網絡測試儀的研制與分析

莫 驥

（廣東電網有限責任公司湛江供電局，廣東湛江524000）

0 引言

電力行業在向智慧電網方向發展的趨勢下，越來越注重智能化和自動化建設。如今電力企業逐漸從主網自動化建設延伸到配網自動化建設，但配網自動化的快速發展也帶來一個問題，即后期設備網絡運維難度變大。配網自動化設備由于主要應用了以太網協議，因此日常運維需要以太網協議的測試工具，并且對運維人員的數據網知識的儲備提出了更高的要求。

基于此，本項目研制了一種簡易的網絡測試工具，具有便攜性、操作簡易性和網絡安全性等特點，并且兼具現場運維的基本測試功能（包括ping測試、tracert測試和telnet端口測試），能基本滿足現場運維人員的日常使用需求，具有很大的推廣價值。

1 技術背景與產品概念

隨著社會智能化和自動化程度越來越高，尤其是5G時代的到來，各行各業都離不開網絡。以電力行業為例，隨著配網自動化的推進，配網通信網絡日漸擴大，基層班組日常的網絡運維壓力越來越大。

目前，運維人員網絡運維的工具有專業的測試儀器或筆記本，它們有以下幾個缺點：

（1）測試設備接入電力專網的時候，有可能成為黑客和病毒的載體，破壞專業網絡；

（2）價格昂貴，操作復雜，用于日常運維屬于資源浪費；

（3）開機時間長，測試耗時長。

基于目前使用的運維工具的最大缺點是采用了基于OS系統的軟件TCP/IP協議棧，存在網絡攻擊和病毒傳播的風險，本項目設計了一款簡易的網絡測試工具，采用基于W5500芯片的硬件TCP/IP協議棧，通過硬件化的邏輯門電路來處理TCP/IP協議，因此網絡攻擊和病毒對它是無效的。本產品還具備便攜性和價格低的特點，能滿足日常的網絡運維測試要求和日漸嚴苛的網絡安全要求。

下面簡要說明一下網絡排障的過程，如圖1所示。運維人員發現故障設備連接不了服務器，在排除硬件線路故障的情況下，使用筆記本或者專業測試儀器接入故障設備對應的交換機接口進行網絡測試，一般包括DHCP獲取地址、ping測試網關和服務器地址、測試訪問服務器相關TCP端口是否連接正常。隨后結合測試結果進行故障定位。

圖1 網絡排障示意圖

2 硬件結構設計說明

本產品由STM32主控模塊、LCD顯示模塊、矩陣按鍵模塊、W5500以太網模塊和電池模塊組成，并能實現DHCP功能、ping測試功能和TCP端口檢測功能。下面通過模型實物圖（圖2）和產品模塊連接邏輯圖（圖3）來說明本產品的設計原理（兩張圖的對應功能模塊分別用a、b、c、d、e標注，便于說明）。本產品主要是由STM32芯片作為主控模塊a，通過按鍵模塊c輸入指令，并通過LCD顯示模塊b顯示人機交互內容，裝置的TCP/IP協議棧由W5500以太網模塊d與主控板進行協議通信，測試連接網線也是通過W5500以太網模塊與測試交換機互連，電池模塊e為整個裝置提供電能。電網的交換機技術規范要求都是支持POE功能，所以該工具增加了POE供電功能，將更好地解決續航問題。

圖2 模型實物圖

圖3 產品模塊連接邏輯圖

3 軟件功能及操作說明

該網絡測試儀的軟件方面主要涉及C語言編程、STM32單片機編程、TCP/IP接口模塊程序編寫、LCD顯示屏顯示程序編寫、矩陣按鍵輸入程序編寫、聲光警示模塊程序編寫、POE供電解決方案和蓄電池供電解決方案。通過對TCP/IP接口模塊的開發使用，將以太網協議的數據轉化為單片機的匯編語言，并進行數據處理。用戶通過鍵盤操作和LCD屏幕顯示實現人機互交。鍵盤是4×4的矩陣鍵盤，包含阿拉伯數字0～9、電源開關鍵、刪除鍵、返回鍵、ping功能鍵、TCP功能鍵和確認鍵。

3.1 開機啟動

首先通過按電源鍵啟動測試工具，顯示屏亮屏并顯示內容，提醒用戶選擇網絡配置模式。按“1”選擇手動模式，按“0”選擇自動模式。

3.2 手動模式

該模式下，用戶需要通過鍵盤輸入本地地址、掩碼和網關，輸入過程中可以通過“刪除鍵”刪除修改，若輸入的數值小于3位，需要按“確認鍵”確認，輸入完成后，屏幕顯示最終用戶配置內容。

3.3 自動模式

該模式是指將本產品接入支持DHCP功能的交換機等設備，本產品可以自動獲取地址和掩碼等信息。若獲取失敗，屏幕提示用戶按“0”重新獲取，或者按“1”進行手動配置。若獲取成功，則在屏幕顯示相關地址信息。

3.4 ping測試功能

當本地的網絡配置完成之后，用戶通過按“ping功能鍵”進行ping測試。用戶通過鍵盤輸入目的地址，然后按“確認鍵”確認即可測試。若ping測試成功，則屏幕顯示“ping測試成功”；若ping測試不成功，則屏幕顯示“ping測試失敗”。如果目的測試地址不變，可以通過按功能鍵“確認鍵”重復ping測試。如需測試其他目的地址，則按“ping功能鍵”重復上述步驟即可。

3.5 TCP端口測試功能

當本地的網絡配置完成之后，用戶通過按“TCP功能鍵”進行TCP端口測試。用戶通過鍵盤輸入目的地址和目的TCP端口，然后按“確認鍵”確認即可測試；若TCP端口連接成功，則屏幕顯示“TCP端口測試成功”；若TCP端口連接不成功，則屏幕顯示“TCP端口測試失敗”。如果目的測試地址和端口不變，可以通過按功能鍵“確認鍵”重復TCP端口測試。如需測試其他目的地址或端口，則按“TCP功能鍵”重復上述步驟即可。需要注意的是，使用TCP功能時，本產品只作為客戶端。

4 結語

面對日漸智能化的電網，電網日常運維工作人員的壓力也日漸增大。區別于傳統的電網運維，當前的電網運維更加偏向于自動化裝置與網絡狀態的運維，所以對運維班組和人員提出了更高的要求。而且在網絡安全要求越來越高的趨勢下，直接使用筆記本運維存在很高的網絡安全風險，尤其是在運維人員網絡知識缺乏的情況下，探索和研制新型的數據網絡測試儀顯得尤為重要。本文研究的網絡測試工具兼具了便攜性、易操作性、網絡安全性和低成本等特點，能很好地滿足當前配電運維的需求。該工具在多個單位試點運行中，顯著提高了配網自動化故障排查的效率，縮短了停電檢修時間，提高了電網運行可靠性。其若能得到推廣應用，將會對電網配電自動化的穩定運行起到一個很好的支撐作用。