智能化變電站的組播管理

1、能化變電站的組播管理胡俊羅杰康有限公司一、概述智能化變電站和數(shù)字化變電站基于同樣的標準EC61850和同樣的通信平臺以太網(wǎng).按照IEC61850標準.變電站通信體系分為三層.即站控層、間隔層和過程層。站控層網(wǎng)絡(luò)指變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)它采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報文規(guī)范（MMS八傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCPIP）以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。過程層網(wǎng)絡(luò)指間彌層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò).主要傳輸GOOSE（通用的面向?qū)x的變電站爭件）.SV（采樣值）和正EE1588時紳同步數(shù)據(jù)。我們知逍.以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)報文按目的地址不同可以分為單播報文.組播報文和廣播報文。除了MMS報文為單播以外.上述GOOSE報文和S

2、V報文以及IEEE1588同步報文等都是采用組播地址作為它們的目的地址.基于發(fā)行希訂閱（PubUcher/Subscnber）機制實現(xiàn)裝置之間數(shù)據(jù)的快速高效的傳輸。過程層網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)拇蟛糠謹?shù)據(jù)都是組播.而組播不加過濾的話.交換機會把它和廣播樣處理.因此.這就辭要我們對組播進行有效的管理和過濾.以減少網(wǎng)絡(luò)負提高網(wǎng)絡(luò)的效率.降低網(wǎng)絡(luò)上的延時等。交換機對組播進行管理和過濾的通用方法右VLAN、GXIRP.IGMPSnoopingxCGMP等。由于GOOSE報文和SV報文不屬于IP組播.只是二層的MAC組播.因此IGMPSnooping和CGMP不是特別適用。所以目前在變電站內(nèi)用于管理和過濾組播的主要

3、有M種方式.即VLAN和GMRP二、以太網(wǎng)幀與組播以太網(wǎng)的幀是數(shù)據(jù)鋰路層的封裝.網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包被加上幀頭和幀尾成為可以被數(shù)揮鋰路層識別的數(shù)據(jù)幀（成幀）。雖然幀頭和幀尾所用的字節(jié)數(shù)是固定不變的.如果不算8字節(jié)的前導(dǎo)字.依被封裝的數(shù)據(jù)包大小的不同.以太網(wǎng)幀的長度不是固定不變的.其范用為54-1522個字節(jié)（含4字節(jié)802.1Q標簽。具體幀結(jié)構(gòu)如下：802.3MAC幀結(jié)構(gòu)前同步信號起始禎定界符（SFD）營II源地II簽（可I類型/長度數(shù)據(jù)字段CRC幀何隙7個字節(jié)101010101字節(jié)(10101011)6字節(jié)6字節(jié)”4字節(jié)）|2*?N46-1500?V4字節(jié)12字節(jié)64-1522字節(jié)72-1530個

4、字節(jié)84-1542個丹緊隨8個前導(dǎo)字節(jié)的第個字段是以太網(wǎng)幀的目的地址.按接收的站點不同可分為單播地址、組播地址和廣播地址。如果單播報文.即目的地址是網(wǎng)絡(luò)上指定的個站點。目的地址就是該站點以太網(wǎng)接口48位的硬件地址或物理地址.稱為介質(zhì)訪問控制（MAC）地址。它包括兩個部分.前面三個字節(jié)是由IEEE提供的“組織唯標識符OUT每個生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)接口的公可和組織都應(yīng)擁有個唯的24位標識符。后面三個字節(jié)是該生產(chǎn)廠家為毎個以太網(wǎng)接口分配的地址。如果接收以太網(wǎng)幀的站點有多個.可以把該幀發(fā)往個組播地址.在該組中的所有的站點都將接收到該以太網(wǎng)幀從目的MAC地址的第位可以區(qū)別物理地址和組播地址（見圖1）o如果第位是0.

5、則地址是某個接口的物理地址.也就是單播地址.因為發(fā)給這個地址的數(shù)據(jù)幀只會到達個目的地。如果目的地址的第位是1.則幀被送往個多播地址。0:unkast1：multicastet:mosrs.gnrncanr0:unkast1：multicastet:mosrs.gnrncanrffsoy1234Sk66thbyte5thbyt4thbyte3rdbyte2ndbyt1stbyt1stoctet2ndoctet3rdoctet4thoctet5thoctetfthoctet-3bvt-orAV-3bytes-Organisationallyidentifier(0UniqueJI)NetworkI

6、nterfaceControllei(NIC)Specificb8|b7|b6|b51b41b31b2jKT0：globallyunique(OUIenforced)1：locallyadministerd圖1MAC地址廣播地址是OxFFFFFFFFFFFFo如果目的地址是廣播地址，則該以太網(wǎng)幀將被傳輸?shù)秸麄€廣播域。如果交換機不劃分VLAN.則傳輸?shù)剿械亩丝冢喝绻麆澐諺LAN.則傳輸?shù)街付╒LAN的所有端口。三、采用VLAN把網(wǎng)絡(luò)劃分為多個靜態(tài)廣播域VLAN（虛擬局域網(wǎng)）將局域網(wǎng)（LAN設(shè)備從邏輯上劃分（注意.不是從物理上劃分）成個個網(wǎng)段（或齊說是更小的局域網(wǎng)）.從而實現(xiàn)虛擬工作組內(nèi)部的數(shù)據(jù)

7、通信。因為VLAN是基于邏輯而不是物理的劃分.所以它非常靈活。VLAN引入了分割廣播域的概念每個VLAN都是個自己的獨立的廣播域。交換機對于組播報文如果不加動態(tài)過濾的話會以廣播的方式發(fā)送.因此組播也會和廣播報文樣限制在VLAN內(nèi)部傳綸。支持VLAN的數(shù)據(jù)幀中在源地址后面帶有個IEEE802.1Q標簽.該標簽是可選字段.共4個字節(jié).具體格式如下。IEEE802.1Q標簽標簽協(xié)議標識符TagProtocolIdentifier(TPID)標簽控制信息TagControlInformation(TCI)0 x8100用戶優(yōu)先級規(guī)范格式標識符CFIVLANID16位3位1位12位前2個字節(jié)是標簽協(xié)議標

8、識符(TPID).后兩個字節(jié)中右3位表示該以太網(wǎng)幀的優(yōu)先級12位表示該以太網(wǎng)幀所在的VLAN。優(yōu)先級共8種.以07表示。有效的VLAN標簽是1-4094：帶有優(yōu)先級.而VLANID是0的報文稱為優(yōu)先級報文。由于使用了VLANTAG.連在個網(wǎng)絡(luò)上各交換機上設(shè)置的相同的VLAN之間才可以互通.而L在個VLAN主干上允許多個VLAN的傳輸。圖2VLAN設(shè)置圖2VLAN設(shè)置劃分VLAN在智能化變電站的站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)上有著非常啦要的作用。合理劃分VLAN可以減少廣播流雖.從而節(jié)省大雖帯寬：對于GOOSE報文的傳輸.VLAN可以隔離帶有關(guān)鍵實時數(shù)據(jù)的IEDg使這些設(shè)備不需要處理無關(guān)的數(shù)揮包:c）對

9、于過程層網(wǎng)絡(luò).VLAN也可隔離產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)輸出的合并單元.從而使之只發(fā)不收.不必處理其他MU或裝置發(fā)出的報文：d）VLAN將數(shù)據(jù)流限制在需要它的工作站上從而保證網(wǎng)絡(luò)安全。VLAN并不是專門用于解決組播通信的辦法。當(dāng)然.在變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時可以將GOOSE報文組成個VLAN而毎路采樣值設(shè)置個VLAN,弼要注意的是.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上引入VLAN以后.網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)報文必須屬于某個VLAN.VLAN與VLAN之間除非采用卅由器或三層交換機才能進行通信.否則個VLAN的數(shù)據(jù)報文不能傳到另個VLAN：由于不同VLAN之間的通信必須通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)不同VLAN之間的通信流雖較大時.路由器就會成為控制網(wǎng)絡(luò)中的通信散頸。

10、四、采用GMRP動態(tài)組播過濾動態(tài)組播過濾本質(zhì)上都是通過某種方法來構(gòu)建二層的多播樹.并減少網(wǎng)絡(luò)上不必要的數(shù)據(jù)傳輸。GMRP的提出方面是源于局域網(wǎng)上多播通信快速增氏的需要.另方面也是交換式以太網(wǎng)普遍采用提111的要求（在共亨式以太網(wǎng)中不存在多播通信消耗大蛍帶寬的情況）。GMRP是純二層的協(xié)議.GMRP的操作基于GARP所提供的服務(wù)。GARP注冊協(xié)議也同時被VLAN采用來注冊各個工作站的VLAN屬性（GVRP,GARPVTANRegistrationProtocol）。GARP組播注冊協(xié)議（GMRP）主要提供種類似于IGMP探査技術(shù)的受臥組播擴散功能。GMRP允許各種智能裝置向連接到相同局域網(wǎng)段的以

11、太網(wǎng)交換機動態(tài)注冊組成員信息.并L這些信息可以被傳播到支持擴展過濾服務(wù)（ExtendedFilteringSendees）的局域網(wǎng)中的所有交換機。當(dāng)某臺裝置想加入個組播組時.它需要發(fā)送個GMRPJoinin報文。旦收到GMRPJoin-in報文.交換機就會將收到該信息的端口加入到適當(dāng)?shù)慕M播組。當(dāng)組播源發(fā)送組播報文時.交換機只將組播報文通過先前加入到該組播組的端口發(fā)送出去。此外.交換機會周期性發(fā)送GMRP査詢（Leave-all報文）.如果裝置想留在組播組中.它就會響應(yīng)GMRP査詢（發(fā)送Jom-m報文）.在該情況下.交換機沒有任何操作；如果裝置不想留在組播組中.它既可以發(fā)送個Lve報文也可以不響

12、應(yīng)周期性的GMRP查詢。旦交換機在退出紐播組計時器（LeveAllTimer）設(shè)定的時間內(nèi)收到某臺裝置的Lzw報文或沒有收到響應(yīng)報文.它便從組播組中捌除該裝置。采樣值的組播過濾如圖3所示。組播源無需支持GMRP；所以.合并單元不定弼要支持GMRP.它發(fā)出采樣值數(shù)據(jù)以后.如果交換機的全局GMRP設(shè)置未打開.交換機將儀處理廣播樣把組播數(shù)據(jù)在同個VLAN電面廣播出去：如果全局GMRP設(shè)置打開.而某個端口的GMRP功能Doable的話.網(wǎng)絡(luò)上的所有組播將從這個端口全部發(fā)送.不弼在接收裝置支持GIRP這比較適用于不支持GMRP功能的錄波器或網(wǎng)絡(luò)分析儀：如果全局GMRP設(shè)置打丿|：端I的GMRP功能Ena

13、ble的話.則只仃當(dāng)裝置發(fā)送Jom-xn報文加入該采樣值所指定的組播獨該裝置才能收到采樣值數(shù)據(jù)。個端口（或臺裝置）可以通過Jom-m報文加入多個組播紐.這可以満足象母差保護那樣的裝置對多個間備的介并單元的SV數(shù)據(jù)的辭要。GlobalGMRP=on圖3GMRP組播過濾在使用GMRP時.除了交換機必須支持GMRP以外.裝置和工作站的網(wǎng)絡(luò)接口卡也必須提供對GMRP的支持。GMRP的數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示.其各個字段的意義如下：a）GMRP應(yīng)用地址.為多播地址。b）源地址.取產(chǎn)生該GMRP數(shù)據(jù)幀的設(shè)備的單播地址。c）長度.標明整個GMRP%據(jù)幀的長度。d）LLC頭.所有GARP應(yīng)用都使用源地址和目的地址

14、為0詔2的LLC服務(wù)接入點.控制字段取值為0 x03標明為無連接服務(wù)。圖4GMRP幀協(xié)議格式c）協(xié)議ID.所右GARP應(yīng)用都使用值為0M001的協(xié)議ID.以便和其他LLC服務(wù)（如生成樹協(xié)議）相區(qū)別。GMRPW性類別.GMRP數(shù)據(jù)幀可以包仔多個GMRP信息字段.用0 x00標明GMRP信息的結(jié)束。GMRP信息具有兩種煥性類別：當(dāng)屬性類型為0 x01時表明后面是組成員加性列表.用來聲明接收特定多播數(shù)據(jù)的弼要：當(dāng)屬性類型為0 x02時是為了保證兼容不支持GARP的設(shè)務(wù)。GMRP屬性列表.屬性列表可以包含多個屬性每個展性包含三個元索：屬性長度：屬性申件.標明對屬性要采取的行為.加入或離開一個多播組.其

15、數(shù)值與含義為0Lcave_all:1-Join_EmptyOperator：2-Join_InOperator：3-LeavcEmptyOperator：4-Leave_InOperator：5-EmptyOperator,:性值.當(dāng)屬性類別取組成員斌性時為48位的N1AC多播地址。GMRP的實現(xiàn)基于GARP工作機制.用于維護交換機中的動態(tài)多播注冊信息。所有支持GMRP特性的交換機都能夠接收來自其他交換機的多播注冊信息.并動態(tài)更新本地的多播注冊信息.同時也能將本地的多播注冊信息向其他交換機傳播.以便使同交換網(wǎng)內(nèi)所有支持GMRP特性的設(shè)備的多播信息達成致。交換機在某端口監(jiān)聽到對某多播組的聲明時.它在該端口為該篡播組添加個注冊信息。當(dāng)聲明某多播組服務(wù)的所有設(shè)備都離開后.交換機將向其他交換機注銷掉對該多播組的聲明。交換