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    0 引言

    當(dāng)前，國(guó)內(nèi)廠商對(duì)IEC 61850的開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)從以制造報(bào)文規(guī)范（MMS）為核心的客戶/服務(wù)器（C/S）服務(wù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)到面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）和IEC 61850-9-1/2的實(shí)現(xiàn)上來(lái)。GOOSE通信及其應(yīng)用是IEC 61850的一個(gè)亮點(diǎn)，其出發(fā)點(diǎn)是功能的分布式實(shí)現(xiàn)口]，GOOSE應(yīng)用的建立需要多方面配合，同時(shí)也是一個(gè)較為煩瑣的工程。在工程的調(diào)試過(guò)程中，對(duì)GOOSE報(bào)文的分析是一個(gè)必不可少的步驟，即檢查數(shù)據(jù)發(fā)送是否正確及其時(shí)間特性。因此，如果有一個(gè)簡(jiǎn)捷的工具來(lái)捕捉與分析IEC 61850報(bào)文，將會(huì)有助于工程調(diào)試的順利進(jìn)行。

    WINPCAP（Windows packet capture）網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)包是一個(gè)免費(fèi)、基于Windows平臺(tái)、訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)鏈路層的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具，它允許各種應(yīng)用程序繞過(guò)協(xié)議棧捕捉并傳送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，同時(shí)還包括一些其他功能，如包過(guò)濾、網(wǎng)絡(luò)流量統(tǒng)計(jì)以及遠(yuǎn)程捕獲等?；谶@一開(kāi)發(fā)包，可以方便地開(kāi)發(fā)出GOOSE報(bào)文的捕捉工具，進(jìn)而根據(jù)ASN.1/BER對(duì)報(bào)文進(jìn)行解碼并分析。

    本文介紹了如何基于WINPCAP開(kāi)發(fā)包開(kāi)發(fā)一個(gè)完整的GOOSE報(bào)文捕獲工具，以及整個(gè)設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并提出了一些可能的應(yīng)用。希望能夠?yàn)镮EC 61850標(biāo)準(zhǔn)在中國(guó)的推廣做出一些貢獻(xiàn)。

    1 WINPCAP簡(jiǎn)介

    1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    WINPCAP是一個(gè)Win32平臺(tái)下用于抓包和分析的系統(tǒng)，其基本構(gòu)成如圖1所示。它包含一個(gè)運(yùn)行于操作系統(tǒng)內(nèi)核級(jí)的模塊，與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口直接連接，這一模塊直接繞過(guò)了系統(tǒng)的協(xié)議棧。為了讓用戶程序使用內(nèi)核提供的功能，WINPCAP提供了多個(gè)編程接口分別封裝在2個(gè)不同的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)packet.d11和wpcap.d11中。packet.dll提供一個(gè)底層的應(yīng)用程序接口（API），通過(guò)這個(gè)API可直接訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，而獨(dú)立于Microsoft操作系統(tǒng)；wpcap.dll是一個(gè)高層的強(qiáng)大捕獲程序庫(kù)，與Unix下的libpcap兼容，它獨(dú)立于下層的網(wǎng)絡(luò)硬件和操作系統(tǒng)。

    ⑴通過(guò)接口函數(shù)pcap_findalldevs_ex枚舉所有可用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

    ⑵根據(jù)枚舉返回的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備名稱打開(kāi)一個(gè)設(shè)備，對(duì)應(yīng)接口函數(shù)為pcap_open( )。

    ⑶如果需要，設(shè)置數(shù)據(jù)包的過(guò)濾條件，對(duì)應(yīng)接口函數(shù)為pcap_setfilter。

    ⑷捕獲原始的數(shù)據(jù)包，有2種方法：一種方法是以回調(diào)函數(shù)的方式由接口pcap_loop或pcap_dispatch完成，其基本方法是底層收集數(shù)據(jù)包，當(dāng)滿足一定的條件（timeout或者緩沖區(qū)滿），就調(diào)用回調(diào)函數(shù)，把收集到的原始數(shù)據(jù)包通過(guò)數(shù)據(jù)緩存區(qū)交給用戶；另一種方法是pcap_next_ex( )的方法，每當(dāng)一個(gè)包到達(dá)以后，接口pcap_next_ex就會(huì)返回，返回的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中只包含一個(gè)包。

    本文采用。pcap_next_ex的方法，并且設(shè)置了包過(guò)濾的條件，只捕獲類型為GOOSE的數(shù)據(jù)包，即EtherType為0x88的數(shù)據(jù)包。

    2 程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

    2.1 初始化

    初始化工作包括2個(gè)部分：一是人機(jī)界面中協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）列表控件實(shí)例與GOOSE數(shù)據(jù)集列表控件實(shí)例的初始化，包括列名稱、列寬度等相關(guān)屬性；二是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的枚舉及顯示，枚舉可用設(shè)備的接口函數(shù)為pcap_findalldevs( )，調(diào)用方法如下：

    If (pcap_findalldevs(&m_pAlldevs, errbuf)==-1) return FALSE;

    如果成功地枚舉到可用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的相關(guān)信息將返回到列表m_pAlldevs中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息包括設(shè)備的唯一識(shí)別名稱及其可讀的描述內(nèi)容，然后將其顯示在一個(gè)下拉列表中供用戶選擇。

    2.2 捕獲線程的建立和用戶的交互

    網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的捕獲需要為其單獨(dú)建立一個(gè)后臺(tái)工作線程。當(dāng)選定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備后，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，就啟動(dòng)后臺(tái)工作線程。后臺(tái)工作線程與界面線程的交互通過(guò)消息機(jī)制來(lái)完成。在后臺(tái)工作線程中，首先通過(guò)接口函數(shù)pcap_open_live打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備，然后調(diào)用接口函數(shù)pcap_next_ex啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的捕捉。每當(dāng)捕捉到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，接口函數(shù)pcap_next_ex就會(huì)返回，然后啟動(dòng)一個(gè)GOOSE報(bào)文過(guò)濾機(jī)制，如果報(bào)文類型EtherType為0x88B8，則通過(guò)消息將數(shù)據(jù)回傳給界面線程。界面線程然后解碼，并將每一個(gè)捕獲到的GOOSE報(bào)文顯示到一個(gè)列表中。此時(shí)，如果用戶點(diǎn)擊此條報(bào)文，系統(tǒng)將自動(dòng)將應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）從報(bào)文中分離并解析，然后分別顯示。APDU的頭信息顯示在一個(gè)文本編輯框中，數(shù)據(jù)集的每一項(xiàng)單獨(dú)顯示在一個(gè)列表中。圖2顯示了程序的主要工作序列。

    在后臺(tái)工作線程捕獲數(shù)據(jù)并回傳給界面線程時(shí)，界面線程依照標(biāo)準(zhǔn)定義進(jìn)行解碼。圖3詳細(xì)描述了GOOSE PDU的構(gòu)成。本文采用面向?qū)ο蟮姆椒ǘx了3個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)不同層次的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

    對(duì)于ISO/IEC 8802-3幀結(jié)構(gòu)，其幀頭部分長(zhǎng)度固定，通過(guò)一個(gè)結(jié)構(gòu)與其對(duì)應(yīng)，其定義如下：

    struct GOOSEFrame_Header //Byte Length 26

    {

    BYTE DMac[6];

    BYTE SMac[6];

    WORD TPID;

    WORD TCI;

    WORD Ethertype;

    WORD APPID;

    WORD Length;

    WORD Reserved1;

    WORD Reserved2;

    struct GOOSEAPDU_Info

    {

    int iLength;

    CString gocbRef;

    int timeAllowedtoLive;

    CString datSet;

    CString goID;

    CString t;

    int stNum;

    int sqNum;

    BOOL test;

    int confRev;

    BOOL ndsCom;

    int numDatSetEntries;

    CList<DataSetEntry_Info, DataSetEntry_Info&>DataSetEntryList

    }

    對(duì)于數(shù)據(jù)集成員的信息，使用了模板類CList來(lái)保存數(shù)據(jù)集成員的信息，動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存。其中，數(shù)據(jù)集部分的定義如下：

    struct DataSetEntry_Info

    {

    int iIndex;

    CString sType;

    CString sValue;

    CString sNote;

    }

    2.4 解碼與分析

    幀頭部分的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定，因而可以很容易地進(jìn)行解析并保存到結(jié)構(gòu)GOOSEFrame_Header的一個(gè)實(shí)例中。其中，幀頭中前12個(gè)字節(jié)依次與目標(biāo)媒體訪問(wèn)控制（MAC）地址和源MAC地址對(duì)應(yīng)。對(duì)于虛擬局域網(wǎng)（VLAN）部分，程序增加了有無(wú)VLAN標(biāo)志的自動(dòng)識(shí)別，不同的交換機(jī)對(duì)VLAN的處理不同，一些交換機(jī)會(huì)去掉VLAN標(biāo)識(shí)，當(dāng)報(bào)文經(jīng)過(guò)交換機(jī)到達(dá)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)端口時(shí)，TPID與TCI標(biāo)志已經(jīng)由交換機(jī)去掉了；一些交換機(jī)會(huì)保留TPID與TCI標(biāo)志。

    此外，還增加了一些相應(yīng)的可讀化功能，如源MAC地址的解析，直接將其轉(zhuǎn)換為IP地址或IED名稱，便于分析數(shù)據(jù)。

    2.4.2 APDU的處理

    如圖3所示，APDU依照TLV規(guī)則構(gòu)成。本文以一段代碼來(lái)說(shuō)明如何有效地進(jìn)行解碼。這里iIndex是指向pAPDUBufer緩存區(qū)當(dāng)前位置的一個(gè)索引，每解析一個(gè)字段信息，位置索引將自動(dòng)移到下一個(gè)字段的開(kāi)始。

    //datSet

    iIndex=iIndex+iLength+2;

    iLength=pAPDUBufer[iIndex+1];  //length

    for(i=0; i<iLength; i++)  //value

    sTemp[i]=pAPDUBufer[iIndex+2+i];

    sTemp[i]=’\0’;

    pAPDU→datSet=sTemp;

    //goID

    iIndex=iIndex+iLength+2;

    iLength=pAPDUBufer[iIndex+1];  //length

    for(i=0; i<iLength; i++)  //value

    sTemp[i]=pAPDUBufer[iIndex+2+i];

    sTemp[i]=’\0’;

    pAPDU→goID=sTemp;

    2.4.3 數(shù)據(jù)集的解析

    在數(shù)據(jù)集中，其成員的類型定義是多樣的，因而，在解析其成員數(shù)據(jù)時(shí)就需要判別Tag的值并分別處理，部分代碼如下：

    switch(pDataSet[iIndex])

    {

    case 0x83:  //boolean

    Entry.sType=”BOOLEAN”;

    iLength=pDataSet[ilndex+1];

    if(pDataSet[iIndex+2]==0)

    Entry.sValue=”FALSE”;

    else

    Entry.sValue=”TRUE”;

    iIndex=iIndex+iLength+1：

    Entry.sNote.Format(”Length:％d”, iLength);

    break;

    case 0x84:  //bitstring

    Entry.sType=”BITSTRING”;

    iLength=pDataSet[iIndex+1]-1;

    ...

    break;