Πρωτόκολλο DNP3 : Αρχιτεκτονική, Εργασία, Κώδικες συναρτήσεων, Μορφή δεδομένων & Εφαρμογές του

Το DNP3 ή Πρωτόκολλο Κατανεμημένου Δικτύου3 κυκλοφόρησε το 1992 από μια ιαπωνική εταιρεία για να δημιουργήσει ένα πρωτόκολλο επικοινωνίας μεταξύ κατανεμημένων συστημάτων. Το DNP3 είναι πρωτόκολλο ελέγχου συσκευής βασισμένο σε δίκτυο το οποίο χρησιμοποιείται για την επικοινωνία μεταξύ μιας συσκευής και μιας απομακρυσμένης συσκευής εισόδου/εξόδου. Αυτό το πρωτόκολλο εξαρτάται κυρίως από ένα αντικειμενοστραφή μοντέλο που μειώνει την αντιστοίχιση bit δεδομένων που συνήθως απαιτείται από άλλα πρωτόκολλα λιγότερο αντικειμενοστραφή. Χρησιμοποιείται κυρίως μεταξύ κεντρικών βασικών σταθμών καθώς και κατανεμημένων απομακρυσμένων μονάδων όπου ο κεντρικός σταθμός λειτουργεί απλώς ως διεπαφή μεταξύ του διαχειριστή ανθρώπινου δικτύου καθώς και του συστήματος παρακολούθησης. Η κατανεμημένη απομακρυσμένη μονάδα είναι η διεπαφή μεταξύ του κύριου σταθμού και της φυσικής συσκευής που παρατηρείται και ελέγχεται στις απομακρυσμένες περιοχές. Η ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ αυτών των δύο μπορεί να γίνει από τη βιβλιοθήκη κοινών αντικειμένων. Αυτό το άρθρο εξετάζει μια επισκόπηση του Πρωτόκολλο DNP3 – εργασία με εφαρμογές.

Τι είναι το πρωτόκολλο DNP3;

Το σύνολο των πρωτοκόλλων επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται μεταξύ διαφορετικών στοιχείων στα συστήματα αυτοματισμού διεργασιών είναι γνωστό ως πρωτόκολλο DNP3. Αυτό το πρωτόκολλο σχεδιάστηκε κυρίως για σκοπούς επικοινωνίας μεταξύ διαφορετικών ειδών εξοπλισμού συλλογής και ελέγχου δεδομένων. Έτσι μέσα Συστήματα SCADA , αυτό το πρωτόκολλο παίζει ουσιαστικό ρόλο όταν χρησιμοποιείται από RTU, SCADA και IED.

DNP3 Protocol Architecture & Its Working

Το DNP3 είναι ένα κατανεμημένο πρωτόκολλο δικτύου τρίτης έκδοσης. Έχει μια δημοσκόπηση ακεραιότητας και τρία επίπεδα δημοσκόπησης, όπου η δημοσκόπηση ακεραιότητας χρησιμοποιείται για τη συλλογή των δεδομένων σε μία δημοσκόπηση.

Η αρχιτεκτονική δικτύου DNP3 μπορεί να είναι unicast, multidrop και σύνδεση δεδομένων/ιεραρχικές αρχιτεκτονικές.

Η unicast αρχιτεκτονική: είναι επίσης γνωστή ως αρχιτεκτονική one-to-one, εδώ ο κύριος σταθμός μπορεί να επικοινωνήσει μόνο με έναν σταθμό, ενώ σε αρχιτεκτονική πολλαπλών σταγόνων ο κύριος σταθμός μπορεί να επικοινωνήσει με περισσότερες από μία συσκευές outstation, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να επικοινωνήσει με πολλαπλές συσκευές outstation. Η αρχιτεκτονική σύνδεσης δεδομένων/ιεραρχική είναι ένας συνδυασμός αρχιτεκτονικών πολλαπλών σταγόνων και unicast.

Το πρωτόκολλο επικοινωνίας DNP3 χρησιμοποιείται συνήθως για επιχειρήσεις κοινής ωφελείας, ύδρευση και αποχέτευση, πετρέλαιο και φυσικό αέριο, μεταφορές και άλλα περιβάλλοντα SCADA. Σας επιτρέπει να βλέπετε σημαντικά επίπεδα σε πραγματικό χρόνο και ιστορικά, που θα μπορούσαν να είναι η θερμοκρασία, η υγρασία, το επίπεδο μπαταρίας, η τάση, το επίπεδο καυσίμου κ.λπ. Σας επιτρέπει επίσης να εντοπίζετε προβλήματα και να διορθώνετε γρήγορα τα προβλήματα, καθώς και να εξαλείφετε τα σημεία συμφόρησης και αναποτελεσματικότητα.

Ο σχεδιασμός του πρωτοκόλλου DNP3 μπορεί να γίνει με βάση τα επίπεδα του μοντέλου OSI όπως σύνδεση δεδομένων, μεταφορά, εφαρμογή και επίπεδο χρήστη. Αυτό το πρωτόκολλο έχει την ευελιξία για τη σύνδεση μιας κύριας κύριας μονάδας μέσω τουλάχιστον ενός ή παραπάνω τερματικών σταθμών πάνω από σειριακά καθώς και φυσικά μέσα Ethernet.
Άλλες πιθανές αρχιτεκτονικές περιλαμβάνουν κυρίως διάφορες κύριες συνδέσεις με έναν ενιαίο σταθμό και λειτουργίες peer-to-peer. Συνήθως, ο κύριος ξεκινά εντολές ελέγχου για να ζητήσει δεδομένα από ή να ενεργοποιήσει συσκευές που διαχειρίζονται μέσω του outstation. Αυτός ο σταθμός απλώς αντιδρά στον κύριο μεταδίδοντας κατάλληλες πληροφορίες.

Βασισμένο στο μοντέλο OSI, το πρωτόκολλο DNP3 περιλαμβάνει τέσσερα επίπεδα Σύνδεσμος δεδομένων, Λειτουργία μεταφοράς, Εφαρμογή και Επίπεδο χρήστη. Εδώ, το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων στο κάτω μέρος θα κάνει τον φυσικό σύνδεσμο πιο αξιόπιστο μέσω διευθυνσιοδότησης και εντοπισμού σφαλμάτων. Η συνάρτηση μεταφοράς απλώς συναρμολογεί πλαίσια του επιπέδου σύνδεσης σε θραύσματα επιπέδου εφαρμογής. Αυτό το επίπεδο λαμβάνει ολόκληρο το μήνυμα και καθορίζει ποια δεδομένα προτιμώνται από το παραπάνω επίπεδο χρήστη. Κάθε μήνυμα μπορεί να έχει διάφορους τύπους δεδομένων, όπως αναλογικές, δυαδικές και μετρητές εισόδους και εξόδους.

Πώς λειτουργεί το πρωτόκολλο DNP3;

Το πρωτόκολλο DNP3 λειτουργεί απλά χρησιμοποιώντας 27 βασικούς κώδικες λειτουργίας που επιτρέπουν την επικοινωνία μεταξύ κύριων σταθμών και απομακρυσμένων μονάδων. Έτσι, ορισμένοι κωδικοί λειτουργίας θα επιτρέπουν στον κύριο να ζητήσει και να λάβει την κατάσταση των πληροφοριών από μια απομακρυσμένη συσκευή και άλλοι κωδικοί λειτουργίας θα επιτρέψουν στον κύριο να αποφασίσει ή να διορθώσει τη διαμόρφωση της απομακρυσμένης μονάδας.

Πολλοί κωδικοί λειτουργίας χρησιμοποιούνται κυρίως στον κεντρικό σταθμό DNP3 για τον έλεγχο του εξοπλισμού ή της απομακρυσμένης μονάδας σε απομακρυσμένες τοποθεσίες. Ο κύριος σταθμός DNP3 εκδίδει το μεγαλύτερο μέρος της επικοινωνίας στην απομακρυσμένη συσκευή του DNP3. Όμως, το Ανεπιθύμητο Μήνυμα (o/p μήνυμα) εκκινείται μέσω μιας απομακρυσμένης μονάδας και παράγει συναγερμό. Έτσι, αυτό το μήνυμα δίνει μια ειδοποίηση στον κύριο όταν εμφανιστεί ένας συναγερμός.

Κωδικοί Λειτουργίας

Οι κωδικοί λειτουργίας του DNP3 περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

Μορφή μηνύματος DNP3

Η δομή της μορφής μηνύματος του DNP3 φαίνεται παρακάτω. Αν εξετάσουμε αυτή τη δομή, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι τα μηνύματα ανταλλάσσονται μεταξύ master & remote. Το σειριακό πρωτόκολλο τηλεμετρίας (TBOS) είναι προσανατολισμένο στα byte ανταλλάσσοντας ένα μόνο byte για επικοινωνία.

Τα εκτεταμένα σειριακά πρωτόκολλα τηλεμετρίας όπως το TABS είναι προσανατολισμένα σε πακέτα με πακέτα byte που ανταλλάσσονται για επικοινωνία. Αυτά τα πακέτα περιλαμβάνουν συνήθως byte κεφαλίδας, δεδομένων και αθροίσματος ελέγχου. Το πρωτόκολλο DNP3 είναι προσανατολισμένο στα πακέτα και χρησιμοποιεί τη δομή του πακέτου που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Στο παραπάνω διάγραμμα μορφής μηνύματος, το DNP3 ASDU (μονάδα δεδομένων υπηρεσίας εφαρμογής) είναι πολύτιμο για την προσαρμογή του έξυπνου περιεχομένου που ελέγχεται τόσο μέσω των πεδίων προσδιορισμού όσο και μέσω των πεδίων indexSize. Έτσι, αυτός ο σχεδιασμός θα κάνει τα δεδομένα της εφαρμογής προσβάσιμα μέσα σε ευέλικτες διαμορφώσεις.

Τώρα ας συζητήσουμε πώς ανταλλάσσονται τα δεδομένα, ειδικά στο μοντέλο επικοινωνίας σε επίπεδα.
Το επίπεδο εφαρμογής στο παραπάνω διάγραμμα συνδυάζει ένα ASDU (μονάδα δεδομένων υπηρεσίας εφαρμογής) και ένα συσκευασμένο αντικείμενο από ένα μπλοκ APCI (έλεγχος πρωτοκόλλου εφαρμογής) για να δημιουργήσει ένα APDU (μονάδα δεδομένων πρωτοκόλλου εφαρμογής).

Το επίπεδο μεταφοράς θα σπάσει τη μονάδα δεδομένων υπηρεσίας εφαρμογής ή το APDU σε διαφορετικά τμήματα με μέγιστο μέγεθος 16 byte και θα τα συσκευάσει με μια κεφαλίδα ελέγχου μεταφοράς 8-bit και διαχωριστές CRC τμήματος 16-bit σε ένα πλαίσιο μεταφοράς.

Το επίπεδο σύνδεσης αντιστοιχίζεται στο μοντέλο 4 επιπέδων που αναπτύσσεται μέσω του DoD (Department of Defense) μέσω του DoD Internet Layer που παραλείφθηκε. Εάν χρησιμοποιείται η σειριακή μεταφορά, τότε η συναρμολόγηση πακέτων γίνεται και βρίσκεται στο μέσο μεταφοράς για παράδοση.

Εάν το πακέτο μεταδίδεται μέσω LAN ή WAN, τότε 3 επίπεδα DNP3 τυλίγονται στο πρώτο επίπεδο. Το πακέτο που συναρμολογείται μπορεί να τυλιχτεί μέσα στο TCP (Transport Control Protocol) μέσω του επιπέδου μεταφοράς που είναι τυλιγμένο μέσα στο IP (Internet Protocol) μέσω του επιπέδου internet. Το UDP (User Datagram Protocol) μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί, αλλά παρουσιάζει ορισμένα επιπλέον ζητήματα που συνδέονται με την αξιόπιστη παράδοση εντός συσκευασμένων δικτύων.

Μορφή δεδομένων DNP3

Το DNP χρησιμοποιείται ευρέως για τον έλεγχο του μηνύματος που περνά μεταξύ του κεντρικού σταθμού και των μονάδων ελέγχου. Η μορφή δεδομένων του DNP3 περιλαμβάνει κυρίως δύο ενότητες, την κεφαλίδα και τις ενότητες δεδομένων. Επιπλέον, η κεφαλίδα χωρίζεται σε έξι υποενότητες.

Η μορφή του πλαισίου δεδομένων και το απαραίτητο μέγεθος κάθε πεδίου φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Σε αυτό το διάγραμμα, το Sync είναι το πρώτο πεδίο που είναι 1 byte και καθορίζει την αρχή του πλαισίου.
Αυτή η τιμή πεδίου έχει καθοριστεί στο 0564, επομένως μόλις ληφθεί ένα πλαίσιο εξετάζοντας τη θέση του πεδίου Συγχρονισμός, τότε η αντιστοίχιση μπορεί να γίνει αποτελεσματικά.

Το μήκος πεδίου παρέχει ολόκληρο το μήκος του πλαισίου, έτσι ώστε να μπορεί να εκχωρηθεί ένα συγκεκριμένο buffer στον προορισμό για να συγκρατήσει τα εισερχόμενα καρέ. Έτσι, το δεύτερο πλαίσιο είναι το 'Πεδίο ελέγχου' που περιγράφει την ενέργεια ελέγχου που απαιτείται να ζητηθεί στο άκρο του δέκτη.

Το πεδίο ελέγχου θα περιλαμβάνει την εξαγωνική τιμή 41 διαφορετικά 42 με βάση τον τύπο ενέργειας. Μετά από αυτό, το πεδίο διεύθυνσης προορισμού και πηγής θα παρέχει τις προβλεπόμενες διευθύνσεις παραλήπτη και τον κόμβο αποστολής.
Το CRC ή ο κυκλικός έλεγχος πλεονασμού είναι το τελευταίο πεδίο που θα βοηθήσει στην επαλήθευση του σφάλματος πλαισίου. Μια τιμή ελέγχου συνδέεται με το μήνυμα τη στιγμή της μετάδοσης, η οποία θα διασταυρωθεί στο άκρο λήψης. Μόλις αυτή η τιμή ταιριάζει, τότε καθορίζει τη μη ύπαρξη σφάλματος εντός του πλαισίου. Το τμήμα των δεδομένων είναι 2 έως 4 byte, ωστόσο δεν παίζει κανένα ρόλο στον έλεγχο της μετάδοσης μηνυμάτων.

Το παραπάνω σχήμα δείχνει το μήνυμα ελέγχου που μεταδίδεται με τη μορφή του DNP3 από τον ένα σταθμό στον άλλο, όπως ο έλεγχος στον προορισμό. Για την επικοινωνία διαφόρων ενεργειών σε προορισμούς, τα πεδία όπως το πεδίο ελέγχου καθώς και η διεύθυνση προορισμού, ενώ ορισμένα πεδία δεν θα αλλάξουν για όλες τις επικοινωνίες.

Παράδειγμα συστήματος παρακολούθησης DNP3

Το κύριο διάγραμμα DNP3 και το σύστημα απομακρυσμένης παρακολούθησης φαίνεται παρακάτω. Αυτό το μοντέλο χρησιμοποιείται για τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ δύο συσκευών, όπως η κύρια και η απομακρυσμένη, χρησιμοποιώντας DNP3.

Το κύριο διάγραμμα DNP3 και το διάγραμμα του συστήματος απομακρυσμένης παρακολούθησης φαίνονται παρακάτω. Αυτό το μοντέλο χρησιμοποιείται για τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ δύο συσκευών, όπως η κύρια και η απομακρυσμένη, χρησιμοποιώντας DNP3. Εδώ ο κύριος είναι ο υπολογιστής και ο σκλάβος ή το τηλεχειριστήριο είναι το outstation. Τα μεταδιδόμενα δεδομένα είναι είτε στατικά δεδομένα, δεδομένα συμβάντων και αποδέχονται δεδομένα αυτόκλητων συμβάντων.

Το πρωτόκολλο DNP3 χρησιμοποιείται συνήθως μεταξύ του κύριου (υπολογιστή) και του απομακρυσμένου (Outstation). Εδώ, το master χρησιμοποιείται για να παρέχει μια διεπαφή μεταξύ του ανθρώπινου διαχειριστή δικτύου καθώς και του συστήματος παρακολούθησης. Το τηλεχειριστήριο παρέχει τη διασύνδεση μεταξύ της κύριας μονάδας καθώς και της φυσικής συσκευής που ελέγχονται ή παρακολουθούνται.

Τόσο το κύριο όσο και το τηλεχειριστήριο χρησιμοποιούν μια βιβλιοθήκη κοινών αντικειμένων για ανταλλαγή δεδομένων. Εδώ τα δεδομένα είναι Το πρωτόκολλο DNP3 είναι ένα πρωτόκολλο δημοσκόπησης που περιλαμβάνει δυνατότητες που έχουν σχεδιαστεί προσεκτικά. Μόλις συνδεθεί ο κύριος σταθμός σε ένα τηλεχειριστήριο, τότε μπορεί να πραγματοποιηθεί μια δημοσκόπηση ακεραιότητας, η οποία είναι πολύ σημαντική για τη διευθυνσιοδότηση του DNP3, επειδή για ένα σημείο δεδομένων επιστρέφουν όλες τις τιμές προσωρινής αποθήκευσης και περιλαμβάνουν επίσης την παρούσα τιμή του σημείου.

Γενικά, τα προγράμματα οδήγησης DNP3 μπορούν να εκτελούν διάφορες δημοσκοπήσεις τακτικά, όπως μια δημοσκόπηση ακεραιότητας, μια κλάση 1, μια κλάση 2 και μια κλάση 3. Στο Integrity Poll, το DNP3 απλώς ζητά από τον σταθμό να μεταδώσει την Κλάση 1, την κλάση 2 και την κλάση 3. δεδομένα συμβάντων & στατικά δεδομένα κλάσης 0 με χρονολογική σειρά. Μια δημοσκόπηση ακεραιότητας χρησιμοποιείται συνήθως για το συγχρονισμό των βάσεων δεδομένων του κύριου & υποτελούς DNP3 και έτσι τείνει να εκχωρείται ένας αργός ρυθμός δημοσκόπησης. Συνήθως, οι δημοσκοπήσεις Κατηγορίας 1, Κατηγορίας 2 και Κατηγορίας 3 χρησιμοποιούνται για την ανάκτηση μεμονωμένων γεγονότων τάξης με μεταβλητούς ρυθμούς, βάσει της σημασίας αυτών των γεγονότων, τα περισσότερα κρίσιμα συμβάντα εκχωρούνται στις κλάσεις που έχουν τον ταχύτερο ρυθμό δημοσκόπησης.

Διαφορά μεταξύ DNP3 και IEC 61850

Η διαφορά μεταξύ DNP3 και IEC 61850 περιλαμβάνει τα ακόλουθα.

Διαφορά μεταξύ DNP3 και Modbus

Η διαφορά μεταξύ DNP3 και Modbus περιλαμβάνει τα ακόλουθα.

DNP3 Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα

ο πλεονεκτήματα του πρωτοκόλλου DNP3 Περιλαμβάνω τα ακόλουθα.

• Το DNP3 είναι ένα πρωτόκολλο ανοιχτού προτύπου, επομένως οποιοσδήποτε σχεδιαστής μπορεί να σχεδιάσει εξοπλισμό DNP3 που ταιριάζει καλά με άλλο εξοπλισμό DNP3.
• Το DNP3 παρέχει πολλές δυνατότητες χάρη σε ένα έξυπνο και ισχυρό πρωτόκολλο.
• Μπορεί να ζητήσει και να απαντήσει μέσω πολλών τύπων δεδομένων μέσα σε μεμονωμένα μηνύματα
• Επιτρέπει πολλές λειτουργίες master & peer-to-peer
• Υποστηρίζει τυπική μορφή ώρας και συγχρονισμό ώρας.
• Το κόστος λογισμικού θα μειωθεί.
• Καμία απαίτηση για μεταφραστές πρωτοκόλλου.
• Λιγότερη συντήρηση και δοκιμή.

Τα μειονεκτήματα του πρωτοκόλλου DNP3 περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

Το DNP3 χρησιμοποιεί ένα σειριακό RTU και το αναβαθμίζει μέσω ενός Ethernet RTU (ERTU). Εάν το εύρος ζώνης του καναλιού επικοινωνίας σε αυτόν τον σταθμό δεν είναι επίσης βελτιωμένο, τότε ο χρήστης θα έχει πιο αργή σύνδεση λόγω της επιβάρυνσης που εφαρμόζεται κατά την περιτύλιξη του DNP3 μέσω TCP/IP.

Εφαρμογές DNP3

ο Εφαρμογές DNP3 περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Το DNP3 επιτρέπει σε διαφορετικές συσκευές εντός συστημάτων αυτοματισμού διεργασιών να επικοινωνούν.
• Διαφορετικές εταιρείες κοινής ωφέλειας χρησιμοποιούν ευρέως αυτό το πρωτόκολλο για συστήματα τηλεμετρίας αερίου, ηλεκτρισμού και νερού.
• Χρησιμοποιείται στις επικοινωνίες SCADA.
• Το πρωτόκολλο επικοινωνίας DNP3 χρησιμοποιείται σε συστήματα απομακρυσμένης παρακολούθησης & SCADA.
• Αυτό μπορεί να εφαρμοστεί σε ολόκληρο το περιβάλλον SCADA που περιλαμβάνει από κύρια έως απομακρυσμένη επικοινωνία και επικοινωνίες RTU έως IED και επίσης σε εφαρμογές δικτύου.

Επομένως, πρόκειται για όλα μια επισκόπηση του πρωτοκόλλου DNP3 – εργασία με εφαρμογές. ο Προδιαγραφή πρωτοκόλλου DNP3 εξαρτάται κυρίως από το μοντέλο του αντικειμένου. Έτσι, αυτό το μοντέλο απλώς μειώνει την αντιστοίχιση bit δεδομένων που είναι συνήθως απαραίτητη με άλλα πρωτόκολλα λιγότερο αντικειμενοστραφή. Για τους τεχνικούς και μηχανικούς της SCADA, η κατοχή ορισμένων προκαθορισμένων αντικειμένων θα κάνει το DNP3 πιο άνετο πλαίσιο σχεδίασης και ανάπτυξης. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, ποιο είναι το πρωτόκολλο;