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(biāo)準(zhǔn)EC61850和同樣的通信平臺(tái)以太網(wǎng).按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn).變電站通信體系分為三層.即站控層、間隔層和過(guò)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(bào)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(guò)程層網(wǎng)絡(luò)指間彌層和過(guò)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(zhēng)件）.SV（采樣值）和正EE1588時(shí)紳同步數(shù)據(jù)。我們知逍.以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)報(bào)文按目的地址不同可以分為單播報(bào)文.組播報(bào)文和廣播報(bào)文。除了MMS報(bào)文為單播以外.上述GOOSE報(bào)文和S

2、V報(bào)文以及IEEE1588同步報(bào)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(jī)制實(shí)現(xiàn)裝置之間數(shù)據(jù)的快速高效的傳輸。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)拇蟛糠謹(jǐn)?shù)據(jù)都是組播.而組播不加過(guò)濾的話.交換機(jī)會(huì)把它和廣播樣處理.因此.這就辭要我們對(duì)組播進(jìn)行有效的管理和過(guò)濾.以減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)提高網(wǎng)絡(luò)的效率.降低網(wǎng)絡(luò)上的延時(shí)等。交換機(jī)對(duì)組播進(jìn)行管理和過(guò)濾的通用方法右VLAN、GXIRP.IGMPSnoopingxCGMP等。由于GOOSE報(bào)文和SV報(bào)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(guò)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(shí)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(zhǎng)度不是固定不變的.其范用為54-1522個(gè)字節(jié)（含4字節(jié)802.1Q標(biāo)簽。具體幀結(jié)構(gòu)如下：802.3MAC幀結(jié)構(gòu)前同步信號(hào)起始禎定界符（SFD）營(yíng)II源地II簽（可I類型/長(zhǎng)度數(shù)據(jù)字段CRC幀何隙7個(gè)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(gè)

4、字節(jié)84-1542個(gè)丹緊隨8個(gè)前導(dǎo)字節(jié)的第個(gè)字段是以太網(wǎng)幀的目的地址.按接收的站點(diǎn)不同可分為單播地址、組播地址和廣播地址。如果單播報(bào)文.即目的地址是網(wǎng)絡(luò)上指定的個(gè)站點(diǎn)。目的地址就是該站點(diǎn)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(wèn)控制（MAC）地址。它包括兩個(gè)部分.前面三個(gè)字節(jié)是由IEEE提供的“組織唯標(biāo)識(shí)符OUT每個(gè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)接口的公可和組織都應(yīng)擁有個(gè)唯的24位標(biāo)識(shí)符。后面三個(gè)字節(jié)是該生產(chǎn)廠家為毎個(gè)以太網(wǎng)接口分配的地址。如果接收以太網(wǎng)幀的站點(diǎn)有多個(gè).可以把該幀發(fā)往個(gè)組播地址.在該組中的所有的站點(diǎn)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(jiàn)圖1）o如果第位是0.

5、則地址是某個(gè)接口的物理地址.也就是單播地址.因?yàn)榘l(fā)給這個(gè)地址的數(shù)據(jù)幀只會(huì)到達(dá)個(gè)目的地。如果目的地址的第位是1.則幀被送往個(gè)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€(gè)廣播域。如果交換機(jī)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(gè)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(gè)個(gè)網(wǎng)段（或齊說(shuō)是更小的局域網(wǎng)）.從而實(shí)現(xiàn)虛擬工作組內(nèi)部的數(shù)據(jù)

7、通信。因?yàn)閂LAN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(gè)VLAN都是個(gè)自己的獨(dú)立的廣播域。交換機(jī)對(duì)于組播報(bào)文如果不加動(dòng)態(tài)過(guò)濾的話會(huì)以廣播的方式發(fā)送.因此組播也會(huì)和廣播報(bào)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(gè)IEEE802.1Q標(biāo)簽.該標(biāo)簽是可選字段.共4個(gè)字節(jié).具體格式如下。IEEE802.1Q標(biāo)簽標(biāo)簽協(xié)議標(biāo)識(shí)符TagProtocolIdentifier(TPID)標(biāo)簽控制信息TagControlInformation(TCI)0 x8100用戶優(yōu)先級(jí)規(guī)范格式標(biāo)識(shí)符CFIVLANID16位3位1位12位前2個(gè)字節(jié)是標(biāo)簽協(xié)議標(biāo)

8、識(shí)符(TPID).后兩個(gè)字節(jié)中右3位表示該以太網(wǎng)幀的優(yōu)先級(jí)12位表示該以太網(wǎng)幀所在的VLAN。優(yōu)先級(jí)共8種.以07表示。有效的VLAN標(biāo)簽是1-4094：帶有優(yōu)先級(jí).而VLANID是0的報(bào)文稱為優(yōu)先級(jí)報(bào)文。由于使用了VLANTAG.連在個(gè)網(wǎng)絡(luò)上各交換機(jī)上設(shè)置的相同的VLAN之間才可以互通.而L在個(gè)VLAN主干上允許多個(gè)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(guò)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?gòu)V播流雖.從而節(jié)省大雖帯寬：對(duì)于GOOSE報(bào)文的傳輸.VLAN可以隔離帶有關(guān)鍵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的IEDg使這些設(shè)備不需要處理無(wú)關(guān)的數(shù)揮包:c）對(duì)

9、于過(guò)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(bào)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(jì)時(shí)可以將GOOSE報(bào)文組成個(gè)VLAN而毎路采樣值設(shè)置個(gè)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(bào)文必須屬于某個(gè)VLAN.VLAN與VLAN之間除非采用卅由器或三層交換機(jī)才能進(jìn)行通信.否則個(gè)VLAN的數(shù)據(jù)報(bào)文不能傳到另個(gè)VLAN：由于不同VLAN之間的通信必須通過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)不同VLAN之間的通信流雖較大時(shí).路由器就會(huì)成為控制網(wǎng)絡(luò)中的通信散頸。

10、四、采用GMRP動(dòng)態(tài)組播過(guò)濾動(dòng)態(tài)組播過(guò)濾本質(zhì)上都是通過(guò)某種方法來(lái)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(cè)協(xié)議也同時(shí)被VLAN采用來(lái)注冊(cè)各個(gè)工作站的VLAN屬性（GVRP,GARPVTANRegistrationProtocol）。GARP組播注冊(cè)協(xié)議（GMRP）主要提供種類似于IGMP探査技術(shù)的受臥組播擴(kuò)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(jī)動(dòng)態(tài)注冊(cè)組成員信息.并L這些信息可以被傳播到支持?jǐn)U展過(guò)濾服務(wù)（ExtendedFilteringSendees）的局域網(wǎng)中的所有交換機(jī)。當(dāng)某臺(tái)裝置想加入個(gè)組播組時(shí).它需要發(fā)送個(gè)GMRPJoinin報(bào)文。旦收到GMRPJoin-in報(bào)文.交換機(jī)就會(huì)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(bào)文時(shí).交換機(jī)只將組播報(bào)文通過(guò)先前加入到該組播組的端口發(fā)送出去。此外.交換機(jī)會(huì)周期性發(fā)送GMRP査詢（Leave-all報(bào)文）.如果裝置想留在組播組中.它就會(huì)響應(yīng)GMRP査詢（發(fā)送Jom-m報(bào)文）.在該情況下.交換機(jī)沒(méi)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(gè)Lve報(bào)文也可以不響

12、應(yīng)周期性的GMRP查詢。旦交換機(jī)在退出紐播組計(jì)時(shí)器（LeveAllTimer）設(shè)定的時(shí)間內(nèi)收到某臺(tái)裝置的Lzw報(bào)文或沒(méi)有收到響應(yīng)報(bào)文.它便從組播組中捌除該裝置。采樣值的組播過(guò)濾如圖3所示。組播源無(wú)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(jī)的全局GMRP設(shè)置未打開(kāi).交換機(jī)將儀處理廣播樣把組播數(shù)據(jù)在同個(gè)VLAN電面廣播出去：如果全局GMRP設(shè)置打開(kāi).而某個(gè)端口的GMRP功能Doable的話.網(wǎng)絡(luò)上的所有組播將從這個(gè)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(bào)文加入該采樣值所指定的組播獨(dú)該裝置才能收到采樣值數(shù)據(jù)。個(gè)端口（或臺(tái)裝置）可以通過(guò)Jom-m報(bào)文加入多個(gè)組播紐.這可以満足象母差保護(hù)那樣的裝置對(duì)多個(gè)間備的介并單元的SV數(shù)據(jù)的辭要。GlobalGMRP=on圖3GMRP組播過(guò)濾在使用GMRP時(shí).除了交換機(jī)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(duì)GMRP的支持。GMRP的數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示.其各個(gè)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(zhǎng)度.標(biāo)明整個(gè)GMRP%據(jù)幀的長(zhǎng)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(diǎn).控制字段取值為0 x03標(biāo)明為無(wú)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(gè)GMRP信息字段.用0 x00標(biāo)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(shí)表明后面是組成員加性列表.用來(lái)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(shí)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(gè)屬性每個(gè)展性包含三個(gè)元索：屬性長(zhǎng)度：屬性申件.標(biāo)明對(duì)屬性要采取的行為.加入或離開(kāi)一個(gè)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(shí)為48位的N1AC多播地址。GMRP的實(shí)現(xiàn)基于GARP工作機(jī)制.用于維護(hù)交換機(jī)中的動(dòng)態(tài)多播注冊(cè)信息。所有支持GMRP特性的交換機(jī)都能夠接收來(lái)自其他交換機(jī)的多播注冊(cè)信息.并動(dòng)態(tài)更新本地的多播注冊(cè)信息.同時(shí)也能將本地的多播注冊(cè)信息向其他交換機(jī)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(dá)成致。交換機(jī)在某端口監(jiān)聽(tīng)到對(duì)某多播組的聲明時(shí).它在該端口為該篡播組添加個(gè)注冊(cè)信息。當(dāng)聲明某多播組服務(wù)的所有設(shè)備都離開(kāi)后.交換機(jī)將向其他交換機(jī)注銷掉對(duì)該多播組的聲明。交換