CN111970128B - 一种高速套接字接收方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高速套接字接收方法及系统，所述系统包括：S1、服务端对IEC61850服务端模型数据进行压缩并进行数字签名，在数据交互前，先传递给客户端主机；S2、客户端主机进行解压、数字签名验证；S3、建立TCP连接，套接字适配层采用Adapter方法按照解压后的IEC61850服务端模型大小在RAM中分配相应大小的环形缓冲区；S4、客户端主机下发订阅命令给服务端，服务端对订阅命令按照所选择的通讯规约上传订阅数据至套接字适配层；套接字适配层对订阅数据进行数字签名认证，认证不通过抛弃数据包并告警，认证通过后判断订阅数据属于哪个环形缓冲区，并将订阅数据更新到对应环形缓冲区。本发明有效的解决了现有高速套接字接收系统依赖于MMS协议库，造成通信效率不高的问题。

Description

一种高速套接字接收方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统数据通信领域，具体涉及一种高速套接字接收方法及系统。

背景技术

MMS（manufacturing message specification，制造报文规范）标准是由ISOTC184提出解决在异构网络环境下智能设备之间实现实时数据交换与监控信息的一套国际报文规范。MMS标准中采用面向对象建模方法建立了实际设备的信息模型，同时提供了通用性很强的交互服务，实现了网络环境下不同制造设备之间的互操作，并广泛运用于汽车制造、机器人、航空、化工、电力等工业自动化领域。

MMS Lite协议库以ANSI C源代码的形式提供，具备基本的MMS协议处理框架、API接口以及IEC 61850建模功能，可以在不同平台进行移植和产品开发。MMS Lite协议库采用按产品系列付费或按生产的产品数量付费两种形式。2017年，一次性买断的价格为￥27万，可用于一个产品系列。2018年开始，授权方式改为按厂商授权，一次性买断的价格为￥60万，可用于该厂商的所有产品系列。无论采用何种授权方式，设备厂商必须按年购买技术服务，期间一旦中断，后续不再提供软件升级。

IEC61850标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准。它通过标准的实现，实现了智能变电站的工程运作标准化。使得智能变电站的工程实施变得规范、统一和透明。不论是哪个系统集成商建立的智能变电站工程都可以通过SCD（系统配置）文件了解整个变电站的结构和布局，对于智能化变电站发展具有不可替代的作用。

IEC 61850是智能电网和智能变电站的核心标准，在智能变配领域广泛应用。请参阅图1所示，为现有智能变电站IEC61850网络数据传输层次的结构示意图；客户端主机（站控层设备）下发订阅命令给间隔层自动化装置，间隔层装置对订阅命令，上传数据，所上传数据按照MMS协议库的MMS规约上传订阅数据给客户端主机；IEC 61850中定义的抽象通信服务接口可以映射到许多协议，目前变电站站控层通信采用IEC61850-8-1映射至MMS的实现方式，然而映射至MMS却存在很多问题，主要表现为：MMS开发包严重依赖MMS协议库，而MMS协议库封装层次复杂（不少于10层），工作机制繁琐，其复杂度远超站内通讯所需；面对如此复杂协议，设备制造商自行研发协议栈几乎是不可能完成的；即使在使用第三方协议栈的情况下，要理清协议栈机制并与自家产品相融合，开发和维护的难度仍然非常大，产品成熟和稳定所需的周期长。现有MMS协议库代码冗余量明显较多，多层传递导致通信效率不高，日常通信带宽占用率低，同时，相关网络设备的利用率也不高。现有MMS协议库并非开源，维护和测试工作存在不透明的真空区域，运维和测试效率存在瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速套接字接收方法及系统，以解决现有高速套接字接收系统依赖于MMS协议库，造成通信效率不高的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高速套接字接收方法，包括以下步骤：

S1、服务端对IEC61850服务端模型数据进行压缩并进行数字签名，获得IEC61850服务端压缩模型；客户端主机调用套接字层Socket与服务端建立TCP连接后，服务端传递完整的IEC61850服务端压缩模型送给客户端主机；

S2、客户端主机收到IEC61850服务端压缩模型后进行解压，并进行数字签名验证；

S3、客户端主机按照解压后IEC61850服务端模型的大小，调用套接字适配层在RAM中分配相应大小的环形缓冲区；

S4、客户端主机下发订阅数据给服务端；服务端对订阅数据，按照所选择的通讯规约上传至套接字适配层；套接字适配层对订阅数据进行数字签名认证，认证不通过则抛弃数据包并告警，认证通过后判断订阅数据属于哪个环形缓冲区，并将订阅数据更新到步骤S3建立的对应环形缓冲区。

本发明进一步的改进在于：传递完整的IEC61850服务端压缩模型送给客户端主机的传递方式为取文件方式。

本发明进一步的改进在于：步骤S4中，所述通讯规约为GSP规约或MMS规约。

本发明进一步的改进在于：所述服务端为智能变电站装置；所述客户端主机为站控层设备。

本发明进一步的改进在于：所述服务端为智能变电站间隔层自动化装置和保护装置。

本发明进一步的改进在于：环形缓冲区中的数据能够通过套接字适配层控制、访问、删除。

一种高速套接字接收系统，包括：

服务端，用于对IEC61850服务端模型数据进行压缩并进行数字签名，获得IEC61850服务端压缩模型；客户端主机调用套接字层Socket与服务端建立TCP连接后，服务端先传递完整的IEC61850服务端压缩模型送给客户端主机；

客户端主机，用于接收IEC61850服务端压缩模型并进行解压、签名验证；

套接字适配层，用于按照客户端主机解压后的IEC61850服务端模型大小在RAM中分配相应大小的环形缓冲区；

所述服务端，还用于响应客户端主机下发订阅数据，按照所选择的通讯规约将订阅数据上传至套接字适配层；套接字适配层对订阅数据进行数字签名认证，认证不通过则抛弃数据包并告警，认证通过后判断订阅数据属于哪个环形缓冲区，并将订阅数据更新到对应环形缓冲区。

一种高速套接字接收系统，应用于电力系统，所述系统包括：处理器以及与所述处理器耦合的存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现所述的方法步骤。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种站控层IEC61850-MMS映射的不同替代系统和方法，在客户端和服务端交互前，先对IEC61850服务端模型进行压缩，并在数据交互开始前先传递完整的模型数据。型传递方法无限制。开辟一段静态环形接收缓存区存储数据，并将可改变的环形接收缓存区的逻辑地址和物理地址之间映射关系的方式，代替按接收数据开辟内存并销毁的开销方式。

进一步的，本发明所述的预先分配环形缓存区是按收到的解压后模型大小分配的，对应相应的IEC61850服务端，不存在溢出的风险。

进一步的，本发明通过国产化站控层协议将简化编码处理，减少映射环节，降低了智能变电站站控层网络负荷。

进一步的，运行于客户端主机CPU上的通信处理程序负责分配和维护主机内存中的一块环形内核接收缓存区，并映射给网卡芯片，提供了一种离散的低开销的客户端主机CPU的使用方式，资源优化效果显著。

进一步的，本发明减少了智能变电站站控层数据传输的层次。应用程序采用标准的套接字编程，提高了应用程序的通用性和可移植性，减少了应用程序的开发工作量。

进一步的，本发明通过模型压缩先传输的方式提前了解了环形缓冲区划分的大小，实现了内存缓冲区开销的优化。

进一步的，本发明通过环形缓冲区的方式稳定了数据交换对客户端主机CPU的负载。

进一步的，本发明通过交换接收缓存的地址映射关系避免了内存拷贝。

采用国产化站控层通信协议后，降低了技术难度，设备制造商可以不再购买国外第三方的协议栈授权，节省设备采购和研发成本。国内几乎所有设备制造商当前所用的站控层协议栈都是第三方提供的IEC61850MMS开发包，例如美国SISCO公司的mms-lite，澳大利亚SystemCORP公司的PIS-10。以mms-lite为例，每套授权约为60-80万元，部分厂家不规范使用授权甚至还会面临被追责的风险。采用国产化通信协议，可降低技术门槛，各厂家皆可自行研发协议栈，省去外购成本，打破了现有MMS协议库的技术壁垒。

采用国产化站控层通信协议后，可显著降低技术难度，提高产品开发效率，降低开发成本。当前变电站内所用的站控层协议，封装层次复杂，工作机制繁琐，其复杂度远超站内通讯所需。面对如此复杂协议，设备制造商自行研发协议栈几乎是不可能完成的；即使在使用第三方协议栈的情况下，要理清协议栈机制并与自家产品相融合，开发和维护的难度仍然非常大，产品成熟和稳定所需的周期长。使用国产化的通信协议替代后，厂家可轻松自行研发协议栈并与自家产品融合，极大缩短开发时间，节约开发成本。

国产化站控层协议将简化编码处理（相对目前协议编码量预计可缩短20-30%），提高通信效率，提高通信带宽利用率，充分挖掘网络设备的处理能力，并有可能减少通讯设备（硬件）的部署数量。

国产化站控层协议交互方法降低了技术难度，采用简约的编码方式，有利于维护和测试工具完善和发展，相关工作不再依赖于目前国外公司协议库实现，透明化维护和测试工作，提高运维和测试效率，降低运维测试成本。

变电站站控层服务化通信协议国产化软件包可应用于所有存量变电站智能化升级改造和新建智能变电站建设，部署于测控、保护、通信网关机、监控后台等各类智能设备。国内外二次设备厂家均可采用此技术替换MMS协议库，从顶层实现国产化替代，技术转化前景广阔。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有基于IEC61850规约的高速套接字接收系统的示意图；

图2为本发明一种高速套接字接收系统的示意图。

具体实施方式

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

为克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于IEC61850规约的高速套接字接收方法及系统，含抽象通信服务接口ACSI映射到网络通信方法及电力信息高效系统；本发明所述内容将弥补原有IEC61850规约映射处理方式的局限性和MMS协议库的技术壁垒，可以透明对映射全部服务接口，且带宽占用和设备占用率降低，站控层通信效率提升明显，符合未来国产化智能电网的发展大趋势的需要，能够彻底解决智能化变电站站控层通讯受制于人的问题，具有极其重要的技术价值；同时，国内外二次设备厂家均可采用此技术替换原有MMS协议库，应用前景广阔。

本发明提供了一种基于IEC61850规约的高速套接字接收方法，解决了在IEC61850现有映射被替代后交互数据量大，TCP数据接收效率受限的问题，同时实现代码量有所降低，层级关系较以往简单，解决了空间重复读写的情况，提高了数据交互的核心效率，实现了客户端主机CPU的负载降低，对后续应用程序具有较高的透明性，形成一种具有普遍适用性的技术改进。

本发明提供了一种基于IEC61850规约的高速套接字接收方法，替代MMS映射的快速数据交互方法是直接将IEC61850映射到TCP/IP，传统的规转中的数据映射方式也是采用套接字(socket)，利用socket用于封装并向应用程序提供套接字编程API，并开辟相应的交互缓冲区，在此基础上应用程序通过套接字接口读取交互缓冲区数据，产生相应的数据复制。

socket.io 是在客户端和服务端之间建立的双向通信数据交换技术，socket.ioadapter为套接字适配层。快速数据交互一般可采用交互内存缓冲区读取的方式快速进行客户端主机和IEC61850服务端之间的数据快速传递。数据由专用总线传输，不需要客户端主机CPU参与，属于硬件实现，不在此发明范围。本发明所述实现主要含交互内存缓冲区数据的高速读取。运行于客户端主机CPU上的通信处理程序负责分配和维护主机内存中的一块环形内核接收缓存区，并映射给网卡芯片，为映射数据提供存放目的地。

本发明方法内形成一种内部实现的环形内存缓冲区数据读取的系统低损耗交互方式。本发明内所述的网卡芯片具有通过软件实现动态配置内存映射地址的功能。

本发明方法通过在传输层系统协议栈和内核协议栈间采用应用程序套接字API的调用（socket.io adapter套接字适配）实现IEC61850直接映射在传输层的方法。要求对模型数据进行压缩，并在数据交互开始前先传递完整的模型数据。模型传递方法无限制。开辟一段静态环形接收缓存区存储数据，并将可改变的环形接收缓存区的逻辑地址和物理地址之间映射关系的方式，代替按接收数据开辟内存并销毁的开销方式。

本发明提供了一种高速套接字接收方法及系统，核心是一种将IEC61850直接映射于传输层，且基于模型压缩的高效率TCP数据传输方法，是一种不同于现有IEC6180-MMS映射的方法，解决了TCP数据接收方法在智能变电站数据交互存在的不足，实现了降低主机CPU的负载，对应用程序具有较高的透明性，采用套接字实现方法具有普遍适用性。下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

以下服务端指的是智能变电站装置，客户端主机为站控层设备。

实施例1

请参阅图2所示，本发明提供一种高速套接字接收方法，替代IEC68150映射到MMS的传统模式，具体包括以下步骤：

S1、服务端（间隔层自动化装置）对IEC61850服务端模型数据进行压缩并进行数字签名，获得IEC61850服务端压缩模型；客户端主机调用套接字层Socket的主动或被动方法与服务端建立TCP连接后，服务端先传递完整的IEC61850服务端压缩模型送给客户端主机。传递模型方式为取文件方式。

优选的，数字签名验证方法可以采用CN201510266224.1中记载的用于智能变电站ICD模型之间的一致性校验方法，或者其他数字签名方法；

S2、客户端主机收到IEC61850服务端压缩模型后进行解压，并进行数字签名验证；在套接字层Socket与TCP/IP协议栈之间引入套接字适配层socket.io-adapter，接管客户端主机及应用程序的套接字编程接口。

S3、客户端主机按照解压后IEC61850服务端模型的大小，调用套接字适配层socket.io-adapter采用Adapter方法在RAM中分配相应大小的环形缓冲区；并将这些内部预分配环形缓存区的物理地址映射到可动态改变缓存区地址的网卡芯片；本发明所述的预先分配环形缓存区是按收到的解压后模型大小分配的，对应相应的IEC61850服务端，不存在溢出的风险；

S4、客户端主机下发订阅命令给服务端，服务端对订阅命令，按照所选择的通讯规约上传订阅数据至套接字适配层socket.io adapter；所述通讯规约可以使用GSP规约、MMS规约，但不限于GSP规约、MMS规约；套接字适配层socket.io adapter对订阅数据进行数字签名认证，认证不通过则抛弃数据包并告警，认证通过后判断订阅数据属于哪个环形缓冲区，并将订阅数据更新到步骤S3建立的对应环形缓冲区；这种模式下数据的更新不需要使用到CPU，节约CPU资源。就是一个快速的数据刷新过程。

环形缓冲区中的数据可以通过套接字适配层访问。

Adapter为socket适配器，一个适配器对应一个命名空间，用于在命名空间内分配socket到每一个独立空间，适配器属性包含命名空间对象，独立空间哈希值，Id对象，编码器。

Adapter包含管控独立空间列表功能。含遍历空间列表获取构造ID对应对象，设置构造ID的指定独立空间属性，构造独立空间。

Adapter包含从空间删除socket，含删除指定id下的指定独立空间，从指定空间内删除socketid，循环判断如果指定空间内没有id了，删除空间。

Adapter包含从所有空间内删除相关的socketid，含获取指定id的空间名对象，遍历对应空间存在，从空间里删除指定id，如果空间内没有id，删除空间。

Adapter包含内部广播方式轮询所有空间，保证系统开销。含获取房间名数组，是否压缩的标志，键为id，值为是否已广播，因为房间内的socketid可能会重复，为接收到的数据包设置命名空间名称。

Adapter对指定对象数据发送编码包。含遍历房间名获取对象，遍历房间内所有id，查询指定id被排除，则返回，若在已连接对象中根据id获取Socket对象，则可发送编码数据包。

Adapter包含通用方法，含获取指定网卡加载的所有socket的ID数，遍历空间内所有连接，遍历空间对象内所有socketid，处理该ID连接的空间。如果该ID不是列表里的，则释放这部分空间。如果收到通讯中止或在15个心跳后无返回，则删除该ID及所属空间。

本发明专利通过在传输层系统协议栈和内核协议栈间采用应用程序套接字API的调用（socket.io adapter套接字适配）实现IEC61850直接映射在传输层的协议替代方法。

本发明所述socket.io adapter套接字适配层实现依据模型大小开辟的内部预先分配接收的环形缓存区，并将这些内部预分配环形缓存区的物理地址映射到可动态改变缓存区地址的网卡芯片。

本发明所述的预先分配环形缓存区是按收到的解压后模型大小分配的，对应相应的IEC61850服务端，不存在溢出的风险。

在数据接收过程中，当网卡接收到数据时，将数据与解压后内部预分配的环形缓存区进行对比，匹配。

应用程序调用套接字相应的接收方法时传入一个由应用程序维护的应用程序临时缓存，用以读取接收到的数据。

实施例2

请参阅图2所示，本发明还提供一种高速套接字接收系统，包括：

服务端，用于对IEC61850服务端模型数据进行压缩并进行数字签名，获得IEC61850服务端压缩模型；客户端主机调用套接字层Socket的主动或被动方法与服务端建立TCP连接后，服务端先传递完整的IEC61850服务端压缩模型送给客户端主机；

客户端主机，用于接收IEC61850服务端压缩模型并进行解压、签名验证；

套接字适配层socket.io-adapte，用于采用Adapter方法按照客户端主机解压后的IEC61850服务端模型大小在RAM中分配相应大小的环形缓冲区。

本发明中，所述服务端还用于响应客户端主机下发订阅命令，将订阅信息按照所选择的通讯规约上传订阅数据至socket.io adapter套接字适配层；套接字适配层对订阅数据进行数字签名认证，认证不通过则抛弃数据包并告警，认证通过后判断订阅数据属于哪个环形缓冲区，并将订阅数据更新到对应环形缓冲区。

实施例3

本发明还提供一种高速套接字接收系统，应用于电力系统，所述系统包括：处理器以及与所述处理器耦合的存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现实施例1所述的方法步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高速套接字接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、服务端对IEC61850服务端模型数据进行压缩并进行数字签名，获得IEC61850服务端压缩模型；客户端主机调用套接字层Socket与服务端建立TCP连接后，服务端传递完整的IEC61850服务端压缩模型送给客户端主机；

S2、客户端主机收到IEC61850服务端压缩模型后进行解压，并进行数字签名验证；

S3、客户端主机按照解压后IEC61850服务端模型的大小，调用套接字适配层在RAM中分配相应大小的环形缓冲区；

S4、客户端主机下发订阅命令给服务端；服务端对订阅命令，按照所选择的通讯规约上传订阅数据至套接字适配层；套接字适配层对订阅数据进行数字签名认证，认证不通过则抛弃数据包并告警，认证通过后判断订阅数据属于哪个环形缓冲区，并将订阅数据更新到步骤S3建立的对应环形缓冲区。

2.根据权利要求1所述的一种高速套接字接收方法，其特征在于，传递完整的IEC61850服务端压缩模型送给客户端主机的传递方式为取文件方式。

3.根据权利要求1所述的一种高速套接字接收方法，其特征在于，步骤S4中，所述通讯规约为GSP规约或MMS规约。

4.根据权利要求1所述的一种高速套接字接收方法，其特征在于，所述服务端为智能变电站装置；所述客户端主机为站控层设备。

5.根据权利要求1所述的一种高速套接字接收方法，其特征在于，所述服务端为智能变电站间隔层自动化装置和保护装置。

6.根据权利要求1所述的一种高速套接字接收方法，其特征在于，环形缓冲区中的数据能够通过套接字适配层控制、访问、删除。

7.一种高速套接字接收系统，其特征在于，包括：

服务端，用于对IEC61850服务端模型数据进行压缩并进行数字签名，获得IEC61850服务端压缩模型；客户端主机调用套接字层Socket与服务端建立TCP连接后，服务端先传递完整的IEC61850服务端压缩模型送给客户端主机；

客户端主机，用于接收IEC61850服务端压缩模型并进行解压、签名验证；所述客户端主机包括套接字适配层；所述套接字适配层用于按照客户端主机解压后的IEC61850服务端模型大小在RAM中分配相应大小的环形缓冲区；

所述服务端，还用于响应客户端主机下发订阅命令，按照所选择的通讯规约将订阅数据上传至套接字适配层；套接字适配层对订阅数据进行数字签名认证，认证不通过则抛弃数据包并告警，认证通过后判断订阅数据属于哪个环形缓冲区，并将订阅数据更新到对应环形缓冲区。

8.一种高速套接字接收系统，应用于电力系统，其特征在于，所述系统包括：处理器以及与所述处理器耦合的存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的方法步骤。

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