的本地时钟记录其发送时间T1，智能电网实体都通过ICN节点连接到网络，DN以及汇聚节点RP在转发用户请求的同时，也根据自己的本地时钟记录其发送时间，提供商接收到来自消费者的兴趣包之后根据本地时钟记录其接收时间T2。

提供商发布步骤包括：提供商将数据包发布到其本地DN，数据包覆盖两个时间戳，T2和T3，T2是根据提供商本地时间也就是主时钟记录的兴趣包到达时间，T3是是根据提供商本地时钟记录的时间同步数据包发送时间，由于ICN节点中的PIT和FIB，DN接收到数据包，并通过相同的路径将其转发给消费者，此外，DN记录了本地时钟的接收时间，路径中的所有节点在转发数据包的同时都记录其本地时钟的接收时间，直到消费者接收到该数据包，消费者接收数据包根据本地时间T4记录数据包到达时间，因此，该路径中的每个节点获得四个时间戳，它们都可以根据这四个时间戳信息使用公式(1)(2)计算传播延迟和偏移，并根据主时钟修改其本地时钟，

数据包命名支持扁平化命名和层次化命名两种命名方式。

为在满足准确性要求的前提下减少同步延迟，SDN控制器进行误差估计算法，判断在第k次同步是否可以将路径中的路由器视为同步主时钟，SDN控制器包含北向接口设备、南向接口设备和时间同步服务提供三部分，北向接口设备连接应用层和控制器，同时进行时间同步和控制器之间的通信，时间同步服务提供同步服务、同步误差估计服务和时间戳更新服务，所有兴趣包和时间同步数据包通过流表发送到控制器。

当中间节点已经同步时，消费者在同步误差满足精度要求的条件下，把已经同步的中间节点作为同步主时钟，从而简化消费者和主时钟之间的同步过程，具体如下，

步骤0：消费者发送同步兴趣包；

步骤1：最近的缓存路由器CR1从数据包中提取精度要求，并在收到后向CS查找时间戳；

步骤2：与精度要求相比，CR1进行误差估计；

步骤3：如果误差满足精度要求，CR1更新缓存路由器中数据包的时间戳T2和T3，然后将其转发给消费者，如果误差不满足精度要求，CR1转发兴趣包，CR2重复步骤0-3，当有包含满足精度要求的时间戳信息的时间同步数据包通过原始路径返回时，CR1将其转发给消费者并同步自己的本地时钟。

误差估计的方法具体包括：由于同步误差e和同步周期T之间存在相关关系，这种相关关系用公式(3)表示，其中e₀是微小的不可避免的同步误差，Δf是主时钟与本地时钟震荡频率差，它们在相对较长时间内都可以被认为是常数，可以被测量：

e＝e₀+Δf*T>

误差测量：节点定期发送兴趣包，记录本地时间ti，然后主节点转发主时间戳Ti。主时钟用公式(4)表示：

T_i＝e₀+Δf*t_i>

节点收集若干组时间戳信息{t1,T2,T3,t4}，并用公式(5)估计同步误差e和频率差Δf，

在第k次同步过程中，根据同步周期ΔT_i，主时钟T_i^k，masterr用公式(6)表示，

T_i^k,master＝T_i^k-1,master+ΔT_i>

估计的主时钟用公式(7)表示，

如果T_i^k，masterr和的差值满足精度要求，节点i就可以在同步过程中被视为主时钟。

中间节点在一个信息中心智能电网中的每次数据传输过程中都同步其本地时钟，从而能够实现高频同步，缓存路由器在每个路径中都扮演中间节点的角色，中间节点的本地时钟通过高频同步保持与主时钟的高度同步。

所述智能电网拓扑包括链路网络或二叉树网络。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明是首次在信息中心智能电网中实现全路径时间同步，在基于命名的缓存路由中，利用PIT(待定兴趣表)和FIB(转发信息表)的优势，数据包会从兴趣包到达的同一条路径返回。基于该特征，这条路径上的所有节点可以实现一次同步。这将增加时间同步效率。此外，本发明引入了SDN控制器来管理时间同步过程，从而在大型网络上平衡了两个因素的准确性和效率。最后，本发明关注智能电网的性能。在设计时间同步方案时，强调智能电网的可靠性和安全性，采用这种时间同步方案不影响智能电网的性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提出的全路径时间同步架构；

图2为SDN控制器结构；

图3为简化的全路径时间同步工作图；

图4为链式网络中同步延时的比较；

图5为二元树网络中同步延时的比较。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例中采用pub/sub范式，在每个主题中，数据发布者，即智能电网中的提供商，例如相量测量单元(PMU)，使用发布原语将其测量数据传播到主题，而信息消费者如相量数据集中器(PDC)和有源发电机(APG)利用订阅原语获得他们对该主题感兴趣的数据。

A.基于命名的路径时间同步

为了实现采用ICN的智能电网的时间同步，本发明提出了提供商和消费者之间的软件定义的全路径时间同步方案，如图1所示。整个布局分为三大块，包括OF-ICN控制网络是指信息中心智能电网控制平面，openflow ICN(OF-ICN)网络表示信息中心智能电网中的简单转发平面，最后边缘网络覆盖智能电网实体，例如PMU，PDC。首先选择一个节点作为主节点同步。主时钟应具有良好的稳定性，高精度和高可靠性。然后主节点是时间同步主题中的提供商，智能电网中的其他实体都是消费者。例如，消费者A使用订阅者原语从主题获取时间数据，而提供者(我们选择一个节点作为主节点，并且这是该主题中的提供者)使用发布原语将测量数据发布到主题。在时间同步主题中，信息消费者和路径路由的本地时钟根据作为提供商的本地时钟的主时钟进行调整。

消费者通过向其本地DN(设计节点)发送兴趣包来表达其时间同步请求，该节点是ICN节点，并指定主题的标识符。兴趣包由其时间同步的内容名称命名。首先，消费者发送兴趣包并根据自己的本地时钟记录其发送时间T1。PDC，PMU和其他智能电网实体都通过ICN节点DN连接到网络。DN以及汇聚节点RP在转发用户请求的同时，也根据自己的本地时钟记录其发送时间。提供商接收到来自消费者的兴趣包之后根据本地时钟记录其接收时间T2。订阅步骤完成。根据时间同步请求，提供商发布时间数据。接下来是发布步骤，提供商将数据包发布到其本地DN。数据包覆盖两个时间戳，T2和T3，T2是根据提供商本地时间也就是主时钟记录的兴趣包到达时间，T3是根据提供商本地时钟记录的时间同步数据包发送时间。由于ICN节点中的PIT和FIB，DN接收到数据包，并通过相同的路径将其转发给消费者。此外，DN记录了本地时钟的接收时间。路径中的所有节点在转发数据包的同时都记录其本地时钟的接收时间，直到消费者接收到该数据包。因此，该路径中的每个节点获得四个时间戳，它们都可以根据这四个时间戳信息使用公式(1)(2)计算传播延迟和偏移，并根据主时钟修改其本地时钟。

要构建信息中心智能电网，关键部分是把内容名字作为路由标识而不是目的地址来实现数据传输。在本发明中，数据包格式如图1所示，支持扁平化命名和层次化命名两种命名方案。兴趣包的格式不变，数据包格式被修改但是不改变内容名称。例如，DONA中的内容名字由{P：L}组成，其中P表示信息发布商的公钥的加密散列，L是时间同步的标签，时间同步数据包在其下一个字段中添加两个时间戳。P和L与以前相同，所以P仍然实现自我验证，L也是全网唯一的。另一方面，由于最长的前缀匹配原则，当两个时间戳被添加到层次化命名方案中内容名字的下一个字段时，不会出现聚合问题。

为了实现时间同步方案，存在一些需要考虑的同步要求，如效率，准确性，可扩展性，复杂性，鲁棒性和网络流量开销等。不存在可以满足同步要求的时间同步方案。最重要的是，效率和准确性是两个要平衡的因素。本发明中使用SDN控制器来实现时间同步的综合管理。为在满足准确性要求的前提下减少同步延迟，SDN控制器进行误差估计算法，判断在第k次同步是否可以将路径中的路由器视为同步主时钟。SDN控制器的设计如图2所示，包含北向接口设备，南向接口设备和时间同步服务提供三部分。首先，北向接口设备连接应用层和控制器，同时基于OpenFlow的设备进行时间同步和控制器之间的通信。时间同步服务提供模块同步服务、同步误差估计服务和时间戳更新服务。另外，OF-ICN网关(OF-ICN-GW)用于与SDN控制器的通信。所有兴趣包和时间同步数据包通过流表发送到控制器。

本发明提出的软件定义全路径时间同步方案明显提高了时间同步的效率，然而，如果我们能够在某种程度上放弃准确性，所提出的方案可以实现具有更短延迟的时间同步。当中间节点已经同步时，消费者可以在同步误差满足精度要求的条件下，把已经同步的中间节点作为同步主时钟。消费者和主时钟之间的同步过程可以简化。简化的同步描述如下，如图3所示。

步骤0：消费者发送同步兴趣包；步骤1：最近的缓存路由器CR1从数据包中提取精度要求，并在收到后向CS查找时间戳；步骤2：与精度要求相比，CR1进行估计误差。步骤3：如果误差满足精度要求，CR1更新缓存路由器中数据包的时间戳T2和T3，然后将其转发给消费者，如果误差不满足精度要求，CR1转发兴趣包，CR2重复步骤0-3，当有包含满足精度要求的时间戳信息的时间同步数据包通过原始路径返回时，CR1将其转发给消费者并同步自己的本地时钟。

误差估计：为了估计同步误差，使用最小二乘法来计算同步误差。误差是指主时钟和已经同步的缓存路由器节点之间的时钟偏移，这是因为振荡器频率差和一次同步的固有误差造成的。当含有特定的精度要求的同步兴趣包到达时，使用误差估计来判断保存在CS中的时间戳是否满足准确性要求。考虑到误差e和同步周期T之间存在相关关系，这种方法是合理的。同步周期T是指从上一次同步到现在的时间间隔。这种相关关系可以用公式(3)表示，其中e₀是微小的不可避免的同步误差，Δf是主时钟与本地时钟震荡频率差，它们在相对较长时间内都可以被认为是的常数，可以被测量：

e＝e₀+Δf*T>

误差测量：节点定期发送兴趣包，记录本地时间ti，然后主节点转发主时间戳Ti。主时钟可以用公式(4)表示：

T_i＝e₀+Δf*t_i>

节点收集若干组时间戳信息{t1,T2,T3,t4}，并用公式(5)估计同步误差e和频率差Δf，

在第k次同步过程中，根据同步周期ΔT_i，主时钟T_i^k，masterr可以用公式(6)表示，

T_i^k,master＝T_i^k-1,master+ΔT_i>

估计的主时钟可以用公式(7)表示，

如果T_i^k，masterr和的差值满足精度要求，节点i就可以在同步过程中被视为主时钟。

误差估计算法如下：

B.基于名称的路径时间同步与高频同步

在以信息为中心的网络中，缓存路由器(CR)与IP网络中的路由器不同。缓存路由器有三个附加的核心功能模块，内容存储(CS)，待处理的兴趣表(PIT)和转发信息库(FIB)。当CR获取内容存储区中没有匹配数据包的兴趣数据包时，它会通知PIT记录到达的接口，并要求向FIB发送前向接口。此外，当CR从提供商获取数据包时，它会根据PIT中的名字查找兴趣数据包的到达接口。因为在信息中心网络中供应商返回的数据包会通过与消费者发布兴趣包相同的路径，因此，在同步中，该路径中的每个节点可以获得四个时间戳，以实现其本地时钟的同步。

例如，如图1所示，消费者A在本主题中要与供应商同步，兴趣包通过路径A(图1中的消费者A-DNA-RP-DNB-提供商)路径包含消费者A，ICN节点DNA，DNB，缓存路由器RP和提供商，然后数据包也会通过路径A返回。消费者A和ICN节点DNA，DNB以及缓存路由器RP均根据提供商的时钟信息修改其本地时钟。然后，消费者B也想要与提供商同步，兴趣包通过路径B(图1中的消费者B-DNC-RP-DNB-提供商)路径包含消费者B，ICN节点DNC，DNB，缓存路由器RP和提供商，同样的，提供商返回的时间同步数据包也通过路径B返回。因此，路径B中的所有节点会根据主时钟修改其本地时钟。DNB和RP不仅在路径A中，也在路径B中。也就是说，它们将同步本地时钟两次。

在一个复杂的信息中心智能电网中，中间节点在每次数据传输过程中都将同步其本地时钟，可以实现高频同步。显然，高频同步导致高精度同步。缓存路由器在每个路径中都扮演中间节点的角色。此外，中间节点的本地时钟通过高频同步保持与主时钟的高度同步。

本发明提出了一种软件定义的路径时间同步方案。由于数据包通过与兴趣数据包相同的路由路径转发给消费者的特殊功能，它实现了路径时间同步。另外，缓存路由器实现了高频同步。随着智能电网的发展，许多新节点加入网络，网络规模不断扩大，我们的发明逐渐显示出通信效率的优势。此外，我们的提案中的SDN控制器维护了一个误差估计算法，它由误差测量阶段和判断阶段组成。判断缓存路由器是否可以根据一个同步点的精度要求作为主节点。SDN控制器管理时间同步全面，平衡精度和效率。我们提出的软件定义的路径时间同步方案的特点是高效率和增强的动态特性，是信息中心智能电网的两个重要指标。

本发明提出的信息中心智能电网中的软件定义全路径时间同步方案优于传统的pair-wise同步方案。在通信效率方面，本发明提出的时间同步方案具有很大优势。提出的时间同步方案的通信效率满足智能电网规模扩张的需要。与传统的pair-wise时间同步方案相比，提出的路径时间同步方案在有效性方面有很大的提高，特别是当存在大量节点时。

假设模拟拓扑是链结构。假设节点数为n，每个链路的延迟包括传输延迟d和处理延迟a。本发明提出的全路径时间同步方案和传统配对方案的同步延迟由公式(8)和(9)表示，公式(10)是它们之间的差值。

delay_p＝(n-1)d+(n-1)a>

本发明提出的全路径时间同步方案在节点数量巨大时具有越来越明显的优势。图4是ns-3仿真软件的仿真结果，验证了前面的理论分析。在仿真中，消费者每10ms发送一个兴趣数据包，每个链路的数据速率是1Mbps，这两个方案的比较如图4所示。结果表明，采用提出的路径时间同步方案的延迟时间远远低于传统pair wise时间同步方案。最重要的是，本发明提出的全路径时间同步方案提高了通信效率。

然而，在大多数情况下，网络拓扑是二叉树。在这种情况下，提出的路径时间同步方案仍然优于传统的pair wise时间同步方案。一方面，我们仍然可以看到通信效率的提升。在这种情况下，叶节点与根节点进行通信，同时叶节点和中间节点都与根节点同步。然而，当采用传统的pairwise时间同步方案时，第二层节点首先与根节点同步，然后每层与上层同步。传播延迟相同，采用本发明提出的全路径时间同步方案的处理延迟较短。当采用传统的pairwise时间同步方案时，上层节点修改其本地时钟，然后修改前向时间同步包。比较这两种时间同步方案，延迟时间的差异可以通过公式(11)：

Δ_delay＝(n-1)a>

其中，n是二叉树拓扑的层数，a是处理延迟。ns-3仿真结果如图5所示。另一方面，在传统的时间同步方案中，节点与上层节点而不是根节点同步，算法引起的误差可以从上层到下层积累。考虑到同步精度，它不如提出的路径时间同步方案。

综上所述，无论在链路网络还是二叉树网络中，提出的路径时间同步方案具有较高的通信效率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。