数据通信IEC60870及61850

1、IEC 60870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

2、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

3、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

4、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 × （N1）/ 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

5、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 × （N1）/ 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（Communication Control Processor，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

6、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、

7、网桥、路由器、网关、交换机等。l 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。l 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。l 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。l 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。l

8、 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。l 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

9、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。l 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

10、而形成的一种传输介质。l 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。l 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

11、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

12、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

13、，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

14、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

15、。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（International Standard Organization，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（Open System Interconnection / Reference Model，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

16、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。l 物理层（Physical Layer）：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。l 数据链路层（Data Link Layer）：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

17、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。l 网络层（Network Layer）：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。l 传输层（Transport Layer）：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

18、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。l 会话层（Session Layer）：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。l 表示层（Presentation Layer）：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

19、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。l 应用层（Application Layer）：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

20、，并定义了如下几种常用的信息数据单元：l （N）层协议控制信息（PCI）l （N）层用户数据（User Data）l （N）层协议数据单元（PDU）l （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（Protocol Data Unit，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（Service Data Unit，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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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13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

26、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。l 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。l 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”。l 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

27、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、

28、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（Electronic Industry Association）代表美国电子工业协会，RS（Recommended Standard）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“

29、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-

30、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。UNIVERSAL SERIAL BUS（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、NORTHERN TELCOM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

31、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（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控

32、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参考模型中的物理层和数据

33、链路层。其层次关系如下图所示：TCP/IP作为一套完整的网络通信协议结构，并不是一个简单的协议，而是一组专业化协议，实际上是一个协议簇。除了最重要的TCP和IP两个核心协议外，TCP/IP协议簇还包括UDP、ARP等其它的一些被称为子协议的协议。2. TCP/IP模型的各层功能应用层：为用户提供访问Internet的一组应用高层协议，即一组应用程序，如文件传输、电子邮件、远程登录等。应用层的作用是对数据进行格式化，并完成应用所要求的服务。数据格式化的目的是为了便于传输与接收。用户可以在Internet之上（传输层之上），根据需要，建立自己的专用程序，设计使用这些专用程序要用到TCP/IP，但不

34、属于TCP/IP。传输层:作用是格式化信息，并提供应用程序间（端到端）的通信服务，确保源主机传送的分组正确到达目的主机，该层提供两个协议：（1）传输控制协议TCP：负责提供可靠的数据传输服务，主要用于一次传送大量报文，如文件传送等。（2）用户数据协议UDP：负责提供高效的服务，用于一次传送少量的报文，如数据查询等。TCP与UDP主要的区别是UDP是一个面向无连接的协议，不一定提供可靠的数据传输；而TCP是一个面向连接的协议，提供可靠的数据传输。网络层：网络层的作用是提供相邻主机之间的通信，它的核心是IP协议，同时还提供有多种其它协议。IP协议提供主机间的数据传送能力，其它协议提供IP协议的辅助

35、功能，协助IP协议更好地完成数据报文传送。网络层的主要功能有3点：（1）处理来自传输层的分组发送请求：收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择路由，然后将数据报发送到适当的网络接口层。（2）处理输入数据报：首先，检查输入的合法性，然后，进行路由选择，假如该数据报已到达目的地（本机），则去掉报头，将剩下的部分（即传输层分组）交给适当的传输协议，假如该数据报未到达目的地，则转发该数据报。（3）处理差错与控制报文：处理路由、流量控制、拥塞控制等问题。网络接口层：网络接口层是TCP/IP协议模型的最低一层，它对应于OSI参考模型的数据链路层和物理层，常称为“物理网”。网络接口层并不包含任何具体

36、的物理层和数据链路层协议，只定义了TCP/IP与各种物理网之间的接口和适配功能，只是指出主机必须使用某种协议与物理网络连接。3. TCP/IP的两个重要概念l 客户/服务器模式TCP/IP的应用层协议一般均采用客户/服务器模式（Client/Server, C/S）,这是一个特别重要的概念。TCP/IP采用客户/服务器模式实现两个应用程序之间的通信，即启动通信、请求服务的一方称为客户，产生响应、提供服务的另一方称为服务器。客户与服务器的通信一旦建立，通信就可以是双向的，客户和服务器都可以发送和接收信息，二者之间通过TCP/IP通信，服务器负责提供信息服务，主要功能有：（1）接受从客户机来的连接

37、请求（称为TCP/IP连接）；（2）解释客户的请求；（3）完成客户请求；（4）将结果传送给客户。客户机的主要功能有：（1）接受用户键盘或鼠标的请求；（2）与服务器建立连接；（3）将请求传递给服务器；（4）接收服务器送来的结果。l 面向连接服务与无连接服务面向连接的服务应该具有建立连接、数据传输和连接释放这3个阶段。因此，面向连接服务是在数据交换之前，必须先建立连接，当数据交换结束后，必须终止这个连接，在传送数据时是按序传送的。面向连接服务比较适合于在一定期间内要向同一目的地发送许多报文的情况。对于发送很短的零星报文，面向连接服务的开销就显得过大了。在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要

38、先建立好一个连接，但无连接服务不能防止报文的丢失、重复或乱序。无连接服务不需要接收端做任何响应，因而是一种不可靠的服务，这种服务常被描述为“尽最大努力交互”（Best Effort Delivery）或“尽力而为”。传输层的TCP协议是面向连接而可靠的传输服务协议、UDP协议是面向无连接而不可靠的传输服务协议。1.11 三种Modbus协议与OSI参考模型的比较Modbus协议包括Modbus/RTU/ASCII、Modbus Plus（MB+）、Modbus/TCP/IP三种，分别属于三种通信方式，这三种通信方式与OSI参考模型的比较如下表：层号OSI模型Modbus/RTU/ASCIIMo

39、dbus PlusModbus /TCP/IP7应用层Modbus 应用层协议6表示层5会话层4传输层TCP3网络层IP2数据链路层Modbus串行链路协议IEEE 802.2 LLC / IEEE 802.4 MACEthernet II/IEEE802.31物理层ETA / TIA 232 / 422 / 485以太网物理接口1.12 如何开发通信程序组件通信协议分为底层通信协议和用户层协议。底层协议一般由硬件提供商和设备厂家提供，在一般性的应用通信编程中很少涉及，而用户层协议则是面向使用者的，也就是在编程中通常说到的通信协议。对于上位机采集数据的通信程序，一般将其封装在一个dll（动态链

40、接库）组件中，供应用程序调用，常被称为驱动程序。开发通信程序组件最主要的工作是分析通信协议中的各种数据格式，一般应用中的通信协议都是问答式的用户层协议，这种用户层的通信协议，简单来说，就是数据以何种格式发送出去，或者如何从接收到的某种格式的数据串中提取出需要的数据，以及在发送和接收过程中如何保证这些数据的正确性，即数据校验，同时，通信程序还需要处理与应用程序、串口、网络等的接口程序编写。因此，编写通信程序组件一般需要处理三个基本模块：（1）与应用程序的接口；（2）通信协议数据分析模块；（3）与低层的接口，即如何通过串口或网络与对方建立连接、发送接收数据、释放连接等，这部分的代码编写通常是用操作

41、系统提供的系统函数去完成。二. IEC 60870系列标准2.1 什么是IECIEC是国际电工委员会（International Electrotechnical Commission）的缩写，是非政府性国际组织和联合国社会经济理事会的甲级咨询机构，正式成立于1906年成月，是世界上成立最早的专门国际标准化机构。总部设在日内瓦。1947年ISO成立后，IEC曾作为电工部门并入ISO，但在技术上、财务上仍保持其独立性。根据1976年ISO与IEC的新协议，两组织都是法律上独立的组织，IEC负责有关电工、电子领域的国际标准化工作，其他领域则由ISO负责。 IEC的宗旨是促进电工、电子领域中标准化及

42、有关方面问题的国际合作，增进相互了解。为实现这一目的，出版包括国际标准在内的各种出版物，并希望各国家委员会在其本国条件许可的情况下，使用这些国际标准。IEC的工作领域包括了电力、电子、电信和原子能方面的电工技术。现已制订国际电工标准3000多个。2.2 IEC 60870系列标准包含的内容自20世纪80年代以来，国际电工委员会第57技术委员会为适应电力系统，包括EMS（能量管理系统）、SCADA（监控与数据采集）、DMS（配电管理系统）、DA（配电自动化）及其它供水、供气等公用事业的需要，制定了IEC 60870远动设备及系统系列标准，从总则、工作条件、接口、性能要求和传输规约等方面对电力系统

43、及相关公用事业的远动技术进行规范，我国也等同将其采用为国家标准或电力行业标准。该系列标准文件适用于远动设备及系统。远动设备及系统以串行比特编码进行数据传输，对广域分布的过程进行监视和控制。IEC 60870系列标准分为6个部分，分别是：1. 第1部分：总则l 第1-1部分：基本原则l 第1-2部分：制定规范的导则l 第1-3部分：术语l 第1-4部分：远动数据传输的基本方面及IEC 60870-5与IEC 60870-6标准的结构l 第1-5部分：带扰码的调制解调器传输过程对使用IEC 60870-5规约的传输系统的数据完整性的影响2. 第2部分：工作条件l 第2-1部分：电源和电磁兼容性l

44、第2-2部分：环境条件（气候、机械和其他非电影响因素）3. 第3部分：接口（电气特性）4. 第4部分：性能要求5. 第5部分：传输规约l 第1篇：传输帧格式l 第2篇：链路传输规则l 第3篇：应用数据的一般结构l 第4篇：应用信息元素的定义和编码l 第5篇：基本应用功能l 第5-101部分：基本远动任务配套标准l 第5-102部分：电力系统电能累计量传输配套标准l 第5-103部分：继电保护设备信息接口配套标准l 第5-104部分：采用标准传输协议子集的IEC 60870-5-101网络访问l 第5-6部分：IEC 60870-5规约系列测试规则6. 第6部分：与ISO/ITU-T建议兼容的远

45、动协议l 第1篇：标准的应用环境和结构l 第2篇：OSI 1至4层基本标准的应用l 第503篇：TASE.2服务和协议l 第505篇：TASE.2用户指南l 第601篇：在永久访问连接分组交换数据网的端系统中提供基于连接传输服务的功能标准集l 第602篇：TASE传输协议子集l 第702篇：在端系统中提供TASE.2应用服务的功能协议子集l 第802篇：TASE.2对象模型2.3 远动系统标准中常见的重要术语IEC 60870 第1-3部分对该标准中使用的术语做了定义。以下是其中的一些常见而重要的术语：远动：应用通信技术，完成遥测、遥信、遥控和遥调等功能的总称。远程测量（遥测）：应用通信技术，

46、传输被测变量的测量值。远程信号（遥信）：应用通信技术，完成对设备状态信息的监视，如告警状态或开关位置、阀门位置等。远程命令（遥控）：应用通信技术，完成改变运行设备状态的命令。远程调节（遥调）：应用通信技术，完成对具有两个以上状态的运行设备的控制。远动系统：对广阔地区的生产过程进行监视和控制的系统，它包括对生产过程信息的采集、处理、传输和显示等全部功能与设备。规约：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。平衡传输：已连接的两个站的终端设备（DTE）均可随时启动报文传输的传输方法。非平衡传输：只有主站的数据终端设备（DTE）可

47、以启动报文传输的传输方式。从站只在接收到主站请求后才能传送报文。主站：也称为控制站，即对子站实现远程监控的站。从站：也称为子站或被控站，即受主站监视和控制的站。问答式远动系统：一种远动系统，其调度中心或主站要取得子站的监视信息，需先询问子站，然后子站作出回答。静态远动系统：一种远动传输系统，设备通常是处于待用的静止状态，仅在发生事件时才传送信息。监视方向：被监视点到监视点的方向，通常指子站到主站的方向。命令方向：控制端到被控端的方向，通常指主站到子站的方向。自发传输：仅在事件发生时，才进行报文传输。阈值传输：仅当物理量的变化超过给定阈值时才传输。按请求传输：响应站仅在对启动站的请求作出响应时才

48、送报文。单点信息：用一个比特表示运行设备两种状态的监视信息。双点信息：由两比特表示的监视信息。两比特的不同组合表示运行设备的确定和不确定状态。举例：设定值：一种控制变量，用以指定被控变量应设置的数值。确认：指监视或命令信息是否已被接收。肯定确认：指监视或命令信息已被正确接收。否定确认：指监视或命令信息未能被正确接收。命令：改变运行设备状态的信息。单命令：使运行设备状态在一个方向上变化的命令。选择命令：选择设备中某一部件，使之与公用设备相连。选择和执行命令：一种分步执行的组合命令，对运行设备的遥控需有两个步骤：首先，主站发一选择命令激励子站局部控制电路，被激控制电路返送一肯定确认的信息。其次，主

49、站收到肯定确认后，再发一执行命令，激励子站控制电路的执行部件。设定命令：置子站运行设备参量于某值的命令。报文：以一帧或多帧组成的信息传输单元。帧：含有信息、控制和校验区，并附有帧定界符的比特序列。字：作为整体看待的字符串、二进制元素串或比特串。八位位组：由八比特组成的序列，作为操作单元。字节：作为一个整体参加操作，且有一定位数的二进制数目序列组。比特（位）：量度信息的单位，它代表等概率出现时，“二中选一”所提供的信息量。窗口大小（窗口尺寸）：在检出帧差错情况下，自动请求重发之前，允许传送的帧数量。配套标准：配套标准是对基本标准或功能协议子集的定义增加语义，它表现在对信息对象定义一些特定的用途，

50、或定义另外的一些信息对象、服务规则和基本标准的参数。配套标准不得违反所引用的基本标准的规则，将这些基本标准的规则共同用于某一特定的活动范围时，配套标准使得这些基本标准的规则之间的关系变得更加明确。2.4 IEC 60870-5 传输规约IEC 60870-5 系列规约有下面几个里程碑:1990 年 2 月完成第一份文件 IEC60870-5-1 (帧结构)1995 年 11 月完成第一个完整规约的文件 IEC60870-5-101 (远动)1996 年 6 月完成第二个完整规约的文件 IEC60870-5-102 (RTU 与电表)1997 年 12 月完成第三个完整规约的文件 IEC6087

51、0-5-103 (RTU 与保护)2000 年 12 月完成第一个完整基于以太网规约的文件 IEC60870-5-104 (远动)2002 年 11 月完成 IEC60870-5-101 第二版 (远动)2004 年 完成IEC 60870-5-6 (IEC 60870-5 系列规约的兼容测试步骤)IEC 60870-5 系列规约的发展比较长，10 年后才有了被除北美外全世界的接受，形成新的自动化功能规范串行均以IEC 60870-5-101/102/103 为基本要求，以太网均以IEC 60870-5-104 为基本要求的局面。IEC 60870-5 规定了为在带宽较窄的通信环境中要求反应时

52、间较短的系统考虑的协议，例如，常有电磁干扰的严苛环境等。可使用增强性能型结构（EPA）。它还规定了为差错校正程序提供窗口尺寸为1的半双工和双工协议。这类协议只适用于多点对点、多点星形、多点共线和多点环形配置；不适用于采用存储转发技术进行报文传输的网状网络配置。分层网络配置限于远动设备与本地控制网络之间的连接。IEC 60870-5由以下部分组成：l IEC 60870-5-1：传输帧格式l IEC 60870-5-2：链路传输规则l IEC 60870-5-3：应用数据的一般结构l IEC 60870-5-4：应用信息元素的定义和编码l IEC 60870-5-5：基本应用功能l IEC 60

53、870-5-10X：远动配套标准和协议IEC 60870-5-1着重于远动系统数据传输的特殊要求和条件，描述了满足这些要求的途径，采用了满足远动特殊要求的现有的数据传输标准。在将通信划分为七层的OSI参考模型中，本部分规定了最低两层（物理层和链路层）的标准。特别是本部分规定了符合数据完整性级别要求的比特串行帧传输的格式。IEC 60870-5-2为使用半双工或双工传输通道，平衡和非平衡传输，工作在窗口尺寸为1的远动系统传输序列定义了链路过程。IEC 60870-5-3规定了远动系统的传输帧中构成应用数据单元的规则。IEC 60870-5-4规定了定义信息元素的规则，提出了一组信息元素，特别是远

54、动系统中一些常用的数字和模拟过程的变量。IEC 60870-5-5定义了实现远动系统的标准过程的基本应用功能，即开放式通信系统的ISO参考模型的第7层（应用层）以外的应用进程。这些应用进程使用应用层的标准服务。本部分是详细规定具体远动任务的IEC 60870-5-10X的各种应用协议集的基本标准。IEC 60870-5-10X由以下几个配套标准组成，不同供应商提供的产品可以通过它们彼此兼容：IEC 60870-5-101：基本远动任务配套标准；IEC 60870-5-102：电力系统电能累计量传输配套标准；IEC 60870-5-103：继电保护设备信息接口配套标准；IEC 60870-5-1

55、04：用标准传输协议子集的IEC 60870-5-101网络访问。基本标准是制定和理解配套标准的依据，配套标准都要引用基本标准，配套标准针对具体应用作了具体规定，使基本标准的原则更加明确。等同采用基本标准和配套标准有利于更好的贯彻标准，实现远动设备的互操作性。IEC 60870-5系列标准涵盖了各种网络配置（点对点、多个点对点、多点共线、多点环型、多点星形），各种传输模式（平衡式、非平衡式），网络的主从传输模式和网络的平衡传输模式，电力系统所需要的应用功能和应用信息，是一个完整的集，和IEC 61334、配套标准DL/T 634.5104-2002、（IDT.IEC 60870-5-104:2

56、009）、DL/T719-2000一起，可以适应电力自动化系统中各种调制方式、各种网络配置和各种传输模式的需要。2.5 规约的一致性测试一致性测试：按照适用的测试计划进行测试以验证设备的协议实现，一致性测试包括强制测试项和任选测试项，并回答如下问题：“在×××设备中的协议实现符合IEC 60870-5-10X标准、PICS和协议实现文件（PID）？”，其中“PICS”指“协议实现一致性陈述”，即被测试的系统能力的总结。为了实现设备的互操作，就需要对设备的协议实现进行一致性测试，一致性测试要求分两类：（1）静态一致性要求；（2）动态一致性要求。每一类还要指出强制测试项和任选测试项。IEC 60870第5-6部分详细列出了IEC 60870-5规约系列测试规则，这部分是一个指导性的技术文件，它的目的是面向那些不是协议专家的人，使他们具有确定两个设备是否具有8090的规约实现互操作的能力。因此定义了基本应用功能、ASDU和链路传输规则的强制测试项，这些测试项覆盖近8090的协议内容，达到标准所描述功能最大的互操作性。2.6 101规约与Modbus/RTU协议的比较1. Modbus/RTU通信协议在实际应用中的通信流程在实际应用中，Modbus/