phân tán)
Hình 1.7 Truyền thông dữ liệu theo tiêu chuẩn DNP 3.0
DNP3(Distributed Network Protocol 3) được phát triển bởi Harris, một nhà phân phối sản phẩm tự động hóa ở Calgary-Alberta-Canada vào năm 1990. DNP3 đã chiếm lĩnh được thị trường. Sự phát triển của giao thức mạng phân phối(DNP) là một trong những nỗ lực tổng thểđểđạt được hiệu quả mong muốn dựa trên các tiêu chuẩn trong việc kết nối hệ thống máy tính trong trạm biến áp, RTUs, IEDs và trạm chủ (Thiết thực trong hệ thống truyền thông các trạm chủ) cho ngành công nghiệp điện. Cơ sở của DNP3 là sự kết hợp giao thức của 3 tầng là tầng 1, tầng 2 và tầng 7 của mạng truyền thông ISO/OSI. Nó được thiết kế cho các ứng dụng điều khiển và kiểm soát dữ liệu, thu nhập các thông tin trong lĩnh vực truyền tải dữ liệu điện. Giao thức mạng DNP3 được xây dựng dựa trên nền tảng quy định của tiêu chuẩn
DNP3 là một hệ thống mở, thông minh, thiết thực trong hệ thống SCADA hiện đại, nó có thể:
- Yêu cầu và đáp ứng với nhiều loại dữ liệu trong một bản tin đơn.
- Phân loại bản tin trong nhiều khung để đảm bảo chính xác tìm ra các lỗi và khôi phục lại hệ thống.
- Bao gồm sự thay đổi dữ liệu tốt nhất trong bản tin trả lời.
- Phân chia các mục dữ liệu được ưu tiên và yêu cầu mục dữ liệu một cách định kỳ trên mức ưu tiên của nó.
- Gửi trả lời khi không cần có yêu cầu( tự nguyện). - Hỗ trợ thời gian đồng bộ hóa và bộ thời gian chuẩn. - Cho phép nhiều máy chủ và thao tác đồng đẳng.
- Cho phép người dùng có thể xác định rõ đối tượng kể cả file chuyển giao.
Cấu trúc phân tầng:
DNP3 là một giao thức phân tầng:
Tầng vật lý:
Tầng vật lý chủ yếu được nối với phương tiện truyền thông vật lý, toàn bộ giao thức này là giao thức truyền thông. Ví dụ, nó xử lý trạng thái của phương tiện truyền thông(trống hoặc bận) và đồng bộ hóa cả hai phương thức của phương tiện truyền thông ( khởi động hoặc kết thúc). Thông thường DNP chỉ rõ toàn bộ chuỗi đơn giản và của lớp vật lý như RS 232 hoặc RS 485 sử dụng trong phương tiện truyền thông vật lý.
Tầng liên kết dữ liệu:
Tầng liên kết dữ liệu quản lý liên kết địa phương giữa thông tin gửi và nhận nó cải tạo những tính chất bị lỗi của kênh vật lý. DNP3 được thực hiện bằng việc bắt đầu mỗi khung liên kết dữ liệu với một header liên kết dữ liệu và đưa vào 16 bít CRC vào 16 byte của khung dữ liệu. Một khung(frame) phân chia truyền một bản tin phức tạp cho toàn bộ lớp vật lý. Kích thước tối đa của một khung dữ liệu là 256 byte. Mỗi khung có 16 bit địa chỉ nguồn và 16 bit mã khởi động, độ dài khung và mỗi byte điều khiển liên kết dữ liệu được chứa trong 10 byte header liên kết dữ liệu.
Byte điều khiển liên kết dữ liệu chỉ rõ mục đích của khung liên kết dữ liệu và trạng thái của liên kết logic. Có thể byte điều khiển liên kết dữ liệu thay đổi gồm: ACK(Acknowledgment), NACK, xác lập lại những liên kết cần thiết, liên kết là sự xác lập, yêu cầu kiểm tra dữ liệu liên kết(ACK) của một khung, yêu cầu tình trạng liên kết và đáp lại tình trạng liên kết. khi yêu cầu xác nhận liên kết dữ liệu, người nhận phải trả lời với một khung dữ liệu liên kết ACK nếu khung này được nhận và qua CRC kiểm tra. Nếu không yêu cầu xác nhận liên kết dữ liệu, không cần trả lời của dữ liệu liên kết.
Tầng truyền giao vận:
Tầng ứng dụng thực hiện việc hoàn thiện bản tin nhận được và cấu thành các bản tin dựa trên nhu cầu hoặc tính sẵn sàng của dữ liệu sử dụng. Mỗi khi một bản tin dược cấu thành chúng được đẩy xuống tầng giao vận, ởđó chúng được chia cắt rồi đẩy vào tầng liên kết dữ liệu và cuối cùng được gửi đi qua tầng vật lý. Tổng độ dài của mỗi bản tin nhận được được xác định bởi tầng giao vận cùng với các khung tin ở tầng liên kết dữ liệu tương ứng với các độ dài của chúng.
Khi dữ liệu được chuyển đi quá lớn đối với một bản tin tầng ứng dụng thì nhiều bản tin tầng ứng dụng có thểđược tạo ra và truyền đi một cách tuần tự.
Tuy nhiên, mỗi bản tin là một bản tin tầng ứng dụng độc lập, sự liên quan của nó với các bản tin khác được chỉ ra trong tất cả các bản tin. Bởi vì có thể phân mảnh bản tin ứng dụng nên mỗi bản tin ứng dụng được xem như một mảnh và một bản tin có thể là bản tin đơn mảnh hoặc bản tin đa mảnh.
Các mảnh ở tầng ứng dụng từ các trạm chủ DNP3 là các yêu cầu hoạt động trên các đối tượng dữ liệu và các mảnh ở tầng ứng dụng ở trạm thứ cấp DNP3 là các đáp ứng cho các yêu cầu đó. Một trạm DNP3 thứ cấp cũng có thể truyền gói tin mà không cần yêu cầu.
Như trong tầng liên kết dữ liệu, các mảnh ở tầng ứng dụng có thểđược gởi với yêu cầu khẳng định. Một khẳng định ở tầng ứng dụng chỉ ra rằng một bản tin không chỉ đã được nhận mà còn được phân tích mà không có lỗi. Ngoài ra khẳng định tầng
liên kết dữ liệu, còn gọi là ACK không chỉ chỉ ra rằng các khung liên kết dữ liệu đã được nhận và nó còn truyền đi các CRC(Cyclic Redundancy Check) kiểm tra lỗi Mỗi một mảnh ở tầng ứng dụng bắt đầu với một header, ở tầng ứng dụng theo sau là một hoặc nhiều đối tượng dữ liệu khác. Mỗi một header ở tầng ứng dụng chứa một mã điều khiển ứng dụng và một mã chức năng ứng dụng. Mã điều khiển ứng dụng xác định mảnh đó là một của một gói tin đa mảnh hay không, khẳng định ở tầng ứng dụng có được yêu cầu hay không, mảnh đó có phải từ một gói tin trả lời mà không cần yêu cầu hay không và chữa một số thứ tự hoặc là các mảnh bị loại bỏ. Mã chức năng ở tầng ứng dụng chỉ ra mục đích của gói tin. Trong khi DNP3 cho phép nhiều kiểu dữ liệu trong một bản tin thì nó chỉ cho phép một hoạt động được yêu cầu trong các kiểu dữ liệu trong gói tin đó.
Tổ chức cơ sở dữ liệu:
Trong DNP3, dữ liệu được tổ chức thành nhiều kiểu. Mỗi một kiểu là một nhóm đối tượng bao gồm:
- Binary inputs( chỉđọc các bit đơn) - Binary outputs
- Analog inputs - Analog outputs - Các biến đếm - Thời gian
- Các đối tượng truyền file - Các loại khác
Với mỗi nhóm đối tượng hoặc kiểu dữ liệu, một hoặc nhiều điểm dữ liệu có thể tồn tại. Một điểm dữ liệu là một giá trị dữ liệu đơn của một kiểu được xác định bởi nhóm đối tượng đó.
Tương tự như vậy, bên trong mỗi một nhóm đối tượng các biến nhóm dữ liệu đối tượng cũng tồn tại. Một biến nhóm dữ liệu được sử dụng để chỉ ra các phương khác nhau của việc xác định dữ liệu bên trong nhóm dữ liệu đó. Ví dụ, các biến trong (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
kiểu dữ liệu analog inputs cho phép truyền dữ liệu như là các giá trị nguyên 16 bit có dấu, 32 bit có dấu hoặc là các giá trị con trỏđộng 32 bit.
Như miêu tả ở trên, mỗi một tin nhắn tầng ứng dụng có thể chứa nhiều header đối tượng. Mỗi header đối tượng xác định một nhóm đối tượng, một biến của nhóm đối tượng là một dải các điểm trong các biến của nhóm đối tượng đó. Một số mã chức năng ứng dụng chỉ ra rằng các đối tượng dữ liệu theo sau mỗi một header đối tượng, trong khi mã chức năng khác lại chỉ ra rằng không có đối tượng dữ liệu nào trong bản tin ấy. Ví dụ, một mảnh của bản tin yêu cầu chỉ chứa các header đối tượng mà nó miêu tả các nhóm đối tượng, các biến, các dải điểm được yêu cầu.
DNP3 cho phép các dải điểm đối tượng có thểđược xác định trong sự biến đổi của các phương thức. Với mỗi bản tin yêu cầu, các dải điểm đối tượng có thểđòi hỏi:
- Yêu càu cho các điểm của nhóm đối tượng đã được xác định
- Yêu cầu cho một dải liên tục các điểm được bắt đầu với điểm đầu và điểm kết thúc với điểm cuối xác định.
- Yêu cầu cho sốđiểm tối đa
- Hoặc một danh sách các điểm yêu cầu.
Với các gói tin trả lời, các dải điểm đối tượng thông thường bao gồm hoặc là một dải các điểm liên tục bắt đầu bởi điểm bắt đầu và kết thúc bởi điểm kết thúc hoặc là với một danh sách các điểm. Với các dải điểm đối tượng trả lời có thể bao gồm một danh sách các điểm với số thứ tự tương ứng. Số lượng các điểm trong danh sách xác định như là một phần của dải đối tượng.
Mô hình báo cáo:
Rất nhiều các nhóm đối tượng có chức năng này, như một cách riêng rẽ, các nhóm đối tượng chứa dữ liệu thay đổi. Dữ liệu thay đổi chỉ xuất hiện ở các điểm mà đã thay đổi đối với một nhóm đối tượng tương ứng xác định. Ví dụ, nhóm đối tượng số một biểu diễn các kiểu binary inputs, nhóm đối tượng số 2 biểu diễn sự thay đổi tương ứng. Khi một điểm trong nhóm đối tượng một cần thay đổi, một sự thay đổi trong nhóm đối tượng hai tại cùng vị trí điểm đó sẽđược tạo ra. Việc chỉ chữa các
điểm thay đổi trong các bản tin trả lời cho phép bản tin trở nên nhỏ hơn và hiệu quả hơn. Hình thức báo cáo đó gọi là report-by-exception(RBE).
Trong mô hình DNP3 các nhóm đối tượng và các điểm dữ liệu trong chúng có thể được tổ chức thành các lớp. Điều đó tạo ra một phương pháp hiệu quả cho các dữ liệu báo cáo. Một bản tin đơn giản có thể được gửi để yêu cầu tất cả trong một lớp cụ thể. Có 4 dạng lớp được định nghĩa trong DNP3: lớp 0 biểu diễn dữ liệu tĩnh, lớp 1,2,3 biểu diễn mức độưu tiên của các sự kiện dữ liệu thay đổi. Bằng cách liên kết các sự kiện dữ liệu thay đổi khác nhau với các lớp khác nhau, các lớp có thể được yêu cầu đa dạng hơn. Trong lớp 1 chứa sự kiện dữ liệu thay đổi với mức ưu tiên cao nhất và lớp 3 mức ưu tiên thấp nhất.
Những lợi ích ngắn hạn của việc sử dụng giao thức DNP đó là khả năng kết hợp các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau, các giao thức kết nối ít, chi phí cho phần mềm nhỏ, ít phải kiểm tra, bảo dưỡng hoạt động độc lập nên thuận lợi cho việc thử nghiệm. Trong chế độ làm việc lâu dài thì lợi ích của việc sử dụng DNP là có thể mở rộng và kết nối với hệ thống một cách dễ dàng thông qua công nghệ mới hoạt động một cách có hiệu quả hơn.