网络测试仪的研制与分析

莫 骥

（广东电网有限责任公司湛江供电局，广东湛江524000）

0 引言

电力行业在向智慧电网方向发展的趋势下，越来越注重智能化和自动化建设。如今电力企业逐渐从主网自动化建设延伸到配网自动化建设，但配网自动化的快速发展也带来一个问题，即后期设备网络运维难度变大。配网自动化设备由于主要应用了以太网协议，因此日常运维需要以太网协议的测试工具，并且对运维人员的数据网知识的储备提出了更高的要求。

基于此，本项目研制了一种简易的网络测试工具，具有便携性、操作简易性和网络安全性等特点，并且兼具现场运维的基本测试功能（包括ping测试、tracert测试和telnet端口测试），能基本满足现场运维人员的日常使用需求，具有很大的推广价值。

1 技术背景与产品概念

随着社会智能化和自动化程度越来越高，尤其是5G时代的到来，各行各业都离不开网络。以电力行业为例，随着配网自动化的推进，配网通信网络日渐扩大，基层班组日常的网络运维压力越来越大。

目前，运维人员网络运维的工具有专业的测试仪器或笔记本，它们有以下几个缺点：

（1）测试设备接入电力专网的时候，有可能成为黑客和病毒的载体，破坏专业网络；

（2）价格昂贵，操作复杂，用于日常运维属于资源浪费；

（3）开机时间长，测试耗时长。

基于目前使用的运维工具的最大缺点是采用了基于OS系统的软件TCP/IP协议栈，存在网络攻击和病毒传播的风险，本项目设计了一款简易的网络测试工具，采用基于W5500芯片的硬件TCP/IP协议栈，通过硬件化的逻辑门电路来处理TCP/IP协议，因此网络攻击和病毒对它是无效的。本产品还具备便携性和价格低的特点，能满足日常的网络运维测试要求和日渐严苛的网络安全要求。

下面简要说明一下网络排障的过程，如图1所示。运维人员发现故障设备连接不了服务器，在排除硬件线路故障的情况下，使用笔记本或者专业测试仪器接入故障设备对应的交换机接口进行网络测试，一般包括DHCP获取地址、ping测试网关和服务器地址、测试访问服务器相关TCP端口是否连接正常。随后结合测试结果进行故障定位。

图1 网络排障示意图

2 硬件结构设计说明

本产品由STM32主控模块、LCD显示模块、矩阵按键模块、W5500以太网模块和电池模块组成，并能实现DHCP功能、ping测试功能和TCP端口检测功能。下面通过模型实物图（图2）和产品模块连接逻辑图（图3）来说明本产品的设计原理（两张图的对应功能模块分别用a、b、c、d、e标注，便于说明）。本产品主要是由STM32芯片作为主控模块a，通过按键模块c输入指令，并通过LCD显示模块b显示人机交互内容，装置的TCP/IP协议栈由W5500以太网模块d与主控板进行协议通信，测试连接网线也是通过W5500以太网模块与测试交换机互连，电池模块e为整个装置提供电能。电网的交换机技术规范要求都是支持POE功能，所以该工具增加了POE供电功能，将更好地解决续航问题。

图2 模型实物图

图3 产品模块连接逻辑图

3 软件功能及操作说明

该网络测试仪的软件方面主要涉及C语言编程、STM32单片机编程、TCP/IP接口模块程序编写、LCD显示屏显示程序编写、矩阵按键输入程序编写、声光警示模块程序编写、POE供电解决方案和蓄电池供电解决方案。通过对TCP/IP接口模块的开发使用，将以太网协议的数据转化为单片机的汇编语言，并进行数据处理。用户通过键盘操作和LCD屏幕显示实现人机互交。键盘是4×4的矩阵键盘，包含阿拉伯数字0～9、电源开关键、删除键、返回键、ping功能键、TCP功能键和确认键。

3.1 开机启动

首先通过按电源键启动测试工具，显示屏亮屏并显示内容，提醒用户选择网络配置模式。按“1”选择手动模式，按“0”选择自动模式。

3.2 手动模式

该模式下，用户需要通过键盘输入本地地址、掩码和网关，输入过程中可以通过“删除键”删除修改，若输入的数值小于3位，需要按“确认键”确认，输入完成后，屏幕显示最终用户配置内容。

3.3 自动模式

该模式是指将本产品接入支持DHCP功能的交换机等设备，本产品可以自动获取地址和掩码等信息。若获取失败，屏幕提示用户按“0”重新获取，或者按“1”进行手动配置。若获取成功，则在屏幕显示相关地址信息。

3.4 ping测试功能

当本地的网络配置完成之后，用户通过按“ping功能键”进行ping测试。用户通过键盘输入目的地址，然后按“确认键”确认即可测试。若ping测试成功，则屏幕显示“ping测试成功”；若ping测试不成功，则屏幕显示“ping测试失败”。如果目的测试地址不变，可以通过按功能键“确认键”重复ping测试。如需测试其他目的地址，则按“ping功能键”重复上述步骤即可。

3.5 TCP端口测试功能

当本地的网络配置完成之后，用户通过按“TCP功能键”进行TCP端口测试。用户通过键盘输入目的地址和目的TCP端口，然后按“确认键”确认即可测试；若TCP端口连接成功，则屏幕显示“TCP端口测试成功”；若TCP端口连接不成功，则屏幕显示“TCP端口测试失败”。如果目的测试地址和端口不变，可以通过按功能键“确认键”重复TCP端口测试。如需测试其他目的地址或端口，则按“TCP功能键”重复上述步骤即可。需要注意的是，使用TCP功能时，本产品只作为客户端。

4 结语

面对日渐智能化的电网，电网日常运维工作人员的压力也日渐增大。区别于传统的电网运维，当前的电网运维更加偏向于自动化装置与网络状态的运维，所以对运维班组和人员提出了更高的要求。而且在网络安全要求越来越高的趋势下，直接使用笔记本运维存在很高的网络安全风险，尤其是在运维人员网络知识缺乏的情况下，探索和研制新型的数据网络测试仪显得尤为重要。本文研究的网络测试工具兼具了便携性、易操作性、网络安全性和低成本等特点，能很好地满足当前配电运维的需求。该工具在多个单位试点运行中，显著提高了配网自动化故障排查的效率，缩短了停电检修时间，提高了电网运行可靠性。其若能得到推广应用，将会对电网配电自动化的稳定运行起到一个很好的支撑作用。