網(wǎng)絡(luò)測試儀的研制與分析

莫 驥

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江供電局，廣東湛江524000）

0 引言

電力行業(yè)在向智慧電網(wǎng)方向發(fā)展的趨勢下，越來越注重智能化和自動化建設(shè)。如今電力企業(yè)逐漸從主網(wǎng)自動化建設(shè)延伸到配網(wǎng)自動化建設(shè)，但配網(wǎng)自動化的快速發(fā)展也帶來一個(gè)問題，即后期設(shè)備網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維難度變大。配網(wǎng)自動化設(shè)備由于主要應(yīng)用了以太網(wǎng)協(xié)議，因此日常運(yùn)維需要以太網(wǎng)協(xié)議的測試工具，并且對運(yùn)維人員的數(shù)據(jù)網(wǎng)知識的儲備提出了更高的要求。

基于此，本項(xiàng)目研制了一種簡易的網(wǎng)絡(luò)測試工具，具有便攜性、操作簡易性和網(wǎng)絡(luò)安全性等特點(diǎn)，并且兼具現(xiàn)場運(yùn)維的基本測試功能（包括ping測試、tracert測試和telnet端口測試），能基本滿足現(xiàn)場運(yùn)維人員的日常使用需求，具有很大的推廣價(jià)值。

1 技術(shù)背景與產(chǎn)品概念

隨著社會智能化和自動化程度越來越高，尤其是5G時(shí)代的到來，各行各業(yè)都離不開網(wǎng)絡(luò)。以電力行業(yè)為例，隨著配網(wǎng)自動化的推進(jìn)，配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)日漸擴(kuò)大，基層班組日常的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維壓力越來越大。

目前，運(yùn)維人員網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的工具有專業(yè)的測試儀器或筆記本，它們有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：

（1）測試設(shè)備接入電力專網(wǎng)的時(shí)候，有可能成為黑客和病毒的載體，破壞專業(yè)網(wǎng)絡(luò)；

（2）價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，用于日常運(yùn)維屬于資源浪費(fèi)；

（3）開機(jī)時(shí)間長，測試耗時(shí)長。

基于目前使用的運(yùn)維工具的最大缺點(diǎn)是采用了基于OS系統(tǒng)的軟件TCP/IP協(xié)議棧，存在網(wǎng)絡(luò)攻擊和病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款簡易的網(wǎng)絡(luò)測試工具，采用基于W5500芯片的硬件TCP/IP協(xié)議棧，通過硬件化的邏輯門電路來處理TCP/IP協(xié)議，因此網(wǎng)絡(luò)攻擊和病毒對它是無效的。本產(chǎn)品還具備便攜性和價(jià)格低的特點(diǎn)，能滿足日常的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維測試要求和日漸嚴(yán)苛的網(wǎng)絡(luò)安全要求。

下面簡要說明一下網(wǎng)絡(luò)排障的過程，如圖1所示。運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備連接不了服務(wù)器，在排除硬件線路故障的情況下，使用筆記本或者專業(yè)測試儀器接入故障設(shè)備對應(yīng)的交換機(jī)接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測試，一般包括DHCP獲取地址、ping測試網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器地址、測試訪問服務(wù)器相關(guān)TCP端口是否連接正常。隨后結(jié)合測試結(jié)果進(jìn)行故障定位。

圖1 網(wǎng)絡(luò)排障示意圖

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明

本產(chǎn)品由STM32主控模塊、LCD顯示模塊、矩陣按鍵模塊、W5500以太網(wǎng)模塊和電池模塊組成，并能實(shí)現(xiàn)DHCP功能、ping測試功能和TCP端口檢測功能。下面通過模型實(shí)物圖（圖2）和產(chǎn)品模塊連接邏輯圖（圖3）來說明本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理（兩張圖的對應(yīng)功能模塊分別用a、b、c、d、e標(biāo)注，便于說明）。本產(chǎn)品主要是由STM32芯片作為主控模塊a，通過按鍵模塊c輸入指令，并通過LCD顯示模塊b顯示人機(jī)交互內(nèi)容，裝置的TCP/IP協(xié)議棧由W5500以太網(wǎng)模塊d與主控板進(jìn)行協(xié)議通信，測試連接網(wǎng)線也是通過W5500以太網(wǎng)模塊與測試交換機(jī)互連，電池模塊e為整個(gè)裝置提供電能。電網(wǎng)的交換機(jī)技術(shù)規(guī)范要求都是支持POE功能，所以該工具增加了POE供電功能，將更好地解決續(xù)航問題。

圖2 模型實(shí)物圖

圖3 產(chǎn)品模塊連接邏輯圖

3 軟件功能及操作說明

該網(wǎng)絡(luò)測試儀的軟件方面主要涉及C語言編程、STM32單片機(jī)編程、TCP/IP接口模塊程序編寫、LCD顯示屏顯示程序編寫、矩陣按鍵輸入程序編寫、聲光警示模塊程序編寫、POE供電解決方案和蓄電池供電解決方案。通過對TCP/IP接口模塊的開發(fā)使用，將以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)的匯編語言，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。用戶通過鍵盤操作和LCD屏幕顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)互交。鍵盤是4×4的矩陣鍵盤，包含阿拉伯?dāng)?shù)字0～9、電源開關(guān)鍵、刪除鍵、返回鍵、ping功能鍵、TCP功能鍵和確認(rèn)鍵。

3.1 開機(jī)啟動

首先通過按電源鍵啟動測試工具，顯示屏亮屏并顯示內(nèi)容，提醒用戶選擇網(wǎng)絡(luò)配置模式。按“1”選擇手動模式，按“0”選擇自動模式。

3.2 手動模式

該模式下，用戶需要通過鍵盤輸入本地地址、掩碼和網(wǎng)關(guān)，輸入過程中可以通過“刪除鍵”刪除修改，若輸入的數(shù)值小于3位，需要按“確認(rèn)鍵”確認(rèn)，輸入完成后，屏幕顯示最終用戶配置內(nèi)容。

3.3 自動模式

該模式是指將本產(chǎn)品接入支持DHCP功能的交換機(jī)等設(shè)備，本產(chǎn)品可以自動獲取地址和掩碼等信息。若獲取失敗，屏幕提示用戶按“0”重新獲取，或者按“1”進(jìn)行手動配置。若獲取成功，則在屏幕顯示相關(guān)地址信息。

3.4 ping測試功能

當(dāng)本地的網(wǎng)絡(luò)配置完成之后，用戶通過按“ping功能鍵”進(jìn)行ping測試。用戶通過鍵盤輸入目的地址，然后按“確認(rèn)鍵”確認(rèn)即可測試。若ping測試成功，則屏幕顯示“ping測試成功”；若ping測試不成功，則屏幕顯示“ping測試失敗”。如果目的測試地址不變，可以通過按功能鍵“確認(rèn)鍵”重復(fù)ping測試。如需測試其他目的地址，則按“ping功能鍵”重復(fù)上述步驟即可。

3.5 TCP端口測試功能

當(dāng)本地的網(wǎng)絡(luò)配置完成之后，用戶通過按“TCP功能鍵”進(jìn)行TCP端口測試。用戶通過鍵盤輸入目的地址和目的TCP端口，然后按“確認(rèn)鍵”確認(rèn)即可測試；若TCP端口連接成功，則屏幕顯示“TCP端口測試成功”；若TCP端口連接不成功，則屏幕顯示“TCP端口測試失敗”。如果目的測試地址和端口不變，可以通過按功能鍵“確認(rèn)鍵”重復(fù)TCP端口測試。如需測試其他目的地址或端口，則按“TCP功能鍵”重復(fù)上述步驟即可。需要注意的是，使用TCP功能時(shí)，本產(chǎn)品只作為客戶端。

4 結(jié)語

面對日漸智能化的電網(wǎng)，電網(wǎng)日常運(yùn)維工作人員的壓力也日漸增大。區(qū)別于傳統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)維，當(dāng)前的電網(wǎng)運(yùn)維更加偏向于自動化裝置與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的運(yùn)維，所以對運(yùn)維班組和人員提出了更高的要求。而且在網(wǎng)絡(luò)安全要求越來越高的趨勢下，直接使用筆記本運(yùn)維存在很高的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在運(yùn)維人員網(wǎng)絡(luò)知識缺乏的情況下，探索和研制新型的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)測試儀顯得尤為重要。本文研究的網(wǎng)絡(luò)測試工具兼具了便攜性、易操作性、網(wǎng)絡(luò)安全性和低成本等特點(diǎn)，能很好地滿足當(dāng)前配電運(yùn)維的需求。該工具在多個(gè)單位試點(diǎn)運(yùn)行中，顯著提高了配網(wǎng)自動化故障排查的效率，縮短了停電檢修時(shí)間，提高了電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。其若能得到推廣應(yīng)用，將會對電網(wǎng)配電自動化的穩(wěn)定運(yùn)行起到一個(gè)很好的支撐作用。