CN106603659B - 一种智能制造专网数据采集调度系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能制造专网数据采集调度系统，基于转发和控制平面分离的理念，构建面向智能制造的4G专线智能调度系统，同时系统满足集中调度、分权分域管理等功能，实现灵活调用网络资源和快速部署的能力，并对外提供标准北向API接口，通过SDN和NFV技术实现无线接入设备的集中管理、按需调度和安全等增值业务快速开通等功能。该系统分为五个部分：企业内部连接制造设备的内网，基于4G的无线接入网，连接内网和外网的新型无线接入网关和负责网络集中调度管理的云平台以及智能制造中的各种应用。全网架构采用云平台实现，网络的互联通过新型接入网关实现，对网元功能采用SDN的方法以自适应的方式进行控制平面与数据平面的分离。
Description
技术领域
本发明设计了一种智能制造专网数据采集调度系统，应用于工业、制造业服务，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着美国的“工业互联网”、德国“工业4.0”以及我国的“互联网+”战略的提出，虚拟网络与实体生产深度融合，智能制造在新一代信息通信技术基础上，将制造技术与数字技术、智能技术、网络技术的集成应用于设计、生产、管理和服务的全生命周期，在制造过程中进行感知、分析、推理、决策与控制，实现产品需求的动态响应，新产品的迅速开发以及对生产和供应链的网络实时优化制造活动。它以网络互连为支撑，以智能工厂为载体，构成了制造业的最新形态。因此，只有借助新一代通信技术才能实现传感器设备的信息感知、通过宽带网络对数据进行精确控制和远程协作，才能实现网络化、智能化、服务化、协同化的智能制造。
发明内容
针对智能制造企业在采用4G专线进行工业数据传输时出现的上传速度慢、安全性差、部署开通慢等实际问题和需求，本专利设计了一种4G专线智能调度原型系统：基于SDN构建集中的网络调度管理平台。实现无线接入设备的集中管理、按需调度和安全等增值业务快速开通。基于NFV实现新型无线接入网关的研发，按需提供TCP优化、数据压缩、IPsecVPN等服务，实现工业数据的安全、快速传输。
技术问题：
本发明设计出一种智能制造专网数据采集调度系统，即基于SDN和NFV的制造专网数据采集调度系统，包括五个部分：企业内部连接制造设备的内网，基于4G 的无线接入网，连接内网和外网的新型无线接入网关和负责网络集中调度管理的云平台以及智能制造中的各种应用。系统的实现主要是基于SDN和NFV构建集中的网络调度管理平台，是一种虚拟化可编程的网络平台，基于此平台利用信息感知技术可以实现网络智能化，同时能够支持多种网络协议，灵活部署未来新型网络协议。系统中网络的互联主要是通过新型接入网关来实现。面向企业内网，实现异种控制及数据采集设备和各信息化系统的互连；而面向外网，通过4G专线连接业务平台和其他企业内网，实现跨越公网的智能专网。
技术方案如下：
一种基于SDN和NFV的制造专网数据采集调度系统，包括五个部分：企业内部连接制造设备的内网智能制造内网，基于4G的无线接入网，连接内网和外网的新型无线接入网关和基于SDN和NFV的网络调度管理平台以及智能制造中的各种应用。
具体如下：
智能制造内网主要是企业内部用来连接制造设备，通过ZigBee、蓝牙、WiFi、RS485、现场总线等各种无线和有线的方式将生产企业内的各类智能生产设备、检测设备、传送设备、辅助管理设备，以及操作人员、维护管理人员信息化连网。
新型无线接入网关连接智能制造内网和外网，采用网络功能虚拟化(NFV)技术实现新型无线接入网关，网关主要包含各种通信接口模块、协议适配模块、设备发现和管理模块、跨域转发模块、资源映射模块、安全管理模块、数据和控制接口模块。
基于SDN和NFV的网络调度管理平台负责网络的集中调度和管理，基于此平台利用信息感知技术可以实现网络智能化，同时能够支持多种网络协议，灵活部署未来新型网络协议。
应用层主要提供了智能制造的各种应用，包括智能制造数据采集调度、智能制造调度管理、策略管理等等。
一、基于SDN和NFV的网络调度管理平台，具体如下：
采用云平台实现，用于分配存储、计算及网络等资源，全局监控资源利用情况，根据所需动态地分配网络资源，快速实现网络控制功能重构。
本发明采用软件定义的方法，以自适应的方式进行控制平面与数据平面的分离。在控制平面通过功能编排部署智能感知系统，利用信息感知技术对无线接入平面、底层网络负载、业务应用、终端进行多维度检测和管控。传统小区的构建方式将获得突破，不再需要通过预先的功率限制来严格设定小区边缘，而是由处理单元构建覆盖某个服务区域的控制平面，如果有用户发起服务请求，则集中处理单元将根据用户请求的服务质量、当前网络负载状况、干扰状况等分配相应的天线单元及无线资源，以用户为中心按需、动态的构建为用户提供服务的用户平面。
网络功能虚拟化实现后，底层协议栈的差别可由虚拟化平台统一处理，网元功能组件之间采用统一的消息格式和数据结构传递信息，完成业务流程。
网络功能组件融合从网关设备抽象出的会话和承载控制功能，形成全网集中的控制平面。基于虚拟化平台，软件形态的功能组件可以部署到网络的任意位置，通过标准化的消息接口和数据格式交换信息，完成业务流程，从而实现全网信息同步、接入协同和资源调度。
二、基于NFV的新型无线接入网关，具体如下：
1)基于NFV的无线接入网关的部署
新型无线接入网关是将传统网关上的三层路由、网络翻译(NAT)、用户认证、安全控制、增值业务等功能上移到网络侧，客户端设备仅保留二层转发、隧道封装及配置、基于二层信息的防火墙等功能。
在接入网侧，实现企业专网网关虚拟化，将分散部署的接入功能上移并集中部署在云端。针对专网企业客户，不但用户的接入功能能通过云化网络服务平面实现，还可向客户提供私有云、网络安全和其他增值服务，即将专网企业ICT应用功能迁移到云端，并通过SDN智能专线实现用户按需对应用的访问，实现云网协同一体化。在云端，通过建设统一资源管理平台、部署业务编排器实现对网络资源的统一管理，并对外提供标准北向API接口，使各类业务应用能灵活调用网络资源，实现快速部署。
2)新型无线接入网关(AGW)
新型无线接入网关主要包含各种通信接口模块、协议适配模块、设备发现和管理模块、跨域转发模块、资源映射模块、安全管理模块、数据和控制接口模块。其中：通信接口模块支持多种通讯链路，如：RS-232/422/485、CAN、以太网、wifi、4G LTE等；协议适配模块支持多种工业设备协议，如：OPC、Modbus、IEC61850、IEC60870、DNP3、BACnet、PLC等；设备发现和管理模块向上通过SNMP或TR069协议与业务平台交互，实现网关自身的配置和管理，向下实现对异种接入设备的发现和管理；跨域转发模块根据SDN控制器下发转发控制策略实现跨区域的智能专网组网。资源映射模块实现虚拟资源和末梢物理设备的一一映射；安全管理模块包括用户身份鉴别、对设备的安全访问控制，以及根据实际业务的安全需求，实现数据包的加密处理；数据和控制接口通过标准化的API(Rest/Netconf/CLI)实现与虚拟化平台以及业务平台的数据和控制信息交互。
新型无线接入网关采用高性能的嵌入式计算平台，服务内核软件可运行于嵌入式操作系统中，是一个脱离于具体硬件设备接口的通讯服务平台。系统包含高性能的实时数据库系统，具有多种通讯采集和转发规约库，可以实现采集多个不同子系统的数据，进行数据集中汇总、分类和预处理，可以简化系统中异种协议的转换和系统联网过程，并可通过标准协议接口与业务系统对接。
3)远程网关管理
本系统网关采用TR069，TR069是宽带论坛设计的远程管理协议，它描述了CPE 和自动配置服务器(ACS)之间的通讯机制，提供了ACS对CPE安全进行配置的策略。通过云端管理服务器对AGW进行远程管理，具体管理功能包括：参数配置，版本管理，执行命令，调试LOG分析，状态监控，告警通知。
4)安全管理
本系统网关将采用可靠硬件平台，安全的实时嵌入式操作系统，为用户提供远程接入、企业分支机构互联、云接入安全防护措施。通过与云平台安全管理服务器的交互，实现对设备的安全访问控制；对用户的身份授权和认证；数据包的端到端加密处理；同时还采用虚拟化技术，支持最高256个SSL VPN虚拟网关，每个虚拟 SSL VPN网关可进行独立的认证、配置与管理。
有益效果
1、提出基于SDN和NFV的制造专网数据采集调度系统，全网架构采用云平台实现，对网元功能采用SDN的方法以自适应的方式进行控制平面与数据平面的分离。通过对网元功能进行分解，网络功能抽象、网络功能重构的方法，通过NFV 技术实现网络功能编排部署智能感知系统，利用信息感知技术可以对无线接入平面、底层网络负载、业务应用、终端进行多维度检测和管控，可以实现全面提升网络智能感知与决策能力。
2、提出制造专网数据采集调度系统，构建了面向智能制造的4G专线智能调度原型系统，通过SDN和NFV技术实现无线接入设备的集中管理、按需调度和安全等增值业务快速开通等功能，全网架构采用云平台实现。可快速实现网络控制功能重构，未来运营商也可以按需组合，灵活编排，有利于新业务的快速开发和部署。云管理平台用于分配存储、计算及网络等资源，全局监控资源利用情况，根据所需动态地分配网络资源，提升网络建设和运营效率。
3、研制新型无线接入网关原型系统。基于NFV技术实现了新型无线接入网关，主要包含各种通信接口模块、协议适配模块、设备发现和管理模块、跨域转发模块、资源映射模块、安全管理模块、数据和控制接口模块。其中：通信接口模块支持多种通讯链路，如： RS-232/422/485、CAN、以太网、wifi、4G LTE等；协议适配模块支持多种工业设备协议，如：OPC、Modbus、IEC61850、IEC60870、DNP3、BACnet、PLC等；设备发现和管理模块向上通过SNMP或TR069协议与业务平台交互，实现网关自身的配置和管理，向下实现对异种接入设备的发现和管理；跨域转发模块根据SDN控制器下发转发控制策略实现跨区域的智能专网组网。资源映射模块实现虚拟资源和末梢物理设备的一一映射；安全管理模块包括用户身份鉴别、对设备的安全访问控制，以及根据实际业务的安全需求，实现数据包的加密处理；数据和控制接口通过标准化的API(Rest/Netconf/CLI)实现与虚拟化平台以及业务平台的数据和控制信息交互。
附图说明
图1基于SDN和NFV的制造专网数据采集调度系统体系架构；
图2基于SDN和NFV构建集中的网络调度管理平台；
图3基于NFV的无线接入网关的部署；
图4新型无线接入网关功能结构图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施方式，对本发明做详细描述。
1、基于SDN和NFV的制造专网数据采集调度系统
本发明提出的基于SDN和NFV的制造专网数据采集调度系统体系架构如图1所示，包括五个部分：企业内部连接制造设备的内网，基于4G的无线接入网，连接内网和外网的新型无线接入网关和负责网络集中调度管理的云平台以及智能制造中的各种应用。这五个部分的有机协同工作，构建了面向智能制造的4G专线智能调度原型系统，实现无线接入设备的集中管理、按需调度和安全等增值业务快速开通等功能。如下：
智能制造内网主要是企业内部用来连接制造设备，通过ZigBee、蓝牙、WiFi、RS485、现场总线等各种无线和有线的方式将生产企业内的各类智能生产设备、检测设备、传送设备、辅助管理设备，以及操作人员、维护管理人员信息化联网，提升运行效率，降低质量风险，增强管理力度。
新型无线接入网关主要连接智能制造内网和外网，采用网络功能虚拟化(NFV) 技术实现新型无线接入网关的研发，基于NFV技术实现了新型无线接入网关，主要包含各种通信接口模块、协议适配模块、设备发现和管理模块、跨域转发模块、资源映射模块、安全管理模块、数据和控制接口模块。其中：通信接口模块支持多种通讯链路，如： RS-232/422/485、CAN、以太网、wifi、4G LTE等；协议适配模块支持多种工业设备协议，如：OPC、Modbus、IEC61850、IEC60870、DNP3、BACnet、PLC等；设备发现和管理模块向上通过SNMP或TR069协议与业务平台交互，实现网关自身的配置和管理，向下实现对异种接入设备的发现和管理；跨域转发模块根据SDN控制器下发转发控制策略实现跨区域的智能专网组网。资源映射模块实现虚拟资源和末梢物理设备的一一映射；安全管理模块包括用户身份鉴别、对设备的安全访问控制，以及根据实际业务的安全需求，实现数据包的加密处理；数据和控制接口通过标准化的 API(Rest/Netconf/CLI)实现与虚拟化平台以及业务平台的数据和控制信息交互。
云平台主要负责网络的集中调度和管理，将传统控制和网元虚拟化后实现云化部署，满足集中调度、分权分域管理等功能。实现灵活调用网络资源，和快速部署的能力。主要完成组网管理、终端管理、业务管理、NFV网关功能策略编排和管理、资源管理、安全管理等等功能。基于此平台利用信息感知技术可以实现网络智能化，同时能够支持多种网络协议，灵活部署未来新型网络协议。
应用层主要提供了智能制造的各种应用，包括智能制造数据采集调度、智能制造调度管理、策略管理等等。
2、基于SDN和NFV构建集中的网络调度管理平台
本发明提出的异构无线网络虚拟化管理与接入控制平台如图2所示，是基于SDN和NFV的虚拟化可编程的网络平台，基于此平台利用信息感知技术可以实现网络智能化，同时能够支持多种网络协议，灵活部署未来新型网络协议。
全网架构采用云平台实现。可快速实现网络控制功能重构，未来运营商也可以按需组合，灵活编排，有利于新业务的快速开发和部署。云管理平台用于分配存储、计算及网络等资源，全局监控资源利用情况，根据所需动态地分配网络资源，提升网络建设和运营效率。
首先，将异构网络中不同制式的网络的资源按无线资源、计算资源和存储资源进行划分和存储，放入相应的资源池中。然后，以提高资源的总体利用率为目标，由NFV资源管理和编排系统分别对这三种资源进行资源的管理和分配。根据用户的需求或行为特征，将异构系统的资源划分成若干个虚拟网络供用户使用。虚拟化资源池可以实现对网络资源的统一管理、统一分配、统一部署和统一监控，使得整个网络可以根据负载情况进行虚拟网络功能的动态扩容或缩容，是实现网络动态控制及网络智能化的基础。
3、基于NFV的新型无线接入网关
3-1)基于NFV的无线接入网关的部署
如图3所示，在接入侧，实现企业专网网关虚拟化，将分散部署的接入功能上移并集中部署在云端。针对专网企业客户，不但用户的接入功能能通过云化网络服务平面实现，还可向客户提供私有云、网络安全和其他增值服务，即将专网企业ICT 应用功能迁移到云端，并通过SDN智能专线实现用户按需对应用的访问，达到云网协同一体化的目标。在云端，通过建设统一资源管理平台、部署业务编排器实现对网络资源的统一管理，并对外提供标准北向API接口，从而使各类业务应用能灵活调用网络资源，实现快速部署。
3-2)新型无线接入网关(AGW)
新型无线接入网关主要包含各种通信接口模块、协议适配模块、设备发现和管理模块、跨域转发模块、资源映射模块、安全管理模块、数据和控制接口模块，具体如图4所示。其中：通信接口模块支持多种通讯链路，如：RS-232/422/485、CAN、以太网、wifi、 4G LTE等；协议适配模块支持多种工业设备协议，如：OPC、Modbus、IEC61850、 IEC60870、DNP3、BACnet、PLC等；设备发现和管理模块向上通过SNMP或TR069协议与业务平台交互，实现网关自身的配置和管理，向下实现对异种接入设备的发现和管理；跨域转发模块根据SDN控制器下发转发控制策略实现跨区域的智能专网组网。资源映射模块实现虚拟资源和末梢物理设备的一一映射；安全管理模块包括用户身份鉴别、对设备的安全访问控制，以及根据实际业务的安全需求，实现数据包的加密处理；数据和控制接口通过标准化的API(Rest/Netconf/CLI)实现与虚拟化平台以及业务平台的数据和控制信息交互。
3-3)远程网关管理
TR069是宽带论坛设计的远程管理协议，目前广泛用于电信接入设备的管理，它描述了CPE和自动配置服务器(ACS)之间的通讯机制，提供了ACS对CPE安全进行配置的策略。解决了CPE设备的管理困难，节约了维护成本，提高了问题解决效率。本原型系统也将采用TR069，通过云端管理服务器对AGW进行远程管理，具体管理功能包括：参数配置，版本管理，执行命令，调试LOG分析，状态监控，告警通知。
3-4)安全管理
鉴于智能制造领域对数据安全性要求较高，本系统网关将采用可靠硬件平台，安全的实时嵌入式操作系统，为用户提供远程接入、企业分支机构互联、云接入安全防护措施。
通过与云平台安全管理服务器的交互，实现对设备的安全访问控制；对用户的身份授权和认证；数据包的端到端加密处理；同时还采用虚拟化技术，支持最高256 个SSLVPN虚拟网关，每个虚拟SSL VPN网关可进行独立的认证、配置与管理，方便管理员独立操作，实现了一机多用，也降低了用户成本。
Claims (1)
1.一种智能制造专网数据采集调度系统，包括：企业内部连接制造设备的内网即智能制造内网、基于4G的无线接入网、智能制造中的各种应用，其特征在于，还包括连接内网和外网的新型无线接入网关和基于SDN和NFV的网络调度管理平台，所述基于SDN和NFV的网络调度管理平台为：
采用云平台实现，用于分配存储、计算及网络资源，全局监控资源利用情况，根据所需动态地分配网络资源，快速实现网络控制功能重构；
采用软件定义的方法，以自适应的方式进行控制平面与数据平面的分离；在控制平面通过功能编排部署智能感知系统，利用信息感知技术对无线接入平面、底层网络负载、业务应用、终端进行多维度检测和管控；传统小区的构建方式将获得突破，不再需要通过预先的功率限制来严格设定小区边缘，而是由处理单元构建覆盖某个服务区域的控制平面，如果有用户发起服务请求，则集中处理单元将根据用户请求的服务质量、当前网络负载状况、干扰状况分配相应的天线单元及无线资源，以用户为中心按需、动态的构建为用户提供服务的用户平面；
网络功能虚拟化实现后，底层协议栈的差别由虚拟化平台统一处理，网元功能组件之间采用统一的消息格式和数据结构传递信息，完成业务流程；
网络功能组件融合从网关设备抽象出的会话和承载控制功能，形成全网集中的控制平面；基于虚拟化平台，软件形态的功能组件部署到网络的任意位置，通过标准化的消息接口和数据格式交换信息，完成业务流程，实现全网信息同步、接入协同和资源调度；
基于NFV的新型无线接入网关，具体如下：
1)基于NFV的无线接入网关的部署
将传统网关上的三层路由、网络翻译即NAT、用户认证、安全控制、增值业务功能上移到网络侧，客户端设备仅保留二层转发、隧道封装及配置、基于二层信息的防火墙功能；
在接入网侧，实现企业专网网关虚拟化，将分散部署的接入功能上移并集中部署在云端；针对专网企业客户，用户的接入功能能通过云化网络服务平面实现，向客户提供私有云、网络安全和其他增值服务，即将专网企业ICT应用功能迁移到云端，并通过SDN智能专线实现用户按需对应用的访问，实现云网协同一体化；在云端，通过建设统一资源管理平台、部署业务编排器实现对网络资源的统一管理，并对外提供标准北向API接口，使各类业务应用能灵活调用网络资源，实现快速部署；
2)新型无线接入网关即AGW
包含各种通信接口模块、协议适配模块、设备发现和管理模块 、跨域转发模块 、资源映射模块 、安全管理模块 、数据和控制接口模块；其中：通信接口模块支持多种通讯链路，协议适配模块支持多种工业设备协议，设备发现和管理模块向上通过SNMP或TR069协议与业务平台交互，实现网关自身的配置和管理，向下实现对异种接入设备的发现和管理；跨域转发模块根据SDN控制器下发转发控制策略实现跨区域的智能专网组网；资源映射模块实现虚拟资源和末梢物理设备的一一映射；安全管理模块包括用户身份鉴别、对设备的安全访问控制，以及根据实际业务的安全需求，实现数据包的加密处理；数据和控制接口通过标准化的API，实现与虚拟化平台以及业务平台的数据和控制信息交互；
采用高性能的嵌入式计算平台，服务内核软件运行于嵌入式操作系统中，系统包含高性能的实时数据库系统，具有多种通讯采集和转发规约库，实现采集多个不同子系统的数据，进行数据集中汇总、分类和预处理，简化系统中异种协议的转换和系统联网过程，并通过标准协议接口与业务系统对接；
3)远程网关管理
采用TR069，TR069是宽带论坛设计的远程管理协议，它描述了CPE和自动配置服务器即ACS之间的通讯机制，提供了ACS对CPE安全进行配置的策略，通过云端管理服务器对AGW进行远程管理，具体管理功能包括：参数配置，版本管理，执行命令，调试LOG分析，状态监控，告警通知；
4)安全管理
采用可靠硬件平台，安全的实时嵌入式操作系统，为用户提供远程接入、企业分支机构互联、云接入安全防护措施；通过与云平台安全管理服务器的交互，实现对设备的安全访问控制；对用户的身份授权和认证；数据包的端到端加密处理；同时采用虚拟化技术，支持最高256个SSL VPN虚拟网关，每个虚拟SSL VPN网关进行独立的认证、配置与管理。
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| CN201611145652.XA Active CN106603659B (zh) | 2016-12-13 | 2016-12-13 | 一种智能制造专网数据采集调度系统 |
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