基于SDN的云边协同架构在电力信息系统的应用

赵一辰，余竞航

（国网江苏省电力有限公司信息通信分公司，南京 210024）

0 引言

为缓解云计算中心存在的网络计算压力和满足用户对业务的体验需求，边缘计算方案日渐成熟［1-2］。通过在本地部署具有一定算力的边缘计算设备，可以为用户提供实时性需求反馈，处理部分任务，但在某些情况下仍需要强算力支撑，例如边缘智能设备对故障巡检，因算力限制可能会对一些罕见故障产生误判，此时便可以借助云计算平台的算力，进行精确判断［3-4］。实现云边协同的关键在于如何有效、统一地管理、协调云边网络的各种资源，并且体现全局的控制和开放属性，灵活开发可编程的SDN 网络被认为是实现云边协同的有效途径［5-6］。

1 基础理论

随着物联网和5G 技术的高速发展，电力行业加快新型电力系统建设，越来越多的边缘终端设备接入到复杂网络，如电力公司的用电信息采集系统和各类设备巡检系统，均需要大量的数据交互来支撑，采集的数据量呈指数递增［7］。云数据中心提供了超强的计算和存储能力，但是针对瞬时大数据量的计算场景，由于网络带宽和处理能力的上限，云数据中心的处理速度很难达到实时性［8］。边缘计算作为云计算的延伸和补充，通过边缘计算和云计算的协同工作，有效解决实时性的问题［9-10］。

2 框架设计

基于SDN 的云边协同在电力行业的框架主要包括云边协同架构设计、云边协同系统、云边组网等相关内容。

2.1 架构设计

核心云计算中心和边缘云计算中心的协同需要控制平台进行支撑，连接云边的计算环境，基于SDN 的云边协同架构，主要由核心云、边缘云、SDN 集中控制平台构成，基于SDN 的云边协同架构如图1所示。

图1 基于SDN的云边协同架构

其中核心云和边缘云均采用SDN 组网方案，SDN 集中控制平台与云边的SDN 控制器互联，逻辑上进行集中控制，将核心云和边缘云的网络和计算资源统一整合形成视图。根据边缘云的任务时间资源需求，SDN 集中控制平台可进行路径优化，提供任务充足带宽的链路并将其转发至可支配计算资源多的数据中心，提高任务的处理效率。其次SDN 集中控制平台可在北向提供统一应用接口，实现自动化业务编排、配置下发，降低云边网络管理的复杂度。

2.2 云边协同系统

电力行业的信息化具有接入设备多的特点，基于电力业务实际情况与电网数字化转型要求，某省电力公司将SDN 云边协同架构应用于电力信息系统，建立SDN 集中控制平台，管理省公司云数据中心与地市边缘数据中心的SDN 控制器集群。电力云边协同架构示意图如图2所示。

图2 电力云边协同架构示意图

SDN 控制平台支持云边业务的统一编排和运维，提供可视化的网络编排功能；南向对接核心云数据中心和边缘数据中心的SDN 控制器，SDN 控制器管理物理设备，提供物理资源的虚拟化管理和虚拟网络的运维部署。控制平面主要由编排层、控制层、网络层组成。控制平面如图3所示。

图3 控制平面

控制平面北向由GUI 界面下发指令，南向对接云边SDN 网络的控制器。控制层的业务编排服务处理来自前端的租户、网络等业务请求；北向服务定制功能组件，通过上传定制包文件功能，提供自定义网络业务发放能力，并动态生成北向服务REST API接口；Driver Manager 管理SDN控制器driver插件，控制平台需要安装相应SDN 控制器的插件，才能对SDN 控制集群进行控制；driver 插件南向与站点对接，将Driver Manger分发的业务编排下发到站点。

2.3 云边组网

云边SDN的组网结构一致，均采用Spine-leaf架构。overlay 的数据平面使用虚拟网络技术，控制平面采用二层网络互联的虚拟通道技术。云边组网逻辑结构如图4所示。

图4 云边组网逻辑结构

控制平台首先与云边站点建立连接，根据网络规划需求，设置用于互通的VNI 资源池，并向站点推送网络资源，创建逻辑Fabric 网络，将互通站点的设备组加入到逻辑网络设备组中。此后，云边站点根据实际互通需求编排租户、虚拟路由器、网关、防火墙等资源。最后在逻辑Fabric 业务发放拓扑编排视图，视图下根据互通需求创建虚拟传输路由。

3 应用场景

随着输电网络的不断扩大，架空输电线路的长度越来越长，输电网络的巡检和维护负担也在不断增加，无人机凭借安全、灵活的特点，在高压输电线路、配电网巡检中应用广泛。在无人机巡检中，对输电线路进行图像缺陷检测是核心工作之一，其关键在于检测模型的精度和速度，模型的更迭与训练一直是难题。借助云边协同，云计算中心依靠大量数据完成模型训练，并直接将模型部署到边缘节点，由边缘节点结合实际环境进行测试，并进行反馈，便于云数据中心对模型进行优化，可极大提高无人机巡检模型的更迭升级，提高智能巡检的效率。

目前电力行业的业务应用正在虚拟化、容器化，业务迅速上线已经成为基本需求。结合SDN 系统，可以统一下发业务所需的虚拟地址、网关、防火墙等网络配置，帮助业务迅速上线。同时借助系统的云边协同属性，无论是云计算中心还是地市边缘云，都可以将优化后的业务版本迅速滚动更新至全省系统。

电力系统的智能化发展，提高了用户用电需求的处理效率，但也带来了大量的网络流量。用电信息采集系统通过边缘终端采集全省的用电数据，再传入云端数据中心，在用电高峰期，极易出现网络拥塞延迟的问题。基于SDN 的云边协同，可以在全局视角对整个电力系统的网络进行流量监控，SDN 转控分离的性质，可以将网络流量全部镜像至流量分析器，实时展示系统的网络情况，一旦出现拥塞风险，可以利用SDN 及时规划新的网络流量的流向路线，协调云边的工作，减轻负载的网络压力。

4 结语

综上所述，现有电力信息系统无法满足海量终端数据的处理需求，需要构建新型的数据传输架构，分析了云边协同架构的优势和难点，探讨了SDN 技术在云边协同应用中的可行性，并详细解析了基于SDN 的云边协同架构在电力系统中的应用情况。下一步，将继续拓宽SDN云边协同框架在电力系统中的应用范围，将电力系统的特点与物联信息技术更好地结合起来，提高SDN 控制器的可靠性和整个架构的安全性，促进电力行业的数字化发展。