IEC104协议解析

一、IEC104协议核心特性与应用场景

IEC104（IEC 60870-5-104）是电力系统中广泛使用的通信协议，基于TCP/IP实现主从站（SCADA与RTU/变电站设备）的实时数据交互‌。其核心功能包括：

1. 四遥操作 ‌：

‌遥测‌（YC） ：采集电压、电流等模拟量数据（如类型标识0x0D）‌。
遥信‌（YX）：监测开关状态等数字量信号（如M_SP_NA_1单点遥信）‌。
遥控‌（YK） ：远程控制断路器分合闸（如C_SC_NA_1指令）‌。
遥调‌（YT） ：参数调节（如变压器分接头调整）‌。

2.‌ 协议分层‌：

APCI‌（应用协议控制信息）：包含启动字符0x68、长度域及控制域（I/S/U帧标识）‌。
ASDU‌（应用服务数据单元）：承载业务数据（如公共地址、传送原因、信息体列表）‌。

二、编解码实现

（一）解码器

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public class IEC104FrameDecoder extends LengthFieldBasedFrameDecoder {  
    private static final int MAX_FRAME_LENGTH = 253;  
    private static final int LENGTH_FIELD_OFFSET = 1;  
    private static final int LENGTH_FIELD_LENGTH = 1;  
  
    public IEC104FrameDecoder() {  
        super(MAX_FRAME_LENGTH, LENGTH_FIELD_OFFSET, LENGTH_FIELD_LENGTH, 0, 0); // ‌:ml-citation{ref="1,2" data="citationList"}  
    }  
  
    @Override  
    protected Object decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in) throws Exception {  
        // 校验启动字符  
        if (in.getByte(in.readerIndex()) != 0x68) {  
            ctx.close();  
            throw new ProtocolException("Invalid start byte 0x" +  
                                        Integer.toHexString(in.getByte(in.readerIndex()))); // ‌:ml-citation{ref="2,5" data="citationList"}  
        }  
  
        // 动态分割报文  
        ByteBuf frame = (ByteBuf) super.decode(ctx, in);  
        if (frame == null) return null;  
  
        // 解析APCI  
        frame.readByte(); // 跳过0x68  
        int apduLength = frame.readUnsignedByte();  
        if (frame.readableBytes() < apduLength) {  
            return null; // 等待完整报文‌:ml-citation{ref="2,5" data="citationList"}  
        }  
  
        ByteBuf apduContent = frame.readSlice(apduLength);  
        return parseAPDU(apduContent);  
    }  
  
    private APDU parseAPDU(ByteBuf buf) {  
        // 解析控制域（4字节）  
        int ctrl1 = buf.readUnsignedByte();  
        int ctrl2 = buf.readUnsignedByte();  
        int ctrl3 = buf.readUnsignedByte();  
        int ctrl4 = buf.readUnsignedByte();  
  
        ControlFieldType type;  
        int sendSeq = 0, recvSeq = 0;  
        UFrameCommand uCommand = null;  
  
        // I帧（低比特位为0）  
        if ((ctrl1 & 0x01) == 0) { // ‌:ml-citation{ref="2,4" data="citationList"}  
            type = ControlFieldType.I_FRAME;  
            sendSeq = ((ctrl1 & 0xFE) >> 1) | (ctrl2 << 7);  
            recvSeq = ((ctrl3 & 0xFE) >> 1) | (ctrl4 << 7);  
        }  
            // S帧（低2比特为01）  
        else if ((ctrl1 & 0x03) == 0x01) { // ‌:ml-citation{ref="2,4" data="citationList"}  
            type = ControlFieldType.S_FRAME;  
            recvSeq = ((ctrl3 & 0xFE) >> 1) | (ctrl4 << 7);  
        }  
            // U帧（低2比特为11）  
        else { // ‌:ml-citation{ref="2,4" data="citationList"}  
            type = ControlFieldType.U_FRAME;  
            uCommand = UFrameCommand.fromBytes(ctrl1, ctrl2);  
        }  
  
        // 解析ASDU（仅I帧携带数据）  
        ASDU asdu = null;  
        if (type == ControlFieldType.I_FRAME && buf.readableBytes() >= 6) {  
            asdu = new ASDU();  
            asdu.setTypeId(buf.readUnsignedByte()); // 类型标识‌:ml-citation{ref="2,3" data="citationList"}  
            asdu.setVariableStruct(buf.readUnsignedByte()); // 可变结构限定词‌:ml-citation{ref="2,3" data="citationList"}  
            asdu.setCause(buf.readUnsignedShortLE()); // 传送原因（小端）‌:ml-citation{ref="2,5" data="citationList"}  
            asdu.setCommonAddress(buf.readUnsignedShortLE()); // 公共地址‌:ml-citation{ref="2,5" data="citationList"}  
  
            // 解析信息体（示例：遥测数据）  
            int objCount = asdu.getVariableStruct() & 0x7F; // SQ=0时取低7位‌:ml-citation{ref="2,3" data="citationList"}  
            for (int i = 0; i < objCount; i++) {  
                InfoObject obj = new InfoObject();  
                obj.setAddress(buf.readUnsignedMediumLE()); // 3字节地址小端‌:ml-citation{ref="2,5" data="citationList"}  
                if (asdu.getTypeId() == 0x0D) { // 浮点型遥测  
                    obj.setValue(buf.readFloatLE()); // ‌:ml-citation{ref="2,3" data="citationList"}  
                }  
                asdu.addInfoObject(obj);  
            }  
        }  
  
        return new APDU(type, sendSeq, recvSeq, uCommand, asdu);  
    }  
}

(二) 编码器

js 复制代码

public class IEC104Encoder extends MessageToByteEncoder<APDU> {  
    private final Recycler<ByteBuf> bufferRecycler = new Recycler<>() {  
        @Override  
        protected ByteBuf newObject(Handle<ByteBuf> handle) {  
            return Unpooled.buffer(512);  
        }  
    };  
  
    @Override  
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, APDU msg, ByteBuf out) {  
        ByteBuf apciBuf = bufferRecycler.get();  
        try {  
            // 构建控制域  
            switch (msg.getType()) { // ‌:ml-citation{ref="2,4" data="citationList"}  
                case I_FRAME:  
                    apciBuf.writeByte((msg.getSendSeq() << 1) & 0xFF);  
                    apciBuf.writeByte((msg.getSendSeq() >> 7) & 0xFF);  
                    apciBuf.writeByte((msg.getRecvSeq() << 1) & 0xFF);  
                    apciBuf.writeByte((msg.getRecvSeq() >> 7) & 0xFF);  
                    break;  
                case S_FRAME:  
                    apciBuf.writeByte(0x01);  
                    apciBuf.writeByte(0x00);  
                    apciBuf.writeByte((msg.getRecvSeq() << 1) & 0xFF);  
                    apciBuf.writeByte((msg.getRecvSeq() >> 7) & 0xFF);  
                    break;  
                case U_FRAME:  
                    apciBuf.writeByte(msg.getUCommand().getCtrlByte1());  
                    apciBuf.writeByte(msg.getUCommand().getCtrlByte2());  
                    apciBuf.writeZero(2); // 填充0x00  
                    break;  
            }  
  
            // 构建ASDU（I帧）  
            if (msg.getType() == ControlFieldType.I_FRAME && msg.getAsdu() != null) {  
                ASDU asdu = msg.getAsdu();  
                apciBuf.writeByte(asdu.getTypeId()); // ‌:ml-citation{ref="2,3" data="citationList"}  
                apciBuf.writeByte(asdu.getVariableStruct());  
                apciBuf.writeShortLE(asdu.getCause()); // 小端写入‌:ml-citation{ref="2,5" data="citationList"}  
                apciBuf.writeShortLE(asdu.getCommonAddress());  
  
                // 信息体编码（示例：单点遥信）  
                for (InfoObject obj : asdu.getInfoObjects()) {  
                    apciBuf.writeMediumLE(obj.getAddress()); // 3字节小端‌:ml-citation{ref="2,5" data="citationList"}  
                    if (asdu.getTypeId() == 0x01) { // 单点状态  
                        apciBuf.writeByte(obj.getStatus() & 0x01); // ‌:ml-citation{ref="2,3" data="citationList"}  
                    }  
                }  
            }  
  
            // 构建完整APDU  
            out.writeByte(0x68); // 启动字符‌:ml-citation{ref="2,5" data="citationList"}  
            out.writeByte(apciBuf.readableBytes()); // 长度域‌:ml-citation{ref="2,5" data="citationList"}  
            out.writeBytes(apciBuf);  
        } finally {  
            bufferRecycler.recycle(apciBuf);  
        }  
    }  
}

(三) 实体类

js 复制代码

// APDU实体类（对象池实现）  
public class APDU implements Recyclable {  
    private static final Recycler<APDU> recycler = new Recycler<>() { /*...*/ };  
  
    // 控制域字段  
    private ControlFieldType type;  
    private int sendSeq;  
    private int recvSeq;  
    private UFrameCommand uCommand;  
  
    // ASDU字段  
    private ASDU asdu;  
  
}  
  
// ASDU数据结构  
public class ASDU {  
    private int typeId;          // 类型标识‌:ml-citation{ref="2,3" data="citationList"}  
    private int variableStruct;  // 可变结构限定词‌:ml-citation{ref="2,3" data="citationList"}  
    private int cause;           // 传送原因（低字节在前）‌:ml-citation{ref="2,5" data="citationList"}  
    private int commonAddress;   // 公共地址‌:ml-citation{ref="2,5" data="citationList"}  
    private List<InfoObject> infoObjects = new ArrayList<>();  
}  
  
// 信息体对象  
public class InfoObject {  
    private int address;  // 3字节地址‌:ml-citation{ref="2,5" data="citationList"}  
    private float value;  // 遥测值  
    private byte status;  // 遥信状态（0/1）‌:ml-citation{ref="2,3" data="citationList"}  
}

(四) 关键实现说明

‌1.动态沾包处理‌通过LengthFieldBasedFrameDecoder实现变长报文切割，支持最大253字节APDU报文‌。

‌2.控制域编码优化‌

I帧发送序号采用左移1位存储（避免序列号溢出）‌
U帧支持STARTDT_ACT/TESTFR_ACT等标准命令‌

‌3.数据格式处理‌

信息体地址使用3字节‌小端序‌编码（适配电力设备规范）‌
遥测值采用IEEE754浮点型编码，遥信状态用单字节存储‌

三、业务逻辑处理

总召唤流程‌：主站发送C_IC_NA_1指令后，从站按点表顺序返回所有遥测、遥信数据，通过多帧I帧传输（每帧最大249字节）。
变化数据主动上报 ‌：从站检测到数据变化时，通过ASDU的‌传送原因‌字段（如0x03表示突发上送）触发实时推送‌。

IEC104协议解析

一、IEC104协议核心特性与应用场景

二、 编解码实现

（一）解码器

(二) 编码器

(三) 实体类

(四) 关键实现说明

三、业务逻辑处理

二、编解码实现