基于報文精確識別的變電站通信網(wǎng)絡確定性路徑交換方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于報文精確識別的變電站通信網(wǎng)絡確定性路徑交換方法，其方法為：IED設備首先需解析GOOSE、SV報文的APPID、SRCMAC、GOOSEID?ref/smvID；其次對GOOSEID?ref/smvID進行哈希運算HASH，形成ASH組合鍵，并查找ASH轉(zhuǎn)發(fā)表，當ASH轉(zhuǎn)發(fā)表中存在與報文APPID、SRCMAC、HASH(GOOSEID?ref_tx/smvID)三項完全相符內(nèi)容，則報文直接去往ASH轉(zhuǎn)發(fā)表中對應端口，當ASH轉(zhuǎn)發(fā)表中無對應信息或信息不能夠完全對應時則丟棄該報文，最后報文在端口通過緩存映射進入隊列排隊等候發(fā)送，同時設備繼續(xù)接收GOOSE、SV報文。本發(fā)明避免了報文辨識的沖突問題，實現(xiàn)規(guī)定報文的確定路徑轉(zhuǎn)發(fā)，有效緩解組播交換方式帶來的網(wǎng)絡擁塞及設備誤操作問題。
【專利說明】基于報文精確識別的變電站通信網(wǎng)絡確定性路徑交換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及變電站通信網(wǎng)絡報文傳輸?shù)摹炯夹g(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種基于報文精確識別的變電站通信網(wǎng)絡確定性路徑交換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]報文傳輸?shù)膶崟r可靠性是評價變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡性能的重要指標。在報文交換過程中實現(xiàn)信息傳輸過程可控以及錯誤報文識別是提升通信網(wǎng)絡實時可靠性的有效手段。變電站通信網(wǎng)絡中傳輸?shù)闹饕獔笪挠蠫OOSE，SV以及MMS報文三類，其中GOOSE和SV報文采用廣播的方式在網(wǎng)絡中傳輸。由于目前變電站通信網(wǎng)絡采用的交換技術(shù)不能有效識別信息流類型以及控制信息流傳輸路徑，導致部分設備接收到不需要的GOOSE和SV報文，在給通信網(wǎng)絡帶來不必要流量負載的同時，也在網(wǎng)絡中產(chǎn)生了報文傳輸?shù)募纳芈?，給繼電保護設備帶來因接收未訂閱報文而發(fā)生誤動的隱患。
[0003]如圖6所示，為目前變電站通信網(wǎng)絡交換技術(shù)構(gòu)架，其工作原理為:當數(shù)據(jù)包到達交換機端口時，首先由接收機將整段報文接收；接著，由數(shù)據(jù)報解析模塊對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行解析，在此過程中交換機僅能獲得數(shù)據(jù)MAC地址、優(yōu)先級別等基本屬性，然后，對應MAC地址表，數(shù)據(jù)包由緩存映射進入隊列相應位置排隊，當數(shù)據(jù)包到達隊頭時，由數(shù)據(jù)報封裝模塊對其封裝并經(jīng)由發(fā)送機發(fā)送離開交換機。目前變電站通信網(wǎng)絡采用的交換方案通過形成MAC地址表并按照該表進行報文的轉(zhuǎn)發(fā)，這種轉(zhuǎn)發(fā)方式并不適用于GOOSE及SV報文。主要是因為標準中規(guī)定GOOSE及SV報文轉(zhuǎn)發(fā)采用組播的傳輸方式，這種組播的方式會導致網(wǎng)絡的沖突增加，某些不應該收到報文的設備收到了報文，給網(wǎng)絡帶來不必要的流量負擔，盡管目前變電站通信網(wǎng)絡交換技術(shù)采用VLAN技術(shù)劃分廣播域，一定程度上減少組播帶來的流量負擔，但依舊無法徹底避免問題。為解決這一問題，最根本的是改變這種查詢MAC地址表的方式來轉(zhuǎn)發(fā)報文。
[0004]此外，目前也有研究提出了一種通過SCD文件解析獲得報文APPID轉(zhuǎn)發(fā)表的交換方式。通過獲得報文APPID查找接收該報文的IED設備，實現(xiàn)報文的確定路徑轉(zhuǎn)發(fā)，從而解決上述變電站通信網(wǎng)絡交換技術(shù)中由于組播報文帶來的流量負擔以及部分IED設備接收不必要報文誤操作等問題。APPID轉(zhuǎn)發(fā)表形成依賴于解析S⑶文件，S⑶文件是IEC61850定義的用于智能變電站配置的文件，涵蓋了描述智能變電站全部智能電子設備(IED)、通信配置和變電站拓撲結(jié)構(gòu)等段落內(nèi)容。通過SCD文件的解析能夠獲得包括全部IED電子設備名稱、端口名稱、端口所涉及的各路G00SE/SV報文、APPID與端口的對應關(guān)系等全方位信息。通過SCD文件解析，可獲得設備連接拓撲及報文訂閱/發(fā)布與設備端口對應關(guān)系，進一步通過交換機報文解析及端口學習功能，整合報文APPID與報文訂閱設備端口對應關(guān)系以及MAC地址表中相關(guān)內(nèi)容獲得APPID轉(zhuǎn)發(fā)表。基于APPID轉(zhuǎn)發(fā)表的變電站通信網(wǎng)絡交換技術(shù)的基本工作流程為:首先通過S⑶文件解析及交換機端口學習形成APPID轉(zhuǎn)發(fā)表；其次，交換機接收報文時，通過報文解析模塊獲得報文APPID ;然后，查找APPID轉(zhuǎn)發(fā)表，如果有與該報文相符的信息，報文直接去往轉(zhuǎn)發(fā)表中對應的端口，否則丟棄該報文；最后，由數(shù)據(jù)包封裝模塊封裝報文并通過發(fā)送機將報文送至下一節(jié)點，交換機繼續(xù)接收報文。雖然，采用單純的APPID識別GOOSE/SV報文技術(shù)，原理上可以實現(xiàn)GOOSE/SV報文辨別。但在實際應用中，可能會出現(xiàn)由于錯誤配置，熱備用以及測試裝置接入等原因?qū)е虏煌珿OOSE或SV報文具有相同的APPID的情況，造成G00SE/SV報文辨別或轉(zhuǎn)發(fā)錯誤。
[0005]因此，終上所述，改進目前變電站通信網(wǎng)絡交換技術(shù)中SV報文、GOOSE報文的交換方案，采用一種能夠精確識別報文并實現(xiàn)報文確定路徑轉(zhuǎn)發(fā)的交換方案，可以很大程度提高變電站通信網(wǎng)絡的實時可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于解決目前變電站通信網(wǎng)絡交換技術(shù)中信息廣播帶來的流量負載及設備誤操作，以及利用APPID為主鍵識別G00SE/SV流技術(shù)中出現(xiàn)的APPID沖突問題，提供一種基于報文精確識別的變電站通信網(wǎng)絡確定性路徑交換方法，利用APPID/SRCMAC/HASH (GOOSEID ref/smvID)形成的ASH組合鍵實現(xiàn)G00SE、SV報文精確識別，并實現(xiàn)報文在采用組播地址情況下仍然能夠?qū)笪膫鞯綉摻邮赵搱笪牡脑O備，而不應該接受該報文的設備不會接收到該報文，即實現(xiàn)符合報文訂閱關(guān)系的確定鏈路的信息傳輸。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為:基于報文精確識別的變電站通信網(wǎng)絡確定性路徑交換方法，包括以下步驟:
[0008]I)交換機解析S⑶文件，分別形成IED發(fā)送報文配置表和IED接收報文配置表，并通過發(fā)送測試報文，形成以ASH組合鍵為主鍵的ASH轉(zhuǎn)發(fā)表；
[0009]2)交換機接收GOOSE、SV報文；
[0010]3)解析 GOOSE、SV 報文中的應用標識 APPID、SRCMAC 地址、GOOSEID ref/smvID 內(nèi)容，并對GOOSEID ref/smvID進行哈希運算HASH，形成步驟I)中所述的ASH組合鍵，得到ASH主鍵信息；
[0011]4)查找ASH轉(zhuǎn)發(fā)表對接收報文端口作進一步確認，如果存在符合該條ASH組合鍵的轉(zhuǎn)發(fā)信息，報文去往對應端口，否則拋棄報文并結(jié)束流程；
[0012]5)報文在端口通過緩存映射進入隊列排隊等候發(fā)送，同時設備繼續(xù)接收G00SE、SV報文，重復步驟2)至5)。
[0013]在步驟I)中，所述ASH轉(zhuǎn)發(fā)表的形成過程如下:首先，IED設備通過S⑶文件解析在交換機中形成相應的IED發(fā)送報文配置表和IED接收報文配置表；其次，結(jié)合IED發(fā)送報文配置表和IED接收報文配置表中的報文APPID、設備名稱及端口對應關(guān)系的內(nèi)容形成相應的IED設備端口表，其中，所述IED設備端口表是通過APPID作為紐帶形成了 IED設備與交換機各端口的對應關(guān)系，而IED接收報文配置表是通過APPID作為紐帶確定報文應該去往的目的IED端口 ；最后，結(jié)合IED設備端口表和IED接收報文配置表，并增添該報文SRCMAC、HASH (GOOSEID ref/smvID)兩項內(nèi)容，形成所需的ASH轉(zhuǎn)發(fā)表。
[0014]所述ASH轉(zhuǎn)發(fā)表會根據(jù)IED設備端口表是否添加或者更新內(nèi)容而進行更新，其更新過程如下:當IED設備端口表需要添加或者更新內(nèi)容時，則需對GOOSE、SV報文的應用標識APPID、SRCMAC地址、GOOSEID ref/smvID內(nèi)容進行解析，結(jié)合其進入交換機的端口號Src_port，形成相應的IED設備端口表；其次，交換機獲取IED設備端口表項中的IED名稱、端口名稱和更新前的交換機端口號ori_p0rt，并根據(jù)這些內(nèi)容對IED接收報文配置表進行查找；如果IED接收報文配置表中沒有相關(guān)的記錄，則結(jié)束整個過程，如果IED接收報文配置表中有相關(guān)的記錄，則提取IED名稱和端口名稱對應的APPID、SRCMAC、HASH (GOOSEIDref/smvID)，并根據(jù) APPID、SRCMAC、HASH (GOOSEID ref/smvID)在 ASH 轉(zhuǎn)發(fā)表中查找；如果ASH轉(zhuǎn)發(fā)表中不存在相符記錄，則添加該記錄到ASH轉(zhuǎn)發(fā)表中，并更新ASH轉(zhuǎn)發(fā)表中的端口號，從而完成ASH轉(zhuǎn)發(fā)表的更新。
[0015]在步驟3)中，采用APPID解析模塊獲得GOOSE、SV報文的APPID，并通過查找ASH轉(zhuǎn)發(fā)表初步確定報文發(fā)送端口 ；接著，采用SRCMAC解析模塊及GOOSEID ref/smvID解析模塊獲得GOOSE、SV報文的SRCMAC地址及GOOSEID ref/smvID內(nèi)容；其次，通過HASH模塊對GOOSEID ref/smvID內(nèi)容進行處理。
[0016]在步驟4)中，所述符合該條ASH組合鍵的轉(zhuǎn)發(fā)信息是ASH轉(zhuǎn)發(fā)表中存在與報文APPID、SRCMAC、HASH (GOOSEID ref/smvID)三項完全相符的內(nèi)容。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果:
[0018]1、利用 APPID/SRCMAC/HASH(GOOSEID ref/smvID)形成的 ASH 組合鍵實現(xiàn) G00SE、SV報文精確識別，并實現(xiàn)報文在采用組播地址情況下仍然能夠?qū)笪膫鞯綉摻邮赵搱笪牡脑O備，而不應該接受該報文的設備不會接收到該報文，即實現(xiàn)符合報文訂閱關(guān)系的確定鏈路的信息傳輸；
[0019]2、避免了報文辨識的沖突問題，實現(xiàn)規(guī)定報文的確定路徑轉(zhuǎn)發(fā)，有效緩解組播交換方式帶來的網(wǎng)絡擁塞及設備誤操作問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的G00SE報文的幀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明的SV報文的幀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明的報文交換流程示意圖。
[0023]圖4為本發(fā)明的基于ASH組合鍵交換技術(shù)的組成構(gòu)架示意圖。
[0024]圖5為本發(fā)明的ASH轉(zhuǎn)發(fā)表更新流程示意圖。
[0025]圖6為目前變電站通信網(wǎng)絡交換技術(shù)構(gòu)架示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0027]參見圖1和圖2所示，分別顯示了 G00SE報文的幀結(jié)構(gòu)和SV報文的幀結(jié)構(gòu)，從圖中可知，G00SE、SV報文的前12個字節(jié)為報文目的地址及源地址，0x8100、0x88B8和0x88BA為以太網(wǎng)類型標識，0x8100代表該字段之后的字段為VLAN (虛擬局域網(wǎng))標志，0x88B8代表該條報文為G00SE報文，0x88BA代表該條報文為SV報文，APPID為應用標識，數(shù)據(jù)為報文攜帶的數(shù)據(jù)信息，長度可變，CRC為循環(huán)冗余檢驗碼。
[0028]G00SE、SV報文的第19、20字節(jié)為應用標識APPID。APPID是可視字符串，代表GoCB所位于的邏輯設備，缺省值限定為GoCB的0bjectReference。G00SE報文的應用標識在0x0到0x3FFF之間，唯一標識了一路GOOSE ；SV報文的應用標識在0x4000到0x7FFF之間，唯一了標識了一路采樣值。實踐運行中，單一使用APPID作為G00SE及SV報文識別鍵，無法有效區(qū)分錯誤配置裝置或熱備用裝置發(fā)出與已有設備相同APPID的情況。[0029]GOOSE、SV報文從第7字節(jié)開始的6字節(jié)內(nèi)容為報文源地址。不同裝置擁有唯一且不同的SRCMAC用以標識該裝置在網(wǎng)絡中的位置。
[0030]GOOSE標識(G00SEID ref)為GOOSE報文應用范圍內(nèi)的唯一標識，GOOSE標識位于GOOSE報文幀結(jié)構(gòu)中可變長度部分，G00SEID ref包含邏輯設備名稱以及GOOSE控制塊名稱。ObjecetReference GoCBRef 為:LDName/LLN0.GoCBName。G00SEID ref 包含比 APPID更加直觀的設備及控制塊信息，但由于G00SEID ref字段并非定長，為在硬件層面實現(xiàn)G00SEID ref的應用，需要使用哈希運算將G00SEID ref整理為較短定長字符串。
[0031]采樣值ID (smvID)為采樣值在緩沖區(qū)的唯一標識，作用相當于GOOSE標識。smvID包含了合并單元MU相關(guān)信息及邏輯端口信息，該字段也非定長，需使用哈希運算將其整理為較短定長字符串。
[0032]哈希算法(HASH)是一種將任意長度字符串映射成較小固定長度字符串的算法，這個較小長度的值稱為哈希值。哈希值是一段數(shù)據(jù)唯一且極其緊湊的數(shù)值表示形式。如果原字符串改變哪怕一個字母，隨后的哈希都將產(chǎn)生不同的值，要找到哈希值相同的兩個不同的輸入，在計算上是不可能的，因此調(diào)用哈希算法對G00SEID ref或smvID進行字段長度處理，具有較高的區(qū)分度和安全性，其結(jié)果的通用表述為HASH(G00SEID ref/smvID)。
[0033]參見圖3所示，顯示了本發(fā)明的GOOSE、SV報文轉(zhuǎn)發(fā)交換流程，其具體情況如下:
[0034]I)交換機解析S⑶文件，分別形成IED發(fā)送報文配置表和IED接收報文配置表，并通過發(fā)送測試報文，形成以ASH組合鍵為主鍵的ASH轉(zhuǎn)發(fā)表；
[0035]2)交換機接收GOOSE、SV報文；
[0036]3)解析 GOOSE、SV 報文中的應用標識 APPID、SRCMAC 地址、G00SEID ref/smvID 內(nèi)容，并對G00SEID ref/smvID進行哈希運算HASH，形成步驟I)中所述的ASH組合鍵，得到ASH主鍵信息；
[0037]4)查找ASH轉(zhuǎn)發(fā)表對接收報文端口作進一步確認，如果存在符合該條ASH組合鍵的轉(zhuǎn)發(fā)信息，即ASH轉(zhuǎn)發(fā)表中存在與報文APPID、SRCMAC、HASH(G00SEID ref/smvID)三項完全相符的內(nèi)容，報文去往對應端口，否則拋棄報文并結(jié)束流程；
[0038]5)報文在端口通過緩存映射進入隊列排隊等候發(fā)送，同時設備繼續(xù)接收G00SE、SV報文，重復步驟2)至5)。
[0039]其中，為形成以ASH為主鍵的ASH轉(zhuǎn)發(fā)表，需在形成APPID轉(zhuǎn)發(fā)表的基礎上對交換機設備端口作進行學習。具體來說，首先，IED設備通過SCD文件解析在交換機中形成如下表I所示的IED發(fā)送報文配置表以及如下表2所示的IED接收報文配置表。
[0040]表I IED發(fā)送報文配置表
[0041]
APPID iedName apName type cbName IdInst
[0042]表2 IED接收報文配置表
[0043]
APPID iedName apName type IdInst
【權(quán)利要求】
1.基于報文精確識別的變電站通信網(wǎng)絡確定性路徑交換方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)交換機解析SCD文件，分別形成IED發(fā)送報文配置表和IED接收報文配置表，并通過發(fā)送測試報文，形成以ASH組合鍵為主鍵的ASH轉(zhuǎn)發(fā)表； 2)交換機接收GOOSE、SV報文； 3)解析GOOSE、SV報文中的應用標識APPID、SRCMAC地址、GOOSEIDref/smvID內(nèi)容，并對GOOSEID ref/smvID進行哈希運算HASH，形成步驟I)中所述的ASH組合鍵，得到ASH主鍵信息； 4)查找ASH轉(zhuǎn)發(fā)表對接收報文端口作進一步確認，如果存在符合該條ASH組合鍵的轉(zhuǎn)發(fā)信息，報文去往對應端口，否則拋棄報文并結(jié)束流程； 5)報文在端口通過緩存映射進入隊列排隊等候發(fā)送，同時設備繼續(xù)接收GOOSE、SV報文，重復步驟2)至5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于報文精確識別的變電站通信網(wǎng)絡確定性路徑交換方法，其特征在于，在步驟I)中，所述ASH轉(zhuǎn)發(fā)表的形成過程如下:首先，IED設備通過S⑶文件解析在交換機中形成相應的IED發(fā)送報文配置表和IED接收報文配置表；其次，結(jié)合IED發(fā)送報文配置表和IED接收報文配置表中的報文APPID、設備名稱及端口對應關(guān)系的內(nèi)容形成相應的IED設備端口表，其中，所述IED設備端口表是通過APPID作為紐帶形成了 IED設備與交換機各端口的對應關(guān)系，而IED接收報文配置表是通過APPID作為紐帶確定報文應該去往的目的IED端口 ；最后，結(jié)合IED設備端口表和IED接收報文配置表，并增添該報文SRCMAC、HASH (GOOSEID ref/smvID)兩項內(nèi)容，形成所需的ASH轉(zhuǎn)發(fā)表。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于報文精確識別的變電站通信網(wǎng)絡確定性路徑交換方法，其特征在于，所述ASH轉(zhuǎn)發(fā)表會根據(jù)IED設備端口表是否添加或者更新內(nèi)容而進行更新，其更新過程如下:當IED設備端口表需要添加或者更新內(nèi)容時，則需對GOOSE、SV報文的應用標識APPID、SRCMAC地址、GOOSEID ref/smvID內(nèi)容進行解析，結(jié)合其進入交換機的端口號Src_port，形成相應的IED設備端口表；其次，交換機獲取IED設備端口表項中的IED名稱、端口名稱和更新前的交換機端口號ori_p0rt，并根據(jù)這些內(nèi)容對IED接收報文配置表進行查找；如果IED接收報文配置表中沒有相關(guān)的記錄，則結(jié)束整個過程，如果IED接收報文配置表中有相關(guān)的記錄，則提取IED名稱和端口名稱對應的APPID、SRCMAC, HASH (GOOSEIDref/smvID)，并根據(jù) APPID、SRCMAC、HASH (GOOSEID ref/smvID)在 ASH 轉(zhuǎn)發(fā)表中查找；如果ASH轉(zhuǎn)發(fā)表中不存在相符記錄，則添加該記錄到ASH轉(zhuǎn)發(fā)表中，并更新ASH轉(zhuǎn)發(fā)表中的端口號，從而完成ASH轉(zhuǎn)發(fā)表的更新。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于報文精確識別的變電站通信網(wǎng)絡確定性路徑交換方法，其特征在于:在步驟3)中，采用APPID解析模塊獲得GOOSE、SV報文的APPID，并通過查找ASH轉(zhuǎn)發(fā)表初步確定報文發(fā)送端口；接著，采用SRCMAC解析模塊及GOOSEID ref/smvID解析模塊獲得GOOSE、SV報文的SRCMAC地址及GOOSEID ref/smvID內(nèi)容；其次，通過HASH模塊對GOOSEID ref/smvID內(nèi)容進行處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于報文精確識別的變電站通信網(wǎng)絡確定性路徑交換方法，其特征在于:在步驟4)中，所述符合該條ASH組合鍵的轉(zhuǎn)發(fā)信息是ASH轉(zhuǎn)發(fā)表中存在與報文 APPID、SRCMAC、HASH (GOOSEID ref/smvID)三項完全相符的內(nèi)容。
【文檔編號】H04L12/741GK103647717SQ201310615988
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】蔡澤祥, 竹之涵, 蘇忠陽, 席禹, 張延旭, 王海柱 申請人:華南理工大學, 廣州思唯奇電力科技有限公司