（热能工程专业论文）基于internet的scada数据传输系统研究.pdf

坝i 地文基十i n t e r n e t 的s c a d a 数据传输系统研究 硼2 4 6 2 5 摘要 论文研究的对象是基于i n t e r n e t 的s c a d a 数据传输系统。根据燃气业的燃 气网络体系结构不断扩大和燃气数据实时性不断提高的要求，结合南京市管道液 化气有限公司的微机管理系统，设计并实现了基于i n t e r n e t 的s c a d a 数据传输 系统。 论文首先研究了国内外s c a d a 系统的现状，结合国内燃气公司的实际背景和 突破地域性，提高数据传输实时性的发展要求，对s c a d a 系统所采用的传输方式 和采用的t c p i p 协议进行分析，提出了系统的总体结构设计思想。对系统的两 个主要组成部分分别进行了阐述，开发了系统的界面编辑平台，包括总站监测系 统和分站监测系统两个部分。并且分别对两个部分的实现过程进行了阐述，详述 了两个组成系统的程序运行流程和各个组成模块的功能。并针对系统提出了一套 保证网络数据传输安全性的数据加密建议方案。 关键词：s c a d a ，燃气，数据传输，基于i n t e r n e t ，监测系统，数据加密 倾i 沦立挂十i n t e r a c t 的s c a d a 数据传输系统研究 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h er e s e a r c hc o n c e r n i n gt h es c a d ad a t at r a n s f e rs y s t e mb a s e do n t h ei n t e r n e ti sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to f a m p l i f i c a t i o no f t h eg a sm a r k e t a n di m p r o v e m e n to ft h ed a t ar e a lt i m e ，f lm a n a g es o f t w a r ei s d e v e l o p e db yu s i n gt h e n a t u r a lg a sn e tr e s o u r c e sa n dt h ef a c i l i t yr e s o u r c e sf r o mt h en a t u r a lg a s c o r p o r a t i o n i n e s s e n c e ，i ti sb a s e do nt h es c a d ad a t at r a n s f e ro nt h ei n t e m e t f i r s t l y ，t h ed e v e l o p m e n tc o n d i t i o no ft h es c a d as y s t e mi sd i s c u s s e d ，a n dt h e d e v e l o p m e n td i s p a r i t i e so f t h es c a d a s y s t e mb e t w e e nc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e sa r e c o m p a r e da n ds u m m e du p t h e a c t u a lb a c k g r o u n do ft h eg a sc o r p o r a t i o n ，t h er e q u e s t o fz o n ea n dt h er e a lt i m e i m p r o v i n go fd a t a t r a n s f e ra r ec o m b i n e d a n dt h e na s c a d ad a t at r a n s f e rs y s t e mb a s e do nt h ei n t e r a c ti sd e v e l o p e d s e c o n d l y b ya n a l y z i n gt h et c p i pp r o t o c o la n dn e t w o r kd a t as p e c i a ll i n e ，t h e t o t a l d e s i g n i d e ao ft h e s y s t e m i s d e v e l o p e d t h e m o s tp a r t so ft h e s y s t e ma r e i n t r o d u c e d ，a n dt h es y s t e me d i tp l a t f o r mi sd e v e l o p e d m o r e o v e r , t h ep r o g r a mf l o wo f t h et w o p a r t sa n dt h ef u n c t i o n s o fa l lt h es e c t i o n sa r ed w e l l e do n f i n a l l y , as e to f a d v i c ep r o j c o t sa r ep u tf o r w a r di no r d e rt oa s s u r et h es e c u r i t yo f t h ed a t at r a n s f e r k e yw o r d s ：s c a d a ，i n t e r n e t ，d a t at r a n s f o r m a t i o n g a s ，m o n i t o ra n dc o n t r o l s y s t e m ，d a t ae n c r y p t 坝i 浅文娃干i n t e r n e t 的s c a d a 数据传输系统i o f y a 1 绪论 1 1 课题研究背景与意义 随着中国加入w t o ，中国的燃气行业得到了前所未有的迅猛发展，其中“西 气东输”工程2 2 1 1 2 9 1 正是我国燃气行业飞速发展的一个里程碑，是被列入国家“一f 五”规划中的特大型基础设施。但燃气行业飞速发展的同时也给人们带来了隐患 问题，首先燃气是一种易燃易爆气体，稍不注意就会引起重大事故，给国家人民 造成难以挽回的损失。其次随着人们生活水平的提高，对燃气的需求也越来越大， 以“西气东输”工程为例，其天然气的用气主要地区是在长江三角洲，初步安排， 塔里木天然气向长江三角洲的年输气量为1 0 0 亿m 3 。而仅南京市而言，去年城 市用天然气的总量为1 5 7 亿m 3 ，而且有逐年增长的趋势。这些仅仅是针对天然 气而言，还没有包括其它燃气。可见对燃气需求的增大必然导致燃气传输量的增 大。因此对燃气行业来说保证燃气传输的安全性尤其重要，即必须保证燃气的稳 定供气、用气和保证组成燃气网的各站点的安全，而要实现燃气的稳定供气和保 证燃气网中各站点的安全工作就必须建立s c a d a 系统，s c a d a m i i 1 i 吲系统全称 s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 中文名为监测监控和数据 采集系统，它可以实时采集现场数据，对工业现场进行本地或远程的自动控制， 对工艺流程进行全面、实时的监视，并为生产和管理传输必要的数掘。 燃气网系统【4 1 【”1 是一个系统性、网络性很强的网络结构系统。为此，当今 世界上许多燃气公司所建设的燃气网，几乎都同步建设了s c a d a 系统，做到实时 的掌握燃气网内各站点的运行数据，进行科学分析处理，提供优化决策，不仅可 以合理的分配能源资源，同时可以得到可观的经济回报，这一点已成为国内外燃 气公司的共识。为加速我国燃气行业现代化建设的步伐，极有必要认真研究借鉴 国外先进技术和管理经验，采用先进的、适宜的现代化网络技术，建设符合国情， 具有中国特色的燃气网络系统。 对南京天然气有限公司的s c a d a 系统进行调研得出结论：s c a d a 系统在数据 采集方面的发展已经比较完善，但在数据传输方面还存在不足，现有的传输方式 不适合实时性要求严格的场合。而现在的燃气行业正在不断的扩大燃气的应用范 围和经营空间，必然要求g c a d a 系统能朝实现系统远距离传输和严格实时性这两 个方向发展。因此对s c a d a 数据传输系统进行研究具有重大的实际意义。通过资 料查阅显示【2 】【5 】 2 l 艄1 1 2 6 1 1 3 9 4 0 】 5 7 】其它行业都陆续采用基于i n t e r n e t 传输方式的 s c a d a 系统，他们利用i n t e r n e t 网络无所不在，无时不在的特性来实现行业各 自的系统要求。而i n t e r n e t 网络的普遍性和实时性也正好符合燃气行业中s c a d a 碗1 ：论文 幕于i n t c m e t 的s c a d a 数据传输系统_ i j f 究 系统发展的方向，因此在燃气行业中研究基于i n t e r n e t 的s c a d a 数据传输具有 广阔的发展前景和重大的意义。 1 2 国内外s c a d a 系统研究现状 目前国外的s c a d a 系统属于第四代系统f 7 】【9 】【h o l t l3 1 ，其设计的重点在于建立完 全丌放式的监控系统，使该系统与企业的其它信息系统有机地融为一体，实现如 下标准： 一 可兼容性：可以很容易地使软件在不同的硬件平台和操作系统上运行。 - 可连接性：可以很容易地与不同的硬件和软件系统进行连接。 内部可操作性：可以在混合网络上工作，并可与其他信息系统在数据层和 用户界面层上进行数据交换。 第四代的s c a d a 系统有以下几部分构成： 远程单元 图1 1 第四代s c a d a 系统结构图 1 ) 分布式控制中心 整个控制中心可以划分成为若干个不同的分区来组成，各区域控制中心既有 分工也有合作或者整个系统是多层次的结构，即由主控制中心和分控制中心组成 ”】【。整个系统都支持以网络为基础的客户服务器式结构，客户和服务器都可 以在网上分布。而传统的客户，服务器结构只允许客户分布，服务器则必须集中 式的。对于一个要求实时的、高性能的系统来说，集中式的系统服务器就会成为 系统的瓶颈口。由于客户n 务器的分布式结构使其具有灵活的规模化特性：基 坝i 论文罐于i n t e m e t 的s c a d a 数据传输系统研究 于使用同样的软件系统，既可组态集成非常简单的单服务器系统，也可组念集成 超大规模的多服务器和多中心系统。并且服务器计算机主机和客户计算机可在任 何时候加到网上，只需要修改一下系统数据库和服务管理器的组态结构，无需对 相关的应用软件做任何修改。新入网的服务器和客户机将分担原服务器上应用软 件的运行负载，并出于系统备份数增加而增强了整个系统的可靠性。控制中心还 为整个系统提供了一个一致的、直观的、可组态的图形用户界面，以便实时临视 系统的运行情况【2 1 1 似l 。 2 1 分布式数掘库系统 山于数据库的客户机与服务器也是分御式的【7 】 i o 】，数据可在服务器问分布和i 复制，有效地避免了在系统运行中可能存在的瓶颈问题，同时数据库通过使用客 户的超高速缓存和事件驱动等先进技术，既实现实时性又不牺牲数据的独立性。 为了保证数据的完整性，数据库能够通过局域网或广域网实现一个数据库的多级 备份，并且系统采用冗余技术使所有服务器都可以贡献其c p u 资源，如果一个服 务器故障，其余服务器将分担此服务器的任务，冗余服务器可以置于本地，也可 罱于远方。 3 1 监控中心 系统通过监测网络上所有单元的工作状态来保证系统高可靠运行，当故障发 生时，相应的备份单元瞬间即可完成自动切换”1 1 0 l 。被监测的单元有： 主机和文件服务器 工作站和终端 终端服务器和通讯服务器 通讯线路 网点( 路由，网桥等) 4 ) 远程数据采集控制单元r t u 它支持现场显示、操作设置和编程的功能，实时的对数据采集和控制，支持 多种通讯系统和多种通讯协议，通过网络通讯实现数据的传输和共享。 可见国外的s c a d a 系统无论是硬件方面还是软件方面已经发展的比较完善 了，而且从商业的角度看，需要传输的关于操作和控制方面的数据比系统的软、 硬件本身具有更高的价值，所以保证系统数据的安全性是系统的关键环节。虽然 数据已经备份到不同的服务器上，但除了远程数据采集控制单元外其他s c a d a 系 统的主要组成部分都处于企业各自的内网中，从网络的概念来讲企业专用内网是 不应被公司以外用户或公司内非许可用户进入或直接访问。出于s c a d a 系统的远 距离数据传输都是通过网络与远程终端站通信的，网络中存在许多不稳定和破坏 因素很容易破坏企业内网中的资源当然也包括处于内网中的s c a d a 系统，因此加 坝，i ? 论义基于i n t e m e t 的s c a d a 数据传输系统研究 强企业内网的保护对建立一个安全的基于网络的s c a d a 远距离数据传输系统以 及更好的使其与企业的其它信息系统融为一体起着非常重要的作用。这一点国外 的s c a d a 系统在设计中注意到了，系统中都使用路由器等网关来保护其各自的内 网1 。 而国内的s c a d a 系统起步较晚”】，虽然发展迅速但都是采取国内外合作的 方式，与国外的发展还是有很大差距，国内的s c a d a 系统通常也采用分布式结构。 有四部分组成1 1 6 l ：人机接口服务器给操作员提供控制操作的有效界面。通信服务 器提供外部数据源的接口以及数据事务服务器和人机接c i 服务器的通信，数据 事务服务器负责实时数据安全有效的管理和任务的分配与调度。丽r t u 采集实时 数据，并把这些数据按照规定协议的要求打成报文包，通过各种通信系统，传送 到控制中心的调制解调器或多路控制器中，然后把它们传给互为主备的数据服务 器，数据服务器对收到的数据进行解释处理，操作工作站从数据服务器中得到实 时数据，以一定的方式显示在操作员工作站的屏幕上，在操作员工作站上，操作 员可以发出遥控、遥调命令传送到数据服务器，由数据服务器发给远端的r t u 执 行。可见国内建立s c a d a 系统的主要作用只是为了实现数据采集功能，因而应用 的范围比较小，往往局限于局域网内，而且通信方式常采用拉专线方式或拨号传 输方式从而使国内的数据传输受到距离的限制。因此选择好的通信方式对于突破 距离限制、实现远距离数据传输有着很重要的作用。 通过对现阶段国内外s c a d a 系统发展的了解，发现国内s c a d a 系统与国外相 比在数据传输方面差距很大，国内的许多企业并没有把s c a d a 系统的数据传输这 个优势应用起来只是在短距离小范围内使用，但是随着中国经济的迅速发展，中 国企业的规模越来越多的和国际接轨，许多企业都只把公司总部建在交通方便， 发展迅速的城市内而把各生产部门建在相对偏僻的地方来节约流动资金，因此 数据传输的距离变长了，范围变大了，原来采用拉专线或拨号传输方式来实现的 数据传输远远不能满足距离的要求。除了这一点外，国内外s c a d a 系统的其他组 成部分基本是一样的，发展也相对完善，可见建立s c a d a 系统的关键在于系统的 数据传输这一部分，它是要结合实际项目背景，分析系统的特点后彳能确定的。 所以本研究的重点就在于s c a d a 系统的数据传输。研究符合燃气业发展趋势的 s c a d a 系统，并以管道液化气为平台，设计符合以下两个特点的s c a d a 数据传输 系统： 突破地域限制，扩大燃气网络范围。 系统的实时性要求严格。 综合以上分析，可见针对燃气业的s c a d a 数据传输系统进行研究是具有很大 的发展前景的，并且对整个燃气系统的先进性、数据交换的实时性有重要意义。 坝i ”论义拱于i n t e m e t 的s c a d a 数据传输系统研究 1 3 本文工作 本文主要针对燃气行业内的s c a d a 数据传输系统进行研究。研究内容分为两 部分，一部分是对目前专门用于数据传输的各种方式进行比较分析，选择适合燃 气行业发展趋势的传输方式：另一部分是以管道液化气为平台，没计并实现s c a d a 数据传输系统。 本文的主要工作如下： ( 1 )讨论目前多种数据传输方式，了解它们各自的传输原理，分析概括它们 各自的优缺点，选择适合燃气行业发展方向的数据传输方式。 ( 2 )结合本系统现有条件，选择本系统适用的通信协议，了解各协议在网络 数据传输中所起的作用，清楚网络数据传输的基本原理。 ( 3 )实验实现内网与公网的数据传输，即实现基于i n t e r n e t 的数据传输模 块。 ( 4 )把基于i n t e r n e t 的数据传输与s c a d a 系统相结合，以管道液化气为平台， 设计基于i n t e r n e t 的s c a d a 数据传输系统。 ( 5 )为保证系统数据的安全性和完整性，提供一套系统数据加密的建议方案。 坝i ：论文幕于i n t e r n e t 的s c a d a 数据佑输系统研究 2 数据传输方式的研究 2 1 引言 由于s c a d a 系统不但要实现数据采集和监测监控功能，还要实现数据传输功 能。数掘传输的主要作用是实现各站点之问的信息互传。选择好的数据传输方式 可以加强s c a d a 数据传输的实时性，并且还有助于系统的远距离数据传输，起到 事半功倍的效果。而现有的数据传输方式有很多，本文仅对目前有代表性的几种 方式进行研究比较，选择适合燃气业s c a d a 系统发展方向的数据传输方式。目前 有代表性的数据传输有如下几种： 2 2 基于p s t n 的传输 基于p s t n 的传输【6 l 2 0 】主要是指拨号传输。拨号传输是利用现有的电话线进 入p s t n 公共电话网进行的数据传输。传输数据的计算机之间通过使用调制解调 器连接公用交换电话网，由发送计算机主动拨号，接收计算机接到呼叫后应答， 然后进行数据传输。而基于p s t n 的传输是基于交换机采用电路交换的传统方式， 电路交换技术的基本设计思想是以恒定、对称的话务量为中心，采用复杂的分等 级时分复用的方法，语音编码的交换速率为6 4 k b i t s ，可见该传输方式主要是 为传输话音设计的【“1 1 ”i 。尽管它采用了各种措施后也能传输数据，但只是传输 一些测量和控制数据，对数据传输速率要求不高。并且这是为应付数据业务快速 发展而采取的过渡措施，这种办法传输效率低，传输交换成本高，且必须采用复 杂的信令、计费、网络结构，从而造成资源浪费。另外，传统电话网的设备类型、 技术层次相差较大，虽然通过升级、改造，部分设备可提供一些新的技术、新的 业务，但鉴于传统电话网主要是为话音业务设计的，已难以向宽带通信的方向转 变。再者，传统电话网采用交换局和远端模块局的组网方式，中继网的组网比较 复杂，综合成本高，管理维护困难。 总的说来，基于i f s t n 的传输有以下优点： 传输使用的是现成的电话线资源可以实现资源增殖。 p s t n 的网络发展历史相对较长，网络结构比较完善，实现起来比较方便。 但p s t n 也具有以下不足： 出于是通过电话线连接p s t n 网络，而电话线路的信号之问有时存在相互 串扰现象，从而影响线路质量。 传输速率低，交换成本高，管理维护困难。 由于拨号需要占用和等待时间，因此对实时性要求严格的场合不太适用。 6 倾j 。论文基于i n t e m e t 的s c a d a 数据传输系统研究 2 3 专线传输 2 3 1d d n 传输 d d n 2 7 1 1 3 0 1 是英文d i g i t a l d a t an e t w o r k 的缩写形式，意思是数字数据网， 是随着数据通信业务的发展而发展起来的，是利用公共电信网络设施实现数据传 输的一种方式。它是利用数字信道提供永久或半永久性电路，以传输数据信号为 主的数字传输网络。其中包含了数据通信、数字通信、数字传输、数字交叉连接、 计算机、带宽管理等技术，可以为客户提供专用的数字数据传输通道，为客户建 立自己的专用数据网提供条件。d d n 的基本业务是向客户提供多种速率的数字数 据专线服务，这种业务在数据通信领域的应用是非常广泛的，可以替代模拟专线 网或电话网上开放的数据业务，广泛应用于银行、证券、气象、文化教育、电子 商务等需要做专线业务的行业。 一个数字数据网【2 7 】【3 0 l 主要由四部分组成：( 1 ) 本地传输系统，指从终端用 户至数字数据网的本地局之间的传输系统，即用户线路，一般采用普通的市话用 户线，也可使用电话线上复用的数据设备，( 2 ) 交叉连接和复用系统，复用是将 低于6 4 k b s 的多个用户的数据流按时分复用的原理复合成6 4 k b s 的集合数据信 号，通常称之为零次群信号( d s o ) ，然后将多个d s o 信号按数字通信系统的体系 结构进一步复用成更高次信号。交叉连接是将符合一定格式的用户数据信号与零 次群复用器的输入或者将一个复用器的输出与另一复用器的输入交叉连接起来， 实现半永久性的固定连接，如何交叉由d d n 网管中心的网络管理员定义和实施： ( 3 ) 局间传输，局间传输多数采用已有的数字信道来实现：( 4 ) 网络管理系统， d d n 骨干网或地区网的网络管理中心，都需要配备网络管理终端，对定义网上的 传输通道进行管理。数字数据网与传统的模拟数据网相比具有以下优点：( 1 ) 传 输质量好。一般模拟信道的误码率在1 + 1 0 4 1 + 1 0 6 之间，并随着距离和转接次数 的增加而质量下降，而数字传输则是分段再生不产生噪音积累，通常光缆的误码 率会优于l + 1 0 4 以上；( 2 ) 利用率高。利用同步复用技术可以实现多条低速数据 电路。总的来说d d n 具有以下特点： d d n 可满足客户对不同通信速率的要求 d d n 可根据用户速率要求和终端的距离差异提供6 4 k b s 2 m b s 的通信速率， 而且d d n 的传输延时比较短，平均小于0 4 5 m s 。 实现高质量、低误码率的透明传输 d d n 网络有路出迂回功能，安全可靠，且极便于组网扩容。 通信容量大 采用数字传输方式，可综合传输话音、数据、图象信息。 硼l - 论文基于i n t e m e t 的s c a d a 数据传输系统研究 d d n 能够提供高可用率的稳定保障 山于d d n 采用的网络设备能够实时收集网络内的故障并进行分析和定位，而 且当遇到电路故障时可以自动进行路由迂回，所以d d n 的线路十分流畅，具 有高可用率。 对于大多数计算机数量在1 5 台以上或者网络通信流量需求很大的企业，d 1 3 n 不失为一个很好的选择。除了以上几个优点外，对于大多数企业来说，更为重要 的是d d n 的性价比。就目前大多数企业采用的2 5 6 k b s 的d d n 为例，本地网营业 区内的月租费用为2 5 0 0 元，本地网营业区间的月租费用是3 2 0 0 元，长途月租费 用是5 5 0 0 元。 2 3 2 自设专线传输 前面提到的d d n 传输是利用公共设施资源实现的专线传输方式，而另外一种 专线传输方式是采用自己铺设专线的方式实现数据传输，其中具有代表性的就是 自己铺设无线电台进行数据传输1 2 3 】和利用工业现场总线数据传输两种方式。对无 线电台数据传输方式而言所选择的电台带宽必须满足数据传输的要求传输速率 至少为1 2 0 0 b p s 。无线电台主要利用自由空间传播无线电波的方式实现数据传输。 电台由接收机和发射机两大部分组成，其传输原理是：首先利用发射机内部的振 荡电路产生等幅高频信号，再利用m o d e m 和滤波器把需要传输的数据信息转换为 音频方波信号。用音频方波信号对等幅高频信号进行调制，以调幅无线电波的形 式向空间辐射；而接收机接收到发射机发送的调幅高频信号后，在内部进行解调、 放大、整形，由输出端输出音频方波信号，再经过滤波器和m o d e m 把它还原为数 据信息。而工业现场总线数据传输方式是指利用总线技术组网，将工业现场设备 如传感器、控制器等与微机控制器连在一起，信息通过总线进行传输。总线传输 是基于协议基础上实现的，其中协议中的物理层在数据链路实体之间提供透明的 位流传输，数据链路层负责数据接收和发送，应用层提供通信管理。 总的来说，自己铺设专线传输方式具有成本低，使用灵活、方便的优点。其 中无线电台数据传输适用于范围略大的场合而工业现场总线数据传输适用于范 围较小的场合。但是无线电台数据传输有个很大的弊端就是电波在传输的过程中 容易引起互频干扰，所谓互频干扰是指两个或多个信号在非线性传输电路中互 调，产生同有用信号频率相接近的组合频率，从而对通信系统构成一种干扰，影 响数据传输的质量。 2 4 局域网传输 局域网传输【28 1 是适用于小范围内的传输方式。是小型办公室中最常用的网 络。一个局域网拥有以下特征：1 ) 它运行在有限的区域内，这个区域可能是一 硕f 论文 幕于i n t e r n e t 的s c a d a 数据传输系统研究 个建筑物中的一层或位于一个简单的建筑物内部：2 ) 局域网内的主机通过高带 宽网络连接器来互连；3 ) 局域网的所有方面都是由私人来管理的；4 ) 局域网的 设备提供每周7 天，2 4 小时的基本服务。局域网传输分为有线局域网传输和无 线局域网传输两种方式，有线局域网传输是指由双绞线、光缆等有线传输介质等 构成的计算机网络，属于传统型的局域网。目前局域网传输主要是指无线局域网， 无线局域网是利用无线通信技术将分散的计算机联网，使资源共享。无线局域网 是在有线网的基础上发展起来的，是有线局域网的延伸。它可以使计算机在联网 的同时，依然保持高度的移动性、方便性。无线局域网的工作原理1 2 3 脚 1 4 8 1 是利 用射频技术，在有线局域网的基础上通过无线h u b 、无线网桥、无线网卡等设备 使无线通信得以实现。 随着局域网技术的迅速成熟，局域网正以它独特的优点进入越来越多的应用 领域，特别是无线局域网适合移动性要求很高的军事领域。并且其成本低、部署 简单、随时连接等优点也得到i t 界的欢迎。但局域网的带宽方面还有很多问题 需要解决。并且由于它是在局部地区组网，空间应用范围受地区距离的限制，不 适合大范围远距离的数据传输。 2 5 基于i n t e r n e t 网络传输 i n t e r n e t 是世界范围的国际互联网【3 1 】，它连接着全世界1 5 0 多个国家和 地区。由于它有着十分丰富的信息资源，因此，全世界各地的计算机用户几乎是 以每月大于百分之十五的增长速度加入它的行列。可见i n t e r n e t 是无处不在， 无时不在，而基于i n t e r n e t 的数据传输方式也越来越普及，越来越完善。实现 基于i n t e r n e t 的传输【3 8 i 4 4 】【5 2 】主要是依靠t c p i p 协议。当数据从本地系统向 远程系统传送时，数据在本地系统的各层协议间沿着t c p i p 协议栈从上向下传 递。数据从应用层通过协议栈向物理网络层传递时，栈中的每一层都要添加控制 信息，以确保信息的正确传输。这一控制信息称为“报头”，因为它是放在数据 传输的前面。当一个计算机系统从网络上接收信息时，数据传输的过程恰好相反， 其路径是从网络物理层向上传输给应用层。每一层在将数据传送给上一层之前， 都要先剥去它的报头。所以，从较低层接收的信息被解释为报头和数据。但出于 基于i n t e r n e t 的数据传输是通过互联网进行传输的，而互联网上存在许多不安 全因素，因此保证数据传输的安全性就很重要，一般都采用数据加密的方式。在 数据传输到网络上之前用数据加密算法把明文变成密文进行传输，等传输到目的 地以后再恢复为明文。 而随着计算机网络技术的迅速发展近阶段有一门网络新技术崛起即v p n ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ) ：虚拟专用网络1 4 7 l 【4 9 】。它是一种通过公用的i n t e r n e t 坝卜论文幕于i n t c r n c t 的s c a d a 数据传输系统研究 网络设旋对企业内部专用网络进行远程访问的连接方式。一般的网络连接通常由 三个部分组成：客户机、传输介质和服务器。v p n 同样也由这三部分组成，不同 的是v p n 连接使用隧道作为传输通道，所谓“隧道”类似于点到点的连接，其实 质上是一种封装，将一种协议x 封装到另一种协议y 中传输，从而实现协议x 对 公用网络的透明性。要实现v p n 连接，企业内部网络中必须配置一台基于w i n d o w s n t 或w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r 的v p n 服务器，传输时所有的数据传送到v l ，n 服务 器，然后再由v p n 服务器负责将所有的数据传送到目标计算机。v p n 使用三个方 面的技术保证了通信的安全性：隧道协议、身份验证和数据加密。在虚拟专用网 中，任意两个节点之问的连接并没有传统专网所需的端到端的物理链路，而是利 用某种公众网的资源动态组成。v p n 最大的优点是节约费用，如果企业放弃租用 专线而采用v p n ，其整个网络的成本可节约2 1 一4 5 ，至于那些以电话拨号方式 联网存耿数据的公司，采用v p n 则可以节约通讯成本5 0 - - 8 0 。但是目前的v p n 主要是通过电信等公共设施进入i n t e r n e t 网络实现传输，其代价比较大，因此 本系统不采用该技术。 随着技术的发展i n t e r n e t 网络由原来的窄带网向宽带网转变，而高速的宽 带服务必然会把i n t e r n e t 推广到全世界的每个角落。因此采用基于i n t e r n e t 网 络的数据传输方式具有很大的发展前景，并且：有以下优点： i n t e r n e t 网络的普遍性，可以突破地域范围的限制，扩大数掘传输的距 离。 i n t e r n e t 网络无时不在的特性可以增强传输数据的实时性，提高传输数 掘的准确性。 i n t e r n e t 网络在带宽方面的优势为进行大量的数据传输提供了有利的条 件。 i n t e r n e t 网络所具备的丰富资源为数据传输系统节省了成本，减少了所 需的资金。 利用现在越来越完善的数据加密等安全技术为基于i n t e r n e t 的网络数 据传输提供了安全保障。 但由于i n t e r n e t 网是公共网络其不稳定因素与网络技术的发展息g t h 关， 因此在安全方面要更多注意。 2 6 对各传输方式进行分析选择 决定采用何种数据传输方式有多项因素决定，如s c a d a 系统所要传输的数据 信息量、环境因素、可靠性因素、经济性因素等等。结合燃气行业中s c a d a 系 统的特点，本系统所采用的数据传输方式必须达到以下的要求： 倾i ：论文基于i n t e m e t 的s c a d a 数据传输系统研究 ( 1 )数据传输的基本传输速度要达9 6 0 0 b p s 。 ( 2 )由于s c a d a 数据传输系统处于不问断的数据通信状态，整个系统的通信 数据量很大，因此要求传输方式的通信容量要大。 ( 3 )根据燃气行业发展的趋势，要求数据传输能突破地域限制而且对系统的 实时性要求严格。 结合燃气s c a d a 系统的特点对以上各传输方式进行比较分析： 夺基于p s t n 的传输虽然发展最成熟，但传输速率低，交换成本高，管理维护 困难，并且不适用实时性要求严格的系统。 夺无线电台传输方式虽然成本低，使用灵活方便，部署简单，但传输质量受互 频干扰影响，并且受电磁及气象条件限制很大。而工业现场总线组网方式只 适用范围小的场合，因此不适合s c a d a 系统的要求。 夺而基于i n t e r n e t 的传输不但可以突破地域范围的限制，扩大数掘传输的距 离，而且可以增强数据传输的实时性，提高传输数据的准确性。并且符合燃 气行业内s c a d a 系统的发展方向。 夺至于数据专线( d d n ) ，虽然符合s c a d a 技术的一般要求，但不如i n t e r n e t 更符合燃气行业所需的s c a d a 系统的发展方向。 因此本论文设计的s c a d a 数据传输系统采用基于i n t e r n e t 的数据传输方式。 2 7 小结 本章研究了目前几种具有代表性的数据传输方式：基于p s t n 的拨号传输、 d d n 传输、无线电台传输、工业现场总线传输和基于i n t e r n e t 网络的传输。概 括了他们各自的数据传输原理，分析了它们各自的优缺点，结合s c a d a 系统的特 点和燃气业发展的方向，确定在本系统中采用基于i n t e r n e t 的数据传输方式。 顿 一论文基于i n t e r n e t 的s c a d a 数据传输系统研究 3 选择实现系统所需的网络通信协议 3 1 引言 网络中不同的工作站，服务器之间之所以能通过网络传输数据，源于协议的 存在。协议1 5 9 】【6 2 】定义了在传输数据前数据应该如何被打成包以及在接收数据时 接收主机如何解包。确切来说是开发严格的标准定义主机之洲的每个包中每个字 中的每一位。目前流行的网络协议有很多种，虽然每种网络协议都有其各自的优 点，但是只有t c p i p 胍允许与i n t e r n e t 完全的连接，它更侧重于互联设备间的数 据传输。t c p i p 是在6 0 年代由麻省理工学院和一些商业组织为美国国防部开发 的，使整个网络即便遭到核攻击破坏了大部分网络结构，t c p i p 仍然能够维持有 效的通信。同时t c p i p 具备了可扩展性和可靠性的需求，成为网络传输技术中最 通行的协议标准。f 因为t c p i p 协议所具有的完善、成熟及通用的特点，符合本 系统数据传输的技术要求，因此通信协议采用t c p i p 协议，t c p 和i p 是两个独立 且紧密结合的协议，负责管理和日i 导数据报文在i n t e r n e t 上的传输。二者使用专 门的报文头定义每个报文的内容，t c p 负责和远程主机的连接。而i p 负责寻址， 使报文被送到其该去的地方。 t c p i p 这个协议遵守一个四层的模型概念：应用层、传输层、互联层和网络 接口层。 应用层协议提供远程访问和资源共享，同样需要在网络上要求通信的任 何应用( 包括用户自己开发的和在商店买来的软件) 也属于应用层。 传输层的功能包括：对传输的应用数据进行分段，执行数学检查来保证 所收数据的完整性；为多个应用同时传输数掘，即多路复用数据流( 传输 和接收) ，也就是可以识别特殊应用；对收到的乱序数据可以重新排序。 互联层的作用是为数据报提供寻址和路由选择及管理。 网络接口层的作用是实现物理连接。 当应用程序用t c p 传送数据时，数据被送入协议中，然后逐个通过每一层直 到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些信息首 部，t c p 传给互联层的数据单元称作t c 时匣文段，而传输层传给网络接口层的数据 单元称作i p 数据报；接口层把数据传输到传输线上，根据路由协议选择路由，传 输数据报到目的端，而目的端接收到数据报时，把数据从底向上传输经过各协议 层，同时去掉各层协议加上的报文首部，每层协议都要去检查报文首部中的协议 标以，以确定接收数据的上层协议，直到把数据传给目的端各自对应的应用程序。 坝1 1 论文基于i n t e m e t 的s c a d a 数据传输系统研究 3 2 t c p 协议 传输控制协议( t c p ) 属于传输层协议f 5 f j ( 5 5 j ，当t c p 收到应用信息时会给数 掘添加个t c p 报文头，以方便控制信息包实现它的作用。t c p 报文头格式如下 1 6 位3 2 位 源端口目的端口 顺序号 应答号 偏移保留u r p asf 窗口 i校验和紧急指针 选项和填充字节 图3 1t c p 报文头格式 源端口；用于指示进行t c p 连接时发送端所使用的t c p 端口的数值。 目的端口：用于指示进j t t c p 连接时接收端所使用的t c p 端口的数值。 顺序号：用于指出在接收端数据报被重组的次序。在三步握手方式期问也用 于同步序列号。 确认号码：给发送主机指出目的主机期待接收的下一个顺序号。 数据偏移：这个数指示数据的丌始位置。 保留域：保留给将来使用，它全被置0 。 紧急控制位( u r g ) ：如果这一位为1 ，紧急指针字段将是重要的并且被阅读。 确认控制位( a c k ) ：如果这一位为l ，确认字段将是重要的并且被阅读。 推入控制位( p s h ) ：如采这一位为1 ，则数据段要求执行推入功能，应用 程序不是等待传输缓冲区全满之后再发送数据而是立 刻发送数据流。 1 0 重新启动控制位( r s t ) ：如果这一位为1 ，则t c p 包请求连接重新启动。 1 1 同步控制位( s y n ) ：这一位用来指出顺序号将同步，在t c p 连接建立期间这 个事件将发生。 1 2 结束控制位( f i n ) ：如果这一位为】，则发送主机没有数据继续发送了。 1 3 窗口大小：用来指定一次可以有多少个发送端的八位分组将被接收。 1 4 校验和：用来保证t c p 数据报在传输中不被损坏。 1 5 紧急指针：如果紧急控制位字段为1 ，这个字段将被阅读。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 硕1 论文荩于i n t e r n e t 的s c a d a 数据传输系统研究 1 6 选项：用于不同阶段对t c p 报文的补充。 1 7 补丁：保证t c p 头在第3 2 位结束，补丁全部都设置为0 。 1 8 数据：包含在t c p 段中的实际数据。 而t c p 协议在整个数据传输过程中具有以下作用： 建立t c p 连接实现两台计算机通信 多路复用多种应用数据 测试数据的完整性 对乱序数据进行排序 流量控制 计时器机制 t c p 连接的终止 3 2 1 建立t c p 连接 ， 在进行数据传输前首先要根据i p 地址发送t c p 信息包建立两台计算机 的连接，这个过程被称为t c p 的三步握手【5 5 j ，见图3 2 。 发送端接收端 报文段1 报文段3 图3 2 t c p - 一- - 步握手示意图 报文段2 1 ) 发送端发送一个同步( s y n ) 标志设置为1 的t c p 信息包，指明发送端打算连接 接收端，并且表示发送主机想和目的主机同步序列号码，并且把它当前的序列号 码( i s n ，在这个例子巾为1 4 1 5 5 3 1 5 2 1 ) 发送给目的主机，这个t c p 信息包为报文 段1 ，一个s y n 占用一个序号。 2 ) 接收端如果同意建立通信会话，则回复一个确认( 把a c k 标志设置为l ，表示 回复是确认) 同时，将确认序号设置为发送端的1 8 n ) j n l ( 1 4 1 5 5 3 1 5 2 2 ) 。这就在 一个方向上建立了t c p 连接，为了在另一个方向上建立连接，接收端发送包含它 的当前序列号码( 1 8 2 3 0 8 3 5 2 1 ) ，s y n 标志为1 的t c p 信息包，这两个部分组成了 报文端2 。 3 ) 发送端必须将确认序号设置为接受端的i s n d n l ( 1 8 2 3 0 8 3 5 2 2 ) 以对接收端发 硕f 论文 幕j 1 n t e m e t 的s c a d a 数据传输系统_ l 】f 究 来的7 r c p 信息包进行确认( 报文段3 ) 。 这样双方向的连接就被建立了，两台主机之间就可以通信了。应用程序传输 数据流给t c p ，t c p 接收到数据流并且把它们分解成段。如果数据流不能被分成一 段，那么就分成数段，每一段都分配一个序列号。 3 2 2 多路复用数据流 在发送数据报时，由于t c p 并不是只服务于一个应用程序，所以t c p 可以同时 接收多个应用程序数据，把它们打包到数据段中之后传给互联层。同样的，t c p 也能同时接收多个应用的数据，并且根据到达的数据报所包含的端口号的数值把 报文转发到各自对应的应用程序，因为每个应用程序都有其对应的端口号，而 t c p 段中既有源端口号又有目的端口号，并且构成了套接字地址( 套接字由驻留 在主机上的特定应用端口号和机器i p 地址联合构成) ，这些都保证了把相应的数 据报发送到目的端相应的应用程序 6 3 】。 3 2 3 测试数据的完整性 封装在t c p 段中的数据经过t c p 执行的数学计算，并把结果放在t c p 头的校验 和域中。一旦数据到达目的地，对接收数据执行相同的数学计算，产生的结果应 浚$ 1 j t c p 头中存储的结果相同。如果二者相同，则说明数据没被改变过。否则， 就要向源主机发送一个请求，要求其重发一份数据拷贝【6 2 】。 3 2 4 对乱序数据进行排序 通常到达目的端的报文段是乱序的，导致这样的结果有很多原因。例如，在 一个利用率非常高的网络中，路由协议很可能在传输报文时选择不同的路径通过 网络，从而导致数据段乱序到达；或者报文在传输过程中丢失或损坏，导致接收 端应用程序所需的用柬给数据报文进行排序的数据序列被丢弃。因此目的端的 t c p 协议会缓冲接收到的数掘段，然后通过查看t c p 头中的序列号域对接收的数据 段重新排序，直到排序正确为止【5 5 】 5 9 】。 3 2 5 流量控制 t c p 会话中的发送端和接收端称为对等实体。每一对等实体对流向其物理缓 冲的数据流有控制能力。流量控制使用的是t c