智能電網(wǎng)通信的動態(tài)多播加入新機制研究

　　引言
　　
　　能源緊缺和環(huán)境污染成為世界高度關(guān)注問題。為實現(xiàn)低碳安全能源供應(yīng)，智能電網(wǎng)（Smart Grid）和分布式發(fā)電（Distributed Generation）技術(shù)被各國廣泛深入研究和支持。分布式電源以微網(wǎng)的形式接入到大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，并實現(xiàn)實時監(jiān)測和智能化控制，最終構(gòu)成智能電網(wǎng)，將能夠極大程度提高電力系統(tǒng)運行的可靠性和清潔能源利用率。
　　
　　在智能電網(wǎng)中，眾多的二次設(shè)備利用電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號處理技術(shù)并入數(shù)據(jù)網(wǎng)中，通過可靠通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對電氣量的監(jiān)測和控制。因此建立符合電力運行需求的通信網(wǎng)絡(luò)和傳輸協(xié)議將成為智能電網(wǎng)運行的關(guān)鍵因素。
　　
　　IETF（Internet Engineering Task Force）制定并提供的多標記交換技術(shù)（Multiple ProtocolsLabel Switching , MPLS）標準，能夠很好的支持快速且保證QoS 服務(wù)的通信，成為電力數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)之一。
　　
　　但隨著各種二次設(shè)備的并網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)類型和數(shù)據(jù)量指數(shù)增漲，呈現(xiàn)泛在特性；微網(wǎng)依照供能需求而并網(wǎng)/孤島運行使得整個智能電網(wǎng)具有動態(tài)自組織特定；同時，智能控制需要獲取多類二次設(shè)備的型感知數(shù)據(jù)，綜合判斷決策。單一點對點的單播傳輸模式將不能滿足網(wǎng)絡(luò)需求，因此如何有效的實現(xiàn)MPLS 動態(tài)多播機制已成為目前網(wǎng)絡(luò)研究的熱點。
　　
　　動態(tài)多播路由是多播通信特有的問題，因參與多播的組成員可以隨時加入或離開，使得通信成員具有動態(tài)性。動態(tài)性使得動態(tài)多播路由問題比靜態(tài)多播路由優(yōu)化問題更難解決。MPLS 動態(tài)多播模型的關(guān)鍵性技術(shù)包括標記交換的發(fā)起方式、信令的選擇、多播路由協(xié)議行為對MPLS 多播實現(xiàn)技術(shù)的影響等。本文研究了泛在傳感網(wǎng)絡(luò)的多播標記分配機制，并提出基于RSVP 協(xié)議動態(tài)多播成員加入機制有效控制標記分配，同時RSVP 機制為實現(xiàn)基于QoS 需求的MPLS 多播路由提供了基礎(chǔ)。
　　
　　1 相關(guān)問題分析
　　
　　1.1 MPLS 和LDP 協(xié)議
　　MPLS 技術(shù)能夠很好的支持快速且保證QoS 服務(wù)的通信，現(xiàn)已成為電力數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)之一。其中標簽分配協(xié)議（Label Distribution Protocol, LDP）對單播有很好的支持，基于轉(zhuǎn)發(fā)等價類（Forwarding Equivalence Class, FEC）對同類數(shù)據(jù)流進行控制消息流驅(qū)動轉(zhuǎn)發(fā)[4][5]。
　　
　　1.2 MPLS 多播
　　多播是一種點對多點或多點對多點的通信模式。隨著流媒體在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，多播應(yīng)用日益廣泛。同樣在智能電網(wǎng)中，不同類型分布式電源的間歇運行和負荷變化需要靈活控制微網(wǎng)的接入或孤島運行，控制指令的準確傳輸則需要動態(tài)多播機制保證，即允許多播組中的成員可以隨時動態(tài)加入或離開，因此需要多播機制能夠針對組成員改變適時更新路由，且保證組成員變更時不影響其他成員通信，故動態(tài)路由是多播通信特有的問題。
　　
　　動態(tài)多播路由在極端情況下，可以在每次組成員變化后用靜態(tài)啟發(fā)式算法來重新運算多播樹，但是這樣必將計算時間長、多播樹的重構(gòu)也會造成正在傳送的分組的丟失。因此一個理想的算法應(yīng)是能夠使得每次加入或離開事件后多播樹的變化最小、多播樹的費用最小、而且每次更新事件的時間復(fù)雜度較低。但目前動態(tài)多播路由算法相應(yīng)的研究較少，文獻[6]提出了應(yīng)用于WDM 光網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路由算法，具有一定的拓展性。
　　
　　2 基于 PULL 技術(shù)的動態(tài)多播成員加入機制
　　
　　由上分析可見，LDP 協(xié)議并不適合于MPLS 動態(tài)多播路由。在動態(tài)多播中，一個上游LSR 可能有多個下游LSR。如果采用基于消息流的標簽分配機制，當有成員請求加入多播時，一個上游LSR 要向每個面向下游LSR 的輸出端口發(fā)送一個Label-Request 消息，而每個下游LSR 要向該上游LSR 發(fā)送一個Label-Mapping 消息作為響應(yīng)．由于這些下游LSR 是獨立進行消息響應(yīng)，所以對同一類FEC 可能有多個不同的綁定，故該上游LSR 必須在收到的多個標簽綁定中選擇其一。若多播樹有多層，則網(wǎng)絡(luò)中的控制消息流量將很大，標簽交換路徑(Label Switched Path, LSP)的建立時間也會隨著多播樹層次的增加而急劇加大，降低網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性和可擴展性。
　　
　　因此，需要一種新的標簽分配機制來適應(yīng)MPLS 對動態(tài)多播的支持。當新多播成員申請加入時，能夠有效的控制同一類FEC 標記有效的分配，從而降低多播樹上控制消息流量，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。本文采用PULL 技術(shù)設(shè)計新型的動態(tài)多播路由成員加入機制，描述如下：
　　（1） 當t 時刻成員組Gi 申請加入現(xiàn)有多播組，則發(fā)送多播加入請求報文APR。
　?。?） 依據(jù)網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議（如OSPF，BGP），每一個中間路由器轉(zhuǎn)發(fā)APR 到下一跳路由器，直到多播組中任一成員LSRi 接收到APR。
　　（3） 依據(jù)APR:FEC 查找標記交換表，分配相應(yīng)的輸出標記(OutLabel, OL)，輸出端口(Out Interface, OIF )即為APR 的輸入端口，并將此LST 增加到該LSRi 的標簽交換表中。
　　
　　LST 格式為：
　　FEC IIF IL OIF OL AT其中： FEC: (Forwarding Equivalence Class)該數(shù)據(jù)包所屬的前向轉(zhuǎn)發(fā)等價類；IIF: (Input Interface) LSRi 對此類數(shù)據(jù)包的輸入端口；IL: (Input Label) 輸入標簽；OIF: (Output Interface) 該LSRi 對此類數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)端口；OL: (Output Label) 輸出標簽；AT: (Active Time) 此LST 所需保留時間。
　　LSRi 通過OIF 發(fā)送應(yīng)答消息APP，并初始化探測時間TTL。每個中間LSRj 檢查路由請求，作是否資源預(yù)留判斷：若是，配置LST 并壓入LSRj 的標簽交換表中，轉(zhuǎn)發(fā)APP 到下一跳路由，直到G0；若拒絕，該LSR 發(fā)送Error 消息給G0 和LSRi，各中間LSRj 彈出相應(yīng)的LST 條目。
　　
　　3 PULL 動態(tài)多播成員加入實例和仿真
　　
　　在典型分布式發(fā)電系統(tǒng)中配置基于MPLS 的電力通信網(wǎng)絡(luò)域，初始多播網(wǎng)絡(luò)群(S,G)有2 個接收工作組（多播組I 和多播組III）?，F(xiàn)考慮30KW 風(fēng)機和部分負荷接入網(wǎng)絡(luò)。故需要通信網(wǎng)絡(luò)同步增加多播組II。
　　
　　傳統(tǒng)的動態(tài)多播成員加入機制，即基于上游標記分發(fā)機制，主網(wǎng)解列點處路由器LSRDC首先需要為各空閑端口分配標記，建立此FEC 的多個LST，并壓入LSRDC 的標記交換表中；隨后將各新建標記推向下游每個路由器LSRA/LSRB/LSRC，直至多播組II。當下游路由器收到此類FEC 的標記時，同樣需要建立對應(yīng)的LST，并刷新各自標記交換表。由此可見，動態(tài)多播成員加入過程中，將產(chǎn)生大量的LST。雖然只有最終到達多播組II 的標記是有效標簽，其余均為無效標簽，但一直存儲在各LSR 的標記交換表中，直到AT＝0 才被刪除。
　　而 PULL 動態(tài)多播成員加入機制是由多播組發(fā)起并發(fā)送多播加入請求APR，推向多播樹接入點LSRDC，所以各中間路由器LSRB 僅需為同一類FEC 分配單個LST 以完成LSP 建立。給出了新增多播組成員與所需LST 關(guān)系曲線。
　　
　　4 結(jié)論
　　
　　MPLS 技術(shù)被電力數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用，針對分布式能源并網(wǎng)運行，如何更好的支持多播服務(wù)以成為目前研究的熱點?，F(xiàn)有動態(tài)多播協(xié)議的成員加入多采用流入控制信息標記觸發(fā)模式，即是一種“推”的方式，由上游LSR 截取來自下游LSR 輸入控制消息，從而觸發(fā)LDP 向下游發(fā)送標記綁定請求。由于是上游LSR“推出”標記綁定請求，所以需要對每個輸出端口分配OL，導(dǎo)致標記的浪費。當多播樹規(guī)模不斷擴大時，問題越顯突出，因此限制了MPLS 多播實現(xiàn)的可擴展性。
　　
　　本文通過對 MPLS 技術(shù)和現(xiàn)有的多播標簽的分配機制的分析，提出了基于PULL 動態(tài)多播成員加入?yún)f(xié)議采用流出控制信息觸發(fā)標記分發(fā)，是“拉”的方式，當下游LSR 向上游LSR 發(fā)出控制消息時，同時截獲輸出控制消息觸發(fā)LDP 向上游發(fā)送標記綁定請求，OL 的僅分配給多播加入成員，有效控制了成員加入過程控制流量過大的問題，使MPLS 動態(tài)多播具有很好的可擴展性。新型多播組成員加入機制對分布式能源系統(tǒng)的智能可靠并網(wǎng)供能提供了實現(xiàn)可能。