fakultät für elektrotechnik und informationstechnik ... · communication networks institute prof....
TRANSCRIPT
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Communication Networks Institute
Prof. Dr.-Ing. Christian Wietfeld
S T TMAR C NE2
Software-Defined Networking für fehlertolerante
Kommunikation in intelligenten Energiesystemen
Fabian Kurtz
Communication Networks Institute (CNI)
TU Dortmund
Themenabend der Gesellschaft für Informatik
„Software Defined Networks / Network Function Virtualisation“09. März 2016
FOR1511
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Communication Networks Institute
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Fabian Kurtz | Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 2
Agenda
Vorstellung Communication Networks Institute
Motivation für neue IKT-Lösungen im Smart Grid
Software-Defined Networking (SDN) und Open Flow
“SDN for Critical Infrastructures” (SDN4CI) Ansatz in Smart Grids
Leistungsbewertungsansatz – Testaufbau
Szenarien und Analyseergebnisse
Dienstgütegarantien für Smart Grid Verkehr
Schnelle Wiederherstellung des Smart Grid Verkehrs nach Leitungsausfall
Zusammenfassung
Ausblick
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Eckdaten des CNI
Team aus 16+ Wissenschaftlern und
20+ Studenten (75 % Drittmittelfinanzierung)
Forschung zu robusten, drahtlosen Netzwerken für
Cyber-Physische Systeme für Energie, Transport
und Produktion/Logistik
Aktuell 15 Forschungsprojekte gefördert von EU,
Bundesministerien, DFG und dem Land NRW
Laborausstattung und Experimentalausrüstung: LTE/5G/SDR/SDN Networks Lab
Robot Swarm Control Lab
Smart Grid Communications Lab
Electric Vehicle Interoperability Lab
„Best Paper“ Auszeichnungen für
Veröffentlichungen auf internationalen
Konferenzen bzw. in Zeitschriften
Ausgründung: comnovo GmbH, Dortmund
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Aufbau zukünftiger Energiesysteme…
Übertragungsnetz
Verteilnetz
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Aufbau zukünftiger Energiesysteme…
Übertragungsnetz
Verteilnetz
Verteilte, erneuerbare
Energiequellen (EE)
Elektrofahrzeuge
Energie Management
Systeme
Zählerauslesung
(Smart Metering)
Bidirektionaler Leistungsfluss
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Hohe Belastung des Energienetzes
Stabilität wird gefährdet
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Aufbau zukünftiger Energiesysteme…
Übertragungsnetz
Verteilnetz
Verteilte, erneuerbare
Energiequellen (EE)
Elektrofahrzeuge
Energie Management
Systeme
Zählerauslesung
(Smart Metering)
Bidirektionaler Leistungsfluss
Neue Herausforderungen
Echtzeit-Überwachung
Erhöhte Frequenz von
Schutz- und
Regeleingriffen
Große Anzahl an Geräten
/ Teilnehmern
Signifikante Datenmenge
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IKT-Konzepte für Smart Grids…
Übertragungsnetz
Verteilnetz
Verteilte, erneuerbare
Energiequellen (EE)
Elektrofahrzeuge
Energie Management
Systeme
Zählerauslesung
(Smart Metering)
Bidirektionaler Leistungsfluss
Bedarf an…
…
…
…
IKT-Infrastruktur mit
…
…Unterstützung von
…
zuverlässiger
fehlertoleranter
echtzeitfähiger
Dienstgütegarantien
heterogenem
Verkehr, Protokollen
und Technologien
Kosteneffizienz
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IKT-Konzepte für Smart Grids…
zuverlässiger
fehlertoleranter
echtzeitfähiger
Dienstgütegarantien
heterogenem
Verkehr, Protokollen
und Technologien
Software-Defined
Networking
Kosteneffizienz
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Software-Defined Networking und Open Flow
Kontrollebene
Datenebene
IKT-Netz
Trennung von Daten-
und Kontrollebene
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Software-Defined Networking und Open Flow
Applikationsebene
Kontrollebene
Datenebene
Programmierbarer
Controller zur
Bestimmung des
Netzverhaltens
OpenFlow Protokoll für
Controller-Switch
Kommunikation
Trennung von Daten-
und Kontrollebene
if(!knownFlow){
if(highPrio){
route=shortest();
result.add(route);
}
else if(lowPrio){
route=optimal();
result.add(route);
}
flows.add(this);
routes.add(route);
}
OpenFlow
Schnittstelle zu
Applikationen
Northbound API
Southbound API
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Mehrschichtiger SDN4Critical Infrastructures Ansatz
Smart Grid Applikationen
Kontrollebene
Datenebene
Entwicklung von
Funktionen für den
SDN4CI Controller um
Zuverlässigkeit,
Echtzeitfähigkeit und
Dienstgütegarantien
herzustellen
Definition der East-
Westbound API für
Controller-Controller
Kommunication
OpenFlow
Definition der North-
bound API für Smart
Grid Applikationen
Northbound API
Southbound API
if(!knownFlow){
if(highPrio){
route=shortest();
result.add(route);
}
else if(lowPrio){
route=optimal();
result.add(route);
}
flows.add(this);
routes.add(route);
}
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BERCOM* – Motivation und Architektur
Modulare Architektur zur Anpassung an diverse Anwendungen
Technologien des Projekts übertragbar auf verschiedenste
Kritische Infrastrukturen
Berücksichtigt Europäischen Kontext im System-Design*Blueprint for Pan-European Resilient Critial Infrastructures based on LTE communications
Distributed
Energy
Systems
Multi-purpose
LTE4CI
Network
SCADA
Other distributed critical infrastructures (dams, transport networks,
etc.) dependent on energy & comm. systems
Resilient BERCOM-enabled
Infrastructures Monitoring &
Control Centres
Supervisory
Control
And
Data Acquisition
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Weitere Features des Aufbaus:
Sechs Host-Computer
Zwei Switches zur Trennung von
Kontroll- und Wartungsnetz
Gateway für Fernzugriff
Flexible Erstellung von Netz-
Topologien über Patch-Panel
Steckbrücken
Switch Ports Details
4x SoftSwitch 4 + 1 Ubuntu 14.04 Server
Open vSwitch 2.40
Switching in Software
5x Pica8 3297 48 + 1 PicOS (Debian 7 Fork)
Open vSwitch 2.31*
Switching in Hardware
* modifiziert
SoftSwitch / vSwitch
PC mit 4 Port
Netzwerkkarte
Pica8 3297
Bare-Metal Switch
Experimenteller Versuchsaufbau
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Experimenteller Versuchsaufbau - Topologie
OpenFlow
IEC 61850 MMS3
TCP/IP-basierte
Client-Server Kommunication
IEC 61850 Sampled Values2
setzt direkt auf der
Sicherungsschicht auf
SDN4CI
Controller1
1 Fork des Floodlight Controller2 eigene Entwicklung3 basierend auf libIEC61850
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Besondere Relevanz für die Nutzung
öffentlicher Infrastrukturen
- Reservierung virtueller Ressourcen für
Smart Grid Verkehr
- Ressourcen dynamisch allokierbar
- Verwendung fein-granularer
Dienstgütegarantien
- Flexible Priorisierung mit Abstufungen:
Systemkritische Anwendungen,
Echtzeitanwendungen, sonstige Dienste
- Nebeneffekt: bessere Ausnutzung
existierender Infrastrukturen (Load Balancing)
Switch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
Server 2
Client
Szenarien and AnalyseergebnisseDienstgütegarantien für Smart Grid Verkehr
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Server 1
Server 2
Client
SDN4CI-Controller
1. Warteschlangen an
OpenvSwitches definieren mit
minimalen und maximalen
Datenraten-Anforderungen
020
40
60
80
100
Da
tara
te[M
bps]
Re-routing ofBackgroundData Traffic
Switch 2
MMS TrafficBackground Data Transfer
Background Real-Time TrafficTotal Traffic
0 50 100 150 200
020
40
60
80
100
Time [s]
Da
tara
te[M
bps]
Minimum Data RateGuarantee for
Smart Grid Traffic
Switch 3
Switch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
Szenarien and AnalyseergebnisseDienstgütegarantien für Smart Grid Verkehr
Da
ten
rate
[M
bp
s]
Da
ten
rate
[M
bp
s]
Zeit [s]
MMS Verkehr
Hintergrund-Datentransfer
Hintergrund-Echtzeitverkehr
Gesamtverkehr
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Server 1
Server 2
ClientSwitch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
2. Prioriäten und Mindestdatenraten-
Anforderungen zu
Kommunikationsdiensten /
Verkehrsflüssen zuordnen
(Smart Grid Verkehr mit höchster
Priorität)
020
40
60
80
100
Da
tara
te[M
bps]
Re-routing ofBackgroundData Traffic
Switch 2
MMS TrafficBackground Data Transfer
Background Real-Time TrafficTotal Traffic
0 50 100 150 200
020
40
60
80
100
Time [s]
Da
tara
te[M
bps]
Minimum Data RateGuarantee for
Smart Grid Traffic
Switch 3
SDN4CI-Controller
Szenarien and AnalyseergebnisseDienstgütegarantien für Smart Grid Verkehr
Da
ten
rate
[M
bp
s]
Da
ten
rate
[M
bp
s]
Zeit [s]
MMS Verkehr
Hintergrund-Datentransfer
Hintergrund-Echtzeitverkehr
Gesamtverkehr
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Server 1
Server 2
Client
020
40
60
80
100
Da
tara
te[M
bps]
Re-routing ofBackgroundData Traffic
Switch 2
MMS TrafficBackground Data Transfer
Background Real-Time TrafficTotal Traffic
0 50 100 150 200
020
40
60
80
100
Time [s]
Da
tara
te[M
bps]
Minimum Data RateGuarantee for
Smart Grid Traffic
Switch 3
3. Neuer Verkehrsfluss durch
Controller identifiziert prüfen, ob
Anforderungen auf optimalem Pfad
erfüllt werden
Switch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
Hintergrund
Datenverkehr
Szenarien and AnalyseergebnisseDienstgütegarantien für Smart Grid Verkehr
Da
ten
rate
[M
bp
s]
Da
ten
rate
[M
bp
s]
Zeit [s]
MMS Verkehr
Hintergrund-Datentransfer
Hintergrund-Echtzeitverkehr
Gesamtverkehr
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020
40
60
80
100
Da
tara
te[M
bps]
Re-routing ofBackgroundData Traffic
Switch 2
MMS TrafficBackground Data Transfer
Background Real-Time TrafficTotal Traffic
0 50 100 150 200
020
40
60
80
100
Time [s]
Da
tara
te[M
bps]
Minimum Data RateGuarantee for
Smart Grid Traffic
Switch 3
3. Neuer Verkehrsfluss durch
Controller identifiziert prüfen, ob
Anforderungen auf optimalem Pfad
erfüllt werden
Switch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
Hintergrund
Echtzeitverkehr
Server 1
Server 2
Client
Szenarien and AnalyseergebnisseDienstgütegarantien für Smart Grid Verkehr
Da
ten
rate
[M
bp
s]
Da
ten
rate
[M
bp
s]
Zeit [s]
MMS Verkehr
Hintergrund-Datentransfer
Hintergrund-Echtzeitverkehr
Gesamtverkehr
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020
40
60
80
100
Da
tara
te[M
bps]
Re-routing ofBackgroundData Traffic
Switch 2
MMS TrafficBackground Data Transfer
Background Real-Time TrafficTotal Traffic
0 50 100 150 200
020
40
60
80
100
Time [s]
Da
tara
te[M
bps]
Minimum Data RateGuarantee for
Smart Grid Traffic
Switch 3
4. Datenrate nicht ausreichend
Umrouten von am wenigsten
wichtigen Verkehrsflüssen bis
Anforderungen eingehalten
Switch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
Smart Grid
Verkehr
Server 1
Server 2
Client
Szenarien and AnalyseergebnisseDienstgütegarantien – Garantierte Mindestdatenraten
Da
ten
rate
[M
bp
s]
Da
ten
rate
[M
bp
s]
Zeit [s]
MMS Verkehr
Hintergrund-Datentransfer
Hintergrund-Echtzeitverkehr
Gesamtverkehr
Umrouten des
Hintergrund-
Datentransfers
Minimale Datenraten-
Garantie für Smart
Grid Verkehr
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020
40
60
80
100
Da
tara
te[M
bps]
Re-routing ofBackground
Data and Real-Time Traffic
Switch 2
MMS TrafficBackground Data Transfer
Background Real-Time TrafficTotal Traffic
0 50 100 150 200
020
40
60
80
100
Time [s]
Da
tara
te[M
bps]
Link Reservation forSmart Grid Traffic
Switch 3
5. Pfad reserviert für Smart Grid
Verkehr (höchste Priorität), all
anderen Verkehrsflüsse werden
umgeroutet
Switch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
Server 1
Server 2
Client
Szenarien and AnalyseergebnisseDienstgütegarantien – Ressourcen-Reservierung
Da
ten
rate
[M
bp
s]
Da
ten
rate
[M
bp
s]
Zeit [s]
MMS Verkehr
Hintergrund-Datentransfer
Hintergrund-Echtzeitverkehr
Gesamtverkehr
Umrouten des
Hintergrund-
Datentransfers
und –Echtzeit-
verkehrs
Pfad-Reservierung für
Smart Grid Verkehr
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Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
SDN4CI-Controller
Switch 1
Switch 2
Switch 4
Switch 3
Server 1
Server 2
Client
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SDN4CI-Controller
Switch 1
Switch 2
Switch 4
Switch 3
Server 1
Server 2
Client
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
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SDN4CI-Controller
Switch 1
Switch 2
Switch 4
Switch 3
Server 1
Server 2
Client
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
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Client 1
Client 2
ServerSwitch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
1. Leitungsausfall wird durch Switch
identifiziert – OpenvSwitch wird
informiert
Switch 1
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
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Server 1
Server 2
ClientSwitch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
1. Leitungsausfall wird durch Switch
identifiziert – OpenvSwitch wird
informiert
2. SDN Controller wird durch
OpenvSwitch in Kenntnis gesetzt
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
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Server 1
Server 2
ClientSwitch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
1. Leitungsausfall wird durch Switch
identifiziert – OpenvSwitch wird
informiert
2. SDN Controller wird durch
OpenvSwitch in Kenntnis gesetzt
3. Alternativroute wird durch SDN
Controller nachgeschlagen
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
Verarbeitungszeit
am Controller
Ve
rzö
ge
run
g [m
s]
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Server 1
Server 2
ClientSwitch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
1. Leitungsausfall wird durch Switch
identifiziert – OpenvSwitch wird
informiert
2. SDN Controller wird durch
OpenvSwitch in Kenntnis gesetzt
3. Alternativroute wird durch SDN
Controller nachgeschlagen
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
Verarbeitungszeit
am Controller
Ve
rzö
ge
run
g [m
s]
Gesamtverzögerung
am Controller
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Server 1
Server 2
ClientSwitch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
1. Leitungsausfall wird durch Switch
identifiziert – OpenvSwitch wird
informiert
2. SDN Controller wird durch
OpenvSwitch in Kenntnis gesetzt
3. Alternativroute wird durch SDN
Controller nachgeschlagen
4. Neue Routeninformation wird zum
Switch übermittelt
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
Verarbeitungszeit
am Controller
Ve
rzö
ge
run
g [m
s]
Gesamtverzögerung
am Controller
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Server 1
Server 2
Client
SDN4CI-Controller
Switch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
1. Leitungsausfall wird durch Switch
identifiziert – OpenvSwitch wird
informiert
2. SDN Controller wird durch
OpenvSwitch in Kenntnis gesetzt
3. Alternativroute wird durch SDN
Controller nachgeschlagen
4. Neue Routeninformation wird zum
Switch übermittelt
5. FlowTables der Switche werden
aktualisiert
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
Verarbeitungszeit
am Controller
Ve
rzö
ge
run
g [m
s]
Gesamtverzögerung
am Controller
Gesamtverzögerung
am Switch
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IEC 61850 Sampled Values
„ifdown“ Kommandozeileneingabe
Switch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
Server 1
Server 2
Client
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
Vert
eilu
ngsfu
nktion
Verzögerung [ms]
SV – Unterbrechungsbefehl
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IEC 61850 Sampled Values
Kabel physikalisch getrennt
Switch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
Server 1
Server 2
Client
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
Vert
eilu
ngsfu
nktion
Verzögerung [ms]
SV – Unterbrechungsbefehl
SV – physik. Unterbrechung
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IEC 61850 MMS
„ifdown“ Kommandozeileneingabe
Server Client Server Client Server ClientDataData
ACK
DataData
ACK
DataData
ACK
Data Data Data
Data
ACK
Dup
ACK
RT
O
RT
OR
TO
RT
OR
TO
Data
Data
Disturbance Disturbance
Disturbance
MMS Case 1 MMS Case 2 MMS Case 3
Switch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
Server 1
Server 2
Client
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
Vert
eilu
ngsfu
nktion
Verzögerung [ms]
SV – Unterbrechungsbefehl
SV – physik. Unterbrechung
MMS – Unterbrechungsbefehl
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IEC 61850 MMS
„ifdown“ Kommandozeileneingabe
Server Client Server Client Server ClientDataData
ACK
DataData
ACK
DataData
ACK
Data Data Data
Data
ACK
Dup
ACK
RT
O
RT
OR
TO
RT
OR
TO
Data
Data
Disturbance Disturbance
Disturbance
MMS Case 1 MMS Case 2 MMS Case 3
Server 1
Server 2
ClientSwitch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
Vert
eilu
ngsfu
nktion
Verzögerung [ms]
SV – Unterbrechungsbefehl
SV – physik. Unterbrechung
MMS – Unterbrechungsbefehl
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IEC 61850 MMS
Kabel physikalisch getrennt
Server Client Server Client Server ClientDataData
ACK
DataData
ACK
DataData
ACK
Data Data Data
Data
ACK
Dup
ACK
RT
O
RT
OR
TO
RT
OR
TO
Data
Data
Disturbance Disturbance
Disturbance
MMS Case 1 MMS Case 2 MMS Case 3
Switch 1 Switch 4
Switch 2
Switch 3
SDN4CI-Controller
Server 1
Server 2
Client
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
Vert
eilu
ngsfu
nktion
Verzögerung [ms]
SV – Unterbrechungsbefehl
SV – physik. Unterbrechung
MMS – Unterbrechungsbefehl
MMS – physik. Unterbrechung
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Kernanforderung kritischer Anwendungen:
Permanente Garantie der Ende-zu-Ende Verbindung auch im Fehlerfall
Minimale
Erkennungverzögerung
bei Verbindungsausfällen
(Link Failure)
Schnelle
Wiederherstellung der
Konnektivität
Einsatz von Software-Defined Networking
zur Realisierung von Fehlertoleranz in Kommunikationsnetzen
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
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Weiterentwicklung zur Reduktion der Ausfalldauer
2) “Failover” Gruppen
- Alternative Routen von Anfang
an bei Switch hinterlegt
- Pro Verkehrsfluss: Gruppe von
Ausgangs-Ports – jeder Port ist
Teil eines anderen
Alternativpfads
Szenarien and AnalyseergebnisseSchnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall
1) Verbesserte Detektion von
Leitungsausfällen
- Verbindungs-Prüfung mit Hearbeat-
Paketen
a) regelmäßiger Versand durch
Controller
b) Spiegeln der Paketen zwischen
Switches
c) Im Fehlerfall Rückmeldung an
Controller
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Zusammenfassung
Einführung von Software-Defined Networking als Basis für die IKT-
Infrastruktur zukünftiger Smart Grids
Ermöglicht Fehlertoleranz und Dienstgütegarantien
Implementierung und Validierung von:
Mechanismus zur schnellen Wiederherstellung nach Leitungsausfall
Starke Abhängigkeit von Fehlerdetektion und eingesetztem Verkehr (Protokolle)
Priorisierungs-Mechanismus für Smart Grid Vekehr
Verbesserungen bzgl. Warteschlangen-Konfiguration mittels OpenFlow erforderlich
Vergleichbare Ergebnisse wie mit bekannten Techniken (MPLS,
Dynamisches Routing) erzielbar
Vorteil: dynamischer Ansatz
flexible Integration unterschiedlicher Mechanismen bei hoher Transparenz
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Vergleich von virtualisierten und Bare-Metal Switching Ansätzen
Einsatz verbesserter Verfahren zur schnellen Wiederherstellung
Erweiterung von SDN auf weitere kritische Infrastrukturen im Kontext von
BERCOM und CPS-Hub
Ausnutzung der Northbound-Schnittstelle zur Realisierung von
Anwendungs-gewahren Applikationen
Absicherung des SDN-Controllers unter Einsatz der West-/Eastbound
Schnittstellen
Ausblick
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Communication Networks Institute
Prof. Dr.-Ing. Christian Wietfeld
Fabian Kurtz | Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 41
Fabian Kurtz | Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Communication Networks Institute | Technische Universität Dortmund
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