ادغام شبکه های قابل برنامه ­ریزی بااستاندارد IEC61850

تحول شبکه‌های ارتباطی پست‌های برق هوشمند با فناوری‌های نوین شبکه‌های الکتریکی با ظهور شبکه‌های هوشمند (Smart Grid) تحولات اساسی را تجربه کرده‌اند.  بر همین اساس ادغام شبکه ها با استاندارد IEC61850 پست‌های برق به سمت سیستم‌های خودکار و پیشرفته حرکت کرده و زیرساخت‌های ارتباطی آن‌ها از تجهیزات قدیمی سریالی به شبکه‌های دیجیتال مبتنی بر اترنت، بر پایه استاندارد IEC 61850، ارتقا یافته‌اند. با این حال، این تحول همچنان با چالش‌های مدیریت شبکه‌های سنتی و غیرمتمرکز همراه است.

این مقاله به بررسی نقش فناوری‌های نوین ,مانند شبکه‌های نرم‌افزارمحور (SDN) و صفحات داده قابل برنامه‌ریزی (PDP) در تکامل استاندارد IEC 61850 می‌پردازد. این فناوری‌ها با بهبود مدیریت شبکه، امکاناتی نظیر شناسایی خودکار ساختار شبکه (کشف توپولوژی)، مدیریت بهینه ترافیک چند بخشی (ارسال داده به چندین گیرنده به‌صورت همزمان)، و تضمین کیفیت خدمات (QoS) برای ارسال داده‌های حیاتی با اولویت بالا را فراهم می‌کنند. همچنین، قابلیت‌هایی مانند تله‌متری درون‌باندی (نظارت بر شبکه از طریق جریان داده‌ها) در PDP، عملکرد مدیریت شبکه در پست‌های برق هوشمند را به‌طور قابل‌توجهی ارتقا می‌دهد.در نهایت، این پژوهش چالش‌های مدیریت شبکه‌های ارتباطی در پست‌های برق هوشمند را تحلیل کرده و نشان می‌دهد که چگونه پیاده‌سازی شبکه‌های قابل برنامه‌ریزی می‌تواند این چالش‌ها را برطرف کند.

تسریع در مدرن‌سازی پست‌های برق

استاندارد IEC 61850 با جایگزینی سیستم‌های ارتباطی قدیمی با شبکه‌های دیجیتال مبتنی بر اترنت، موجب مدرن‌سازی پست‌های برق و تسریع در مدرن‌سازی پست‌های برق کرده است. با این حال، پیچیدگی مدیریت سنتی شبکه‌ها همچنان چالش‌برانگیز است. تنوع پروتکل‌های ارتباطی مانند SV، GOOSE، MMS،PTP  و DNP مدیریت شبکه را پیچیده‌تر می‌کند.

فناوری‌های نوین مانند شبکه‌های نرم‌افزارمحور (SDN) و صفحات داده قابل برنامه‌ریزی (PDP) راه‌حل‌هایی انعطاف‌پذیر برای مدیریت شبکه ارائه می‌دهند. SDN با جداسازی صفحه کنترل از صفحه داده، امکان مدیریت متمرکز و برنامه‌ریزی‌شده شبکه را فراهم می‌کند. در مقابل،PDPها با قابلیت کنترل دقیق رفتار شبکه، از تعریف برنامه‌ها تا پردازش بسته‌ها و مدیریت هدرهای سفارشی، انعطاف‌پذیری بیشتری ایجاد می‌کنند. این فناوری‌ها عملکردهای مدیریت شبکه را بازطراحی کرده و کارایی را بهبود می‌بخشند.

شکل زیر مقایسه‌ای از تکامل معماری‌های شبکه را نشان می‌دهد: از سوئیچ‌های سنتی (که صفحه کنترل و داده در یک دستگاه ادغام شده‌اند) تا محیط‌های قابل برنامه‌ریزی مبتنی بر SDN با پروتکل OpenFlow و سوئیچ‌های مبتنی بر P4.

تکامل معماری‌های شبکه درگذشته

تا پیش از این، شبکه‌های نرم‌افزارمحور (SDN) و صفحات داده قابل برنامه‌ریزی (PDP) عمدتاً در محیط‌های شبکه سنتی مانند شبکه‌های ارائه‌دهندگان خدمات اینترنت، شبکه‌های گسترده، فناوری G5 و مراکز داده استفاده می‌شدند. اما قابلیت این فناوری‌ها در کاهش پیچیدگی و خودکارسازی مدیریت شبکه، آن‌ها را به گزینه‌ای مناسب برای استاندارد IEC 61850 تبدیل کرده است.

SDN با ارائه مدیریت متمرکز و قابل برنامه‌ریزی، ویژگی‌های کلیدی مدیریت شبکه مانند خودکارسازی و بهینه‌سازی را در سیستم‌های مبتنی بر IEC 61850 بهبود می‌بخشد. همچنین، PDP ها با افزایش انعطاف‌پذیری، به خودکارسازی پیشرفته‌تر شبکه‌ها کمک می‌کنند. پیشنهادهای اخیر،SDN را به‌عنوان بخش اصلی معماری شبکه‌های IEC 61850 معرفی کرده‌اند. برای مثال، شرکت‌هایی مانند آزمایشگاه‌های مهندسی شوایتزر راه‌حل‌های اختصاصی مبتنی بر SDN را برای شبکه‌های ارتباطی پست‌های برق پیاده‌سازی کرده‌اند.

شکل ۲ معماری مبتنی بر SDN را نشان می‌دهد که در آن یک کنترل‌کننده شبکه به‌عنوان صفحه کنترل قابل برنامه‌ریزی عمل کرده و ارتباط خودکار بین سطوح مختلف معماری IEC 61850 را تسهیل می‌کند. تحقیقات آزمایشگاهی متعدد نیز رویکردهایی برای خودکارسازی مدیریت شبکه‌های ارتباطی IEC 61850 با استفاده از SDN پیشنهاد کرده‌اند.

عملکردهای کلیدی مدیریت شبکه‌های نرم‌افزارمحور

شبکه‌های نرم‌افزارمحور (SDN) عملکردهای کلیدی مدیریت شبکه را در پست‌های برق هوشمند خودکار می‌کنند. این عملکردها شامل موارد زیر است:

• کشف خودکار توپولوژی شبکه
• مدیریت بهینه ترافیک چند بخشی
• جلوگیری از حلقه‌های سوئیچینگ
• پشتیبانی و نگهداری شبکه
• ارائه کیفیت خدمات (QoS)

صفحات داده قابل برنامه‌ریزی PDP

صفحات داده قابل برنامه‌ریزی (PDP) به‌عنوان تکامل طبیعی پروتکل OpenFlow در SDN، قابلیت‌های پیشرفته‌ای مانند پیکربندی مجدد پویا، استقلال پروتکل، و انعطاف‌پذیری در تعریف اهداف ارائه می‌دهند. این ویژگی‌ها امکاناتی نظیر تله‌متری درون‌باندی شبکه (نظارت مستقیم بر جریان داده‌ها) را فراهم کرده و مدیریت سفارشی شبکه را بهبود می‌بخشند. در شبکه‌های ارتباطی پست‌های برق، PDPها چالش‌هایی مانند امنیت سایبری، کنترل ازدحام، کیفیت خدمات، آگاهی از زیرساخت شبکه و خودکارسازی مدیریت را برطرف می‌کنند.

ادغام SDN و PDP در شبکه‌های پست‌های برق هوشمند

ادغام SDN و PDP در شبکه‌های پست‌های برق هوشمند، امکانات متعددی برای تقویت امنیت سایبری فراهم می‌کند. SDN با ارائه تمرکز منطقی و دید جامع به شبکه، امکان اجرای سریع الگوریتم‌های امنیتی مانند مسدودسازی ترافیک، جداسازی، یا تغییر مسیر را میسر می‌سازد. از سوی دیگر، سوئیچ‌های قابل برنامه‌ریزی PDP با ارائه دید دقیق به ترافیک و قابلیت واکنش سریع، اقدامات امنیتی را بهینه می‌کنند. با این حال، چالش اصلی حفظ انسجام و پاسخ‌گویی سریع بدون ایجاد بار اضافی در پردازش ترافیک است.

رویکردهای اولیه برای تشخیص نفوذ در سوئیچ‌های قابل برنامه‌ریزی PDP با استفاده از تکنیک‌های یادگیری ماشین سبک، مانند شبکه‌های عصبی دودویی، پیشنهاد شده‌اند. این روش‌ها بهبود قابل‌توجهی در کاهش تأخیر و بار اضافی ارتباطی در لبه شبکه نشان داده‌اند.مدیریت شبکه در پست‌های برق هوشمند با چالش‌هایی مانند کنترل ازدحام، تضمین کیفیت خدمات  (QoS)، آگاهی از زیرساخت، خودکارسازی مدیریت شبکه، برآورده‌سازی الزامات زمان‌حساس، کمبود مجموعه‌های داده، و نیاز به چارچوب‌های استاندارد برای مدیریت ریسک و امنیت سایبری مواجه است.

ادغام صفحات داده قابل برنامه‌ریزی (PDP) در زیرساخت‌های ارتباطی پست‌های برق هوشمند، راه‌حل‌هایی مؤثر برای این چالش‌ها ارائه می‌دهد.این مقاله به بررسی تکامل زیرساخت‌های ارتباطی پست‌های برق هوشمند می‌پردازد. عناصر اصلی استاندارد IEC 61850، از جمله معماری و الزامات عملیاتی آن، و چگونگی پاسخگویی به نیازهای ارتباطی این زیرساخت‌های حیاتی تشریح شده است.

همچنین، چالش‌های تحقیقاتی و عملیاتی ناشی از دیجیتالی شدن این زیرساخت‌ها و راه‌حل‌های مبتنی بر شبکه‌های قابل برنامه‌ریزی بررسی شده‌اند.ترکیب شبکه‌های نرم‌افزارمحور (SDN) و صفحات داده قابل برنامه‌ریزی فرصت‌های جدیدی برای رفع چالش‌های مدیریت شبکه فراهم می‌کند. با این حال، جزئیات پیاده‌سازی این راه‌حل‌ها، تأثیر آن‌ها بر الزامات عملیاتی، و تعادل بین قابلیت مشاهده ترافیک (ارائه‌شده توسط PDPها) و بار اضافی پردازش ترافیک، همچنان موضوعاتی باز برای تحقیقات آینده هستند. این مسائل به دلیل اهمیت زیرساخت‌های حیاتی، توجه گسترده‌ای از سوی جوامع علمی و فنی جلب خواهند کرد.

شبکه‌های نرم‌افزارمحور (SDN)

شبکه‌های نرم‌افزارمحور (Software-Defined Network) یا SDN رویکردی نوین به مدیریت شبکه است که با استفاده از انتزاع، امکان پیکربندی پویا و کارآمد شبکه را فراهم می‌کند. این فناوری با متمرکزسازی هوش شبکه در کنترل‌کننده‌های مرکزی، فرآیند ارسال بسته‌های داده (صفحه داده) را از فرآیند مسیریابی (صفحه کنترل) جدا می‌کند. این جداسازی، انعطاف‌پذیری و نظارت مشابه سیستم‌های محاسبات ابری را به شبکه‌ها می‌آورد و عملکرد آن‌ها را نسبت به معماری‌های سنتی بهبود می‌بخشد. SDN با ساده‌سازی مدیریت شبکه، امکان گروه‌بندی و تقسیم‌بندی کارآمد را فراهم کرده و برای زیرساخت‌های مدرن مانند پست‌های برق هوشمند مناسب است.

صفحات داده قابل برنامه‌ریزی (PDP)

صفحات داده قابل برنامه‌ریزی (Programmable Data Planes) یا PDP به کاربران اجازه می‌دهند الگوریتم‌های سفارشی برای پردازش بسته‌های داده در دستگاه‌های شبکه تعریف کنند. این فناوری از طریق رابط‌های برنامه‌نویسی کاربردی (API) و زبان‌هایی مانند P4 (زبان برنامه‌نویسی مستقل از پروتکل) امکان سفارشی‌سازی پیشرفته شبکه را فراهم می‌کند. PDP انعطاف‌پذیری بالایی برای کاربردهای تخصصی مانند شبکه‌های G5، مراکز داده، و تحقیقات صنعتی و دانشگاهی ارائه می‌دهد. زبان P4 به‌عنوان یک استاندارد باز توسط جامعه‌ای فعال توسعه یافته و توسط پلتفرم‌های نرم‌افزاری و سخت‌افزاری مختلف پشتیبانی می‌شود، که آن را به ابزاری کلیدی برای نوآوری در مدیریت شبکه تبدیل کرده است.