数据通信IEC60870及61850.docx

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数据通信IEC60870及61850

IEC60870与61850系列标准简介

一.数据通信基础

1.1数据通信的目的

数据通信的目的是交换信息（information），信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像。

计算机产生的信息一般是字母、数字、符号的组合。

为了传送这些信息，首先要将每一个字母、数字或符号用二进制代码表示。

计算机通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的过程。

1.2通信系统的组成

通信系统是将一个用户的信息传送到另一个用户的全部软、硬件设施。

一个点对点的通信系统可以抽象成下图所示的一般模型，其基本组成包括：

信源、变换器、信道、反变换器、信宿及噪声源6个部分：

1.信源

信源是指产生各种信息（如语音、文字、图像、数据等）的信息源，可以是人，也可以是机器（如计算机等）。

2.变换器

变换器的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道中传输的信号。

对应不同的信源和不同的通信系统，变换器有不同的组成和变换功能。

例如：

对于数字电话通信系统，变换器则包括送话器和模/数转换器等，模/数转换器的作用是将送话器输出的模拟语音信号经过模/数转换并时分复用等处理后，变换成适合在数字信道中传输的信号。

3.信道

信道是信号的传输媒介。

信道按传输介质的种类可以分为有线信道和无线信道。

在有线信道中电磁信号（或光信号）约束在某种传输线（电缆、光缆等）上传输；在无线信道中电磁信号沿空间（大气层、对流层、电离层）传输。

信道如果按传输信号的形式又可以分为模拟信道和数字信道。

4.反变换器

反变换器的作用是将从信道上接收的信号变换成信息接收者可以接收的信号。

反变换器的作用正好相反，起还原的作用。

5.信宿

信宿是信息的接收者，可以是人或设备。

6.噪声源

噪声源是系统内各种干扰影响的等效结果，系统的噪声来自各个部分，从发出和接收信息的周围环境、各种设备的电子器件，到信息所受到的外部电磁场干扰，都会对信号形成噪声影响。

一般为了分析问题方便，将系统内所存在的干扰均折合到信道中，用噪声源表示。

1.3通信网络的组成

上述通信系统只是一个点到点的通信模型，要实现多用户间的通信，则需要一个合理的拓扑结构将多个用户有机地连接在一起，并定义标准的通信协议，以使它们能协同工作，这样就形成了一个通信网。

通信网要解决的问题是网内任意两个用户间的通信问题，由于用户数目众多、地理位置分散，并且需要将采用不同技术体制的各类网络互连在一起，因此，通信网必然涉及寻址、选路、控制、管理、接口标准、网络成本、可扩充性、服务质量保证等一系列点到点模型系统中不需要考虑的问题。

为了在通信网内进行两个用户之间的通信，最简单的方法是用户间直接互连。

这种每个用户各自与其他任何用户都存在直达电路的网，称为全连接网，N个用户需要建立N×（N－1）/2个双工通讯系统。

显然，对于用户数多的大型网络，这种全连接网在技术性和经济性方面都不可行。

一种行之有效的方法应该是采用一定的技术手段、按照某种拓扑结构将这N×（N－1）/2个双工系统进行叠加来形成通信网。

由此，可给出通信网的定义：

通信网是由一定数量的结点（包括终端设备和交换设备）和连接结点的传输链路相互有机地结合在一起，以实现两个或多个规定点间信息传输的通信体系。

从逻辑意义上讲，通信网要完成数据处理与数据通信两大基本功能，它在结构上可以分为两个部分：

负责数据处理的主计算机与终端；负责数据通信的通信控制处理器（CommunicationControlProcessor，CCP）与通信线路。

所以，从逻辑功能上可以把计算机通信网络分为资源子网和通信子网两部分，如下图所示：

通信网基于硬件意义上的组成部件主要包括3部分：

一为终端设备；二为传输路线；三为交换或转接设备。

为了使全网协调合理地工作，还要有各种规定，如信令方案、各种协议、网络结构、路由方案、编号方案、资费制度与质量标准等，这些均属于软件。

1.交换设备

交换设备是构成通信网的核心要素，它的基本功能是完成接入交换结点的传输链路的汇集、转接接续和分配，实现一个呼叫终端（用户）和它所要求的另一个或多个用户终端之间的路由选择的连接。

不同的交换设备可实现不同的交换方式，这取决于交换设备所采用的不同交换技术。

常见的交换方式有电路交换、报文交换、分组交换等。

常见的交换转接设备和网络互联设备有：

调制解调器、中继器、网桥、路由器、网关、交换机等。

●调制解调器：

也叫MODEM，俗称“猫”，用来处理模拟信号和数字信号的相互转换。

●中继器：

又称为重发器。

信号传输经过一定的距离后，会因衰减或噪声干扰而影响数据的完整性，中继器接收一个线路中的报文信号，将其进行整形放大、重新复制，并将新生成的复制信号转发至下一网段或转发到其它介质网段。

●网桥：

网桥的作用是连接网络分支，网桥相比中继器多了一个“过滤帧”的功能，当一个帧到达网桥时，网桥不仅重新生成信号，而且检查目的地址，将新生成的原信号复制件仅仅发送到这个地址所属的网段。

●路由器：

路由器能识别数据的目的地址所在的网络，并从多条路径中选择一条最佳的路径发送数据。

●网关：

网关又被称为网间协议变换器，用以实现不同通信协议的网络之间、包括使用不同网络操作系统的网络之间的互联。

在报文从一个网段到另一个网段的传送中，网关提供了一种把报文重新封装形成新的报文组的方式。

●交换机：

严格讲，“交换机”不是一种专业的说法。

交换机这个概念是由商家炒作出来的。

交换机的名称源于交换技术，它是一种针对集线器的不足而产生的。

集线器的工作原理是：

当集线器接收到从计算机发出来的信号时，它对信号进行放大、重新定时，然后发向网络上所有的计算机，让目标计算机自己去判断、接收信号。

而交换机会首先查看这个信号的目标结点，然后根据它的记录直接将这个信号发给目标结点，并不是向整个网络广播。

根据交换机工作的原理，可将交换机分为第二层交换机（代替集线器的一种应用在小型网络中的设备）、第三层交换机（工作在网络层，它可以完成普通路由器的部分或全部功能）、高层交换机（工作在网络层之上，它可以在完成普通路由器功能的基础上，实现一些特殊的功能）。

2.传输介质

传输介质就是通信线路，通信线路可分为有线和无线两大类。

无线线路可分为长波线路、中波线路、短波线路、超短波线路和微波线路。

常见的有线传输介质有双绞线、同轴电缆、光缆等3种。

其中，双绞线是经常使用的传输介质，它一般用于星型网络中，同轴电缆一般用于总线型网络，光缆一般用于主干网的连接。

●双绞线：

双绞线是将一对或一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中而形成的一种传输介质。

●同轴电缆：

同轴电缆是由一根空心的外圆柱导体（铜网）和一根位于中心轴线的内导线（电缆铜芯）组成，并且内导线和圆柱导体及圆柱导体和外界都是用绝缘材料隔开。

●光缆：

光缆是由一组光导纤维组成的用来传播光束的细小而柔韧的传输介质。

与其它传输介质相比，光缆的电磁绝缘性能好，信号衰变小，频带较宽，传输距离较大。

光缆主要是在要求传输距离较长，用于主干网的连接。

1.4通信网络拓扑结构

在通信网络中，所谓拓扑结构是指构成通信网的结点之间的互连方式。

网络的拓扑结构泛指网络的布局和形状，它表示了网络中各结点相互连接的方法和形式，即网络结点的组成在空间形成的几何分布。

基本的拓扑结构类型有：

网状网、星型网、环形网、总线型网、树形网、复合型网等，如下图所示：

1.5数据通信方式

在设计一个数据通信系统时，通常需要考虑以下几个问题（当然远不只这些问题）：

1.是采用串行通信方式，还是采用并行通信方式？

数据通信按照字节使用的信道数，可以分为两种：

串行通信、并行通信。

在计算机中，通常是用8位的二进制代码来表示一个字符。

在数据通信中，按图（a）所示的方式，将待传送的每个字符的二进制代码按由低位到高位的顺序，依次发送，这种方式称为串行通信；按图（b）所示的方式，将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送出去，每次发送一个字符代码，这种工作方式称为并行通信。

显然，采用串行通信方式只需要在收发双方之间建立一条通信信道；采用并行通信方式，收发双方之间必须建立并行的多条通信信道。

对于远程通信来说，在同样传输速率的情况下，并行通信在单位时间内所传送的码元数是串行通信的n倍（此例中n=8）。

由于需要建立多个通信信道，并行通信方式的造价较高；因此在远程通信中，一般采用串行通信方式。

2.是采用单工通信方式，还是采用半双工或全双工通信方式？

数据通信按照信号传送方向与时间的关系，可以分为三种：

单工通信、半双工通信、全双工通信。

如下图（a）所示，在单工通信方式中，信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。

只能向一个方向传送的通信信道，只能用于单工通信方式中。

图（b）所示，在半双工通信方式中，信号可以双向传送，但必须是交替进行，一个时间只能向一个方向传送。

可以双向传送信号，但必须交替进行的通信信道，只能用于半双工通信方式中。

图（c）所示，在全双工通信方式中，信号可以同时双向传送。

只有可以双向同时传送信号的通信信道，才能实现全双工通信，自然也就可以用于单工或半双工通信。

3.是采用同步通信方式，还是采用异步通信方式？

数字通信中必须解决的一个重要问题，就是要求通信的收发双方在时间基准上保持一致。

即接收方必须知道它所接收的数据每一位的开始时间与持续时间，这样才能正确地接收发送方发来的数据。

异步传输的工作原理是：

每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间隔任意。

同步传输方式不是对每个字节单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。

4.是采用点对点连接，还是采用多点连接？

数据通信的连接方法有两种，即点对点连接方式和多点连接方式。

下图所示的是典型的点对点的连接方式，modem一旦拨号连通之后，这条线路就被通信双方占用，不会有第三者再插进来。

如果通信双方采用专线连接，还可以省去用modem拨号的过程。

各个通信终端公用一条通信主线路的通信方式叫做多点连接。

这种方式的特点是节省线路，缺点是需要解决多个终端同时通信时产生的线路争用问题。

5.是采用基带传输，还是采用频带传输？

在计算机网络中，频带传输是指计算机信息的模拟传输；基带传输是指计算机信息的数字传输。

在计算机网络中，占主导地位的信号类型是基带信号。

1.6开放系统互连参考模型

国际标准化组织（InternationalStandardOrganization，ISO）在1977年成立了一个分委员会，专门研究网络通信的体系结构问题，并提出了开放系统互连参考模型（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel，OSI/RM），它是一个定义异种计算机连接标准的框架结构。

OSI为连接分布式应用处理的“开放”系统提供了基础。

所谓“开放”是指任何两个系统只要遵守参考模型和有关标准，就能够进行互连。

OSI采用了层次化结构的构造技术。

ISO/OSI的参考模型共有7层，由低层到高层分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

如下图所示：

1.OSI各层的功能如下：

ITU-T（电信标准化部门）的X.200系列建议对“七层模型”中每一层的功能都给予了描述与定义，并对层与层之间的关系给出了描述方法。

●物理层（PhysicalLayer）：

提供为建立、维护和拆除物理链路所需的机械、电气、功能和规程的特性：

提供有关在传输介质上传输非结构的位流及物理链路故障检测指示。

●数据链路层（DataLinkLayer）：

数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上，无差错地传送以帧为单位的数据，并进行流量控制。

每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。

和物理层相似，数据链路层要负责建立、维持和释放数据链路的连接。

在传送数据时，如果接收点检测到所传数据中有差错，就要通知发方重发这一帧。

●网络层（NetworkLayer）：

网络层的基本功能是把网络中的结点和数据链路有效地组织起来，为终端系统提供透明的传输通路（路径）。

为传输层实体提供端到端的交换网络数据传送功能，使得传输层摆脱路由选择、交换方式、拥挤控制等网络传输细节；可以为传输层实体建立、维持和拆除一条或多条通信路径，对网络传输中发生的不可恢复的差错予以报告。

●传输层（TransportLayer）：

传输层可以看成是用户和网络之间的“联络员”，它利用低3层所提供的网络服务向高层提供可靠的端到端的透明数据传输。

在这一层，信息的传送单位是报文。

●会话层（SessionLayer）：

为彼此合作的表示层实体提供建立、维护和结束会话连接的功能，完成通信进程的逻辑名字与物理名字间的对应，提供会话管理服务，而这种表示层之间的连接就叫做“会话”。

在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，统称为报文。

会话层不参与具体的传输，它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制，如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。

●表示层（PresentationLayer）：

表示层负责定义信息的表示方法，并向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务，以使两个系统用共同的语言来进行通信。

表示层的典型服务有：

数据翻译（信息编码、加密和字符集的翻译），格式化（数据格式的修改及文本压缩）和语法选择（语法的定义及不同语言之间的翻译）等。

●应用层（ApplicationLayer）：

应用层是最高的一层，直接向用户（即应用进程AP）提供服务，它为用户进入OSI环境提供了一个窗口。

应用层与其它层的差别是：

应用层仅完成自己的功能（特定应用规定的特定任务），而其它各层完成的是满足许多不同应用要求的总任务中的一部分。

2.OSI的数据单元

X.200建议中，也对同层实体之间交换的信息数据单元的组成和相邻层之间的信息数据单元之间的映射关系进行了规范化的描述，并定义了如下几种常用的信息数据单元：

●（N）层协议控制信息（PCI）

●（N）层用户数据（UserData）

●（N）层协议数据单元（PDU）

●（N）层服务数据单元（SDU）

这几种信息数据单元之间的相互关系如下表和图所示：

控制

用户数据

两者组合结果

（N）层同层实体之间

（N）层协议控制信息

（N）层用户数据

（N）层协议数据单元

在OSI参考模型中，层与层之间通过交换协议数据单元（ProtocolDataUnit，PDU）进行通信。

协议数据单元由协议控制信息（标题头）和服务数据单元（ServiceDataUnit，SDU）组成，相当于分组的头信息和静荷信息。

除第七层外，第N-1层的SDU是第N层的PDU。

各层的主要功能及数据单元构成概括归纳如下表：

编号

层的名称

功能

通俗含义

数据单元

7

应用层

与用户应用进程的接口

做什么

原始数据＋本层协议控制信息

6

表示层

数据格式的转换

对方看起来像什么

上层数据＋本层协议控制信息

5

会话层

会话管理与数据传输的同步

轮到谁讲话、从何处讲

上层数据＋本层协议控制信息

4

传输层

端到端经网络透明的传输报文

对方在何处

报文段

3

网络层

分组交换、路由选择和流量控制

走哪条路可达到该处

分组

2

数据链路层

在联络上无差错的传送帧

每一步应该怎么走

数据帧

1

物理层

经物理媒体透明地传送比特流

对上一层的每一步应该怎样利用物理媒介

比特流

在七层体系结构中，第一至三层（下3层）称为低层，实现OSI参考模型中数据传输与交换（面向通信）的功能（即通信子网的功能），构成网络通信环境，其目的是保证系统之间跨越网络的可靠信息传送；第五至七层（上3层）称为高层，实现OSI参考模型中面向应用进程的信息处理和通信功能；第四层为中间层，其目的是承上启下，实现高、低层间的协调和端到端之间连接的功能，有着关键的作用。

3.基于OSI的开放系统互连结构

整个开放系统环境由作为信源和信宿的端到端开放系统及若干中继开放系统通过物理介质连接构成。

端到端的开放系统互连结构如下图所示：

端到端开放系统通俗讲就是主机系统。

主机系统具有全部OSI参考模型所描述的7个层次，最高层是应用层，它由若干个应用实体所组成，在开放系统互连的条件下，向人或设备提供所需的应用，完成人与设备要求的信息传递与各种操作。

互连的各系统的应用层之间通过较低层提供的服务而相互合作。

中继开放系统即是通信子网中的结点机，如交换机、路由器等。

中继开放系统都不一定具有完整的七层，通常情况下只具有OSI的低3层，甚至可以只具有最低的两层。

4.OSI互连模型中的数据传输过程

下图表示了互连网络中数据从一台主机系统上的应用程序传输到另一台主机的应用程序上的过程。

假设主机A上的某个应用程序要发送数据给主机B，则该应用程序把数据交给了应用层，应用层在数据前面加上控制信息AH（头标）后，送入表示层，表示层、会话层、传输层、网络层依次再加上各层的控制信息PH、SH、TH、NH后，送入数据链路层，数据链路层再加上头标和尾标（DH及DT）后变成帧，经物理层按比特位发送到主机B。

主机B收到信息后，按照与主机A相反的动作，层层剥去控制信息，最后把原数据传送给主机B的应用程序。

可见，两系统中只有物理层是实通信，而其余各层均为虚通信。

报头（Header）及报尾（Tailer）就是指对等层之间相互通信所需要的控制信息，添加报头（报尾）的过程称为封装。

应用层、表示层、会话层、传输层封装后得到的数据包分别被称为应用层协议数据单元APDU、PPDU、SPDU、TPDU；网络层的数据包称为分组，数据链路层的数据包称为帧，物理层传输的数据称为比特流。

虽然OSI参考模型作为一种方法论已被广泛认同，但在实际应用上，不少系统由于种种原因并没有严格地按照上述七层模型去设计具体的协议标准，而是采用了各自认为合适的参考模型，形成了实际上的协议参考模型。

例如，在实践中产生并随着因特网的广泛应用而得到发扬光大的TCP/IP模型就成为了事实上的国际标准和工业标准。

1.7通信协议

所谓通信协议是指通信双方的一种约定，约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。

通信协议也叫做通信控制规程，或称传输控制规程、或通信规约。

在《远动设备及系统第1－3部分：

术语》中，对“规约”这一术语是这样定义的：

在远动系统中，为了正确地传送信息，必须有一套关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等的约定。

这一套约定，称为规约。

通信协议的三大要素

通信协议是通信网络中的“通信语言”，用它们来协调网络的运行，达到互通、互控、互换的目的。

通信协议一般由语义、语法和时序3大要素构成。

●语义：

通信协议的语义是指构成协议的元素含义的解释，即“讲什么”，不同类型的协议元素规定了通信双方所要表达的不同内容。

●语法：

语法是指用于规定将若干协议元素和数据组合在一起来表达一个更完整的内容时所应遵循的格式，即“怎么讲”。

●时序：

通信协议的时序规则规定了事件的执行顺序。

例如，双方在通信时，首先由源站发送一份数据报文，如果目标站收到的是一份正确的报文，则应遵循协议规则，给对方发一个收到正确信息的回答，否则应发一个收到错误信息的信号，要求源站重发刚刚发过的数据报文。

1.8数据通信网络与交通运输网络的比较

交通运输系统解决人和物资流动的问题，而通信网络解决的是信息传输的问题；交通运输网络同样可以划分层次结构，可将其分为售票系统层、入站系统层、运输管理层、出站系统层。

交通运输网络中的交通规则、调度时刻表等一系列规则相当于通信网络中的通信协议。

1.9串口通信

串口叫做串行接口，也称串行通信接口，按电气标准及协议来分包括RS-232-C、RS-422、RS-485、USB等。

RS-232-C、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。

USB是近几年发展起来的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域。

RS-232-C：

也称标准串口，是目前最常用的一种串行通讯接口。

RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（RecommendedStandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS-232B，RS232A。

它是在1969年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。

它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。

传统的RS-232-C接口标准有22根线，采用标准25芯D型插头座，后来的PC上使用简化了的9芯D型插座。

现在应用中25芯插头座已很少采用。

现在的电脑一般有两个串行口：

COM1和COM2。

RS-422：

为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10MB/S，传输距离延长到4000英尺（速率低于100KB/S时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。

RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。

RS-485：

为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。

UNIVERSALSERIALBUS（通用串行总线）简称USB，是目前电脑上应用较广泛的接口规范，由INTEL、MICROSOFT、COMPAQ、IBM、NEC、NORTHERNTELCOM等几家大厂商发起的新型外设接口标准。

USB接口是电脑主板上的一种四针接口，其中中间两个针传输数据，两边两个针给外设供电。

USB接口速度快、连接简单、不需要外接电源，传输速度12MBPS，USB2.0可达480MBPS；电缆最大长度5米，USB电缆有4条线，2条信号线，2条电源线，可提供5伏特电源，USB电缆还分屏蔽和非屏蔽两种，屏蔽电缆传输速度可达12MBPS，价格较贵，非屏蔽电缆速度为1.5MBPS，但价格便宜；USB通过串联方式最多可串接127个设备；支持热插拔。

通常的串口通信采用的是增强性能的模型，这种模型仅用了OSI参考模型中的三层，即：

物理层、数据链路层、应用层，如下图所示：

1.10网络通信

1.TCP/IP体系结构

TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，传输控制协议/网际协议）是Internet最基本的协议。

与OSI比较，TCP/IP更加简单、实用、高效和成熟且产品丰富，已被全世界广大用户和厂商接受，是事实上的工业标准。

TCP/IP的前身是由美国国防部在20世纪60年代末期为ARPANET而开发的。

由于低成本以及在多个不同平台间通信的可靠性，TCP/IP得以迅速发展并开始流行，它实际上是一个关于Internet的标准，并迅速成为了局域网的首选协议，很多网络操作系统均使用TCP/IP为默认协议。

与OSI参考模型不同，TCP/IP模型只有4层，这四个层次从下往上依次是网络接口层、网络层、传输层和应用层，其中网络接口层相当于OSI参考