基于組播注冊(cè)協(xié)議的ps通信模型設(shè)計(jì)

基于組播注冊(cè)協(xié)議的ps通信模型設(shè)計(jì)

0p/s模型及流程控制機(jī)制隨著iec61850標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的下一代數(shù)字能源站已成為能源自動(dòng)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在以太網(wǎng)中,傳輸數(shù)據(jù)的通信模型主要有3種:點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模型、客戶機(jī)/服務(wù)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(diǎn)通信等優(yōu)點(diǎn),能使通信的參與者在空間、時(shí)間和控制流上完全解耦。對(duì)于變電站中數(shù)據(jù)流量大、實(shí)時(shí)性要求高、多點(diǎn)傳輸?shù)那闆r,IEC61850推薦采用P/S模型,但沒有說明具體實(shí)現(xiàn)方案。目前,國內(nèi)外在P/S模型方面的研究多是針對(duì)大規(guī)模分布式環(huán)境下的P/S應(yīng)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(yīng)用的,不適用于電力系統(tǒng)通信環(huán)境。文獻(xiàn)[8-11]研究了P/S通信模型在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,但均側(cè)重于P/S流程控制機(jī)制的研究,沒有提出適用的具體實(shí)現(xiàn)方案,其中文獻(xiàn)提出在P/S模型中采用組播技術(shù)的設(shè)想。本文結(jié)合變電站的通信特點(diǎn)和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的要求,提出一種適用于電力系統(tǒng)通信的基于組播注冊(cè)協(xié)議(GARPmulticastregistrationprotocol,GMRP)的P/S通信模型實(shí)現(xiàn)方案,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該方案的實(shí)時(shí)性進(jìn)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(bào)文:采樣值(sampledanaloguevalue,SAV)報(bào)文和面向通用對(duì)象的變電站事件(genericobjectorientedsubstationevent,GOOSE)報(bào)文,分別應(yīng)用于傳輸采樣值和跳閘命令。SAV和GOOSE報(bào)文均是實(shí)時(shí)報(bào)文,要求通信時(shí)延小于4ms。為了降低通信協(xié)議棧的時(shí)間開銷,IEC61850規(guī)定SAV報(bào)文和GOOSE報(bào)文在經(jīng)過應(yīng)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(shí)時(shí)報(bào)文被限制在一個(gè)子網(wǎng)內(nèi),不能跨越路由器。P/S通信模型在復(fù)雜分布式應(yīng)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(diǎn)之間形成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的直接通信。IEC61850中的P/S通信模型見圖1,整個(gè)通信過程由控制模塊進(jìn)行控制,發(fā)布者和訂閱者之間有控制值讀取(GetDataValue)、控制值設(shè)置(SetControlValue)和報(bào)文傳輸(SendMessage)等服務(wù)。本文基于GMRP設(shè)計(jì)的P/S通信模型主要通過減少系統(tǒng)資源損耗來改善報(bào)文傳輸服務(wù)的實(shí)時(shí)性。2相關(guān)技術(shù)介紹2.1組播協(xié)議的實(shí)現(xiàn)目前,以太網(wǎng)中有3種網(wǎng)絡(luò)傳輸方式能用于實(shí)現(xiàn)P/S通信模型:單播、廣播和組播。單播即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(gè)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(shí)現(xiàn),是面向整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)并基于IP實(shí)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(gè)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(kuò)展到邊緣子網(wǎng)。SAV報(bào)文和GOOSE報(bào)文沒有網(wǎng)絡(luò)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(kuò)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(gè)組,適用于電力系統(tǒng)通信。2.2garp協(xié)議的實(shí)體IEEE802.1D中定義了GMRP,它依賴于一般屬性注冊(cè)協(xié)議(genericattributeregistrationprotocol,GARP)提供的一般屬性注冊(cè)功能。GARP要求交換機(jī)的每個(gè)端口和每一個(gè)參與GARP的主機(jī)都必須有一個(gè)獨(dú)立的GARP實(shí)體(GARPparticipant)。每個(gè)GARP實(shí)體都包括以下3部分:(1)GARP應(yīng)用(GARPApplication),負(fù)責(zé)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(gè)GID實(shí)例包含了當(dāng)前所有屬性值及其狀態(tài)。(3)GARP信息傳播(GARPinformationpropagation,GIP),負(fù)責(zé)在交換機(jī)內(nèi)部的GARP實(shí)體間傳播屬性信息。GMRP是目前已有的基于GARP的兩種應(yīng)用之一。IEEE802.1D特別針對(duì)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(bào)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(jī)和主機(jī)在接收到報(bào)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(gè)主題T可以被認(rèn)為是加入組T,而在主題T上發(fā)布數(shù)據(jù)也相應(yīng)地轉(zhuǎn)換成在組T的成員中廣播該數(shù)據(jù)。GMRP支持一個(gè)終端加入多個(gè)組播組,因此一個(gè)智能電子設(shè)備(intelligentelectronicdevice,IED)可以同時(shí)訂閱多個(gè)主題的數(shù)據(jù)。根據(jù)GMRP和電力系統(tǒng)通信特點(diǎn),設(shè)計(jì)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(fù)責(zé)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(shí)發(fā)送廣播報(bào)文對(duì)訂閱IED進(jìn)行配置,與GMRP實(shí)體交互,發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)控制數(shù)據(jù)封裝模塊進(jìn)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(wù)對(duì)其中參數(shù)進(jìn)行獲取和設(shè)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(jìn)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(jìn)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(yīng)的組地址和對(duì)應(yīng)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(gè)子模塊,分別被不同的控制模塊類控制,負(fù)責(zé)不同組的數(shù)據(jù)封裝。(5)GMRP實(shí)體,與其他GMRP實(shí)體通信實(shí)現(xiàn)GMRP協(xié)議,并提供組屬性查詢、注冊(cè)和注銷接口功能以實(shí)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(qǐng)求和GMRP協(xié)議數(shù)據(jù),分別送到相應(yīng)模塊進(jìn)行處理。其中,控制數(shù)據(jù)即訂閱IED對(duì)發(fā)布數(shù)據(jù)進(jìn)行控制的指令,發(fā)布控制數(shù)據(jù)即訂閱IED對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)布流程進(jìn)行控制的指令及應(yīng)答,重發(fā)請(qǐng)求為訂閱IED要求重發(fā)數(shù)據(jù)的請(qǐng)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(gè)處理子程序,對(duì)不同主題的訂閱數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。(2)控制參數(shù)檢查模塊,負(fù)責(zé)對(duì)訂閱數(shù)據(jù)的參數(shù)進(jìn)行檢查,如檢查SAV報(bào)文的采樣值計(jì)數(shù)器參數(shù)(SmpCnt)以檢測是否有漏包情況發(fā)生,若出錯(cuò)則向發(fā)布IED發(fā)送重發(fā)請(qǐng)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(yīng)模塊進(jìn)行處理?？刂茢?shù)據(jù)即與發(fā)布IED進(jìn)行交互以控制訂閱、發(fā)布流程的控制指令及應(yīng)答。(4)GMRP實(shí)體,功能與發(fā)布IED的GMRP實(shí)體相同。(5)訂閱數(shù)據(jù)拆封分類模塊,負(fù)責(zé)將訂閱數(shù)據(jù)拆封,然后按不同的組地址交給相應(yīng)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(fù)責(zé)與GMRP實(shí)體交互實(shí)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(duì)發(fā)布IED的控制模塊進(jìn)行設(shè)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(dāng)需要發(fā)布一個(gè)新主題的GOOSE報(bào)文時(shí),發(fā)布IED新建一個(gè)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(shè)計(jì)的P/S通信模型相關(guān)的最主要的配置參數(shù)有2個(gè):①appID,應(yīng)用標(biāo)識(shí),一個(gè)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(bào)文的主題;②MAC地址,即發(fā)布GOOSE報(bào)文的組播MAC地址,IEC61850建議用于GOOSE報(bào)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(gè)MAC地址,并通過與GMRP實(shí)體交互證實(shí)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(bào)文的如下信息才能保證對(duì)其進(jìn)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(jìn)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(bào)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(cè)GOOSE報(bào)文的訂閱就是該訂閱IED通過GMRP實(shí)體加入到發(fā)布該GOOSE報(bào)文的組中的過程。該過程可分為組屬性聲明和組屬性注冊(cè)。組屬性聲明過程是:①先由訂閱控制模塊調(diào)用GMRP實(shí)體提供的組屬性注冊(cè)接口請(qǐng)求加入該組,GMRP實(shí)體的GMRPApplication接收到此請(qǐng)求后調(diào)用GID的GID_Join.request原語對(duì)組屬性進(jìn)行聲明,原語中帶有該發(fā)布GOOSE報(bào)文的組地址作為參數(shù);②隨后GMRP實(shí)體通過GMRPPDU發(fā)送Join消息給所接交換機(jī)聲明該組屬性,該組屬性聲明在網(wǎng)絡(luò)中傳播,如圖4所示。圖中a表示組屬性注冊(cè),A表示組屬性聲明。交換機(jī)的GMRP實(shí)體間通過GIP傳播組屬性聲明,而在IED之間及交換機(jī)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(duì)該組屬性進(jìn)行注冊(cè),這樣就防止了不必要的GMRPPDU擴(kuò)散。組屬性的注冊(cè)狀態(tài)由GID的注冊(cè)者狀態(tài)機(jī)(registrarstatemachine)維護(hù)。GMRP中規(guī)定每個(gè)注冊(cè)屬性都有一個(gè)注冊(cè)者狀態(tài)機(jī),注冊(cè)者狀態(tài)機(jī)維護(hù)1個(gè)定時(shí)器(LeaveTimer)和屬性的3種狀態(tài):IN表示已經(jīng)注冊(cè)了該屬性;LV表示已經(jīng)注冊(cè)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(dòng),在訂閱注冊(cè)階段,該注冊(cè)屬性的注冊(cè)者狀態(tài)機(jī)接收到Join消息進(jìn)入IN態(tài),表示組屬性在該端口上注冊(cè)成功。最后GID會(huì)調(diào)用GID_Join.indication原語通知GMRPApplication該組屬性注冊(cè)成功。當(dāng)交換機(jī)中GMRP實(shí)體的GMRPApplication收到表示組屬性注冊(cè)成功的GID_Join.indication原語后,更新交換機(jī)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(bào)文的組中,即成功地訂閱了此GOOSE報(bào)文。訂閱IED退訂GOOSE報(bào)文過程和訂閱過程相反,是對(duì)組屬性進(jìn)行注銷的過程,不再詳述。需要指出的是,注銷時(shí),當(dāng)組屬性的注冊(cè)者狀態(tài)機(jī)接收到Leave消息后從IN態(tài)進(jìn)入LV態(tài)并開啟LeaveTimer,在LeaveTimer到期前收到Join消息則又進(jìn)入IN態(tài),否則進(jìn)入MT態(tài),表示注銷成功。設(shè)置LeaveTimer定時(shí)器和LV狀態(tài)是為了給組屬性一個(gè)重新加入組的機(jī)會(huì)。4.3并存在一定時(shí)延和帶寬的網(wǎng)絡(luò)實(shí)線GOOSE報(bào)文發(fā)布原理見圖6。圖中僅用一個(gè)2端口交換機(jī)示意,交換機(jī)每個(gè)端口都有獨(dú)立的GMRP實(shí)體、邏輯鏈路控制(logicallinkcontrol,LLC)和幀接收、傳輸模塊,每個(gè)交換機(jī)都有過濾數(shù)據(jù)庫和轉(zhuǎn)發(fā)程序,2個(gè)端口分別接發(fā)布IED和訂閱IED,圖中實(shí)線為控制數(shù)據(jù),虛線為發(fā)布的GOOSE報(bào)文。當(dāng)發(fā)布IED向訂閱IED發(fā)布一個(gè)GOOSE報(bào)文時(shí),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(duì)應(yīng)的組地址和相關(guān)參數(shù)封裝入待發(fā)布報(bào)文中,然后將封裝好的報(bào)文通過發(fā)送緩沖區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)給交換機(jī)。交換機(jī)接收到報(bào)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(gè)訂閱IED加入了該組,將報(bào)文復(fù)制n份,分別轉(zhuǎn)發(fā)到這n個(gè)端口。從發(fā)布過程可知,在每個(gè)訂閱IED看來,發(fā)布一組GOOSE報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延和使用單播方式傳輸一個(gè)報(bào)文的傳輸時(shí)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(shí)體發(fā)現(xiàn)該組中沒有成員(即沒有IED訂閱該GOOSE報(bào)文)時(shí)隨即停止發(fā)布,進(jìn)一步節(jié)省帶寬。SAV報(bào)文的傳輸過程與GOOSE報(bào)文類似,不再贅述。5算例2:一種被發(fā)布的惡意報(bào)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(shè)計(jì)的P/S訂閱過程就是GMRP協(xié)議處理過程,訂閱時(shí)間就是訂閱IED通過GMRP協(xié)議加入組的反應(yīng)時(shí)間,小于200ms。發(fā)布時(shí)間就是報(bào)文時(shí)延,報(bào)文時(shí)延包括發(fā)布IED處理時(shí)延、訂閱IED處理時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。根據(jù)GOOSE報(bào)文的發(fā)布過程可知,本文所設(shè)計(jì)的P/S模型的報(bào)文發(fā)布過程并不涉及GMRP協(xié)議處理,在低負(fù)載下發(fā)布一個(gè)GOOSE報(bào)文給多個(gè)訂閱IED時(shí),對(duì)每個(gè)訂閱IED來說,發(fā)布IED處理時(shí)延、訂閱IED處理時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延與單播傳輸一個(gè)GOOSE報(bào)文相同,分別為460μs、460μs和10μs,完全能滿足