1、面向智能電網(wǎng)的云計(jì)算技術(shù)研究李琪林本文得到科技部十一五科技支撐項(xiàng)目-“現(xiàn)代服務(wù)業(yè)服務(wù)交互支撐平臺(tái)”的資助（項(xiàng)目編號(hào)：2006BAH02A0407）和國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目-“智能變電站在線監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究”的資助(項(xiàng)目編號(hào): WG1-2010-X)李琪林,男,1973年生,博士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)技術(shù)、電力自動(dòng)化技術(shù)、分布對(duì)象技術(shù)、可信計(jì)算技術(shù)等。2周明天, 男, 1939年生, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布對(duì)象技術(shù)、并行分布處理等。 周明天2 (四川電力科學(xué)研究院生產(chǎn)技術(shù)部 四川 成都 610072)(電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 四川 成都 610054

2、) (li_qi_lin, mtzhou)摘 要 本文對(duì)面向智能電網(wǎng)的云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，我們引入了云計(jì)算的基本概念, 分析了它的關(guān)鍵特征。其次，我們將云計(jì)算和智能電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了融合，提出了智能云的概念。隨后，我們深入研究了智能云的構(gòu)建，資源管理和安全策略問(wèn)題。最后，我們給出了結(jié)論和未來(lái)的研究工作。關(guān)鍵詞 智能電網(wǎng)，云計(jì)算，智能云，資源管理，安全策略中圖法分類(lèi)號(hào) TP393.02Research on Cloud Computing in Smart Grid LI Qi-Lin and ZHOU Ming-Tian(Production and Technology Departme

3、nt, Sichuan Electric Power Science and Research Institute, Chengdu, Sichuan 610072)(Computer Science and Engineering College, University of Electronic Science and Technology, Chengdu, Sichuan 610054)Abstract The goal of this paper is to investigate the cloud computing in smaert grid. First of all, w

4、e introduce the basic concept of cloud computing and analyze its major characteristics. Secondly, we combine cloud computing with smart grid and present the view of smart cloud. Subsequently, we look deeper into the three key issues, including construction of smart cloud, resource management and sec

5、urity policy. Finally, we point out future directions of research and conclude the paper. Key wordssmart grid, cloud computing, smart cloud, resource management, security policy1引 言當(dāng)前,世界能源格局正經(jīng)歷一場(chǎng)深刻的變革。為了促進(jìn)低碳、高效、清潔電力工業(yè)的發(fā)展, 再造電網(wǎng)的信息回路，構(gòu)建新型的用戶(hù)反饋方式，提高電網(wǎng)的效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)價(jià)值的最大化, 世界各國(guó)紛紛將目光投向智能電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域, 掀起了一場(chǎng)席卷全

6、球的智能電網(wǎng)建設(shè)熱潮12。然而, 隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展, 未來(lái)電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和信息將呈現(xiàn)爆炸性地增長(zhǎng), 這無(wú)疑為系統(tǒng)的運(yùn)行和高級(jí)分析帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。電力系統(tǒng)現(xiàn)有的硬件設(shè)施和計(jì)算能力已難以適應(yīng)未來(lái)電力系統(tǒng)在線分析和實(shí)時(shí)控制所要求的計(jì)算能力和存儲(chǔ)要求。因此, 迫切需要引入新的計(jì)算技術(shù),在維持現(xiàn)有硬件設(shè)施不變的情況下，充分整合系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算能力和存儲(chǔ)資源，提高電網(wǎng)的在線分析和實(shí)時(shí)控制能力，為智能電網(wǎng)提供有效的技術(shù)支撐1。作為一種嶄新的計(jì)算模式, 云計(jì)算將一組分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的能力以透明服務(wù)的方式提供給用戶(hù)或應(yīng)用，允許用戶(hù)或應(yīng)用在不了解提供服務(wù)的技術(shù)、沒(méi)有相關(guān)知識(shí)以及設(shè)備操作能力的情況下，通

7、過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取所需的服務(wù)3。 由于云計(jì)算具有分布式的計(jì)算和存儲(chǔ)特性，易擴(kuò)展和管理,特別適合解決智能電網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)的一系列新問(wèn)題, 因此, 在智能電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域引入云計(jì)算, 在保證現(xiàn)有電力系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)設(shè)施基本不變的情況下，對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源和處理器資源進(jìn)行整合，從而大幅提高電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制和高級(jí)分析的能力，為智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供有效的支持, 無(wú)疑具有極其重要的研究?jī)r(jià)值和意義1。2云計(jì)算技術(shù)由于云計(jì)算技術(shù)仍處于不斷發(fā)展完善階段，全球的研究機(jī)構(gòu), IT公司和業(yè)屆專(zhuān)家對(duì)于該計(jì)算應(yīng)包含的主要技術(shù)、關(guān)鍵特性和具體功能尚未形成統(tǒng)一的意見(jiàn)，因此云計(jì)算技術(shù)目前并未形成統(tǒng)一而明確的定義。一般認(rèn)為, 云計(jì)算(cloud c

8、omputing)是分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展，或者說(shuō)是這些計(jì)算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)，是基于網(wǎng)絡(luò)的超級(jí)計(jì)算模式4。云計(jì)算的核心是虛擬化。虛擬化允許云計(jì)算系統(tǒng)根據(jù)服務(wù)提供商和客戶(hù)之間協(xié)商好的服務(wù)等級(jí)協(xié)議動(dòng)態(tài)提供計(jì)算資源。本質(zhì)上，云計(jì)算就是將數(shù)據(jù)，應(yīng)用和服務(wù)存儲(chǔ)在云端，充分利用一組內(nèi)部互連的虛擬機(jī)組成的并行和分布式計(jì)算系統(tǒng)強(qiáng)大的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的自適應(yīng)性34。 作為一種新型的共享基礎(chǔ)架構(gòu)和基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算模式, 云計(jì)算將資源聚集與共享、資源開(kāi)放與統(tǒng)一訪問(wèn)、資源仿真與隔離進(jìn)行了整合,允許用戶(hù)或應(yīng)用以一種透明的方式使用各類(lèi)資源，而不需要關(guān)注各類(lèi)資源的細(xì)節(jié)，并且能夠?yàn)橛脩?hù)提供動(dòng)態(tài)自適應(yīng)

9、服務(wù)，使每個(gè)用戶(hù)都感覺(jué)是以獨(dú)占的形式在使用資源1。盡管云計(jì)算技術(shù)發(fā)展迅速，已成為下一代IT的發(fā)展趨勢(shì)，但在解決數(shù)據(jù)的安全和隱私、系統(tǒng)本身的可擴(kuò)展性、可用性、可靠性、可管理性和云間交互等方面的問(wèn)題5時(shí)，仍顯不足，未來(lái)仍需進(jìn)一步深入地探討和研究。3面向智能電網(wǎng)的云計(jì)算3.1 智能云概念隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和全國(guó)性互聯(lián)電網(wǎng)的形成, 未來(lái)電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和信息將變得更加復(fù)雜, 數(shù)據(jù)和信息量將呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，各類(lèi)信息間的關(guān)聯(lián)度也將更加緊密6。同時(shí), 電力系統(tǒng)在線動(dòng)態(tài)分析和控制所要求的計(jì)算能力也將大幅地提高，當(dāng)前電力系統(tǒng)的計(jì)算能力已難以適應(yīng)新應(yīng)用的需求。日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量對(duì)電網(wǎng)公司信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力提出

10、了新的要求1。在這種情況下，電網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)不可能采用傳統(tǒng)的投資方式，靠更換大量的計(jì)算設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)解決問(wèn)題，而是必須采用新技術(shù)，充分挖掘現(xiàn)有電力系統(tǒng)硬件設(shè)施的潛力，提高其適用性和利用率。 基于上述構(gòu)想，可以將云計(jì)算引入電力系統(tǒng)中，構(gòu)建面向智能電網(wǎng)的云計(jì)算體系，形成電力系統(tǒng)私有的云-智能云1。智能云充分利用電力系統(tǒng)自身的物理網(wǎng)絡(luò)，整合現(xiàn)有的計(jì)算能力和存儲(chǔ)資源，以滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理能力及電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制和高級(jí)分析應(yīng)用的計(jì)算需求。智能云以透明的方式向用戶(hù)和電力系統(tǒng)應(yīng)用提供各種服務(wù)。它是對(duì)虛擬化的計(jì)算和存儲(chǔ)資源池進(jìn)行動(dòng)態(tài)部署、動(dòng)態(tài)分配重分配、實(shí)時(shí)監(jiān)控的云計(jì)算系統(tǒng)，從而向用戶(hù)或電力系統(tǒng)應(yīng)用提供滿足QoS

11、要求的計(jì)算服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)以及平臺(tái)服務(wù)。3.2 智能云的構(gòu)建智能云計(jì)算環(huán)境可以分為三個(gè)基本層次：物理資源層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。物理資源層包括各種計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源，整個(gè)物理資源層也可以作為一種服務(wù)向用戶(hù)提供，即IaaS(infrastructure as a service)。IaaS向用戶(hù)提供的不僅包括虛擬化的計(jì)算資源、存儲(chǔ)，同時(shí)還要保證用戶(hù)訪問(wèn)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)帶寬等5。平臺(tái)層是智能云計(jì)算環(huán)境中最關(guān)鍵的一層。作為連接上層應(yīng)用和下層資源的紐帶，其功能是屏蔽物理資源層中各種分布資源的異質(zhì)特性并對(duì)它們進(jìn)行有效管理，以向應(yīng)用層提供一致、透明的接口。作為整個(gè)智能云計(jì)算系統(tǒng)的核心層，平臺(tái)層主要包括智能電網(wǎng)高級(jí)應(yīng)

12、用和實(shí)時(shí)控制程序設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)環(huán)境、海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理系統(tǒng)、海量數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)智能云計(jì)算的其他系統(tǒng)管理工具，如智能云計(jì)算的系統(tǒng)中資源的部署、分配、監(jiān)控管理、安全管理、分布式并發(fā)控制等1 5。平臺(tái)層主要為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)者不用擔(dān)心應(yīng)用運(yùn)行時(shí)所需要的資源，平臺(tái)層提供應(yīng)用程序運(yùn)行及維護(hù)所需要的一切平臺(tái)資源。平臺(tái)層體現(xiàn)了平臺(tái)即服務(wù)，也稱(chēng)之為PaaS（platform as a service）5。應(yīng)用層則是用戶(hù)需求的具體體現(xiàn)，即通過(guò)各種工具和環(huán)境開(kāi)發(fā)的特定智能電網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。它是面向用戶(hù)提供的軟件應(yīng)用服務(wù)以及用戶(hù)交互接口等，這一層稱(chēng)為軟件即服務(wù)，即SaaS(software as a ser

13、vice) 5。3.3 智能云的資源管理在智能云計(jì)算環(huán)境中，資源負(fù)載在不同時(shí)間差別可能很大，而智能電網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)數(shù)量的巨大導(dǎo)致出現(xiàn)故障的概率也隨之增長(zhǎng)，資源狀態(tài)總是處于不斷變化中。此外，由于資源的所有權(quán)也是分布的，各級(jí)電網(wǎng)都擁有一定的計(jì)算資源和儲(chǔ)存資源，不同的資源提供者可以按其各自的需要對(duì)資源施加不同的約束，從而導(dǎo)致整個(gè)環(huán)境很難采用統(tǒng)一的管理策略。因此，若采用集中式的體系結(jié)構(gòu)，即在整個(gè)智能云環(huán)境中只設(shè)置一個(gè)資源管理系統(tǒng)，那么很容易造成瓶頸并導(dǎo)致單故障點(diǎn)，從而使得整個(gè)環(huán)境在可伸縮性、可靠性和靈活性方面都存在一定的問(wèn)題，對(duì)于大規(guī)模的智能云計(jì)算環(huán)境并不適合。解決此問(wèn)題的思路是引入分布式的資源管理體系結(jié)

14、構(gòu)，采用域模型。采用該模型后，整個(gè)智能云計(jì)算環(huán)境分為兩級(jí)：第一級(jí)是若干邏輯上的單元，我們稱(chēng)其為管理域，它是由某級(jí)電網(wǎng)擁有的若干資源，例如高性能計(jì)算機(jī)，海量數(shù)據(jù)庫(kù)等構(gòu)成的一個(gè)自治系統(tǒng)，每個(gè)管理域擁有自己的本地資源管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)管理本域內(nèi)的各種資源；第二級(jí)則是這些管理域相互連接而構(gòu)成的整個(gè)智能云計(jì)算環(huán)境。域III域II域I管理域代表了集中式資源管理的最大范圍和分布式資源管理的基本單位，體現(xiàn)了兩種機(jī)制的良好融合。每個(gè)域范圍內(nèi)的本地資源管理系統(tǒng)集中組織和管理該域內(nèi)的資源信息，保證在域內(nèi)的系統(tǒng)行為和管理策略是一致的。多個(gè)管理域通過(guò)相互協(xié)作以服務(wù)的形式提供可供整個(gè)智能云計(jì)算環(huán)境中的資源使用者訪問(wèn)的全局資源

15、，每個(gè)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)資源使用者而言則是透明的。引入管理域后的智能云組成如圖1所示圖1 基于資源管理域的智能云組成3.4 智能云的安全策略智能云計(jì)算環(huán)境中的資源是可共享的，同時(shí)可能有多個(gè)用戶(hù)或應(yīng)用需要請(qǐng)求這些資源提供的服務(wù)。由于這些應(yīng)用創(chuàng)建的目的通常各不相同，因此也具有不同的安全需求，從而要求提供不同的安全策略來(lái)實(shí)現(xiàn)這些需求。傳統(tǒng)的安全策略通常全部需由資源提供方來(lái)實(shí)施, 每當(dāng)發(fā)生變更時(shí)都要與相關(guān)的每個(gè)資源提供者交互以通知其發(fā)生的變化, 這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致管理開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大，極大地加重資源提供方的負(fù)擔(dān)。此外，該策略需要進(jìn)行安全評(píng)估的場(chǎng)所也過(guò)多，很難防止出現(xiàn)安全漏洞，最終導(dǎo)致智能云中共享資源自身的安全性很難得到

16、保證。這就需要擁有在智能云范圍內(nèi)制訂和執(zhí)行細(xì)粒度的安全策略（尤其是訪問(wèn)控制策略）的能力，以便靈活地管理各個(gè)成員，決定誰(shuí)是開(kāi)發(fā)者，誰(shuí)是使用者，各自可使用哪些資源提供的何種服務(wù)，且允許隨時(shí)調(diào)整成員及其擁有的權(quán)限。由于引入了資源管理域，因而智能云計(jì)算環(huán)境由多個(gè)資源管理域組成。與此相對(duì)應(yīng)，智能云計(jì)算的安全策略被劃分為內(nèi)部域安全策略和全局安全策略。內(nèi)部域安全策略只作用于管理域內(nèi)部域范圍，而全局安全策略是指影響智能云和管理域之間的各種交互的安全策略。內(nèi)部域安全策略定義為和管理域內(nèi)部域安全性相關(guān)的所有參數(shù)的一組規(guī)則。域內(nèi)進(jìn)行的種種與安全相關(guān)的活動(dòng)，如使用用戶(hù)名/口令向操作系統(tǒng)登錄，或使用SSH執(zhí)行遠(yuǎn)程作業(yè)等

17、，就是其安全策略的具體體現(xiàn)。全局安全策略則作用于智能云與管理域外部域之間的各種交互行為，決定如何管理域外的成員對(duì)域內(nèi)資源提供的服務(wù)的訪問(wèn)，例如具有哪些特性（包括身份，屬性等）的成員可訪問(wèn)域內(nèi)哪些資源的何種服務(wù)等。它負(fù)責(zé)在智能云計(jì)算環(huán)境中對(duì)內(nèi)部域策略進(jìn)行評(píng)估和調(diào)和，共同作用于智能云計(jì)算環(huán)境中的各種交互行為，從而構(gòu)成一個(gè)完整的安全策略實(shí)例。4結(jié)論和未來(lái)工作云計(jì)算是分布式計(jì)算、并行處理和網(wǎng)格計(jì)算的進(jìn)一步發(fā)展，是基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算，是能夠向各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供硬件服務(wù)、基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)、平臺(tái)服務(wù)、軟件服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)的系統(tǒng)5。智能電網(wǎng)將先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息處理技術(shù)和現(xiàn)代電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了融合，代表了未來(lái)電力工業(yè)發(fā)

18、展的趨勢(shì)。因此，將云計(jì)算技術(shù)引入智能電網(wǎng)領(lǐng)域，充分挖掘現(xiàn)有電力系統(tǒng)計(jì)算能力和存儲(chǔ)設(shè)施，以提高其適用性和利用率，無(wú)疑具有極其重要的研究?jī)r(jià)值和意義。本文對(duì)面向智能電網(wǎng)的云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，我們研究了云計(jì)算的概念及關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)；接著，本文分析了面向智能電網(wǎng)的云計(jì)算體系-智能云,并重點(diǎn)研究了智能云的內(nèi)涵和構(gòu)建方式；同時(shí)，我們也對(duì)影響智能云的關(guān)鍵問(wèn)題-資源管理和安全策略進(jìn)行了深入探討。盡管智能云概念的提出較好地利用了電力系統(tǒng)現(xiàn)有的硬件資源，但在解決資源調(diào)度、可靠性及域間交互等方面的問(wèn)題時(shí)，仍面臨許多挑戰(zhàn)。對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行廣泛而深入地研究，無(wú)疑對(duì)于智能云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。參 考 文 獻(xiàn)1 潘睿，劉俊勇，郭曉鳴, 電力系統(tǒng)云計(jì)算初探, 四川電力技術(shù), 2010，33(3)：pp.71-762 李琪林，周明天，智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究，計(jì)算機(jī)科學(xué)，2010，37(8)，pp.102-1043 陳全，鄧倩妮, 云計(jì)算及其關(guān)鍵技術(shù), 計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009