吴  峥1，唐志红2，饶  强2，周  正2，冯伟东2

　　（1. 国网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430000）

　　（2. 国网湖北省电力公司信息通信公司，湖北 武汉 430077）

　　摘  要： 智能电网中,大量的智能设备、数据采集终端都部署在电网中的发电、输电、变电、配电、用电各个环节,这将产生海量的IP地址需求，所以必然需要发展IPv6技术来满足这一需求。本文结合国家电网公司智能终端发展现状，研究了基于不同IPv6过渡技术下的智能终端通信技术，提出了三种智能终端的改造方案。

　　关键词： IPv6；终端改造；智能电网；智能终端

0 引言

　　随着电网智能化程度的提高及维护和运行管理自动化的升级，智能电网中的设备将会带有Internet协议（IP）地址。例如：在智能变电站中，符合IEC 61850的设备都将带有IP地址，以便于维护和运行管理。

　　以信息化、自动化、互动化为特征的智能电网对IP地址需求强烈。电力系统各个环节将越来越多地采用IP化的信息通信技术，包括：（1）发电专业的智能化过程中，常规电源网厂协调、新能源发电并网、大容量储能系统并网等技术领域；（2）输电专业的智能化过程中，柔性直流输电、柔性交流输电、线路状态与运行环境监测等技术领域；（3）变电专业的智能化过程中，智能变电站内全站集、智能用能服务、电动汽车充放电、智能量测等技术领域；（4）调度专业的智能化过程中，电网调度技术支持系统、电网运行集中监控系统等技术领域。

　　同时，随着传感器等物联网技术的大量采用，以及资产寿命的全生命周期管理，对IP地址的需求也将越来越迫切。通信信息专业是加强智能电网的支撑平台，输电、配电和用电侧通信网、业务网、通信支撑网、智能电网信息基础平台、智能电网信息应用平台、通信与信息安全等技术领域，对IP地址的需求也很强烈。而IPv6是现阶段物联网基础协议的唯一选择，国际和国内也发布了智能电网标准体系研究成果。可见，电网智能化的发展离不开IP地址的标识，必然需要IPv6技术。

　　国家电网公司现有智能终端数量巨大，种类繁多，所以智能终端的改造方案需要具有成本节约，实现简单，便于部署的特点，并且具有普遍适用性。

　　本文对智能电网中智能终端IPv6改造技术进行了详细研究，并提出了基于相关技术的终端改造方案。

1 过渡技术下的智能终端通信技术

　　（1）基于双栈的智能终端通信技术

　　双栈是单个节点同时实现完整的IPv4和IPv6协议栈[1]。两种协议基于相同的网络设施独立运行。实现隧道、翻译等其他过渡技术的基础，主要解决IPv4与IPv6如何共存的问题。协议结构如图1所示。

　　双栈的工作方式是以IPv6节点的身份与其他IPv6节点通信，以IPv4节点的身份与其他IPv4节点通信，独立地进行IPv4和IPv6数据包的处理和转发，如图2所示。

　　双栈通过静态配置或DHCP方式配置IPv4地址，通过静态配置、无状态自动配置或DHCPv6的方式配置IPv6地址[2-4]。

　　双栈的域名解析器必须能够处理IPv4的A记录和IPv6的AAAA记录，并且可以将解析结果排序返回，从而实现IPv6优先。DNS数据包可以由IPv4或IPv6承载。

　　双栈的优点有：无信息丢失，处理效率高，易于理解，互通性好，适于过渡全过程，网络规划较简单，在IPv6逻辑网络中可以充分发挥IPv6协议的所有优点（如安全性、路由约束、流的支持等）。

　　双栈的缺点有：资源占用多，运维复杂，无法实现IPv4和IPv6的互访，不能解决IPv4地址短缺问题；对网元设备的要求较高，要求其维护大量的协议和数据；网络升级改造将牵涉到网络中的所有网元设备，投资大、建设周期比较长。

　　所以对于国家电网公司中的终端设备，如果只部署双栈技术，会在成本和建设周期这两个方面无法满足现实的需求。

　　（2）基于翻译的智能终端通信技术

　　翻译技术主要是指一种协议转换成另一种协议。双栈策略解决了IPv6与IPv4的共存问题，但是在网络的过渡时期不可能要求所有的主机或终端都升级支持双栈，在网络中必然存在纯IPv4主机和纯IPv6主机之间进行通信的需求，由于协议栈的不同因此很自然地需要对这些协议进行翻译转换，如图3所示。

　　对应协议的翻译可以分为两个层面来进行，一方面是IPv4与IPv6协议层的翻译，另一方面是 IPv4应用与IPv6应用之间的翻译。前者主要是通过NAT64技术实现的，后者则可以通过应用层网关 ALG来实现，但并不是所有的应用层协议都需要 ALG[7]。NAT64实现了网络层的协议翻译；应用层网关则实现应用层的协议翻译，对于不同的应用，需要配置不同的应用层网关。

　　翻译技术的优点是不需要进行IPv4、IPv6节点的升级改造，缺点是IPv4节点访问IPv6节点的实现方法比较复杂，网络设备进行协议转换、地址转换的处理开销较大。因此该策略一般是在其他互通方式无法使用的情况下使用。

　　（3）基于隧道的智能终端通信技术

　　隧道技术主要指一种协议封装于另一种协议。主要分为两大类型：使用IPv4报头封装IPv6报文6over4[5]隧道和使用IPv6报头封装IPv4报文的4over6[6]隧道。如图4所示。

　　隧道有三个关键组件：隧道入口（Tunnel Initiator，TI）：执行封装；隧道出口（Tunnel Concentrator，TC）：执行解封装；隧道管理：建立、拆除隧道。

　　隧道的优点有：无信息丢失，网络运维比较简单；只要求在隧道的入口和出口处进行修改，不需要进行IPv4、IPv6节点的升级改造，非常容易实现，具有普遍适用性；能够充分利用现有的网络投资，节约成本。所以本文选择使用基于隧道的智能终端通信技术来实现智能终端改造。

2 智能终端改造方案

　　对于现有的具备IPv4网络功能的终端可以通过两种改造方式接入IPv6网络，分别是临近网络接入点集中改造方案和外挂IPv6通信模块改造方案。对于原本不具有IPv4网络功能的终端也可以使用外挂IPv6通信模块改造方案实现IPv6网络接入。

　　（1）临近网络接入点集中改造方案

　　通过对原终端集中接入点进行双栈改造，并部署4over6隧道，可以以隧道的形式实现IPv4终端的IPv6网络接入，如图5所示。

　　这种方案相对于对每个终端逐个改造的方案具有改造工作量小的特点，可以实现海量级终端的快速部署。

　　（2）外挂IPv6通信模块改造方案

　　外挂IPv6通信模块是最具有普适意义的改造方案，无论终端原来是否具有IP网络功能均可采用外挂的形式实现数据流封装，从而接入IPv6网络。

　　对于具有IPv4网络功能的终端，可以通过添加附加模块实现通过4over6隧道接入IPv6网络，如图6所示。

　　（3）不具有IP网络功能的终端改造方案

　　对于不具有IP网络功能的终端，也可以通过添加附加模块实现IPv6网络接入，如图7所示。

　　在附加通信模块部署IPv6协议栈，以实现IPv6报文和原终端通信的数据格式之间的相互转换。

3 总结

　　本文基于国家电网公司现有智能终端数量巨大、种类繁多的现状，研究了基于多种IPv6过渡技术的智能终端通信技术，最终选择了隧道技术来实现智能终端的改造。给出了智能终端改造的3个具体方案，为国家电网公司网络的智能化、IP化作出了有益的探索。

参考文献

　　[1]杨国良，李阳春，伍佑明,等.IPv6技术、部署与业务应用[M].北京:人民邮电出版社,2011.

　　[2]DEERING S. Internet protocol version 6(IPv6) specification[S]. RFC 2460，1998.

　　[3]HINDEN R. IP version 6 addressing architecture[S]. RFC 4291, 2006.

　　[4]NARTEN T. Neighbor discovery for IP version 6(IPv6)[S]. RFC 4861, 2007.

　　[5]CARPENTER B. Transmission of IPv6 over IPv4 domains without explicit tunnels[S]. RFC 2529, 1999.

　　[6]CUI Y. Lightweight 4over6: an extension to the dual-stack lite architecture[S]. RFC 7596, 2015.

　　[7]TANENBAUM A S，DAVI J. Wetherall计算机网络(第5版).北京:清华大学出版社，2012.