PŘENOSY PROTOKOLU IEC POMOCÍ TCP/IP PROTOKOLU

Transkript

1 Tábor 9 a Konference ČK CIRED 2004 PŘENOSY PROTOKOLU IEC POMOCÍ TCP/IP PROTOKOLU Ing Vladimír Šnejd, EGÚ ČB, a s 1 ÚVOD V roce 1995 byly pro dálkové řízení pomocí sériové komunikace definovány Mezinárodní elektrotechnickou komisí normy IEC později označené jako IEC Výrobci mnoha dálkově ovládaných a PLC zařízení tento protokol přejímají do nabídky podporovaných komunikačních protokolů S příchodem sítí LAN/WAN založených na TCP/IP protokolu do průmyslových aplikací rozšiřuje se norma řady o podporu tohoto protokolu a umožňuje tak aplikační vrstvě z IEC (102) využít transportních vrstev sítí podle X25, FR, ATM, ISDN, Je ale mnoho zákazníků, kteří již nyní vlastní zařízení podporující pouze sériovou linku s protokolem IEC a není u nich možný přechod na komunikaci protokolem IEC Tito zákazníci ale chtějí ochránit své investice a tato zařízení levně připojit po LAN/WAN sítích 2 PROBLEMATIKA PŘENOSU IEC PO TCP/IP Plošné měření synchronních fázorů napětí a proudů má význam jak v ustáleném provozu, tak při dynamických změnách během nestabilních stavů a při poruchách Mezi vlastní přínosy patří: Zvýšení přesnosti výsledků programů estimace a výpočtu chodu sítě tím, že vstupní data jsou získána ve stejný okamžik Zjištění podmínek pro bezpečné sepnutí bez nutnosti dodatečných manipulací Vyhodnocením dynamického monitorování fázorů lze lépe využít přenosovou kapacitu vedení Dynamické plošné sledování fázorů v síti umožní průběžně hodnotit stabilitu sítě a předcházet rozsáhlým poruchám a výpadkům Záznam o dynamickém průběhu fázorů umožní přesnou analýzu rozvoje poruchy a jejího šíření Využití plošné znalosti fázorů může významně zpřesnit lokalizaci poruch Pokud chceme využít přenosu kompletního, nemodifikovaného IEC pomocí TCP musíme si porovnat tento protokol s protokolem TCP v struktuře vrstev OSI Protokol IEC využívá první, druhou a sedmou vrstvu modelu OSI Jak je vidět v tabulce 1, protokol TCP/IP sahá až po čtvrtou vrstvu (TCP je transportní vrstva), a proto, pokud chceme přenášet funkce ze spojové vrstvy, musíme je přenést do vrstvy aplikační Pak se pro spojení bod-bod dají využít například převodníky RS232/Ethernet s implementovaným TCP stackem Tabulka 1 : Tabulka vrstev OSI IEC Aplikační vrstva (7) IEC , IEC Transportní vrstva (4) Síťová vrstva (3) Přenos IEC po TCP IEC , IEC , IEC , IEC TCP IP Spojová vrstva (2) IEC , IEC např Ethernet Šnejd Sekce č 3 / čreferátu 8 ČK CIRED

2 Tábor 9 a Konference ČK CIRED 2004 Norma IEC definuje dvě základní možnosti pro přenos dat Vyvážený a nevyvážený přenos Pokud je v implementován protokol IEC pak volba nevyvážený je přítomná vždy Proto integrátoři převážně používají pro sběr dat právě přenos nevyvážený Dále se tedy budeme zabývat tímto, nevyváženým přenosem dat Přenosy podle normy IEC používají rámce s pevnou a proměnnou délkou, ve smyslu normy IEC , přičemž krátké rámce se používají pouze na úrovni spojové vrstvy Na obrázku 1 je rozkreslena struktura dlouhého rámce Podíváme-li se nyní na strukturu dlouhého rámce, pak linková část začíná startovací sekvencí a končí kontrolním součtem následovaným koncovým znakem Je zde řídicí a adresové pole Adresové pole se využívá jako adresa stanice a řídicí pole je využito jako informační pole pro kontrolu přeslechů, informace o stavu (požadavku) linky Dále obsahuje jednotky dat aplikační vrstvy Každá z těchto jednotek je členěná dle IEC a dalších, a obsahuje identifikátor jednotky dat, kde je mimo jiné i společná adresa ASDU Následují jednotlivé informační objekty s přenášenými daty Společná adresa ASDU je přidělována koncovému měřicímu / ovládacímu zařízení, informační objekt pak měřené veličině, případně výkonnému prvku Chceme-li napojit více koncových (slave) po TCP na řídicí systém (master) jednou sériovou linkou, a tato mají mít každé svou IP adresu, z předchozího vidíme, že potřebujeme zařízení, říkejme mu komunikační server, které musí podporovat společnou hodnotu adresového pole a musí umět rozdělit komunikaci na patřičné IP podle ASDU koncového zařízení Dále pak tento server musí ošetřit nezávislou funkci řídicího pole (z normy IEC ) směrem ke straně master i slave a řazení odpovědí z globálních povelů Musí umět řídicímu systému sdělit stav spojení a to přidáním informačních objektů do struktury datového modelu U samotných koncových zařízení zůstává pouze potřeba zařízení, které tok dat přicházející/odcházející v socketu TCP/IP převede na sériovou linku napojenou do Na straně koncových zařízení není pak potřeba SPOJOVÁ VRSTVA START 68H DÉLKA DÉLKA START 68H ŘÍDICÍ POLE ADRESOVÉ POLE IDENTIFIKACE TYPU KVALIFIKÁTOR PROMĚNNÉ STRUKTURY PŘÍČINA PŘENOSU PŘÍČINA PŘENOSU SPOLEČNÁ ASDU SPOLEČNÁ ASDU ADRESA INF OBJEKTU ADRESA INF OBJEKTU ADRESA INF OBJEKTU INFORMAČNÍ PRVKY žádných konfigurací Tuto funkci v síti Ethernet zabezpečí standardní převodníky RS232 na TCP, které jsou dnes běžně na trhu APLIKAČNÍ VRSTVA JEDNOTKA DAT APLIKAČNÍ SLUŽBY IDENTIFIKÁTOR JEDNOTKY DAT INFORMAČNÍ OBJEKT KONTROLNÍ SOUČET KONEC 16H Obr 1: Dlouhý rámec protokolu IEC PŘENOS PROTOKOLU IEC PO SÍTÍCH Pokud jsme v předchozí části přenesli protokol IEC pomocí protokolu TCP po síti LAN, zbývá jen krůček k realizaci tohoto přenosu po Pokud máme zařízení rozmístněné jednotlivě ve větších vzdálenostech od sebe a potřebujeme soustředit data z těchto v jednom místě, pak přenosy mohou být pro nás výhodnou alternativou Přestože technologie využívá přenosů pomocí socketů Šnejd Sekce č 3 / čreferátu 8 ČK CIRED

3 Tábor 9 a Konference ČK CIRED 2004 TCP, přece jen má svá specifika a ta si nyní popíšeme síť s terminály a komunikačním serverem vidíme na obrázku 2 VZDÁLENÁ STANOVIŠTĚ OPERÁTOR GSM CENTRÁLNÍ STANOVIŠTĚ CENTRUM OPERÁTORA FW FW OPTICKÉ VLÁKNO ROUTER RADIUS LAN KOMUNIKAČNÍ SERVER ŘÍDICÍ SYSTÉM Zařízení nutná k přenosu protokolu IEC Obr 2: Princip přenosu protokolu IEC po sítích Aby bylo možné zahájit komunikaci pomocí IP protokolu mezi a komunikačním serverem, musíme předřadit modem s podporou a TCP stackem Pak tento modem vyšle požadavek přes do centra operátora na GSN ( Support Node) Ten pomocí přiděleného přístupového bodu APN (Access Point Name) ověří právo na službu, příslušnost k patřičné skupině a IP tunelu Následně je provedeno ověření terminálu na Radius serveru, přidělení statické nebo dynamické a privátní nebo veřejné IP adresy Nyní je modem připojen do privátní (veřejné) IP sítě uživatele, je otevřen komunikační kanál na bázi IP protokolu a umožněná komunikace mezi a serverem přes Modem se pak může nacházet ve dvou stavech Standby, kdy je modem zaregistrován v síti, má přidělenou IP adresu, ale nepřijímá ani neodesílá žádná data z/do Ve chvíli, kdy je potřeba přenést data, přechází modem automaticky do stavu Ready, kdy navíc alokuje timesloty, a sdílí poskytovanou přenosovou kapacitu v síti, a může otevřít TCP socket se serverem Nyní již vše může probíhat, jak bylo popsáno v předchozí kapitole Je potřeba si ale uvědomit, že síť je relativně pomalá a proto časové konstanty pro potvrzení je potřeba nastavit dostatečně dlouhé U přenosů se platí za přenesená data U nevyváženého přenosu protokolem IEC se většinu doby přenáší dotaz na data třídy 2 a odpověď, že nemá žádná data připravena Proto je vhodné tento cyklus zpomalit Musíme mít však na paměti, že po dobu, kdy se nedotazujeme na data třídy 2, nemůžeme získat informaci o případné změně, kterou nám chce poslat Tato nevýhoda se značně omezuje, pokud se zpoždění týká pouze dotazu na data třídy 2 a žádosti o navázání spojení Ostatní povely a dotazy mohou komunikovat okamžitě a při zadaném povelu se dotaz na data třídy 2 se vysílá častěji Pak při dobře zvolených časových konstantách dosáhneme dobrý poměr cena ku času pro doručení informace Příklad nalezneme v odstavci Výsledky z provozu Šnejd Sekce č 3 / čreferátu 8 ČK CIRED

4 Tábor 9 a Konference ČK CIRED 2004 Nyní si můžeme shrnout základní výhody, které nám přináší spojení s pomocí sítě: cena je výhodná (nulové pořizovací investice do přenosové sítě a žádný servis, neboť to vše zabezpečuje operátor), koncová zařízení jsou mnohem levnější než rozvody sériových linek a jejich koncentrátory lze realizovat okamžitě neboť datové kanály jsou dostupné, dnes již dostatečně dimenzované na potřebné množství dat nedochází k přerušení z důvodů vstupu hlasové komunikace pro vysokou propustnost Ethernet sítě není doba odezvy od závislá na množství v síti (na rozdíl od koncepce bod-bod) komunikační server se může použít jako zařízení na DIN lištu, nebo se dá přidat již do jiných stávajících komunikačních serverů (není potřeba nový HW) zabezpečení rozvoje mobilních sítí operátory chrání investice vysoký stupeň zabezpečení proti zneužití dat 4 ZABEZPEČENÍ Zabezpečení cesty přenosu mezi modemem a serverem rozdělíme na dvě části, GSM síť a IP tunel síť Již vstup do GSM sítě je zabezpečen autentizací uživatelů pomocí algoritmu A3 Šifrování dat přenášených pomocí služby je pomocí algoritmu A5 s tajným klíčem generovaným algoritmem A8) Přenos dat v IP tunelu je pak zabezpečen IP Sec tunneling 5 VÝSLEDKY Z PROVOZU Vyhodnocení komunikace po síti probíhalo na síti firmy Český Mobil a s Prezentované výsledky jsou z dvou měsíčního období Nastavení parametrů spojení : max doba detekce výpadku spojení na straně kom serveru 5 min max doba detekce výpadku spojení na straně terminálu 4 min max doba přenosu po síti 30 sec doba, po kterou je odesílán další dotaz na data třídy 2 10 sec doba obdržení potvrzení přijetí telegramu 20 sec rychlost sériových portů (master = slave) 9600 bps Naměřená data při výše uvedených parametrech : přenesená data za 1 měsíc 1085 MB doba potvrzení vykonání povelu (doba zpracování v 13sec) 21 sec orientační cena měsíčního provozu (00025 Kč/kB) 280 Kč/bod celková doba bez spojení (rozpad ) 41 min počet výpadků (rozpad ) 8 nejdelší doba rozpojení (rozpad ) 13 min Technologie je svou funkčností, spolehlivostí i zabezpečením vhodná pro dálkové přenosy protokolů IEC Zákazník v České Republice si může vybírat z nabídky tří operátorů a vyjednat si pro něj nejvhodnější a nejvýhodnější podmínky Cenově se technologie hodí právě pro aplikace s velikým územním rozsa- Šnejd Sekce č 3 / čreferátu 8 ČK CIRED

5 Tábor 9 a Konference ČK CIRED 2004 hem, nízkou hustotou terminálů na tomto území a potřebou přenášet malé až střední množství dat Tím, že dokáže sdílet komunikační kanály (timesloty) a využít tak jinak nevyužívanou kapacitu sítě, mohou operátoři nabídnout ceny pro zákazníka velice zajímavé Operátoři dál budou zlepšovat technologie mobilních sítí, ceny za kb přenesených dat se bude spíše zmenšovat a kvalita služeb poroste To vše naznačuje, že sítě a jejich nástupci budou čím dále tím více používané pro přenosy menších množství dat mezi vzdálenými místy 6 ZÁVĚR Technologie je svou funkčností, spolehlivostí i zabezpečením vhodná pro dálkové přenosy protokolů IEC Zákazník v České Republice si může vybírat z nabídky tří operátorů a vyjednat si pro něj nejvhodnější a nejvýhodnější podmínky Cenově se technologie hodí právě pro aplikace s velikým územním rozsahem, nízkou hustotou terminálů na tomto území a potřebou přenášet malé až střední množství dat Tím, že dokáže sdílet komunikační kanály (timesloty) a využít tak jinak nevyužívanou kapacitu sítě, mohou operátoři nabídnout ceny pro zákazníka velice zajímavé Operátoři dál budou zlepšovat technologie mobilních sítí, ceny za kb přenesených dat se bude spíše zmenšovat a kvalita služeb poroste To vše naznačuje, že sítě a jejich nástupci budou čím dále tím více používané pro přenosy menších množství dat mezi vzdálenými místy Šnejd Sekce č 3 / čreferátu 8 ČK CIRED