智能變電站報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)中報(bào)文快速處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種智能變電站報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)中報(bào)文快速處理方法，系統(tǒng)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的修改方法能迅速把報(bào)文從鏈路層推送至PF_RING報(bào)文捕獲模塊；在PF_RING模塊中引入的報(bào)文過濾方法能結(jié)合智能化變電站報(bào)文特征，快速對(duì)智能化變電站報(bào)文進(jìn)行分類，從而使報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)對(duì)不同類型報(bào)文進(jìn)行存儲(chǔ)及處理；共享內(nèi)存創(chuàng)建及配置方法能使報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)更為穩(wěn)定高效；報(bào)文分配機(jī)制有效地減少了內(nèi)存空間切換及內(nèi)容檢驗(yàn)所需開銷，提高了報(bào)文向應(yīng)用分配的效率。本發(fā)明為智能變電站的報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)提供高效的報(bào)文處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)快速捕獲并過濾報(bào)文，迅速地把過濾后的各種報(bào)文分類并及時(shí)傳遞到各應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)智能變電站監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析的高效應(yīng)用。
【專利說明】智能變電站報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)中報(bào)文快速處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及報(bào)文快速處理方法，尤其是涉及一種智能變電站報(bào)文記錄與分析系統(tǒng) 中報(bào)文快速處理方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 智能變電站報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)依賴于報(bào)文的捕獲。傳統(tǒng)的報(bào)文捕獲機(jī)制包含三 個(gè)主要部分：一是針對(duì)特定操作系統(tǒng)的包捕獲機(jī)制；二是針對(duì)用戶程序的接口；三是包過 濾機(jī)制。不同的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的包捕獲機(jī)制可能不一樣，但形式上基本相同。數(shù)據(jù)包常規(guī)的 傳輸路徑依次為：網(wǎng)卡、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)鏈路層、IP網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用程序，而報(bào)文捕 獲機(jī)制是在數(shù)據(jù)鏈路層增加一個(gè)旁路處理，對(duì)發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)包做過濾/緩沖等相關(guān) 處理，最后直接傳遞到應(yīng)用程序，報(bào)文捕獲機(jī)制并不影響操作系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 處理。對(duì)應(yīng)用程序而言，由報(bào)文捕獲機(jī)制提供統(tǒng)一的接口，使應(yīng)用程序只需簡(jiǎn)單的調(diào)用若干 函數(shù)就能獲得所需數(shù)據(jù)包。包過濾機(jī)制是對(duì)所捕獲到的數(shù)據(jù)包根據(jù)用戶的要求進(jìn)行篩選， 最終把過濾后的數(shù)據(jù)包傳遞給應(yīng)用程序，其最典型的應(yīng)用即：對(duì)不同類型的報(bào)文，先進(jìn)行過 濾分類，再分別進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。雖然傳統(tǒng)的報(bào)文捕獲機(jī)制不影響操作系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議棧處理，但由于該機(jī)制需要從鏈路層額外拷貝，并且當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用接口獲得該報(bào)文 時(shí)，需要從用戶空間切換到內(nèi)核空間，并把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間，整個(gè)過程耗時(shí) 較長(zhǎng)。智能變電站的報(bào)文記錄和分析系統(tǒng)需對(duì)站內(nèi)高負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的全景數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及 實(shí)時(shí)分析，顯然傳統(tǒng)的報(bào)文捕獲機(jī)制會(huì)不堪重負(fù)，甚至?xí)霈F(xiàn)大量丟包的問題。
[0003] 智能變電站的主要特征之一就是以交換式以太網(wǎng)和光纜組成的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)替 代以往的二次連接電纜和回路，過程層、間隔層、站控層之間都是按IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議 進(jìn)行通信。IEC61850按照變電站自動(dòng)化系統(tǒng)所要完成的監(jiān)測(cè)、保護(hù)和控制三大功能，從邏 輯上及物理上將系統(tǒng)分成三層：站控層、間隔層和過程層。站控層設(shè)備(監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng) 等）與間隔層設(shè)備之間采用IEC61850進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共用，信息共享。間隔層IED(保 護(hù)、測(cè)量裝置、計(jì)量裝置等）和過程層IED (如合并單元、智能單元等）通過發(fā)布/訂閱模式 通信，主要完成傳輸間隔層裝置需要的采樣值（SMV)和開關(guān)值（GOOSE)。
[0004] 間隔層內(nèi)IED數(shù)據(jù)收發(fā)以TCP/IP方式進(jìn)行，在應(yīng)用層選擇制造報(bào)文規(guī)范（MMS)作 為應(yīng)用層協(xié)議與變電站監(jiān)控系統(tǒng)通信，其映射一般遵循麗s + TCP/IP + IS0/IEC802. 3 模式。過程層向間隔層傳送的數(shù)據(jù)主要包括：采樣測(cè)量值（SMV報(bào)文）和分合閘操作命令 (GOOSE報(bào)文）等。這些報(bào)文都有很高的實(shí)時(shí)性要求且傳輸數(shù)據(jù)量巨大，因此SMV報(bào)文和 GOOSE報(bào)文均采用二層以太網(wǎng)多播的形式傳播。由于間隔層內(nèi)存在著大量的數(shù)字化設(shè)備，以 及這些設(shè)備需要實(shí)時(shí)地提供SMV報(bào)文，所以在間隔層內(nèi)存在著大量的SMV報(bào)文和少數(shù)G00SE 報(bào)文。例如，在大型變電站中，間隔層SMV的總流量能達(dá)到每秒幾百兆的規(guī)模，占報(bào)文總量 的95%以上，而G00SE則可能是每秒幾兆。當(dāng)然還存在著少數(shù)的MMS，PTP報(bào)文等。
[0005] 報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)中針對(duì)不同類型的報(bào)文提供了不同應(yīng)用程序。例如通過 G00SE監(jiān)控應(yīng)用程序就能掌握整個(gè)變電站中的事件及其發(fā)生時(shí)間；而SMV監(jiān)控應(yīng)用程序則 能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電壓，電流的有效值、相位等。由于報(bào)文負(fù)荷的嚴(yán)重不均，這就迫切需要一個(gè)高 效的包過濾機(jī)制，能快速地把各種報(bào)文分類，并分派到各個(gè)不同應(yīng)用。而傳統(tǒng)的過濾機(jī)制， 在應(yīng)用層對(duì)所有捕獲的報(bào)文進(jìn)行過濾，這對(duì)于GOOSE，MMS，PTP等報(bào)文監(jiān)控，是十分低效的 行為。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種智能變電站報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)中報(bào)文快速處理方 法，該方法為智能變電站報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)提供高效的報(bào)文處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)快速捕獲并 過濾報(bào)文，迅速地把過濾后的各種報(bào)文分類并及時(shí)傳遞到各應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)智能變電站監(jiān) 控及數(shù)據(jù)分析的高效應(yīng)用。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的： 一種智能變電站報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)中報(bào)文快速處理方法：包括下列步驟： A、 修改網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)：根據(jù)不同的硬件驅(qū)動(dòng)代碼，修改數(shù)據(jù)包獲取函數(shù)，將數(shù)據(jù)包推送給 PF_RING ； B、 在PF_RING模塊中管理共享內(nèi)存：為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的共享內(nèi)存管理接口，SMV、 GOOSE、MMS、PTP應(yīng)用程序通過PF_RING模塊創(chuàng)建或銷毀共享內(nèi)存； C、 在PF_RING模塊中將數(shù)據(jù)包分類：在PF_RING模塊中，將數(shù)據(jù)包快速分類 成：SMV，GOOSE, MMS，PTP報(bào)文，并將分好類的報(bào)文寫入SMV、GOOSE、MMS、PTP應(yīng)用程序?qū)?yīng) 的共享內(nèi)存； D、 實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的linux socket系統(tǒng)調(diào)用：上層應(yīng)用程序通過這些socket系統(tǒng)調(diào)用，從對(duì) 應(yīng)的共享內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，判斷是否發(fā)生了異常事件。
[0008] 本發(fā)明的系統(tǒng)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的修改方法能迅速把數(shù)據(jù)包從鏈路層推送至PF_RING報(bào) 文捕獲模塊，PF_RING是一種全新的網(wǎng)絡(luò)套接字類型，因其內(nèi)部采用環(huán)狀的共享內(nèi)存，故命 名為RING (PF是Protocol Family的簡(jiǎn)寫）；在PF_RING模塊中引入的報(bào)文過濾方法能結(jié) 合智能化變電站報(bào)文特征，快速對(duì)智能化變電站報(bào)文進(jìn)行分類，從而使報(bào)文記錄與分析系 統(tǒng)對(duì)不同類型報(bào)文進(jìn)行存儲(chǔ)及處理；共享內(nèi)存創(chuàng)建及配置方法結(jié)合智能化變電站報(bào)文的類 型創(chuàng)建不同的共享內(nèi)存并靈活的接受上層應(yīng)用的配置，使報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)更為穩(wěn)定高 效；報(bào)文分配機(jī)制通過消息通知機(jī)制，有效地減少了內(nèi)存空間切換及內(nèi)容檢驗(yàn)所需開銷，提 高了報(bào)文向應(yīng)用分配的效率。
[0009] 本發(fā)明利用內(nèi)存共享，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核與用戶空間直接共享數(shù)據(jù)，避免了內(nèi)核與用戶 空間需要來回切換，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)經(jīng)過多次拷貝才能抵達(dá)用戶空間的耗時(shí)問題。該方法同時(shí)為 上層監(jiān)控，分析程序提供了快速無損的數(shù)據(jù)過濾平臺(tái)，可以高效的將不同類型的數(shù)據(jù)分配 至相關(guān)應(yīng)用，極大地提高了對(duì)智能化變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的處理速度，實(shí)現(xiàn)了整站全景數(shù)據(jù)的 分析處理。本發(fā)明作為一個(gè)高效、無損的報(bào)文處理平臺(tái)，用于報(bào)文的高效捕獲、分類及向不 同應(yīng)用的分配，這個(gè)平臺(tái)不僅提供了高效的捕獲數(shù)據(jù)手段，同時(shí)最大程度地兼容了各種硬 件，針對(duì)不同地硬件平臺(tái)，只需修改底層相應(yīng)的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)便能將整個(gè)報(bào)文記錄與分析系統(tǒng) 移植到對(duì)應(yīng)的硬件平臺(tái)。該發(fā)明為報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)的上層監(jiān)控，分析應(yīng)用的快速開發(fā) 提供了保證，使得上層應(yīng)用的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)無需考慮底層硬件的差異，使得應(yīng)用移植更加快 速、穩(wěn)定。
[0010] 因此，本發(fā)明具有為智能變電站報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)提供高效的報(bào)文處理機(jī)制、 實(shí)現(xiàn)快速捕獲并過濾報(bào)文、迅速地把過濾后的各種報(bào)文分類并及時(shí)傳遞到各應(yīng)用程序、實(shí) 現(xiàn)智能變電站監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析的高效應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的PF_RING模塊捕獲機(jī)制示意圖； 圖2為本發(fā)明的智能變電站報(bào)文快速處理方法示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面結(jié)合實(shí)施例并對(duì)照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0013] 一種智能變電站報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)中報(bào)文快速處理方法，包括下列步驟： A、修改網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)：在PF_RING模塊中實(shí)現(xiàn)一個(gè)統(tǒng)一的接口供網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)調(diào)用。在PF_RING 的初始化函數(shù)ring_init中，通過linux的網(wǎng)絡(luò)接口 register_netdevice_notifier將該接 口以鉤子的形式注冊(cè)到網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序中，最后修改系統(tǒng)網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序，使網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)在 接收到數(shù)據(jù)包后，立即調(diào)用PF_RING注冊(cè)的鉤子將二層包推送給PF_RING ;通過以上方法， 即使更換了不同類型的網(wǎng)卡，也只需要修改網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)這一個(gè)點(diǎn)，就能將整個(gè)平臺(tái)移植過去。
[0014] B、在PF_RING模塊中管理共享內(nèi)存：SMV、G00SE、麗S、PTP應(yīng)用程序通過打開網(wǎng)卡 設(shè)備，通知PF_RING模塊將使用什么類型的報(bào)文；當(dāng)應(yīng)用程序通過_ap創(chuàng)建共享內(nèi)存時(shí)， PF_RING模塊根據(jù)該應(yīng)用程序指定的大小創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的共享內(nèi)存，并根據(jù)該應(yīng)用程序使用的 報(bào)文的類型，為該共享內(nèi)存生成一個(gè)掩碼； C、 在PF_RING模塊中將數(shù)據(jù)包分類：PF_RING模塊在接收到二級(jí)報(bào)文以后，根據(jù)二級(jí)報(bào) 文的格式，僅對(duì)二級(jí)報(bào)文頭進(jìn)行解碼。根據(jù)報(bào)文頭的以太網(wǎng)類型，快速地識(shí)別出報(bào)文的具體 類型；接著根據(jù)報(bào)文的具體類型，生成一個(gè)位掩碼；最后通過將該掩碼與PF_RING模塊中所 有的共享內(nèi)存的掩碼進(jìn)行與運(yùn)算，將報(bào)文寫入所有滿足條件的共享內(nèi)存中； D、 實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的linux socket系統(tǒng)調(diào)用：應(yīng)用程序通過poll系統(tǒng)調(diào)用，可以第一時(shí)間接 受到PF_RING模塊的通知，知道共享內(nèi)存中有數(shù)據(jù)可讀；接著通過read系統(tǒng)調(diào)用，應(yīng)用程序 就能從共享內(nèi)存中將數(shù)據(jù)取出，對(duì)報(bào)文進(jìn)行具體的分析。例如，SMV可以對(duì)采樣值的電壓、 電流進(jìn)行分析，判斷是否有過壓、過流發(fā)生。
【權(quán)利要求】
1. 一種智能變電站報(bào)文記錄與分析系統(tǒng)中報(bào)文快速處理方法，包括下列步驟： A、 修改網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)：根據(jù)不同的硬件驅(qū)動(dòng)代碼，修改數(shù)據(jù)包獲取函數(shù)，將數(shù)據(jù)包推送給 PF_RING ； B、 在PF_RING模塊中管理共享內(nèi)存：為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的共享內(nèi)存管理接口，SMV、 GOOSE、MMS、PTP應(yīng)用程序通過PF_RING模塊創(chuàng)建或銷毀共享內(nèi)存； C、 在PF_RING模塊中將數(shù)據(jù)包分類：在PF_RING模塊中，將數(shù)據(jù)包快速分類 成：SMV，GOOSE, MMS，PTP報(bào)文，并將分好類的報(bào)文寫入SMV、GOOSE、MMS、PTP應(yīng)用程序?qū)?yīng) 的共享內(nèi)存； D、 實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的linux socket系統(tǒng)調(diào)用：上層應(yīng)用程序通過這些socket系統(tǒng)調(diào)用，從對(duì) 應(yīng)的共享內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，判斷是否發(fā)生了異常事件。
【文檔編號(hào)】H04L12/26GK104092581SQ201410302405
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】鄧清, 華飛君, 汪建敏, 鄧哲林, 賴志剛, 帥玲玲, 朱寧, 肖齊, 毛鵬, 李惠民, 王樂挺 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)江西省電力公司檢修分公司, 山東網(wǎng)聰信息科技有限公司