CN103856579B - 基于mac地址匹配的智能变电站网络设备拓扑动态识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于MAC地址匹配的智能变电站网络设备拓扑动态识别方法：通过解析智能变电站配置文件（SCD）获得智能电子设备（IED）的IP地址/IED的组播地址和IED名称之间的对应关系表，通过解析断面数据报文获得IED的IP地址/IED的组播地址和MAC地址之间的对应关系表；通过简单网络管理协议（SNMP）获取交换机的MAC地址转发表；以MAC地址为外键匹配上述二维表生成交换机端口‑IED名称表，完成交换机与所连接IED的拓扑识别，并图形化显示。本发明方法在常规交换机网络拓扑搜索方法的基础上，实现了网络中IED设备拓扑的动态识别，有助于提高智能变电站网络运行管理水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于MAC地址匹配的智能变电站网络设备拓扑动态识别方法，属于电力自动化技术领域。
背景技术
基于IEC61850的智能变电站采用以太网作为变电站通信网络，其自动化系统在逻辑上分为站控层、间隔层和过程层三层体系架构，其中，间隔层设备包括继电保护和测控装置等智能电子设备（IED），过程层设备包括智能终端、合并单元等与一次设备接口的IED。智能变电站站控层与间隔层之间的网络通信遵循制造报文规范（MMS），间隔层与间隔层、间隔层与过程层设备之间使用面向通用对象变电站事件(GOOSE)协议传输开关量信号，通过IEC61850-9-2协议传输采样值(SV)。MMS基于TCP/IP的点对点传输协议；GOOSE和SV属于组播报文，采用“发布/订阅”机制。智能变电站采用二层工业交换机（以下简称交换机）组网，组网模式包括“三层两网”、“三层一网”等多种方案，“两网”指站控层网络和过程层网络，“一网”指三层统一组网，具体可以根据实际情况选用。
遵循IEC61850的IED之间的通信行为可以通过系统配置描述文件（SCD）进行配置。SCD文件是一种典型的嵌套定义结构的可扩展标记语言（XML）格式的文档，其中含有IED的名称、描述、IP地址或组播地址，但不包括IED以太网端口的物理MAC地址。
简单网络管理协议（SNMP）是一种基于管理工作站/代理模式的网络设备交互方法。管理信息库（MIB）是一个标准文档，它描述了代理能够为管理工作站提供的信息内容，以及管理工作站对这些信息的操作权限。对象标识符（OID）是SNMP代理提供的具有唯一标识的键值，MIB提供数字化OID到可读文本的映射。通过SNMP操作读取交换机OID值便可获得交换机网络拓扑识别所需的信息，但是由于智能变电站中的IED没有SNMP代理功能，也就无法直接通过SNMP来获取含IED的交换机网络及设备的完整拓扑信息。
智能变电站通信网络越来越重要，关系到变电站的安全可靠运行。而现有的交换机拓扑搜索方法或工具无法动态获取整个智能变电站网络及设备的拓扑关系，尤其是难以识别交换机和所连接IED间的拓扑关系。在智能变电站的新建、改扩建及运维检修过程中，网络拓扑结构时常发生变更，有必要能够实时掌握整个变电站网络系统的拓扑状态，但是目前缺乏有效的方法和工具来动态地反映变电站网络及设备拓扑结构的状态。因此，一种能动态识别智能变电站网络设备拓扑的方法和工具将有助于提升智能变电站网络设备运行管理水平。
发明内容
为了克服现有的网络拓扑识别方法无法动态获得变电站网络及设备拓扑的不足，本发明提供了一种基于MAC地址匹配的智能变电站网络设备拓扑动态识别方法，该方法能够实时地、直观地监测全站网络及设备的拓扑和状态。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于MAC地址匹配的智能变电站网络设备拓扑动态识别方法，包括以下步骤：
1）通过配置模块完成智能变电站网络拓扑动态识别的必要配置；
2）通过智能变电站网络设备拓扑识别模块完成交换机与所连接IED的拓扑识别，具体包括如下步骤：
2-1）通过解析智能变电站系统配置描述文件获得IED的IP地址和IED名称之间的对应关系表，或者IED的组播地址和IED名称之间的对应关系表，并存储到相应的数据结构中，并将IP地址字段和组播地址字段作为对应关系表的主键；
2-2）通过报文捕获分析实时解析断面报文，生成IED的以太网端口MAC地址和IED的IP地址之间的对应关系表，或者IED的以太网端口MAC地址和IED的组播地址之间的对应关系表；
2-3）通过简单网络管理协议从标准管理信息库MIB-II中用dot1dTpFdbTable表的OID值来获取交换机的MAC地址转发表信息，也就是IED的以太网端口MAC地址和交换机端口之间的对应关系表；
2-4）以IED的IP地址为外键匹配所述步骤2-2）生成的IED的以太网端口MAC地址和IED的IP地址之间的对应关系表，和所述步骤2-1）生成的IED的IP地址和IED名称之间的对应关系表，得到IED的以太网端口MAC地址和IED名称之间的对应关系表；以IED的组播地址为外键匹配所述步骤2-2）生成的IED的以太网端口MAC地址和IED的组播地址之间的对应关系表，和所述步骤2-1）生成的IED的组播地址和IED名称之间的对应关系表，得到IED的以太网端口MAC地址和IED名称之间的对应关系表；
将两种方式生成的IED的以太网端口MAC地址和IED名称之间的对应关系表合并成一个；
然后以IED的以太网端口MAC地址为外键，匹配所述步骤2-3）生成的IED的以太网端口MAC地址和交换机端口之间的对应关系表，和IED的以太网端口MAC地址和IED名称之间的对应关系表，得到交换机端口号和IED名称之间的对应关系表，完成交换机与所连接IED的拓扑识别；
2-5）通过简单网络管理协议用LLDP-MIB中lldpRemTable的OID值来获取交换机链路层发现协议LLDP邻居表，识别交换机之间的拓扑关系，结合所述步骤2-4）实现的交换机与所接IED之间的拓扑识别，最终获得整个智能变电站网络的拓扑信息；
3）通过可视化模块将所述步骤2-5）获得的智能变电站网络拓扑关系进行图形化显示；
4）事件触发模块利用以太网交换机的Trap机制，实时监听交换机各端口状态变更事件，并依此判断是否触发智能变电站网络拓扑识别模块和可视化模块的执行，更新智能变电站网络拓扑结构图。
本发明具有的有益效果为：在智能变电站新建、改扩建和运行维护过程中，运行或检修人员可以根据本发明方法动态地获取智能变电站网络及设备的拓扑信息，可以实时地、直观地监测智能变电站网络中在线交换机的拓扑图以及各端口的状态，从而使智能变电站网络设备的维护变得简单易行，减少维护的人力及时间成本，更重要的是有助于新建变电站网络调试、拓扑检查和智能变电站网络故障的快速定位。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
图1是智能变电站网络设备拓扑动态识别方法实施流程图；
图2是交换机与所连接IED的拓扑识别流程图；
图3是基于MAC地址匹配的多表对应关系图；
图4是本发明实施例的可视化示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出的基于MAC地址匹配的智能变电站网络设备拓扑动态识别方法，首先构建4个模块，配置模块，网络设备拓扑识别模块，可视化模块和事件触发模块，在各个模块上实现其功能，其实现步骤如下：
步骤1：通过配置模块完成智能变电站网络拓扑动态识别的必要配置，配置模块的功能包括：1）导入待识别智能变电站的SCD配置文件，并通过程序处理将其简化，仅包含变电站通信配置、IED的描述、名字等必要信息；2）选择报文侦听端口（即网络接口卡）；3）SNMP参数配置，包括SNMP版本（如version1、version2c）和端口（161）等；4）自动搜索出网段内所有交换机的管理IP地址。保存以上几步配置信息，下次使用时可以直接导入已保存的配置文件，用于下一步智能变电站网络设备拓扑识别模块。
步骤2：通过智能变电站网络设备拓扑识别模块完成交换机与所连接IED的拓扑识别。该模块是实现本发明方法的核心功能模块，如图2所示，该模块是以下步骤实现其功能的：
2-1）通过自动解析智能变电站SCD配置文件获得IED的IP地址和IED名称之间的对应关系表Tbl_IP_IED，或者IED的组播地址和IED名称之间的对应关系表Tbl_MultiAddr_IED，并存储到相应的数据结构中，如表1和表2所示。对于接入站控层网络交换机的IED，解析并存储IED名称及其IP地址，例如，表1（表Tbl_IP_IED）中IP地址为172.20.50.11的IED名称为PB5011A；对于接入过程层网络交换机的IED，解析并存储IED名称及其组播地址，例如，表2（表Tbl_MultiAddr_IED）中组播地址为01-0C-CD-01-02-11的IED名称为IB5011A。表1中的IP地址字段、表2中的组播地址字段在变电站域内是唯一的，分别作为两表的主键。
表1IED名称及其IP地址的对应关系表
表2IED名称及其组播地址的对应关系表
2）通过报文捕获分析程序实时解析断面报文，获取源MAC地址（即IED的以太网端口MAC地址）和IP地址（即IED的IP地址）之间的对应关系表Tbl_MAC_IP或者源MAC地址和目的MAC地址（即IED的组播地址）间的对应关系表Tbl_MAC_MultiAddr。对于智能变电站站控层网络（MMS）交换机，通过捕获分析TCP/IP报文可以得到IED的以太网端口MAC地址和IED的IP地址之间的对应关系，如表3（标Tbl_MAC_IP）所示，源MAC地址08-00-AC-14-32-0B对应的IP地址是172.20.50.11。对于二层交换机，表3中MAC地址为以太网报文中的源MAC地址，即所连接终端设备以太网端口的MAC地址，与IED的IP地址有唯一对应的关系。
表3源MAC地址和IED的IP地址对应表
对于智能变电站过程层网络（GOOSE、SV）交换机，通过报文捕获分析GOOSE、SV报文可以得到IED的以太网端口MAC地址和IED的组播地址之间的对应关系表，如表4（Tbl_MAC_MultiAddr）所示，源MAC地址08-00-C0-A8-01-01对应的IED组播地址是01-0C-CD-01-02-11。表4中MAC地址为以太网报文中的源地址，组播地址为以太网报文中的目的地址，对于智能设备过程层应用而言，表4中MAC字段即所连接终端设备以太网端口的MAC地址，与IED过程层配置的组播地址是一对多的关系，而同一以太网端口的MAC地址所对应的一组组播地址又将唯一对应到某台IED设备。
表4源MAC地址和IED的组播地址对应表
3）利用SNMP从标准管理信息库MIB-II（RFC-1213定义）中采集交换机MAC地址转发表信息。通过SNMP的Get/GetNext操作读取“dot1dTpFdbTable”表（RFC4188定义）中的MAC地址（dot1dTpFdbAddress）和交换机端口号(dot1dTpFdbPort)对应的MIB对象OID值分别为1.3.6.1.2.1.17.4.3.1.1和1.3.6.1.2.1.17.4.3.1.2，将读取的值存储到数据结构中，从而获得交换机的MAC地址转发表Tbl_MAC_Port，也就是IED的以太网端口MAC地址和交换机端口的对应关系表。如表5所示，MAC地址08-00-AC-14-32-0B和MAC地址08-00-C0-A8-01-01在交换机注册的端口为6和8。表5中MAC字段为主键，即所连接终端设备以太网端口的MAC地址，具有唯一性约束。
表5交换机MAC地址转发表
4）以MAC地址为外键匹配上述生成的二维表找到交换机端口和IED名称的对应关系。具体匹配过程如图3所示，首先，以IED的IP地址（例如：172.20.50.11）为外键匹配表Tbl_MAC_IP和表Tbl_IP_IED得到MAC地址和IED名称之间的对应关系（如：MAC地址08-00-AC-14-32-0B对应IED名称PB5011A），以IED的组播地址（例如：01-0C-CD-01-02-11）为外键匹配表Tbl_MAC_MultiAddr和表Tbl_MultiAddr_IED得到MAC地址和IED名称之间的对应关系（如：MAC地址08-00-C0-A8-01-01对应的IED名称为IB5011A），将这两种方式生成的MAC地址和IED名称之间的对应关系表合并成一个表即表Tbl_MAC_IED；
然后，以MAC地址为外键（例如：08-00-AC-14-32-0B）匹配表Tbl_MAC_Port和表Tbl_MAC_IED得到交换机端口号和IED名称之间的对应关系表Tbl_Port_IED。如表6所示，6号端口连接的IED名称是PB5011A，8号端口对应的IED名称为IB5011A，完成交换机与端口所连接IED之间的拓扑识别。
表6交换机端口和IED名称对应表
5）通过SNMP获取交换机链路层发现协议（LLDP）邻居表识别交换机之间的拓扑关系，结合步骤4）实现的交换机与所接IED之间的拓扑识别，这样最终获得整个智能变电站网络的拓扑信息。通过SNMP的Get/GetNext操作读取“lldpRemTable”表（LLDP-MIB中定义）中的邻近交换机管理地址（lldpRemChassisId）和邻近交换机端口号(lldpRemPortId)对应的MIB对象OID值分别为1.0.8802.1.1.2.1.4.1.1.5和1.0.8802.1.1.2.1.4.1.1.7，将读取的值存储到数据结构中，从而获得本侧交换机的LLDP表信息。本侧交换机的LLDP表中存储了对侧邻近交换机的管理地址和端口号等信息，但本侧交换机的端口号信息是不可读的，需要通过读取并查询对侧邻近交换机LLDP表的方法获得本侧交换机端口号信息，结合本侧交换机LLDP表中已经获取的信息，得到本侧交换机的端口号、邻近交换机的管理地址和端口号。根据上述方法可以获得各交换机间的拓扑信息。
步骤3：通过可视化模块将步骤2得到智能变电站网络拓扑关系进行图形化显示，图4是本实施例的拓扑可视化示意图。可视化模块通过SNMP的Get/GetNext操作读取“ifTable”表（RFC1213定义）中的交换机的端口号（ifIndex）、端口描述（ifDescr）和端口运行状态（ifOperStatus）（对应的MIB对象OID值分别为1.3.6.1.2.1.2.2.1.1，1.3.6.1.2.1.2.2.1.2和1.3.6.1.2.1.2.2.1.8），将读取的值存储到数据结构中，从而获得交换机的端口状态信息。如图4中，交换机端口颜色为浅色时表示该端口的运行状态为正常连接，深色时表示该端口的运行状态为断开连接。
步骤4：事件触发模块通过交换机的Trap机制来监听交换机端口的通断状态（如端口中断或端口连接），并依此判断是否触发智能变电站网络拓扑识别模块和可视化模块的执行，更新智能变电站网络拓扑结构图。如果事件触发模块收到交换机主动上送的linkDown Trap或linkUp Trap消息，表明交换机探测到有一个通信链路失败或恢复，本实施例的程序将自动运行步骤2和步骤3，实现网络拓扑的动态更新；如果事件触发模块收未收到任何Trap消息，则保持现有的网络拓扑结构图不变。
本发明在Linux平台开发拓扑识别工具，拓扑识别工具集成了SCD解析、SNMP访问、报文捕获分析、Trap事件触发模块，满足由二层交换机和IED组成的智能变电站网络设备的拓扑动态识别；拓扑识别工具可用于智能变电站“站控层”网络、“过程层”网络以及“站控层”与“过程层”统一组网的网络架构。
以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，如使用嵌入式Linux系统实现本发明主要步骤的，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.基于MAC地址匹配的智能变电站网络设备拓扑动态识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过配置模块完成智能变电站网络拓扑动态识别的必要配置；
2)通过智能变电站网络拓扑识别模块完成交换机与所连接智能电子设备的拓扑识别，具体包括如下步骤：
2-1)通过解析智能变电站系统配置描述文件获得智能电子设备的IP地址和智能电子设备名称之间的对应关系表，以及智能电子设备的组播地址和智能电子设备名称之间的对应关系表，并存储到相应的数据结构中，并将IP地址字段和组播地址字段作为对应关系表的主键；
2-2)通过报文捕获分析程序实时解析断面报文，生成智能电子设备的以太网端口MAC地址和智能电子设备的IP地址之间的对应关系表，以及智能电子设备的以太网端口MAC地址和智能电子设备的组播地址之间的对应关系表；
2-3)通过简单网络管理协议从标准管理信息库MIB-II中用dot1dTpFdbTable表的OID值来获取交换机的MAC地址转发表信息，也就是智能电子设备的以太网端口MAC地址和交换机端口之间的对应关系表；
2-4)以智能电子设备的IP地址为外键匹配所述步骤2-2)生成的智能电子设备的以太网端口MAC地址和智能电子设备的IP地址之间的对应关系表，和所述步骤2-1)生成的智能电子设备的IP地址和智能电子设备名称之间的对应关系表，得到智能电子设备的以太网端口MAC地址和智能电子设备名称之间的对应关系表；以智能电子设备的组播地址为外键匹配所述步骤2-2)生成的智能电子设备的以太网端口MAC地址和智能电子设备的组播地址之间的对应关系表，和所述步骤2-1)生成的智能电子设备的组播地址和智能电子设备名称之间的对应关系表，得到智能电子设备的以太网端口MAC地址和智能电子设备名称之间的对应关系表；
将两种方式生成的智能电子设备的以太网端口MAC地址和智能电子设备名称之间的对应关系表合并成一个；
然后以智能电子设备的以太网端口MAC地址为外键，匹配所述步骤2-3)生成的智能电子设备的以太网端口MAC地址和交换机端口之间的对应关系表，和智能电子设备的以太网端口MAC地址和智能电子设备名称之间的对应关系表，得到交换机端口号和智能电子设备名称之间的对应关系表，完成交换机与所连接智能电子设备的拓扑识别；
2-5)通过简单网络管理协议用LLDP-MIB中lldpRemTable的OID值来获取交换机链路层发现协议LLDP邻居表，识别交换机之间的拓扑关系，结合所述步骤2-4)实现的交换机与所接智能电子设备之间的拓扑识别，最终获得整个智能变电站网络的拓扑信息；
3)通过可视化模块将所述步骤2-5)获得的智能变电站网络的拓扑信息进行图形化显示；
4)事件触发模块利用以太网交换机的Trap机制，实时监听交换机各端口状态变更事件，并依此判断是否触发智能变电站网络拓扑识别模块和可视化模块的执行，更新智能变电站网络拓扑结构图。
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