一种智能高实时的变电站网络交换的制造方法
【专利摘要】一种智能高实时的变电站网络交换机，它涉及电力通信设备【技术领域】，它的整机供电模块分别与板卡供电模块、前面板LED模块连接，板卡供电模块分别与核心交换模块、CPU处理模块、通用逻辑模块连接，核心交换模块分别通过SPI和MII与CPU处理模块相互连接，CPU处理模块通过Local BUS和I2C总线与通用逻辑模块连接，核心交换模块通过MII与光收发模块连接，通用逻辑模块通过I2C总线与光收发模块连接。它立足于智能变电站网络交换机的现状，结合智能变电站通信网络建设对于通信网络的要求，实现了交换机业务流识别、业务流监控与异常处理、交换资源分配、优先级调度策略等技术，以及网络传输性能在线监测、网络诊断和统一管理等网络管理技术。
【专利说明】一种智能高实时的变电站网络交换机
【技术领域】
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[0001]本实用新型涉及电力通信设备【技术领域】，具体涉及一种智能高实时的变电站网络交换机。
【背景技术】
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[0002]目前智能变电站网络交换机没有统一的网络架构，多采用“三层两网”网络结构，站控层和过程层两层网络物理上独立组网，220kV电压等级及以上采用冗余的双星形拓扑结构，GOOSE和SV网物理独立。IlOkV电压等级采用单星形拓扑结构。由于上述组网方式，致使变电站内交换机数量较多。
[0003]目前智能变电站网络交换机对接入设备发出的异常报文缺乏识别和处理能力，进行了正常转发，导致异常报文在网络上传播开来，引起网络性能下降，如瞬间发送超大流量组播，可能会导致网络瘫痪，而且故障原因查找起来非常困难。变电站中的网络调试以单台交换机的独立配置调试为主，这种没有全站统一的配置容易引起连接设备的接入不规范、交换机功能配置的错乱，全网联调时会带来很多问题，如网络的VLAN划分，如果没有统一的部署配置，问题查找起来非常困难。在网络监视方面，变电站采用网络分析仪，记录整个变电站内智能单元间的通信报文，但没有监测整个通信网络的通信状况，完整性和时效性差，智能变电站网络交换机的网络管理也没有纳入智能变电站统一管理体系，变电站监控系统无法直接获取通信网络和交换机的状态信息。
[0004]目前网络交换机针对电力通信业务流的识别还缺少研究和实现，对接入设备发出的异常报文缺乏识别和处理能力，进行了正常转发，导致异常报文在网络上传播开来，引起网络性能下降。
实用新型内容:
[0005]本实用新型的目的是提供一种智能高实时的变电站网络交换机，它立足于智能变电站网络交换机的现状，结合智能变电站通信网络建设对于通信网络的要求，实现了交换机业务流识别、业务流监控与异常处理、交换资源分配、优先级调度策略等技术，以及网络传输性能在线监测、网络诊断和统一管理等网络管理技术。
[0006]为了解决【背景技术】所存在的问题，本实用新型是采用以下技术方案:它包含核心交换模块、CPU处理模块、板卡供电模块、通用逻辑模块、前面板LED模块、整机供电模块、光收发模块，整机供电模块分别与板卡供电模块、前面板LED模块连接，板卡供电模块分别与核心交换模块、CPU处理模块、通用逻辑模块连接，核心交换模块分别通过SPI和MII与CPU处理模块相互连接，CPU处理模块通过Local BUS和I2C总线与通用逻辑模块连接，核心交换模块通过MII与光收发模块连接，通用逻辑模块通过I2C总线与光收发模块连接。
[0007]本实用新型还包含时延测量统计模块，时延测量统计模块通过PHY —、PHY 二分别与端口一、端口二连接，时延测量统计模块与处理器相互连接，时延测量统计模块分别与交换机的交换芯片中MAC —、MAC 二连接，交换芯片与处理器连接，本地时钟分别与PHY —、PHY二、时延测量统计模块、交换芯片、处理器连接。
[0008]本实用新型设计有时延测量统计模块12，使用交换机时延测量统计功能，要求站内的设备在发送每帧数据的时候，数据位的第一个字节预留出来，初始值为0x00。交换机时延测量统计模块12的具体流程如下:变电站数据业务流从端口一 8进入交换机内部，经由PHY — 10到达时延测量统计模块12，该模块接收支路解析数据帧，读取数据的第一个字节的信息，得到前面交换机的时延Ts (考虑交换机级联的情况下，如果是单台交换机则Ts为0x00)，并记录下当前数据到达的时间T1 (由本地时钟提供)，然后将数据帧的负载区域第一个字节值修改为(T1-Ts)，记为T1'，然后重新封装帧传送给MAC—层，由交换芯片完成寻址转发功能，数据转发至MAC 二处，再次到达时延测量统计模块12，由该模块发送支路再次计算出当前时间T2，并计算出(T1-T/ )的值，记为T2'，同时解析数据帧将对应的负载位的第一个字节的值修改成T2'，即累计交换的时延，然后再重新封装帧传送至PHY 二 11，最终经由端口二 9到达指定设备，由设备解析数据帧得到整个网络的交换时延，从而解决了数据交换时延不可知的问题。
[0009]本实用新型根据智能变电站建设现状，结合智能变电站网络交换机应用情况，要求进一步简化站内通信网络结构，降低建设成本，提高网络可靠性，提高现场调试效率，增强运维检修能力。优化网络结构，采用“共网共口(接入设备采用一个物理端口传输SV、GOOSE,MMS报文至统一网络)”网络结构，有效减少交换机数量。“共网共口”网络结构需要网络交换机具有识别业务报文的能力，网络可按业务报文类型和业务报文属性设置优先级队列，能够确保关键应用和时间要求高的业务报文优先进行传输。根据不同业务的特点分析，通过交换资源分配，优先级算法优化，控制延时抖动在保护可接受的确定的范围内，保证关键业务的实时性。网络交换机应具有识别接入设备发出的异常报文的能力，停止相应端口的正常转发，不让异常报文在网络上传播开来，并定位异常报文的来源，上报告警信号。网络交换机设备状态信息采用IEC61850标准建模，将通信网络管理纳入智能变电站统一监控管理体系，变电站监控系统可直接获取通信网络和交换机的状态信息，如端口状态实时监测、网络流量分析等。
[0010]本实用新型具有以下有益效果:
[0011]1、业务流识别及异常报文处理技术
[0012]业务流识别是实现异常报文处理的前提。
[0013]2、交换资源分配
[0014]资源分配主要解决的是数据包排队情况下关键业务的实时性问题。其核心思想是给关键业务设定更高的优先级，通过牺牲普通业务的实时性，在一定程度上保证关键业务的实时性。根据不同业务的特点分析，通过交换资源分配，优先级算法优化，控制延时抖动在电力业务可接受的确定的范围内。本交换机研制中，结合电力通信接入网结构的特点，针对电力通信业务进行资源分配设计。
[0015]3、统一可视化管理
[0016]基于LLDP协议实现可视化网管的网络拓扑自发现，结合交换机设备状态信息采用IEC61850标准建模，将通信网络管理纳入智能变电站统一监控管理体系，变电站监控系统可直接获取通信网络和交换机的状态信息。【专利附图】
【附图说明】:
[0017]图1为本实用新型的硬件结构示意图，
[0018]图2为本实用新型中时延测量统计模块的结构示意图。
【具体实施方式】
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[0019]参照图1，本【具体实施方式】采用以下技术方案:它包含核心交换模块1、CPU处理模块2、板卡供电模块3、通用逻辑模块4、前面板LED模块5、整机供电模块6、光收发模块7，整机供电模块6分别与板卡供电模块3、前面板LED模块5连接，板卡供电模块3分别与核心交换模块1、CPU处理模块2、通用逻辑模块4连接，核心交换模块I分别通过SPI和MII与CPU处理模块2相互连接，CPU处理模块2通过Local BUS和I2C总线与通用逻辑模块4连接，核心交换模块I通过MII与光收发模块7连接，通用逻辑模块4通过I2C总线与光收发模块7连接。
[0020]参照图2，本【具体实施方式】还包含时延测量统计模块12，时延测量统计模块12通过PHY — 10,PHY 二 11分别与端口一 8、端口二 9连接，延测量统计模块12与处理器17相互连接，时延测量统计模块12分别与交换机的交换芯片13中MAC — 15、MAC 二 16连接，交换芯片13与处理器17连接，本地时钟14分别与PHY — 10、PHY 二 11、时延测量统计模块12、交换芯片13、处理器17连接。
[0021]本【具体实施方式】实现了业务流识别及异常处理技术。将电力系统通信中的业务流进行分类，并研究区分不同业务流的方法。变电站中的报文类型是确定的，包括MMS、G00SE、SV、同步报文四种，其中涉及二次回路的GOOSE和SV报文具有唯一标识和重要的通信参数，例如源MAC地址，目的MAC地址，VLAN, APPID等，即每条报文具有明确唯一性的自描述，故可根据报文的唯一自描述实现业务流识别。变电站中四种报文各自的正常报文与异常报文的区别，确定判断报文异常的标准及参数，通过在对报文进行业务流识别后，加入异常识别机制，识别出异常报文，对异常报文进行丢弃处理，并记录异常报文输入端口，将异常报文及端口信息作为报警信息封装，上报管理端。
[0022]本【具体实施方式】的交换资源分配及优先级调度策略。根据业务类型进行资源分配方法，解决在数据包排队情况下，关键业务的实时性问题。根据业务类型配置的优先级调度策略，对不同的业务类型设定不同的优先级，在一定程度上满足用户对于不同业务不同实时性的需求。通过业务流识别的研究将业务流分成四个不同的队列，研究业务流与QoS队列映射算法，将不同的业务流队列与QoS优先级队列进行一一映射，实现基于业务流的交换资源分配及优先级调度策略。
[0023]本【具体实施方式】的网络传输性能监测、网络异常诊断方法。网络传输性能监测，监测链路链接状态，监测带宽占用状态，监控端口转发状态，监测端口丢包率、误码率等性能数据，并根据监测结果进行异常诊断，将诊断信息封装为报警信息上传至管理端。具体研究方案如下:
[0024]1、网络传输性能监测:通过在报文入端口时在报文中加入时间信息，在报文出端口时计算当前时间与报文中入端口的时间信息之差得到网络传输延时。设定网络传输延时阈值，在实时延时超过阈值时，封装报警信息，上传至网管端。
[0025]2、监测链路链接状态:通过建立端口连接状态监控，提供监控端口连接或断开，在端口链路状态发生变化时，封装报警信息，上传至网管端。
[0026]3、监测带宽占用状态:通过记录入报文与出报文包数量，并记录报文的帧长，计算已占用带宽。
[0027]4、监控端口转发状态:监测端口转发状态，在转发状态在forward与block或discard之间变化时，封装报警信息，上传至网管段。
[0028]5、监测端口丢包率、误码率:通过流量统计，计算丢包数、误码数，并与端口总流量相比，计算丢包率及误码率。设定丢包率及误码率阈值，在丢包率及误码率超过阈值时，封装报警信息，上传至管理端。
[0029]6、网路异常诊断:通过监控链路链接状态、端口转发状态及带宽占用状态，判断交换机是否有业务报文传入及数据流是否正常，在通信网络出现故障时，诊断是否为交换机故障。
[0030]本【具体实施方式】的统一网络管理方法。通过在交换机软件中嵌入LLDP协议，监控设备链路拓扑，在拓扑结构发生变化时，将本端设备的主要能力、管理地址、设备标识、接口标识等信息组成不同的TLV (Type/Length/Value，类型/长度/值)，并封装在LLDTOU (LinkLayer Discovery Protocol Data Unit,链路层发现协议数据单元)中发布给自己直连的邻居，邻居收到这些信息后，将其以标准MIB (Management Informat1n Base,管理信息库)的形式保存起来，供网络管理系统查询及判断链路的通信状况，并建立可视化的设备链路拓扑图。
[0031]建立符合IEC61850标准的交换机IED信息模型，对能够表征网络运行状态的参数和可配置参数进行统一表达，利用报告等方式将网络故障、告警等网络异常诊断信息发送给运行人员。
[0032]本【具体实施方式】软件采用架构式设计，软件架构由操作系统支撑平台层和业务控制管理层组成。操作系统支撑平台层基于PPCLinux2.6操作系统，并开发适用于本交换机硬件环境的驱动程序模块，主要包括:网卡驱动、SPI驱动、MTD(大容量存储设备)、RTC(实时时钟)、看门狗与复位驱动、Braodcom SDK。业务控制管理层基于中间件网络协议集进行二次开发，对该中间件中部分模块进行改造、二次开发，同时根据交换机功能需要增补其他模块，具体模块包括:HSL(硬件调用服务)、NSM、MSTPD, EAPSD, LLDPD, LACPD, AUTHD, IMI,IMISH, WEB、SYS、SNMP。NSM，MSTPD, EAPSD, IMI 和 WEB 等模块作为应用程序运行在 Linux用户态，各种驱动运行在LinuX内核态。用户态和内核态交换数据通过设备文件进行，以太网控制管理报文则通过RAW socket接口。
[0033]本【具体实施方式】系统化分析各种业务数据流量模型，多种业务(保护、控制、监测等)传输的场景，分析通信网络包括系统和设备的功能和性能需求，实现了一种适合智能变电站的新一代网络交换机。
【权利要求】
1.一种智能高实时的变电站网络交换机，其特征在于它包含核心交换模块、CPU处理模块、板卡供电模块、通用逻辑模块、前面板LED模块、整机供电模块、光收发模块，整机供电模块分别与板卡供电模块、前面板LED模块连接，板卡供电模块分别与核心交换模块、CPU处理模块、通用逻辑模块连接，核心交换模块分别通过SPI和MII与CPU处理模块相互连接，CPU处理模块通过Local BUS和I2C总线与通用逻辑模块连接，核心交换模块通过MII与光收发模块连接，通用逻辑模块通过I2C总线与光收发模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种智能高实时的变电站网络交换机，其特征在于它还包含时延测量统计模块，时延测量统计模块通过PHY —、PHY 二分别与端口一、端口二连接，时延测量统计模块与处理器相互连接，时延测量统计模块分别与交换机的交换芯片中MAC —、MAC 二连接，交换芯片与处理器连接，本地时钟分别与PHY —、PHY 二、时延测量统计模块、交换芯片、处理器连接。
【文档编号】H04L12/931GK204168320SQ201420518327
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】姬磊 申请人:姬磊