一体化网络报文分析仪研发可行性分析报告.docx
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一体化网络报文分析仪研发可行性分析报告
一体化网络报文分析仪研发可行性分析报告
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刘乐
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1.项目背景2
1.1项目研发原因2
1.2市场调研情况2
1.3产品指标要求3
1.3.1产品功能要求3
1.3.2产品性能要求3
1.3.3产品具体要求分析3
2.装置结构&具体细节分析5
2.1装置机箱结构5
2.2基于多核处理器的详细方案分析5
2.2.1.网络报文时间戳实现方式5
2.2.2.网络报文压缩实现方式7
2.2.3.CPU多核工作分析及主流CPU性能分析8
3.装置实现方式10
3.1基于CAVIUM多核处理器的解决方案10
3.2基于freescale多核处理器的解决方案11
4.技术风险分析12
研发可行性分析报告
1.项目背景
1.1项目研发原因
随着智能变电站的逐步普及,智能变电站过程层网络和站控层网络的运行状态的监视、记录、分析和报警将会越来越重要。
国家电网和南方电网要求必须在智能变电站中配置网络报文记录功能和录波功能,为将来的问题处理和分析提供原始报文依据。
目前,网络报文记录功能和录波功能分别采用报文记录仪和录波器两种装置分别实现,由于两种功能在原始报文捕获等许多方面存在重叠,因此,在智能变电站各项功能整合的大环境下必然会将网络报文记录功能和录波功能整合在一台装置上形成一体化网络报文记录分析装置。
一体化网络报文记录分析装置同时具备故障录波分析装置功能和网络报文记录分析装置功能。
为了提升我公司在智能电网领域的产品配套能力和产品竞争力,研发符合智能电网应用的一体化网络记录分析装置将成为必然。
1.2市场调研情况
目前智能变电站建设数目每年都在增长,一体化网络报文记录分析装置市场需求很大,每个智能变电站均需配置2台~4台的一体化装置实现报文记录和录波分析功能。
目前国内主流录波器厂家均有一体化网络记录分析仪投放市场,如国电南思NSR500系列设备,武汉中元ZH-5N装置,广州思唯奇M8100装置,上海许继N5000等厂家已有很多相关产品挂网运行。
一体化网络报文记录分析仪国网,南网的招标价格一般是:
1台分析仪+1台记录仪的价格为8万元左右,1台分析仪+2台记录仪价格为11-12万元左右。
1.3产品指标要求
根据南方电网公司的《一体化运行记录分析装置》和国家电网公司的《智能变电站网络报文记录及分析装置技术条件》标准要求,研制一体化网络报文记录分析装置应符合如下主要功能及指标要求。
1.3.1产品功能要求
1.对全站各种网络报文进行实时监视、捕捉、分析、存储和统计功能。
2.具备故障录波功能;
3.支持按照61850标准建模,具备完善的自描述功能;
4.支持IRIG-B、IEC1588,SNTP对时功能。
1.3.2产品性能要求
1.装置至少能接纳400Mb/s的报文,最好能够达到600Mbps或800Mbps。
2.报文时间戳精度达到1us;
3.装置应有6TB的磁盘,读写速度至少为50MB/s;
4.装置时钟精度:
SNTP同步对时精度不超过±100ms。
IRIG-B同步对时精度不超过±4us。
IEC61588同步对时精度不超过±1us。
5.装置至少具有8个百兆千兆记录口;2个站控层百兆通信口;
6.装置具有调试接口,LCD接口,SAS接口;
7.装置外观具有电源指示灯、告警指示灯、端口连接状态指示灯、硬盘指示灯等;
8.装置支持双电源供电,110、220DC/AC;
1.3.3产品具体要求分析
1.3.3.1装置CPU处理速度要求
智能变电站过程层的报文数据信息量非常大报文流量计算,按照1个数据集,22个通道计算,一帧SV(9-2)报文的总长度:
34+4+81+8×22=295个字节。
如果采样率4000Hz,1个MU:
300Byte×4000/s=1.2MB/s;南网规范要求每个装置接入不少于60个MU:
1.2×60=72MB/s。
SV+GOOSE+mms+104报文大约为75MB/s。
所以装置应具有处理75MB/s的能力。
内存应不少于8G.
1.3.3.2装置存储容量要求
装置存储应支持磁盘冗余(RAID)技术,支持RAID0,RAID5。
存储容量不少于50TB,确保GOOSE报文保存周期应不少于半年,MMS报文保存周期应不少于3个月,SV报文保存周期应不少于1周,1588报文保存周期不少于1个月,异常事件记录存储不少于1000条。
按照上述要求计算:
按照总的报文接入能力为75MB/s计算:
75MB/s×3600s/小时×24h/天*7天=43.258TB。
按照要求应配置50TB的磁盘。
磁盘存取速度达到75MB/s。
建议磁盘接口选择SAS接口,同时兼容SATA接口。
1.3.3.3装置外接接口要求
(1)装置具有8个100/1000Mbps网络监听端口,电口,光口可选配。
电口:
100M/1000Mbps自适应。
光口:
LC100M/1000Mbps。
(2)应具有至少2个千兆站控层通信端口。
(3)USB2.0接口2个,RS232调试接口1个。
(4)提供接口便于扩展磁盘容量大小.
(5)装置支持SNTP,B码,1588对时接口:
ØSNTP同步对时精度不超过±100ms。
ØIRIG-B同步对时精度不超过±4us。
ØIEC61588同步对时精度不超过±1us。
1.3.3.4装置外观要求
(1)一体化装置的正面(非出线端)应设置装置品牌标志、型号名称。
应设置装置运行工况指示灯,包括:
通信端口工作状态指示灯、装置运行指示灯、录波起动指示灯和装置故障指示灯等。
杭州思维奇等厂家装置有液晶显示,但无键盘。
(2)一体化装置的背面接线端口应标明端口序号或名称,电源端子上方应标注接线说明。
2
2.装置结构&具体细节分析
2.1装置机箱结构
鉴于该网络分析仪的性能和主要应用场合,装置尺寸应为1U或者2U标准机箱,具体优缺点如下表所示:
比对项目
1U机箱
2U机箱
尺寸
占用空间少,安装方便
占用空间较大
电源
双电源设计需使用横版结构,较占用机箱内部空间
双电源可采用竖版结构
液晶
1U机箱不易于安装液晶,显示装置状态只能通过指示灯
2U机箱可使用5.寸以下小液晶,可以选用彩屏显示
按键
无法增加
如有需要,可考虑触摸屏或薄膜按键
硬盘安装
由于机箱高度所限,双硬盘设计只能为横向并排放置。
双硬盘可选择横向并排或纵向并排
散热
机箱空间小,不利于芯片热量散发
空间相对较大,可使用导热管方式的散热结构
综述
基于各方面考虑,建议使用2U机箱。
2.2基于多核处理器的详细方案分析
通过市场调研和目前市面上的各厂家网络分析仪方案分析,新设计的一体化网络报文分析仪解决方案为单芯片一体化解决方案,不采用分布式解决方案。
一体化解决方案中按主要功能及该功能的实现方式具体分析如下:
2.2.1.网络报文时间戳实现方式
网络分析仪需对接收到的报文做精准的时间记录,报文记录数据分辨率≤1us。
具体实现方式有如下二种:
1、CPU自带网口打时间戳,CPU原生网口支持报文时间戳,报文分辨率精度为1uS,但网口数量不一定能满足8个前兆网口的需求,考虑到成本和FPGA的处理能力及内部缓存大小,建议FPGA对外扩百兆网口,也可扩前兆网口,具体实现框图如下所示(此方案编号为A1):
2、所有对外接口全部经过FPGA进行报文预处理,该方式下可实现所有网络接口的精准时间戳功能,该方式下对FPGA高速接口需求量较大,考虑到成本因素,FPGA连接PHY的千兆接口可部分使用RGMII方式。
对CPU的接口可使用PCIe或SGMII(此方案编号为A2)
方案对比综述:
方案
优势
劣势
A1
部分网口通过FPGA扩展,兼顾精度和成本考虑,外扩网口可使用百兆接口,FPGA开发工作量不大,
CPU必须支持硬件打时间戳。
A2
对外全部为高速接口,接口设计更灵活。
成本较高,外部接口复杂,FPGA开发工作量大。
2.2.2.网络报文压缩实现方式
网络分析仪每秒至少要具备75MB/s的数据压缩能力,实现方式也有如下三种:
方案
优势
劣势
利用CPU自带压缩协处理器(B1)
利用CPU协处理器,成本低,实现简单
需对协处理器压缩能力进行详细评估。
同时需测试压缩算法,如果为私有格式,同时压缩数据上位机进行解压,需开发上位机解压算法。
压缩算法固定,需测试该算法压缩比是否合适。
利用外部专用压缩芯片(B2)
外部压缩芯片压缩能力可以到100MB/S,成本大概增加10~20个美金左右。
压缩格式为gzip格式或Lzw私有算法,其中gzip格式为通用压缩算法,上位机可以进行解压。
Lzw压缩为芯片自带压缩方式,其解压必须通过该芯片进行。
压缩算法固定,对网络报文的压缩比在3:
1~5:
1之间。
FPGA对原始报文直接进行压缩,或利用CPU专核做压缩(B3)
压缩方式可使用私有各种压缩算法。
根据固定报文格式压缩比很高。
CPU压缩过于占用资源,且实时性不易保证。
软件开发工作量大。
2.2.3.CPU多核工作分析及主流CPU性能分析
CPU需实时对网络通信的GOOSE、MMS、SV,104和IEEE1588报文进行实时分析,同时还要进行存盘工作,有可能进行数据流的解压缩工作,因此CPU内部多核处理如下:
功能描述
核一
网络报文抓包及预处理(如插值)
核二
网络报文抓包及预处理(如插值)
核三
报文分析
核四
报文分析
核五
故障录波
核六
故障录波
核七
对上61850通讯及104通讯等
核八
磁盘管理&数据解压缩(非实时)
分析表明,8核在不进行网络报文压缩的情况下,可以满足装置需求,通过CAVIUM和freescale的技术交流,结合该产品的功能需求,从CPU性能上看,CAVIUM公司的C66XX系列和freescale的T2081两款芯片比较适合,现对这2款芯片具体性能进行对比分析:
对比
C6630
T2081
Core
MIPS64*8
可选6~10核
e6500dual-threaded*4
双线程指双ALU,MMU
单pipeline
主频
最高1.5GHz
最高1.8GHz
Cache
37KLcache
32KDcache
WriteBackbuffer
共享4ML2Cache
32KLcache
32KDcache
共享2ML2Cache
512KPlatcache
内部总线结构
OptimizeIONetworK
Corenetcoherencyfabric
共享1Tbit内部总线
在CoreNet端点之间进行优先级排序和带宽分配
DDR内存
DDR31600M
72-bitwithECC
支持HyperMemory技术
DDR31866M
64-bitwithECC
高速接口
8*SGMII+8*PCIe可配置
总共12组serdes接口
7*SGMII+4*PCIe可配置
总共8组serdes接口
网络报文时间戳
不支持
支持
硬盘存储
PCIe转SATA
支持SRIO*2
PCIe转SATA
不支持SRIO
压缩
全系列自带压缩协处理器、支持RAID
解压/压缩加速,高达17.5Gbps
低端T1042不带压缩协处理器
兼容性
C63XX(2~6核)C66XX(6~8核)pintopin兼容
T1042(2核)T2081(4核)pintopin兼容
功耗
22W
15W
芯片量产情况
已经量产成熟产品
2014年2月份提供样片
3.装置实现方式
根据上述CPU性能比较及需求分析,提供两套整体解决方案
3.1基于CAVIUM多核处理器的解决方案
该方案使用CAVIUM公司OCTEON系列多核处理器(MIPS核),采用A2+B1的解决方案。
硬件实现方案如下所示:
3.2基于freescale多核处理器的解决方案
3.1解决方案对比
方案描述
基于CAVIUMC66XX
基于freescaleT2081
报文接收能力
网络报文通过FPGA进行预处理后通过PCIe和SGMII口分别传输给CPU。
接口可以总共到10Gbit/S
4路网络报文直接进CPU,4路通过FPGA预处理后接CPU,FPGA与CPU接口为PCIe。
接口可以总共到8Gbit/S
报文分析处理
2核分析处理(1.2G*2)
单核双线程处理(1.8G)
故录处理
2核分析处理(1.2G*2)
单核双线程处理(1.8G)
数据压缩
报文和故录数据均通过内置压缩协处理器进行压缩
报文和故录数据均通过内置压缩协处理器进行压缩
操作系统
支持单核跑操作系统
支持单核跑操作系统
CPU成本
180美金左右
200美金以内
CPU功耗
23W
15W
FPGA选型
高速口至少10对,最好支持2组PCIe
高速口可以支持4对(对外PHY接口使用RGMII*1),或支持8对高速口,PCIe硬核*1
FPGA成本
100美金
22美金
磁盘阵列
1TB机械硬盘*2
64GOR128GMLCSSD*1
1TB机械硬盘*2
64GOR128GMLCSSD*1
芯片成熟度
成熟量产芯片
2014年2月份提供demo板
软件开发评估
已有DEMO板
可提供SDKBSP进行方案预估
只有T4240的demo板
在T4240的基础上做删减后评估
成本预估
CPU(1300)+FPGA(800)+2TB机械盘(1200)+128GSSD(1200)+电源(500)+内存16G(900)+PCB及其他芯片(900)+散热机箱(1500)=8300
CPU(1400)+FPGA(200)+2TB机械盘(1200)+128GSSD(1200)+电源(500)+内存16G(900)+PCB及其他芯片(600)+散热机箱(1500)=7800
总结:
1、两个方案硬件成本差异不大,主要评估工作在软件开发评估,其中Cavium的demo板预计最快下周能提供,freescale的T4240的评估板下周可以到,T2081的评估板预计要到明年2月份。
2、无论使用何种芯片,无风扇的单芯片散热方案要重点考虑,包括一体化的机箱设计。
3、Cavium的优势在于芯片已成熟,且前后兼容性较好,劣势在于CPU不支持报文打时间戳且技术支持我们不熟悉。
Freescale的优势和劣势正好和CAVIUM相反。
4.技术风险分析
根据以上方案选择及实施,无论采用何种方案依然存在以下技术风险:
(1)大流量网络报文处理能力。
按照南网要求一体化网络报文记录分析设备能够分析存储至少400Mbps的报文能力,最好能够达到600Mbps或800Mbps;
(2)大容量、高速率存储。
按照南网对一体化网络报文记录分析装置要求SV采样报文存储1周,30TB的磁盘容量(可采用压缩等方式减少对磁盘容量的需求);每秒至少400Mbps的存储速度;
(3)多核开发风险较大。
由于一体化网络记录分析仪的实施性能要求高,功能复杂,必须采用高性能的多核处理器(实际估算要求8核以上)才能实现产品的开发,同时多核外设的访问速度也将成为产品研发的重点,但是我公司目前的多核硬件平台上开发经验少,存在很大的挑战;
(4)PCB板开发难度较大。
由于多核CPU外围管脚丰富、主频1G以上,对PCB板的布线要求和EMC性能要求都将是一个严峻的考验。
(5)FPGA实现时间戳,需要增加FPGA来实现时间戳的捕获。
同时FPGA还需要实现千兆/百兆自适应,目前,没有通过FPGA实现千兆以太网接口的开发经验,存在一定风险。
后台离线软件和在线监视软件开发工作量较大,需要合理设计软件结果,尽量重用现有产品的模块,减少开发工作量,降低开发风险。
CAVIUM相关处理器性能如下:
OCTEONIICN66XX-BlockDiagram
freescale低功耗版的4核双线程高速CPUT2080
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