解析智能电网通信的动态多播加入新机制

　　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。分布式能源定义：由下列发电系统组成，这些系统能够在消费地点或很近的地方发电（1）高效的利用发电产生的废能-生产热和电（2）现场端的可再生能源系统（3）包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。这些系统归为分布式能源系统，而不考虑这些项目的规模、燃料或技术，及该系统是否联网等条件。分布式能源的先进技术包括太阳能利用、风能利用、燃料电池和燃气冷热电三联供等多种形式。

　　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智能电网（smart power grids），就是电网的智能化，也被称为"电网2.0",它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。在现代电网的发展过程中，各国结合其电力工业发展的具体情况，通过不同领域的研究和实践，形成了各自的发展方向和技术路线，也反映出各国对未来电网发展模式的不同理解。近年来，随着各种先进技术在电网中的广泛应用，智能化已经成为电网发展的必然趋势，发展智能电网已在世界范围内形成共识。从技术发展和应用的角度看，世界各国、各领域的、学者普遍认同以下观点：智能电网是将先进的传感测量技术、信息通信技术、分析决策技术、自动控制技术和能源电力技术相结合，并与电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网。

　　IETF（Internet Engineering Task Force）制定并提供的多标记交换技术（Multiple ProtocolsLabel Switching , MPLS）标准，多协议标签交换（MPLS）是一种用于快速数据包交换和路由的体系，它为网络数据流量提供了目标、路由、转发和交换等能力。更特殊的是，它具有管理各种不同形式通信流的机制。MPLS 独立于第二和第三层协议，诸如 ATM 和 IP.它提供了一种方式，将 IP 地址映射为简单的具有固定长度的标签，用于不同的包转发和包交换技术。它是现有路由和交换协议的接口，如 IP、ATM、帧中继、资源预留协议（RSVP）、开放短路径优先（OSPF）等等。在 MPLS 中，数据传输发生在标签交换路径（LSP）上。LSP 是每一个沿着从源端到终端的路径上的结点的标签序列。现今使用着一些标签分发协议，如标签分发协议（LDP）、RSVP 或者建于路由协议之上的一些协议，如边界网关协议（BGP）及 OSPF.因为固定长度标签被插入每一个包或信元的开始处，并且可被硬件用来在两个链接间快速交换包，所以使数据的快速交换成为可能。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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、多播树的费用、而且每次更新事件的时间复杂度较低。

　　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。

　　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。

　　（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。

　　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。

　　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。