Giao thức truyền thông định nghĩa format của dữ liệu được truyền đi giữa các thiết bị, nhờ đó việc truyền tin trở nên dễ dàng hơn, các thiết bị có thể giải mã dữ liệu nhận được, đồng thời cho phép truyền đi nhiều kiểu dữ liệu trên cùng một kênh truyền sử dụng các kỹ thuật đã mô tả ở trên.
Các dữ liệu trong hệ thống điện, ví như các giá trị điện áp, sau khi số hóa được chuyển thành chuỗi các giá trị nhị phân 0 và 1 (bit), chuỗi 8 bit tạo thành 1 byte dữ liệu. Chuỗi các byte tạo thành một khung dữ liệu, trong đó chứa giá trị điện áp cần gửi đi. Ở phương pháp truyền tin chủ - tớ truyền thống, dữ liệu được gửi trong một khung bản tin điển hình với 1 bit start/stop, bit điều khiển, mã phát hiện lỗi như trong hình 2.7. Trường hợp này dành cho các liên kết truyền thông điểm – điểm. Ngày nay, khi cấu trúc bus trở nên phức tạp hơn, hoặc khi dữ liệu được gửi tới một mạng truyền thông, nhiều thông tin được bổ sung kèm dữ liệu gốc như: địa chỉ nguồn/đích, nhãn thời gian, mã phát hiện và sửa lỗi nâng cao, hàm điều khiển, … Việc thêm các thông tin đó cần phải tuân theo những quy tắc nhất định, nếu không trạm nhận sẽ không thể hiểu và giải mã được dữ liệu thực, điều này đặc biệt nguy hiểm trong một hệ thống SCADA, nơi yêu cầu khả năng giám sát, điều khiển trực tuyến các đối tượng.
Một số giao thức điển hình được sử dụng trong truyền thông SCADA hệ thống điện như: TCP/IP, EPA, Modbus, IEC 60870, IEC 61850, DNP3, …
Hình 2-7: Một khung dữ liệu điển hình trong truyền thông tín hiệu số. 2.6.1. Mô hình 7 tầng OSI
Để dễ dàng cho việc nối kết và trao đổi thông tin giữa các máy tính/hệ thống với nhau, vào năm 1983, Tổ chức tiêu chuẩn thế giới ISO đã phát triển một mô hình cho phép hai máy tính có thể gửi và nhận dữ liệu cho nhau. Mô hình này dựa trên tiếp cận phân tầng (lớp), với mỗi tầng đảm nhiệm một số các chức năng cơ bản nào đó và được gọi là mô hình OSI.
Để hai trạm có thể trao đổi thông tin được với nhau cần có rất nhiều vấn đề liên quan. Ví dụ như cần có Card mạng, dây cáp mạng, điện thế tín hiệu trên cáp mạng, cách thức đóng gói dữ liệu, điều khiển lỗi đường truyền ... Bằng cách phân chia các chức năng này vào những tầng riêng biệt nhau, việc viết các phần mềm để thực hiện chúng trở nên dễ dàng hơn. Mô hình OSI giúp đồng nhất các hệ thống mạng khác biệt nhau khi chúng trao đổi thông tin. Mô hình này gồm có 7 tầng:
7. Tầng ứng dụng (Application Layer):Đây là tầng trên cùng, cung cấp các ứng dụng truy xuất đến các dịch vụ mạng. Nó bao gồm các ứng dụng của người dùng, ví dụ như các Web Browser, các Mail User Agent (Outlook Express, Netscape Messenger, ...) hay các chương trình làm server cung cấp các dịch vụ mạng như các Web Server (Netscape Enterprise, Internet Information Service, Apache, ...), Các FTP Server, các Mail server (Send mail, MDeamon). Người dùng mạng giao tiếp trực tiếp với tầng này.
6. Tầng trình bày (Presentation Layer):Tầng này đảm bảo các máy tính có kiểu định dạng dữ liệu khác nhau vẫn có thể trao đổi thông tin cho nhau. Thông thường các máy tính sẽ thống nhất với nhau về một kiểu định dạng dữ liệu trung gian để trao đổi thông tin giữa các máy tính. Một dữ liệu cần gửi đi sẽ được tầng trình bày chuyển sang định dạng trung gian trước khi nó được truyền
5. Tầng giao dịch (Session Layer): Tầng này cho phép các ứng dụng thiết lập, sử dụng và xóa các kênh giao tiếp giữa chúng (được gọi là giao dịch). Nó cung cấp cơ chế cho việc nhận biết tên và các chức năng về bảo mật thông tin khi truyền qua mạng.
4. Tầng vận chuyển (Transport Layer): Tầng này đảm bảo truyền tải dữ liệu giữa các quá trình. Dữ liệu gửi đi được đảm bảo không có lỗi, theo đúng trình tự, không bị mất mát, trùng lặp. Đối với các gói tin có kích thước lớn, tầng này sẽ phân chia chúng thành các phần nhỏ trước khi gửi đi, cũng như tập hợp lại chúng khi nhận được.
3. Tầng mạng (Network Layer): Tầng này đảm bảo các gói dữ liệu (Packet) có thể truyền từ máy tính này đến máy tính kia cho dù không có đường truyền vật lý trực tiếp giữa chúng. Nó nhận nhiệm vụ tìm đường đi cho dữ liệu đến các đích khác nhau trong hệ thống mạng.
2. Tầng liên kết dữ liệu (Data-Link Layer): Tầng này đảm bảo truyền tải các khung dữ liệu (Frame) giữa hai máy tính có đường truyền vật lý nối trực tiếp với nhau. Nó cài đặt cơ chế phát hiện và xử lý lỗi dữ liệu nhận.
1. Tầng vật ký (Physical Layer): Điều khiển việc truyền tải thật sự các bit trên đường truyền vật lý. Nó định nghĩa các tín hiệu điện, trạng thái đường truyền, phương pháp mã hóa dữ liệu, các loại đầu nối được sử dụng.
Về nguyên tắc, tầng n của một hệ thống chỉ giao tiếp, trao đổi thông tin với tầng n
của hệ thống khác. Mỗi tầng sẽ có các đơn vị truyền dữ liệu riêng:
Tầng vật lý: bit.
Tầng liên kết dữ liệu: Frame.
Tầng mạng: Packet.
Tầng vận chuyển: Segment
Trong thực tế, dữ liệu được gửi đi từ tầng trên xuống tầng dưới cho đến tầng thấp nhất của phía gửi. Ở đó, dữ liệu sẽ được truyền đi trên đường truyền vật lý. Mỗi khi dữ liệu được truyền xuống tầng phía dưới thì nó bị"gói" lại trong đơn vị dữ liệu của tầng dưới. Tại bên nhận, dữ liệu sẽ được truyền ngược lên các tầng cao dần. Mỗi lần qua một tầng, đơn vị dữ liệu tương ứng sẽ được “tháo” ra. Đơn vị dữ liệu của mỗi tầng sẽ có một tiêu đề (header) riêng.
OSI chỉ là mô hình tham khảo, mỗi nhà sản xuất khi phát minh ra hệ thống mạng của mình sẽ thực hiện các chức năng ở từng tầng theo những cách thức riêng. Các cách thức này thường được mô tả dưới dạng các chuẩn mạng hay các giao thức mạng. Như vậy dẫn đến trường hợp cùng một chức năng nhưng hai hệ thống mạng khác nhau sẽ không tương tác được với nhau.
Hình 2-8: Các lớp chức năng của mô hình OSI.
Tiến trình thực hiện giao tiếp theo mô hình OSI được minh họa bằng ví dụ trao đổi tín hiệu điện áp giữa hai thiết bị. Hình … mô tả quá trình tổng hợp khung bản tin ở thiết bị 1 và truyền qua đường truyền vật lý tới thiết bị 2, tái tạo và thu về bản tin gốc.
Các tín hiệu điện áp được đo lường và chuyển thành tín hiệu số bởi RTU/IED. Dữ liệu điện áp dưới dạng các bit thông tin sẽ di chuyển xuống qua mô hình OSI, trong đó mỗi lớp sẽ thêm các thông tin bổ sung ở phía gửi (thiết bị 1), và loại bỏ cũng thông tin bổ sung đó ở phía nhận (thiết bị 2) để thu lại dữ liệu điện áp. Lớp ứng dụng sẽ thêm một số ý nghĩa cho dữ liệu, chẳng hạn chỉ ra rằng dữ liệu điện áp trong bản tin có đơn
vị kV, điện áp pha hay điện áp dây, … Tầng trình bày sau đó mã hóa dữ liệu thành một
định dạng phổ biến mà tất cả các thiết bị có thể hiểu được như mã ASCII. Ở phía nhận, dữ liệu dạng ASCII được giải mã thành dữ liệu gốc ban đầu. Tâng giao dịch sẽ khởi tạo phiên truyền của dữ liệu bằng cách chia nhỏ thành các bản tin kích thước cố định và đánh số, bằng cách định nghĩa bắt đầu và kết thúc của phiên truyền ở cả 2 phía, đảm bảo rằng các bản tin nhận được theo đúng thứ tự, giá trị điện áp sau đó có thể được tái tạo. Nếu không, bản tin bị mất sẽ được yêu cầu truyền lại. Tầng vận chuyển sẽ điều
khiển phiên truyền bằng cách thêm các điểm kiểm tra (check point) và điểm đồng bộ
(synchronization point) để phân phát chính xác đến đích yêu cầu, do tồn tại nhiều ứng dụng khác nhau cùng chạy trên hệ thống.
PPCI: thông tin tầng trình bày F: cờ
SPCI: thông tin tầng giao dịch C: điều khiển TPCI: thông tin tầng vận chuyển A: địa chỉ
NPCI: thông tin tầng mạng E: Chuỗi kiểm tra
Hình 2-9: Các lớp chức năng của mô hình OSI.
Tầng mạng thêm các thông như địa chỉ mạng đích nếu trạm nguồn nằm ở một mạng khác. Tầng liên kết dữ liệu tạo ra các khung thông tin từ dữ liệu của tầng mạng. Địa chỉ vật lý cũng được thêm vào chuỗi khung. Tầng này cũng thêm các cơ chế kiểm soát lỗi, điều khiển luồng, điều khiển truy nhập vào các header và footer. Các khung giá trị điện áp sau đó được chuyển thành các tín hiệu vật lý để truyền đi: tín hiệu quang, vi sóng, … thông qua một môi trường vật lý nào đó.
2.6.2. Mô hình EPA
Với các hệ thống SCADA và truyền thông IED, rõ ràng không cần thiết phải tồn tại cả 7 lớp của mô hình OSI. Do vậy, IEC đã giới thiệu một dạng giản lược chỉ gồm 3
lớp, dịch là kiến trúc hiệu năng cải tiến EPA (Enhanced Performance Architecture).
Đó là các lớp vật lý, liên kết dữ liệu và lớp ứng dụng. Trong đó các lớp vật lý và liên kết dữ liệu được gọi là lớp phần cứng, lớp ứng dụng là lớp phần mềm.
EPA khi được sử dụng liên mạng, thêm một lớp giả vận chuyển để hỗ trợ việc truyền thông qua mạng. Sau đây là các chức năng các lớp của mô hình EPA:
1. Lớp vật lý: đây là lớp dưới cùng của mô hình EPA, đó chính là môi trường vật
bit nhị phân, gửi qua môi trường truyền dẫn. Lớp vật lý cung cấp các dịch vụ cho phép kết nối/ hủy kết nối giữa trạm phát và trạm thu, gửi và nhận các bản tin. Cấu trúc kết nối có thể là dạng điểm – điểm, đa điểm, … hoặc với nhiều trạm chủ. Quá trình truyền thông có thể là bán song công hoặc song công.
2. Lớp liên kết dữ liệu: trong khi lớp vật lý liên quan tới việc truyền dẫn từng bit
dữ liệu riêng lẻ, tầng liên kết dữ liệu làm việc với các nhóm dữ liệu và độ tin cậy truyền dẫn. Những nhóm này gọi là khung truyền. Vì lý do bảo mật và khả năng tin cậy, một khung bắt tay được gửi đi khi nhận dữ liệu. Lớp liên kết cũng cung cấp các dịch vụ cho phép điều khiển luồng dữ liệu và kiểm soát lỗi, với các mã kiểm lỗi được thêm vào trong dữ liệu.
3. Giả lớp vận chuyển: giả lớp này kết hợp chức năng của lớp mạng và lớp vận
chuyển trong mô hình OSI. Chức năng mạng liên quan tới việc định tuyến dữ liệu trên mạng. Chức năng vận chuyển bao gồm việc phân phát chính xác các bản tin từ trạm gửi tới trạm nhận theo đúng thứ tự, không có lỗi. Chức năng này của tầng vận chuyển bị giới hạn khi so sánh với mô hình OSI, nên được gọi là
giả lớp vận chuyển (pseudo-transport layer). Cấu trúc header của bản tin gồm
một bit start, một bit stop, và một bộ đếm thứ tự 6 bit.
4. Lớp ứng dụng: Lớp ứng dụng phục vụ trực tiếp người dùng cuối và thêm vào
các ý nghĩa cho dữ liệu nhận được từ quá trình. Nó trợ giúp cho người dùng các chức năng như truyền file, truy xuất mạng.
2.6.3. Mô hình TCP/IP
Khái niệm TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) dùng để chỉ cả một tập giao thức và dịch vụ truyền thông được công nhận thanh chuẩn cho Internet. Cho đến nay, TCP/IP đã xâm nhập tới rất nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, trong đó có các mạng máy tính và hệ thống truyền thông SCADA.
Kiến trúc giao thức TCP/IP gồm 5 lớp độc lập: lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp Internet, lớp truy nhập mạng và lớp vật lý.
5. Lớp ứng dụng: Lớp ứng dụng thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều ứng dụng khác nhau. Với mỗi loại ứng dụng cần một module riêng biệt, ví dụ FTP (File Transfer Protocol) cho chuyển giao file, TELNET cho làm việc với trạm chủ từ xa, SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) cho chuyển thư điện tử, SNMP (Simple Network Management Protocol) cho quản trị mạng và DNS (Domain Nam Service) phụ vụ quản lý và tra cứu danh sách tên và địa chỉ Internet.
4. Lớp vận chuyển: Cơ chế đảm bảo dữ liệu vận chuyển một cách tin cậy hoàn toàn không phụ thuộc vào đặc tính của các ứng dụng sử dụng dữ liệu. Chính vì thế, cơ chế này được sắp xếp vào một lớp độc lập để tất cả các ứng dụng khác nhau có thể sử dụng chung, được gọi là lớp vận chuyển. Có thể nói, TCP là giao thức tiêu biểu nhất, phổ biến nhất phục vụ việc thực hiện chức năng nói trên. TCP hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối. Bên cạnh TCP, giao thức UDP (User Data Protocol) cũng được sử dụng cho lớp vận chuyển. Khác với TCP, UDP cung cấp dịch vụ mà không có nối cho việc gửi dữ liệu mà không đảm bảo tuyệt đối đến đích, không đảm bảo trình tự đến đích của các gói dữ liệu. Tuy nhiên, UDP lại đơn giản và hiệu suất, chỉ đòi hỏi một cơ chế xử lý giao thức tối thiểu, vì vậy thường được dùng làm cơ sở thực hiện các giao thức cao cấp theo yêu cầu riêng của người sử dụng: như SNMP.
3. Lớp Internet: Tương tự như lớp mạng ở mô hình OSI, lớp Internet có chức năng chuyển giao dữ liệu giữa nhiều mạng được liên kết với nhau. Giao thức IP được sử dụng ở chính lớp này. IP được thực hiện không chỉ ở các thiết bị đầu cuối mà còn trong các bộ định tuyến (router). Đây là thiết bị xử lý giao thức để liên kết hai mạng, có chức năng chuyển giao dữ liệu từ một mạng này sang mạng khác, trong đó có cả chức năng tìm đường đi tối ưu.
2. Lớp truy nhập mạng: Lớp truy nhập mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu
giữa hai thiết bị trong cùng một mạng. Các chức năng bao gồm việc kiểm soát truy nhập môi trường truyền dẫn, kiểm lỗi và lưu thông dữ liệu, giống như lớp liên kết dữ liệu trong mô hình OSI.
1. Lớp vật lý: Giống như trong mô hình OSI, lớp vật lý đề cập tới giao diện vật lý
dẫn hay mạng, trong đó có đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độ truyền và cấu trúc cơ học của các jack cắm.
2.7. Các giao thức SCADA và Smart Grid
Phần này trình bày một số giao thức được sử dụng phổ biến ngày nay trong các hệ thống SCADA điện lực. ICCP (IED 670-6) là một chuẩn quốc tế để giao tiếp giữa các trung tâm điều khiển với nhau. Để truyền thông từ trạm chủ tới các thiết bị trường, có thể sử dụng DNP3 (IEEE 1815), IEC 870-5-101, 104. Để truyền thông giữa các thiết bị trường có các giao thức: IEC 61850, DNP3, Modbus.
2.7.1. Giao thức Modbus
Modbus khởi đầu là một giao thức truyền thông dành cho PLC, sau đó được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị điện tử công nghiệp. Theo đánh giá, có tới 40% các thiết bị truyền thông công nghiệp sử dụng giao thức Modbus. Trong các hệ thống SCADA, Modbus được sử dụng để truyền tin giữa trạm chủ với các RTU.
Modbus sử dụng các lớp 1, 2, 7 của mô hình OSI, dựa trên phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền kiểu thăm dò (polling), sử dụng kỹ thuật phát hiện lối CRC. Modbus sử dụng kỹ thuật chủ - tớ và chỉ một thiết bị chủ có thể khởi tạo/yêu cầu phiên truyền. Các bản tin được gửi dưới dạng các khung, định dạng một khung dữ liệu gồm 4 trường: địa chỉ, điều khiển, bản tin, và chẩn đoán lỗi.
Cấu trúc khung dữ liệu Modbus:
Một truy vấn/ yêu cầu của trạm chủ ghi địa chỉ của trạm tớ trong trường địa chỉ với độ dài một byte. Phạm vi địa chỉ cho phép bởi Modbus từ 1 đến 247. Đối với các bản tin quảng bá (broadcast messeage) gửi đến tất cả các thiết bị khác sẽ sử dụng địa chỉ 0. Trạm tớ ghi địa chỉ của mình trong trường đáp ứng để trạm chủ có thể biết được trạm