中英文資料外文翻譯文獻場域網的標準化和活的IPv6架最后一里的智能電構架本文旨在為智能電網的最后一英里的基于開放標準IPv6的礎設施提供一個綜合和全面的視角，用于支持一系列先進的應用程序（如讀表，需求響應，遙測，遙信和電網監控和自動化作為多服務平臺也從中受益在文中我將展示網絡基礎設施的各種模塊如何提供一個高效，靈活，安全和多業務的基于開放標準的網絡。為了討論電業在轉型過程中需要處理的一些問題例如遺留的老設備，網絡和應用程序集成，在過渡期推出的混合網絡結構的操作，隨后的文件會有更進一步的闡述。

介紹在過去幾年，由于在智能電網基礎設施的突出作用，最后一英里網絡已經獲得了相當大的發展勢頭。這些網絡在本文件稱為鄰區網絡NAN們持一系列應用不僅包括用電計量和管理，而且包括需求響應（DR）和配電自化DA）用高級應用；需求響應應用為用戶提供機會可以基于實時電價信息而優化其能源使用；配電自動化）用它允許分布的監測和控制，自動故障檢測，1隔離和管理，并作為未來的虛擬電廠，其中包括分布式發電，住宅能源存儲（例如，電動汽車充電及規模的社區電力易。場區網絡（FAN(NAN和有程廣域網接口的通訊設備的組合已成為一個智能電網的網絡基礎設施的核心組成部分。事實上，他們作為回程網絡可以為各種其他電網控制設備提供服;例如多租戶服務（煤氣表和水表庭局域網HAN設備的數據交換服務，這些都通過各種無線連接或有線線路連接的技術這形成了對部署的IP協議套件的需求并使的公開標準的使用提供了可靠性，可擴展性，安全性，跨網絡和靈活性，從而能為應付數量快速增長的電網配電網絡關鍵應用提供支持。IP也得領區網絡NAN容易整合到到端到端的網絡架構。通過場區網絡正在運行的應用程序之一是抄表，每個電表定期把使用數據發向一個事業單位端點的應用服務器。因此，在一個多點到單點MP2P）模式中，大部分電表的流量是從電表網絡到業單位網絡的。隨著需求響應，分布式能源資源整合和電動汽車充電等應用程序的出現和擴散預計整個場區網絡的數據流量將大幅增加，交通模式和雙向通信的需求會變得復雜得多。特別是區網絡將支持一些利用網絡服務來支持一些使用：

單儀通：需抄表，實時警報報，把某個位置的電表關閉都需要NMS/前點的點對點（P2P）通信電表，反之亦然設之的信DA設的子集需要彼此溝通管理和制在某一特定地區的電網運行，包括在某些情況下點到點之間的相互溝通需要靈活運用。HAN應用應程序需要同過單個電表作為應用程序的服務器來實現家電和公用事業頭端的溝通。例如，用戶可以激活直接負荷控制權用事業公司在電力高峰/或價高時遠程關閉某些家電（例如A，洗衣機/干衣機電車電用戶不在家時，需要能夠進入各自的車輛充電帳戶信息查看。這是為了當他們在路上或走親訪友時能夠給車充電。驗證用戶帳戶信息將需要通過電表到公用事業頭端服務器來實現通訊，以實現在動態位置時同時對大量的移動車輛充電。多戶務把在客戶端的信息合并，并在另一端區分幾個服務信息以形成一個復雜的多點對多點網絡（MP2MP如這可能是一個連接多個公用事業設備融合的網絡，比如開放的表計系統里所提到的英國國家電信運營商或德國通信盒。安性強大的身份驗證機制用于驗證設備連接到先進計量基礎設施）絡以及加密數據對隱私和網絡保護。網管：由于FAN網承載越來越的流量，并有嚴格的服務等級目標SLO以控和維護網絡的健康和性能，管理網絡相關的數據就變得至關重要。這將要求電網狀態和通訊統計的通訊，從儀表到通信表計網絡管理系統NMS/末端都是MP2P方式組服：一組儀表可能需要同時使用多播，如由一個網絡管理系統）用多播請求使軟件或參數升級，或對所有的儀表和各種子集儀表發送多播請求。網絡協議的關鍵優勢一個端到端的IP智能電網架構以影響30年聯網協議技術的發展而保證開放標準和互操作性是通過互聯網的日常使用和其20億最用戶證明。注意使互聯網協議套件并不味著運行IP的基設施是已被公開或公開訪問的網絡的確許現有的關鍵的私營和高度安全的網絡，如銀行內部網絡IP架構軍事和防御網絡，公共安全和應急反應網絡利用IP架，這里僅舉幾例。信息和通信技術ICT）和較傳的電力行業之間的差異之一是技術的生命周期。通過不修改整個工業流程而能順利進化步驟明了AMI基礎設施選擇IP分協議棧是未來的發展方向銷系統運營商）知識產權的主要好處是：

開和于準：絡，運輸和應用層的核心組件都被互聯網工程任務組）準化了，而關鍵的物理層據鏈路用化協議來自于一般的工業組織/COSEM，SAE，IEEE，ITU等。輕級，如智能電表，傳感器和執行器網絡最后一公里安裝設備不同于PC和務器。他們在電源CPU，內存和存儲源上都是有限的。因此，嵌入式網絡協議棧必須在幾個千字節的RAM和十千字節的閃存上工種協議在過去幾年已被證明可在這種受限的環境下執行。多能智能電網中的最后一英里基礎設施要面對兩個主要挑戰先個給定的技無線或有線）可能不適合所有領域部署的標準。二，通信技術發展的步伐的速度要快于預期的智能電表的15至20年壽命。分層架是裝備精良，以應付任何類型的物理和數據鏈路層，使得各種媒體的未來證明可用于部署，并隨著時間的推移，不改變整體架構的解決方案和數據流。無不有近的不管是通用計算機務器是輕量級嵌入式系TinyOS的Contiki等）都有一個集成的雙IP協棧IPv4IPv6隨著時間的推移增強。這使的新的網絡特性設置隨著時間的推移更容易去適應。可展：所謂互聯網的普通協議IP已大規模部署而且其擴展性也被測試過。數以百萬計的私人或公共IP基設施管理的節點在一個單一的實體（類似FAN部署下已運行多年，為不熟悉IP網管理的新來者提供了堅實的基礎。管和全通信基礎設施的正確操作需要適當的管理和安全功能30來運行IP網絡的好處之一是它有很好理解的網絡管理和安全協議，機制和工具集，這些都被廣泛使用。采IP網絡管理也有利于公用事業運營業務的應用，利用網絡管理工具，以改善他們的服務，例如通過網絡管理系統（NMS）的幫助確停電范圍。穩和性超過30年的在，它不再是一個問題IP是一個可行的解決方案，考慮到它的大，以及建立知識庫。場區的網絡，更重要的是如何，我們可以利用的關鍵基礎設施，如金融和防御網絡以及關鍵服務，如語音和視頻已經轉換積累經驗的年從封閉的環境中，以開放的IP標。這也有利于從專業的IT生態系統，可以幫助設計，部署和運營系統解決方案。端端通過采用IP為絡中的任何設備提供了端到端的和雙向的通信能力據業務的要求實施集中式或分布式數據處理架構。去除中間協議轉換網關有利于引進新的服務。分式網絡構架附近的區域網絡的聯網需求已被廣泛記載：成本效益，可擴展性（網絡中有數以百萬的節點是常見的全，可靠性和靈活性，這些是絕對要求的，而基于開放標準的技術和適應未來的15至20年的命是公用事業的最低期望值。這就解釋了為什么IPv6的套件是最初的選擇，盡管新IPv6協的目的是為了解決這網絡的獨特需求，這些將在下一章討論。采用IPv6有于在最后一英里功轉型為能源網絡。然而在描述更多IPv6網絡組件的細節之前，如地址安全性，服務質量QoS由網絡管理等，首先要問一下我們為什么要使用端到端的IPv6。竟，IPv6像何其他技術一樣需要適當的培訓勞動力，從技術人員到評估供應商分包商和承包商的管理人員。贊成在智能電網最后一英里使用端到端IP的主要步驟是要證明IP是量級的可以在有限的資源，能源，內存和處理能力受限的設備上使用。因此FAN視為單一的應用程序，存根網絡終端點（例如智能電表）可以通過網關翻IP議達到IP點，一個網關被捆綁到一個專門的服務或解決方案的供應商上。過去的二十年，隨著SNA（通過DLSw的），Appletalk的DECNET，IPX，X25等議的過渡，向我們表明這種網關的方案只在較小的，單一應用的，網絡下的過渡。但私有協議和翻譯網關有從眾所周知的嚴重問題高本支出和高運行成本重大的技術限制括乏端到端的，快速恢復的一致性，單點故障（除非執行復雜的狀態故障切換機制）的條款，限制創新，缺乏擴展性，容易受到安全攻擊等。因此，在許多方面，使用IPv6端到端（運行絡中的每個設備將在服務領域的區域網絡是非常優越的。如在圖所示

圖最后一英里智能電網轉變的多服務基礎構架（來自Cisco受限制網絡的獨特的網絡要求NAN網絡部署下的設備往往在資源方面受制約，通常命名為I智能象。考慮其獨特的特點和要求，智能對象的網絡也被稱為低功耗和有損網絡型的IP網絡有強大的路由器相互聯以保持高度穩定和快速鏈接，與之相比LLNs通常是低功耗，低帶寬鏈路（無線和有線）鏈接的，間幾kbps和個數百kbps的輸的形成了一個網狀網絡以保證正確的操作經營。除了提供有限帶寬，看到這樣的鏈接分組交付率）在60和90％之間搖擺不定是不尋常的，同時有大量不可預知的錯誤，甚至在時間間隔之間丟失數據。這些現象可以在無線（如I）和電線載波通信）（如IEEEP1901.2）的鏈接上看到，數據包傳輸可能在一天中就會發生變化IP智對象的另一個特點是各種型的節點可以在通信基礎設施中混合。這意味著路由協議需要有能力管理基于節點能力的流量，例如：有源供電的電表可以轉發流量并和現有的電池供電水表共存，或電池供電故障電路指標，作為在路由域的一個支葉。節點故障也可能大大超過傳的IP網節點，傳統IP網都電源供電并且高度冗余（多處理器，支持不間斷轉發NSF）的服務軟件升級（ISSU）另一個必要點是可伸縮。有些LLNs是幾十個節點構成的；其他是由數以百萬計的節點構成的，就像在AMI的網的情況下，他們通常由子網（或更小的網絡）幾千個節點所構成。這就解釋了為什么指定協議為大規模，限制性，不穩定的環境帶來了自身的挑戰。例如，在的金科玉律之一，是“under-reacttofailure與OSPF或ISIS的由協議相比，網絡需要在數十毫秒內重新收斂。面對這一挑戰需要一個真正的模式的轉變，因為過度反應會導致非常迅速的絡崩潰。此外，控制平面開銷應最小化，同時支持動態鏈/點指標，多拓撲路由（地鐵等這也解釋了導致在本文后面討論的各種協議為什么經過重新設計，特別是網狀路由）的傳統的IP網開發的幾種技術。此外，工作組IETF的輕重量實施指南[LWIG]正在為受約束的設備開發實施準則。最后但并非最不重要的是對使用多年的IP協議和算法來部署高度安全的網絡的強烈要求本文后面討論。

智電網最后一英里基礎架的技術構件今天，互聯網主要是運行在IPv4上，也有些例外，如IPv6是越越多地被部署在學術和研究網絡，領先的互聯網服務供應商或企業，以及政府的網絡中。IPv4與IPv6的較參見圖3。是，由于自2011年2月IANA理的地址池耗盡互聯網面臨的一個重大轉[經合組織。了規模的AMI和電自動化領域用IPv4絡，其余的有機會從一開始就用純的IPv6版本始部署業界一直在IPv6領努了近15年了使得采用IPv6能得到和IPv4相同IP服見5全面提出了許多建議，和最新的蜂窩變稱為LTE（長期演進些議來自于美國行政管和預算局，裝部隊，歐盟委員會IPv6的建議，區域互聯網注冊管理機構的建議，以及IPv4地枯竭倒數此外，正如上面所討論的所有與新的發展有關的IP能對象和，利用或正在建立IPv6技術因關使用IPv6的能電網FAN幾特點來部署的好書在接下來的章節將廣泛的回顧一下：

一個巨大的地址空間可以容納任何預期數百萬的電表的部署AMI千上萬的傳感器DA）部署于成百上千的二次變電站，以及一些獨立的電表。這包括額外的地址配備的靈活性，在需要安裝的小型設備時有助于適應部署的規模以及降低現場工作人員的任務。IPv6地址的結構也具有足夠的靈活性來管理大量的子網絡，這些字網絡可以創建一些服務，例如電動汽車充電站或分布式可再生能源。是開放的射頻無線網（802.15.4g使用數字無繩超低能源）和電力線的通信基礎設施（P1901.2）真正通訊IP版，PLC只義了其協議版本IPv6的6LoWPAN的應層。的事實上的低功耗和有損網絡RPL）的IETF工作ROLL-的標準化的IETF路協議的IP版本，是一個純IPv6協。所有著名的的IP功使部署計上的高度可用和安全的通信基礎設施與網絡操作中心共和或營廣域網（WAN）所有的鄰居區域網絡NAN綁定。如圖2所圖2：智能電網基本的基礎設施后一英里幾個層次的冗余案例圖2所的一個基本的FAN前系統收集儀表讀數，維護儀表的配置并監控網絡的運行。這是一個端到端的鏈接，包括通過廣泛提供區域網絡WAN）鏈接的儀表的節點和附近的區域網絡（的以，雖然儀表節點的物理連接從WAN變到NAN技，邏輯上IPv6端端的鏈接還在維護。這是通過引入一個或多個NAN邊的路由器也被稱為連接到廣域網的IP邊路由器使廣域網NAN之實現雙向數據流。在多服務的基礎設施情況下，可以預料IP邊路由器必須配置為雙--IPv6和IPv4并向IPv6的渡隧道，以及相反的過渡。當通過傳統的串口或以太網接口配電自動化設備，而鏈接只支持IPv4或提供的遠程工作人員連接到一個IPv4以太或使用僅支持IPv4的廣域網基礎設施時（GPRS種置是需要的IP邊路由器將根據情況進行適的配置，如通過廣域網或隧道技術同時運行IPv6和IPv4互聯網行業測試機制本身已經做過很好的測試。配電系統運營商（DSO）需要把余作為一種方法來提高LLNs通信的可靠性，以及衡量由于通訊和計量技術生命周期不兼容對廠商鎖定和技術鎖定。在廣域網和NAN通網狀功能或同時使用種技術，可以在幾個層次實現冗余。路由可以是從端到端透明的和獨立的技術。例如邊路器的廣域網連接可以由私有的可靠的光纖連接，或通過公共靈活的蜂窩通信技術鏈接，如GPRS/3G/LTE。一IP邊緣路由器可以與計量節點共存一處，或在變電站以分開的實體存在，而多數的計量節點是利用RF或PLC技術或同時利用兩種技術，通過6LoWPAN/IPv6/RPL鏈接建立網NAN由態IP路由協議啟動的IP邊路由器的可能性對防止單點故障來說是重要的別像由現在的集中器導入的私有PLC和RF網NAN節允許動態路由運輸，如電動汽車，場域工具或傳呼機。IP邊緣由器能夠在同技術下路由流量，并與其他IP邊路由器合作，在全球接骨干網，這是防止廠商鎖定和技術鎖定的關鍵要素，因為替代性的廣域網和通技術可以很容易地適應。與之對比，IP（非IP）關通過NAN與他網絡鏈接，該網絡的一個設備處理狀態和協議轉換的失敗將不可避免地導致通信故障。這也允許DSO在間和地點上能優化資本投資CAPEX和運營成本（OPEX在些國家的情況的GSM/GPRS為。雖這種成熟的技術是準備好展示并且成本低，但它可能已經是在其生命周期結束時，所以有部署的風險。然而，用它做廣域網接入，不僅能輕易的減輕這種風險，更先進的3G/LTE調解調器（部）從一開始就安裝在IP邊緣路由器上，或當覆蓋范圍和價格合適時逐漸的把他們替換掉。優化成本的DSO關的另一個問是分散部署NAN技術RF或的）通常需要足夠密集的節點分組來實現網狀功能（要看到它的鄰居始在一個位置推出時，必須先安裝一個IP邊緣路由器，并足夠接近第一個儀表必須，以確保WAN通。隨后它作為一個基礎，隨著更多的鄰居節點部署將成為一個較大的NAN網。圖3：智能電網場域網網協議棧圖3總結了被提議的場區網絡的體的端到端IPv6架清楚地顯示分層架構所提供的力量和靈活性第一層是相互獨立使得應用程序編程接API層與層之間有允許跨層優化的可能。例如，可以添加新的鏈接類型，而無需重新審視網絡尋址方案，或新應用程序可以被支持而不響其余協議棧。另一個例子，路由功能在第3層，這使新添加的數據鏈路層不影響路由架構。在本的其余部分我們會詳細描述網絡協議棧的相關技術方面目前知道已經現在已有過多的IP協議而無需任何改變就可以重新使用。外文文原文AStandardizedandIPv6ArchitectureforFieldAreaNetworksmartGridLastMileInfrastructurehispaperintendedprovideasyntheticandviewofopenstandardsInternetProtocolversion6(IPv6)basedarchitectureforSmartGridLastMileInfrastructuresinsupportofanumberofadvancedSmartGridapplications(meterreadout,demand-response,telemetry,andgridmonitoringandautomation)anditsbenefitasatrueMulti-Servicesplatform.Inthispaper,weshowhowthevariousbuildingblocksofIPv6networkinginfrastructurecananefficient,flexible,secure,andmulti-servicenetworkbasedonopenstandards.Inordertodiscusstransitionpathsforelectricutilitiesthatdealwithsuchlegacydevice,networkandapplicationintegration,andtheoperationofhybridnetworkstructuresduringtransitionalrollouts,afollow-uppapertobedeveloped.、Introduction：LastmilenetworkshaveconsiderablemomentumoverthepastfewyearsduetotheirprominentroleintheSmartGridinfrastructure.Thesenetworks—asNeighborhoodArea(NAN)inthisdocumentsupportvarietyofapplicationsincludingnotonlyelectricityusagemeasurementandmanagement,butalsoadvancedapplicationssuchasDemand-Response(DR),whichgivesuserstheopportunitytooptimizetheirenergyusagebasedonreal-timeelectricityinformation,DistributionAutomation(DA),whichallowsdistributionmonitoringandcontrol,andautomaticfaultdetection,isolationandmanagement,andservesasafoundationforfutureVirtualPowerPlants,whichcomprisedistributedpowergeneration,residentialenergystorage(e.g.,incombinationwithElectricVehicle(EV)charging),andsmallscaletradingcommunities.FieldAreaNetworks—thecombinationofNANandcommunicationdevicethebackhaulWANinterface(s)—haveemergedascentralcomponentoftheSmartGridinfrastructure.Infact,theycanserveasbackhaulnetworksforavarietyotherelectricgridcontroldevices;multi-tenantservicesandwatermeters),anddataexchangesHomeAreaNetwork(HAN)devices,allconnectedthroughavarietyofwirelesswiredlinetechnologies.ThishascreatedtheneedfordeployingtheIP(InternetProtocol)suiteofprotocols,enablingtheuseofopen-standardsthatprovidethereliability,scalability,security,inter-networkingandflexibilityrequiredtothefast-growingofcriticalapplicationsfortheelectricgridthatdistributionpowerneedtosupport.IPalsofacilitatesintegrationofNeighborhoodAreaNetworks(NAN)intoend-to-endnetworkarchitecture.OneapplicationbeingrunoverFieldAreaNetworksismeterreading,whereeachmeterperiodicallyreportsusagedatatoutilityhead-endapplicationserver.TheofmetertrafficwasthusdirectedfromthemeternetworktotheutilitynetworkinaMultipoint-to-Point(MP2P)fashion.WiththeemergenceandproliferationofapplicationssuchasDemandResponse,distributedenergyresourceintegrationandElectricalVehiclecharging,itisexpectedthatthetrafficvolumeacrosstheFieldAreaNetworkswouldincreasesubstantiallyandpatternsandbi-directionalcommunicationrequirementswouldbecomesignificantlymoreInparticular,FieldAreaNetworksareexpectedtosupportanumberofusecasesleveragingnetworkservices:●individualmeter.On-demandmeterreading,real-timealertreporting,andshutdownofpowertoasinglelocationrequirePoint-to-Point(P2P)communicationbetweentheNMS/Head-endandtheelectricmeterandviceversa.●CommunicationamongDAdevices.SubsetsofDAdevicesneedtocommunicatewitheachotherinordertomanageandcontroltheoperationoftheelectricgridinagivenarea,requiringtheuseofcommunicationwitheachother,includingPeer-to-Peerinsome●HANapplications.HANapplicationstypicallyrequirecommunicationbetweenhomeappliancesandtheutilityhead-endserverthroughindividualmetersactingasapplicationgateways.Forexample,ausermayactivateDirectLoadControl(DLC)capabilities,empoweringtheutilitycompanytoturnofforcertainhomeappliancesremotely(e.g.A/C,washer/dryer),whendemandthecostelectricityishigh.●ElectricVehicleCharging.Usersneedtohaveaccesstotheirindividualvehiclechargingaccountinformationwhilefromhomeordertoabletotheirvehicleswhileontheroadwhilevisitingfriends.Verifyinguserandinformationwouldrequirecommunicationthroughthemetertoutilityhead-endserversfrompotentiallyalargesetofnomadicbeingchargedsimultaneouslyfromdynamiclocations.●Multi-TenantServices.CombininginformationatthecustomersideanddifferentiatinginformationintoseveralservicesattheothersidedevisesforacomplexMultipoint-to-Multipointnetwork(MP2MP).ForcouldbeaconvergednetworkconnectingdevicesfrommultipleutilitiesassuggestedbytheUKnationalmulti-utilitytelecomDCCorGermanymulti-utilitycommunicationboxspecifiedinOpenMeterSystems.●Security.StrongauthenticationmechanismsforvalidatingdevicesthatconnecttotheAdvancedMeteringInfrastructure(AMI)aswellfordataandnetworkprotection.●NetworkManagement.AsFANcarriesincreasinglymoretrafficandissubjecttostringentServiceLevelObjectives(SLOs),managingnetwork-relatedcriticaltomonitoringandmaintainingnetworkhealthandperformance.ThiswouldrequirethecommunicationofgridstatusandcommunicationsstatisticsfrommeterstotheNetworkManagementSystem(NMS)/Head-endnaMP2Pfashion.●MulticastServices.Groupsofmetersmayneedtobeaddressedsimultaneouslyusingmulticast,e.g.,tosoftwareupgradeorparametersupdatessentbyamanagementsystem(NMS)toallusingmulticastrequests,andmulticastqueriesformeterreadingsofvarioussubsetsofthemeters.TheKeyAdvantagesofInternetProtocolAnend-to-endIPSmart-Gridarchitecturecanleverage30yearsofInternetProtocoltechnologydevelopment[RFC6272]guaranteeingopenstandardsandinteroperabilityaslargelydemonstratedthroughthedailyuseoftheInternetanditstwobillionend-users[Stats].UsingtheInternetprotocolsuitedoesnotmeanthataninfrastructurerunninghastobeanopenorpubliclyaccessiblemanyexistingmission-criticalbutprivatesecureleveragetheinter-bankingdefensenetworks,andpublic-safetyandemergency-responsenetworks,tonameafew.neofthedifferencesbetweenInformationandCommunicationsTechnology(ICT)themoretraditionalpowerindustryisthelifetimeoftechnologies.SelectingtheIPlayeredstackforAMIinfrastructurebringsfutureproofingthroughsmoothevolutionarystepsdonotmodifytheindustrialworkflow.KeyofIPforadistributionoperator(DSO)are:●andStandards-based:Corecomponentsofthenetwork,transportandapplicationslayersstandardizedbytheInternetEngineeringTaskForce(IETF)whilekeyphysical,datalink,andapplicationsprotocolscomefromusualindustrialorganizations,suchIEC,ANSI,DLMS/COSEM,SAE,IEEE,ITU,etc.●Lightweight:installedinthemileofAMInetworksuchassmartmeters,sensors,andactuatorsarenotPCandservers.Theyhavelimitedresourcesintermsofpower,CPU,memory,andstorage.Therefore,anembeddednetworkingstackmustworkonfewkilobitsofRAMandafewdozenkilobitsofFlashmemory.IthasbeendemonstratedoverthepastyearsthatproductionIPstacksperformwellinsuchconstrainedenvironments.(See[IP-light])●Versatile:LastmileinfrastructureinSmartGridhastodealwithtwokeychallenges.First,onegiventechnology(wirelessorwired)maynotfitallfielddeployment’scriteria.Second,communicationtechnologiesevolveatapacefasterthantheexpectedto20yearslifetimeofasmartmeter.TheIParchitectureiswellequippedanytypeofphysicalanddatalayers,makingitfutureproofasvariousbeinadeploymentand,overtime,withoutchangingthewholesolutionarchitectureanddataflow.●Allrecentoperatingsystemsreleasesfromgeneral-purposecomputersandserverstolightweightembeddedsystems(TinyOS,Contiki,etc.)haveanintegrateddual(IPv4andIPv6)IPstackgetsenhancedovertime.Thismakesanewnetworkingfeatureseteasiertoadaptovertime.●Scalable:AstheprotocolofInternet,IPmassivelydeployedandtestedforrobustscalability.MillionsofprivateorpublicIPinfrastructuremanagedunderasingleentity(similarlytowhatisexpectedforFANdeployments)havebeenoperationalforyears,offeringstrongfoundationsfornewcomersnotfamiliarwithIPnetworkmanagement.●ManageableandSecure:Communicationinfrastructurerequiresappropriatemanagementandsecuritycapabilitiesforproperoperations.ofthebenefitsofyearsofoperationalIPnetworksissetofwell-understoodnetworkmanagementandsecurityprotocols,mechanisms,andtoolsetsthatarewidelyavailable.Adoptingnetworkmanagementalsohelpsutilityoperationalbusinessapplicationbyleveragingnetwork-managementtoolstoimprovetheirservices,forexampleidentifyingpoweroutagecoveragethehelpoftheNetworkManagementSystem(NMS).●Stableresilient:Withmorethan30yearsofexistence,itnolongerquestionthatIPisaworkablesolutionconsideringitslargeandwell-establishedknowledgebase.MoreimportantforFieldAreaNetworksishowweleveragetheyearsofexperienceaccumulatedbycriticalinfrastructures,suchasfinancialanddefensenetworksaswellascriticalservicessuchasVoiceandVideothathavealreadytransitionedfromenvironmentstoopenIPstandards.ItalsobenefitsfromalargeecosystemofITprofessionalsthatcanhelpdesigning,deployingandoperatingthesystemsolution.●End-to-end:TheadoptionofIPprovidesend-to-endandbi-directionalcommunicationcapabilitiesbetweenanydevicesintheCentralizedordistributedarchitecturefordatamanipulationsaretobusinessofintermediateprotocoltranslationgatewaysfacilitatestheintroductionofnewservices.AnIPv6DistributionNetworkArchitectureThenetworkingrequirementsNeighborhoodAreaNetworkshavebeenextensivelydocumented:costefficiency,scalability(millionsofnodesinanetworkiscommon),security,reliabilityandflexibilityareabsolutemusts,andtechnologiesbasedonstandardsandtheproofingof15to20yearslifetimeareminimumexpectationsfromutilities.ThisexplainswhytheIPv6suitewastheinitialprotocolofchoice,althoughnewIPv6protocolshavebeendesignedtotheuniquerequirementsofsuchnetworks,asdiscussedinthenextchapter.TheadoptionofIPv6facilitatesasuccessfultransformationtoconnectedenergynetworkinthelastmile.However,beforedescribingreaterdetailIPv6networkingcomponentssuchasIPaddressing,security,QualityofService(QoS),androutingandnetworkmanagement,itisworthaskingshouldweuseend-to-endIPv6?Afterall,IPv6asanyothertechnologiesappropriateeducationtothewholeworkforce,technicianstotheexecutivesevaluatingvendors,subcontractorsandcontractors.OneofmajorstepsinfavorofbuildingthemomentumusingIPend-to-endthelastmileofSmartGridwastodemonstratethatIPcouldbelightenoughtobeusedonconstraineddeviceswithlimitedresourcesintermsofenergy,memory,andprocessingpower.Thusassingleapplication,networkswithendnodessuchasmetersnotrunningthatcouldbereachedthroughIPthroughprotocol-translationgateways,witheachgatewaybeingtiedtodedicatserviceand/orsolution’svendor.Thepasttwodecades,withthetransitionofprotocolsasSNA(throughAppletalk,DECnet,IPX,andX25,showedussuchgatewayswereviableoptionsonlyduringtransitionperiodswithsmaller,singleapplication,networks.Butproprietaryprotocolandtranslationgatewayswell-knownsevereissues,ashighCapExandOpEx1,alongwithsignificanttechnicallimitations2,includinglackofend-to-endcapabilitiesintermsofQoS,fastconsistency,singlepointoffailures(unlessimplementingcomplexstatefulfailovermechanisms),limitingintermsofinnovation(forcingtoleastcommondenominator),scalability,vulnerabilitytosecurityattacks,andmore.Therefore,usingIPv6end-to-end(IPeachandeverydeviceinthenetwork)willbe,inmanyways,amuchsuperiorapproachformulti-servicesFieldAreaNetworksshownonFigure1.1.Multi-ServicesInfrastructureLastMileSmartGrid)TheUniqueNetworkRequirementsofConstrainedNetworksDevicesdeployedincontextofareoftenconstrainedintermsofresourcesandoftennamedIPSmartObject.Smart-ObjectnetworksarereferredtoasLowpowerandLossyNetworks(LLN)consideringtheirrequirements.BycontrastwithtypicalIPnetworks,inwhichpowerfulareinterconnectedbyhighlystableandfastlinks,LLNsareusuallyinterconnectedbylow-power,low-bandwidthlinks(wirelessandwired)operatingbetweenafewkbpsandfew-hundredskbpsandformingameshedforguaranteeingproperoperations.Inadditiontoprovidingbandwidth,itisnotunusualtoseeonsuchlinksthePacketDelivery(PDR)oscillatingbetween60percentand90percent,withlargeofunpredictableerrorsandevenofconnectivityatintervals.Thosebehaviorscanbeobservedonbothwireless(suchasIEEE802.15.4g)andPowerLineCommunication(PLC)(suchasP1901.2)wherepacketdeliveryvariationmayhappenduringthecourseofoneAnothercharacteristicofIPsmartvarioustypesofnodescouldgetmixedinthecommunicationinfrastructure.Itthattheroutingprotocolneedstohavethecapabilitymanagingtrafficpathsbasedonnode’scapabilities—ie:poweredelectricmetersabletoforwardtrafficandco-existingwithbatterypoweredwaterorbatterypoweredfaultedcircuitindicators,actingasleavesinaLLNroutingNodefailuresmayalsobesignificantlymorefrequentthantraditionalIPnetworkswherenodeshaveasaspowertheyrequireandarehighlyredundant(multiprocessors,supportingnon-stopforwarding(NSF),In-ServiceSoftware(ISSU),etc).Anothernecessarycharacteristicforisscalability.SomeLLNsaremadeofdozensofnodes;comprisemillionsofnodes,asisthecaseofAMInetworks,howevertheyareusuallymadeupofsubnets(orsmallernetworks)ofafewthousandnodes.Thisexplainswhyspecifyingprotocolsforverylarge-scale,constrained,andunstableenvironmentsbringsitsownchallenges.Forexample,oneofthegoldenrulesinanLLNisto“under-reactto”bycontrastoroutingprotocolssuchasOSPForISIS,wherethenetworkneedstore-convergewithinfewdozensofmilliseconds.Meetingthischallengerequiredarealparadigmshift,sinceover-reactionwouldlead,veryrapidly,tonetworkcollapse.Furthermore,control-planeoverheadshouldbeminimized,whilesupportingdynamiclink/nodemetrics,Multi-TopologyRouting(MTR),andsoforth.ThatexplainswhyseveraltechniquesthatweredevelopedfortraditionalIPnetworkshadbeenredesignedresultinginvariousprotocolsespeciallyforMeshrouting(RPL)asdiscussedlaterinthispaper.Inaddition,theIETFLight-WeightImplementationGuidanceWG[LWIG]isdevelopingimplementationguidelinesconstraintdevices.Lastbutnotleastisthestrongrequirementfordeployinghighlysecurenetworks,usingyearsofIPprotocolsandalgorithms,asdiscussedlaterinpaper.5.TheTechnicalComponentsofIPv6SmartGridLastMileInfrastructureToday,theInternetrunsmostlyIPversion(IPv4),withexceptionsinacademicandresearchnetworks,leadingInternetServiceProvidersorEnterprises,andgovernmentnetworks(whereIPv6isincreasinglybeingdeployed).SeeFigure3foranIPv4-IPv6comparison.However,theInternetfacesamajortransition[OECD]duetotheexhaustionofaddresspoolmanagedbyIANAsinceFebruary2011.WithlittleexistingIPv4networkinglegacyintheareasofAMIandDistributionAutomation,thereisanopportunitytostartdeployingIPv6asthedefactoIPversionfromDayOne.TheindustryhasbeenonIPv6fornearly15years,theadoptionIPv6—whichprovidesthesameIPservicesasIPv4(seefigure—wouldfullyalignedwithnumerousrecommendations(U.S.OMBandFAR,EuropeanCommissionIPv6recommendations,RegionalInternetRegistryrecommendations,andIPv4addressdepletioncountdown)andlatest3GcellularevolutionknownasLTE(LongTermEvolution).Moreover,allnewdevelopmentsinrelationtoIPforSmartObjectsandLLNsasdiscussedabove,makeuseoforarebuiltonIPv6technology.Therefore,theuseofIPv6SmartGridFANsdeploymentbenefitsfromseveralfeatures,somebeingextensivelyreviewedinthenextsections:●Ahugeaddressspaceaccommodatinganyexpectedmulti-millionsmeterdeployment(AMI),thousandsofsensors(DA)overthehundredthousandsofsecondarysubstationsandadditionallyallstandalonemeters.Itincludesadditionalflexibilityofaddressconfigurationthathelpsadaptingwiththesizeofdeploymentsaswellastheneedtolowerfieldworkerstaskswheninstallingsmalldevices.structureoftheIPv6addressalsoflexibleenoughtomanagelargenumberofsub-networksthatmaybecreatedbyfuturesservicessuchase-vehiclechargingstationsordistributedrenewableenergy.●IPv6isthedefactoIPversionformetercommunicationoveropenRFMeshwireless(IEEE802.15.4g,DECTUltraLowEnergy)andPowerLineCommunicationsinfrastructures(IEEEP1901.2)usingthe6LoWPANadaptationlayerthatIPv6asitsversion.●IPv6isthedefactoIPversionforthestandardizedIETFRoutingProtocolforLowPowerandLossyNetworks——RPLisanIPv6-onlyprotocol.Thisgoesforgettingallwell-knownIPfeaturessetthatdesignvariationsforthedeploymentofhighlyavailableandsecuredcommunicationsinfrastructuretyingaNetworkOperationsCenter(s)andallNeighborhoodAreaNetworks(NAN)throughpublicprivateWideAreaNetworks(WAN)linkssuchasshownon2.Figure2.ExampleofbasicLastSmartGridInfrastructurewithseveralofredundancySource:Alliander

)TheHead-endSystemofabasicasshowninFigure2collectsthemeterreadings,maintainsmeterconfigurationsandoperation.Ithasend-to-endconnectionstometernodes,providedbywidenetworks(WANs)andneighborhoodareanetworks(NANs).So,whilethephysicalconnectionstothemeternodeschangefromWANtoNANtechnologies,theprincipleoflogicalend-to-endIPv6connectionsmaintained.ThisisachievedbyintroducingoneormoreroutersatoftheNAN,alsocalledIPRoutersconnecttotheWAN,enablingbi-directionaldatastreamsbetweenWANNAN.Incaseofmulti-servicesinfrastructures,itmaybeexpectedthatIPEdgeRoutershavetobeconfiguredasdual-stackIPv6andwillcapableoftunnelingIPv6overIPv4orvice-versa.ThismayberequiredwhenconnectingoverserialorinterfaceslegacyDistributionAutomationdevicesthatonlyrunIPv4orprovidingremoteworkforceconnectivitytoanIPv4IntranetusingWANinfrastructurethatIPv4-only(ie:GPRS).TheEdgeRouterwillhavetobeconfiguredtoaccommodatescenariosuchasrunningIPv6andIPv4overtheWANortunnelingoneprotocolversionthemechanismsthathavebeenwellandtestedbytheInternetindustry.DistributionOperators(DSOs)requireredundancyameanstocommunicationreliabilityintheLLNs,aswellasmeasureagainstvendorlock-inandtechnologylock-induetoincompatibilityinlifetimebetweencommunicationandmeteringtechnologies.RedundancycanbeatseverallevelsthroughmeshcapabilitiesintheWANandNANorbyusingmultipletechnologiessimultaneously.Routingshalltransparentfromendtoendandindependentfromthetechnology.Forexample,theWANconnectionofth