基于缓存技术的信息交互总线可靠传输研究

摘要：研究配电网信息交互、信息集成相关需求，遵循IEC 61968接口规范，跨区实现电网安全I区和III区之间的准确、安全、可靠的数据传输与信息交互，有效实现电网信息资源整合，消除“信息孤岛”。通过异构环境中信息传输与验证，系统屏蔽掉了硬件层、操作系统层、网络层等物理介质，为上层应用提供了透明化的数据交互服务，最大限度地提高了应用的可移植性与可扩充性。在通过信息交互总线传输数据的过程中，需要保证数据高效、完整、可靠的传输，采用了基于缓存技术的架构设计方案，确保数据通过信息交互总线可靠传输。

关键词：缓存；信息交互总线；隔离设备；IEB

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）29-0109-02

基于电力系统安全要求，I区与III区之间通过隔离设备连接，使得信息交互产生一定障碍，并且随着电力系统的逐渐增多也产生大量信息孤岛，使得信息传输不畅，在这样的背景下，信息交互总线应运而生。使用信息交互总线屏蔽由于网络环境、物理隔离设备等造成的通讯不畅，使得外部服务可以通过信息交互总线透明地实现数据传输及消息传递。

鉴于隔离设备的物理特性，正向隔离采用TCP方式通讯，反向隔离采用文本文件的方式，使得数据在经过隔离设备传输的过程中会产生数据包传输不完整甚至丢包的情况，最终导致外部系统接收数据异常，所以信息交互总线在跨域隔离设备，实现跨区数据传输时，如何保证数据安全、高效、稳定传输成为信息交互总线内部的关键问题。

一、设计方案

本技术方案主要针对信息交互总线在跨越隔离设备传输的过程中丢包检测以及在丢包后消息补发方法的问题进行研究讨论，在解决该问题的过程中涉及复杂的丢包检测、缓存、补发等处理机制。这里主要分4个方案进行讨论，主要包括整体方案、基于内存与文件的缓存方案、数据包完整性和传输连续性验证方案以及数据传输码流动态控制方案等。

1.整体方案

信息交互总线主要解决了由于物理隔离设备所造成的通讯障碍，便于信息集成以及跨I区与III区之间的信息传递，使得外部服务可以透明传输。信息交互总线总体架构设计如图1所示。

2.基于文件与内存的缓存方案

鉴于反向隔离设备的物理特性，反向隔离采用文件方式传输，信息交互总线将消息以Byte方式写成文本文件，通过反向隔离设备将数据文件由III区发送到I区。在传输的过程中，由于网络、隔离设备等多种因素，导致传输过程中会产生丢包的情况，造成了通讯障碍，所以保证数据包完整、高效传输尤为重要。

为避免由于隔离设备传输产生丢包造成的通讯障碍，本方案采用缓存的方式将数据进行一定时间的保存，如果总线内部检测到在跨越隔离设备传输时产生丢包，发送端将利用缓存（文件方式、缓存方式）的数据包进行数据包补发，在信息交互总线内部，保证数据包安全、高效传输。鉴于正向隔离采用TCP方式通讯，所以正向缓存方案采用内存方式存储；反向隔离采用文本方式传输，所有反向缓存方案采用文本方式存储，这种方式可以在丢包产生时迅速补发丢失数据包，不需要再进行复杂的数据封装工作。

在文件、内存缓存的过程中，在保证缓存数据充足、有效的前提下，为避免由于缓存数据量过大而造成的内存空间溢出或磁盘空间不足等情况，在缓存量方面采用了循环覆盖的方式，默认缓存量为0～999包号。当包号跨跃999时，从新归档包号为0，采用循环覆盖的方式有效避免了缓存量过大而造成的程序异常问题。在天津蓟县配电自动化项目（配点自动化主站系统、信息交互总线系统）实施过程中，对缓存量进行了大量现场测试，包号默认最大值设置在999时可以满足业务需求，并且在系统出现丢包后，发送端在缓存数据中查找对应数据包时，查询命中时间最短，故系统默认初始设定默认最大包号为999。

下面以内存缓存为例介绍内存缓存的存储结构。内存缓存使用HashMap方式进行存储，其中Key为包号，Value为封装之后的数据包，当数据包的Key值存储到999时，由于采用循环方式，Key强制归档为001，鉴于HashMap的存储机制，Key值相同时覆盖旧数据，达到了循环覆盖的目的。文件缓存的存储机制和覆盖原理与内存缓存相同，差别在于文件缓存的存储和覆盖在硬盘的磁盘空间中完成，内存缓存具体存储结构如表1所示。

表1 内存缓存存储结构

3.数据包完整性和传输连续性验证方案

信息交互总线经过物理隔离设备发送数据时，需要保证数据在通过隔离设备传输后数据的完整性以及传输数据包的连续性，所以信息交互总线在发送和接收数据时进行了有效的封装和验证工作。

信息交互总线在接收到外部系统数据时，为保证数据在通过信息交互总线并跨跃隔离设备安全传输时，需要在接收到的原始数据进行一定的封装工作，主要包括封装包头、封装包尾以及其他属性信息，对端总线在接收到数据包时，需要根据解析数据包的封装信息，完整数据包的完整性与连续性验证。传输数据包的格式如表2所示。

表2 消息体组成结构

表2展示了信息交互总线跨越隔离设备传输时的数据封装格式，其中FirstHead、SecondHead、SecondTail和FirstTail为信息交互总线内部封装的头包和尾包，Mssage为信息交互总线接收的外部系统数据包，Length为Message数据长度值。

信息交互总线传输连续验证是基于数据包完整性验证，在确认数据包完整后，判定数据包是否是连续，在正确接收当前数据包后，设置下一个需要接收的数据包号，之后继续接收后续数据包，具体数据接收以及数据验证流程如图2所示。

4.数据传输码流动态控制方案

在通过反向隔离设备传输时，由于反向隔离设备传输能力有限，如果文件数量比较多时，可能会产生大量文件挤压，造成数据传输障碍，所以控制信息交互总线生成文件数量与大小以满足反向隔离的传输性能至关重要。

二、工程案例

信息交互总线作为配电智能化主站的核心组成部分，于2013年在青海省西宁市“配电智能化主站试点工程”进行现场工程实施和数据服务集成工作，主要集成的外部系统包括PMS、营销、配电自动化、调度自动化、95598、GIS、用电信息采集系统、抢修指挥平台等系统，外部系统接口类型比较庞杂，数据量巨大。

遵循国网公司在数据服务集成方面“源端唯一，全局共享”的建设思想，信息交互总线对外提供标准的数据订阅与接口，便于外部系统从信息交互总线获取相关业务数据。在配电智能化主站工程中，信息交互总线作为数据服务集成的源头，为配电自动化主站、配网生产抢修指挥平台提供基础数据，并作为数据的唯一方式，对外部系统进行数据。

近两年时间里，该信息交互总线产品在众多配电自动化项目中发挥了重要的作用，主要实施地点包括天津蓟县、东丽、宁夏宁东等多地。大量工程案例表明该架构设计方案可以满足配电自动化领域信息集成的实际需求，在集成外部服务的同时可以实现数据安全、可靠传输，为配电网领域数据全局共享奠定了重要基础。

参考文献：

[1]刘建，沈冰冰，赵江河.现代配电自动化系统[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[2]郭谋发.现代配电自动化技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]国家电网公司.国家电网公司企业标准（Q/GDW 567-2010）：配电自动化系统验收技术规范[S].北京：中国电力出版社，2011.

[4]国家电网公司.国家电网公司企业标准（Q/GDW 626-2011）：配电自动化系统运行维护管理规范[S].北京：中国电力出版社，2011.

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