基于报文精确识别的变电站通信网络确定性路径交换方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于报文精确识别的变电站通信网络确定性路径交换方法，其方法为：IED设备首先需解析GOOSE、SV报文的APPID、SRCMAC、GOOSEID?ref/smvID；其次对GOOSEID?ref/smvID进行哈希运算HASH，形成ASH组合键，并查找ASH转发表，当ASH转发表中存在与报文APPID、SRCMAC、HASH(GOOSEID?ref_tx/smvID)三项完全相符内容，则报文直接去往ASH转发表中对应端口，当ASH转发表中无对应信息或信息不能够完全对应时则丢弃该报文，最后报文在端口通过缓存映射进入队列排队等候发送，同时设备继续接收GOOSE、SV报文。本发明避免了报文辨识的冲突问题，实现规定报文的确定路径转发，有效缓解组播交换方式带来的网络拥塞及设备误操作问题。
【专利说明】基于报文精确识别的变电站通信网络确定性路径交换方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及变电站通信网络报文传输的【技术领域】，尤其是指一种基于报文精确识别的变电站通信网络确定性路径交换方法。
【背景技术】
[0002]报文传输的实时可靠性是评价变电站自动化系统通信网络性能的重要指标。在报文交换过程中实现信息传输过程可控以及错误报文识别是提升通信网络实时可靠性的有效手段。变电站通信网络中传输的主要报文有GOOSE，SV以及MMS报文三类，其中GOOSE和SV报文采用广播的方式在网络中传输。由于目前变电站通信网络采用的交换技术不能有效识别信息流类型以及控制信息流传输路径，导致部分设备接收到不需要的GOOSE和SV报文，在给通信网络带来不必要流量负载的同时，也在网络中产生了报文传输的寄生回路，给继电保护设备带来因接收未订阅报文而发生误动的隐患。
[0003]如图6所示，为目前变电站通信网络交换技术构架，其工作原理为:当数据包到达交换机端口时，首先由接收机将整段报文接收；接着，由数据报解析模块对数据内容进行解析，在此过程中交换机仅能获得数据MAC地址、优先级别等基本属性，然后，对应MAC地址表，数据包由缓存映射进入队列相应位置排队，当数据包到达队头时，由数据报封装模块对其封装并经由发送机发送离开交换机。目前变电站通信网络采用的交换方案通过形成MAC地址表并按照该表进行报文的转发，这种转发方式并不适用于GOOSE及SV报文。主要是因为标准中规定GOOSE及SV报文转发采用组播的传输方式，这种组播的方式会导致网络的冲突增加，某些不应该收到报文的设备收到了报文，给网络带来不必要的流量负担，尽管目前变电站通信网络交换技术采用VLAN技术划分广播域，一定程度上减少组播带来的流量负担，但依旧无法彻底避免问题。为解决这一问题，最根本的是改变这种查询MAC地址表的方式来转发报文。
[0004]此外，目前也有研究提出了一种通过SCD文件解析获得报文APPID转发表的交换方式。通过获得报文APPID查找接收该报文的IED设备，实现报文的确定路径转发，从而解决上述变电站通信网络交换技术中由于组播报文带来的流量负担以及部分IED设备接收不必要报文误操作等问题。APPID转发表形成依赖于解析S⑶文件，S⑶文件是IEC61850定义的用于智能变电站配置的文件，涵盖了描述智能变电站全部智能电子设备(IED)、通信配置和变电站拓扑结构等段落内容。通过SCD文件的解析能够获得包括全部IED电子设备名称、端口名称、端口所涉及的各路G00SE/SV报文、APPID与端口的对应关系等全方位信息。通过SCD文件解析，可获得设备连接拓扑及报文订阅/发布与设备端口对应关系，进一步通过交换机报文解析及端口学习功能，整合报文APPID与报文订阅设备端口对应关系以及MAC地址表中相关内容获得APPID转发表。基于APPID转发表的变电站通信网络交换技术的基本工作流程为:首先通过S⑶文件解析及交换机端口学习形成APPID转发表；其次，交换机接收报文时，通过报文解析模块获得报文APPID ;然后，查找APPID转发表，如果有与该报文相符的信息，报文直接去往转发表中对应的端口，否则丢弃该报文；最后，由数据包封装模块封装报文并通过发送机将报文送至下一节点，交换机继续接收报文。虽然，采用单纯的APPID识别GOOSE/SV报文技术，原理上可以实现GOOSE/SV报文辨别。但在实际应用中，可能会出现由于错误配置，热备用以及测试装置接入等原因导致不同GOOSE或SV报文具有相同的APPID的情况，造成G00SE/SV报文辨别或转发错误。
[0005]因此，终上所述，改进目前变电站通信网络交换技术中SV报文、GOOSE报文的交换方案，采用一种能够精确识别报文并实现报文确定路径转发的交换方案，可以很大程度提高变电站通信网络的实时可靠性。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于解决目前变电站通信网络交换技术中信息广播带来的流量负载及设备误操作，以及利用APPID为主键识别G00SE/SV流技术中出现的APPID冲突问题，提供一种基于报文精确识别的变电站通信网络确定性路径交换方法，利用APPID/SRCMAC/HASH (GOOSEID ref/smvID)形成的ASH组合键实现G00SE、SV报文精确识别，并实现报文在采用组播地址情况下仍然能够将报文传到应该接收该报文的设备，而不应该接受该报文的设备不会接收到该报文，即实现符合报文订阅关系的确定链路的信息传输。
[0007]为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为:基于报文精确识别的变电站通信网络确定性路径交换方法，包括以下步骤:
[0008]I)交换机解析S⑶文件，分别形成IED发送报文配置表和IED接收报文配置表，并通过发送测试报文，形成以ASH组合键为主键的ASH转发表；
[0009]2)交换机接收GOOSE、SV报文；
[0010]3)解析 GOOSE、SV 报文中的应用标识 APPID、SRCMAC 地址、GOOSEID ref/smvID 内容，并对GOOSEID ref/smvID进行哈希运算HASH，形成步骤I)中所述的ASH组合键，得到ASH主键信息；
[0011]4)查找ASH转发表对接收报文端口作进一步确认，如果存在符合该条ASH组合键的转发信息，报文去往对应端口，否则抛弃报文并结束流程；
[0012]5)报文在端口通过缓存映射进入队列排队等候发送，同时设备继续接收G00SE、SV报文，重复步骤2)至5)。
[0013]在步骤I)中，所述ASH转发表的形成过程如下:首先，IED设备通过S⑶文件解析在交换机中形成相应的IED发送报文配置表和IED接收报文配置表；其次，结合IED发送报文配置表和IED接收报文配置表中的报文APPID、设备名称及端口对应关系的内容形成相应的IED设备端口表，其中，所述IED设备端口表是通过APPID作为纽带形成了 IED设备与交换机各端口的对应关系，而IED接收报文配置表是通过APPID作为纽带确定报文应该去往的目的IED端口 ；最后，结合IED设备端口表和IED接收报文配置表，并增添该报文SRCMAC、HASH (GOOSEID ref/smvID)两项内容，形成所需的ASH转发表。
[0014]所述ASH转发表会根据IED设备端口表是否添加或者更新内容而进行更新，其更新过程如下:当IED设备端口表需要添加或者更新内容时，则需对GOOSE、SV报文的应用标识APPID、SRCMAC地址、GOOSEID ref/smvID内容进行解析，结合其进入交换机的端口号Src_port，形成相应的IED设备端口表；其次，交换机获取IED设备端口表项中的IED名称、端口名称和更新前的交换机端口号ori_p0rt，并根据这些内容对IED接收报文配置表进行查找；如果IED接收报文配置表中没有相关的记录，则结束整个过程，如果IED接收报文配置表中有相关的记录，则提取IED名称和端口名称对应的APPID、SRCMAC、HASH (GOOSEIDref/smvID)，并根据 APPID、SRCMAC、HASH (GOOSEID ref/smvID)在 ASH 转发表中查找；如果ASH转发表中不存在相符记录，则添加该记录到ASH转发表中，并更新ASH转发表中的端口号，从而完成ASH转发表的更新。
[0015]在步骤3)中，采用APPID解析模块获得GOOSE、SV报文的APPID，并通过查找ASH转发表初步确定报文发送端口 ；接着，采用SRCMAC解析模块及GOOSEID ref/smvID解析模块获得GOOSE、SV报文的SRCMAC地址及GOOSEID ref/smvID内容；其次，通过HASH模块对GOOSEID ref/smvID内容进行处理。
[0016]在步骤4)中，所述符合该条ASH组合键的转发信息是ASH转发表中存在与报文APPID、SRCMAC、HASH (GOOSEID ref/smvID)三项完全相符的内容。
[0017]本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果:
[0018]1、利用 APPID/SRCMAC/HASH(GOOSEID ref/smvID)形成的 ASH 组合键实现 G00SE、SV报文精确识别，并实现报文在采用组播地址情况下仍然能够将报文传到应该接收该报文的设备，而不应该接受该报文的设备不会接收到该报文，即实现符合报文订阅关系的确定链路的信息传输；
[0019]2、避免了报文辨识的冲突问题，实现规定报文的确定路径转发，有效缓解组播交换方式带来的网络拥塞及设备误操作问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的G00SE报文的帧结构示意图。
[0021]图2为本发明的SV报文的帧结构示意图。
[0022]图3为本发明的报文交换流程示意图。
[0023]图4为本发明的基于ASH组合键交换技术的组成构架示意图。
[0024]图5为本发明的ASH转发表更新流程示意图。
[0025]图6为目前变电站通信网络交换技术构架示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0027]参见图1和图2所示，分别显示了 G00SE报文的帧结构和SV报文的帧结构，从图中可知，G00SE、SV报文的前12个字节为报文目的地址及源地址，0x8100、0x88B8和0x88BA为以太网类型标识，0x8100代表该字段之后的字段为VLAN (虚拟局域网)标志，0x88B8代表该条报文为G00SE报文，0x88BA代表该条报文为SV报文，APPID为应用标识，数据为报文携带的数据信息，长度可变，CRC为循环冗余检验码。
[0028]G00SE、SV报文的第19、20字节为应用标识APPID。APPID是可视字符串，代表GoCB所位于的逻辑设备，缺省值限定为GoCB的0bjectReference。G00SE报文的应用标识在0x0到0x3FFF之间，唯一标识了一路GOOSE ；SV报文的应用标识在0x4000到0x7FFF之间，唯一了标识了一路采样值。实践运行中，单一使用APPID作为G00SE及SV报文识别键，无法有效区分错误配置装置或热备用装置发出与已有设备相同APPID的情况。[0029]GOOSE、SV报文从第7字节开始的6字节内容为报文源地址。不同装置拥有唯一且不同的SRCMAC用以标识该装置在网络中的位置。
[0030]GOOSE标识(G00SEID ref)为GOOSE报文应用范围内的唯一标识，GOOSE标识位于GOOSE报文帧结构中可变长度部分，G00SEID ref包含逻辑设备名称以及GOOSE控制块名称。ObjecetReference GoCBRef 为:LDName/LLN0.GoCBName。G00SEID ref 包含比 APPID更加直观的设备及控制块信息，但由于G00SEID ref字段并非定长，为在硬件层面实现G00SEID ref的应用，需要使用哈希运算将G00SEID ref整理为较短定长字符串。
[0031]采样值ID (smvID)为采样值在缓冲区的唯一标识，作用相当于GOOSE标识。smvID包含了合并单元MU相关信息及逻辑端口信息，该字段也非定长，需使用哈希运算将其整理为较短定长字符串。
[0032]哈希算法(HASH)是一种将任意长度字符串映射成较小固定长度字符串的算法，这个较小长度的值称为哈希值。哈希值是一段数据唯一且极其紧凑的数值表示形式。如果原字符串改变哪怕一个字母，随后的哈希都将产生不同的值，要找到哈希值相同的两个不同的输入，在计算上是不可能的，因此调用哈希算法对G00SEID ref或smvID进行字段长度处理，具有较高的区分度和安全性，其结果的通用表述为HASH(G00SEID ref/smvID)。
[0033]参见图3所示，显示了本发明的GOOSE、SV报文转发交换流程，其具体情况如下:
[0034]I)交换机解析S⑶文件，分别形成IED发送报文配置表和IED接收报文配置表，并通过发送测试报文，形成以ASH组合键为主键的ASH转发表；
[0035]2)交换机接收GOOSE、SV报文；
[0036]3)解析 GOOSE、SV 报文中的应用标识 APPID、SRCMAC 地址、G00SEID ref/smvID 内容，并对G00SEID ref/smvID进行哈希运算HASH，形成步骤I)中所述的ASH组合键，得到ASH主键信息；
[0037]4)查找ASH转发表对接收报文端口作进一步确认，如果存在符合该条ASH组合键的转发信息，即ASH转发表中存在与报文APPID、SRCMAC、HASH(G00SEID ref/smvID)三项完全相符的内容，报文去往对应端口，否则抛弃报文并结束流程；
[0038]5)报文在端口通过缓存映射进入队列排队等候发送，同时设备继续接收G00SE、SV报文，重复步骤2)至5)。
[0039]其中，为形成以ASH为主键的ASH转发表，需在形成APPID转发表的基础上对交换机设备端口作进行学习。具体来说，首先，IED设备通过SCD文件解析在交换机中形成如下表I所示的IED发送报文配置表以及如下表2所示的IED接收报文配置表。
[0040]表I IED发送报文配置表
[0041]
APPID iedName apName type cbName IdInst
[0042]表2 IED接收报文配置表
[0043]
APPID iedName apName type IdInst
【权利要求】
1.基于报文精确识别的变电站通信网络确定性路径交换方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)交换机解析SCD文件，分别形成IED发送报文配置表和IED接收报文配置表，并通过发送测试报文，形成以ASH组合键为主键的ASH转发表； 2)交换机接收GOOSE、SV报文； 3)解析GOOSE、SV报文中的应用标识APPID、SRCMAC地址、GOOSEIDref/smvID内容，并对GOOSEID ref/smvID进行哈希运算HASH，形成步骤I)中所述的ASH组合键，得到ASH主键信息； 4)查找ASH转发表对接收报文端口作进一步确认，如果存在符合该条ASH组合键的转发信息，报文去往对应端口，否则抛弃报文并结束流程； 5)报文在端口通过缓存映射进入队列排队等候发送，同时设备继续接收GOOSE、SV报文，重复步骤2)至5)。
2.根据权利要求1所述的基于报文精确识别的变电站通信网络确定性路径交换方法，其特征在于，在步骤I)中，所述ASH转发表的形成过程如下:首先，IED设备通过S⑶文件解析在交换机中形成相应的IED发送报文配置表和IED接收报文配置表；其次，结合IED发送报文配置表和IED接收报文配置表中的报文APPID、设备名称及端口对应关系的内容形成相应的IED设备端口表，其中，所述IED设备端口表是通过APPID作为纽带形成了 IED设备与交换机各端口的对应关系，而IED接收报文配置表是通过APPID作为纽带确定报文应该去往的目的IED端口 ；最后，结合IED设备端口表和IED接收报文配置表，并增添该报文SRCMAC、HASH (GOOSEID ref/smvID)两项内容，形成所需的ASH转发表。
3.根据权利要求2所述的基于报文精确识别的变电站通信网络确定性路径交换方法，其特征在于，所述ASH转发表会根据IED设备端口表是否添加或者更新内容而进行更新，其更新过程如下:当IED设备端口表需要添加或者更新内容时，则需对GOOSE、SV报文的应用标识APPID、SRCMAC地址、GOOSEID ref/smvID内容进行解析，结合其进入交换机的端口号Src_port，形成相应的IED设备端口表；其次，交换机获取IED设备端口表项中的IED名称、端口名称和更新前的交换机端口号ori_p0rt，并根据这些内容对IED接收报文配置表进行查找；如果IED接收报文配置表中没有相关的记录，则结束整个过程，如果IED接收报文配置表中有相关的记录，则提取IED名称和端口名称对应的APPID、SRCMAC, HASH (GOOSEIDref/smvID)，并根据 APPID、SRCMAC、HASH (GOOSEID ref/smvID)在 ASH 转发表中查找；如果ASH转发表中不存在相符记录，则添加该记录到ASH转发表中，并更新ASH转发表中的端口号，从而完成ASH转发表的更新。
4.根据权利要求1所述的基于报文精确识别的变电站通信网络确定性路径交换方法，其特征在于:在步骤3)中，采用APPID解析模块获得GOOSE、SV报文的APPID，并通过查找ASH转发表初步确定报文发送端口；接着，采用SRCMAC解析模块及GOOSEID ref/smvID解析模块获得GOOSE、SV报文的SRCMAC地址及GOOSEID ref/smvID内容；其次，通过HASH模块对GOOSEID ref/smvID内容进行处理。
5.根据权利要求1所述的基于报文精确识别的变电站通信网络确定性路径交换方法，其特征在于:在步骤4)中，所述符合该条ASH组合键的转发信息是ASH转发表中存在与报文 APPID、SRCMAC、HASH (GOOSEID ref/smvID)三项完全相符的内容。
【文档编号】H04L12/741GK103647717SQ201310615988
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】蔡泽祥, 竹之涵, 苏忠阳, 席禹, 张延旭, 王海柱 申请人:华南理工大学, 广州思唯奇电力科技有限公司