Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen

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1 Themenabend der Gesellschaft für Informatik Software Defined Networks / Network Function Virtualisation 09. März 2016 Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen Fabian Kurtz (CNI) TU Dortmund FOR1511 SMARTC 2 NET

2 Agenda Vorstellung 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 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 2

3 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 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 3

4 Aufbau zukünftiger Energiesysteme Übertragungsnetz Verteilnetz Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 4

5 Aufbau zukünftiger Energiesysteme Übertragungsnetz Verteilte, erneuerbare Energiequellen (EE) Bidirektionaler Leistungsfluss Elektrofahrzeuge Energie Management Systeme Verteilnetz Zählerauslesung (Smart Metering) Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 5

6 Hohe Belastung des Energienetzes Stabilität wird gefährdet Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 6

7 Aufbau zukünftiger Energiesysteme Übertragungsnetz Verteilte, erneuerbare Energiequellen (EE) Neue Herausforderungen Echtzeit-Überwachung Bidirektionaler Leistungsfluss Elektrofahrzeuge Energie Management Systeme Erhöhte Frequenz von Schutz- und Regeleingriffen Große Anzahl an Geräten / Teilnehmern Verteilnetz Zählerauslesung (Smart Metering) Signifikante Datenmenge Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 7

8 IKT-Konzepte für Smart Grids Übertragungsnetz Bidirektionaler Leistungsfluss Elektrofahrzeuge Verteilnetz Verteilte, erneuerbare Energiequellen (EE) Energie Management Systeme Zählerauslesung (Smart Metering) Bedarf an zuverlässiger fehlertoleranter echtzeitfähiger IKT-Infrastruktur mit Dienstgütegarantien Unterstützung von heterogenem Verkehr, Protokollen und Technologien Kosteneffizienz Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 8

9 IKT-Konzepte für Smart Grids echtzeitfähiger fehlertoleranter Software-Defined Networking Dienstgütegarantien zuverlässiger heterogenem Verkehr, Protokollen und Technologien Kosteneffizienz Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 9

10 Software-Defined Networking und Open Flow Trennung von Datenund Kontrollebene Kontrollebene IKT-Netz Datenebene Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 10

11 Software-Defined Networking und Open Flow Northbound API Applikationsebene Kontrollebene } Southbound API Datenebene 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 Trennung von Datenund Kontrollebene Programmierbarer Controller zur Bestimmung des Netzverhaltens OpenFlow Protokoll für Controller-Switch Kommunikation Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 11

12 Mehrschichtiger SDN4Critical Infrastructures Ansatz Smart Grid Applikationen Definition der Northbound API für Smart Grid Applikationen Northbound API Kontrollebene 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); } OpenFlow Entwicklung von Funktionen für den SDN4CI Controller um Zuverlässigkeit, Echtzeitfähigkeit und Dienstgütegarantien herzustellen Datenebene Definition der East- Westbound API für Controller-Controller Kommunication Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 12

13 BERCOM* Motivation und Architektur Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Resilient BERCOM-enabled Infrastructures SCADA Supervisory Control And Acquisition Monitoring & Control Centres Multi-purpose LTE4CI Network Distributed Energy Systems Other distributed critical infrastructures (dams, transport networks, etc.) dependent on energy & comm. systems 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 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 13

14 Experimenteller Versuchsaufbau Pica Bare-Metal Switch SoftSwitch / vswitch PC mit 4 Port Netzwerkkarte Switch Ports Details 4x SoftSwitch Ubuntu Server Open v.40 Switching in Software 5x Pica PicOS (Debian 7 Fork) Open v.31* Switching in Hardware * modifiziert 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 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 14

15 Experimenteller Versuchsaufbau - Topologie SDN4CI Controller 1 OpenFlow IEC Sampled Values 2 setzt direkt auf der Sicherungsschicht auf IEC MMS 3 TCP/IP-basierte Client-Server Kommunication 1 Fork des Floodlight Controller 2 eigene Entwicklung 3 basierend auf libiec61850 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 15

16 Szenarien and Analyseergebnisse Dienstgütegarantien für Smart Grid Verkehr 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) Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Switch 1 Switch 4 Server 2 Client Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 16

17 Datenrate rate [Mbps] Datenrate rate [Mbps] Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Szenarien and Analyseergebnisse Dienstgütegarantien für Smart Grid Verkehr MMS Verkehr Traffic Background Hintergrund-Datentransfer Transfer Hintergrund-Echtzeitverkehr Background Real-Time Traffic Gesamtverkehr Total Traffic Re-routing of Background Traffic Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Server 2 Minimum Rate Guarantee for Smart Grid Traffic 1. Warteschlangen an OpenvSwitches definieren mit minimalen und maximalen Datenraten-Anforderungen Zeit Time [s] [s] Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 17

18 Datenrate rate [Mbps] Datenrate rate [Mbps] Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Szenarien and Analyseergebnisse Dienstgütegarantien für Smart Grid Verkehr MMS Verkehr Traffic Background Hintergrund-Datentransfer Transfer Hintergrund-Echtzeitverkehr Background Real-Time Traffic Gesamtverkehr Total Traffic Re-routing of Background Traffic Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Server 2 Minimum Rate Guarantee for Smart Grid Traffic Zeit Time [s] [s] 2. Prioriäten und Mindestdatenraten- Anforderungen zu Kommunikationsdiensten / Verkehrsflüssen zuordnen (Smart Grid Verkehr mit höchster Priorität) Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 18

19 Datenrate rate [Mbps] Datenrate rate [Mbps] Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Szenarien and Analyseergebnisse Dienstgütegarantien für Smart Grid Verkehr MMS Verkehr Traffic Background Hintergrund-Datentransfer Transfer Hintergrund-Echtzeitverkehr Background Real-Time Traffic Gesamtverkehr Total Traffic Re-routing of Background Traffic Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Hintergrund Datenverkehr Server 2 Minimum Rate Guarantee for Smart Grid Traffic 3. Neuer Verkehrsfluss durch Controller identifiziert prüfen, ob Anforderungen auf optimalem Pfad erfüllt werden Zeit Time [s] [s] Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 19

20 Datenrate rate [Mbps] Datenrate rate [Mbps] Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Szenarien and Analyseergebnisse Dienstgütegarantien für Smart Grid Verkehr MMS Verkehr Traffic Background Hintergrund-Datentransfer Transfer Hintergrund-Echtzeitverkehr Background Real-Time Traffic Gesamtverkehr Total Traffic Re-routing of Background Traffic Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Minimum Rate Guarantee for Smart Grid Traffic Server 2 Hintergrund Echtzeitverkehr 3. Neuer Verkehrsfluss durch Controller identifiziert prüfen, ob Anforderungen auf optimalem Pfad erfüllt werden Zeit Time [s] [s] Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 20

21 Datenrate rate [Mbps] Datenrate rate [Mbps] Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Szenarien and Analyseergebnisse Dienstgütegarantien Garantierte Mindestdatenraten MMS Verkehr Traffic Background Hintergrund-Datentransfer Transfer Hintergrund-Echtzeitverkehr Background Real-Time Traffic Gesamtverkehr Total Traffic Umrouten Re-routing des of Hintergrund- Background Datentransfers Traffic Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Minimum Minimale Datenraten- Rate Garantie Guarantee für Smart for Grid Smart Verkehr Grid Traffic Server 2 Smart Grid Verkehr 4. Datenrate nicht ausreichend Umrouten von am wenigsten wichtigen Verkehrsflüssen bis Anforderungen eingehalten Zeit Time [s] [s] Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 21

22 Datenrate rate [Mbps] Datenrate rate [Mbps] Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Szenarien and Analyseergebnisse Dienstgütegarantien Ressourcen-Reservierung MMS Verkehr Traffic Background Hintergrund-Datentransfer Transfer Hintergrund-Echtzeitverkehr Background Real-Time Traffic Gesamtverkehr Total Traffic Umrouten Re-routing des of Hintergrund- Background Datentransfers and Real- Time Traffic und Echtzeitverkehrs Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Pfad-Reservierung Link Reservation for für Smart Smart Grid GridVerkehr Traffic Server 2 5. Pfad reserviert für Smart Grid Verkehr (höchste Priorität), all anderen Verkehrsflüsse werden umgeroutet Zeit Time [s] [s] Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 22

23 Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Server 2 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 23

24 Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Server 2 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 24

25 Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Server 2 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 25

26 Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall 1. Leitungsausfall wird durch Switch identifiziert OpenvSwitch wird informiert Client 1 Switch 1 Switch 4 Server Client 2 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 26

27 Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall 1. Leitungsausfall wird durch Switch identifiziert OpenvSwitch wird informiert 2. SDN Controller wird durch OpenvSwitch in Kenntnis gesetzt Server 1 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Switch 1 Switch 4 Client Server 2 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 27

28 Verzögerung [ms] Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall 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 Server 1 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Switch 1 Switch 4 Server 2 Client Verarbeitungszeit am Controller Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 28

29 Verzögerung [ms] Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall 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 Server 1 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Switch 1 Switch 4 Server 2 Client Verarbeitungszeit am Controller Gesamtverzögerung am Controller Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 29

30 Verzögerung [ms] Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall 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 Server 1 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Switch 1 Switch 4 Server 2 Client Verarbeitungszeit am Controller Gesamtverzögerung am Controller Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 30

31 Verzögerung [ms] Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall 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 Server 1 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Server 2 Switch 1 Switch 4 Client Verarbeitungszeit am Controller Gesamtverzögerung am Controller Gesamtverzögerung am Switch Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 31

32 Verteilungsfunktion Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall IEC Sampled Values ifdown Kommandozeileneingabe SV Unterbrechungsbefehl Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Server 2 Verzögerung [ms] Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 32

33 Verteilungsfunktion Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall IEC Sampled Values Kabel physikalisch getrennt SV Unterbrechungsbefehl SV physik. Unterbrechung Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Server 2 Verzögerung [ms] Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 33

34 IEC MMS ifdown Kommandozeileneingabe MMS Case 1 MMS Case 2 MMS Case 3 Server Client Server Client Server Client ACK Verteilungsfunktion Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall SV Unterbrechungsbefehl SV physik. Unterbrechung MMS Unterbrechungsbefehl Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Server 2 ACK ACK RTO Disturbance RTO Disturbance ACK RTO Verzögerung [ms] RTO Dup ACK RTO Disturbance Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 34

35 IEC MMS ifdown Kommandozeileneingabe MMS Case 1 MMS Case 2 MMS Case 3 Server Client Server Client Server Client ACK Verteilungsfunktion Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall SV Unterbrechungsbefehl SV physik. Unterbrechung MMS Unterbrechungsbefehl Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Server 2 ACK ACK RTO Disturbance RTO Disturbance ACK RTO Verzögerung [ms] RTO Dup ACK RTO Disturbance Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 35

36 IEC MMS Kabel physikalisch getrennt MMS Case 1 MMS Case 2 MMS Case 3 Server Client Server Client Server Client ACK Verteilungsfunktion Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall SV Unterbrechungsbefehl SV physik. Unterbrechung MMS Unterbrechungsbefehl MMS physik. Unterbrechung Server 1 Switch 1 Switch 4 Client Server 2 ACK ACK RTO Disturbance RTO Disturbance ACK RTO Verzögerung [ms] RTO Dup ACK RTO Disturbance Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 36

37 Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik 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 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 37 37

38 Szenarien and Analyseergebnisse Schnelle Wiederherstellung nach Leitungsausfall Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Weiterentwicklung zur Reduktion der Ausfalldauer 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 2) Failover Gruppen - Alternative Routen von Anfang an bei Switch hinterlegt - Pro Verkehrsfluss: Gruppe von Ausgangs-Ports jeder Port ist Teil eines anderen Alternativpfads Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 38

39 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 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 39

40 Ausblick 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 Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 40

41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fabian Kurtz Wissenschaftlicher Mitarbeiter Technische Universität Dortmund Fabian Kurtz Software-Defined Networking für fehlertolerante Kommunikation in intelligenten Energiesystemen 41