104/101协议-104协议如何保证通信报文不丢失？

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IEC 60870-5-104（简称104协议）作为电力自动化领域广泛使用的标准协议，其通信可靠性机制设计得非常经典和严谨。它主要通过 "确认重传"机制 来保证报文不丢失，这属于 TCP/IP协议族提供的可靠传输服务 的自然延伸和专业化应用。

下面将从 机制原理、关键字段、具体流程 几个层面来详细解释。

一、核心基石：TCP协议

这是104协议可靠性的根本前提。

104协议 = IEC 60870-5-101的应用层 + TCP/IP传输层/网络层。
TCP（传输控制协议） 本身就提供了面向连接、可靠、有序的字节流服务。它的核心机制包括：
1. 三次握手建立连接：保证通信双方就绪。
2. 序列号和确认应答：每个发送的字节都有编号，接收方必须对收到的数据返回确认。
3. 超时重传：发送方在一定时间内未收到确认，会重新发送数据。
4. 数据校验和：检测数据在传输过程中是否损坏。
因此，104协议在传输层以下 的报文丢失、错序、错误问题，已经由TCP协议解决了。104协议自身要解决的是应用层的"数据不丢失"。

二、104协议应用层的可靠性保障机制

104协议在应用层定义了帧计数和确认规则 ，主要解决"我发出的控制命令或数据，对方应用层是否成功接收并处理？" 的问题。

其核心依赖于发送序列号 和接收序列号 这两个关键字段，它们包含在每个 I格式帧（携带应用数据的报文）的控制域中。

1. 关键概念：帧编号

发送序列号 ：发送方每发出一个 I格式 报文（无论是遥测、遥信还是遥控命令），这个序号就 +1（从0到65535循环）。
接收序列号 ：发送方通过这个序号来确认自己已经成功收到了对方发来的哪些 I格式 报文。它等于 期望接收到的下一个报文的发送序列号。

2. 核心机制：确认与窗口

确认机制：
- 接收方在收到有效的 I格式 报文后，必须在一个合理的延迟内，回复一个 S格式帧 （只包含接收序列号的控制帧，用于确认）或一个反向传输的 I格式帧（其控制域中会携带最新的接收序列号）。
- 例如，主站收到子站发来的发送序列号为 N 的报文，它回复的S格式帧中的接收序列号就是 N+1，意思是："我已经正确收到了序列号 N 及之前的所有报文，下次请从 N+1 开始发。"
发送/接收窗口 ：为了流量控制，协议规定在未收到确认的情况下，连续发送的I格式报文数量不能超过一个预设的"窗口大小" （通常默认 k=12, w=8）。这能防止发送方淹没接收方，也便于重传管理。

注意事项：

在创建一个 TCP 连接后，发送和接收序列号都被设置成0。为了保证通信的兼容性，接收方在接收数据时只检查接收序列号，发送序列号不予检查。

三、具体工作流程与防丢失场景

用 主站（控制中心） 和 子站（变电站/终端） 的通信为例：

场景一：子站主动上送变化数据（如通信变位）

子站产生一个通信变位，将其放入发送缓冲区，封装成 I格式帧 ，发送序列号为 Seq=10，发送给主站。
主站正确收到该帧，应用层处理此变位信息。
主站需要回复确认。它可以通过两种方式：
- 显式确认 ：立即发送一个 S格式帧 ，其中的接收序列号 Rcv=11。
- 隐式确认 ：稍后主站如有下发命令或总召，其下发的 I格式帧 的控制域里会携带接收序列号 Rcv=11。
子站收到确认（Rcv=11），就知道 Seq=10 的报文已被主站可靠接收，可以从发送缓冲区中清除。
如果子站发送后，在规定时间内未收到任何包含 Rcv=11 的确认 （超时，t1 超时参数，通常15秒），子站会 自动重传 Seq=10 的报文，直到收到确认为止或达到重传次数上限（触发连接复位）。

场景二：主站下发重要命令（如遥控选择）

主站下发遥控选择命令，封装成 I格式帧 ，发送序列号为 Seq=50。
子站收到后，检查序列号是否正确，执行校验，然后：
- 先回复一个 I格式帧 （如单点通信信息）或 S格式帧 ，其中的接收序列号 Rcv=51，确认收到。
- 再处理应用层逻辑，生成"遥控选择确认"的 I格式帧 （发送序列号为子站自己的 Seq），上送给主站。
主站收到
子站对命令的确认回复（Rcv=51），才知道命令已送达子站应用层。
同样，如果主站未在 t
1 超时内收到确认，会重发 Seq=50 的遥控选择命令。

场景三：遥信报文异常场景

1、上行数据报文丢失

如果遥信报文在传送过程中由于某种错误而丢失，主站无法接收到遥信变位信息，此时当终端向主站发出下一帧 I 格式报文数据后，配电主站将发现终端报文序列号出错，此时主站关闭通道并进行重连，重连成功后依次进行8.1.1和8.1.2所描述的初始化和总召唤过程，以上过程完成后配电终端将缓存的遥信数据重新上送，直到收到配电主站的 S 帧确认后才清除缓存数据。

2：序列号出错

如果遥信报文在传送过程中由于上一帧报文出现某种错误而丢失，配电主站在接收到遥信报文后将发现终端报文序列号出错，此时主站关闭通道并进行重连，重连成功后依次进行 8.1.1 和 8.1.2 所描述的初始化和总召唤过程，以上过程完成后配电终端将缓存的遥信数据重新上送，直到收到配电主站的 S 帧确认后才清除缓存数据。

3：K 值超限

如果遥信报文在传送过程中由于某种错误而导致主站回复的 S 帧报文丢失，配电终端将继续发送剩下的数据，直到 K 值等于 12 后停止发送。此时等待 t1 超时，t1 超时后配电终端将关闭 TCP 连接，此时主站进行重连，重连成功后依次进行 8.1.1 和 8.1.2 所描述的初始化和总召唤过程，以上过程完成后配电终端将缓存的遥信数据重新上送，直到收到配电主站

的 S 帧确认后才清除缓存数据。

四、协议的其他可靠性设计

三种帧格式协同：
- I格式 ：传输实际数据。是确认机制作用的主体。
- S格式：纯确认帧。专门用于在不需传输数据时，对已收到的I帧进行确认，避免对方长时间等待而触发超时重传。
- U格式：控制帧。用于启动、停止、测试连接，有单独的确认机制。
链路测试与保持：
- 如果通道长期空闲，为防止中间网络设备断开连接，协议规定在没有I帧需要发送时，需要定期发送 U格式的"测试帧" 并得到确认，以保持链路活性。这间接保证了通信通道本身的可用性。
连接管理与重复检测：
- 每次新建连接，发送和接收序列号都从0开始。TCP的重连机制和104自身的启动过程，保证了新旧连接数据的隔离，防止旧连接的重复报文被误认。

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