CN105790977A - 一种iec61850协议转换器中冗余以太网设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法，所述方法包括(1)配置双网卡；(2)修改网卡MAC地址；(3)检测以太网链路断线；(4)无扰动切换数据收发。本发明在驱动层实现冗余以太网无扰动自动切换的最佳方法，达到了双网口同IP地址和同MAC地址的效果，用低廉的成本满足了IEC61850协议转换器中冗余以太网的技术要求，确保了冗余以太网的高效率和高可靠性运行。本发明在提高通信可靠性的同时没有增加任何应用软件升级成本，为今后的网络应用程序开发提供了检测链路断线故障的手段，进一步增强了电力系统通信的安全性、可靠性和实时性。

Description

一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术，具体讲涉及一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法。

背景技术

随着网络技术的高速发展，及以太网的稳定性、抗干扰性、带宽问题的逐步改善，以太网正在逐渐进入电网控制领域。电网通信系统中对可靠性要求较高，为了提高电网控制系统的可靠性和抗毁性，常常采用冗余设计来作为提高设备和系统可靠性的一种手段。

电力系统中的各种类型的二次自动化设备，如继电保护装置、测控装置、一次设备智能组件、配电终端等均需要与监控主站间需实现基于IEC61850标准的通信，而目前还存在大量的自动化设备不支持基于IEC61850标准的通信，仍然需要通过通信网关机、前置机实现协议转换。

IEC61850协议转换器就是用于将诸如传统规约CDT、DISA、MODBUS、IEC101、IEC104转换到IEC61850的嵌入式智能设备。IEC61850协议转换器对不满足IEC61850通信标准的智能设备进入数字化变电站和智能电网提供过渡解决方案，基于该规约转换器，智能设备厂商不需要做任何的开发工作，只需要提供本身智能设备的通讯接口或者通信规约，就能实现IEC61850通信标准，为IEC61850的实现和传统变电站向数字化变电站的改造节约了时间和降低了成本。

VxWorks是美国WindRiver公司开发的嵌入式实时操作系统，具有高性能、可高度裁剪等特点，能够支持多种微处理器，如PowerPC、X86、ARM、MIPS等。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及对实时性要求极高的领域中。VxWorks是第一个集成标准TCP/IP网络功能的实时操作系统，且支持多网卡。但是，该操作系统中的多网卡是非冗余设计，即每块网卡都有独立的物理地址和IP地址，以独立的形式供上层应用程序使用。

根据TCP/IP参考模型，TCP/IP协议族可以分为应用层、传输层、网络层和链路层(数据链路层和物理层)4层，从理论上讲冗余以太网技术可以在其中任何一个层面中实现。但总的来说，实现的层面越高，实现的难度越小，网卡自动切换所需要的时间越长。

物理层采用专用以太网接口芯片，实现冗余以太网成本偏高。在应用层实现双冗余以太网的解决方案存在以下两点问题：在应用层同时运行多个任务时，抢占式多任务调度机制无法保证“监视链路断线故障任务”运行的时间片，从而无法保证双网切换时间的技术要求；如果用户应用程序涉及到组播通信，就必须修改用户应用程序代码来配合应用层双网切换代码，无疑这增加了软件模块之间的耦合度，不利于软件维护。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法，在驱动层实现冗余以太网无扰动自动切换的最佳方法，达到了双网口同IP地址和同MAC地址的效果，用低廉的成本满足了IEC61850协议转换器中冗余以太网的技术要求，确保了冗余以太网的高效率和高可靠性运行。使用本方法，先前开发的单以太网应用程序无需做任何修改，就能达到冗余以太网的效果，在提高通信可靠性的同时没有增加任何应用软件升级成本，为今后的网络应用程序开发提供了检测链路断线故障的手段，进一步增强了电力系统通信的安全性、可靠性和实时性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法，其改进之处在于，所述方法包括

(1)配置双网卡；

(2)修改网卡MAC地址；

(3)检测以太网链路断线；

(4)无扰动切换数据收发。

优选的，所述步骤(1)包括

(1.1)修改CPU主板配置及定义文件config.h，增加对冗余网卡的支持；

(1.2)修改网络驱动设置文件configNet.h，增加对冗余网卡的支持；

(1.3)在Workbench工程项目的网络组件networkinit中将IP_MAX_UNITS设置为等于或大于2的值。

优选的，所述步骤(2)包括初始化通道时只读取第一个通道的物理地址，将此地址在初始化第二个通道时写入到寄存器与设备结构变量中。

优选的，所述步骤(2)包括将网卡的MAC地址存放在网卡的ROM中，网卡初始化时，从ROM中读出物理地址，存放至寄存器和数据结构中。

优选的，所述步骤(3)包括读网卡控制芯片的MII状态寄存器SGMII/RGMIIStatusRegister，

寄存器的第四位Bit4为0，以太网接口链路故障；

寄存器的第四位Bit4为1，以太网接口链路正常；

其中，MII为MediumIndependentInterface介质独立接口；SGMII即SerialGMII，串行GMII；RGMII即ReducedGMII，是GMII的简化版本。

优选的，所述步骤(4)包括

(4.1)添加通道选择优选出1路链路状态良好的网络接口；

(4.2)使用通道选择返回的设备控制数据结构完成数据的发送；

(4.3)发送成功后将要发送的数据包指向的簇缓冲区归还给内存池。

与最接近的现有技术比，本发明的优异效果为：

本发明在驱动层实现冗余以太网无扰动自动切换的最佳方法，达到了双网口同IP地址和同MAC地址的效果，用低廉的成本满足了IEC61850协议转换器中冗余以太网的技术要求，确保了冗余以太网的高效率和高可靠性运行。使用本发明，先前开发的单以太网应用程序无需做任何修改，就能达到冗余以太网的效果，在提高通信可靠性的同时没有增加任何应用软件升级成本，为今后的网络应用程序开发提供了检测链路断线故障的手段，进一步增强了电力系统通信的安全性、可靠性和实时性。

附图说明

图1为本发明提供的IEC61850协议转换器在电力系统中的应用。

图2为本发明提供的一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法，具体流程为：

1、配置双网卡：

在VxWorks6.7正常安装后，LS232BSP的默认配置下，config.h文件中包含了1路以太网接口驱动“INCLUDE_END”的宏定义；configNet.h文件中定义了去1个END_TBL_ENTRY结构的数组endDevTbl[]，该数组描述了系统中所有网络设备的装载函数入口点及相关参数。为了使编译生成的VxWorks镜像文件能够自动加载两路以太网接口驱动，需要进行如下修改：

(1)修改CPU主板配置及定义文件config.h，增加对冗余网卡的支持：#defineINCLUDE_END

#defineINCLUDE_FEI_END

(2)修改网络驱动设置文件configNet.h，增加对冗余网卡的支持：

(3)在Workbench工程项目的网络组件networkinit中将IP_MAX_UNITS设置为等于或大于2的值。

2、修改网卡MAC(MediaAccessControl，介质访问控制)地址：

为保证两个通道物理地址相同，在初始化通道时只读取第一个通道的物理地址，将此地址在初始化第二个通道时写入到寄存器与设备结构变量中，这样就保证了物理地址的相同。具体实现过程是将网卡的MAC地址存放在网卡的ROM(Read-OnlyMemory，只读内存)中，网卡初始化时，要从ROM中读出物理地址，把它存放在适当的寄存器和数据结构中。因此，可以通过修改系统初始化函数synInstInit2()，让网卡在初始化过程中只读取1块网卡的MAC地址，从而实现2块网卡使用同一地址。

具体实现方法如下：

3、检测以太网链路断线：

判断一个网卡是否失效的方法是读网卡控制芯片的MII(MediumIndependentInterface，介质独立接口，应用与以太网硬件平台的MAC层和PHY层之间)状态寄存器SGMII/RGMIIStatusRegister(SGMII即SerialGMII，串行GMII；RGMII即ReducedGMII，是GMII的简化版本)，该寄存器的第四位Bit4为0，说明以太网接口链路故障，如果该寄存器的第四位Bit4为1，说明以太网接口链路正常。可以通过VxWorks下的辅助时钟中断来定时检测网络连接状态，辅助时钟具有较高的时间精度，根据硬件的不同，最快可以精确到1ms。

4、无扰动切换数据收发：

修改发送函数synSend()，不直接使用MUX(Multiplex，多路复用)层指定的网络接口芯片进行数据发送，而是先调用添加的通道选择函数synChannelSelect()，优选出1路链路状态良好的网络接口。使用通道选择函数synChannelSelect()返回的设备控制数据结构pDoubleDrvCtrl[]完成数据的发送，发送成功后将要发送的数据包“pMblk”指向的簇缓冲区归还给内存池。这样就能保证只有1路以太网接口的链路状态良好，上层应用程序要发送的数据包就能一定能发送出去，不会发生丢包现象，从而实现数据发送无扰动切换。同样地，数据接收过程中，只有被优选出的以太网接口接收到的数据才能被传递给上层协议栈。这样就实现了数据接收和发送的不丢包处理和无扰动切换。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法，其特征在于，所述方法包括

(1)配置双网卡；

(2)修改网卡MAC地址；

(3)检测以太网链路断线；

(4)无扰动切换数据收发。

2.如权利要求1所述的一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法，其特征在于，所述步骤(1)包括

(1.1)修改CPU主板配置及定义文件config.h，增加对冗余网卡的支持；

(1.2)修改网络驱动设置文件configNet.h，增加对冗余网卡的支持；

(1.3)在Workbench工程项目的网络组件networkinit中将IP_MAX_UNITS设置为等于或大于2的值。

3.如权利要求1所述的一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法，其特征在于，所述步骤(2)包括初始化通道时只读取第一个通道的物理地址，将此地址在初始化第二个通道时写入到寄存器与设备结构变量中。

4.如权利要求1所述的一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法，其特征在于，所述步骤(2)包括将网卡的MAC地址存放在网卡的ROM中，网卡初始化时，从ROM中读出物理地址，存放至寄存器和数据结构中。

5.如权利要求1所述的一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法，其特征在于，所述步骤(3)包括读网卡控制芯片的MII状态寄存器SGMII/RGMIIStatusRegister，

寄存器的第四位Bit4为0，以太网接口链路故障；

寄存器的第四位Bit4为1，以太网接口链路正常；

其中，MII为MediumIndependentInterface介质独立接口；SGMII即SerialGMII，串行GMII；RGMII即ReducedGMII，是GMII的简化版本。

6.如权利要求1所述的一种IEC61850协议转换器中冗余以太网设计方法，其特征在于，所述步骤(4)包括

(4.1)添加通道选择优选出1路链路状态良好的网络接口；

(4.2)使用通道选择返回的设备控制数据结构完成数据的发送；

(4.3)发送成功后将要发送的数据包指向的簇缓冲区归还给内存池。