高雪飛

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣東 廣州 510405）

基于104規(guī)約的遠(yuǎn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信可靠性原理探討

高雪飛

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣東 廣州 510405）

104規(guī)約是應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)方式的遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議，但網(wǎng)絡(luò)層提供的是盡最大努力交付的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)，這種交付是不可靠的。文章分析探討了為克服網(wǎng)絡(luò)通信的“不可靠性”，104規(guī)約應(yīng)用層采取的保證報(bào)文正確收發(fā)的控制機(jī)制及網(wǎng)絡(luò)通信鏈路采用的冗余切換機(jī)制，說(shuō)明了104規(guī)約實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)通信可靠性的原理。

104規(guī)約；可靠性；冗余

基于IEC 104規(guī)約的遠(yuǎn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式已在電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，相比較傳統(tǒng)的串口通信模式，遠(yuǎn)動(dòng)信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸具有效率高、擴(kuò)展方便、節(jié)省資源（端口、通道、中間設(shè)備）等優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地適應(yīng)當(dāng)前調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的要求。南方電網(wǎng)基于現(xiàn)有的電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和MSTP傳輸網(wǎng)絡(luò)，所轄重要廠站與南網(wǎng)總調(diào)的遠(yuǎn)動(dòng)傳輸均實(shí)現(xiàn)了采用104規(guī)約的主備通道配置。隨著電網(wǎng)的不斷建設(shè)發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性也提出了越來(lái)越高的要求，本文就基于104規(guī)約的遠(yuǎn)動(dòng)通信可靠性原理進(jìn)行分析探討。

1 IEC 104規(guī)約體系結(jié)構(gòu)介紹

如表1所示為終端系統(tǒng)的104規(guī)約結(jié)構(gòu)。IEC 104規(guī)約采用了OSI 7層結(jié)構(gòu)中的5層，第5層和第6層未使用。

表1 IEC 104終端規(guī)約結(jié)構(gòu)

通過(guò)圖1可以看出，IEC 104規(guī)約在進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)流傳輸時(shí)的一般流程為：104應(yīng)用進(jìn)程將遠(yuǎn)動(dòng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按ASDU格式組織，再加上相應(yīng)的控制信息APCI構(gòu)成應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU，APDU格式的遠(yuǎn)動(dòng)報(bào)文通過(guò)應(yīng)用進(jìn)程與TCP服務(wù)之間的接口交付給下層的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。應(yīng)用協(xié)議控制信息APCI的格式如表2所示。

表2 應(yīng)用協(xié)議控制信息APCI格式

由于下層的網(wǎng)絡(luò)是“不可靠的”，其交付給應(yīng)用層的遠(yuǎn)動(dòng)報(bào)文數(shù)據(jù)可能有丟失、重復(fù)，應(yīng)用層必須有相應(yīng)的檢查確認(rèn)機(jī)制，為了保證攜帶遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)的報(bào)文能夠及時(shí)正確地被對(duì)端接收，IEC 104規(guī)約在APCI的控制域定義了保護(hù)報(bào)文不至丟失和重復(fù)傳送的控制信息；當(dāng)存在冗余鏈路時(shí)，為了保證在用鏈路發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)有效切換至備用，且保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性，在APCI控制域定義了傳輸連接的監(jiān)視以及報(bào)文傳輸啟動(dòng)/停止的控制信息。APDU報(bào)文可分為I格式、S格式、U格式3種，對(duì)應(yīng)3種類型的APCI，分別包含了上述的控制信息。

下面將從從報(bào)文收發(fā)的確認(rèn)機(jī)制和冗余鏈路的切換機(jī)制兩方面來(lái)討論IEC 104規(guī)約保證傳輸可靠性的機(jī)理。

2 報(bào)文收發(fā)的確認(rèn)機(jī)制

IEC 104規(guī)約采用基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)方式傳輸報(bào)文，相比串口模式下可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，網(wǎng)絡(luò)方式采取基于分組交換的虛電路連接，應(yīng)用層報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)上獨(dú)立選擇路由到達(dá)目的主機(jī)，當(dāng)網(wǎng)路負(fù)載發(fā)生變化或中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備失效時(shí)，到達(dá)目的主機(jī)的數(shù)據(jù)包可能發(fā)生延遲、丟失和重復(fù)。應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Application Protocol Data Unit，APDU）的I格式、S格式、U格式3種報(bào)文格式中，僅I格式報(bào)文包含應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（Application Service Data Unit，ASDU）數(shù)據(jù)。為保護(hù)攜帶應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（Application Service Data Unit，ASDU）的I格式報(bào)文不至于丟失和重復(fù)傳送，如表3—4所示，104規(guī)約在I格式報(bào)文的控制域中定義了發(fā)送序列號(hào)N（S）和接收序列號(hào)N（R），為解決發(fā)送方進(jìn)行單方向較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)送，在S格式報(bào)文控制域中定義了接收序列號(hào)N（R），以使接收方對(duì)已正確收到的I格式APDU進(jìn)行確認(rèn)。

表3 S格式報(bào)文的控制域

表4 I格式報(bào)文的控制域

104規(guī)約防止報(bào)文丟失和重傳的機(jī)制如下。

新連接建立后，通信雙方的N（S）和N（R）置0；發(fā)送方每發(fā)送一個(gè)APDU，其N（S）加1，并將尚未得到接收方確認(rèn)的已發(fā)送APDU保存在緩存區(qū)里；接收方將最后一個(gè)正確接收的APDU的發(fā)送序列號(hào)加1作為接收序列號(hào)N（R）返回給發(fā)送方，表明小于該號(hào)的所有已發(fā)送APDU已得到對(duì)方有效確認(rèn)；發(fā)送方收到返回的接收序列號(hào)N（R），方可以將緩沖區(qū)里相應(yīng)的APDU刪除；在發(fā)送方超時(shí)未收到確認(rèn)或接收方發(fā)現(xiàn)APDU有丟失，均會(huì)主動(dòng)斷開連接，隨后主動(dòng)打開連接重試。但為了避免發(fā)送方重復(fù)發(fā)送報(bào)文，接收方在主動(dòng)關(guān)閉連接之前會(huì)發(fā)送S格式報(bào)文進(jìn)行確認(rèn)。

從以上可以看出，IEC 104規(guī)約應(yīng)用層通過(guò)對(duì)收發(fā)報(bào)文進(jìn)行按序號(hào)確認(rèn)的方式，克服了下層網(wǎng)絡(luò)傳輸特性可能導(dǎo)致的報(bào)文丟失和重復(fù)傳輸?shù)膯?wèn)題，保證了遠(yuǎn)動(dòng)報(bào)文能夠有序準(zhǔn)確地進(jìn)行發(fā)送和接收。

3 通信鏈路的冗余切換機(jī)制

前面介紹的報(bào)文收發(fā)的確認(rèn)機(jī)制是基于單一通信鏈路進(jìn)行討論的。隨著電力系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，電網(wǎng)電壓等級(jí)越來(lái)越高、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，電網(wǎng)對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)信息傳輸?shù)目煽啃砸笠嘣絹?lái)越高，在高電壓等級(jí)的廠站一般都要求使用冗余通道來(lái)提高通信系統(tǒng)的可用性。隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，通信鏈路冗余配置現(xiàn)在可以輕松實(shí)現(xiàn)。按南網(wǎng)現(xiàn)有已建通信網(wǎng)絡(luò)，廠站與總調(diào)之間的遠(yuǎn)動(dòng)104通道一般采用調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)通道和MSTP專線通道主備方式。在配備冗余鏈路的情況下，通信雙方將同時(shí)維持多個(gè)通信連接，當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)的收發(fā)時(shí)，僅有一個(gè)連接是有效的，調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)通道和專線通道平時(shí)為主備用狀態(tài)，當(dāng)主用的網(wǎng)絡(luò)通道發(fā)生故障或因通道有其他工作導(dǎo)致通道不可用，備用通道應(yīng)能正常切換至主用且不能破壞數(shù)據(jù)的完整性。

每條通信通道對(duì)應(yīng)控制站與被控站之間的一個(gè)TCP邏輯連接，每個(gè)TCP連接由收發(fā)端的IP地址+端口號(hào)唯一確定。調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)通道和專線通道對(duì)應(yīng)的兩個(gè)邏輯連接構(gòu)成一個(gè)冗余組，遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)由冗余組的兩個(gè)邏輯連接共享，但只有一個(gè)邏輯連接是激活并有效的，遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)只在被激活的鏈路上傳輸。為了監(jiān)測(cè)鏈路的狀態(tài)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)鏈路故障并進(jìn)行鏈路的及時(shí)有效切換，IEC 104定義了U格式報(bào)文，其APCI控制域如表5所示。

表5 U格式報(bào)文的控制域

平時(shí)冗余組內(nèi)的所有連接由U格式的TESTFR_ACT和TESTFR_CON命令來(lái)監(jiān)管，連接的兩端均可發(fā)起測(cè)試，一端發(fā)送測(cè)試APDU（TESTFR_ACT）并由接收端發(fā)送TESTFR_CON來(lái)確定連接狀態(tài)，以便能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信故障。激活連接的選擇和連接的切換由控制站決定，通過(guò)STARTDT和STOPDT命令的激活/確認(rèn)來(lái)控制。當(dāng)在控制方向或監(jiān)視方向APDU傳輸時(shí)間超過(guò)設(shè)定的時(shí)間時(shí)，此時(shí)便認(rèn)為當(dāng)前連接不可用，控制站在備用連接上發(fā)送一個(gè)STARTDT_ACT，被控站在相應(yīng)連接上發(fā)回一個(gè)STARTDT_ CON確認(rèn)，當(dāng)控制站收到STARTDT_CON，備用連接便被激活。隨后的命令和用戶數(shù)據(jù)都將在新激活的連接上傳輸。至此，便完成了連接之間的切換。由于冗余組內(nèi)的邏輯連接共享應(yīng)用層數(shù)據(jù)，當(dāng)備用連接切換為主用連接時(shí)，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。

此后，故障的連接將被關(guān)閉，控制站將定期嘗試重新打開該連接，當(dāng)鏈路故障消除，該連接將被重新建立，通信連接再次進(jìn)入主備冗余狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

104規(guī)約現(xiàn)已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，為保證通信數(shù)據(jù)的可靠性傳輸，104規(guī)約在應(yīng)用層引入了應(yīng)用規(guī)約控制信息APCI，通過(guò)APCI控制域定義的控制信息能夠有效地保證104規(guī)約通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕疚陌磧煞N機(jī)制對(duì)此進(jìn)行了分析探討。隨著調(diào)度自動(dòng)化對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求越來(lái)越高，理解并掌握104規(guī)約實(shí)現(xiàn)可靠通信的原理，對(duì)我們?cè)谌粘＿\(yùn)維檢修工作中分析和處理故障，將有重要的意義。

［1］謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)［M］.5版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

Discussion on the reliability principle of IEC 104 remote communication network

Gao Xuefei

（China Southern Power Grid，Guangzhou 510405，China）

IEC 104 is a remote communication protocol applied to the TCP/IP network，but the network layer provide a best effort data gram service which is unreliable.This paper discussed the control mechanism to ensure message being sent and received correctly taken by IEC 104 application layer and the switching mechanism of redundancy channel taken by network communication link in order to overcome the “unreliable” of network communication，and by this this paper explained the principle of IEC 104 to realize the reliability of remote communication network.

104 protocol；reliability；redundancy

高雪飛（1988—），男 ，山東煙臺(tái)。