CN103107931A - 基于iec104规约的非阻塞式通信方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于IEC104规约的非阻塞式通信方法及系统。其中，方法包括以下步骤：在主站和子站通过Netty架包创建非阻塞的通讯框架，其中，通讯框架提供ChannelConnected方法和MessageReceived方法；根据ChannelConnected方法监听主站和子站的数据传输端口；当数据传输端口创建连接时根据MessageReceived方法对数据传输请求进行解析；以及根据解析信息发送所请求的数据。根据本发明实施例的方法，通过采用线程池和线程管理器以及框架所提供的框架对相应的数据进行调度、解析实现非阻塞通讯，用较少线程同时处理多个客户端连接，大幅节省了内存资源，提高了效率，具有更高的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及数据通讯领域，特别涉及一种基于IEC104规约的非阻塞式通信方法及系统。
背景技术
随着近年来电力系统总容量的不断增加、网络结构的不断扩大，电网的动态稳定性要求更加突出，而智能电网技术的发展，要求电力系统能够实时掌握运行状态，及时发现和隐患和故障，这对电力系统实时动态信息的测量提出了要求。同时，在智能电网的建设中，需要大量接入分布式能源并形成微网在分布式能源和微网大量接入的情况下，配电网量测节点数量将大量增加，这将会造成通信网络中存在大量实时数据。
现有104规约普遍采用阻塞式通信实现，并且采取轮询的应答式通信方式，当进行一次总召唤时，各个子站依次上传数据，主站需要依次接收并解析数据。在阻塞式通信下，主站需要对每一个线程进行定期的查询，当没有数据上传时，将线程挂起，转而查询其他线程。
现有技术存在的缺点如下：
（1）由于采用总召唤后再按顺序对数据进行传输，因此阻塞式的通信方式效率较低。
（2）当子站数量较多，数据量较大的情况下，大量的线程会占用很多内存空间。
（3）线程的创建、销毁以及切换会占用大量的CPU资源导致程序效率较低，并造成数据的丢失或者是延迟。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
为达到上述目的，本发明一方面的实施例提出一种基于IEC104规约的非阻塞式通信方法，包括以下步骤：S1：在主站和子站通过Netty架包创建非阻塞的通讯框架，其中，所述通讯框架提供ChannelConnected方法接口和MessageReceived方法接口；S2：通过具体实现ChannelConnected方法，并利用其监听所述主站和子站的数据传输端口；S3：通过具体实现MessageReceived方法，当所述数据传输端口创建连接时根据所实现的方法对数据传输请求进行解析；以及S4：根据所述解析信息发送所请求的数据。
根据本发明实施例的方法，通过采用线程池和线程管理器以及框架所提供的框架对相应的数据进行调度、解析实现非阻塞通讯，用较少线程同时处理多个客户端连接，大幅节省了内存资源，提高了效率，具有更高的可靠性。
本发明的一个实施例中，所述方法还包括：S5：当数据传输状态发生异常时主站和子站重新建立连接进行数据传输。
本发明的一个实施例中，所述步骤S1进一步包括：S11：在主站和子站创建服务端；S12：在所述主站和子站的服务端创建连接通道池；S13：在所述连接通道池中创建线程管理器和线程池，其中，所述线程管理器对所述线程池进行管理；以及S14：在所述线程池创建处理器，其中，所述处理器提供MessageReceived方法接口和ChannelConnected方法接口，并对所述ChannelConnected方法接口进行实现。。
本发明的一个实施例中，所述步骤S3具体包括：S31：MessageReceived方法监测到接收到的子站数据后，对其方法进行解析确定所述数据帧的格式，其中，所述格式包括U帧、S帧和I帧；S32：当所述数据帧为I帧时判断数据类型，并所述根据数据的类型确定每个数据单元中的点位及数据；S33：当所述数据帧为S帧时直接进入发送环节；以及S34：当所述数据帧为U帧时改变发送状态，并进入发送环节。
本发明的一个实施例中，所述步骤S5进一步包括：S51：在数据传输过程中记录接收到数据帧后所经过的时间；S52：当所述时间超过预设时间是将发送状态修改为发送检测帧；以及S53：当所述检测帧的状态异常时主站和子站重新建立连接进行数据传输。
为达到上述目的，本发明的实施例另一方面提出一种基于IEC104规约的非阻塞式通信系统，包括：框架模块，用于在主站和子站通过Netty架包创建非阻塞的通讯框架，其中，所述通讯框架提供ChannelConnected方法接口和MessageReceived方法接口；监听模块，用于通过具体实现ChannelConnected方法，并利用其监听所述主站和子站的数据传输端口；解析模块，用于通过具体实现MessageReceived方法，当所述数据传输端口创建连接时根据所实现的方法对数据传输请求进行解析；以及发送模块，用于根据所述解析信息发送所请求的数据。
根据本发明实施例的系统，通过采用线程池和线程管理器以及框架所提供的框架对相应的数据进行调度、解析实现非阻塞通讯，用较少线程同时处理多个客户端连接，大幅节省了内存资源，提高了效率，具有更高的可靠性。
本发明的一个实施例中，所述系统还包括：重发模块，用于当数据传输状态发生异常时主站和子站重新建立连接进行数据传输。
本发明的一个实施例中，所述框架模块具体包括：第一创建单元，用于在主站和子站创建服务端；第二创建单元，用于在所述主站和子站的服务端创建连接通道池；第三创建单元，用于在所述连接通道池中创建线程管理器和线程池，其中，所述线程管理器对所述线程池进行管理；以及第四创建单元，用于在所述线程池创建处理器，其中，所述处理器提供MessageReceived方法接口和ChannelConnected方法接口，并对所述ChannelConnected方法接口进行实现。
本发明的一个实施例中，所述解析模块具体包括：第一确定单元，用于MessageReceived方法监测到接收到的子站数据后，对其方法进行解析确定所述数据帧的格式，其中，所述格式包括U帧、S帧和I帧；第二确定单元，用于当所述数据帧为I帧时判断数据类型，并所述根据数据的类型确定每个数据单元中的点位及数据；第一处理单元，用于当所述数据帧为S帧时直接进入发送环节；以及第二处理单元，用于当所述数据帧为U帧时改变发送状态，并进入发送环节。
本发明的一个实施例中，所述重发模块具体包括：记录单元，用于在数据传输过程中记录接收到数据帧后所经过的时间；修改单元，用于当所述时间超过预设时间是将发送状态修改为发送检测帧；以及传输单元，用于当所述检测帧的状态异常时主站和子站重新建立连接进行数据传输。
本发明的一个实施例中，所述发送模块具体包括：记录单元，用于在数据传输过程中记录接收到数据帧后所经过的时间；修改单元，用于当所述时间超过预设时间是将发送状态修改为发送检测帧；以及传输单元，用于当所述检测帧的状态异常时主站和子站重新建立连接进行数据传输。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于IEC104规约的非阻塞式通信方法的流程图；
图2为根据本发明另一个实施例的基于IEC104规约的非阻塞式通信方法的流程图；
图3为根据本发明一个实施例的框架模块的框架图；
图4为根据本发明一个实施例的解析模块的框架图；
图5为根据本发明另一个实施例的基于IEC104规约的非阻塞式通信系统的框架图；以及
图6为本发明一个实施例的单子站连接压力测试结果数据图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图1为本发明实施例的基于IEC104规约的非阻塞式通信方法的流程图。如图1所示，根据本发明实施例的基于IEC104规约的非阻塞式通信方法，包括以下步骤：
步骤S101，在主站和子站通过Netty架包创建非阻塞的通讯框架，其中，所述通讯框架提供ChannelConnected方法接口和MessageReceived方法接口。
具体地，首先在主站和子站创建服务端。利用Netty架包，使得项目能够利用Netty架构编写104规约程序。并创建通信服务端，建立服务端对象，其中，服务端对象类继承Netty提供的SimpleServer类。
然后，在主站和子站的服务端创建多个连接通道池。初始化104规约服务端。在服务端创建Netty所提供的连接通道池对象，以存储和管理与主站连接的多个通道。由Netty的功能和特性决定，若有多个子站与主站连接，则自动将其都添加到连接通道池中，进行调度和管理。
之后在多个连接通道池的每个连接通道池创建线程管理器和线程池，其中，线程管理器对线程池进行管理。
最后在线程池创建处理器，其中，处理器提供MessageReceived方法接口和ChannelConnected方法接口，并对所述ChannelConnected方法接口进行实现。在服务端程序中创建Netty所提供的通信连接对象，并在其中创建处理器对象，实现Netty所提供的SimpleChannelHandler类，使得处理器对象能够负责实现IO端口的事件。
在本发明的一个实施例中，当有多个客户连接时，并不直接为他们分配线程，而是通过线程管理器来进行管理和调度。仅当某连接接收到数据时，线程管理器才调用该连接所对应的方法。每个连接对应于线程池中的一个对象，由线程管理器进行管理，而不需要编程实现线程的切换和查询。
步骤S102，通过具体实现ChannelConnected方法，并利用其监听所述主站和子站的数据传输端口。
具体地，利用Netty的Handler中所提供的ChannelConnected方法，监测端口是否进行了TCP连接，当端口TCP/IP连接建立时，执行ChannelConnected方法的内容。在ChannelConnected方法中，首先判断此时的发送状态，向所连接的IP发送U-start帧握手信号。
在本发明的一个实施例中，在处理器中初始化104规约所需内容，包括数据帧定义、类型标识定义、传输原因定义，以及配置文件的读取和遥信和遥测数据点位的定义，程序初始发送状态，以及各个发送状态的定义。定义典型数据帧的构造方法，包括U-start帧，U-test帧，U-stop帧，总召唤帧，遥信帧，遥测帧，遥控帧，遥调帧，S确认帧等。
步骤S103，通过具体实现MessageReceived方法，当所述数据传输端口创建连接时根据所实现的方法对数据传输请求进行解析。
具体地，首先利用MessageReceived方法获取接收到的数据帧，并放入字节缓冲区，判断帧头是否为104规约规定帧头68H，如果是，则继续解析，否则所收到数据为错误数据，应该舍弃。并通过判断数据第四帧和第六帧，即104规约中规定的控制域的八位位组来确定数据帧格式，确定是U帧、I帧或S帧。
在本发明的一个实施例中，当数据帧为I帧时判断数据类型，并根据数据的类型确定每个数据单元中的点位及数据。若数据为I帧，则其包含了数据信息，需要进一步解析，首先判断其类型标识，包括总召唤确认、遥信数据、遥测数据或者是遥控预置确认等。然后按照不同的类型标识，确定其每个数据单元的长度和格式，从而解析出每个数据单元中所包含的点位及数据。例如，遥信中的点位用于与配置文件对比，确定开关的位置和编号，遥信中数据0或1，则用于确定开关的状态。
在本发明的一个实施例中，当数据帧为S帧时直接进入发送环节。
在本发明的一个实施例中，当数据帧为U帧时改变发送状态，并进入发送环节。
步骤S104，根据解析信息发送所请求的数据。
具体地，判断发送状态，并发送相应数据。发送后进入等待数据环节，重复利用MessageReceived方法，当数据接收之后，在MessageReceived方法中对数据进行解析，存储上传的数据，并根据解析结果，修改发送状态。再进入判断发送状态环节，并发送相应的数据。
在本发明的一个实施例中，发送采用选择语句Switch/Case，对于不同的发送状态，调用不同的典型数据帧构造方法，来获得所需发送的数据，并通过Netty提供的Channel发送方法进行发送。
根据本发明实施例的方法，通过采用线程池和线程管理器以及框架所提供的框架对相应的数据进行调度、解析实现非阻塞通讯，用较少线程同时处理多个客户端连接，大幅节省了内存资源，提高了效率，具有更高的可靠性。
图2为根据本发明另一个实施例的基于IEC104规约的非阻塞式通信方法的流程图。如图2所示，根据本发明实施例的基于IEC104规约的非阻塞式通信方法，包括以下步骤：
步骤S201，在主站和子站通过Netty架包创建非阻塞的通讯框架，其中，所述通讯框架提供ChannelConnected方法接口和MessageReceived方法接口。
步骤S202，通过具体实现ChannelConnected方法，并利用其监听所述主站和子站的数据传输端口。
步骤S203，通过具体实现MessageReceived方法，当所述数据传输端口创建连接时根据所实现的方法对数据传输请求进行解析。
步骤S204，根据解析信息发送所请求的数据。
步骤S205，当数据传输状态发生异常时主站和子站重新建立连接进行数据传输。
具体地，在MessageReceived方法结束后，添加计时环节，记录接收到数据帧后，所经历的时间，如果超过104规约所规定的时间，则跳出，进入发送U-test测试帧的环节。如果测试异常表明连接断开，则进入断线重新连接，使服务端与子站进行连接。
在本发明的一个实施例中，在总召唤结束后，经历了足够时间，例如10分钟后，修改当前发送状态为总召唤，并进入发送环节。
根据本发明实施例的方法，通过对数据发送后等待时间的记录在较短的时间内重新建立连接进行数据传输，进一步提高了效率。
图3为本发明一个实施例的基于IEC104规约的非阻塞式通信系统的框架图。如图3所示，根据本发明实施例的基于IEC104规约的非阻塞式通信系统包括框架模块100、监听模块200、解析模块300和发送模块400。
具体地，框架模块100用于在主站和子站通过Netty架包创建非阻塞的通讯框架，其中，所述通讯框架提供ChannelConnected方法接口和MessageReceived方法接口。
图3为根据本发明一个实施例的框架模块的框架图。如图3所示，框架模块100包括：第一创建单元110、第二创建单元120、第三创建单元130和第四创建单元140。
第一创建单元110用于在主站和子站创建服务端。利用Netty架包，使得项目能够利用Netty架构编写104规约程序。并创建通信服务端，建立服务端对象，其中，服务端对象类继承Netty提供的SimpleServer类。
第二创建单元120用于在主站和子站的服务端创建连接通道池。在服务端创建Netty所提供的连接通道池对象，以存储和管理与主站连接的多个通道。由Netty的功能和特性决定，若有多个子站与主站连接，则自动将其都添加到连接通道池中，进行调度和管理。
第三创建单元130用于在连接通道池中创建线程管理器和线程池，其中，线程管理器对线程池进行管理。
第四创建单元140用于在所述线程池创建处理器，其中，所述处理器提供MessageReceived方法接口和ChannelConnected方法接口，并对所述ChannelConnected方法接口进行实现。在服务端程序中创建Netty所提供的通信连接对象，并在其中创建处理器对象，实现Netty所提供的SimpleChannelHandler类，使得处理器对象能够负责实现IO端口的事件。
在本发明的一个实施例中，当有多个客户连接时，并不直接为他们分配线程，而是通过线程管理器来进行管理和调度。仅当某连接接收到数据时，线程管理器才调用该连接所对应的方法。每个连接对应于线程池中的一个对象，由线程管理器进行管理，而不需要编程实现线程的切换和查询。
监听模块200用于通过具体实现ChannelConnected方法，并利用其监听所述主站和子站的数据传输端口。
在本发明的一个实施例中，在处理器中初始化104规约所需内容，包括数据帧定义、类型标识定义、传输原因定义，以及配置文件的读取和遥信和遥测数据点位的定义，程序初始发送状态，以及各个发送状态的定义。定义典型数据帧的构造方法，包括U-start帧，U-test帧，U-stop帧，总召唤帧，遥信帧，遥测帧，遥控帧，遥调帧，S确认帧等。
解析模块300用于通过具体实现MessageReceived方法，当所述数据传输端口创建连接时根据所实现的方法对数据传输请求进行解析。
图4为根据本发明一个实施例的解析模块的框架图。如图4所示，解析模块300包括：第一确定单元310、第二确定单元320、第一处理单元330和第二处理单元340。
确定单元310用于接收到子站的数据后根据MessageReceived方法对其进行解析确定数据帧的格式，其中，格式包括U帧、S帧和I帧。
第一单元320用于当数据帧为I帧时判断数据类型，并根据数据的类型确定每个数据单元中的点位及数据。
第二处理单元330用于当数据帧为S帧时直接进入发送环节。
第三处理单元340用于当数据帧为U帧时改变发送状态，并进入发送环节。
发送模块400用于根据解析信息发送所请求的数据。判断发送状态，并发送相应数据。发送后进入等待数据环节，重复利用MessageReceived方法，当数据接收之后，在MessageReceived方法中对数据进行解析，存储上传的数据，并根据解析结果，修改发送状态。再进入判断发送状态环节，并发送相应的数据。
在本发明的一个实施例中，发送采用选择语句Switch/Case，对于不同的发送状态，调用不同的典型数据帧构造方法，来获得所需发送的数据，并通过Netty提供的Channel发送方法进行发送。
根据本发明实施例的系统，通过采用线程池和线程管理器以及框架所提供的框架对相应的数据进行调度、解析实现非阻塞通讯，用较少线程同时处理多个客户端连接，大幅节省了内存资源，提高了效率，具有更高的可靠性。
图5为根据本发明另一个实施例的基于IEC104规约的非阻塞式通信系统的框架图。如图5所示，根据本发明实施例的基于IEC104规约的非阻塞式通信系统还包括重发模块500用于当数据传输状态发生异常时主站和子站重新建立连接进行数据传输。
在本发明的一个实施例中，重发模块500包括：记录单元、修改单元和传输单元。
记录单元用于在数据传输过程中记录接收到数据帧后所经过的时间。
修改单元用于当时间超过预设时间是将发送状态修改为发送检测帧。
传输单元用于当检测帧的状态异常时主站和子站重新建立连接进行数据传输。
在本发明的一个实施例中，在MessageReceived方法结束后，添加计时环节，记录接收到数据帧后，所经历的时间，如果超过104规约所规定的时间，则跳出，进入发送U-test测试帧的环节。如果测试异常表明连接断开，则进入断线重新连接，使服务端与子站进行连接。在总召唤结束后，经历了足够时间，例如10分钟后，修改当前发送状态为总召唤，并进入发送环节。
根据本发明实施例的系统，通过对数据发送后等待时间的记录在较短的时间内重新建立连接进行数据传输，进一步提高了效率。
在本发明中还进行了对比测试，进一步体现本发明的优越性，对比结果具体如下。
按根据上述步骤建立连接之后，按照104规约流程进行通信，并缩短总召唤时间。其中，规定每帧之间的发送间隔，表1对通信进行压力测试的结果，表2为在子站采用Netty和JavaOIO方式进行测试的结果，以及与常规实现方法的对比结果数据为图5。
表1
表2
根据表1、表2以及图5可以看出本发明与传统方式相比在准确率和效率等方面都优越与传统方式。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于IEC104规约的非阻塞式通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在主站和子站通过Netty架包创建非阻塞的通讯框架，其中，所述通讯框架提供ChannelConnected方法接口和MessageReceived方法接口等；
S2：通过具体实现ChannelConnected方法，并利用其监听所述主站和子站的数据传输端口；
S3：通过具体实现MessageReceived方法，当所述数据传输端口创建连接时根据所实现的方法对数据传输请求进行解析；以及
S4：根据所述解析信息发送所请求的数据。
2.如权利要求1所述的基于IEC104规约的非阻塞式通信方法，其特征在于，还包括：
S5：当数据传输状态发生异常时主站和子站重新建立连接进行数据传输。
3.如权利要求1所述的基于IEC104规约的非阻塞式通信方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S12：在主站和子站创建服务端；
S12：在所述主站和子站的服务端创建连接通道池；
S13：在所述连接通道池中创建线程管理器和线程池，其中，所述线程管理器对所述线程池进行管理；以及
S14：在所述线程池创建处理器，其中，所述处理器提供Mes sageReceived方法接口和ChannelConnected方法接口，并对所述ChannelConnected方法接口进行实现。
4.如权利要求1所述的基于IEC104规约的非阻塞式通信方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31：MessageReceived方法监测到接收到的子站数据后，对其方法进行解析确定所述数据帧的格式，其中，所述格式包括U帧、S帧和I帧等；
S32：当所述数据帧为I帧时判断数据类型，并所述根据数据的类型确定每个数据单元中的点位及数据；
S33：当所述数据帧为S帧时直接进入发送环节；以及
S34：当所述数据帧为U帧时改变发送状态，并进入发送环节。
5.如权利要求1所述的基于集合论评估模型的电力系统状态评估方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
S51：在数据传输过程中记录接收到数据帧后所经过的时间；
S52：当所述时间超过预设时间是将发送状态修改为发送检测帧；以及
S53：当所述检测帧的状态异常时主站和子站重新建立连接进行数据传输。
6.一种基于IEC104规约的非阻塞式通信系统，其特征在于，包括：
框架模块，用于在主站和子站通过Netty架包创建非阻塞的通讯框架，其中，所述通讯框架提供ChannelConnected方法接口和MessageReceived方法接口；
监听模块，用于通过具体实现ChannelConnected方法，并利用其监听所述主站和子站的数据传输端口等；
解析模块，用于通过具体实现MessageReceived方法，当所述数据传输端口创建连接时根据所实现的方法对数据传输请求进行解析；以及
发送模块，用于根据所述解析信息发送所请求的数据。
7.如权利要求6所述的基于IEC104规约的非阻塞式通信系统，其特征在于，所述还包括：
重发模块，用于当数据传输状态发生异常时主站和子站重新建立连接进行数据传输。
8.如权利要求5所述的基于IEC104规约的非阻塞式通信系统，其特征在于，所述框架模块具体包括：
第一创建单元，用于在主站和子站创建服务端；
第二创建单元，用于在所述主站和子站的服务端创建连接通道池；
第三创建单元，用于在所述连接通道池中创建线程管理器和线程池，其中，所述线程管理器对所述线程池进行管理；以及
第四创建单元，用于在所述线程池创建处理器，其中，所述处理器提供MessageReceived方法接口和ChannelConnected方法接口，并对所述ChannelConnected方法接口进行实现。
9.如权利要求6所述的基于IEC104规约的非阻塞式通信系统，其特征在于，所述解析模块包括：
第一确定单元，用于MessageReceived方法监测到接收到的子站数据后，对其方法进行解析确定所述数据帧的格式，其中，所述格式包括U帧、S帧和I帧等；
第二确定单元，用于当所述数据帧为I帧时判断数据类型，并所述根据数据的类型确定每个数据单元中的点位及数据；
第一处理单元，用于当所述数据帧为S帧时直接进入发送环节；以及
第二处理单元，用于当所述数据帧为U帧时改变发送状态，并进入发送环节。
10.如权利要求6所述的基于IEC104规约的非阻塞式通信系统，其特征在于，所述重发模块包括：
记录单元，用于在数据传输过程中记录接收到数据帧后所经过的时间；
修改单元，用于当所述时间超过预设时间是将发送状态修改为发送检测帧；以及
传输单元，用于当所述检测帧的状态异常时主站和子站重新建立连接进行数据传输。
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