CN104408104B - 一种智能变电站网络数据通信方法 - Google Patents

一种智能变电站网络数据通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能变电站网络数据通信方法，采用一种可扩展的新型网络数据包存储格式，该数据文件由头文件域、监测网络域和数据包域三部分组成，各部分支持自定义扩展信息项,可以把配合解析数据包的第三方信息嵌入到数据文件中，在对数据文件进行电力系统数据分析时，不依赖第三方文件，一个独立的数据包文件即可完成数据解析；数据文件可以存储多个网络接口的网络抓包数据，适用于智能变电站内自动化通信网络数据存储与离线分析的需求。

Description

一种智能变电站网络数据通信方法
技术领域
本发明涉及一种智能变电站网络数据通信方法。
背景技术
随着智能变电站的快速发展，如何存储智能变电站中各智能设备间的通信数据，为变电站网络离线数据分析提供依据，成为通信数据分析的核心问题。目前广泛使用的PCAP格式文件结构简单，可扩展性不强，例如：1)对于配合解析网络数据包的第三方信息，无法嵌入到PCAP文件中，即对PCAP文件进行离线数据分析时，需要依赖第三方文件，导致实际工程应用的维护成本极高；2)PCAP格式文件只能存储单一网络接口的网络抓包数据，不支持多网络接口的抓包数据存储，对离线文件进行详细地比对分析时，程序设计复杂；3)PCAP格式文件时标精度只支持微秒级，不满足当前行业的技术要求。
针对上述问题，需要提供一种新的数据传输方式，采用可扩展的智能变电站网络数据包存储格式，满足智能变电站电力系统网络数据存储与离线分析的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能变电站网络数据通信方法，以满足智能变电站网络抓包数据存储与电力系统离线分析的需求。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种智能变电站网络数据通信方法，该方法在通信过程中传输的网络数据包中的数据文件包括分别具有可扩展项列表的文件头域、监测网络域和数据包域，所述文件头域用于数据文件开始的标识并定义数据文件的特征信息；所述监测网络域用于描述被监测网络的特征信息，所述数据包域用于作为从网络接口接收到的网络数据包的存储容器；根据网络数据包的协议定义，用于将与网络接口相关的第三方信息添加到监测网络域的可扩展项列表中，将与数据包相关的第三方信息可添加到数据包域的可扩展项列表中。
所述数据文件的物理结构为：每个文件都开始于一个文件头域，其后是若干监测网络域，多个监测网络域之间首尾相连；监测网络域后是数据包域，数据包域中的字段网络接口ID用于指定该数据包域属于哪个监测网络域。
对数据文件进行电力数据分析时，不需要第三方文件，配合数据包解析的扩展信息可从监测网络域、数据包域的可扩展项列表中取得。
所述文件头域的格式定义至少包括：域类型标识，数据长度，字节存储序标识，主版本，子版本，制造商信息，文件头域可扩展项列表。
所述监测网络域的格式定义至少包括：域类型标识，数据长度，网络类型，跨度限长，监测网络域可扩展项列表。
所述数据包域的格式定义至少包括：域类型标识，数据长度，网络接口ID，抓包时间戳，捕获数据包长度，数据包实际长度，数据包数据，数据域可扩展项列表。
所述可扩展项列表的格式定义至少包括:可扩展项标识码，可扩展项数据长度，可扩展项数据值。
本发明的智能变电站网络数据通信方法采用一种可扩展的新型网络数据包存储格式，该数据文件由头文件域、监测网络域和数据包域三部分组成，各部分支持自定义扩展信息项,可以把配合解析数据包的第三方信息嵌入到数据文件中，在对数据文件进行电力系统数据分析时，不依赖第三方文件，一个独立的数据包文件即可完成数据解析；数据文件可以存储多个网络接口的网络抓包数据，适用于智能变电站内自动化通信网络数据存储与离线分析的需求。
附图说明
图1为数据文件组织结构图；
图2为数据文件逻辑结构图；
图3为数据文件物理结构图；
图4为存储3个网络接口的抓包数据文件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
本发明提供了一种智能变电站网络数据通信方法，该方法在通信过程中传输的网络数据包中的数据文件采取一种新的存储格式，如图1所示，其文件组织结构包括分别具有可扩展项列表的文件头域、监测网络域和数据包域三部分，文件头域用于数据文件开始的标识并定义数据文件的特征信息；监测网络域用于描述被监测网络的特征信息，数据包域用于作为从网络接口接收到的网络数据包的存储容器；根据网络数据包的协议定义，用于将与网络接口相关的第三方信息添加到监测网络域的可扩展项列表中，将与数据包相关的第三方信息可添加到数据包域的可扩展项列表中。
如图2所示，文件头域、监测网络域和数据包域之间逻辑结构为树状结构，即一个文件头域下可包含多个监测网络域，每个监测网络域下又可包含多个数据包域。
如图3所示,数据文件的物理结构为：每个文件都开始于一个文件头域，其后是若干监测网络域，多个监测网络域之间首尾相连；监测网络域后是数据包域，数据包域中的字段网络接口ID用于指定该数据包域属于哪个监测网络域，如图4所示。
数据文件的存储格式包括两个方面：
(1)字节存储顺序：大端(Big-endian)和小端(Little-endian)是用来表述一组有序的字节数存放在计算机内存中时的顺序的术语。由于抓包过程保持数据产生时的原始格式，并不考虑数据的大端/小端字节存储顺序，所以需要在离线文件中定义数据的字节存储顺序。字节存储顺序标识(Byte_Order_Magic)在文件头域中进行定义。
(2)字节对齐：数据包域中的抓包数据按32位数据对齐分配，数据末尾剩余不足32位的补0处理，这样可以通过内存映射文件技术提高文件读写速度。不支持64位数据直接读取，对64位数据读取需要按两个32位数据处理，同时还需要考虑字节存储顺序标识。
下面分别对各部分进行详细说明。
1.文件头域：文件头域是数据文件开始的标识，文件头域中不包含抓包数据信息，主要是定义数据文件的相关属性，其格式定义至少包括域类型标识，数据长度，字节存储序标识，主版本，子版本，制造商信息，文件头域可扩展项列表，具体说明如下：
域类型标识(type)：4字节，type＝0xABCDCDAB表示该域是文件头域。
域长度(total_length_b)：4字节，文件头域所占字节长度。
字节存储序标识(byte_order_magic)：4字节，定义数据在文件中的字节存储顺序标识。byte_order_magic＝0xAABBCCDD，若该变量在内存中为0xAA 0xBB 0xCC 0xDD，表示大端存储(Big-endian),若该变量在内存中为0xDD 0xCC 0xBB 0xAA，表示小端存储(Little-endian)。
主版本(Major Version)：2字节，文件主版本号，默认＝1。
子版本(Minor Version)：2字节，文件子版本号，默认＝0。
制造商信息(Section Length)：24字节，UTF-8字符串，制造厂商描述信息。
文件头扩展项列表(head_ext_list):自定义文件头可扩展信息项。
域长度(total_length_e)：4字节，文件头域所占字节长度。用于标识头文件域的结束，也可用于读文件指针的反向跳转。
文件头域实例：
2.监测网络域：监测网络域主要用于描述被监测网络的特征信息。为了正确关联抓包数据与之对应网络接口之间的关系，监测网络域必须在其对应的数据包域之前。监测网络域的格式定义至少包括：域类型标识，数据长度，网络类型，跨度限长，监测网络域可扩展项列表，具体说明如下：
域类型(type)：4字节，type＝0x00000001表示该域是监测网络域。
域长度(total_length_b)：4字节，监测网络域所占字节长度。
链路类型(link_type)：2字节，接口链路层类型标识码定义。
link_type＝0，无链路信息；
link_type＝1，有线网络IEEE 802.3；
link_type＝2，无线网络IEEE 802.11。
跨度限长(snap_length)：4字节，抓包数据包块的最大容量长度，当实际数据包长度大于snap_length时，超出部分不保存。
监测网络域扩展项列表(ni_ext_list)：网络接口扩展项列表定义。如表1所示，可以自定义添加与网络接口相关的扩展信息，包括：配置信息、抓包统计信息、业务配置信息等。
表1:监测网络域的扩展项列表定义
监测网络域实例：
3.数据包域：数据包域是从网络接口接收到的网络数据包的存储容器，数据包域的格式定义至少包括：域类型标识，数据长度，网络接口ID，抓包时间戳，捕获数据包长度，数据包实际长度，数据包数据，数据域可扩展项列表，具体说明如下：
域类型(type)：4字节，type＝0x00000002表示该域是数据包域。
域长度(total_length_b)：4字节，数据包域字节总长度。
接口描述块ID(interface_id)：4字节，指定数据包来自哪个网络接口。通过网络接口ID来一一对应文件中的监测网络域的信息。
时间戳(高位、低位)timestamp_high,timestamp_low：8字节。数据包的捕获时间(从1970-1-1开始)
捕获长度(Capture Len)：捕获数据包的长度，它是实际数据包长度和接口跨度限长(SnapLen)之中的最小值。
数据包长度(Packet Len)：数据包的实际长度，当数据包的实际长度>接口跨度限长(SnapLen),它与捕获长度不等。
数据包(Packet Data)：包括链路层报头的数据包，它的数据长度＝捕获长度(Capture Len)，链路层报头格式依赖于接口描述块中LinkType的定义。
数据包扩展项列表(data_ext_list)：数据包扩展项列表定义。如表2所示，可以自定义添加与数据包相关的扩展信息，包括：链路类型、链路层错误标识码、协议等。
表2:数据域的扩展项列表定义
数据包域实例：
4.可扩展项列表：可扩展项列表的格式定义至少包括:可扩展项标识码，可扩展项数据长度，可扩展项数据值，具体说明如下：
可扩展项数据定义：
扩展类型码(ext_code):2字节，扩展项的类型标识码。
数据长度(length):2字节，扩展项数据长度。
可扩展数据值(value):不定长，扩展项数据的值，数据长度为length值给定，按32位数据对齐分配。
可扩展项列表定义：
扩展列表定义(ext_list)：定义可扩展数据项列表。
列表结束标识(ext_end):2字节，可扩展项结束码，ext_end＝0x0000。
结束标识长度(ext_end_length):2字节，可扩展项结束长度,ext_end_length＝0x0000。
本发明基于上述数据文件的结构定义，可以方便地解决目前PCAP格式文件所存在的问题，具体说明如下：
①、第三方信息能够方便地嵌入离线文件中
可扩展的智能变电站网络数据包存储格式文件能够方便地嵌入配合解析的第三方信息，当对文件进行数据包解析时，不需要第三方文件，一个独立的数据包文件即可完成解析。嵌入第三方信息实现方法如下：
a)自定义网络接口相关第三方信息：网络接口配置信息(抓包设备名称、被监测网络描述、IP地址、MAC地址、时标精度设置、GMT时区定义)；抓包统计信息(捕获开始时间戳、捕获结束时间戳、从开始到结束捕获时的接收数据包个数、从开始到结束捕获时的丢弃数据包个数、从开始到结束捕获时的错误数据包个数)；业务配置信息(SV采样频率、SV配置信息、GOOSE配置信息)；
b)自定义数据包相关第三方信息：接点通信类型、链路层错误标识码、协议等；
c)与网络接口相关的第三方信息(a)添加到监测网络域的可选项列表中，如表1所示；
d)与数据包相关的第三方信息(b)可添加到数据包域的可选项列表中，如表2所示；
e)解析程序不需要依赖第三方文件，一个独立的数据包文件即可完成数据解析。
②、支持多网络接口的抓包数据存储
PCAP格式文件只能存储单一网络接口的数据，对离线文件进行详细地比对分析时，比对分析程序设计复杂，可扩展的智能变电站网络数据包存储格式文件可方便地存储多个网络接口抓包数据，实现方法如下：
a)文件起始是文件头域，之后可定义多个监测网络域，分别对应各自不同的网络接口；
b)监测网络域之后是数据包域，存储网络抓包数据；
c)文件结构如图4所示，每个数据包域都从属于一个监测网络域，可以通过数据包域中的“监测网络域ID”的值，来方便地标识该数据包域从属于哪一个监测网络域。
3)时标精度可设定
PCAP格式文件不能设置时标精度，时间戳时标精度只支持微秒级，不能满足实际应用的需求。在国家能源局发布的《NB/T 42015-2013智能变电站网络报文记录及分析装置技术条件》中，明确指出“记录数据的分辨率≤1us”，这就要求网络数据包文件的时间戳精度要高于微秒级。
可扩展的智能变电站网络数据包存储格式文件可以对时标精度进行设置。在监测网络域的可扩展项列表中可以添加时标精度设置。实现方法如下:
a)依据网络报文分析仪技术指标说明,确定时标精度值；
b)在监测网络域扩展项列表中添加自定义时标精度项；
c)时标精度设置项定义如下：
代码 长度 描述
5 1字节 时标精度
时标精度：最高位＝0，时标精度＝10-n秒；最高位＝1，时标精度＝2-n秒；n为后7位的值。若不做此项设置，时标精度默认为10-6秒(微秒)。由上述定义可知，当最高位＝0时，最大时标精度＝10-127秒；当最高位＝1时，最大时标精度＝2-127秒。在网络报文分析仪的设计实现中，可以按装置实际技术指标说明进行时标精度设置。
以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能变电站网络数据通信方法，其特征在于：该方法在通信过程中传输的网络数据包中的数据文件包括分别具有可扩展项列表的文件头域、监测网络域和数据包域，所述文件头域用于数据文件开始的标识并定义数据文件的特征信息；所述监测网络域用于描述被监测网络的特征信息，所述数据包域用于作为从网络接口接收到的网络数据包的存储容器；根据网络数据包的协议定义，用于将与网络接口相关的第三方信息添加到监测网络域的可扩展项列表中，将与数据包相关的第三方信息可添加到数据包域的可扩展项列表中。
2.根据权利要求1所述的智能变电站网络数据通信方法，其特征在于：所述数据文件的物理结构为：每个文件都开始于一个文件头域，其后是若干监测网络域，多个监测网络域之间首尾相连；监测网络域后是数据包域，数据包域中的字段网络接口ID用于指定该数据包域属于哪个监测网络域。
3.根据权利要求1或2所述的智能变电站网络数据通信方法，其特征在于：对数据文件进行电力数据分析时，不需要第三方文件，配合数据包解析的扩展信息可从监测网络域、数据包域的可扩展项列表中取得。
4.根据权利要求1所述的智能变电站网络数据通信方法，其特征在于：所述文件头域的格式定义至少包括：域类型标识，数据长度，字节存储序标识，主版本，子版本，制造商信息，文件头域可扩展项列表。
5.根据权利要求1所述的智能变电站网络数据通信方法，其特征在于：所述监测网络域的格式定义至少包括：域类型标识，数据长度，网络类型，跨度限长，监测网络域可扩展项列表。
6.根据权利要求1所述的智能变电站网络数据通信方法，其特征在于：所述数据包域的格式定义至少包括：域类型标识，数据长度，网络接口ID，抓包时间戳，捕获数据包长度，数据包实际长度，数据包数据，数据域可扩展项列表。
7.根据权利要求1所述的智能变电站网络数据通信方法，其特征在于：所述可扩展项列表的格式定义至少包括:可扩展项标识码，可扩展项数据长度，可扩展项数据值。
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