吳  崢1，唐志紅2，饒  強2，周  正2，馮偉東2

　?。?. 國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430000）

　?。?. 國網(wǎng)湖北省電力公司信息通信公司，湖北 武漢 430077）

　　摘  要： 智能電網(wǎng)中,大量的智能設備、數(shù)據(jù)采集終端都部署在電網(wǎng)中的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電各個環(huán)節(jié),這將產(chǎn)生海量的IP地址需求，所以必然需要發(fā)展IPv6技術來滿足這一需求。本文結合國家電網(wǎng)公司智能終端發(fā)展現(xiàn)狀，研究了基于不同IPv6過渡技術下的智能終端通信技術，提出了三種智能終端的改造方案。

　　關鍵詞： IPv6；終端改造；智能電網(wǎng)；智能終端

0 引言

　　隨著電網(wǎng)智能化程度的提高及維護和運行管理自動化的升級，智能電網(wǎng)中的設備將會帶有Internet協(xié)議（IP）地址。例如：在智能變電站中，符合IEC 61850的設備都將帶有IP地址，以便于維護和運行管理。

　　以信息化、自動化、互動化為特征的智能電網(wǎng)對IP地址需求強烈。電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)將越來越多地采用IP化的信息通信技術，包括：（1）發(fā)電專業(yè)的智能化過程中，常規(guī)電源網(wǎng)廠協(xié)調、新能源發(fā)電并網(wǎng)、大容量儲能系統(tǒng)并網(wǎng)等技術領域；（2）輸電專業(yè)的智能化過程中，柔性直流輸電、柔性交流輸電、線路狀態(tài)與運行環(huán)境監(jiān)測等技術領域；（3）變電專業(yè)的智能化過程中，智能變電站內全站集、智能用能服務、電動汽車充放電、智能量測等技術領域；（4）調度專業(yè)的智能化過程中，電網(wǎng)調度技術支持系統(tǒng)、電網(wǎng)運行集中監(jiān)控系統(tǒng)等技術領域。

　　同時，隨著傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術的大量采用，以及資產(chǎn)壽命的全生命周期管理，對IP地址的需求也將越來越迫切。通信信息專業(yè)是加強智能電網(wǎng)的支撐平臺，輸電、配電和用電側通信網(wǎng)、業(yè)務網(wǎng)、通信支撐網(wǎng)、智能電網(wǎng)信息基礎平臺、智能電網(wǎng)信息應用平臺、通信與信息安全等技術領域，對IP地址的需求也很強烈。而IPv6是現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)基礎協(xié)議的唯一選擇，國際和國內也發(fā)布了智能電網(wǎng)標準體系研究成果。可見，電網(wǎng)智能化的發(fā)展離不開IP地址的標識，必然需要IPv6技術。

　　國家電網(wǎng)公司現(xiàn)有智能終端數(shù)量巨大，種類繁多，所以智能終端的改造方案需要具有成本節(jié)約，實現(xiàn)簡單，便于部署的特點，并且具有普遍適用性。

　　本文對智能電網(wǎng)中智能終端IPv6改造技術進行了詳細研究，并提出了基于相關技術的終端改造方案。

1 過渡技術下的智能終端通信技術

　　（1）基于雙棧的智能終端通信技術

　　雙棧是單個節(jié)點同時實現(xiàn)完整的IPv4和IPv6協(xié)議棧[1]。兩種協(xié)議基于相同的網(wǎng)絡設施獨立運行。實現(xiàn)隧道、翻譯等其他過渡技術的基礎，主要解決IPv4與IPv6如何共存的問題。協(xié)議結構如圖1所示。

　　雙棧的工作方式是以IPv6節(jié)點的身份與其他IPv6節(jié)點通信，以IPv4節(jié)點的身份與其他IPv4節(jié)點通信，獨立地進行IPv4和IPv6數(shù)據(jù)包的處理和轉發(fā)，如圖2所示。

　　雙棧通過靜態(tài)配置或DHCP方式配置IPv4地址，通過靜態(tài)配置、無狀態(tài)自動配置或DHCPv6的方式配置IPv6地址[2-4]。

　　雙棧的域名解析器必須能夠處理IPv4的A記錄和IPv6的AAAA記錄，并且可以將解析結果排序返回，從而實現(xiàn)IPv6優(yōu)先。DNS數(shù)據(jù)包可以由IPv4或IPv6承載。

　　雙棧的優(yōu)點有：無信息丟失，處理效率高，易于理解，互通性好，適于過渡全過程，網(wǎng)絡規(guī)劃較簡單，在IPv6邏輯網(wǎng)絡中可以充分發(fā)揮IPv6協(xié)議的所有優(yōu)點（如安全性、路由約束、流的支持等）。

　　雙棧的缺點有：資源占用多，運維復雜，無法實現(xiàn)IPv4和IPv6的互訪，不能解決IPv4地址短缺問題；對網(wǎng)元設備的要求較高，要求其維護大量的協(xié)議和數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡升級改造將牽涉到網(wǎng)絡中的所有網(wǎng)元設備，投資大、建設周期比較長。

　　所以對于國家電網(wǎng)公司中的終端設備，如果只部署雙棧技術，會在成本和建設周期這兩個方面無法滿足現(xiàn)實的需求。

　　（2）基于翻譯的智能終端通信技術

　　翻譯技術主要是指一種協(xié)議轉換成另一種協(xié)議。雙棧策略解決了IPv6與IPv4的共存問題，但是在網(wǎng)絡的過渡時期不可能要求所有的主機或終端都升級支持雙棧，在網(wǎng)絡中必然存在純IPv4主機和純IPv6主機之間進行通信的需求，由于協(xié)議棧的不同因此很自然地需要對這些協(xié)議進行翻譯轉換，如圖3所示。

　　對應協(xié)議的翻譯可以分為兩個層面來進行，一方面是IPv4與IPv6協(xié)議層的翻譯，另一方面是 IPv4應用與IPv6應用之間的翻譯。前者主要是通過NAT64技術實現(xiàn)的，后者則可以通過應用層網(wǎng)關 ALG來實現(xiàn)，但并不是所有的應用層協(xié)議都需要 ALG[7]。NAT64實現(xiàn)了網(wǎng)絡層的協(xié)議翻譯；應用層網(wǎng)關則實現(xiàn)應用層的協(xié)議翻譯，對于不同的應用，需要配置不同的應用層網(wǎng)關。

　　翻譯技術的優(yōu)點是不需要進行IPv4、IPv6節(jié)點的升級改造，缺點是IPv4節(jié)點訪問IPv6節(jié)點的實現(xiàn)方法比較復雜，網(wǎng)絡設備進行協(xié)議轉換、地址轉換的處理開銷較大。因此該策略一般是在其他互通方式無法使用的情況下使用。

　?。?）基于隧道的智能終端通信技術

　　隧道技術主要指一種協(xié)議封裝于另一種協(xié)議。主要分為兩大類型：使用IPv4報頭封裝IPv6報文6over4[5]隧道和使用IPv6報頭封裝IPv4報文的4over6[6]隧道。如圖4所示。

　　隧道有三個關鍵組件：隧道入口（Tunnel Initiator，TI）：執(zhí)行封裝；隧道出口（Tunnel Concentrator，TC）：執(zhí)行解封裝；隧道管理：建立、拆除隧道。

　　隧道的優(yōu)點有：無信息丟失，網(wǎng)絡運維比較簡單；只要求在隧道的入口和出口處進行修改，不需要進行IPv4、IPv6節(jié)點的升級改造，非常容易實現(xiàn)，具有普遍適用性；能夠充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡投資，節(jié)約成本。所以本文選擇使用基于隧道的智能終端通信技術來實現(xiàn)智能終端改造。

2 智能終端改造方案

　　對于現(xiàn)有的具備IPv4網(wǎng)絡功能的終端可以通過兩種改造方式接入IPv6網(wǎng)絡，分別是臨近網(wǎng)絡接入點集中改造方案和外掛IPv6通信模塊改造方案。對于原本不具有IPv4網(wǎng)絡功能的終端也可以使用外掛IPv6通信模塊改造方案實現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡接入。

　?。?）臨近網(wǎng)絡接入點集中改造方案

　　通過對原終端集中接入點進行雙棧改造，并部署4over6隧道，可以以隧道的形式實現(xiàn)IPv4終端的IPv6網(wǎng)絡接入，如圖5所示。

　　這種方案相對于對每個終端逐個改造的方案具有改造工作量小的特點，可以實現(xiàn)海量級終端的快速部署。

　?。?）外掛IPv6通信模塊改造方案

　　外掛IPv6通信模塊是最具有普適意義的改造方案，無論終端原來是否具有IP網(wǎng)絡功能均可采用外掛的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)流封裝，從而接入IPv6網(wǎng)絡。

　　對于具有IPv4網(wǎng)絡功能的終端，可以通過添加附加模塊實現(xiàn)通過4over6隧道接入IPv6網(wǎng)絡，如圖6所示。

　?。?）不具有IP網(wǎng)絡功能的終端改造方案

　　對于不具有IP網(wǎng)絡功能的終端，也可以通過添加附加模塊實現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡接入，如圖7所示。

　　在附加通信模塊部署IPv6協(xié)議棧，以實現(xiàn)IPv6報文和原終端通信的數(shù)據(jù)格式之間的相互轉換。

3 總結

　　本文基于國家電網(wǎng)公司現(xiàn)有智能終端數(shù)量巨大、種類繁多的現(xiàn)狀，研究了基于多種IPv6過渡技術的智能終端通信技術，最終選擇了隧道技術來實現(xiàn)智能終端的改造。給出了智能終端改造的3個具體方案，為國家電網(wǎng)公司網(wǎng)絡的智能化、IP化作出了有益的探索。

參考文獻

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　　[7]TANENBAUM A S，DAVI J. Wetherall計算機網(wǎng)絡(第5版).北京:清華大學出版社，2012.