CN104426687A - 一种适用于数字化变电站二次设备的网络风暴过滤方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于数字化变电站二次设备的网络风暴过滤方法，接入变电站网络的二次设备采用FPGA作为网络报文协处理器，FPGA计算接收到的网络报文特征值，并在当前的特征值列表中检索是否存在与当前报文特征值相同的元素，如果存在，判断当前报文是网络风暴报文，进行丢弃处理；否则将该当前报文提交至应用层处理。此种网络风暴过滤方法可实现高效率、低消耗的网络风暴过滤功能，提升二次设备在复杂网络环境下的生存能力。

Description

一种适用于数字化变电站二次设备的网络风暴过滤方法

技术领域

本发明属于工业控制及工业通信领域，特别涉及数字化变电站二次设备处理网络数据的应用。

背景技术

传统的变电站自动化系统各功能独立、堆砌，缺少合理的集成应用和协同操作，存在着数据共享能力差，利用率低的缺点。数字化变电站是当前变电站自动化系统的发展方向，尤其是变电站通信网络与系统的国际标准（IEC61850）的颁布，为数字化变电站建设提供了标准了规范，大大推动了数字化变电站应用建设的发展。

数字化变电站中，以太网成为最主要的通信介质。各种设备，尤其是与变电站安全运行休戚相关的二次设备，越来越多的通过以太网来交换数据。无论是何种变电站网络拓扑结构，采用何种物理媒质，接入网络的二次设备能否在网络发生故障的情况下（比如存在网络风暴）依然能够正常可靠的工作，是提升整个系统可靠性的必要条件。

当前的数字化变电站网络中的网络风暴，可能存在以下几种成因：1、不合理的网络环路；2、网络设备故障，3、病毒攻击。由信息论的原理可知，完全相同的两个报文，后一个报文不携带任何新信息，因此网络风暴的特征是网络中出现了大量重复的报文。这些重复报文不仅会挤占有效网络带宽，也会使接收设备处理器负载加重，严重的会导致设备无法正常工作。目前数字化变电站中对于防止网络风暴造成危害，主要有以下几种技术手段：

1、交换设备支持STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议），逻辑上断开环路，防止二层网络的广播风暴的产生。这种做法可以从源头上抑制由于网络环路引起的风暴，但无法识别网络设备发生故障时可能产生的网络风暴。

2、交换设备通过设置业务优先级，限制端口流量的方式，预防网络风暴。这种方式也存在明显的不足之处，首先如果风暴报文的类型属于高优先级的，交换设备就无法限制此类风暴报文的转发，即使风暴报文属于低优先级的，虽然不会影响到正常高优先级业务报文的转发，但接收设备也同时会接收到大量的风暴报文，消耗了处理器的资源，可能导致设备异常。

3、交换设备划分VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）。VLAN是一种将局域网设备从逻辑上划分成一个个网段，从而实现虚拟工作组的新兴数据交换技术。这种方法仅能降低网络风暴扩散的概率，并不能从根本上预防和治理网络风暴。

4、接收设备处理器通过比较报文是否相同的方式识别并过滤网络风暴。采用这种方式，可以起到一定的风暴过滤功能。但是由于网络报文的长度可能高达1500字节，存储和比较报文需要占用大量的处理器资源，而且对于正常报文与风暴报文间隔到达的情况，或者网络中存在多种网络风暴的情况，都无法处理。

综上，目前还缺乏一种合理、高效的方法，可以在网络风暴发生的情况下，二次设备能够有效识别并过滤接收数据中的风暴报文，确保设备正常工作不受影响。本发明很好地解决了这一难题。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种适用于数字化变电站二次设备的网络风暴过滤方法，其可实现高效率、低消耗的网络风暴过滤功能，提升二次设备在复杂网络环境下的生存能力。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种适用于数字化变电站二次设备的网络风暴过滤方法，接入变电站网络的二次设备采用FPGA作为网络报文协处理器，FPGA采用循环冗余校验算法计算接收到的网络报文特征值，并在当前的特征值列表中检索是否存在与当前报文特征值相同的元素，如果存在，判定当前报文是网络风暴报文，进行丢弃处理；否则将该当前报文提交至应用层处理。

上述网络报文特征值的计算过程包括如下步骤：

（1）将接收到的网络报文中待编码的k位信息表示成多项式M(x)，x=1，2，…，k，k为自然数；

（2）将M(x)左移n位，得到M(x)*xⁿ，其中，n为循环冗余校验算法的阶数；

（3）将M(x)*xⁿ除以多项式G(x)，得到的余数R(x)即为报文特征值，其中，G(x)为循环冗余校验算法n+1位的生成多项式。

上述FPGA完成特征值列表的检索后，还将当前计算得到的特征值填入特征值列表中，并将特征值列表中在时间上最先接收到的报文特征值移出列表。

上述二次设备所接入的网络包括IEEE标准化协会802标准族中的网络，其速率是10M、100M或1000M，物理介质采用同轴电缆、双绞线或光纤。

采用上述方案后，本发明采用FPGA作为网络报文的协处理器，无需对以太网报文内容进行解析，直接通过CRC算法计算报文特征值，根据实际需求灵活设置特征值算法以及特征值列表的深度，可以兼顾资源和性能。通过在数字化变电站二次设备上应用本发明的内容，可以在不依赖于网络设备的性能的前提下，显著增强设备抵抗网络风暴的能力，降低了变电站网络建设难度，提高整个系统的可靠性以及可维护性。本发明具有以下特点：

1）本发明实现的网络风暴过滤效果能够满足数字化变电站应用需求，实施起来简单方便，所需要的资源少；

2）本发明可以应用于需要实现以太网通信功能的各类数字化变电站各类二次设备，如继电保护设备，测控设备，合并单元等；

3）本发明不依赖于具体的物理层接口，兼容各种以太网标准，应用面广泛；

4）本发明所实现的功能不消耗处理器资源。

附图说明

图1是本发明应用实施例系统的构成图；

图2是本发明的一个应用实施例的状态转换图；

图3是本发明中特征值列表更新前的示意图；

图4是本发明中特征值列表更新后的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种适用于数字化变电站二次设备的网络风暴过滤方法，接入变电站网络的二次设备采用FPGA作为网络报文协处理器，FPGA通过物理层设备实现与实际电缆/光纤之间的数据收发，FPGA与物理层设备的接口可以采用MII、RMII、SMII或GMII等任意介质无关接口；FPGA与处理器之间通过异步总线、EPPI、PCI或PCIE等任意标准接口实现通信功能；所述的网络包括IEEE标准化协会802标准族中的各类网络，其速率可能是10M、100M、1000M或其他，物理介质可能是同轴电缆、双绞线、光纤或其他。

FPGA是网络数据的协处理器，不对网络报文进行解帧的操作，不关心具体的应用类型。经过FPGA过滤网络风暴后的报文，通过标准化接口传递给处理器，由处理器完成应用功能。一个FPGA可以扩展多个网络接口。

结合图2所示，本发明网络风暴过滤方法的内容是：FPGA根据预设的算法计算接收到的网络报文特征值，并在当前的特征值列表中检索是否存在与当前报文特征值相同的元素，如果存在，判断当前报文是网络风暴报文，进行丢弃处理；否则将该当前报文提交至应用层处理。

所述特征值是用于识别一个网络报文是否是网络风暴报文的唯一标识，特征值算法是否简单有效，是整个发明具有实用性的重要条件。数字化的网络报文是一个‘1’‘0’序列，理论上要确定这个报文是否是网络风暴报文（也即该报文与较早接收到的某个报文完全相同），需要对报文整个序列进行全比较，这种方式虽然最完美，但资源消耗大，效率低下。本发明提出特征值的概念，采用循环冗余校验算法（CRC）对网络报文进行计算，得到的结果即定义为报文特征值。

CRC计算报文特征值的过程如下：

（1）将接收到的报文中待编码的k位信息表示成多项式M(x)，x=1，2，…，k，k为自然数；

（2）将M(x)左移n位，得到M(x)*xⁿ，其中，n为CRC算法的阶数；

（3）M(x)*xⁿ除以CRC算法n+1位的生成多项式G(x)，得到的余数R(x)即为报文特征值。

注意：上述计算均为对二取模的四则运算，即参与运算的两个二进制数各位之间凡涉及加减运算时均进行XOR异或运算，即：1XOR1=0，0XOR0=0，1XOR0=1，0XOR1=1，相同为0，不同为1。

相同的报文，通过CRC算法计算得到的结果必然是相同的，而不同的报文，仍然可能存在一定的概率计算得到相同的值，导致误检网络风暴。要降低误检网络风暴的概率，满足实际应用的要求，可以通过增加CRC算法所用多项式的阶数，或者采用多种CRC算法结果的组合作为特征值的方法来实现。

FPGA根据既定算法对接收的报文计算得到特征值，在特征值列表中检索是否存在相同的元素。如果检索到相同元素，即判定当前报文与此前接收到的某个报文是相同的，即当前报文是风暴报文，FPGA将此风暴报文丢弃。如果在列表中未检测到相同元素，则此报文并未风暴报文，FPGA将此报文提交给应用层。

特征值列表具有自学习功能，即FPGA接收到当前报文，计算得到特征值，根据特征值列表完成检索/判断流程后，将当前特征值填入列表中，同时将列表中最旧（时间上最先接收到）报文的特征值移出列表，从而保证了列表中的元素为最新接收到报文的特征值，图3和图4分别示出了更新前后的特征值列表，可以得到直观的对比。

特征值列表的深度决定了最大可以过滤风暴报文的种类，可根据应用需求灵活设置。以一个深度为N的列表为例，列表中最多可能存在N个不同的元素。如前所述，相同的报文不可能计算得到不同的特征值，因此不同的特征值必然代表着不同的报文内容。即最大化情况下，设备顺序循环接收到N种风暴报文，根据前文特征值列表的自学习能力的描述，这N种报文均会被过滤掉。如果设备顺序循环接收到这N+1种风暴报文，由于在列表中找不到相同元素，过滤机制无法起效。

以下将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

在本实施例中，装置为一个具有网络报文接收和处理功能的网卡设备，如图1所示，此设备支持8路100M光纤以太网数据，物理层设备为一个8口集成PHY芯片（88E3082）；FPGA(SP6LX25)通过RMII接口驱动PHY芯片，通过FPGA处理的网络数据，通过EPPI接口传递给采用DSP（BLACKFIN548）的处理器。

在本实施例中，FPGA完成8路独立的100M以太网数据收发，对每一路网络数据单独进行网络风暴过滤。考虑到效率以及可靠性，采用IEEE802.3规定的以太网报文校验算法CRC32（生成多项式为：X³²+X²⁶+X²³+X²²+X¹⁶+X¹²+X¹¹+X¹⁰+X⁸+X⁷+X⁵+X⁴+X²+X¹+1）以及另一种CRC32_SCTP(生成多项式为X³²+X²⁸+X²⁷+X²⁶+X²⁵+X²³+X²²+X²⁰+X¹⁹+X¹⁸+X¹⁴+X¹³+X¹¹+X¹⁰+X⁹+X⁸+X⁶+1)计算得到的值的组合，共64bit，作为报文特征值。根据CRC算法理论可知，两个不同的报文计算得到相同CRC值的概率为其中N为多项式的阶数。在本实施例中，任意两个报文计算得出相同特征值（误检网络风暴）的概率为假设以IEEEE802.3规定的最小报文长度（64字节）为例，一个最小报文的传输时间约为5.76us，因此在相邻64个报文中出现两个内容不同，且特征值相同（网络风暴误检）的概率为即按照平均概率算，要出现一次网络风暴误检事件，需要大约52644年，这样的概率在数字化变电站应用实践中，完全可以忽略。此外，根据算法原理，任意两个相同报文计算得出不同特征值（漏检网络风暴）的概率为0，不存在漏检概率。在本实施例的实验过程中，通过预设发送数据内容，以及应用层增加对风暴报文的二次检测的方法检验风暴过滤方法的有效性，在整个实验过程中，从未检测到有网络风暴误检或者网络风暴漏检的事件。

本实施例中，以太网的速率为100Mbps，FPGA通过RMII接口驱动PHY芯片，接收网络报文的数据信号包括：

1）RX_CLK:RMII接口参考时钟，频率为50MHz;

2）RX_DATA:RMII接口数据，位宽为2；

3）RX_CS_DV：RMII接口数据有效标志；

4）RX_ERR:物理层信号异常标志。

FPGA在接收报文有效数据的时间区间内，根据预设的CRC算法计算特征值，CRC的初始值设为全‘1’。计算得到的结果组合后形成当前报文的特征值。

本实施例设置的特征值列表深度为64，特征值列表以RAM的形式存储在FPGA内部的BLOCKRAM中，单网口所需存储空间为64×64bit=4096bit，所有8路网口控制器用于特征值列表的存储空间约为32Kbits。与本实施例所使用的FPGA的固有RAM资源（52×18Kbits）相比，所占用的比率几乎可以忽略不计。

IEEE802.3规定了帧之间的最小间隔为64bit，根据本实施例采用的RMII接口标准定义，此64bit占用了32个RX_CLK周期（每个时钟周期接收2bit数据），考虑到以太网帧的最小长度为64字节，因此两个数据报文之间可用于检索特征值列表的时间为最小帧长度传输时间加上帧间隔时间，必然大于64个RX_CLK周期。因此本实施例中采用RX_CLK的同相同频时钟信号，作为在特征值列表中检索是否有重复单元的驱动时钟信号，能够保证在极限情况下,也能在接收报文间隙时间内，完成对整个特征值列表的全检索。

本实施例中，一片FPGA完成了8路100M以太网数据的接收工作，考虑到帧间隔的存在，理论最大总接收数据带宽<800Mbps。FPGA与DSP之间采用EPPI接口进行通信，EPPI接口为一种高速并行点对点专用数据接口，数据位宽为16Bits，时钟为50MHz，带宽为800Mbps，符合本实施例的带宽要求。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于数字化变电站二次设备的网络风暴过滤方法，其特征在于：接入变电站网络的二次设备采用FPGA作为网络报文协处理器，FPGA采用循环冗余校验算法计算接收到的网络报文特征值，并在当前的特征值列表中检索是否存在与当前报文特征值相同的元素，如果存在，判定当前报文是网络风暴报文，进行丢弃处理；否则将该当前报文提交至应用层处理。

2.如权利要求1所述的一种适用于数字化变电站二次设备的网络风暴过滤方法，其特征在于：所述网络报文特征值的计算过程包括如下步骤：

（1）将接收到的网络报文中待编码的k位信息表示成多项式M(x)，x=1，2，…，k，k为自然数；

（2）将M(x)左移n位，得到M(x)*xⁿ，其中，n为循环冗余校验算法的阶数；

（3）将M(x)*xⁿ除以多项式G(x)，得到的余数R(x)即为报文特征值，其中，G(x)为循环冗余校验算法n+1位的生成多项式。

3.如权利要求1或2所述的一种适用于数字化变电站二次设备的网络风暴过滤方法，其特征在于：所述FPGA完成特征值列表的检索后，还将当前计算得到的特征值填入特征值列表中，并将特征值列表中在时间上最先接收到的报文特征值移出列表。

4.如权利要求1所述的一种适用于数字化变电站二次设备的网络风暴过滤方法，其特征在于：所述二次设备所接入的网络包括IEEE标准化协会802标准族中的网络，其速率是10M、100M或1000M，物理介质采用同轴电缆、双绞线或光纤。