基于緩存技術的信息交互總線可靠傳輸研究

摘要：研究配電網(wǎng)信息交互、信息集成相關需求，遵循IEC 61968接口規(guī)范，跨區(qū)實現(xiàn)電網(wǎng)安全I區(qū)和III區(qū)之間的準確、安全、可靠的數(shù)據(jù)傳輸與信息交互，有效實現(xiàn)電網(wǎng)信息資源整合，消除“信息孤島”。通過異構環(huán)境中信息傳輸與驗證，系統(tǒng)屏蔽掉了硬件層、操作系統(tǒng)層、網(wǎng)絡層等物理介質(zhì)，為上層應用提供了透明化的數(shù)據(jù)交互服務，最大限度地提高了應用的可移植性與可擴充性。在通過信息交互總線傳輸數(shù)據(jù)的過程中，需要保證數(shù)據(jù)高效、完整、可靠的傳輸，采用了基于緩存技術的架構設計方案，確保數(shù)據(jù)通過信息交互總線可靠傳輸。

關鍵詞：緩存；信息交互總線；隔離設備；IEB

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）29-0109-02

基于電力系統(tǒng)安全要求，I區(qū)與III區(qū)之間通過隔離設備連接，使得信息交互產(chǎn)生一定障礙，并且隨著電力系統(tǒng)的逐漸增多也產(chǎn)生大量信息孤島，使得信息傳輸不暢，在這樣的背景下，信息交互總線應運而生。使用信息交互總線屏蔽由于網(wǎng)絡環(huán)境、物理隔離設備等造成的通訊不暢，使得外部服務可以通過信息交互總線透明地實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及消息傳遞。

鑒于隔離設備的物理特性，正向隔離采用TCP方式通訊，反向隔離采用文本文件的方式，使得數(shù)據(jù)在經(jīng)過隔離設備傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生數(shù)據(jù)包傳輸不完整甚至丟包的情況，最終導致外部系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)異常，所以信息交互總線在跨域隔離設備，實現(xiàn)跨區(qū)數(shù)據(jù)傳輸時，如何保證數(shù)據(jù)安全、高效、穩(wěn)定傳輸成為信息交互總線內(nèi)部的關鍵問題。

一、設計方案

本技術方案主要針對信息交互總線在跨越隔離設備傳輸?shù)倪^程中丟包檢測以及在丟包后消息補發(fā)方法的問題進行研究討論，在解決該問題的過程中涉及復雜的丟包檢測、緩存、補發(fā)等處理機制。這里主要分4個方案進行討論，主要包括整體方案、基于內(nèi)存與文件的緩存方案、數(shù)據(jù)包完整性和傳輸連續(xù)性驗證方案以及數(shù)據(jù)傳輸碼流動態(tài)控制方案等。

1.整體方案

信息交互總線主要解決了由于物理隔離設備所造成的通訊障礙，便于信息集成以及跨I區(qū)與III區(qū)之間的信息傳遞，使得外部服務可以透明傳輸。信息交互總線總體架構設計如圖1所示。

2.基于文件與內(nèi)存的緩存方案

鑒于反向隔離設備的物理特性，反向隔離采用文件方式傳輸，信息交互總線將消息以Byte方式寫成文本文件，通過反向隔離設備將數(shù)據(jù)文件由III區(qū)發(fā)送到I區(qū)。在傳輸?shù)倪^程中，由于網(wǎng)絡、隔離設備等多種因素，導致傳輸過程中會產(chǎn)生丟包的情況，造成了通訊障礙，所以保證數(shù)據(jù)包完整、高效傳輸尤為重要。

為避免由于隔離設備傳輸產(chǎn)生丟包造成的通訊障礙，本方案采用緩存的方式將數(shù)據(jù)進行一定時間的保存，如果總線內(nèi)部檢測到在跨越隔離設備傳輸時產(chǎn)生丟包，發(fā)送端將利用緩存（文件方式、緩存方式）的數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)包補發(fā)，在信息交互總線內(nèi)部，保證數(shù)據(jù)包安全、高效傳輸。鑒于正向隔離采用TCP方式通訊，所以正向緩存方案采用內(nèi)存方式存儲；反向隔離采用文本方式傳輸，所有反向緩存方案采用文本方式存儲，這種方式可以在丟包產(chǎn)生時迅速補發(fā)丟失數(shù)據(jù)包，不需要再進行復雜的數(shù)據(jù)封裝工作。

在文件、內(nèi)存緩存的過程中，在保證緩存數(shù)據(jù)充足、有效的前提下，為避免由于緩存數(shù)據(jù)量過大而造成的內(nèi)存空間溢出或磁盤空間不足等情況，在緩存量方面采用了循環(huán)覆蓋的方式，默認緩存量為0～999包號。當包號跨躍999時，從新歸檔包號為0，采用循環(huán)覆蓋的方式有效避免了緩存量過大而造成的程序異常問題。在天津薊縣配電自動化項目（配點自動化主站系統(tǒng)、信息交互總線系統(tǒng)）實施過程中，對緩存量進行了大量現(xiàn)場測試，包號默認最大值設置在999時可以滿足業(yè)務需求，并且在系統(tǒng)出現(xiàn)丟包后，發(fā)送端在緩存數(shù)據(jù)中查找對應數(shù)據(jù)包時，查詢命中時間最短，故系統(tǒng)默認初始設定默認最大包號為999。

下面以內(nèi)存緩存為例介紹內(nèi)存緩存的存儲結構。內(nèi)存緩存使用HashMap方式進行存儲，其中Key為包號，Value為封裝之后的數(shù)據(jù)包，當數(shù)據(jù)包的Key值存儲到999時，由于采用循環(huán)方式，Key強制歸檔為001，鑒于HashMap的存儲機制，Key值相同時覆蓋舊數(shù)據(jù)，達到了循環(huán)覆蓋的目的。文件緩存的存儲機制和覆蓋原理與內(nèi)存緩存相同，差別在于文件緩存的存儲和覆蓋在硬盤的磁盤空間中完成，內(nèi)存緩存具體存儲結構如表1所示。

表1 內(nèi)存緩存存儲結構

3.數(shù)據(jù)包完整性和傳輸連續(xù)性驗證方案

信息交互總線經(jīng)過物理隔離設備發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要保證數(shù)據(jù)在通過隔離設備傳輸后數(shù)據(jù)的完整性以及傳輸數(shù)據(jù)包的連續(xù)性，所以信息交互總線在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時進行了有效的封裝和驗證工作。

信息交互總線在接收到外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)時，為保證數(shù)據(jù)在通過信息交互總線并跨躍隔離設備安全傳輸時，需要在接收到的原始數(shù)據(jù)進行一定的封裝工作，主要包括封裝包頭、封裝包尾以及其他屬性信息，對端總線在接收到數(shù)據(jù)包時，需要根據(jù)解析數(shù)據(jù)包的封裝信息，完整數(shù)據(jù)包的完整性與連續(xù)性驗證。傳輸數(shù)據(jù)包的格式如表2所示。

表2 消息體組成結構

表2展示了信息交互總線跨越隔離設備傳輸時的數(shù)據(jù)封裝格式，其中FirstHead、SecondHead、SecondTail和FirstTail為信息交互總線內(nèi)部封裝的頭包和尾包，Mssage為信息交互總線接收的外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)包，Length為Message數(shù)據(jù)長度值。

信息交互總線傳輸連續(xù)驗證是基于數(shù)據(jù)包完整性驗證，在確認數(shù)據(jù)包完整后，判定數(shù)據(jù)包是否是連續(xù)，在正確接收當前數(shù)據(jù)包后，設置下一個需要接收的數(shù)據(jù)包號，之后繼續(xù)接收后續(xù)數(shù)據(jù)包，具體數(shù)據(jù)接收以及數(shù)據(jù)驗證流程如圖2所示。

4.數(shù)據(jù)傳輸碼流動態(tài)控制方案

在通過反向隔離設備傳輸時，由于反向隔離設備傳輸能力有限，如果文件數(shù)量比較多時，可能會產(chǎn)生大量文件擠壓，造成數(shù)據(jù)傳輸障礙，所以控制信息交互總線生成文件數(shù)量與大小以滿足反向隔離的傳輸性能至關重要。

二、工程案例

信息交互總線作為配電智能化主站的核心組成部分，于2013年在青海省西寧市“配電智能化主站試點工程”進行現(xiàn)場工程實施和數(shù)據(jù)服務集成工作，主要集成的外部系統(tǒng)包括PMS、營銷、配電自動化、調(diào)度自動化、95598、GIS、用電信息采集系統(tǒng)、搶修指揮平臺等系統(tǒng)，外部系統(tǒng)接口類型比較龐雜，數(shù)據(jù)量巨大。

遵循國網(wǎng)公司在數(shù)據(jù)服務集成方面“源端唯一，全局共享”的建設思想，信息交互總線對外提供標準的數(shù)據(jù)訂閱與發(fā)布接口，便于外部系統(tǒng)從信息交互總線獲取相關業(yè)務數(shù)據(jù)。在配電智能化主站工程中，信息交互總線作為數(shù)據(jù)服務集成的源頭，為配電自動化主站、配網(wǎng)生產(chǎn)搶修指揮平臺提供基礎數(shù)據(jù)，并作為數(shù)據(jù)的唯一發(fā)布方式，對外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)發(fā)布。

近兩年時間里，該信息交互總線產(chǎn)品在眾多配電自動化項目中發(fā)揮了重要的作用，主要實施地點包括天津薊縣、東麗、寧夏寧東等多地。大量工程案例表明該架構設計方案可以滿足配電自動化領域信息集成的實際需求，在集成外部服務的同時可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全、可靠傳輸，為配電網(wǎng)領域數(shù)據(jù)全局共享奠定了重要基礎。

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（責任編輯：王祝萍）