網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)在繼電保護(hù)裝置的研究及應(yīng)用

楊智德，郭亞楠，陳獻(xiàn)慶

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)對電力自動(dòng)化設(shè)備，尤其是對繼電保護(hù)裝置的要求不斷提高。因此，繼電保護(hù)裝置的功能不斷增加，保護(hù)算法的不斷改進(jìn)，導(dǎo)致了其內(nèi)部程序越來越龐大，所需存儲和使用的數(shù)據(jù)量也越來越多。

但是繼電保護(hù)裝置存儲空間十分有限。如何提高其數(shù)據(jù)復(fù)用率、提高有限空間的使用率一直是被廣泛關(guān)注和研究的問題。現(xiàn)有的普遍做法是使用壓縮格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，或者及時(shí)刪除過期數(shù)據(jù)以釋放存儲空間，但這都無法從根本上解決越來越大的數(shù)據(jù)存儲量。

網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)是一種分布式文件系統(tǒng)，其允許一個(gè)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上共享目錄和文件，供遠(yuǎn)端無縫透明訪問，從而實(shí)現(xiàn)資源使用最大化、占用空間最小化。對此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種適用于繼電保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，為裝置提供了在存儲設(shè)備間進(jìn)行文件共享訪問的使用方式，有效降低了本地存儲空間的使用，提高了數(shù)據(jù)的復(fù)用率。

1 總體架構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

目前，較為知名的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)是由Sun Microsystems公司定義的、被稱為Sun的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，或者簡稱為網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(network file system,NFS)。公司制定的NFS協(xié)議被收錄進(jìn)請求評議(request for comments,RFC)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)在整個(gè)計(jì)算機(jī)工業(yè)中已被廣泛接受[1]。該公司提出NFS的目的是支持異構(gòu)系統(tǒng)，使運(yùn)行在不同操作系統(tǒng)和不同硬件上的文件可以共享。NFS采用了客戶端和服務(wù)端協(xié)同工作的架構(gòu)，將用戶共享的數(shù)據(jù)保存在服務(wù)端，供客戶端透明訪問。

NFS迄今共發(fā)布了三個(gè)版本。其中：第一版NFSv2有較大的性能和安全缺陷；第二版NFSv3修正了版本一的缺陷，并提高了傳輸效率；第三版NFSv4支持服務(wù)器集群訪問。

本文根據(jù)繼電保護(hù)裝置板卡間對共享數(shù)據(jù)并行訪問少，對功能實(shí)現(xiàn)要求簡單、可靠的特點(diǎn)，參考第二版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[2]。

1.2 總體架構(gòu)

對于繼電保護(hù)裝置，從系統(tǒng)的角度看[3]，網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)與其他系統(tǒng)(例如YAFFS Flash文件系統(tǒng)、FAT32文件等)并無區(qū)別，都處于文件系統(tǒng)抽象層之下。

文件系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 文件系統(tǒng)體系架構(gòu)

文件系統(tǒng)通過抽象層向上層屏蔽了各個(gè)文件系統(tǒng)的區(qū)別，對外部應(yīng)用程序只提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)接口，使各種文件系統(tǒng)對用戶透明。而對于文件系統(tǒng)接入抽象層的部分，提供了基于前綴的設(shè)備注冊管理機(jī)制，方便不同文件系統(tǒng)設(shè)備的注冊。例如網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，使用“nfs”作為前綴。如果應(yīng)用傳送的路徑以“nfs”為前綴，則會(huì)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)進(jìn)行處理。

NFSv3標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)是基于遠(yuǎn)程過程調(diào)用(remote procedure call,RPC)實(shí)現(xiàn)的，具備掛接、端口映射、外部數(shù)據(jù)表示、認(rèn)證等功能，并規(guī)定了22個(gè)過程函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)客戶端對遠(yuǎn)程服務(wù)端文件的訪問[4-5]。但是標(biāo)準(zhǔn)制定是針對Linux操作系統(tǒng)的，有些功能并不適用于繼電保護(hù)裝置，例如認(rèn)證功能和端口映射功能。裝置板卡間通信無需進(jìn)行權(quán)限認(rèn)證，同時(shí)文件訪問端口可固定，無需端口映射功能。所以在實(shí)現(xiàn)時(shí)，針對實(shí)際應(yīng)用場景對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的某些功能進(jìn)行了裁剪、增加和優(yōu)化，在減少了代碼量的同時(shí)也提高了通信效率，使其適用于繼電保護(hù)裝置。

網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)采用的是客戶端/服務(wù)端的架構(gòu)，所有的請求都由客戶端發(fā)起，通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行傳輸，客戶端主要完成的工作如下。

①通過客戶端掛接模塊發(fā)起掛接請求，將服務(wù)端開放共享的文件夾路徑掛接到本地目錄。

②掛接完成后，可通過客戶端操作處理模塊對共享目錄下的文件或文件夾進(jìn)行操作。

服務(wù)端的功能主要是接收并響應(yīng)客戶端的請求。

①通過服務(wù)端掛接模塊，將客戶端請求的服務(wù)端本地允許共享的文件夾發(fā)送給客戶端。

②接收客戶端的操作，通過服務(wù)端操作處理模塊完成操作處理，并將結(jié)果返回給客戶端。

客戶端和服務(wù)端的請求和回復(fù)離不開外部數(shù)據(jù)表示模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。外部數(shù)據(jù)表示模塊主要是對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。這樣做的目的是對不同板卡間的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行抽象和統(tǒng)一，使網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)能夠滿足不同硬件平臺的需要，提高系統(tǒng)通用性。網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸，重傳機(jī)制、超時(shí)機(jī)制、接收監(jiān)聽都是在此模塊進(jìn)行規(guī)定和設(shè)計(jì)的。日志模塊會(huì)生成日志文件，其系統(tǒng)記錄了客戶端和服務(wù)端對某些文件的某種操作和操作結(jié)果，并生成相關(guān)的錯(cuò)誤信息供用戶或開發(fā)人員查閱。日志文件是簡單的文本文件，可直接閱讀。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)客戶端主要實(shí)現(xiàn)封裝并發(fā)送操作請求，以及接收并解析返回結(jié)果的功能。服務(wù)端主要實(shí)現(xiàn)接收并解析請求信息，以及封裝并向客戶端返回操作結(jié)果的功能。根據(jù)圖2的系統(tǒng)總體架構(gòu)，可按照模塊逐個(gè)實(shí)現(xiàn)。

2.1 掛接模塊

掛接操作是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)運(yùn)行首先要進(jìn)行的必要步驟，即將服務(wù)端的文件夾目錄讀取到客戶端本地，供后續(xù)操作。

掛接操作實(shí)質(zhì)上是獲取服務(wù)端提供的根文件句柄的過程。文件句柄是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)中的一個(gè)重要概念，用來引用服務(wù)器上的一個(gè)文件或目錄。它是由服務(wù)端創(chuàng)建并傳遞給客戶端的。客戶端訪問文件時(shí)，使用對應(yīng)的文件句柄進(jìn)行訪問[6-9]。文件句柄的內(nèi)容只對服務(wù)端有意義。保護(hù)裝置的句柄生成方案是在使用時(shí)開辟全局存儲句柄的空間，將存儲的地址作為文件句柄使用，這樣既可保證句柄的唯一性，又提高了使用句柄時(shí)的查找效率。

客戶端提供了掛載文件系統(tǒng)、返回所有被掛載的文件系統(tǒng)的列表、卸載文件系統(tǒng)、結(jié)束對服務(wù)器目錄的掛載、列出服務(wù)端所有可以掛載的文件系統(tǒng)、卸載所有掛載項(xiàng)這6項(xiàng)功能。相應(yīng)地，服務(wù)端提供與這6項(xiàng)服務(wù)函數(shù)對應(yīng)的請求，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。一次服務(wù)端處理掛接的完整過程主要經(jīng)過以下3個(gè)步驟。

①服務(wù)端監(jiān)聽客戶端發(fā)送的掛接請求。

②收到掛接請求后，服務(wù)端判斷客戶端發(fā)送的掛接請求路徑是否在允許掛接的文件列表內(nèi)。

③如果在列表內(nèi)，則根據(jù)路徑生成文件句柄，將文件句柄返回給客戶端；否則，返回給客戶端錯(cuò)誤碼。

其中，句柄的管理通過桶排序算法實(shí)現(xiàn)。

輸入X=(x1,x2,...,xn),句柄關(guān)鍵字K(xi)在區(qū)間(0,1]上均勻分布。

輸出Y=(y1,y2,...,yn)滿足y1≤y2≤yn。

鏈表P=(p1,p2,...,pn)為N個(gè)鏈表頭指針。

建立句柄數(shù)據(jù)表需要以下3個(gè)步驟。

①forj=1 toNdo

k=K(xi)

b=[kN]

將xi按照順序插入到pb中。

②forb=2 toNdo

將鏈表pb連接到p(b-1)之后。

③將X中記錄拷貝到Y(jié)。

以下可對算法復(fù)雜度進(jìn)行計(jì)算。

由于句柄關(guān)鍵字之間相互獨(dú)立，則：

桶排序算法的平局算法復(fù)雜度為O(N)，具有較優(yōu)的算法效率。

建立了基于桶算法的鏈表之后，可通過每個(gè)句柄分配的下標(biāo)進(jìn)行句柄數(shù)據(jù)的存取。與輪詢查找的方法相比，該方法大大降低了查詢速度。

2.2 操作處理模塊

操作處理實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)裝置中文件系統(tǒng)抽象層所需的接口函數(shù)：獲取文件屬性，查找文件句柄，讀文件，寫文件，創(chuàng)建文件，刪除文件，刪除文件夾，重命名，讀文件列表，獲取文件系統(tǒng)信息，獲取文件配置信息。這11個(gè)功能函數(shù)涵蓋了規(guī)定的接口函數(shù)，滿足了裝置程序?qū)ξ募牟僮餍枨蟆?/p>

網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的處理流程如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)處理流程圖

在客戶端，當(dāng)用戶調(diào)用到網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)操作時(shí)，首先將報(bào)文ID號、報(bào)文類型(請求為0，回復(fù)為1)、程序號(網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)操作標(biāo)識)、版本號(網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)版本)、函數(shù)號(操作處理函數(shù)編號)五個(gè)元素寫到報(bào)文頭部，再封裝上調(diào)用的參數(shù)，發(fā)送給服務(wù)端后等待回應(yīng)。服務(wù)端收到報(bào)文后，會(huì)根據(jù)報(bào)文頭的五個(gè)元素解析并辨識操作請求，并將請求分發(fā)給對應(yīng)的操作函數(shù)進(jìn)行執(zhí)行。執(zhí)行完成后，將請求ID號、報(bào)文類型以及返回的結(jié)果進(jìn)行封裝，返回給客戶端。

2.3 外部表示模塊

外部表示模塊為數(shù)據(jù)的編碼和解碼提供支撐。這里的數(shù)據(jù)指的是客戶端和服務(wù)端進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)，例如報(bào)文類型、操作參數(shù)、操作結(jié)果等。采用外部表示的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼，可統(tǒng)一不同操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲格式，使客戶端和服務(wù)端在不同的系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行通信工作。

外部表示模塊也采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，分為抽象層、內(nèi)存編解碼模塊、記錄編解碼模塊。抽象層封裝了代碼接口，其他兩個(gè)模塊則實(shí)現(xiàn)了基本的數(shù)據(jù)操作。其中，內(nèi)存編解碼模塊用于用戶數(shù)據(jù)板協(xié)議(user datagram protocol,UDP)通信，而記錄編解碼模塊用于傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol,TCP)通信。它的工作流程是發(fā)送者采用規(guī)定的格式構(gòu)造一個(gè)報(bào)文，然后接收者將此格式的報(bào)文轉(zhuǎn)換為本機(jī)的表示形式。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊及日志模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)客戶端和服務(wù)端的通信功能，實(shí)現(xiàn)了UDP和TCP的兩種通信方式。在對繼電保護(hù)裝置的應(yīng)用場景分析中，由于需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，絕大部分是短消息，對實(shí)時(shí)性的要求較高，所以采用UDP的通信方式進(jìn)行。同時(shí)，為了保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，實(shí)現(xiàn)時(shí)設(shè)計(jì)了重發(fā)、超時(shí)以及數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制[8-9]。

日志模塊主要是對操作過程中的錯(cuò)誤信息和關(guān)鍵操作進(jìn)行記錄，供開發(fā)和運(yùn)維人員進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的跟蹤以及出錯(cuò)原因查找。日志文件被設(shè)計(jì)為文本文件的格式，并逐條按照裝置時(shí)間進(jìn)行記錄以方便閱讀。

3 應(yīng)用測試

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，在某型號保護(hù)裝置上進(jìn)行了功能性測試、時(shí)效性測試和可移植性驗(yàn)證。

3.1 功能性測試

將保護(hù)裝置的其中一塊板卡運(yùn)行客戶端程序，另一塊板卡運(yùn)行服務(wù)端程序，并建立通信連接。

掛接功能主要測試掛接函數(shù)，文件操作功能則對實(shí)現(xiàn)的功能函數(shù)進(jìn)行測試。

測試內(nèi)容包括功能測試，錯(cuò)誤碼結(jié)果測試和分支覆蓋測試。在通信工況良好的狀況下，網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)是可靠的。在通信工況延時(shí)較大、甚至出現(xiàn)通信中斷的情況下，本系統(tǒng)也能正確進(jìn)行重傳或返回正確錯(cuò)誤碼，沒有出現(xiàn)接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤情況。

功能測試結(jié)果如表1所示。

表1 功能測試結(jié)果

3.2 時(shí)效性測試

在保證系統(tǒng)功能正確的同時(shí)，還需要對其時(shí)效性進(jìn)行驗(yàn)證，以提高用戶體驗(yàn)。由于除了寫操作和讀操作會(huì)涉及到報(bào)文量較大的傳輸，其他的操作在通信正常的情況下只需一個(gè)或幾個(gè)通信回合就能完成功能，所以時(shí)效性只針對讀文件和寫文件功能進(jìn)行測試。

本文設(shè)計(jì)了8 KB、16 KB、32 KB、64 KB、128 KB、256 KB的數(shù)據(jù)，并分別對其進(jìn)行100次讀寫操作，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 讀寫操作測試結(jié)果

由圖4可知，讀寫操作的時(shí)間效率相差不大，傳輸速率為64 KB/s左右，在保護(hù)裝置可接受的范圍內(nèi)。但是由于被測裝置在協(xié)議棧初始化時(shí)沒有設(shè)置巨幀數(shù)據(jù)包自動(dòng)分幀功能，所以測試時(shí)每幀的數(shù)據(jù)大小控制在1 024 B之內(nèi)，導(dǎo)致服務(wù)端頻繁地進(jìn)行文件打開和關(guān)閉操作；如果裝置能對巨幀數(shù)據(jù)包進(jìn)行分幀，則可避免服務(wù)端頻繁打開、關(guān)閉文件，從而進(jìn)一步提升時(shí)間效率。

3.3 可移植性驗(yàn)證

網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)系統(tǒng)的可移植性驗(yàn)證包括兩個(gè)方面，即對不同的硬件電子控制單元(electronic control unit,ECU)和不同的操作系統(tǒng)的可移植驗(yàn)證。首先，將網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)從主控芯片為MPC8377(16位)的ECU移植到主控芯片為MPC8309(16位)的ECU時(shí)，功能正常，能夠通過所有的功能測試環(huán)節(jié)，驗(yàn)證了系統(tǒng)在不同芯片類型下的可移植性。然后，對網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)進(jìn)行測試，使之分別充當(dāng)客戶端和服務(wù)端進(jìn)行通信，同樣功能正常，從而表明系統(tǒng)運(yùn)行正常。

4 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，參考標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)文件架構(gòu)，為繼電保護(hù)裝置提供了在板卡或存儲設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享訪問的解決方案。該方案可有效節(jié)省本地存儲空間的使用，提高數(shù)據(jù)的利用率，解決了繼電保護(hù)裝置存儲空間有限以及多板卡間文件同步問題。功能性和時(shí)效性測試驗(yàn)證了本系統(tǒng)的有效性，可移植性測試驗(yàn)證了本系統(tǒng)的通用性，可為更多型號的繼電保護(hù)產(chǎn)品提供有力支撐。