CN103634233A

CN103634233A - 变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法

Info

Publication number: CN103634233A
Application number: CN201310627878.3A
Authority: CN
Inventors: 蔡泽祥; 竹之涵; 苏忠阳; 王海柱; 张延旭; 席禹
Original assignee: Guangzhou Ptswitch Electric Power Technology Co Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: Guangzhou Ptswitch Electric Power Technology Co Ltd; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明公开了一种变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法，包括：1)接收机接收报文；2)数据解析模块、标签解析模块对报文进行解析，获得报文内容、标签、目的地址、VLAN值、报文类型等信息；3)测试生存时间TTL是否大于0，如果等于0，丢弃报文结束流程；如果大于0继续下一步骤；4)根据报文目的地址及VLAN信息查找MAC地址表，并将报文发往对应端口；5)根据报文标签标记值字段信息，识别报文类型，并将不同报文映射至基于标签的多级子队列中排队等候发送；6)报文到达队列首端时，由标签封装模块为当前报文加上新的标签，数据封装模块对当前报文进行封装，发送机将当前报文送往下一交换机，转发流程结束。本发明较好的解决了报文交换中时延抖动、传输延时等问题，提高了智能变电站信息传输实时可靠性。

Description

变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法

技术领域

本发明涉及变电站通信网络交换技术，具体涉及一种变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法。

背景技术

变电站通信网络信息流的实时可靠性是评价智能变电站通信网络性能的重要指标。SV报文、GOOSE报文作为继电保护、监控等应用系统实现的载体，其实时可靠性直接决定了电力系统保护控制决策的有效性。因此，提高信息流实时可靠性传输是变电站自动化系统安全稳定和可靠运行的保证。

如表1所示IEC61850对变电站自动化系统报文性能作了严格详细的规定，依据对时间的要求将报文划分为：快速报文、中速报文、低速报文、原始数据报文、文件传输功能报文、访问控制命令报文、时间同步报文七大类，不同类型报文的实时性和可靠性要求如表1所示。由于不同类型报文性能要求及重要程度存在差异，为合理利用网络资源及满足信息流性能要求，需针对不同信息流提供差异性服务。

表1不同报文性能要求

然而，目前变电站报文传输采用的交换技术仅对报文进行简单的优先级划分，无法根据报文性能要求对各类报文精细调配资源，交换过程中各发送端口由缓存映射为单一队列，所有转发信息均在此队列中排队等候转发。这种不同类型信息“公平竞争、尽力而为”的服务原则，难以在网络拥塞、广播风暴等恶劣工况下满足关键报文实时可靠性要求。

如图5所示为目前变电站通信网络交换技术的实现架构。其工作原理为：当数据包到达交换机端口时，首先由接收机将报文接收；然后由数据包解析模块对部分数据内容进行解析，在此过程中可获得数据MAC地址、优先级别等属性；接着，由交换机引擎根据数据属性及交换矩阵中的地址表，将数据发往特定的端口并根据其优先级别在该端口队列进行排队；最后，当数据到达队头准备发送时由数据包封装模块对数据进行封装并由发送机将数据送出，数据包离开交换机。其有以下三个特点：

1)交换机端口识别报文优先级，却无法辨识报文类型（SV、GOOSE或MMS）和业务内涵（保护或测控）；

2)由于报文分类（SV/GOOSE/MMS）粒度过粗和缺乏对报文的识别能力，只能根据优先级高低简单调度报文，无法根据实时性能要求对各类报文精细调配资源，对报文进行分层调度；

3)对流经端口的报文欠缺解析能力，无法识别、排除和控制错误报文、突发报文等扰动报文。

因此，如何提高通信网络对信息类型的辨别能力、排除扰动报文、优化关键信息的调度方式、将报文的传输延时保证在一定的允许范围内，是提高信息传输实时可靠性的核心。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种信息传递的实时可靠性更高的变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是，一种变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法，包括以下步骤：

1)接收机接收报文，报文进入交换机；

2)数据解析模块、标签解析模块对报文进行解析，获得报文内容、标签、目的地址、VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）值、报文类型等信息；

3)测试生存时间TTL是否大于0，如果等于0说明该报文转发出现错误，丢弃报文结束流程；如果TTL大于0继续下一步骤；

4)根据报文目的地址及VLAN信息查找MAC地址表，并将报文发往对应端口；

5)根据报文标签标记值字段信息，识别报文类型，并将不同报文映射至基于标签的多级子队列中排队等候发送；

6)报文到达队列首端时，由标签封装模块为当前报文加上新的标签，数据封装模块对当前报文进行封装，发送机将当前报文送往下一交换机，转发流程结束。

更具体的，所述报文的标签是在原有报文基础上加上的4字节内容，用来实现报文类型辨别。

更具体的，所述标签共包括四个字段：(1)标记值，占20位；(2)试验COS，占3位；(3)栈S，占1位；(4)生存时间TTL，占8位，用来定时丢弃报文。其中标签标记值用于区分报文类型及业务类型，如图2所示为标签标记值字段分配方案，标签标记值前2位用于区分GOOSE、SV、MMS共3种报文类型，接着3位用于辨别如表1所示共7种报文业务类型，第6至第10共5位用于区分报文源头，最后10位用于保留备用；3位COS值用于保留测试；生存时间TTL，用于规定报文在网络中传输的时间上限，TTL定义为每经过一个标记交换路由器自动减1，当TTL为0时自动丢弃报文，TTL有效防止错误报文在网络中循环转发的情况。

更具体的，在利用标签技术实现对报文辨识的基础上，本发明在标签交换过程中增加多级子队列分层调度模块，通过对不同类型报文实现分层调度，保证关键信息的实时可靠传输。多级子队列分层调度模块按照以下原则建立多级子队列映射与资源分配：

a)将交换机端口一级队列分裂成具有不等深度和发送速率的子队列；

b)根据信息流类型将报文映射至不同子队列，一个子队列存放一类或者以上的报文；

c)采用多核处理器的虚拟分配或者单核的时间片轮询等方法设置各个子队列发送单元的处理速率；

d)为每个子队列设置合适的队列深度。

更具体的，基于标签的多级子队列分层调度模型如图3所示，1层调度区分队列，2层调度区分报文类型，3层调度区分业务类型，4层调度区分报文源头。通过利用标签标记值辨识报文类型并通过多级子队列进行分层调度，保证了关键信息的优先处理。

所述变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法的原理是：首先，在GOOSE、SV报文发送端由智能电子设备（IED）根据报文类型及业务类型确定标签标记值，IED设备根据目的地址合理规定报文生存时间TTL；其次，在转发过程中每一个标记交换路由器需通过标签解析模块解析获取报文标签信息并通过数据解析模块获得报文源MAC地址及目的地址；接着，判断生存时间TTL是否大于0，当TTL数值等于或小于0时，丢弃报文并结束转发，否则根据报文目的地址查找交换矩阵，并去往对应端口多级子队列中排队；然后，由标签封装模块及数据封装模块更新标签信息并对数据包进行封装；最后，由发送机将数据包发往下一个交换路由器。本发明采用的多级子队列分层调度架构图如图4所示。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

本发明一种变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法，在已有交换技术架构及硬件技术基础上，增加标签相关模块以及多级子队列模块，解决了目前变电站通信网络交换技术中无法识别报文类型的缺陷，进而根据不同报文提供区分服务，减少因队列资源竞争而导致的时延抖动，将报文的传输延时限制在一定的范文内，提高智能变电站信息传输实时可靠性。

附图说明

图1为本发明变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法流程图。

图2为本发明采用的标签标记值字段分配方案图。

图3为本发明基于标签的多级子队列分层调度模型图。

图4为本发明采用的多级子队列分层调度架构图。

图5为目前变电站通信网络交换技术的实现架构图

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不限于实施例表述的范围。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神及保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在权利要求书保护的范围内。

实施例

本实施例，如图1所示，一种变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法，包括以下步骤：

1)接收机接收一条合闸GOOSE报文，报文进入交换机，交换机采用多级子队列分层调度架构，如图4所示；

与目前变电站通信网络交换技术构架（如图5所示）相比，本发明基于标签技术的多级子队列分层调度构架增加了标签解析模块、标签封装模块、TTL校验模块，去除了原有交换矩阵模块以及引擎模块，并用多级子队列模块替代了原有的单一队列模块；

2)数据解析模块、标签解析模块对报文进行解析，获得报文内容、标签（标签标记值字段分配方案如图2所示）、目的地址、VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）值、报文类型等信息；

本发明基于标签的多级子队列分层调度模型如图3所示，通过标签标记值辨识报文类型并通过4级子队列进行分层调度，保证了关键信息的优先处理；

本实施例工作原理：当一条合闸GOOSE报文由接收机接收到达交换机时，首先由数据解析模块、标签解析模块对GOOSE报文中标签首部内容进行解析，在此过程中根据标签标记值获得报文类型、根据TTL获得报文生存时间；其次，根据判断生存时间TTL是否大于0来决定是否丢弃报文；接着，根据标签标记值查找转发表，如果转发表中不存在相关信息，说明报文转发出现错误，需要丢弃报文并结束转发，如果存在相符的信息，则直接将报文发送到对应子队列及进行排队；最后，报文到达队列首端由标签封装模块为报文更新标签标记值、生存时间TTL等信息，此条合闸GOOSE报文由发送机发送离开交换机

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)接收机接收报文，报文进入交换机；

2)数据解析模块、标签解析模块对报文进行解析，获得报文内容、标签、目的地址、VLAN值、报文类型等信息；

3)测试生存时间TTL是否大于0，如果等于0，丢弃报文结束流程；如果TTL大于0继续下一步骤；

2.根据权利要求1所述的变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法，其特征在于：所述报文的标签是在原有报文基础上加上的4字节内容。

3.根据权利要求1所述的变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法，其特征在于：所述标签共包括四个字段：(1)标记值，占20位；(2)试验COS，占3位；(3)栈S，占1位；(4)生存时间TTL，占8位。

4.根据权利要求1所述的变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法，其特征在于：所述标签标记值前2位用于区分GOOSE、SV、MMS共3种报文类型，接着3位用于辨别依IEC61850对性能要求将报文划分的7种业务类型，第6至第10共5位用于区分报文源头，最后10位用于保留备用。

5.根据权利要求1所述的变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法，其特征在于：所述生存时间TTL，用于规定报文在网络中传输的时间上限，TTL定义为每经过一个标记交换路由器自动减1，当TTL为0时自动丢弃报文。

6.根据权利要求1所述的变电站通信网络中报文的多级子队列分层调度方法，其特征在于：所述基于标签的多级子队列分成4层，1层区分队列，2层区分报文类型，3层区分业务类型，4层区分报文源头。