基于組播注冊協(xié)議的ps通信模型設計

基于組播注冊協(xié)議的ps通信模型設計

0p/s模型及流程控制機制隨著iec61850標準的發(fā)布，基于網(wǎng)絡技術(shù)的下一代數(shù)字能源站已成為能源自動化領(lǐng)域的研究熱點。在以太網(wǎng)中,傳輸數(shù)據(jù)的通信模型主要有3種:點對點模型、客戶機/服務器(client/server,C/S)模型、發(fā)布/訂閱(publish/subscribe,P/S)模型。其中P/S模型與前2種模型相比具有異步、多點通信等優(yōu)點,能使通信的參與者在空間、時間和控制流上完全解耦。對于變電站中數(shù)據(jù)流量大、實時性要求高、多點傳輸?shù)那闆r,IEC61850推薦采用P/S模型,但沒有說明具體實現(xiàn)方案。目前,國內(nèi)外在P/S模型方面的研究多是針對大規(guī)模分布式環(huán)境下的P/S應用,如基于CORBA技術(shù)的解決方案、基于MQSeries的解決方案等,其本質(zhì)都是使用軟件中間件、基于IP技術(shù)、面向非嵌入式系統(tǒng)應用的,不適用于電力系統(tǒng)通信環(huán)境。文獻[8-11]研究了P/S通信模型在電力系統(tǒng)中的應用,但均側(cè)重于P/S流程控制機制的研究,沒有提出適用的具體實現(xiàn)方案,其中文獻提出在P/S模型中采用組播技術(shù)的設想。本文結(jié)合變電站的通信特點和IEC61850標準的要求,提出一種適用于電力系統(tǒng)通信的基于組播注冊協(xié)議(GARPmulticastregistrationprotocol,GMRP)的P/S通信模型實現(xiàn)方案,并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)對該方案的實時性進行分析。1sav和4p/s通信模型在基于以太網(wǎng)的變電站過程層通信中,采樣測量值和跳閘命令是最重要的2類數(shù)據(jù)。IEC61850定義了2種報文:采樣值(sampledanaloguevalue,SAV)報文和面向通用對象的變電站事件(genericobjectorientedsubstationevent,GOOSE)報文,分別應用于傳輸采樣值和跳閘命令。SAV和GOOSE報文均是實時報文,要求通信時延小于4ms。為了降低通信協(xié)議棧的時間開銷,IEC61850規(guī)定SAV報文和GOOSE報文在經(jīng)過應用層和表示層處理后直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層,因此這2種實時報文被限制在一個子網(wǎng)內(nèi),不能跨越路由器。P/S通信模型在復雜分布式應用中使用很廣泛,是一種事件觸發(fā)的異步數(shù)據(jù)傳輸模式,可以在各通信節(jié)點之間形成點對多點的直接通信。IEC61850中的P/S通信模型見圖1,整個通信過程由控制模塊進行控制,發(fā)布者和訂閱者之間有控制值讀取(GetDataValue)、控制值設置(SetControlValue)和報文傳輸(SendMessage)等服務。本文基于GMRP設計的P/S通信模型主要通過減少系統(tǒng)資源損耗來改善報文傳輸服務的實時性。2相關(guān)技術(shù)介紹2.1組播協(xié)議的實現(xiàn)目前,以太網(wǎng)中有3種網(wǎng)絡傳輸方式能用于實現(xiàn)P/S通信模型:單播、廣播和組播。單播即點對點通信;廣播即使用廣播地址向廣播域內(nèi)的所有成員廣播數(shù)據(jù);組播即一個組播源使用組播地址向加入該組的所有成員發(fā)送數(shù)據(jù),分為第3層組播和第2層組播。第3層組播協(xié)議使用互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議(Internetgroupmanagementprotocol,IGMP)實現(xiàn),是面向整個互聯(lián)網(wǎng)并基于IP實現(xiàn)的,其在邊緣子網(wǎng)仍然是廣播方式。第2層組播技術(shù)目前有3種:CGMP(Ciscogroupmanagementprotocol)、IGMPSnooping和GMRP,其中CGMP和IGMPSnooping都基于IGMP,也都是面向整個互聯(lián)網(wǎng)并基于IP的,只是這2種協(xié)議使得組播的范圍擴展到邊緣子網(wǎng)。SAV報文和GOOSE報文沒有網(wǎng)絡層,因此IGMP、CGMP和IGMPSnooping技術(shù)均不適用,而GMRP是純第2層組播協(xié)議,可擴展性好,轉(zhuǎn)發(fā)速度快,可靠性高,支持的組數(shù)量多,最大支持245個組,適用于電力系統(tǒng)通信。2.2garp協(xié)議的實體IEEE802.1D中定義了GMRP,它依賴于一般屬性注冊協(xié)議(genericattributeregistrationprotocol,GARP)提供的一般屬性注冊功能。GARP要求交換機的每個端口和每一個參與GARP的主機都必須有一個獨立的GARP實體(GARPparticipant)。每個GARP實體都包括以下3部分:(1)GARP應用(GARPApplication),負責定義屬性類型、屬性值的含義、結(jié)構(gòu)和編碼方式,并且接收和生成GARP協(xié)議數(shù)據(jù)單元(protocoldataunit,PDU)。(2)GARP信息聲明(GARPinformationdeclaration,GID),這是GARP協(xié)議的核心組件,一個GID實例包含了當前所有屬性值及其狀態(tài)。(3)GARP信息傳播(GARPinformationpropagation,GIP),負責在交換機內(nèi)部的GARP實體間傳播屬性信息。GMRP是目前已有的基于GARP的兩種應用之一。IEEE802.1D特別針對GMRP定義了組屬性類型,該屬性的值是組的介質(zhì)訪問控制(mediaaccesscontrol,MAC)地址。GMRP協(xié)議數(shù)據(jù)報文的目的MAC地址是特定的組播MAC地址(01-80-C2-00-00-20),交換機和主機在接收到報文后根據(jù)該地址區(qū)分GMRP協(xié)議數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。3數(shù)據(jù)通訊以及發(fā)布管理模塊在基于GMRP的P/S通信模型中,訂閱一個主題T可以被認為是加入組T,而在主題T上發(fā)布數(shù)據(jù)也相應地轉(zhuǎn)換成在組T的成員中廣播該數(shù)據(jù)。GMRP支持一個終端加入多個組播組,因此一個智能電子設備(intelligentelectronicdevice,IED)可以同時訂閱多個主題的數(shù)據(jù)。根據(jù)GMRP和電力系統(tǒng)通信特點,設計了基于GMRP的變電站P/S通信模型,如圖2所示。發(fā)布IED的主要模塊及其功能如下:(1)發(fā)布管理模塊,負責數(shù)據(jù)發(fā)布流程的控制,包括新主題數(shù)據(jù)發(fā)布時發(fā)送廣播報文對訂閱IED進行配置,與GMRP實體交互,發(fā)布數(shù)據(jù)時控制數(shù)據(jù)封裝模塊進行數(shù)據(jù)封裝等。(2)控制模塊,功能與圖1中發(fā)布者控制模塊相同,控制數(shù)據(jù)發(fā)布。允許訂閱IED通過GetControlValue和SetControlValue服務對其中參數(shù)進行獲取和設置。(3)發(fā)布數(shù)據(jù)分類模塊,將待發(fā)布數(shù)據(jù)按主題進行分組,然后將不同組的數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)封裝模塊中不同的子模塊進行處理。(4)數(shù)據(jù)封裝模塊,在發(fā)布管理模塊和控制模塊的控制下將待發(fā)布的數(shù)據(jù)封裝入相應的組地址和對應的控制參數(shù),然后送到發(fā)送緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)封裝模塊分為多個子模塊,分別被不同的控制模塊類控制,負責不同組的數(shù)據(jù)封裝。(5)GMRP實體,與其他GMRP實體通信實現(xiàn)GMRP協(xié)議,并提供組屬性查詢、注冊和注銷接口功能以實現(xiàn)和發(fā)布管理模塊的交互。(6)數(shù)據(jù)分類模塊,將從接收緩沖區(qū)中接收的數(shù)據(jù)分為控制數(shù)據(jù)、發(fā)布控制數(shù)據(jù)、重發(fā)請求和GMRP協(xié)議數(shù)據(jù),分別送到相應模塊進行處理。其中,控制數(shù)據(jù)即訂閱IED對發(fā)布數(shù)據(jù)進行控制的指令,發(fā)布控制數(shù)據(jù)即訂閱IED對數(shù)據(jù)發(fā)布流程進行控制的指令及應答,重發(fā)請求為訂閱IED要求重發(fā)數(shù)據(jù)的請求消息。訂閱IED的主要模塊及功能如下:(1)數(shù)據(jù)處理程序,分為多個處理子程序,對不同主題的訂閱數(shù)據(jù)進行處理。(2)控制參數(shù)檢查模塊,負責對訂閱數(shù)據(jù)的參數(shù)進行檢查,如檢查SAV報文的采樣值計數(shù)器參數(shù)(SmpCnt)以檢測是否有漏包情況發(fā)生,若出錯則向發(fā)布IED發(fā)送重發(fā)請求。(3)數(shù)據(jù)分類模塊,將接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)分為訂閱數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和GMRP協(xié)議數(shù)據(jù),分別送給相應模塊進行處理?？刂茢?shù)據(jù)即與發(fā)布IED進行交互以控制訂閱、發(fā)布流程的控制指令及應答。(4)GMRP實體,功能與發(fā)布IED的GMRP實體相同。(5)訂閱數(shù)據(jù)拆封分類模塊,負責將訂閱數(shù)據(jù)拆封,然后按不同的組地址交給相應的數(shù)據(jù)處理子程序。(6)訂閱控制模塊,是訂閱IED的控制中心,負責與GMRP實體交互實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訂閱、退訂,控制訂閱數(shù)據(jù)參數(shù)的檢查和訂閱數(shù)據(jù)的拆封分類,對發(fā)布IED的控制模塊進行設置等。4消息傳輸示例4.1消息發(fā)布前的配置4.1.1置語言scl當需要發(fā)布一個新主題的GOOSE報文時,發(fā)布IED新建一個GOOSE控制模塊類,并需要完成如下配置:①建立需要發(fā)布的數(shù)據(jù)集;②GOOSE控制模塊的配置,圖3顯示了定義GOOSE控制模塊需要添加的變電站配置語言(substationconfigurationlanguage,SCL)的內(nèi)容,包含IED和Communication兩部分。與本文設計的P/S通信模型相關(guān)的最主要的配置參數(shù)有2個:①appID,應用標識,一個變電站內(nèi)部不同控制模塊類必須有唯一的appID,也就是待發(fā)布GOOSE報文的主題;②MAC地址,即發(fā)布GOOSE報文的組播MAC地址,IEC61850建議用于GOOSE報文傳輸?shù)慕M播MAC地址范圍是01-0C-CD-01-00-00至01-0C-CD-01-01-FF,發(fā)布IED的發(fā)布管理模塊從此范圍中選取一個MAC地址,并通過與GMRP實體交互證實此地址沒有被占用后,才能確定此參數(shù)。4.1.2通插裝式提取在此P/S模型中,GOOSE訂閱IED必須知道待發(fā)布GOOSE報文的如下信息才能保證對其進行正確的訂閱和接收:(1)GOOSE控制塊引用;(2)appID;(3)MAC地址。訂閱IED的配置可采用發(fā)布IED發(fā)送廣播的方式進行,即發(fā)布IED的發(fā)布管理模塊向全網(wǎng)廣播待發(fā)布GOOSE報文的appID和MAC地址等參數(shù),各訂閱IED收到后更新其配置文件。4.2gmrp組屬性注冊GOOSE報文的訂閱就是該訂閱IED通過GMRP實體加入到發(fā)布該GOOSE報文的組中的過程。該過程可分為組屬性聲明和組屬性注冊。組屬性聲明過程是:①先由訂閱控制模塊調(diào)用GMRP實體提供的組屬性注冊接口請求加入該組,GMRP實體的GMRPApplication接收到此請求后調(diào)用GID的GID_Join.request原語對組屬性進行聲明,原語中帶有該發(fā)布GOOSE報文的組地址作為參數(shù);②隨后GMRP實體通過GMRPPDU發(fā)送Join消息給所接交換機聲明該組屬性,該組屬性聲明在網(wǎng)絡中傳播,如圖4所示。圖中a表示組屬性注冊,A表示組屬性聲明。交換機的GMRP實體間通過GIP傳播組屬性聲明,而在IED之間及交換機之間使用GMRPPDU傳播組屬性聲明。只有接收到GMRPPDU組屬性聲明的端口才對該組屬性進行注冊,這樣就防止了不必要的GMRPPDU擴散。組屬性的注冊狀態(tài)由GID的注冊者狀態(tài)機(registrarstatemachine)維護。GMRP中規(guī)定每個注冊屬性都有一個注冊者狀態(tài)機,注冊者狀態(tài)機維護1個定時器(LeaveTimer)和屬性的3種狀態(tài):IN表示已經(jīng)注冊了該屬性;LV表示已經(jīng)注冊了該屬性,但是現(xiàn)在正在注銷該屬性;MT表示已經(jīng)注銷了該屬性。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。狀態(tài)由接收到的事件驅(qū)動,在訂閱注冊階段,該注冊屬性的注冊者狀態(tài)機接收到Join消息進入IN態(tài),表示組屬性在該端口上注冊成功。最后GID會調(diào)用GID_Join.indication原語通知GMRPApplication該組屬性注冊成功。當交換機中GMRP實體的GMRPApplication收到表示組屬性注冊成功的GID_Join.indication原語后,更新交換機過濾數(shù)據(jù)庫中的組播轉(zhuǎn)發(fā)表(即組MAC地址與端口MAC地址集合的映射表)。至此,訂閱IED成功地加入到發(fā)布該GOOSE報文的組中,即成功地訂閱了此GOOSE報文。訂閱IED退訂GOOSE報文過程和訂閱過程相反,是對組屬性進行注銷的過程,不再詳述。需要指出的是,注銷時,當組屬性的注冊者狀態(tài)機接收到Leave消息后從IN態(tài)進入LV態(tài)并開啟LeaveTimer,在LeaveTimer到期前收到Join消息則又進入IN態(tài),否則進入MT態(tài),表示注銷成功。設置LeaveTimer定時器和LV狀態(tài)是為了給組屬性一個重新加入組的機會。4.3并存在一定時延和帶寬的網(wǎng)絡實線GOOSE報文發(fā)布原理見圖6。圖中僅用一個2端口交換機示意,交換機每個端口都有獨立的GMRP實體、邏輯鏈路控制(logicallinkcontrol,LLC)和幀接收、傳輸模塊,每個交換機都有過濾數(shù)據(jù)庫和轉(zhuǎn)發(fā)程序,2個端口分別接發(fā)布IED和訂閱IED,圖中實線為控制數(shù)據(jù),虛線為發(fā)布的GOOSE報文。當發(fā)布IED向訂閱IED發(fā)布一個GOOSE報文時,發(fā)布IED的發(fā)布管理模塊和GOOSE控制模塊控制數(shù)據(jù)封裝模塊,將對應的組地址和相關(guān)參數(shù)封裝入待發(fā)布報文中,然后將封裝好的報文通過發(fā)送緩沖區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)給交換機。交換機接收到報文后由轉(zhuǎn)發(fā)程序查詢過濾數(shù)據(jù)庫中的組播轉(zhuǎn)發(fā)表,查到有n個訂閱IED加入了該組,將報文復制n份,分別轉(zhuǎn)發(fā)到這n個端口。從發(fā)布過程可知,在每個訂閱IED看來,發(fā)布一組GOOSE報文的網(wǎng)絡傳輸時延和使用單播方式傳輸一個報文的傳輸時延幾乎相同。此P/S模型可支持源裁剪(sourcepruning),即如果發(fā)布IED的發(fā)布管理模塊通過查詢GMRP實體發(fā)現(xiàn)該組中沒有成員(即沒有IED訂閱該GOOSE報文)時隨即停止發(fā)布,進一步節(jié)省帶寬。SAV報文的傳輸過程與GOOSE報文類似,不再贅述。5算例2:一種被發(fā)布的惡意報文P/S通信模型的訂閱過程和發(fā)布過程是異步的,本文所設計的P/S訂閱過程就是GMRP協(xié)議處理過程,訂閱時間就是訂閱IED通過GMRP協(xié)議加入組的反應時間,小于200ms。發(fā)布時間就是報文時延,報文時延包括發(fā)布IED處理時延、訂閱IED處理時延和網(wǎng)絡傳輸時延。根據(jù)GOOSE報文的發(fā)布過程可知,本文所設計的P/S模型的報文發(fā)布過程并不涉及GMRP協(xié)議處理,在低負載下發(fā)布一個GOOSE報文給多個訂閱IED時,對每個訂閱IED來說,發(fā)布IED處理時延、訂閱IED處理時延和網(wǎng)絡傳輸時延與單播傳輸一個GOOSE報文相同,分別為460μs、460μs和10μs,完全能滿足