基于104规约的远动网络通信可靠性原理探讨

高雪飞

（中国南方电网超高压输电公司，广东 广州 510405）

基于104规约的远动网络通信可靠性原理探讨

高雪飞

（中国南方电网超高压输电公司，广东 广州 510405）

104规约是应用于网络方式的远动通信协议，但网络层提供的是尽最大努力交付的数据报服务，这种交付是不可靠的。文章分析探讨了为克服网络通信的“不可靠性”，104规约应用层采取的保证报文正确收发的控制机制及网络通信链路采用的冗余切换机制，说明了104规约实现远动通信可靠性的原理。

104规约；可靠性；冗余

基于IEC 104规约的远动网络传输方式已在电力调度自动化系统得到广泛应用，相比较传统的串口通信模式，远动信息的网络传输具有效率高、扩展方便、节省资源（端口、通道、中间设备）等优点，能够更好地适应当前调度自动化系统的要求。南方电网基于现有的电力调度数据网和MSTP传输网络，所辖重要厂站与南网总调的远动传输均实现了采用104规约的主备通道配置。随着电网的不断建设发展，电网结构日趋复杂，对远动信息传输的实时性、可靠性也提出了越来越高的要求，本文就基于104规约的远动通信可靠性原理进行分析探讨。

1 IEC 104规约体系结构介绍

如表1所示为终端系统的104规约结构。IEC 104规约采用了OSI 7层结构中的5层，第5层和第6层未使用。

表1 IEC 104终端规约结构

通过图1可以看出，IEC 104规约在进行远动数据流传输时的一般流程为：104应用进程将远动业务数据按ASDU格式组织，再加上相应的控制信息APCI构成应用协议数据单元APDU，APDU格式的远动报文通过应用进程与TCP服务之间的接口交付给下层的网络进行传输。应用协议控制信息APCI的格式如表2所示。

表2 应用协议控制信息APCI格式

由于下层的网络是“不可靠的”，其交付给应用层的远动报文数据可能有丢失、重复，应用层必须有相应的检查确认机制，为了保证携带远动数据的报文能够及时正确地被对端接收，IEC 104规约在APCI的控制域定义了保护报文不至丢失和重复传送的控制信息；当存在冗余链路时，为了保证在用链路发生故障时能够及时有效切换至备用，且保证数据的连续性和完整性，在APCI控制域定义了传输连接的监视以及报文传输启动/停止的控制信息。APDU报文可分为I格式、S格式、U格式3种，对应3种类型的APCI，分别包含了上述的控制信息。

下面将从从报文收发的确认机制和冗余链路的切换机制两方面来讨论IEC 104规约保证传输可靠性的机理。

2 报文收发的确认机制

IEC 104规约采用基于TCP/IP协议的网络方式传输报文，相比串口模式下可靠的点对点通信，网络方式采取基于分组交换的虚电路连接，应用层报文在网络上独立选择路由到达目的主机，当网路负载发生变化或中间网络设备失效时，到达目的主机的数据包可能发生延迟、丢失和重复。应用协议数据单元（Application Protocol Data Unit，APDU）的I格式、S格式、U格式3种报文格式中，仅I格式报文包含应用服务数据单元（Application Service Data Unit，ASDU）数据。为保护携带应用服务数据单元（Application Service Data Unit，ASDU）的I格式报文不至于丢失和重复传送，如表3—4所示，104规约在I格式报文的控制域中定义了发送序列号N（S）和接收序列号N（R），为解决发送方进行单方向较长的数据发送，在S格式报文控制域中定义了接收序列号N（R），以使接收方对已正确收到的I格式APDU进行确认。

表3 S格式报文的控制域

表4 I格式报文的控制域

104规约防止报文丢失和重传的机制如下。

新连接建立后，通信双方的N（S）和N（R）置0；发送方每发送一个APDU，其N（S）加1，并将尚未得到接收方确认的已发送APDU保存在缓存区里；接收方将最后一个正确接收的APDU的发送序列号加1作为接收序列号N（R）返回给发送方，表明小于该号的所有已发送APDU已得到对方有效确认；发送方收到返回的接收序列号N（R），方可以将缓冲区里相应的APDU删除；在发送方超时未收到确认或接收方发现APDU有丢失，均会主动断开连接，随后主动打开连接重试。但为了避免发送方重复发送报文，接收方在主动关闭连接之前会发送S格式报文进行确认。

从以上可以看出，IEC 104规约应用层通过对收发报文进行按序号确认的方式，克服了下层网络传输特性可能导致的报文丢失和重复传输的问题，保证了远动报文能够有序准确地进行发送和接收。

3 通信链路的冗余切换机制

前面介绍的报文收发的确认机制是基于单一通信链路进行讨论的。随着电力系统的建设发展，电网电压等级越来越高、电网结构越来越复杂，电网对远动信息传输的可靠性要求亦越来越高，在高电压等级的厂站一般都要求使用冗余通道来提高通信系统的可用性。随着通信技术的进步，通信网结构的不断优化，通信链路冗余配置现在可以轻松实现。按南网现有已建通信网络，厂站与总调之间的远动104通道一般采用调度数据网通道和MSTP专线通道主备方式。在配备冗余链路的情况下，通信双方将同时维持多个通信连接，当进行远动数据的收发时，仅有一个连接是有效的，调度数据网通道和专线通道平时为主备用状态，当主用的网络通道发生故障或因通道有其他工作导致通道不可用，备用通道应能正常切换至主用且不能破坏数据的完整性。

每条通信通道对应控制站与被控站之间的一个TCP逻辑连接，每个TCP连接由收发端的IP地址+端口号唯一确定。调度数据网通道和专线通道对应的两个逻辑连接构成一个冗余组，远动数据由冗余组的两个逻辑连接共享，但只有一个逻辑连接是激活并有效的，远动数据只在被激活的链路上传输。为了监测链路的状态，以便及时发现链路故障并进行链路的及时有效切换，IEC 104定义了U格式报文，其APCI控制域如表5所示。

表5 U格式报文的控制域

平时冗余组内的所有连接由U格式的TESTFR_ACT和TESTFR_CON命令来监管，连接的两端均可发起测试，一端发送测试APDU（TESTFR_ACT）并由接收端发送TESTFR_CON来确定连接状态，以便能够及时发现通信故障。激活连接的选择和连接的切换由控制站决定，通过STARTDT和STOPDT命令的激活/确认来控制。当在控制方向或监视方向APDU传输时间超过设定的时间时，此时便认为当前连接不可用，控制站在备用连接上发送一个STARTDT_ACT，被控站在相应连接上发回一个STARTDT_ CON确认，当控制站收到STARTDT_CON，备用连接便被激活。随后的命令和用户数据都将在新激活的连接上传输。至此，便完成了连接之间的切换。由于冗余组内的逻辑连接共享应用层数据，当备用连接切换为主用连接时，能够保证数据的完整性和一致性。

此后，故障的连接将被关闭，控制站将定期尝试重新打开该连接，当链路故障消除，该连接将被重新建立，通信连接再次进入主备冗余状态。

4 结语

104规约现已得到越来越广泛的应用，为保证通信数据的可靠性传输，104规约在应用层引入了应用规约控制信息APCI，通过APCI控制域定义的控制信息能够有效地保证104规约通信数据传输的可靠性，本文按两种机制对此进行了分析探讨。随着调度自动化对业务数据传输可靠性要求越来越高，理解并掌握104规约实现可靠通信的原理，对我们在日常运维检修工作中分析和处理故障，将有重要的意义。

［1］谢希仁.计算机网络［M］.5版.北京：电子工业出版社，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

高雪飞（1988—），男 ，山东烟台。