算法一千零一夜 · 第二十七夜 · 需求与响应协议，电网里的应答哲学

第二十七夜 需求与响应协议，电网里的应答哲学

上一夜我们把这门协议的语言史讲完了。XML 从出生到搬家，二十年换了一口口音，可乡音底下说的还是那些话。这一夜要拆的，就是那些话本身。名字先掰开。OpenADR，Open 是开放的，剩下三个字母各挑一件事。A，Automated，自动化的。D，Demand，需求。R，Response，响应。合起来，开放自动化需求响应。

先说 D，需求是谁。

第23夜我陪你看过多功能插座的清单，也看过工厂配电室的电表。需求不是别的，就是这些。你家里墙上正开着的空调，几百瓦到1000瓦；工厂里嗡嗡转的马达，一台几十千瓦起步。一户人家是零头，可千万户加在一起，就是第23夜那座城的晚峰，18867 万千瓦。需求的第一个特点是分散，分散到千家万户；第二个特点是大，大到逼近2亿千瓦；第三个特点是它自己会做主，谁家开空调，电网说了不算。

再说 R，响应是什么。

电不够用的时候，老办法是打电话。调度员一个个打给大工厂，问下午6点到7点能不能让一让。电话打通了，这一让就是响应；打不通，人不在，记错了钟点，响应就断了。新办法是把电话换成机器。高峰时让1万个空调各把设定温度调高2度，让电池放电，让工厂把马达挪一个班次。

这笔生意有多大，可以粗粗算一下。一台空调调高2度，少出一两百瓦，1万台凑在一起是1000到2000千瓦，差不多一家中型工厂一个车间的量。一家大厂错峰半小时，几万千瓦就出来了。把这些零头全部聚合起来，就是一门国家规模的生意。中国给虚拟电厂定的目标是 2030 年做到 5000 万千瓦，这个量级相当于几十座百万千瓦的大型机组。不用建新电厂，先凑出一座看不见的电厂。需求响应卖的，就是这些让出来的几千万千瓦的电量。

最后是 A，自动化。这三个字是人肉和机器的分界线。打电话给厂长，那是需求的响应；把几点、让多少、谁参与写成报文送进设备的收件箱，设备自己读、自己执行、自己回话，这才是 OpenADR。名字拆到这里，这个协议是干嘛用的就说完了。它管的是电网和1万台设备之间怎么开口喊话、怎么应答。

可是当年我打开那份几百页的规范时，看见的不是这四个字母，是几十个报文名。oadrDistributeEvent，oadrCreateReport，oadrCancelOpt，oadrRequestReregistration，一个比一个长，名字摞着名字，翻不到头。后来我给自己立了个法，别背名字，先分家。几十个报文，按亲戚关系分成四家，外加一个站在四家之外的常客。这一夜，就把这一家人一个个认过去。

第一家，注册系，规范里叫 EiRegisterParty。家常名，认识。

任何关系都得从互相认识开始，所以第一步 VEN 要向 VTN 注册自己的信息，报上名号。我叫什么，这是设备编号 venID；我说什么方言，这是协议档位 2.0b；我走哪条路，这是传输方式；几秒拍一次门，这是通信频率。VTN 把这些记下，回一份注册应答，从此这一对算认识了。像入职第一天办工牌，办完之后没有人每天早上重新办一遍。注册是一次性的，往后除非证书换了、地址搬了，没有人天天走这道门。

有一个细节值得先记下。通信频率不是 VEN 自己拍脑袋定的，规范第 9.1.8 节写明，VTN 在注册应答里下发一个字段，指定允许的最小通信频率。记住它，这一夜收尾的时候它会回来。

第二家，事件系，规范里叫 EiEvent。家常名，派工。

这是四家里唯一一家由 VTN 主动开口的。派工单叫 oadrDistributeEvent，上面写着几点开始、动多少、持续多久、谁参与、用什么信号。第25夜学校慈善拍卖会，广播员吼的那一嗓子，走的就是这一家。VEN 收到派工单，必须表态。这一单我能干，报 optIn；这一天设备检修，报 optOut。表态乘着 oadrCreatedEvent 送回去，第25夜那声「好的」，户口就在这里。

为什么派工是唯一一个 VTN 主动的方向？因为时间的主动权在电网手里。什么时候缺电，设备猜不到，也只有电网知道。其余三家里，先开口的都是 VEN。

第三家，参与系，规范里叫 EiOpt。家常名，报备。

事件系管的是这一单你干不干，参与系管的是更早的一层。未来一段日子里，我什么时候在岗，什么时候缺席。「明天九点到十二点检修，别给我派工」，这句报备走的就是 EiOpt。报备了也能反悔，中途撤回走 cancelOpt。第25夜那个摆摊摆到一半、货卖完了主动收摊退出的人，用的就是这张单子。参与系是四家里最有人味的一家，它传的不是数据，是意愿。

第四家，报告系，规范里叫 EiReport。家常名，交卷。

电网光会喊话不够，还得知道喊完之后设备干没干。这一套走四步。VEN 先把家底报上去，我有哪些电表、哪些电池、各是什么型号，这份名册叫 METADATA。VTN 照着名册下订购单 oadrCreateReport，我要你 30 分钟一格的电表读数。VEN 按合同周期交卷 oadrUpdateReport。合同到期或者要改，收摊 oadrCancelReport。第25夜那句「八个杯子一小时已送」，户口在这里。

这一家是四家里最重的一家，名册、点单、交卷、收摊，一套完整的证据链。这台机器里面还藏着一台机器，一台当年亲手写出来的机器，那是后面几夜的正餐，这里先按下不表。

四家认完，回头看一眼菜单。

认识、派工、报备、交卷。一段受约束的长期关系，能发生的事就这四类。这四样不是 OpenADR 的发明，它的母菜单是 OASIS Energy Interoperation 标准，上面一共摆了八样菜。规范第 11.5 节白纸黑字列着没端上桌的四样，EiQuote 报价，EiEnroll 招生，EiAvail 可用性申报，EiMarketContext 市场上下文，后面跟着一条注解，not currently used，眼下不用。电不是当场讨价还价的现货，报价撮合有专门的市场去干；会员准入走电网公司的招募流程，不用协议管招生；可用性这件事，参与系加报告系合起来干得更细；市场的背景信息，事件单里自带。联盟从八样里点了四样，每一刀都有理由。结构是砍出来的。留下来的每一系，都是拿掉之后这场关系就缺一块的那一块。

四系说完了，该看它们跑在哪条路上。

2.0b 的报文走 HTTP。HTTP 有个天生的性格，只能你问我答，没有服务器主动敲门的动作。VTN 想派工，可 VEN 不开口，VTN 连门都敲不了。协议给了两条路。一条叫 PUSH，VEN 自己当收发室，开着门，VTN 想送什么直接送上门。一条叫 PULL，VEN 当客户，每过几秒去问一句，有货吗。规范第 9.1.1 节把两条路分开写了定义，先讲 PULL，因为世界上大多数设备走的是这条。

第25夜给 oadrPoll 起过家常名，看信箱。规范的说法更有意思，oadrPoll 让 PULL 模式的设备能够模拟 PUSH 模式的报文交换。翻译过来，拉，是对推的模拟。

问「有货吗」这一下，是这个模式全部的心思。要是对方回一句「有」，你再跑一趟去取，一来一回多跑冤枉路。协议的答法是邮递员的答法。他不回话，直接把信从怀里掏出来递到你手上，再给你盖一个戳，戳上两句话，有货，而且我已经送到了。问与取，一次往返，全部办完。

这套答法在行业里有个名字，piggyback，捎带。计算机界的老手艺，TCP 的确认号就常常搭在反向的数据包上捎回去，省一趟纯确认包。piggyback 不是这门协议的发明，是它把老手艺用到了报文上。

捎回来的到底是什么？规范第 8.6 节列了清单，八种报文，恰好按四系分家。事件系的派工单 oadrDistributeEvent。报告系的订购单、改单、撤单、注册单，oadrCreateReport、oadrUpdateReport、oadrCancelReport、oadrRegisterReport。注册系的注销通知与重注册请求，oadrCancelPartyRegistration、oadrRequestReregistration。外加一枚通用回执 oadrResponse。清单之外还有两条规则。第一，一拍只捎一件，信多，邮递员就多跑几趟，每趟手里只拿一封。第二，邮递员把信递到你手上，这一单生意还没完。收到派工单，你的表态得自己再跑一程送回去。规范管这个叫两阶段执行，第一程取信，第二程回话。

当年我拿着这些报文看不明白的时候，我们总经理跟我说过一句话。他说这是一个长会话，是基于 HTTP，用 pull 维持了一个长会话。后来他又补过一句。他说，我这个，作为聚合层中间商，一旦连上，除非出事，否则正常情况下应该一直保持轮询状态拉报文。

这两句话我记到今天，因为它把一个错觉说透了。那个错觉是，两台设备之间好像始终牵着一条线。其实那根线分两层。

下面一层是数据库。VEN 注册那天，VTN 就给它立了户。工牌，报名记录，报告排程，全写在 VTN 自己的记录里，不依赖任何一条连接。连接断了，户还在，货到站了照样压在柜子上。

上面一层是连接。每一拍 poll 都是一条全新的 HTTP 短连接，问完即拆。一秒钟一条，一秒钟一条生死。

中间联系双方的是请求-响应心跳。每敲一次信箱，上下两层就重新对上一次话。不敲，户还在，可你什么都收不到，会话还在数据库里，却断了气。

空说两层不够，跑一段给你看。下面这个演示件叫 PollClock，虚拟时钟一拍算一秒，9拍演完一场长会话的一生。

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Deque;

/**
* 第二十七夜演示件：PollClock（看信箱的钟）
*
* 演示 PULL 模式的长会话：连接条条短命，数据库长存，poll 是把两层缝在一起的那根针。
*
* 两层结构（与正文同源）：
* 信道层：VEN 到 VTN 每拍一条 HTTP 短连接，问一句有没有货，用完即拆；
* 状态层：VTN 侧的数据库从注册那天起常驻（工牌、待办、排程），不信连接信户口；
* poll 每敲一次，两层重新对上一次话。
*
* 演示时钟：1 拍 = 1 秒（虚拟拍，不真睡）。真实世界通信频率 5 到 10 秒，注册那天商量好。
*/
public class PollClock {

/** 一件待办：VTN 数据库里压着的货 */
record Mail(String kind, String desc) {
@Override public String toString() { return kind + "（" + desc + "）"; }
}

// ———- VTN 侧：状态层，长存 ———-
static String venId; // 注册那天发的工牌
static int pollFreqSeconds = 1; // 注册那天商量的通信频率（演示取 1 秒）
static final Deque<Mail> pending = new ArrayDeque<>(); // 数据库：待办队列，断线不丢

// ———- VEN 侧：信道层，短命 ———-
static int clock = 0; // 拍号
static int trips = 0; // 短连接生灭计数：每拍一条，各自生死
static int delivered = 0; // 累计收到几件

/** 一次 poll：一条短连接的完整一生（发起、应答、拆线） */
static String pollOnce() {
clock++;
trips++; // 又一条短连接出生
if (networkBroken(clock)) {
return "连接拒绝（出事了）｜ 本拍空手 ｜ 数据库未动，货还压着";
}
if (pending.isEmpty()) {
return "连接 OK ｜ 邮递员捎回：无";
}
Mail m = pending.poll(); // 规范明文：一次 poll 只捎一件
delivered++;
// 两阶段执行：收到派工单，VEN 还要自己再跑一程，去 VTN 面前表态
String ack = m.kind().equals("派工单") ? " ｜ VEN 第二程表态：好的" : "";
return "连接 OK ｜ 邮递员捎回：" + m + ack;
}

/** 演示剧本：第 5 到 7 拍网络断了（当年日志里那段硬敲的缩影） */
static boolean networkBroken(int at) { return at >= 5 && at <= 7; }

public static void main(String[] args) {
// —- 第 0 拍之前：注册系。长会话从这天开始，但注册本身不占日常连接 —-
venId = "VEN_27";
System.out.println("[注册] 发工牌 " + venId + "，定通信频率 " + pollFreqSeconds + " 秒/拍，模式 PULL，数据库立户。");

// —- 开工前，数据库里压着一件派工单 —-
pending.add(new Mail("派工单", "18:00 起 1 小时，让空调各让两度"));
System.out.println("[数据库] 开工前压着 " + pending.size() + " 件待办。开始拍。");

for (int i = 0; i < 9; i++) {
// 第 5 拍：VTN 的数据库进了一件新订购单。进货不需要连接：
// 数据库是 VTN 自己家的柜子，你的网络断不断，它照样收货记一笔。
if (clock + 1 == 5) {
pending.add(new Mail("订购单", "订你 30 分钟一格的电表报数，明天起交"));
}
System.out.printf("第 %d 拍（第 %d 条连接） %s%n", clock + 1, trips + 1, pollOnce());
}

System.out.println();
System.out.println("[清点] 拍了 " + clock + " 拍，短连接生灭 " + trips + " 条，无一长存；"
+ "断线 3 拍，期间到站 1 件，一件未丢，恢复后第一拍补投。");
System.out.println("[结论] 连接是短命的，数据库是长存的，poll 是把两层缝在一起的针。");
}
}

跑起来是下面这样。

[注册] 发工牌 VEN_27，定通信频率 1 秒/拍，模式 PULL，数据库立户。
[数据库] 开工前压着 1 件待办。开始拍。
第 1 拍（第 1 条连接） 连接 OK ｜ 邮递员捎回：派工单（18:00 起 1 小时，让空调各让两度） ｜ VEN 第二程表态：好的
第 2 拍（第 2 条连接） 连接 OK ｜ 邮递员捎回：无
第 3 拍（第 3 条连接） 连接 OK ｜ 邮递员捎回：无
第 4 拍（第 4 条连接） 连接 OK ｜ 邮递员捎回：无
第 5 拍（第 5 条连接） 连接拒绝（出事了）｜ 本拍空手 ｜ 数据库未动，货还压着
第 6 拍（第 6 条连接） 连接拒绝（出事了）｜ 本拍空手 ｜ 数据库未动，货还压着
第 7 拍（第 7 条连接） 连接拒绝（出事了）｜ 本拍空手 ｜ 数据库未动，货还压着
第 8 拍（第 8 条连接） 连接 OK ｜ 邮递员捎回：订购单（订你 30 分钟一格的电表报数，明天起交）
第 9 拍（第 9 条连接） 连接 OK ｜ 邮递员捎回：无

[清点] 拍了 9 拍，短连接生灭 9 条，无一长存；断线 3 拍，期间到站 1 件，一件未丢，恢复后第一拍补投。
[结论] 连接是短命的，数据库是长存的，poll 是把两层缝在一起的针。

9条连接，条条短命，没有一条撑到第2拍。数据库从注册那刻常驻到底，断线那3拍里到站的订购单一件没丢，恢复后第一拍补投。这不是编排出来的童话，我在机器日志里亲眼见过同样的场面。2022 年 3 月底，认证窗口期，日志化石写着，09:06:57 起第3拍连接拒绝，之后每隔十几秒一次硬敲，73 秒里敲了7次，一次没歇；09:07:58 连接恢复，第一口气把断线期间积压的派工单补投齐了。没有丢一件货。救场的不是那段代码，是这套设计本身，货压在对方的柜子上，你只需要恢复之后继续拍门。

看到这里你多半会问一个我当年也问过的问题。这么严的规则，认证总该考一考吧，断线了怎么办，敲多快，货会不会丢？

我替你查过了，答案是不考。

物证先摆。认证过了，2022 年 2 月 27 日的提交记录里写着测试通过，项目根目录里躺着两份零字节的成考单，文件名就是收据，PULL 模式那份盖了章。而 517 条合格规则里，专门讲失败重试的那几条，没有一道专案考它。

为什么。这要从认证是什么说起。认证那张章担保的只有一件事，互操作。这台设备说的话是 OpenADR，能跟别家对话。两台都不做退避的设备，照样百分之百互操作，照样都该发章。语法考了，教养没考。

再往深一层，它其实考不了。53 道考题每题都要满足一条铁律，同样的输入，期望的输出唯一，跑一万遍结果一样。退避天生反着来，规范自己要求加随机抖动，同一场景两次跑，退避序列必然不同。要考它，考官得先动手掐线制造故障，掐完还得算恢复时机，考题的时长和可复现性全部崩掉。考卷上的题目里有一个现成的对照：过期证书有专案，证书到期本身是考题。同为故障，为什么它能考，因为它是确定的故障，时刻一到必然过期。断线退避是跟着时钟走的故障，什么时候断，什么时候好，没有唯一答案。考纲筛选的真判据不是重不重要，是可不可确定。

可是不考不等于不要紧。这个被免检的细节，攒到一定规模是要全线崩溃的。想象一台设备断网又恢复，立刻冲回去拍门，没问题，一台设备的机器对方一个人还能应付过来。如果一万台设备在同一秒断网，又在同一秒恢复，全部毫不犹豫的，瞬间齐步冲回来，每一台都在同一瞬间挤同扇门，这就是惊群，行业里叫 thundering herd。写过后端的人天天见它的表亲，秒杀开抢那一瞬间涌进来的请求，缓存集体到期那一瞬间全量回源的数据库。规范第 9.1.8 节把这场面写进了法条，VEN 必须加随机抖动，避免大量 VEN 在同一瞬间发起拉取，压垮 VTN。白纸黑字。VEN坐在聚合层中间商的位子上，底下挂的资源越多，这台报警器越响。

那正确做法是什么。规范写得很细，细到给它点了名。

【知识框】截断二进制指数退避。规范第 9.1.7 节，全册 517 条里唯一被点名出姓字的算法，truncated binary exponential back off。退避，backoff，是撞了门退回去歇一歇；静默期，quiesce，是歇的那段时间。做法，从大约 1 秒开始歇，上下各加10%随机抖动，第一次歇 0.9 到 1.1 秒；再失败，歇的时长翻倍，仍然加10%抖动，一直翻到某个上限为止。抖动让1万台设备的步子错开，翻倍让每次撞的时间间隔逐次拉长。

把三层摆在一起看。业务那层说，一直拉，别停。规范那层说，拉失败要退，越退越久。代码那层，当年那套实现是捕获异常继续下一拍，日志里 73 秒7次硬敲，间隔纹丝不动，规范要的退避一行都没有。总经理说除非出事，代码读成了出事也不停。

现在把另一条PUSH模式摆上来，跟 PULL 并排看。

PUSH 模式里方向倒过来。VEN 注册时把自己的收件地址报给 VTN，之后自己当收发室，开着门等着。事件一来，VTN 直接把报文提交到 VEN 门口，塞进门里。没有拍门，没有邮递员，没有空等，信直接上门。规范原文对两条路各有判词。讲 PUSH 那节先说这是 HTTP 上跑 OpenADR 最有效率的方式，紧跟着补一句，技术难点在于 VEN 可能躲在防火墙后面。讲 PULL 那节直接把代价列出来，延迟由每一拍的时间间隔决定，带宽被空拍的问询吃掉。

会话在两边的维持方式刚好互为镜像。PULL 是你续租，每拍敲一次门，会话续一拍。PUSH 是服务器查房，VTN 每推一次，推得动，说明门里有人；推不动，才去查你是不是搬走了。

那到底走哪条。两个判据。

第一，数据的快慢。PULL 的延迟下限是一拍的间隔，分钟级的遥测等半拍无所谓；秒级的高速数据等不起，按5秒一拍去取，取回的永远是陈货。第二，设备的地位。PUSH 要求设备配上一个可以被公开访问的地址，可真实世界的设备，恒温器，控制器，热泵，全躲在家庭路由器的地址转换（NAT）后面，只能自己往外打电话，外面进不来。推是特权，拉是本分，能被推的设备，得先配上一个随时能访问的地址。

当年那份接口设计本来就两册。低速册走 PULL，报文目录里摆着 oadrPoll，15份报告，1 到 30 分钟粒度的常规遥测与计划。高速册走 PUSH，oadrPoll 从目录里消失，只剩性能数据和状态两样，秒级的货。同一份契约，两门派各管一摊。后来重写的那套代码，两种模型都建了，测试各跑各的，互为对照。

这一夜走了很远，从四个字母走到两条路。回头看，每一件大事在注册那天就定了。工牌在注册时发，通信的频率在注册应答里约好，收件地址在注册时报上去，连你要不要当那间收发室，也是注册那天递上去的名片上写好的。四系是一场关系的四种动作，注册系是这场关系的出生证明。认识的那个时刻，决定了后面每一拍。

所谓长会话，真正持续长时间的从来不是连接，是数据库里那个一直没被注销的名字。连接管一拍，数据库管一生。

① 真伪核对

② 术语对照

③ 今夜习题

Ⅰ 退避实现。给 PollClock 补上规范第 9.1.7 节的退避，从 1 秒开始，加正负10%抖动，失败逐次翻倍，封顶 60 秒。把断线3拍那段剧本改成带退避的版本，看看恢复之后成功的那一拍落在第几秒。

Ⅱ 报文分家。把下面几个报文归到四系里去，oadrCreatedEvent，oadrCancelOpt，oadrRegisterReport，oadrRequestReregistration。藏了一道弯，oadrRequestEvent 是 VEN 主动去问有没有单子，方向朝 VTN，它归哪一系。提示，系是报文的家族，方向是这一趟谁先开口，两回事。

Ⅲ 母菜单点菜。规范第 11.5 节有四样没端上桌的菜，EiQuote，EiEnroll，EiAvail，EiMarketContext。查一查它们各自想干什么，再想想电网为什么暂时用不上。开放题，没有标准答案。

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