IEC104规约
目录
1、IEC104规约简介
1.1、信息传输的三个要素
1.2、非平衡、平衡通信方式
1.3、启动站和从动站
1.4、一次完整的交互过程
1.5、服务类型
2、TCP通讯机制
2.1、TCP的可靠性机制
2.2、三次握手（建立连接）
2.3、四次挥手（关闭连接）
3、IEC104规约报文解析
3.1、体系及报文结构
3.1.1、APDU（应用规约数据单元）
3.1.2、APCI（应用规约控制信息）
3.1.3、ASDU（应用服务数据单元）
3.2、三种帧类型
3.2.1、I帧（Information，信息传输）
3.2.2、S帧（Sure，监视帧）
3.2.3、U帧（Under the control，控制帧）
3.3、101、104规约ASDU结构实例解析
3.3.1、ASDU1：不带时标的单点信息
3.3.2、ASDU2：带时标的单点信息
3.3.3、ASDU13：测量值：短浮点数
3.3.4、ASDU20：带变位检出的成组单点信息
3.3.5、ASDU30：带时标CP56Time2a的单点信息
3.3.6、ASDU100：召唤命令
3.3.7、ASDU46：双命令
3.3.8、ASDU48：设定命令，归一化值
3.3.9、ASDU50：设定命令，短浮点数
3.4、104规约报文详解（最详尽的解释）
3.5、电度
3.6、遥信
3.7、遥测
3.8、保护事件
3.9、遥控
4、104规约数据传输过程（主要环节）
4.1、初始连接过程
4.2、启动数据传输（U帧START置位）
4.2.1、IEC104规约的启/停传输控制描述
4.2.2、IEC104初始连接连接过程：
4.3、总召唤
4.3.1、总召过程
4.4、遵循规则传输信息
4.4.1、传输规则
4.5、一段完成的基于TCP/IP的IEC104报文
5、IEC104规约常用参数
IEC主要规约：
| IEC规约 | 适用范围 | 通讯方式 |
|---|---|---|
| IEC-101 | 厂站与调度主站间通讯 | 串行 |
| IEC-102 | 电量主站与站内抄表终端通讯 | |
| IEC-103 | 与站内继电保护设备间通讯 | 串行 |
| IEC-104 | 厂站与调度主站间通讯 | 以太网 |
IEC101与IEC104的比较：
- 相同点：① 适用范围：厂站与主站之间；② 规约结构：应用层定义相同。
- 不同点：① 通讯方式：101串行、104以太网；② 服务类型：101多采用非平衡传输，104多采用平衡传输。
| 104 | 101 | |
|---|---|---|
| 应用层帧结构 | 同101结构 | --- |
| 容量 | 传输原因：2 | 传输原因：1/2 |
| 类型标识 | 扩展7字节时间的帧类型 | --- |
| 遥测 | 全遥测、浮点数 | 越限遥测、归一化 |
| 遥信 | SOE用7字节时间 | SOE用3字节时间 |
| 遥控、电度 | 同101结构 | --- |
104与101应用层不同之处：
- 控制方向：104规约扩展的类型标识。
- 监视方向：104规约带时标的信息全部采用CP56Time2a；
- 校时：当子站需要接收主站的校时，收到校时报文后直接修正本地时间即可，而不像101规约进行延时采集和传递。
1、IEC104规约简介
为了适应网络技术在远动通信中的应用，IEC在2000年12月完成第一个完整基于以太网规约的文件IEC60870-5-104（采用标准传输协议集的IEC90870-5-101网络访问）。
我国在2002年颁布DL/T634.5104-2002：远动设备与系统 第五部分：传输规约 第104篇：采用标准传输协议集的IEC60870-5-101网络访问（idt.IEC60870-5-104:2000）。
IEC60870-5-104实际处于应用层协议的位置；基于TCP/IP的应用层协议很多，每一种应用层协议都对应着一个网络端口号，根据其在传输层上使用的是TCP协议（传输控制协议）还是UDP（用户数据报文协议），端口号又分为TCP端口号和UDP端口号（端口号0~65535）。
IEC60870-5-104规定传输层使用的是TCP协议。常用的TCP端口有：ftp文件传输协议，使用21号端口；telnet远程登录协议，使用23号端口；SMTP简单邮件传送协议，使用25号端口；http超文本传输协议，使用80号端口；IEC60870-5-104规定本标准使用的端口号为2404，并且此端口号已经得到IANA（互联网地址分配机构，Internet Assigned Numbers Authority）的确认。
IEC60870-5-104实际上是将IEC60870-5-101与TCP/IP提供的网络传输功能相结合，使得IEC60870-5-101在TCP/IP内各种网络类型都可使用。
为了保证可靠的传输远动数据，DL/T634.5104-2002规定传输层使用的是TCP协议，因此其对应的端口号是TCP端口。
对于基于TCP的应用程序来说存在两种工作模式：服务器模式（子站）和客户机（主站）模式。服务器模式和客户机模式之间的区别是：当建立TCP连接时，服务器从不发起连接请求，它一直处于侦听状态，当侦听到来自客户机的连接请求时，则接受此请求，由此建立一个TCP连接，服务器和客户机就可以通过这个虚拟的通讯链路进行数据收发。IEC60870-5-104规定控制站（即调度站）作为客户机，而被控站（即站端RTU）作为服务器。
1.1、信息传输的三个要素
网络协议的三要素：语法，语义，时序（同步）。
- 语法：数据与控制信息的结构或格式。
- 语义：协调动作和差错处理的控制信息，即需要发出何种控制信息，完成何种动作，做出何种应答。
- 时序：同步，速度匹配及排序，即事件实现的顺序。
1.2、非平衡、平衡通信方式
- 非平衡通信方式：通信双方总是规定乙方为启动站，另一方为从动站。只允许启动站发起召唤命令，从动站被动回答响应。在实际应用中一般规定主站或接收方为启动站，厂站或提供数据方为从动站。IEC103规约采用非平衡通信方式。
- 平衡通信方式：通信双方都可以发起信息传输，一旦链路建立成功，变化信息除了响应召唤应答还可以主动发送而无需等待查询。但是两个方向上都需要采用有效的数据接收确认机制（如：IEC104的接收序号，IEC101的FCB位翻转）来确认信息的正确接收。
IEC104规约采用平衡通信方式；IEC101规约也可以采用平衡通信方式，但目前采用非平衡方式；基于RS485链路通信的IEC103规约只能采用非平衡通信方式。
1.3、启动站和从动站
- 发起通讯的一方为启动站；
- 响应服务的一方为从动站。
1.4、一次完整的交互过程
启动方发起通讯，从动方回应此次通讯过程，双方都知道最终的通讯结果如何。
1.5、服务类型
- 发送/无应答（S1）：从动站无需回答启动站的报文，启动站也不知道从动站是否接收到报文，如校时。
- 发送/确认（S2）：从动站接收后需要向启动站发确认报文，通常用于发送参数、发送控制命令等；
- 请求/响应（S3）：从动站接收到启动站的请求报文后，用数据响应启动站的请求。如召唤数据、请求数据、请求链路状态等。
2、TCP通讯机制
2.1、TCP的可靠性机制
防丢失：确认与重传。
防重复：报文段序号。
2.2、三次握手（建立连接）
三次握手方式（未采用二次确认的方式）主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传到了服务器端，服务器不能判断是否是有效的请求连接，即发出确认，误认为新的连接已经建立，而客户端收到非期望的确认则不处理，服务器端就会一直等待客户端发送数据请求，白白浪费许多资源，产生错误。
三次握手可以防止“已失效的连接请求报文段”产生的错误，服务器端收不到第三次确认，就不会认为连接已经建立。
客户机A主动打开端口，服务器B被动打开端口。
- A的TCP向B发出连接请求报文段，其首部中的同步位SYN=1，并选择序号seq=x，表明传送数据时的第一个数据字节的序号是x；
- B的TCP收到连接请求报文段后，如同意，则发回确认；B在确认报文段中应使SYN=1，使ACK=1，其确认号ack=x+1，自己选择的序号seq=y；
- A收到此报文段后向B给出确认，其ACK=1，确认号ack=y+1；A的TCP通知上层应用进程，连接已经建立；B的TCP收到主机A的确认后，也通知其上层应用进程，TCP连接已经建立。
| 调度主站（客户端） | 控制信息 | 厂站远动（服务端） | 过程说明 |
|---|---|---|---|
| 请求连接（->） | SYN=1，seq=x |
被动打开 | 调度主站向厂站远动机的TCP发出连接请求，其首部的同步比特SYN=1，同时选择一个序号x，表明在后面传送数据时的第一个数据字节的序号是x。 |
| SYN=1，ACK=1， seq=y，ack=x+1 |
确认（<-） | 厂站远动机的TCP收到连接请求后，如同意，则发回确认。在确认报文段中应将SYN=1，ACK=1，确认序号=x+1，同时自己也选择一个序号y。 | |
| 确认（->） | ACK=1，ack=y+1 |
调度主站的TCP收到厂站远动机的确认后，还要向厂站端给出确认，确认序号的=y+1；致辞，运行客户进程的调度主站通知上层应用进程，连接已经建立；运行服务进程的厂站远动机收到A机确认后，也通知上层应用进程，连接已经建立。 |
2.3、四次挥手（关闭连接）
数据传输结束后，通信的双方都可释放连接。
- 现在A的应用进程先向其TCP发出连接释放报文段，并停止发送数据，主动关闭TCP连接。A把连接释放报文段首部的FIN=1，其序号seq=u，等待B的确认；（A->B: FIN=1,seq=u,ack=v）
- B发出确认，确认号ack=u+1，而这个报文段自己的序号seq=v。TCP服务器进程通知高层应用进程。从A到B这个方向的连接就释放了，TCP连接处于半关闭状态，B若发送数据，A仍要接收。（A<-B: ACK=1,seq=v,ack=u+1）
- 若B已经没有要向A发送的数据，其应用进程就通知TCP释放连接；（A<-B: FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1）
- A收到连接释放报文段后，必须发出确认。TCP连接必须经过2MSL后才真正释放掉（A->B: ACK=1,seq=u+1,ack=w+1）
3、IEC104规约报文解析
3.1、体系及报文结构
IEC104是IEC101的网络访问，规定了IEC101的应用层与TCP/IP提供的传输功能的结合。
报文的基本结构 APDU=APCI+ASDU。
- IEC104规约APCI与IEC101的LPCI控制机制差异大；
- IEC104规约基本采用IEC101的ASDU，差异小；
- 传送原因2个字节；
- ASDU公共地址2个字节；
- 信息对象序号（地址）3个字节。
| 信息对象 | 对应序号（16进制） | 对应序号（10进制） |
|---|---|---|
| 遥信信息 | 1-8000 | |
| 遥测信息 | 8001-12000 | |
| 电能量 | 12001-14000 | |
| 遥控信息 | 14001-15000 |
注② 104规约ASDU解释和与101规约ASDU的比较：
- 类型标识（TYP）：表示报文的类型，即报文所传送的内容，不同类型代表的信息元素集不同，类型标识确定则信息元素集中的信息也就确定了。
- 可变结构限定词（VSQ）：表示信息元素的数目（如果传输的是遥测量，那么报文中有几个遥测量？），最高位代表信息元素寻址方式。根据功能类型和信息序号可以唯一确定上送的信息点。
- 传送原因（COT）：指出报文的性质（为什么要传输这条报文），根据传送原因可以知道该信息点产生的原因。101规约为1字节；104规约为2字节，低字节同101规约，高字节为源发地址；
- ASDU公共地址（ADR）：公共地址是用来区分此链路上不同的子站。常常和链路层地址一致，也就是装置地址。101规约为1字节；104规约为2字节；
- 信息对象地址（infoAdr）：信息对象地址用于区分不同的应用，如遥信遥测等都每个信息都占用不同的信息对象地址。101规约及104规约均可设置信息对象地址长度为2字节或3字节。工程应用时，101规约通常设置信息对象地址长度为2字节；104规约通常设置信息对象地址长度为3字节，低2字节同101规约，高字节用于结构化对象信息体地址，不用时取0。
- 信息元素集：以一定的格式表示的信息的状态或数值（如遥信量、遥测量的值）。
- 信息对象时标：信息发送的时间。（时、分、毫秒数）
3.1.1、APDU（应用规约数据单元）
- 一个IEC104完整帧；
- 一个IEC104规约数据。
3.1.2、APCI（应用规约控制信息）
- IEC104控制信息；
- 启动、数据传输、停止、监测、同步等。
3.1.3、ASDU（应用服务数据单元）
- 一个IEC104帧携带的数据；
- 四遥、定值、顺控、文件等。
3.2、三种帧类型
IEC104报文帧格式：
3.2.1、I帧（Information，信息传输）
传输应用数据，捎带确认对方的发送。传送自动化信息，含发送序号，接收序号，ASDU长度可变。
控制域的第一个八位位组的第1位比特=0定义了I格式。I格式应用规约数据单元常常包含应用服务数据单元ASDU。
注：
- 发送方发送信息时增加发送序号；
- 接收方确认对方的发送序号时增加接收序号；
- 带信息发送并确认对方帧。
接收序号为“期望序号”=实际接收序号+1。
3.2.2、S帧（Sure，监视帧）
S格式帧为短帧，为计数的监视功能类型，用于传输对站端确认的报文，长度仅6个字节。无应用数据可传输时，带接受序号确认已经收到的信息。
控制域的第一个八位位组的第1位比特=1，第二位比特=0定义了S格式。S格式的APDU不包括ASDU，当报文接收方收到发送方的I格式报文后，如果没有I格式的报文发送给对方，可以向对方发送S格式的报文以对接收到的报文进行确认。
接收序号为“期望序号”。
3.2.3、U帧（Under the control，控制帧）
U格式为不计数的控制功能类型，用于传输链路控制命令的报文，U格式帧为6字节短帧，用于启动控制信息（V表示生效、C表示确认）。
控制用报文：
- 启动U帧（STARTDT），用于启动应用层传输。
- 停止U帧（STOPDT），用于停止应用层传输。
- 测试U帧（TEST），双方均无发送时，维持链路活动状态。
控制域的第一个八位位组的第1位比特位=1，第2位比特位=1定义了U格式。此格式的APDU也不含ASDU，其作用主要在于实现三种控制功能，即启动子站进行数据传输（STARTDT），停止子站的数据传输（STOPDT）和TCP链路测试（TESTER）。在同一时刻仅TESTFR，STOPDT，STARTDT功能之一被激活。
U、S帧长度固定为6个字节，只有APCI而无ASDU：68 04 xx xx xx xx。
可知U格式的APDU的帧内容是固定的6种。
3.3、101、104规约ASDU结构实例解析
3.3.1、ASDU1：不带时标的单点信息
1、SQ=0
2、SQ=1,104规约总召遥信
3.3.2、ASDU2：带时标的单点信息
3.3.3、ASDU13：测量值：短浮点数
1、SQ=0，越限遥测
2、SQ=1，总召遥测
3.3.4、ASDU20：带变位检出的成组单点信息
1、SQ=0
2、SQ=1，101规约总召遥信（华东版101规约总召为分组上送）
3.3.5、ASDU30：带时标CP56Time2a的单点信息
3.3.6、ASDU100：召唤命令
3.3.7、ASDU46：双命令
COT：6=激活，7=激活确认，8=停止激活，9=停止激活确认，10=激活终止。
DCO：最高位0执行1选择，低2位0进制1分2合3禁止。
3.3.8、ASDU48：设定命令，归一化值
COT：6=激活，7=激活确认，8=停止激活，9=停止激活确认，10=激活终止。
QOS：最高位0执行1选择。
3.3.9、ASDU50：设定命令，短浮点数
COT：6=激活，7=激活确认，8=停止激活，9=停止激活确认，10=激活终止。
QOS：最高位0执行1选择。
3.4、104规约报文详解（最详尽的解释）
IEC-60875-5-104：应用模型是：物理层，链路层，网络层，传输层，应用层。
物理层保证数据的正确送达，保证如何避免冲突。（物理层利用如RS232上利用全双工）。
链路层负责具体对哪个slave的通讯，对于成功与否，是否重传由链路层控制（RS485 2线利用禁止链路层确认）。
应用层负责具体的一些应用，如何全数据还是单点数据还是类数据等（网络利用CSMA/CD等保证避免冲突的发生）。
基本定义：端口号2404，站端为server，控端为client，平衡式传输，2Byte站地址，2Byte传送原因，3Byte信息地址。
每个字节都是unsigned char类型，如果是2个字节表示一个short型，则都是低位在前，高位在后。
3.5、电度
3.6、遥信
3.7、遥测
3.8、保护事件
3.9、遥控
4、104规约数据传输过程（主要环节）
流程详解：
- 由客户端向服务器建立连接，同时，发送链路启动帧。
- 服务端在收到链路启动帧后，向客户端发送启动确认帧。
- 客户端收到启动确认帧后，发送总召唤命令数据请求帧。
- 服务端收到总召唤命令数据请求后，发送总召唤命令数据响应帧，然后继续发送总召唤命令数据。总召唤命令数据发送完成后，发送总召唤命令数据结束帧。
- 客户端在收到总召唤命令数据结束帧后，发送对时请求帧。
- 服务器收到对时请求帧后，发送对时响应帧。
- 由服务器主动向客户端发送变化数据帧。同时，收到客户端发送的控制类命令，回复相应的操作结果。
- 客户端等到下一个数据总召唤命令数据周期，重复第4步之后的流程。
4.1、初始连接过程
TCP连接和建立都是采用客户/服务器方式，主动发起连接的进程叫做“客户（Client）”，而被动等待连接建立的进程叫做“服务器（Server）”。
- 厂站端的远动机是IEC104连接的服务器，运行一个服务器进程，它先发出一个“被动打开（passive open）”命令，告诉它的TCP要准备接受客户进程的连接请求，服务端口号是2404，然后服务器进程就处于“听（listen）”的状态，不断监测是否有客户进程要发起连接请求。如有则作出响应。
- 调度端的通信前置这杯是IEC104连接的客户端，运行一个客户进程，它先向其TCP发出主动打开（active open）命令，表明要向2404端口建立运输连接。
4.2、启动数据传输（U帧START置位）
4.2.1、IEC104规约的启/停传输控制描述
控制站（例如A站）利用STARTDT（启动数据传输）和STOPDT（停止数据传输）来控制被控站（B站）的数据传输。
当连接建立后，连接上的用户数据传输不会从被控制站自动激活，即当一个连接建立时，STOPDT是缺省状态。在这种状态下，被控站并不通过这个连接发送任何数据，除了未编号的控制功能和对这些功能的确认。控制站必须通过这个连接发送STARTDT激活指令来激活这个连接中的用户数据传输，被控站用STARTDT确认响应这个命令。如果STARTDT没有被确认，这个连接将被控制站关闭。
这意味着站初始化后，STARTDT必须总是在来自被控站的任何用户数据传输（例如：总召唤信息）开始前发送。任何被控站只有在发送STARTDT确认后才能发送待发用户数据。
4.2.2、IEC104初始连接连接过程：
-STARTDT报文如下：
请求：68 04 07 00 00 00
响应：68 04 0B 00 00 00
-STOPDT报文如下：
请求：68 04 13 00 00 00
响应：68 04 23 00 00 00
-测试过程
请求：68 04 43 00 00 00
响应：68 04 83 00 00 00
请求：68 04 43 00 00 00
响应：68 04 83 00 00 00
请求：68 04 43 00 00 00
响应：68 04 83 00 00 00
4.3、总召唤
4.3.1、总召过程
| 100 | 类别标识 | ASDU标识 1Byte |
| 1 | 可变结构限定词（规定报文中有多少信息） | 1Byte |
| 6 | 传输原因（为什么要发送这个报文） | 2Byte |
| COMADDR | 单元公共地址（链路地址） | 2Byte |
| 0 | 信息地址 | 3Byte |
| 20 | QOI（状态） | 1Byte |
启动：68
长度：0E
----------------------------------
I格式控制域：96 01 02 0B
----------------------------------
ASDU：64
可变结构：01
传输原因：06 00
comaddr：00 11
信息体地址：00 00 00
QOI：14
总召确认（装置上行）：回答确认命令。
| 100（64H） | 类别标识 | ASDU标识 1Byte |
| 1 | 可变结构限定词 | 1Byte |
| 7 | 传输原因 | 2Byte |
| COMADDR | 单元公共地址 | 2Byte |
| 0 | 信息地址 | 3Byte |
| 20 | QOI | 1Byte |
总召启动、总召确认、总召结束报文格式完全相同，只是传输原因不同（0、FF扇区无数据总召后即结束召唤）。在装置确认总召命令后，若某扇区有数据则先上送数据，再上送总召结束报文。
例如：
68 0E DE 00 22 06 | 64 01 06 00 07 11 | 00 00 00 | 14 （总召）
68 0E 10 00 0A 00 | 34 01 07 00 07 11 | 00 00 00 | 14 （确认）
4.4、遵循规则传输信息
4.4.1、传输规则
1、差错控制：防止报文丢失和报文重复传送。
通信双方通过对序列号的验证来实现“防止报文丢失和报文重复传送”功能，发送和接收两个序列号在每个报文和每个方向上都应按顺序加1，发送方增加发送序列号而接收方增加接收序列号。接收方可以将连续接收的最后一个正确报文序列号返回，作为对所有小于或等于该号的报文的有效确认。报文序号的确认是至关重要的，根据附加在报文上的接受序号，确认传输到对方正确报文的条数，确认有、无报文丢失。如果序号不正确，则认为报文丢失，要重新传输丢失的报文。
2、流量控制：使得发送端的发送速度不要太快，要使接收端来得及接收。由收方控制发方的数据流量，仍然是计算机网络中流量控制的一个基本方法。
IEC104规约相关的第二个参数：
- K：未被确认的I帧格式ASDU的最大数目，推荐值=12；
- W：最迟确认的APDU的最大数目，推荐值=8。
发送12个APDU未收到确认报文，应终止传输；收到8个APDU则要回应发送方确认报文。因此要分别对发送、接收报文进行计数，当12条报文发送后没有收到确认的S格式报文或者I格式报文（包含对方接收报文数目信息），则断开链接，进行重连。在无信息回应对方情况下，收到8条报文后也应立即发送S格式的报文回应对方，以防对方断开链接。
3、链路管理：即链路的建立，维持，释放。
| 参数 | 默认值 | 备注 |
|---|---|---|
| t0 | 30秒 | 建立连接的超时 |
| t1 | 15秒 | 发送或测试APDU的超时 |
| t2 | 10秒 | 无数据报文时确认的超时，t2 < t1 |
| t3 | 20秒 | 长期空闲状态下发送测试帧的超时 |
4.5、一段完成的基于TCP/IP的IEC104报文
5、IEC104规约常用参数
- T0：建立连接超时。t0规定了主站端和子站RTU端建立一次TCP连接的最大允许时间。（建议30秒，主站如果通过TCP连接子站超过30秒还没有建立连接，则应该重新建立连接，如果多次连接都不成功，则进行相应的告警等处理）
- T1：t1规定发送方发送一个I格式报文或U格式报文后，必须在t1的时间内得到接收方的认可，否则发送方认为TCP连接出现问题并应重新建立连接；（建议15秒）
- T2（T2 < T1）：t2规定接收方在接收到I格式报文后，若经过t2时间未再收到新的I格式报文，则必须向发送方发送S格式帧对已经接收到的I格式报文进行认可；（建议10秒）
- T3（T3 > T1）：t3规定调度端或子站RTU端每接收一帧I帧、S帧或者U帧将重新触发计时器t3，若在t3内未接收到任何报文，将向对方发送测试链路帧；（建议20秒）
- K：未被确认的I格式APDU（k）最大数目；（默认值12，k值的最大范围：1 到 32767(215-1)APDUs, 精确到 1APDU. ）
- W：接收方收到w个I格式APDU后确认。（默认值8，w 值的最大范围：1 到 32767 APDUs, 精确到 1APDU。(建议：w 不应超过 k 的三分之二。)
）