基于交换机的过程层网络报文分析方法
【专利摘要】基于交换机的过程层网络报文分析方法，在现有的数字化变电站使用的工业交换机软硬件的基础之上，在接口板上增加FPGA芯片；接口板上与外部信号接口的芯片即物理层PHY与交换芯片之间增加FPGA芯片,所述的FPGA每一路通道两侧各直接接一PHY芯片；在实际数据的传输过程中，报文或数据通过RJ45或者光口接口进入PHY，而后数据通过MII进入到FPGA芯片；此时利用FPGA芯片，对进入的报文或数据进行分析，解析报文的报文头，从而判断出该报文为何种报文；针对特定类型的报文进行报文的正误判断。当网络中传输的报文有误等情况均有可能导致保护的误动或者拒动等，因此监测及诊断网络中传输报文错误与否显得尤为重要。
【专利说明】基于交换机的过程层网络报文分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统中通讯领域，交换机数据采集的应用。
【背景技术】
[0002]在数字化变电站中大量的交换式以太网和光缆组成的网络通信系统替代了传统的二次连接电缆和回路，过程层、间隔层、变电站层之间都是按IEC61850标准的协议进行通信。在交换机组网的组网方式中，大量的SMV采样报文和GOOSE报文通过交换机来传输，报文的正确与否直接关系到站内保护设备是否会误动或者拒动。正常情况下站内网络数据流量比较平稳，不会出现流量的突然增长或者骤减，当合并单元之类的出现异常时可能导致交换机中传输的报文瞬时流量骤减或骤增，导致保护功能受到影响。
[0003]在数据的传输过程中，若是能够对交换机所传输的报文进行分类统计，从而可以根据统计数据计算出各种类型报文的实时流量，当实时流量骤增或骤减时可通过报文的类型大致判断出是那种装置发生了故障导致流量的骤变。交换机对传输的GOOSE和SMV报文进行正误的判别，对有错误的报文进行存储，并通过CPU发出告警信号，及时提醒人员进行检修和故障的查找。
【发明内容】
[0004]本发明的目的一种基于交换机的过程层网络报文分析方法，就是在现有数字化变电站中，不改变变电站组网方式的基础上，通过交换机软硬层面上的相关改动，实现交换机对不同类型报文的统计，以及对特定类型报文的正误判断，并将诊断出的错误信息以日志文件或者告警方式体现。
[0005]本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的:基于交换机的过程层网络报文分析方法，在现有的数字化变电站使用的工业交换机软硬件的基础之上，更改接口板的硬件结构，在接口板上增加FPGA芯片；原有的接口板上PHY通过MII (媒体独立接口、包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口)与交换芯片相连接，现在接口板上与外部信号接口的芯片即物理层PHY与交换芯片之间增加FPGA芯片，所述的FPGA每一路通道两侧各直接接一 PHY芯片；在实际数据的传输过程中，报文或数据通过RJ45或者光口接口进入PHY，而后数据通过MII进入到FPGA芯片；此时可以利用FPGA芯片，对进入的报文或数据进行分析，解析报文的报文头，从而判断出该报文为何种报文；针对特定类型的报文进行报文的正误判断。例如针对数据采样SMV报文，当FPGA提取到报文中的关键字，当关键字为0x88ba时说明该报文为接收到的数据采样SMV报文，FPGA此时计数SMV (类型)报文的计数值增加，随后对数据采样SMV报文进行解析，提取出数据采样SMV报文中所带有的SmpCnt (样本计数器)信息，并将样本计数器的值与前一帧数据采样SMV报文中所携带的样本计数器的值进行比较，判断出数据采样SMV的采样报文是否连续。如若发现采样值不连续或者是数据采样报文有误，则将该报文内容存储，并将报文的接收时间和采样计数器信息发送至管理CPU。[0006]本发明的实现无需在现有工业交换机的基础上做过多的改动，无需增加专用处理FPGA芯片，控制了开发成本，具有很好的适用性，可操作性，同时又能够最大化开发交换机的实用功能。在整个方法中，相较于原有交换机的处理方式，FPGA是实现该功能的核心器件，由其实现报文的解析以及报文类型的统计。该方法的实现关键技术，其流程如下:
[0007]报文的解析。由于交换机中存在着大量报文的实时交换，管理CPU无法对所有报文进行实时的解析和处理，因此在本发明中增加FPGA来处理交换过程中接收到的大量实时报文。FPGA通过监听和分析MII接口上的信号，在接收到报文的瞬间对报文的报文头进行解析，提取出其中的关键字，针对不同类型报文的不同关键字，对各个报文进行统计计数的处理，并将统计结果存储在FPGA中。
[0008]特定报文正误的判断。和上述处理过程基本相同:先将接收到的4-bit nibble数据转换成8-bit的数据，存入到报文缓冲区中。当报文进入缓冲区后，FPGA提取报文中的关键字，当关键字为0x88ba时说明该报文为接收到的数据采样SMV报文，随后解析SMV报文，提取出SMV报文中所带有的SmpCnt (样本计数器)信息，并存储(为了与下一帧SMV报文中的样本计数器的值进行比较)。此时，将提取到的SMV报文的SmpCnt信息与前一帧SMV报文中的样本计数器的值进行比较，比较其是否连续。若发现样本计数器的数值不连续，则判断为错误报文，将报文存储在本地的日志文件中，并通过FPGA将接收时间和采样计数器信息发送至管理CPU。
[0009](3)管理CPU对FPGA的访问:管理CPU需将各种类型报文的统计结果定期或者不定期的通过网关软件上送。此时即需要管理CPU访问FPGA来获取相关统计结果。在本方案中管理CPU和FPGA通过LOCAL BUS总线相连接，CPU片选相关FPGA，通过不同类型的统计数据的存储地址来获取其相应的统计结果。片选时使用三八译码器，通过CPU的三根地址线以及一个片选管脚实现CPU片选信号的复用，实现8路片选信号，连接8块FPGA芯片。
[0010]FPGA从一个串行闪存内加载硬件配置和嵌入式处理器软件。
[0011]本发明的有益效果为:本发明提供了一种基于交换机的过程层网络报文分析方法，在交换机存储转发的过程中将进入交换机的不同类型的报文进行分类统计，针对SMV采样报文比较前后报文的样本计数器的值，针对GOOSE报文比较报文中的顺序号是否依次增加来判断报文的正误。对GOOSE报文或采样值报文帧格式错误等异常报文按照先后顺序存储到本地的日志文件中，为查找问题时提供相关依据。
[0012]本发明的优点还在于，对现有的工业交换机结构模式不需做过多的修改。FPGA从一个串行闪存内加载硬件配置和嵌入式处理器软件。在生产过程中甚至设备被交付到现场后，都可方便地通过改写闪存内容来改变FPGA的硬件和软件功能。FPGA内的可编程硬件和软件处理能力意味着设计师可以通过作为硬件或软件的应用程序来整合所需的额外功能。通过简单地再编程FPGA就可实现新功能的能力是对产品未来的保证(如支持IEEE1588v2.0)，还能非常快速地将工业交换机新功能及特性呈献给用户，推向市场。
[0013]数字化变电站的主要特征之一就是以交换式以太网和光缆组成的网络通信系统替代以往的二次连接电缆和回路。网络报文替代了传统的电压电流在通信。当网络中传输的报文有误等情况均有可能导致保护的误动或者拒动等，因此监测及诊断网络中传输报文错误与否显得尤为重要。在用交换机组网的方式中，所有的数据都通过交换机来传输，可利用交换机对其传输的报文进行初步的诊断，当判断出交换机中传输的报文有误时，交换机发出报文异常信号。此外，可利用交换机进行不同类型数据的分析整理，计算出不同类型数据的瞬时流量。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1基于FPGA时间戳标记的结构框图【具体实施方式】
[0015]下面通过具体实施例对本发明作进一步详述。
[0016]在变电站内基于交换机的过程层网络报文分析方法。该方法在现有数字化变电站网络结构的基础上，通过交换机对接收到的报文的处理，将各个类型的报文的统计结果通过LOCAL BUS总线传递给管理CPU，CPU计算出各类型报文的瞬时流量，当瞬时流量骤变时发出告警信号。当交换机检测到接收的GOOSE或SMV报文存在异常时，将异常报文存储于本地文件，并发出异常告警。
[0017]本发明的实施包括以下步骤:
[0018](I)本发明的实施包括交换机内部FPGA芯片的扩充，设有FPGA报文解析与处理模块，对采样报文异常信息判别的处理。
[0019]利用交换机存储转发的基本工作原理，在交换机接收到数据帧时，对交换机接收到的报文按照其报文类型进行一个初步的解析，分析出属于何种类型的报文，对不同类型的报文的帧数进行统计，针对特定类型的报文进行正误判断；报文的解析:由于交换机中存在着大量报文的实时交换，管理CPU无法对所有报文进行实时的解析和处理，因此在本发明中增加FPGA来处理交换过程中接收到的大量实时报文。FPGA通过监听和分析MII借口上的信号，在接收到报文的瞬间对报文的报文头进行解析，提取出其中的关键字，针对不同类型报文的不同关键字，对各个报文进行统计计数的处理，并将统计结果存储在FPGA中。
[0020]利用交换机接口板上的FPGA进行不同类型报文的数据帧的统计。
[0021]利用交换机接口板上的FPGA，针对特定类型的报文进行正误判断，当发现该报文有误时，将该报文存储，并将错误信息告知CPU，CPU产生告警信号:FPGA先将接收到的4-bit nibble数据转换成8-bit的数据，存入到报文缓冲区中；当报文进入缓冲区后，FPGA提取报文中的关键字，当关键字为0x88ba时说明该报文为接收到的数据采样SMV报文，随后解析SMV报文，提取出SMV报文中所带有的SmpCnt (样本计数器)信息，并存储(为了与下一帧SMV报文中的样本计数器的值进行比较)。此时，将提取到的SMV报文的SmpCnt信息与前一帧SMV报文中的样本计数器的值进行比较，比较其是否连续。若发现样本计数器的数值不连续，则判断为错误报文，将报文存储在本地的日志文件中，并通过FPGA将接收时间和采样计数器信息发送至管理CPU。
[0022]管理CPU对FPGA的访问:管理CPU需将各种类型报文的统计结果定期或者不定期的通过网关软件上送。此时即需要管理CPU访问FPGA报文解析与处理模块来获取相关统计结果。
[0023]在本方案中管理CPU和FPGA通过LOCAL BUS总线相连接，CPU片选相关FPGA，通过FPGA报文解析与处理模块中不同类型的统计数据的存储地址来获取其相应的统计结果。所述的CPU与FPGA之间采用LOCAL BUS总线的方式进行访问，所述的FPGA每一路通道两侧各有一块PHY芯片；电路板上包含多个FPGA芯片，每块FPGA芯片通过PHY芯片BCM5241连接到交换芯片的四个网口 ；使用三八译码器，通过CPU的三根地址线以及一个片选管脚实现CPU片选信号的复用，实现8路片选信号，连接8块FPGA芯片。
[0024]所述的PHY芯片型号为BCM5241。所述的交换芯片型号为BCM53262。FPGA每一路通道两侧各有一块PHY芯片。
[0025]电路板上包含多个FPGA芯片，每块FPGA芯片通过BCM5241连接到交换芯片的四个网口。
[0026]FPGA之间的同步:需求多个FPGA芯片来实现功能的扩展时，涉及到各个FPGA芯片之间的同步:各个FPGA采用统一个晶振，而且通过FPGA的I/O 口将各个FPGA连接在一起，实现FPGA之间的互操作。
[0027]交换芯片型号为BCM53262 ;所述的PHY芯片型号为BCM5241。
[0028](2).整个交换机除了原有的交换功能模块之外，添加了 FPGA模块，使得其除了能够实现交换机对不同报文分类统计功能以外，还可以用来扩展支持IEEE1588v2.0协议，当扩展IEEE1588协议时无需增加相应的硬件模块。
[0029]虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属【技术领域】中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【权利要求】
1.基于交换机的过程层网络报文分析方法，其特征是在现有的数字化变电站使用的工业交换机软硬件的基础之上，在接口板上增加FPGA芯片；接口板上与外部信号接口的芯片即物理层PHY与交换芯片之间增加FPGA芯片，所述的FPGA每一路通道两侧各直接接一PHY芯片；在实际数据的传输过程中，报文或数据通过RJ45或者光口接口进入PHY，而后数据通过MII进入到FPGA芯片；此时利用FPGA芯片，对进入的报文或数据进行分析，解析报文的报文头，从而判断出该报文为何种报文；针对特定类型的报文进行报文的正误判断。
2.根据权利要求1所述的基于交换机的过程层网络报文分析方法，其特征是利用FPGA芯片，对进入的报文或数据进行分析的流程如下: 报文的解析，FPGA通过监听和分析MII接口上的信号，在接收到报文的瞬间对报文的报文头进行解析，提取出其中的关键字，针对不同类型报文的不同关键字，对各个报文进行统计计数的处理，并将统计结果存储在FPGA中； 特定报文正误的判断，先将接收到的4-bit nibble数据转换成8_bit的数据,存入到报文缓冲区中。当报文进入缓冲区后，FPGA提取报文中的关键字，当关键字为0x88ba时说明该报文为接收到的数据采样SMV报文，随后解析SMV报文，提取出SMV报文中所带有的SmpCnt (样本计数器)信息，并存储(为了与下一帧SMV报文中的样本计数器的值进行比较)。此时，将提取到的SMV报文的SmpCnt信息与前一帧SMV报文中的样本计数器的值进行比较，比较其是否连续。若发现样本计数器的数值不连续，则判断为错误报文，将报文存储在本地的日志文件中，并通过FPGA将接收时间和采样计数器信息发送至管理CPU ； (3)管理CPU对FPGA的访问:管理CPU需将各种类型报文的统计结果定期或者不定期的通过网关软件上送；此时即需要管理CPU访问FPGA来获取相关统计结果。
3.根据权利要求1所述的基于交换机的过程层网络报文分析方法，其特征是管理CPU和FPGA通过LOCAL BUS总线相连接，CPU片选相关FPGA，通过不同类型的统计数据的存储地址来获取其相应的统计结果。片选时使用三八译码器，通过CPU的三根地址线以及一个片选管脚实现CPU片选信号的复用，实现8路片选信号，连接8块FPGA芯片。
4.根据权利要求1所述的基于交换机的过程层网络报文的分析方法，其特征是利用交换机接口板上的FPGA，针对特定类型的报文进行正误判断，当发现该报文有误时，将该报文存储，并将错误信息告知CPU，CPU产生告警信号。
5.根据权利要求1所述的基于交换机的过程层网络报文的分析方法，其特征是利用不改变交换机的整体结构，通过替换现有交换机的接口板，实现交换机功能的多样化，从经济效益上来讲具有一定的可行性。
6.根据权利要求1所述的基于交换机的过程层网络报文的分析方法，其特征是FPGA从一个串行闪存内加载硬件配置和嵌入式处理器软件。
【文档编号】H04L12/26GK104038383SQ201410147796
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】高吉普, 徐长宝, 陈建国, 王宇, 吴杰, 潘福明 申请人:贵州电力试验研究院, 南京悠阔电气科技有限公司