一种基于FPGA的智能变电站过程层网络传输性能监测方法

摘要

本发明提供一种基于FPGA的智能变电站过程层网络传输性能监测方法，该方法包括：发送端报文在MAC层封装成帧时预留报文的标记位；接收端收到报文并下发至FPGA的缓存区；FPGA检查接收缓存区，有报文的即读取帧的标记位并处理；报文在FPGA的缓存区处理完后，发送至交换芯片。本发明提供的技术方案采用FPGA的方式，实现了获取网络报文性能参数，控制延时抖动在保护可接受的确定的范围内(2ms)，保证关键业务的实时性；其次交换机上实现的过程层网络传输性能监测，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，提高网络可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及智能变电站过程层通信中的一种网络传输性能监测方法，具体讲涉及一种基 于FPGA的智能变电站过程层网络传输性能监测方法。

背景技术

新一代智能变电站目标，智能变电站网络交换机应用情况及2013年新一代智能变电站的 研究及实施进展，要求进一步简化网络结构，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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于FPGA的智能变电站过程层网络传 输性能监测方法，该方法通过FPGA对网络传输的报文进行记录，在过程层交换机上实现网 络性能监测：链路链接状态；带宽占用状态；网路异常诊断，提高网络可靠性，提高现场调 试效率，增强运维检修能力。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于FPGA的智能变电站过程层网络传输性能监测方法，其改进之处在 于，在智能变电站过程层的MAC层和交换芯片之间设有FPGA；所述方法包括下述步骤：

(1)发送端报文在MAC层封装成帧时预留报文的标记位；

(2)接收端收到报文并下发至FPGA的缓存区；

(3)FPGA检查接收缓存区，有报文的即读取帧的标记位并处理；

(4)报文在FPGA的缓存区处理完后，发送至交换芯片。

进一步地，所述步骤(1)中，发送端报文包括变电站GOOSE报文和SV报文；所述步 骤(2)中，接收端收到GOOSE和SV报文，进入交换芯片的MAC端之前下发至FPGA的 缓存区；所述步骤(3)中，FPGA检查接收缓存区，有GOOSE和SV报文即读取帧的标记 位并处理，采用FPGA硬件记录和读取报文信息；报文在FPGA端处理完后，发送至交换芯 片的MAC端。

进一步地，GOOSE和SV报文进入交换芯片的MAC端之前监测网络传输延时性能、监 测链路连接状态、监测带宽占用状态、监测端口转发状态、监测网络传输丢包和误码以及诊 断网络异常。

进一步地，通过FPGA监测网络传输延时性能包括：FPGA在报文发送时在报文中加入 时间信息，在报文到达目的地址时计算当前时间与报文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，在实时延时超过网络传输延时阈值时，封装报警信息，并 上传至网管端。

进一步地，通过FPGA监测链路连接状态包括：

所述FPGA建立报文中入端口连接状态监控，监控端口连接或断开信息，在端口链路状态发 生变化时，封装报警信息，并上传至网管端。

进一步地，通过FPGA监测带宽占用状态包括：通过记录在时间T内接收报文M与发送 报文包数量N，以及报文的帧长S，计算已占用接收端和发送端带宽B_r和B_t：

接收端带宽占用：B_r＝(M*S)/T      ①；

发送端宽带占用：B_t＝(N*S)/T    ②。

进一步地，通过FPGA监测端口转发状态包括：在转发状态在forward与block之间或 forward与discard之间变化时，封装报警信息，并上传至网管端。

进一步地，通过FPGA监测网络传输丢包和误码包括：统计丢包数，并计算丢包率；同 时统计误码数，计算误码率，设定丢包率阈值和误码率阈值，当丢包率超过设定丢包阈值或 误码率超过设定误码率阈值时，封装报警信息，并上传至网管端。

进一步地，通过链路连接状态、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，进而诊断网络 异常。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明提供的方法首先采用FPGA读取过程层GOOSE和SV报文性能参数，运算速度 快、精度高，控制延时抖动在保护可接受的确定的范围内(2ms)，保证关键业务的实时性； 其次交换机上实现的过程层网络传输性能监测，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，提高网络可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的网络传输时延监测示意图；

图2是本发明提供的监测链路链接状态示意图；

图3是本发明提供的监测带宽占用状态示意图；

图4是本发明提供的监测端口转发状态示意图；

图5是本发明提供的网络传输误码、丢包监测示意图；

图6是本发明提供的网络异常诊断示意图；

图7是本发明提供的基于FPGA的智能变电站过程层网络传输性能监测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明在智能变电站过程层的MAC层和交换芯片之间设计FPGA电路。本发明提供了 一种基于FPGA的智能变电站过程层网络传输性能监测方法，在保证关键业务的实时性的基 础上，能够识别异常报文，提高网络可靠性。该方法的流程图如图7所示，法采用如下技术 方案：

(1)发送端GOOSE和SV报文报文在MAC层封装成帧时预留报文的标记位；

(2)接收端收到GOOSE和SV报文，进入交换芯片的MAC之前下发至FPGA缓存区；

GOOSE和SV报文进入交换芯片的MAC端之前监测网络传输延时性能、监测链路连接 状态、监测带宽占用状态、监测端口转发状态、监测网络传输丢包和误码以及诊断网络异常。

通过FPGA监测网络传输延时性能包括：FPGA在报文发送时在报文中加入时间信息， 在报文到达目的地址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；网络传输 时延监测示意图如图1所示。

通过FPGA监测链路连接状态包括：FPGA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；监测链路链接状态示 意图如图2所示。

通过FPGA监测带宽占用状态包括：通过记录在时间T内接收报文M与发送报文包数量 N，以及报文的帧长S，计算已占用接收端和发送端带宽B_r和B_t：监测带宽占用状态示意图 如图3所示。

接收端带宽占用：B_r＝(M*S)/T       ①；

发送端宽带占用：B_t＝(N*S)/T       ②。

通过FPGA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，上传至网管端；监测端口转发状态示意图如图4所示。

通过FPGA监测网络传输丢包和误码包括：统计丢包数，并计算丢包率；同时统计误码 数，计算误码率，设定丢包率阈值和误码率阈值，当丢包率超过设定丢包阈值或误码率超过 设定误码率阈值时，封装报警信息，并上传至网管端。网络传输误码、丢包监测示意图如图 5所示。

诊断网络异常包括：通过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。网络异常诊断示意 图如图6所示。

(3)FPGA检查接收缓存区，有GOOSE和SV报文即读取帧的标记位并处理，采用了 FPGA硬件来记录和读取报文信息。

(4)报文在FPGA端处理完后，发送至交换芯片的MAC端。

本发明提供的基于FPGA的智能变电站过程层网络传输性能监测方法，通过FPGA对网 络传输的报文进行记录，在过程层交换机上实现网络性能监测：链路链接状态；带宽占用状 态；网路异常诊断，提高网络可靠性，提高现场调试效率，增强运维检修能力。

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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换， 均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。