IEC 104 系列（三）：通信机制——连接管理与数据交互

核心目标：掌握 IEC 104 的 TCP 连接管理、总召唤、时钟同步、突发传输等核心交互机制，能够独立分析通信时序和排查连接故障。

前置知识：Part 2 的帧格式（APCI/ASDU/APDU）、N(S)/N® 概念、U 帧三命令的基本用途。

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3.1 TCP 连接管理

3.1.1 连接建立完整时序

IEC 104 的连接建立分为两个阶段：TCP 层建链 和 应用层激活，缺一不可：
从站 (Server) 主站 (Client) 从站 (Server) 主站 (Client) ─── TCP 层建链 ─── TCP 连接建立 ─── 应用层激活 ─── 数据传输激活，可发送 I 帧 进入正常数据传输阶段 TCP SYN TCP SYN-ACK TCP ACK U 帧: STARTDT 激活 (0x07) U 帧: STARTDT 确认 (0x0B) I 帧: 总召唤激活 (TI=100, COT=6) I 帧: 总召唤确认 (TI=100, COT=7) I 帧: 遥测数据 (TI=13, COT=20) I 帧: 遥信数据 (TI=1, COT=20) I 帧: 总召唤终止 (TI=100, COT=10)

关键点：TCP 连接建立后，只有收到 STARTDT 确认，才能开始传输 I 帧。TCP 连接关闭后，STARTDT 状态自动清除。

3.1.2 端口与连接角色

特性	主站 (Client)	从站 (Server)
主动/被动	主动发起 TCP 连接	被动监听（Listen）
端口	任意临时端口 (ephemeral)	2404（IANA 注册端口）或自定义
STARTDT 发起方	应发起	收到后响应确认
连接数	通常 1~2（双网冗余）	支持多 Client 连接

# Linux 查看从站监听状态
ss -tlnp | grep 2404
# LISTEN  0  128  0.0.0.0:2404  0.0.0.0:*  users:(("rtu_server",pid=1234,fd=5))

3.1.3 连接参数 k、w 与超时

IEC 104 定义了五个关键参数来管理连接行为：
接收端
发送端
制约
超时
t1: 发送确认超时

默认 15s, 典型 15~30s
t2: 无数据确认超时

默认 10s, 典型 10~30s
t3: 链路测试间隔

默认 20s, 典型 20~60s
k (发送窗口)

最大未确认 I 帧数

默认 12, 典型 12~120
w (接收窗口)

最大可接收 I 帧数

默认 8, 典型 8~64

要求 w ≤ k

参数配置建议表：

参数	含义	默认值	推荐值	影响
k	最大未确认 I 帧数	12	12~120	过大浪费内存，过小降低吞吐量
w	最大接收 I 帧数	8	8~64	需满足 w ≤ k
t1	I 帧确认超时	15s	15~30s	超时触发重发或断开
t2	S 帧确认超时	10s	10~30s	多久无数据发一次 S 帧确认
t3	TESTFR 间隔	20s	20~60s	链路空闲时的心跳间隔

t1 < t2 < t3 是标准推荐关系。t1 控制确认等待，t2 控制空转确认，t3 控制心跳。若 t3 内收到 I 帧，则重置计时器。

3.1.4 连接断开与重连机制

Client发起连接
TCP握手成功
TCP连接失败
STARTDT确认
STARTDT超时/被拒
数据正常传输
TCP断连 / STOPDT / 超时
重连定时器触发
CLOSED
CONNECTING
TCP_OK
ACTIVE

重连策略：

策略	描述	典型值
指数退避	重连间隔从 1s 开始，每次翻倍	最大 60s
固定间隔	固定间隔重连	10~30s
立即重连	检测到断开立即重连	---

# 典型重连策略伪代码
reconnect_delay = 1  # 初始 1 秒
def on_disconnect():
    while True:
        time.sleep(reconnect_delay)
        if try_connect():
            reconnect_delay = 1  # 成功则重置
            break
        reconnect_delay = min(reconnect_delay * 2, 60)  # 指数退避

3.1.5 双网冗余连接模式

电力调度系统的可靠性要求极高，双网冗余是刚需：
从站
网络
主站
TCP 连接1
TCP 连接2 (备用)
主站网卡 A

192.168.1.10
主站网卡 B

192.168.2.10
调度数据网 A
调度数据网 B
从站网卡 A

192.168.1.100
从站网卡 B

192.168.2.100

冗余模式对比：

模式	原理	优点	缺点
热备	两路同时连接，主路传数据，备路空闲	切换快（<1s）	资源浪费
温备	主路断开后，备路自动连接	节省资源	切换需重新建连+STARTDT+GI
负载均衡	两路各传不同数据	带宽利用率高	实现复杂，需协调

工程最佳实践 ：工业场景推荐温备模式。切换流程为：检测主路断开 → t1 超时 → 备路发起 TCP 连接 → STARTDT → GI → 恢复数据传输。

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3.2 数据传输与确认机制

3.2.1 I 帧滑动窗口

IEC 104 在 TCP 之上实现了一层自己的确认机制，原因是在高噪声网络环境下，TCP 层面看似"已确认"的数据可能尚未被应用层正确处理：
接收方 (N(R) 更新) 发送方 (N(S)=0..k) 接收方 (N(R) 更新) 发送方 (N(S)=0..k) 发送窗口 = [0,1,2]，若 k=3 则已满 收到确认，窗口清空，可发送 3 帧 I 帧 N(S)=0, N(R)=0 I 帧 N(S)=1, N(R)=0 I 帧 N(S)=2, N(R)=0 S 帧 N(R)=3 (确认 0,1,2) I 帧 N(S)=3, N(R)=0 I 帧 N(S)=4, N(R)=0

3.2.2 N(S)/N® 维护规则

N(S) 维护规则：
  ① 初始值：连接建立后 N(S)=0
  ② 每次发送 I 帧：N(S) = N(S) + 1 (模 32768)
  ③ 发送 S 帧或 U 帧：不影响 N(S)
  ④ 重发：保持原 N(S) 不变

N(R) 维护规则：
  ① 初始值：连接建立后 N(R)=0
  ② 收到 I 帧后更新：N(R) = 最后收到的连续 I 帧的 N(S) + 1
  ③ N(R) 含义："我已经收到了 N(R)-1 及之前的全部 I 帧"
  ④ 发送 S 帧：包含最新的 N(R)
  ⑤ I 帧也携带 N(R)（捎带确认）

N(S)/N® 交互示例：

时间线 (→ 方向):

步骤  发送方(A)的 N(S)   接收方(B)的 N(R)     说明
─────────────────────────────────────────────────
 1    A→B: I[N(S)=0,N(R)=0]   B 接收后更新 N(R)=1
 2    A→B: I[N(S)=1,N(R)=0]   B 接收后更新 N(R)=2
 3    B→A: S[N(R)=2]          A 收到确认: B 已收 0,1
 4    A→B: I[N(S)=2,N(R)=0]   B 接收后更新 N(R)=3
 5    B→A: I[N(S)=0,N(R)=3]   A 更新 N(R)=1 (B发给A的I帧)

3.2.3 S 帧的定时确认（t2 机制）

接收方 发送方 接收方 发送方 t2 定时器启动 (10s) 期间若收到 I 帧则重置 t2 t2=10s 内无 I 帧发送 主动发送 S 帧确认 t2 定时器重新启动 再次 t2 超时，再次发送 S 帧 I[N(S)=0] I[N(S)=1] S[N(R)=2] S[N(R)=2]

为什么需要 t2？ 如果接收方积累了一批 I 帧但没有自己的数据要发送（无法捎带确认），t2 超时触发 S 帧，确保发送方不会因窗口满而阻塞。

3.2.4 确认超时与帧重发（t1 机制）

接收方 发送方 接收方 发送方 t1=15s 启动 ... 网络丢包，未收到 ... t1 超时 (15s) 关闭 TCP 连接 重新建立连接 I[N(S)=0,N(R)=0] TCP RST TCP 三次握手 STARTDT GI 重新召测

两种重发策略：

策略	行为	适用场景
断开重连（IEC 104 标准推荐）	t1 超时 → 关闭 TCP → 重新建连 → STARTDT → GI	高可靠性场景（标准做法）
选择性重发（某些实现）	t1 超时 → 仅重发未确认的 I 帧	低延迟场景（非标准）

工程事实：绝大多数 IEC 104 实现采用"断开重连"策略，因为 TCP 连接状态在丢帧时已经不可靠。

3.2.5 窗口阻塞与流量控制

场景：k=12 的发送窗口

发送方已发送 12 个 I 帧，均未被确认：
  窗口：[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]
  状态：窗口满，暂停发送！

解决方案：
  ① 等待接收方发送 S 帧确认
  ② 等待 t2 超时，接收方自动发 S 帧
  ③ 此时优先级最高的突发数据可以"插队"吗？
     → 不可以。IEC 104 没有优先级插队机制。
     → 突发数据和周期数据共用同一队列。

调优建议：k 值不宜过小（至少 12），w 值不宜过大（≤ k）。在大量遥测点 + 快速变化的场景下，适当增大 k 值（如 60）可提高吞吐量。

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3.3 U 帧控制命令详解

3.3.1 STARTDT / STOPDT

从站 主站 从站 主站 连接建立后第一件事 检查站状态、运行模式 数据传输已激活 ... 正常通信 ... 需要暂停通信 (如维护) 数据传输已停止，不再发送 I 帧 恢复通信 U 帧: STARTDT 激活 0x07 U 帧: STARTDT 确认 0x0B U 帧: STOPDT 激活 0x13 U 帧: STOPDT 确认 0x23 U 帧: STARTDT 激活 0x07 U 帧: STARTDT 确认 0x0B

STARTDT 被拒场景：

原因	从站行为	主站处理
站地址不匹配	拒绝 / 无响应	检查配置
从站未初始化完成	延迟确认	重试
已与其他主站建立数据传输	拒绝	等待或强制切换

3.3.2 TESTFR ------ 链路活性检测（t3 机制）

对端 任意一端 对端 任意一端 t3=20s 超时 (无数据交互) 收到测试帧 连接存活，重置 t3 t3 再次超时 ... 无响应 ... 等待 t1 超时 判定链路中断 → 断开重连 TESTFR 激活 0x43 TESTFR 确认 0x83 TESTFR 激活 0x43

TESTFR 使用要点：

• 连接空闲时，t3 超时触发 TESTFR 激活
• 收到 TESTFR 确认，链路正常，重置 t3
• 双方都可以主动发送 TESTFR（平衡式）
• 收到 TESTFR 激活帧，必须回复确认帧
• 若 TESTFR 确认超时（t1），视为链路中断

3.3.3 U 帧命令速查（含十六进制）

命令	激活帧 (HEX)	确认帧 (HEX)	含义
STARTDT	68 04 07 00 00 00	68 04 0B 00 00 00	启动数据传输
STOPDT	68 04 13 00 00 00	68 04 23 00 00 00	停止数据传输
TESTFR	68 04 43 00 00 00	68 04 83 00 00 00	链路测试帧

记忆技巧：激活码 + 0x04 = 确认码，如 0x07 + 0x04 = 0x0B。

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3.4 总召唤（General Interrogation）

3.4.1 总召唤完整流程

总召唤是主站获取从站全量数据的核心机制，流程分为四个阶段：
从站 主站 从站 主站 ═══ 阶段1: 激活 ═══ 收到总召激活命令 ═══ 阶段2: 确认 ═══ ═══ 阶段3: 数据上送 ═══ ... 继续上送，可能多帧 ... ═══ 阶段4: 终止 ═══ 总召唤完成 I 帧: TI=100, COT=6 QOI=20 (站召唤) I 帧: TI=100, COT=7 (激活确认) I 帧: TI=1, COT=20 遥信数据 (SQ=1, 连续地址) I 帧: TI=13, COT=20 遥测数据 第1批 I 帧: TI=13, COT=20 遥测数据 第2批 I 帧: TI=100, COT=10 (激活终止)

3.4.2 分组总召唤

当数据量大时，可以使用分组召唤代替全站召唤：

QOI 分组定义:
  20 = 站召唤 (全局)      → 获取全部数据
  21 = 组 1 召唤          → 仅获取第 1 组数据
  22 = 组 2 召唤
  ...
  36 = 组 16 召唤         → 仅获取第 16 组数据

分组召唤时序：
从站 主站 从站 主站 GI: QOI=21 (组1: 遥信) COT=7 (确认) 遥信数据, COT=20 COT=10 (终止) GI: QOI=22 (组2: 遥测) COT=7 (确认) 遥测数据, COT=20 COT=10 (终止) GI: QOI=23 (组3: 电度) COT=7 (确认) 电度数据, COT=20 COT=10 (终止)

分组建议：遥信点 < 500 时用站召唤即可；超过 2000 点时建议分组。典型分组：组1=遥信，组2=遥测，组3=电度，组4=遥调。

3.4.3 总召唤期间的突发数据处理

从站 主站 从站 主站 █ 断路器变位！█ 突发数据插入 GI 数据流 GI 激活 (COT=6) GI 确认 (COT=7) 遥测数据帧 1 (COT=20) SOE 突发 (COT=3, 遥信变位) 遥测数据帧 2 (COT=20) 遥信数据帧 (COT=20) GI 终止 (COT=10)

关键规则 ：总召唤期间，突发数据（COT=3）可以插入 GI 数据流（COT=20）中。主站必须能区分 COT=3 的数据（实时变位）和 COT=20 的数据（历史快照）。

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3.5 时钟同步

3.5.1 时钟同步命令（C_CS_NA_1, TI=103）

从站 主站 从站 主站 收到对时命令 将内部时钟与主站同步 I 帧: TI=103, COT=6 CP56Time2a = 当前时间 I 帧: TI=103, COT=7 (对时确认)

时钟同步报文字节结构：

Master → Slave 对时命令 (TI=103, COT=6):

 Byte 0..5:   APCI 头
 Byte 6:      TI = 0x67 (103)
 Byte 7:      VSQ = 0x01 (SQ=0, 1个对象)
 Byte 8..9:   COT = 0x0006 (激活)
 Byte 10..11: 公共地址 = 0x0001
 Byte 12..13: IOA = 0x0000 (对时专用 IOA)
 Byte 14..20: CP56Time2a (7字节, 当前时间)

 十六进制完整报文:
 68 13 00 00 00 00  67 01 06 00 01 00 00 00
 └─ APCI 头 ──────  └───── ASDU ──────────────

  [时间戳: 7字节 CP56Time2a]
  ... (毫秒/分钟/小时/日/月/年)

3.5.2 时钟同步的触发策略

策略	描述	适用场景
周期性对时	每 N 分钟/小时发送一次对时命令	通用场景（推荐 15~30 分钟）
连接后对时	STARTDT 确认后立即对时	每次重连后
GI 前对时	总召唤前先对时	确保 GI 数据时标准确
组合策略	连接后对时 + 周期性对时	最佳实践

推荐流程:

TCP 连接 → STARTDT → 时钟同步 → GI → 正常数据交换
                                            ↓
                              每 30 分钟周期性对时

3.5.3 对时精度分析

CP56Time2a 精度：
  毫秒字段: 16 bits, 范围 0~59999
  → 分辨率 ≈ 1ms，但标准未硬性规定

实际精度受限于：
  ① TCP 协议延迟（~1~100ms，取决于网络）
  ② 主站到从站的链路延迟（未补偿）
  ③ 从站 RTC 晶振精度

工程实际精度：通常 10~100ms 量级
如需亚毫秒精度：应使用 IEEE 1588 (PTP) 或 IRIG-B

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3.6 突发传输与周期传输

3.6.1 数据上送模式总览

IEC 104 从站数据上送三种模式:

┌───────────────┬──────────────────┬─────────────────┐
│   传输模式     │   触发条件        │   典型数据       │
├───────────────┼──────────────────┼─────────────────┤
│ 突发 (COT=3)  │ 遥信变位/事件触发 │ SOE、保护信号    │
│ 周期 (COT=1)  │ 定时器到期        │ 遥测全量/变化量  │
│ 总召唤(COT=20)│ GI 命令触发       │ 全站所有数据     │
└───────────────┴──────────────────┴─────────────────┘

3.6.2 突发传输（SOE）

当遥信发生变位时（如断路器从"合"变"分"），从站立即构造 SOE 帧上送：
主站 从站 主站 从站 断路器 (IOA=0x0001) 变位！ 记录 SOE 事件： 断路器分闸 @ 15:17:07.002 I 帧: TI=30 (M_SP_TB_1) COT=3 (突发) IOA=0x0001, SIQ=0x00 (分位) CP56Time2a = 事件时间 I 帧: TI=30 COT=3 IOA=0x0002 (保护动作) SIQ=0x01, CP56Time2a

3.6.3 周期传输

周期传输用于定期上送遥测数据，有两种子模式：

子模式	原理	COT	带宽消耗
全量上送	每个周期上送所有遥测点	1	高
变化量上送	仅上送变化超过死区的遥测点	1	低

变化量上送的"死区"机制:

  遥测点 IA (IOA=0x0401)，上次上送值: 230.5A
  死区阈值: 1.0A
  → 当前值 231.2A: 变化 0.7A < 1.0A → 不上送
  → 当前值 232.0A: 变化 1.5A > 1.0A → 上送！

3.6.4 传输优先级

是 (COT=3)
否
是 (COT=20)
否
是 (COT=1)
否
是
否 (窗口满)
有数据待发送
是否有突发数据?
优先发送突发数据

(SOE/保护信号)
是否在 GI 响应期?
发送 GI 数据

(次优先级)
周期定时器到期?
发送周期数据

(遥测全量/变化量)
等待事件触发
发送窗口有空?
入发送队列 → 构造 I 帧 → 发送
等待窗口释放

优先级规则总结：

优先级	数据类型	COT	排队策略
1 (最高)	突发：SOE、保护动作、开关变位	3	队首插入
2	总召唤响应数据	20	按序发送
3 (最低)	周期遥测数据	1	按序发送

注意：IEC 104 标准未严格定义优先级调度策略，以上为工程中广泛采纳的实现方式。

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3.7 平衡式与非平衡式传输

3.7.1 两种模式对比

特性	平衡式（IEC 104 默认）	非平衡式（IEC 101 常见）
发起传输	双方均可主动发起	仅主站可发起
数据上送	从站可自发上送（COT=3）	必须等主站轮询
链路检测	双方均可发 TESTFR	仅主站发测试帧
S 帧	双方均可发送	仅从站（I 帧格式不同）
适用场景	IP 网络（全双工原生）	串口通道（半双工历史）

3.7.2 平衡式下的典型交互

平衡式下，双方是对等的通信实体：

主站 → 从站:  遥控选择 (TI=45, COT=6)
从站 → 主站:  遥控确认 (TI=45, COT=7)
从站 → 主站:  遥信变位 SOE (TI=30, COT=3)  ← 从站主动发！
主站 → 从站:  TESTFR 激活 (0x43)
从站 → 主站:  TESTFR 确认 (0x83)
从站 → 主站:  周期遥测 (TI=13, COT=1)       ← 从站主动发！

3.7.3 工程建议

┌──────────────────────────────────────────────┐
│                                              │
│   ★ 使用 IEC 104 时，始终采用平衡式模式 ★     │
│                                              │
│   TCP 全双工连接天然适合平衡式通信。         │
│   IEC 104 的设计理念就是平衡式对等通信。       │
│   "从站等主站轮询"是 IEC 101 时代的做法。     │
│                                              │
└──────────────────────────────────────────────┘

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3.8 完整连接生命周期

下面用一个完整的生命周期时间线串联前面所有知识：
从站 (Server) 主站 (Client) 从站 (Server) 主站 (Client) ▌连接阶段 ▎数据传输激活 ▌初始化阶段 ▎初始数据同步完成 ▌正常运行阶段 ▌连接关闭 TCP SYN (端口 2404) TCP SYN-ACK TCP ACK STARTDT 激活 STARTDT 确认 TI=103 时钟同步 (COT=6) TI=103 对时确认 (COT=7) TI=100 总召唤激活 (COT=6, QOI=20) TI=100 GI 确认 (COT=7) 遥信数据 (COT=20) 遥测数据 (COT=20) GI 终止 (COT=10) 周期遥测 (COT=1) S 帧确认 (N(R) 更新) 遥信变位 SOE (COT=3) ← 突发！ 遥控选择 (TI=45, COT=6) 遥控确认 (COT=7) 遥控执行 (TI=45, COT=6) 执行确认 (COT=7) TESTFR 激活 (t3 超时) TESTFR 确认 STOPDT 激活 STOPDT 确认 TCP FIN TCP FIN-ACK TCP ACK

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3.9 参数调优速查

场景	k	w	t1	t2	t3	说明
默认标准	12	8	15s	10s	20s	入门配置
局域网低延迟	24	16	10s	5s	15s	减小超时，增大窗口
广域网高延迟	24	16	30s	20s	60s	放宽超时容忍度
大量遥测点	60	32	15s	10s	30s	增大窗口避免阻塞
高可靠性需求	12	8	15s	10s	15s	快速检测故障
卫星/4G 通道	8	8	60s	30s	120s	放宽所有超时

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3.10 Wireshark 排障技巧

3.10.1 连接阶段排查

# 过滤 TCP 连接
tcp.port == 2404

# 过滤 STARTDT
iec104.type == 0x07 || iec104.type == 0x0B

# 过滤所有 U 帧
iec104 && !iec104.typeid

3.10.2 常见连接故障

现象	Wireshark 特征	根因	解决
连不上	TCP SYN 无响应	端口未监听 / 防火墙	检查 ss -tlnp，放行 2404
STARTDT 无响应	SYN-ACK 后无 U 帧	从站未实现 STARTDT 响应	检查从站软件状态
数据不发	STARTDT 确认后无 I 帧	窗口参数配置错误	检查 k/w 匹配
频繁断开	大量 TCP RST	t1/t3 超时，参数不匹配	增大超时值
S 帧风暴	大量 S 帧，无 I 帧	t2 过小	增大 t2 至 15~30s

3.10.3 分析实际连接流程

Wireshark 查看一次正常连接的摘要:

No. Time    Source       Destination  Protocol Info
─── ─────── ──────────── ──────────── ──────── ─────────────────────
1   0.000   M->S [SYN]           TCP      2404  →  establish
2   0.005   S->M [SYN,ACK]       TCP      establish
3   0.006   M->S [ACK]           TCP      established
4   0.100   M->S                 IEC104   U: STARTDT act         ← 0x07
5   0.120   S->M                 IEC104   U: STARTDT con         ← 0x0B
6   0.200   M->S                 IEC104   I: C_IC_NA_1 act      ← GI
7   0.250   S->M                 IEC104   I: C_IC_NA_1 actcon   ← GI确认
8   0.300   S->M                 IEC104   I: M_SP_NA_1 (20)     ← 遥信
9   0.500   S->M                 IEC104   I: M_ME_NC_1 (30)     ← 遥测
10  0.800   S->M                 IEC104   I: C_IC_NA_1 actterm  ← GI终止

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3.11 小结

知识点	掌握程度	核心要点
TCP + STARTDT 两阶段建连	熟练	先 TCP，再 STARTDT，两步缺一不可
k/w 窗口参数含义	理解	k=发送窗口，w=接收窗口，w ≤ k
t1/t2/t3 超时机制	掌握	t1=I 帧确认，t2=S 帧空转确认，t3=心跳
N(S)/N® 滑动窗口	掌握	N(S) 递增，N® 回送确认
STARTDT/STOPDT/TESTFR	熟练	激活码 + 0x04 = 确认码
总召唤四阶段	掌握	激活→确认→数据→终止
时钟同步时机	理解	连接后对时 + 周期性对时
突发 vs 周期 vs GI 优先级	理解	突发 > GI > 周期
平衡式通信模式	理解	IEC 104 默认平衡式，双方可主动发送
双网冗余	掌握	热备/温备模式选择

下期预告

[Part 4：数据类型与信息对象] 将建立完整的类型标识完备速查：

• 全部 TI（Type Identifier）逐项详解
• 监视方向：遥信/遥测的完整分类
• 控制方向：遥控/遥调/设点的完整分类
• 系统命令类详解
• COT 完整速查表
• QA 限定词速查表
• 品质位（SIQ/DIQ/QDS）深度解析

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参考标准

• IEC 60870-5-104: 第 6~8 节（连接管理、数据传输、应用功能）

• IEC 60870-5-5: 基本应用功能（总召唤、时钟同步、遥控流程）
  推荐工具

• Wireshark + iec104 过滤条件 ------ 分析连接时序

• tcpdump -i eth0 port 2404 -w capture.pcap ------ 现场抓包

• netstat -an | grep 2404 / ss -tnp | grep 2404 ------ 检查端口状态

• lib60870 源码 cs104_connection.c ------ 查看连接管理实现