智能电网通信的动态多播加入新机制研究

　　引言
　　
　　能源紧缺和环境污染成为世界高度关注问题。为实现低碳安全能源供应，智能电网（Smart Grid）和分布式发电（Distributed Generation）技术被各国广泛深入研究和支持。分布式电源以微网的形式接入到大电网并网运行，并实现实时监测和智能化控制，最终构成智能电网，将能够极大程度提高电力系统运行的可靠性和清洁能源利用率。
　　
　　在智能电网中，众多的二次设备利用电子技术、通信技术和信号处理技术并入数据网中，通过可靠通信网络实现对电气量的监测和控制。因此建立符合电力运行需求的通信网络和传输协议将成为智能电网运行的关键因素。
　　
　　IETF（Internet Engineering Task Force）制定并提供的多标记交换技术（Multiple ProtocolsLabel Switching , MPLS）标准，能够很好的支持快速且保证QoS 服务的通信，成为电力数字传输网络的首选技术之一。
　　
　　但随着各种二次设备的并网，网络中业务类型和数据量指数增涨，呈现泛在特性；微网依照供能需求而并网/孤岛运行使得整个智能电网具有动态自组织特定；同时，智能控制需要获取多类二次设备的型感知数据，综合判断决策。单一点对点的单播传输模式将不能满足网络需求，因此如何有效的实现MPLS 动态多播机制已成为目前网络研究的热点。
　　
　　动态多播路由是多播通信特有的问题，因参与多播的组成员可以随时加入或离开，使得通信成员具有动态性。动态性使得动态多播路由问题比静态多播路由优化问题更难解决。MPLS 动态多播模型的关键性技术包括标记交换的发起方式、信令的选择、多播路由协议行为对MPLS 多播实现技术的影响等。本文研究了泛在传感网络的多播标记分配机制，并提出基于RSVP 协议动态多播成员加入机制有效控制标记分配，同时RSVP 机制为实现基于QoS 需求的MPLS 多播路由提供了基础。
　　
　　1 相关问题分析
　　
　　1.1 MPLS 和LDP 协议
　　MPLS 技术能够很好的支持快速且保证QoS 服务的通信，现已成为电力数字传输网络的首选技术之一。其中标签分配协议（Label Distribution Protocol, LDP）对单播有很好的支持，基于转发等价类（Forwarding Equivalence Class, FEC）对同类数据流进行控制消息流驱动转发[4][5]。
　　
　　1.2 MPLS 多播
　　多播是一种点对多点或多点对多点的通信模式。随着流媒体在网络中的传输，多播应用日益广泛。同样在智能电网中，不同类型分布式电源的间歇运行和负荷变化需要灵活控制微网的接入或孤岛运行，控制指令的准确传输则需要动态多播机制保证，即允许多播组中的成员可以随时动态加入或离开，因此需要多播机制能够针对组成员改变适时更新路由，且保证组成员变更时不影响其他成员通信，故动态路由是多播通信特有的问题。
　　
　　动态多播路由在极端情况下，可以在每次组成员变化后用静态启发式算法来重新运算多播树，但是这样必将计算时间长、多播树的重构也会造成正在传送的分组的丢失。因此一个理想的算法应是能够使得每次加入或离开事件后多播树的变化最小、多播树的费用最小、而且每次更新事件的时间复杂度较低。但目前动态多播路由算法相应的研究较少，文献[6]提出了应用于WDM 光网络的动态路由算法，具有一定的拓展性。
　　
　　2 基于 PULL 技术的动态多播成员加入机制
　　
　　由上分析可见，LDP 协议并不适合于MPLS 动态多播路由。在动态多播中，一个上游LSR 可能有多个下游LSR。如果采用基于消息流的标签分配机制，当有成员请求加入多播时，一个上游LSR 要向每个面向下游LSR 的输出端口发送一个Label-Request 消息，而每个下游LSR 要向该上游LSR 发送一个Label-Mapping 消息作为响应．由于这些下游LSR 是独立进行消息响应，所以对同一类FEC 可能有多个不同的绑定，故该上游LSR 必须在收到的多个标签绑定中选择其一。若多播树有多层，则网络中的控制消息流量将很大，标签交换路径(Label Switched Path, LSP)的建立时间也会随着多播树层次的增加而急剧加大，降低网络的动态性和可扩展性。
　　
　　因此，需要一种新的标签分配机制来适应MPLS 对动态多播的支持。当新多播成员申请加入时，能够有效的控制同一类FEC 标记有效的分配，从而降低多播树上控制消息流量，提高网络传输能力。本文采用PULL 技术设计新型的动态多播路由成员加入机制，描述如下：
　　（1） 当t 时刻成员组Gi 申请加入现有多播组，则发送多播加入请求报文APR。
　　（2） 依据网络层路由协议（如OSPF，BGP），每一个中间路由器转发APR 到下一跳路由器，直到多播组中任一成员LSRi 接收到APR。
　　（3） 依据APR:FEC 查找标记交换表，分配相应的输出标记(OutLabel, OL)，输出端口(Out Interface, OIF )即为APR 的输入端口，并将此LST 增加到该LSRi 的标签交换表中。
　　
　　LST 格式为：
　　FEC IIF IL OIF OL AT其中： FEC: (Forwarding Equivalence Class)该数据包所属的前向转发等价类；IIF: (Input Interface) LSRi 对此类数据包的输入端口；IL: (Input Label) 输入标签；OIF: (Output Interface) 该LSRi 对此类数据包的转发端口；OL: (Output Label) 输出标签；AT: (Active Time) 此LST 所需保留时间。
　　LSRi 通过OIF 发送应答消息APP，并初始化探测时间TTL。每个中间LSRj 检查路由请求，作是否资源预留判断：若是，配置LST 并压入LSRj 的标签交换表中，转发APP 到下一跳路由，直到G0；若拒绝，该LSR 发送Error 消息给G0 和LSRi，各中间LSRj 弹出相应的LST 条目。
　　
　　3 PULL 动态多播成员加入实例和仿真
　　
　　在典型分布式发电系统中配置基于MPLS 的电力通信网络域，初始多播网络群(S,G)有2 个接收工作组（多播组I 和多播组III）。现考虑30KW 风机和部分负荷接入网络。故需要通信网络同步增加多播组II。
　　
　　传统的动态多播成员加入机制，即基于上游标记分发机制，主网解列点处路由器LSRDC首先需要为各空闲端口分配标记，建立此FEC 的多个LST，并压入LSRDC 的标记交换表中；随后将各新建标记推向下游每个路由器LSRA/LSRB/LSRC，直至多播组II。当下游路由器收到此类FEC 的标记时，同样需要建立对应的LST，并刷新各自标记交换表。由此可见，动态多播成员加入过程中，将产生大量的LST。虽然只有最终到达多播组II 的标记是有效标签，其余均为无效标签，但一直存储在各LSR 的标记交换表中，直到AT＝0 才被删除。
　　而 PULL 动态多播成员加入机制是由多播组发起并发送多播加入请求APR，推向多播树接入点LSRDC，所以各中间路由器LSRB 仅需为同一类FEC 分配单个LST 以完成LSP 建立。给出了新增多播组成员与所需LST 关系曲线。
　　
　　4 结论
　　
　　MPLS 技术被电力数据传输网络广泛应用，针对分布式能源并网运行，如何更好的支持多播服务以成为目前研究的热点。现有动态多播协议的成员加入多采用流入控制信息标记触发模式，即是一种“推”的方式，由上游LSR 截取来自下游LSR 输入控制消息，从而触发LDP 向下游发送标记绑定请求。由于是上游LSR“推出”标记绑定请求，所以需要对每个输出端口分配OL，导致标记的浪费。当多播树规模不断扩大时，问题越显突出，因此限制了MPLS 多播实现的可扩展性。
　　
　　本文通过对 MPLS 技术和现有的多播标签的分配机制的分析，提出了基于PULL 动态多播成员加入协议采用流出控制信息触发标记分发，是“拉”的方式，当下游LSR 向上游LSR 发出控制消息时，同时截获输出控制消息触发LDP 向上游发送标记绑定请求，OL 的仅分配给多播加入成员，有效控制了成员加入过程控制流量过大的问题，使MPLS 动态多播具有很好的可扩展性。新型多播组成员加入机制对分布式能源系统的智能可靠并网供能提供了实现可能。