智能变电站网络风暴测试研究_浮明军

文章编号：１００７－２３２２（２０１３）０３－００８５－０５文献标识码：Ａ中图分类号：ＴＭ７３２

智能变电站网络风暴测试研究

浮明军，刘秋菊，左群业

（许继电气股份有限公司，河南许昌　４６１０００）

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｓｔｏｒｍ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｍａｒｔ　Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ

ＦＵ　Ｍｉｎｇｊｕｎ，ＬＩＵ　Ｑｉｕｊｕ，ＺＵＯ　Ｑｕｎｙｅ

（ＸＪ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｕｃｈａｎｇ　４６１０００，Ｃｈｉｎａ）

摘　要：如何提高设备抵御网络风暴的能力是智能变电站面临的重要课题。本文首先分析了智能变电站站控层网络和过程层网络的通信方式和网络风暴产生的原因；其次依据目前智能变电站的典型架构建立了网络风暴模拟测试环境并设计了测试用例，通过测试验证了网络风暴对智能变电站各组网设备的冲击影响；最后，针对设备在网络风暴测试中暴露的问题进行了分析研究，提出了通过对网络风暴报文进行硬件过滤和风暴识别进而避免网络风暴冲击的方法，经验证该方法改进效果良好，提高了智能变电站组网设备抵御网络风暴的能力。

关键词：智能变电站；网络风暴；测试；硬件过滤；风暴识别

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｏｗ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｇａｉｎｓｔｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｔｏｒｍ　ｉｓ　ａｎ　ｉｓｓｕｅ　ｔｈａｔ　ｎｅｅｄｓ　ｔｏ　ｂｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｆｏｒｓｍａｒｔ　ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ．Ａｔ　ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｏｆ　ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｌａｙｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅｒｅａｓｏｎ　ｔｈａｔ　ｃａｕｓｅｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｔｏｒｍ　ｆｏｒ　ｓｍａｒｔ　ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ　ａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎ，ａ　ｔｅｓｔ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ａｎｄｔｅｓｔ　ｃａｓｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｌａｓｓｉｃａｌ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆ　ｓｍａｒｔ　ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｔｏｒｍ　ｏｎ　ｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｆｏｒ　ｓｍａｒｔ　ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｄ，ｔｈｅ　ｅｘｐｏｓｅｄ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｔｏｒｍ　ｉｓ　ａｖｏｉｄｅｄ　ｂｙ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇａｎｄ　ｓｔｏｒｍ　ｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｇａｉｎｓｔ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｔｏｒｍ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔ　ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ；ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｔｏｒｍ；ｔｅｓｔ；ｈａｒｄ－ｗａｒｅ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ｓｔｏｒｍ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ

０　引　言

智能变电站的典型结构是“三层两网”，三层为站控层、间隔层、过程层；两网为站控层网络和过程层网络。网络化是智能变电站的一大特点，网络在给智能变电站带来数据的充分共享等优点的同

时，也对智能变电站的安全可靠运行带来一定的影响，其中影响最为恶劣的就是网络风暴。网络风暴除了会造成网络堵塞、系统大面积断网等影响外，还会冲击过程层、间隔层中所有组网设备，造成其网卡接收缓冲区溢出，大量占用ＣＰＵ资源，导致各组网设备软件程序死机或重启，危害智能变电站的安全稳定运行。

网络风暴的危害已经引起了业界的高度重视，文献［１］就提出了“在任何网络运行工况流量冲击下，装置均不应重启或死机”的要求。目前业界对网络风暴的研究工作主要集中在采取手段避免网络风暴产生和网络风暴发生后如何排查［２］，本文侧重于研究提高各组网设备抵御网络风暴的能力。通过研究分析智能变电站网络报文通信方式，建立网络风暴测试环境，研究分析了网络风暴对组网设备的影响，提出通过对网络风暴报文进行硬件过滤和风暴识别进而避免网络风暴冲击的改进方法。

１　网络通信方式分析

１．１　过程层网络分析

智能变电站过程层网络主要传递ＳＶ（采样值）和ＧＯＯＳＥ（面向通用对象的变电站事件）报文，实现测控数据和保护装置间失灵启动等信息的传输。网络报文采用组播通信方式，工程应用中常采用ＶＬＡＮ（虚拟局域网）或ＧＭＲＰ（组播注册协议）等网络隔离措施对报文进行有效隔离［３］。为了报文传递的快速性和可靠性，避免通信协议栈造成传输延时，ＩＥＣ　６１８５０标准规定了ＳＶ和ＧＯＯＳＥ报文的通信协议栈如图１所示。

１．２　站控层网络分析

智能变电站站控层网络主要的通信报文有ＭＭＳ（制造报文规范）、ＧＯＯＳＥ、ＡＲＰ（地址解析

图１　ＳＶ，ＧＯＯＳＥ通信协议栈

协议）等。通信方式覆盖了单播、组播、广播３种通信方式。

１．２．１　ＭＭＳ（制造报文规范）报文

ＩＥＣ　６１８５０标准针对变电站所有功能定义了比较详尽的逻辑节点和数据对象，并提供了完整的描述数据对象模型的方法和面向对象的服务。这些抽象的通信服务、通信对象及参数通过特殊通信服务映射（ＳＣＳＭ）映射到底层应用程序，按照ＭＭＳ报文采用单播通信方式传输，实现间隔层装置与监控

系统的通信［４］，其通信协议栈如图２所示

。

图２　ＭＭＳ通信协议栈

１．２．２　ＡＲＰ报文

智能变电站用交换机多为二层交换机，二层交换机属数据链路层设备，主要靠识别数据包中的ＭＡＣ地址信息，根据ＭＡＣ地址进行数据包转发。由于ＭＭＳ报文采取ＴＣＰ／ＩＰ协议单播通信方式，监控系统与间隔层装置通信时，还需要通过ＡＲＰ

将目标ＩＰ地址转化为目标ＭＡＣ地址。

ＡＲＰ协议的应答过程如下：

主站发送ＡＲＰ请求帧，此请求帧的目标ＭＡＣ地址为ＦＦ－ＦＦ－ＦＦ－ＦＦ－ＦＦ－ＦＦ，即为广播报文，交换机收到此报文后，转发至所有间隔层装置。

如果某间隔层装置的ＩＰ地址与ＡＲＰ请求帧中的目的ＭＡＣ地址相同，则会回复ＡＲＰ应答报文，将其ＭＡＣ地址告知主站，此报文属于单播报文。

主站接收到ＡＲＰ应答报文后，建立ＡＲＰ缓存表。此后主站根据ＡＲＰ列表信息与各间隔层装置采取ＴＣＰ／ＩＰ协议进行单播通信。此后主站会按照固定周期对ＡＲＰ列表进行老化，重复以上应答过程，更新ＡＲＰ列表信息。

１．２．３　ＧＯＯＳＥ报文

智能变电站站控层网络的ＧＯＯＳＥ报文功能区别于过程层网络的ＧＯＯＳＥ报文，其主要用于实现间隔层装置间的联闭锁功能和低压侧（如３５ｋＶ）间隔层装置的跳闸功能，采用组播通信方式。由于站控层网络流量，工程上一般不进行网络隔离，即ＧＯＯＳＥ报文组播域为站控层全网，实际等同于广播通信。

２　网络风暴原因分析

２．１　产生网络风暴的主要原因

①交换机异常。交换机作为网络核心交换设备，如果自身的报文转发机制异常，如ＶＬＡＮ机制失效，会导致网络风暴。

②组网设备网卡异常。组网设备网卡发生异常，可能会导致报文大量发送，导致网络风暴。

③网络环路。这是智能变电站网络风暴产生的一个重要原因。一旦产生网络环路，对于站控层网络，广播报文（如：ＡＲＰ请求报文）会形成网络风暴；此外，由于目前站控层网络一般没有采取ＶＬＡＮ或ＧＭＲＰ等机制对ＧＯＯＳＥ报文隔离，ＧＯＯＳＥ报文组播域为站控层全网，ＧＯＯＳＥ报文也会形成风暴；对于过程层网络，一般均采用网络隔离措施，如划分静态ＶＬＡＮ或采用ＧＭＲＰ组播过滤技术。以ＶＬＡＮ为例，如果产生环路且环路的两个端口属于同一ＶＬＡＮ，则交换机会不停转发该ＶＬＡＮ内数据，直至占满带宽或交换机ＣＰＵ资源耗尽。

２．２　避免网络风暴的措施

①可以提高交换机等组网设备质量，降低网