基于緩存技術的信息交互總線可靠傳輸研究

摘要：研究配電網信息交互、信息集成相關需求，遵循IEC 61968接口規范，跨區實現電網安全I區和III區之間的準確、安全、可靠的數據傳輸與信息交互，有效實現電網信息資源整合，消除“信息孤島”。通過異構環境中信息傳輸與驗證，系統屏蔽掉了硬件層、操作系統層、網絡層等物理介質，為上層應用提供了透明化的數據交互服務，最大限度地提高了應用的可移植性與可擴充性。在通過信息交互總線傳輸數據的過程中，需要保證數據高效、完整、可靠的傳輸，采用了基于緩存技術的架構設計方案，確保數據通過信息交互總線可靠傳輸。

關鍵詞：緩存；信息交互總線；隔離設備；IEB

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）29-0109-02

基于電力系統安全要求，I區與III區之間通過隔離設備連接，使得信息交互產生一定障礙，并且隨著電力系統的逐漸增多也產生大量信息孤島，使得信息傳輸不暢，在這樣的背景下，信息交互總線應運而生。使用信息交互總線屏蔽由于網絡環境、物理隔離設備等造成的通訊不暢，使得外部服務可以通過信息交互總線透明地實現數據傳輸及消息傳遞。

鑒于隔離設備的物理特性，正向隔離采用TCP方式通訊，反向隔離采用文本文件的方式，使得數據在經過隔離設備傳輸的過程中會產生數據包傳輸不完整甚至丟包的情況，最終導致外部系統接收數據異常，所以信息交互總線在跨域隔離設備，實現跨區數據傳輸時，如何保證數據安全、高效、穩定傳輸成為信息交互總線內部的關鍵問題。

一、設計方案

本技術方案主要針對信息交互總線在跨越隔離設備傳輸的過程中丟包檢測以及在丟包后消息補發方法的問題進行研究討論，在解決該問題的過程中涉及復雜的丟包檢測、緩存、補發等處理機制。這里主要分4個方案進行討論，主要包括整體方案、基于內存與文件的緩存方案、數據包完整性和傳輸連續性驗證方案以及數據傳輸碼流動態控制方案等。

1.整體方案

信息交互總線主要解決了由于物理隔離設備所造成的通訊障礙，便于信息集成以及跨I區與III區之間的信息傳遞，使得外部服務可以透明傳輸。信息交互總線總體架構設計如圖1所示。

2.基于文件與內存的緩存方案

鑒于反向隔離設備的物理特性，反向隔離采用文件方式傳輸，信息交互總線將消息以Byte方式寫成文本文件，通過反向隔離設備將數據文件由III區發送到I區。在傳輸的過程中，由于網絡、隔離設備等多種因素，導致傳輸過程中會產生丟包的情況，造成了通訊障礙，所以保證數據包完整、高效傳輸尤為重要。

為避免由于隔離設備傳輸產生丟包造成的通訊障礙，本方案采用緩存的方式將數據進行一定時間的保存，如果總線內部檢測到在跨越隔離設備傳輸時產生丟包，發送端將利用緩存（文件方式、緩存方式）的數據包進行數據包補發，在信息交互總線內部，保證數據包安全、高效傳輸。鑒于正向隔離采用TCP方式通訊，所以正向緩存方案采用內存方式存儲；反向隔離采用文本方式傳輸，所有反向緩存方案采用文本方式存儲，這種方式可以在丟包產生時迅速補發丟失數據包，不需要再進行復雜的數據封裝工作。

在文件、內存緩存的過程中，在保證緩存數據充足、有效的前提下，為避免由于緩存數據量過大而造成的內存空間溢出或磁盤空間不足等情況，在緩存量方面采用了循環覆蓋的方式，默認緩存量為0～999包號。當包號跨躍999時，從新歸檔包號為0，采用循環覆蓋的方式有效避免了緩存量過大而造成的程序異常問題。在天津薊縣配電自動化項目（配點自動化主站系統、信息交互總線系統）實施過程中，對緩存量進行了大量現場測試，包號默認最大值設置在999時可以滿足業務需求，并且在系統出現丟包后，發送端在緩存數據中查找對應數據包時，查詢命中時間最短，故系統默認初始設定默認最大包號為999。

下面以內存緩存為例介紹內存緩存的存儲結構。內存緩存使用HashMap方式進行存儲，其中Key為包號，Value為封裝之后的數據包，當數據包的Key值存儲到999時，由于采用循環方式，Key強制歸檔為001，鑒于HashMap的存儲機制，Key值相同時覆蓋舊數據，達到了循環覆蓋的目的。文件緩存的存儲機制和覆蓋原理與內存緩存相同，差別在于文件緩存的存儲和覆蓋在硬盤的磁盤空間中完成，內存緩存具體存儲結構如表1所示。

表1 內存緩存存儲結構

3.數據包完整性和傳輸連續性驗證方案

信息交互總線經過物理隔離設備發送數據時，需要保證數據在通過隔離設備傳輸后數據的完整性以及傳輸數據包的連續性，所以信息交互總線在發送和接收數據時進行了有效的封裝和驗證工作。

信息交互總線在接收到外部系統數據時，為保證數據在通過信息交互總線并跨躍隔離設備安全傳輸時，需要在接收到的原始數據進行一定的封裝工作，主要包括封裝包頭、封裝包尾以及其他屬性信息，對端總線在接收到數據包時，需要根據解析數據包的封裝信息，完整數據包的完整性與連續性驗證。傳輸數據包的格式如表2所示。

表2 消息體組成結構

表2展示了信息交互總線跨越隔離設備傳輸時的數據封裝格式，其中FirstHead、SecondHead、SecondTail和FirstTail為信息交互總線內部封裝的頭包和尾包，Mssage為信息交互總線接收的外部系統數據包，Length為Message數據長度值。

信息交互總線傳輸連續驗證是基于數據包完整性驗證，在確認數據包完整后，判定數據包是否是連續，在正確接收當前數據包后，設置下一個需要接收的數據包號，之后繼續接收后續數據包，具體數據接收以及數據驗證流程如圖2所示。

4.數據傳輸碼流動態控制方案

在通過反向隔離設備傳輸時，由于反向隔離設備傳輸能力有限，如果文件數量比較多時，可能會產生大量文件擠壓，造成數據傳輸障礙，所以控制信息交互總線生成文件數量與大小以滿足反向隔離的傳輸性能至關重要。

二、工程案例

信息交互總線作為配電智能化主站的核心組成部分，于2013年在青海省西寧市“配電智能化主站試點工程”進行現場工程實施和數據服務集成工作，主要集成的外部系統包括PMS、營銷、配電自動化、調度自動化、95598、GIS、用電信息采集系統、搶修指揮平臺等系統，外部系統接口類型比較龐雜，數據量巨大。

遵循國網公司在數據服務集成方面“源端唯一，全局共享”的建設思想，信息交互總線對外提供標準的數據訂閱與發布接口，便于外部系統從信息交互總線獲取相關業務數據。在配電智能化主站工程中，信息交互總線作為數據服務集成的源頭，為配電自動化主站、配網生產搶修指揮平臺提供基礎數據，并作為數據的唯一發布方式，對外部系統進行數據發布。

近兩年時間里，該信息交互總線產品在眾多配電自動化項目中發揮了重要的作用，主要實施地點包括天津薊縣、東麗、寧夏寧東等多地。大量工程案例表明該架構設計方案可以滿足配電自動化領域信息集成的實際需求，在集成外部服務的同時可以實現數據安全、可靠傳輸，為配電網領域數據全局共享奠定了重要基礎。

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（責任編輯：王祝萍）