胡雪青，曾嵘，何金良
（清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084）
摘 要：针对配电网络的通信要求以及传统的双环自愈结构的一些不足之处，提出一种基于生成树算法的可灵活接入的光通信终端的实现方法，并给出了系统的解决方案和工作原理。此种算法可有效地消除网络中冗余路径和监测网络的结构变更，因此此种终端可组建结构复杂的光纤以太网网络，并及时发现和处理网络故障。
关键词：现场监测单元；光纤以太网；生成树
1 引言
通信系统是配电自动化系统的重要组成部分，是配电网络监测终端将采集的数据传送给配电网管理中心的途径。现有配电网络通信方式很多，如无线通信、有线电缆通信、电力线载波通信等。与这些通信方式相比光纤通信具有安全可靠、传输距离远、容量大、抗电磁干扰能力强等优点。特别是近年来，随着光纤价格的迅速下降，光纤通信正广泛应用于配电系统的通信网络。
本文主要针对现有双环自愈结构的光纤网络的接入特点，指出其在配电网络应用中的一些不足之处，并提出了一种基于以太网网络体系结构的可灵活接入的通信终端的基本原理及其实现方式。
2 配电网的通信方式
配电网络设备覆盖范围较广、数量多、变动较输电网频繁，因此网络结构复杂。对配电网通信系统的要求主要有：通信的可靠性；通信的速率；便利的操作方式和维护；对故障的抵御能力。
目前配电网络的通信方式主要有电力线载波通信、有线电缆通信、无线通信以及光纤通信等。载波通信可利用现有电力线路，布线费用小，但是通信距离近，噪声干扰严重，易受线路负荷的接入或断开的影响。有线电缆通信采用双绞线电缆，利用485、232或现场总线技术进行通信，虽成本较低廉但是传输速率低、距离近，不适合做配电系统的通信主干网。无线通信设备安装简便，受地形影响小，在配电网远方数据采集（远方抄表、负控系统）中有一定应用，但易受空间电磁场干扰，通信稳定性不高，系统维护工作量大，通信速率低，不适合做通信主干网。与以上通信方式相比，光纤通信虽成本相对较高，但传输速率高、距离远、抗电磁干扰能力强，能满足日益庞大的电网设备的监控要求。目前，光纤以太网已经越来越多地应用于配电通信网络。
目前，国内进入实用阶段的光纤网通常设计成环状结构，采用主站－子站配置方式，主站不进行转发，以避免收到环路消息，只有子站进行转发，数据沿着光纤环单向传输。为了保证通信的可靠性，防止由于某段光纤或某个光端设备的故障造成中断整个网络的通信，通常采用双环网结构，实现网络的自愈功能。双环的运行机制有两种：一种是单环运行，另一环处于备份状态，仅在网络出现故障时构成自愈环；另一种是双环同时运行[1]，如图1所示，信号在A、B 两环上单独传输，正常运行时，由双环切换控制器选择其中一个环传输信息，如果环路出现故障（如在图中K点光纤网被切断），则子站自动把接收到的信号切换到另一个环的发送端，A、B 两环重新构成环网，完成数据传输。
图2所示为一典型的配电网络通信线路。由主站及子站光端机及其之间的光纤构成主光纤通信环网，各现场监测单元（FTU）通过双绞线接入光端机的电气接口。这种结构的通信方式虽然能够解决各站之间可靠通信的问题，但对于接入终端众多、设备接入点变动频繁的配电网络，存在着通信系统过于固定、适应性差等问题。
（1）正常情况下，若采用单环运行机制则另一环处于闲置状态，没有得到充分利用；若采用双环运行机制则无论主站还是子站发出的报文都将在两个环内同时传递，会大大增加网络负担。
（2）当环网中增加新的节点时，如图2左边所示，需在子站1和2之间增加一个通信节点，则需将原有的环网打开，熔焊光纤，重新组网。这不但带来施工上的麻烦，而且整个网络也会因此暂时中断运行。
（3）当新增加一批配电网现场监测单元时，通常会将这些设备接入一个由光端机新组成的环网，并在某个子站（如图2的子站5）接入原来的网络。这就要求该子站具有多对光纤接口，且具有多环汇接的功能。同时，新增网络中所有数据都要通过子站5转发到原环网上，这就增加了子站5的通信任务。而且，新增加的网络过多地依赖于子站5，如果子站5发生故障，它将彻底瘫痪。
（4）通信网络基于环网结构，组网方式单一，对于复杂网络拓扑结构很难适应，如在同一个子站上切入多个环网时，系统结构就会非常复杂。
因此，配电网络所需要的光通信终端不仅能够适应复杂的网络拓扑结构，而且当增加新设备时应当具有接入灵活的特点。这样才能够适应配电网的特点，构造出体系复杂、维护方便的配电网络光纤通信系统。
3 灵活接入光通信终端系统设计
3.1 光通信终端功能设计
针对上述现有配电网光通信终端的问题，灵活接入的光通信终端不区分主从关系，任何通信终端都能进行数据转发。数据在网络中双向传输，两根光纤都能得到充分利用。同时，数据选择最近的路径进行传输，网络中不存在数据的副本，减轻了每个通信终端的负担。组网的方式也不再局限于环状结构，可以以环状为主，结合各种拓扑结构灵活组网。
此外，随着嵌入式操作系统在现场监测单元中的应用，使用以太网同现场监测单元互联已经逐步取代原有的采用485或现场总线的通信方式。所以，光通信终端还提供多个以太网接口与现场监测单元进行互联。当然，也可以为现场监测单元提供兼容传统接口485、232或现场总线接口。
3.2 生成树协议
3.2.1 广播风暴
光通信终端对网络的结构没有限制，所以网络中可能会存在冗余路径；有时为了保证某些节点的通信可靠性，会增加备用线路或配置成环网。考虑到光通信终端设计成任何端口都能转发数据，所以如果没有特别的措施，以太网中的广播报文将会导致网络中出现大量的环路消息，产生广播风暴（broadcast storms）。广播风暴将占用大量的网络资源，严重影响了整个网络的性能。
3.2.2 生成树协议的实现
通信终端可通过实现IEEE 802.1D协议中的生成树（spanning tree）算法来解决广播风暴问题[2]。该算法通过在网桥（光通信终端在通信网络中起的作用相当于网桥）间传递网桥协议数据单元帧（BPDU），将一个由网桥、局域网组成的连通的具有任意拓扑结构的网络配置成一树状结构的网络，使得在任意两个节点间只有一个路由。
生成树算法要求每个通信终端具有唯一的标识号；每个通信终端的端口具有在本通信终端内唯一的标识号；有一个特定的MAC多播地址，能被局域网上所有的通信终端识别。由于每个通信终端都具有一48b的MAC地址，终端标识号可以由部分MAC地址和一可调整的优先级组成。端口的标识号可用小整数来分配。标识号越小对应的优先级越高。此外，还需要为每个端口指定一路径花费（即帧通过该端口时在局域网中传输的花费），通常与对应的局域网的传输速率成反比。
通信终端通过在相互间传递一种称为配置BPDU的帧来计算生成树。配置BPDU中包含了诸如根标识号、通信终端标识号、根路径花费、端口表示和最大时限等信息。整个网络中，具有最小标识号的通信终端将被指定为生成树的根。最初的网络中，每个通信终端都宣称自己是根，同时收发网络上的配置BPDU报文，如果发现有别的通信终端的标识比自己小时，则就不再宣称自己是根了。这样，随着配置BPDU报文在网络中的传播，所有通信终端最终将达成共识，生成树的根也就产生了。从每个通信终端的端口都会有一个被称为根路径花费的参数，它是从该端口到根的所有路径花费之和。同一个通信终端里，具有最小根路径花费的端口（若有相同的，则取端口标识号较小的），被选为该通信终端的根端口。每一个由被监测设备组成的局域网都会被连接到某个通信终端的端口（如同时连接到多个端口，则选择到根的路径花费之和最小的），这个端口就被选为该局域网的选取端口。最后，网络中所有根端口和选取端口将允许转发报文，而其它的端口将被阻塞。
当所有通信终端配置稳定后，每隔一定时间，被选为根的通信终端将发送一次配置BPDU报文，更新每个通信终端维护的计数器。如果某个通信终端的计数器过期（可能因为数据通路上的某条光纤和某个通信终端出现故障），该通信终端就会向根发送一种称为拓扑变化通知BPDU的报文宣称网络结构发生了变化。根收到后向所有通信终端发送拓扑变化通知BPDU。整个网络将重新配置生成树，某些通信终端端口的工作状态将改变，从而实现网络的自愈功能。考虑到网络的传播迟延，端口从阻塞状态改变到转发状态需要经历监听和学习两个状态，每次状态的改变都要等到端口计时器超时才发生。如果直接把端口从阻塞状态转换到转发状态，可能会导致网络中出现短暂的环路和帧的重复。
3.2.3 灵活接入的实现
实现生成树算法后，通信模块从接收到的BPDU帧中提取网络信息，由微处理器计算每个通信终端每个端口的工作状态，然后加以调整，实现设备的灵活接入和故障恢复。如果调整原主站的通信终端标识号，使之具有最高优先级，则它将被选为生成树的根。由生成树算法可以看出，每个通信终端都将尽可能地选择一条到根最近的路径传送数据。设备的接入可以采用就近原则，组网方式灵活。
3.3 光通信终端的硬件设计
光通信终端的整体结构如图3所示，主要由以太网通信模块和嵌入式系统模块构成。
3.3.1 以太网通信模块
以太网通信模块提供若干光纤和双绞线通信接口。为了适应复杂的网络结构，要求各个通信端口之间可以互相转发数据，所以模块采用交换式结构，由SWITCH芯片来实现帧转发功能。
根据生成树算法，SWITCH的端口工作在阻塞、监听、学习和转发4种状态。通信终端在初始化时所有端口被配置为阻塞状态，并指定管理端口。管理端口直接同微处理器的MAC口相连，SWITCH收到的BPDU报文将通过管理端口发往微处理器。芯片SWITCH应至少支持两个光纤端口，这样才能实现光纤环网的结构。同时，根据芯片SWITCH支持的光纤和双绞线端口的个数，结合实际需要，配上相应的芯片PHY和光纤收发器、隔离变压器和RJ45插座就可组成通信终端端口。由于光纤以太网没有自动协商机制（auto–negotiation），可以将它配置成100Base-FX，全双工模式；而相应的双绞线端口则可配置成自动协商模式，使之10M/100M、半双工/全双工自适应，增强设备的兼容性[3]。
3.3.2 嵌入式系统模块
嵌入式系统模块主要由微处理器、SDRAM和FLASH芯片组成，协调整个通信终端的运行。微处理器通过MAC口收发报文，通过SMI口访问和控制SWITCH及PHY，所以芯片SWITCH是带有管理功能的。微处理器还可以扩展一些其它的通信接口（如CAN、SPI和UART等），以适应不同的场合，提供多种通信功能。
一个好的通信终端，不仅要能够可靠高效地通信，还要提供功能强大、方便易用的网络管理。传统的单片机嵌入简单的应用程序已经无法胜任，这就需要嵌入式操作系统。嵌入式系统种类繁多，常见的有QNX、VxWorks、WinCE以及近来比较流行的Linux等。作为开放源代码的自由软件，Linux不仅价格便宜，而且有大量现成的设备驱动程序，因此选用了Linux。由于代码开放，开发时可以对它们进行修改以适应自己的系统。
3.4 光通信终端的软件设计
通信终端的软件主要是建立一嵌入式Linux平台，并在此基础上实现生成树协议和高层网络管理协议。建立平台和实现协议有很多相关资料。需要提及的是，针对生成树协议，通信终端对于不同类型的以太网帧应该采取不同的处理办法。
数据帧的流程图如图4所示。
光通信终端将收发两种类型的以太网帧：普通以太网帧和BPDU帧。对于普通以太网帧，由处于转发状态的端口接收，通信终端将根据其类型（单播、组播、广播）向处于转发状态的端口转发。对于具有特殊组播地址的BPDU帧，由于生成树算法工作在数据链路层，为此须对Linux的MAC驱动程序进行修改，在链路层截获BPDU帧，而不把帧送到上一层——网络层。同时需要编写SWITCH的驱动程序[4]，接收MAC驱动截获的BPDU报文，并且发送BPDU报文。由于无法知道何时会收到BPDU报文，发送缓冲区是否已满，因此驱动程序的read和write函数应该被设计成阻塞型。同时，SWITCH驱动程序提供ioctl函数，允许微处理器访问其内部寄存器，改变工作状态。
3.5 通信的可靠性
通信终端实现的生成树协议使得网络适用于复杂的网状拓扑结构，比起简单的环状结构，其节点间可以有更多的通路，从而增强了通信的可靠性和抵御故障的能力。通信网络采用以太网结构，在数据链路层提供帧的CRC校验，以保证数据的准确性。同时，以太网的流量控制机制可避免网络在高负荷情况下因缓冲拥塞造成的丢帧现象。最后，通信终端嵌入Linux操作系统实现了标准的TCP/IP协议，从而保证数据传输的高可靠性。
4 结语
本文结合配电网络的通信要求，提出了一种灵活接入的光通信终端的实现方法。并且利用生成树算法，有效地消除了网络中的冗余路径和监测网络结构变更，因此，利用此种终端可以组建结构复杂的光纤以太网网络，并及时发现和处理网络故障。利用嵌入式操作系统的强大功能，实现了通信终端方便快捷的网络管理。
参考文献
[1] 胡清兰，叶秉堃（Hu Qinglan，Ye Bingkun）．光纤通信技术在电力系统的应用（Application of optic communication technology on power systems）[J]．现代电力（Modern Electric Power），2000，17(3)：75-81．
[2] ANSI/IEEE Std 802.1D，Part 3：media access control（MAC） Bridges[S]．1998 Edition．
[3] Rich Seifert，千兆以太网技术与应用[M]．郎波，黄冬泉，张辉，等译．北京：机械工业出版社，2000．
[4] Alessandro Rubini．Linux device drivers[M]．101 Morris Street, Sebastopol, CA 95472: O’Reilly & Associates，Inc.，1998．
摘自 电网技术
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