基于104規約的遠動網絡通信可靠性原理探討

高雪飛

（中國南方電網超高壓輸電公司，廣東 廣州 510405）

基于104規約的遠動網絡通信可靠性原理探討

高雪飛

（中國南方電網超高壓輸電公司，廣東 廣州 510405）

104規約是應用于網絡方式的遠動通信協議，但網絡層提供的是盡最大努力交付的數據報服務，這種交付是不可靠的。文章分析探討了為克服網絡通信的“不可靠性”，104規約應用層采取的保證報文正確收發的控制機制及網絡通信鏈路采用的冗余切換機制，說明了104規約實現遠動通信可靠性的原理。

104規約；可靠性；冗余

基于IEC 104規約的遠動網絡傳輸方式已在電力調度自動化系統得到廣泛應用，相比較傳統的串口通信模式，遠動信息的網絡傳輸具有效率高、擴展方便、節省資源（端口、通道、中間設備）等優點，能夠更好地適應當前調度自動化系統的要求。南方電網基于現有的電力調度數據網和MSTP傳輸網絡，所轄重要廠站與南網總調的遠動傳輸均實現了采用104規約的主備通道配置。隨著電網的不斷建設發展，電網結構日趨復雜，對遠動信息傳輸的實時性、可靠性也提出了越來越高的要求，本文就基于104規約的遠動通信可靠性原理進行分析探討。

1 IEC 104規約體系結構介紹

如表1所示為終端系統的104規約結構。IEC 104規約采用了OSI 7層結構中的5層，第5層和第6層未使用。

表1 IEC 104終端規約結構

通過圖1可以看出，IEC 104規約在進行遠動數據流傳輸時的一般流程為：104應用進程將遠動業務數據按ASDU格式組織，再加上相應的控制信息APCI構成應用協議數據單元APDU，APDU格式的遠動報文通過應用進程與TCP服務之間的接口交付給下層的網絡進行傳輸。應用協議控制信息APCI的格式如表2所示。

表2 應用協議控制信息APCI格式

由于下層的網絡是“不可靠的”，其交付給應用層的遠動報文數據可能有丟失、重復，應用層必須有相應的檢查確認機制，為了保證攜帶遠動數據的報文能夠及時正確地被對端接收，IEC 104規約在APCI的控制域定義了保護報文不至丟失和重復傳送的控制信息；當存在冗余鏈路時，為了保證在用鏈路發生故障時能夠及時有效切換至備用，且保證數據的連續性和完整性，在APCI控制域定義了傳輸連接的監視以及報文傳輸啟動/停止的控制信息。APDU報文可分為I格式、S格式、U格式3種，對應3種類型的APCI，分別包含了上述的控制信息。

下面將從從報文收發的確認機制和冗余鏈路的切換機制兩方面來討論IEC 104規約保證傳輸可靠性的機理。

2 報文收發的確認機制

IEC 104規約采用基于TCP/IP協議的網絡方式傳輸報文，相比串口模式下可靠的點對點通信，網絡方式采取基于分組交換的虛電路連接，應用層報文在網絡上獨立選擇路由到達目的主機，當網路負載發生變化或中間網絡設備失效時，到達目的主機的數據包可能發生延遲、丟失和重復。應用協議數據單元（Application Protocol Data Unit，APDU）的I格式、S格式、U格式3種報文格式中，僅I格式報文包含應用服務數據單元（Application Service Data Unit，ASDU）數據。為保護攜帶應用服務數據單元（Application Service Data Unit，ASDU）的I格式報文不至于丟失和重復傳送，如表3—4所示，104規約在I格式報文的控制域中定義了發送序列號N（S）和接收序列號N（R），為解決發送方進行單方向較長的數據發送，在S格式報文控制域中定義了接收序列號N（R），以使接收方對已正確收到的I格式APDU進行確認。

表3 S格式報文的控制域

表4 I格式報文的控制域

104規約防止報文丟失和重傳的機制如下。

新連接建立后，通信雙方的N（S）和N（R）置0；發送方每發送一個APDU，其N（S）加1，并將尚未得到接收方確認的已發送APDU保存在緩存區里；接收方將最后一個正確接收的APDU的發送序列號加1作為接收序列號N（R）返回給發送方，表明小于該號的所有已發送APDU已得到對方有效確認；發送方收到返回的接收序列號N（R），方可以將緩沖區里相應的APDU刪除；在發送方超時未收到確認或接收方發現APDU有丟失，均會主動斷開連接，隨后主動打開連接重試。但為了避免發送方重復發送報文，接收方在主動關閉連接之前會發送S格式報文進行確認。

從以上可以看出，IEC 104規約應用層通過對收發報文進行按序號確認的方式，克服了下層網絡傳輸特性可能導致的報文丟失和重復傳輸的問題，保證了遠動報文能夠有序準確地進行發送和接收。

3 通信鏈路的冗余切換機制

前面介紹的報文收發的確認機制是基于單一通信鏈路進行討論的。隨著電力系統的建設發展，電網電壓等級越來越高、電網結構越來越復雜，電網對遠動信息傳輸的可靠性要求亦越來越高，在高電壓等級的廠站一般都要求使用冗余通道來提高通信系統的可用性。隨著通信技術的進步，通信網結構的不斷優化，通信鏈路冗余配置現在可以輕松實現。按南網現有已建通信網絡，廠站與總調之間的遠動104通道一般采用調度數據網通道和MSTP專線通道主備方式。在配備冗余鏈路的情況下，通信雙方將同時維持多個通信連接，當進行遠動數據的收發時，僅有一個連接是有效的，調度數據網通道和專線通道平時為主備用狀態，當主用的網絡通道發生故障或因通道有其他工作導致通道不可用，備用通道應能正常切換至主用且不能破壞數據的完整性。

每條通信通道對應控制站與被控站之間的一個TCP邏輯連接，每個TCP連接由收發端的IP地址+端口號唯一確定。調度數據網通道和專線通道對應的兩個邏輯連接構成一個冗余組，遠動數據由冗余組的兩個邏輯連接共享，但只有一個邏輯連接是激活并有效的，遠動數據只在被激活的鏈路上傳輸。為了監測鏈路的狀態，以便及時發現鏈路故障并進行鏈路的及時有效切換，IEC 104定義了U格式報文，其APCI控制域如表5所示。

表5 U格式報文的控制域

平時冗余組內的所有連接由U格式的TESTFR_ACT和TESTFR_CON命令來監管，連接的兩端均可發起測試，一端發送測試APDU（TESTFR_ACT）并由接收端發送TESTFR_CON來確定連接狀態，以便能夠及時發現通信故障。激活連接的選擇和連接的切換由控制站決定，通過STARTDT和STOPDT命令的激活/確認來控制。當在控制方向或監視方向APDU傳輸時間超過設定的時間時，此時便認為當前連接不可用，控制站在備用連接上發送一個STARTDT_ACT，被控站在相應連接上發回一個STARTDT_ CON確認，當控制站收到STARTDT_CON，備用連接便被激活。隨后的命令和用戶數據都將在新激活的連接上傳輸。至此，便完成了連接之間的切換。由于冗余組內的邏輯連接共享應用層數據，當備用連接切換為主用連接時，能夠保證數據的完整性和一致性。

此后，故障的連接將被關閉，控制站將定期嘗試重新打開該連接，當鏈路故障消除，該連接將被重新建立，通信連接再次進入主備冗余狀態。

4 結語

104規約現已得到越來越廣泛的應用，為保證通信數據的可靠性傳輸，104規約在應用層引入了應用規約控制信息APCI，通過APCI控制域定義的控制信息能夠有效地保證104規約通信數據傳輸的可靠性，本文按兩種機制對此進行了分析探討。隨著調度自動化對業務數據傳輸可靠性要求越來越高，理解并掌握104規約實現可靠通信的原理，對我們在日常運維檢修工作中分析和處理故障，將有重要的意義。

［1］謝希仁.計算機網絡［M］.5版.北京：電子工業出版社，2008.

Discussion on the reliability principle of IEC 104 remote communication network

Gao Xuefei

（China Southern Power Grid，Guangzhou 510405，China）

IEC 104 is a remote communication protocol applied to the TCP/IP network，but the network layer provide a best effort data gram service which is unreliable.This paper discussed the control mechanism to ensure message being sent and received correctly taken by IEC 104 application layer and the switching mechanism of redundancy channel taken by network communication link in order to overcome the “unreliable” of network communication，and by this this paper explained the principle of IEC 104 to realize the reliability of remote communication network.

104 protocol；reliability；redundancy

高雪飛（1988—），男 ，山東煙臺。