异步传输方式在IEC60870—5—104规约中的应用

夏焱 朱岩

摘 要：为了满足配电网自动化中高容量数据存储、高速率数据通信的通信要求，根据异步传输的特点，结合IEC60870-5-104协议的参考模型，提出了异步传输方式在IEC60870-5-104规约中的应用设计。软件部分以.NET为平台，采用C#语言设计异步回调方法，结合多线程，实现数据传输，并快速、实时响应主站操作。结果表明，使用异步传输方式，可以满足系统的实时性，快速性，有效性。

关键词：IEC60870-5-104；异步传输；配电自动化；回调；多线程

随着世界电力系统的飞速发展，电力技术日新月异，IEC60870-5-104规约也应运而生。IEC60870-5-104远动规约主要应用于调度主站与RTU之间的数据传输。它将IEC60870-5-101的应用层与TCP/IP网络传输层相结合，在确保规约标准化的同时也保证了通信的实时性和可靠性。

1 异步传输与同步传输要点

1.1 异步传输（Asynchronous Transmission）

异步传输是将数据（BIT）先分成若干个部分再进行传输。发送端发送数据是随机的，可以在任意时刻发送，所以接收方不能准确的计算出数据何时会到达。

在异步传输模式中，需要在待传送字符码前添加起始位，用来表示字符码传输的开始；而在字符码后面同样需要添加1-2个停止位，用来表示字符结束。通过起始位和停止位，接收方便可以判断出一个新字符是否开始或结束，最终使得发送方与接收方达到同步[1]。

1.2 同步传输（Synchronous Transmission）

同步传输是把字符组合起来一并发送，同样的，每个字符都需要加上起始位和停止位。我们把这些组合叫做数据帧，简称为帧[2]。

数据帧头即起始位，它是一种特殊的比特组合，其作用是告知接收方数据帧是否已送达，同时，它还能使得发送方与接收方进入同步，保证了数据的传输速度和接收方的读取速度相一致。数据帧尾是结束标志位，相当于停止位，其作用是表示数据已经传输结束，不会再有其他数据到达。

1.3 异步传输与同步传输的区别

由于字符之间通过异步方式来传输，所以异步传输方式并不需要发送方和接收方的时钟同步。而对于同步传输方式来说，发送方和接收方则需时钟同步，因为字符间的传输是同步的。

异步传输的时候，需要调用异步函数发送数据，这个函数立马有返回值返回，程序可以继续执行其他函数；接收时，当异步函数有数据来时，将会收到通知，或者直接调用回调函数。

同步传输的时候，对方在确认收到数据之前，该函数无返回值；接收时，线程就一直处于等待状态，直到接收到返回值，然后继续执行其他指令，否则不执行任何操作[3]。

2 IEC60870-5-104协议

为了适应网络更安全更高效的传输，国际电工委员会制订了IEC60870-5-104规约，它是以IEC60870-5-101远动通信规约为基础的。IEC60870-5-104规约利用以太网进行传输，网络层使用TCP/IP协议，应用层使用IEC60870-5-101规约中的应用服务数据单元（ASDU）。

IEC60870-5-104远动规约结构[4]如图1所示。在该图的5层结构中，IEC60870-5-104规约处于应用层协议的位置。IEC60870-5-104规约规定传输层使用的是TCP协议，每一种应用层协议都有一个网络端口号对应。应用规约数据单元（APDU），是由应用规约控制信息（APCI）和应用服务数据单元（ASDU）两部分组成，它是一个标准的数据帧[5]。

3 异步传输在104中的应用

IEC60870-5-104规约通信过程主要包括以下几个步骤：

3.1 建立连接过程

TCP连接和建立采用客户端/服务器端方式，在建立TCP连接之前，服务器端始终处于侦听状态以等待客户端的连接请求，客户端不断的向服务器端发出连接请求；当服务器端接收到连接请求以后，TCP连接建立，并开始持续的监测TCP连接状态，以便TCP连接被关闭或意外断开后重新发出连接请求[6][9]。

3.2 启动传输

其数据帧为U格式帧，主要用于测试链路、启动/停止数据传输。在建立连接后，由于建立连接时STOPDT处于未确认状态，服务器端不会发送任何数据，直到客户端主动发送一个STARTDT指令用来激活用户数据的传输[7]。如图2所示：

3.3 总召

由主站启动发送。子站收到总召命令后依次向主站发送总召确认帧、测试帧、结束帧，来完成整个总召激活过程。

3.4 数据传输

准备工作完成后，子站开始主动地向主站即服务器端发送数据。

3.5 对时

主站发送时间同步数据帧，启动对时命令，子站在收到帧后更新时间，并向主站发送确认帧。

3.6 子站事件自动上传

根据实际情况，子站将主动的向主站发送一些突发事件。以太网对于服务器端和客户端都是一个高速的全双工网络，因此IEC6080-5-104的传输方式应当选择非平衡式传输。

3.7 命令传输

主站向子站发送命令，子站返回确认并发送数据，最后子站向主站发送总召结束命令[8]。

由于IEC60870-5-104规约的特殊性，接收方不知道什么时候数据会到达，不能做到与发送方的时钟同步，所以采用的是非平衡方式传输，即一方发起通讯，另一方进行响应。采用网络协议的IEC60870-5-104规约，子站会将消息主动上传到主站，数据帧解析后再将消息交给线程进行处理，所以采用的是异步传输方式。设计流程图如图3。

通讯过程中连接的建立使用Socket异步传输方法BeginReceiveAsync（）和EndReceiveAsync（）来接收、处理数据包，当数据处理结束后，使用AsyncCallback委托方法回调[10]。

// 启动异步

this.socket.BeginReceiveFrom（packet.Data， 0， UdpPacket.BUFFERSIZE，SocketFlags.None，ref packet.RemoteEndPoint， new AsyncCallback（EndReceiveAsync）， packet）；

在建立TCP连接之前，服务器端需要始终处于侦听状态以等待客户端的连接请求，这里使用的是TcpListener类进行侦听；客户端不断的向服务器端发出连接请求，建立连接后，开始并持续监测TCP连接的状态，当TCP连接被关闭或断开后，客户端立即重新向服务器端发出连接请求。

连接建立后，客户端与服务器端之间就可以开始数据交互传输。由于同步传输是单线程的，等待操作的过程中可能会导致方法阻塞，异步方法很好的解决了这些问题，异步执行某个方法，程序在线程池里选取一个新线程来运行该异步方法，这样主线程就不容易卡死。

由异步开辟出的新线程，用完之后我们要想办法将它回收。这里我们使用的是异步回调方法。其核心如下：

⑴使用回调函数，异步操作结束后，程序将会自动调用此回调函数。

⑵在主线程的回调函数中使用EndInvoke方法。

异步回调的大致流程：启动异步，在主程序里加上异步结束时所需执行的回调函数，然后就可以继续执行其他程序，最后当此异步线程工作自动完成，就会执行主程序里的那个回调函数，将其结果返回给主函数，并执行下一步操作。如图4所示：

采用异步回调的方法，并运用多线程的处理，可以在等待响应的过程中执行下一行代码，大幅提高程序的运行速率，防止程序因等待过程的无响应而死掉。最好的体现就是在IEC60870-5-104中与连接有关的四个超时时间t0-t3。通过异步回调，程序可以在等待响应的时间段里继续执行后面代码，而通过回调函数可以接收到超时状态，有效的解决了因等待而造成的程序停滞、瘫痪，体现了其快速性、高效性、可靠性。

4 结语

随着计算机网络技术和电力自动化技术的蓬勃发展，国家电网对配电自动化水平的要求越来越高，电力监控系统越来越多地使用IEC60870-5-104远动规约。作为国际化标准，IEC60870-5-104规约能很好地保证通信的统一性和安全性。而使用异步传输方式，可以有效的提高IEC60870-5-104规约的传输效率，使得IEC60870-5-104规约更加简单可靠，在未来的配电网自动化发展中的应用也将会越来越广泛。

[参考文献]

[1]D.W.CALDWELLA Distributed Spacecraft Thermal Control Architecture Using the Dallas Semicinductor MicroLan Products.Digital Avionics Systems Conference，1997，10：1-8.

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[5]彭永峰.104规约通信在远动系统的应用[J].科技资讯.2010.

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[10]陈什，朱岩.大规模车辆监控系统中通信服务器的设计与实现[J].计算机与现代化.2011.