CN110138585A - 一种基于sdn的工业物联网数据转发处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于SDN的工业物联网数据转发处理系统,属于工业物联网通信技术领域。该系统包括顺序连接的底层传感网络汇聚节点设备、OpenFlow转发设备、SDN控制器、表述性状态传递应用编程接口和工业物联网客户端。本发明增强了工业物联网网关工作的稳定性，有利于整个工业物联网系统的长期稳定运行。

Description

一种基于SDN的工业物联网数据转发处理系统
技术领域
本发明涉及一种基于SDN的工业物联网数据转发处理系统,属于工业物联网通信技术领域。
背景技术
工业物联网是由感知层、现场管理层、网络层和应用层共同构成的庞大信息系统。工业物联网通过各种信息传感设备，如传感器、无线射频识别(radio frequencyidentification devices，以下简称：RFID)装置、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实现在工业现场采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程、采集其声、光、热、电等各种需要的信息。具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节，可大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能工业的新阶段。
位于感知层的无线传感网络通常由大量微型传感设备节点组成，局域范围内的各传感设备节点之间采用短距离无线通信方式自动组成多跳的无线传感网络，这些传感设备节点采集的信息，首先通过无线传感网络汇集到无线传感网络中的汇聚(sink)节点，然后通过无线传感网络的网关设备将采集的信息转发至远端的工业物联网云平台。
由于短距离无线传输技术非常多，缺乏统一的标准，例如，目前较为广泛应用的有RFID、无线个域网(ZigBee)、蓝牙(Bluetooth)、无线保真技术(wireless fidelity，以下简称：Wifi)、全球互通微波存取(WiMAX)、无线通用串行总线(Universal Serial Bus，以下简称：USB)、超宽带(Ultra-wide Bandwidth，以下简称：UWB)等短距离无线传输技术。另外，即便对于同一种传输技术，由于各厂商基于私有协议自己开发传输模块或传输芯片，实际应用标准化程度也不高，导致不同厂商的设备之间无法互通。因此，现有的无线传感网络往往是异构的，目前市场上的工业物联网网关设备往往仅针对特定案例定制，无法适配于异构的无线传感网络、屏蔽不同无线传感网络之间的差异性，一些支持异构传感网络通信的新型工业物联网网关设备，都是集数据控制平面与转发平面于一体，对工业物联网网关设备的控制与计算能力要求过高，网关设备运行过程中承载控制平面负荷较大而容易发生设备崩溃或挂死异常，不利于整个工业物联网系统的长期稳定运行。
发明内容
针对工业物联网网关运行过程中因承载控制平面负荷较大而容易发生设备崩溃或挂死异常的问题，本发明提供一种基于SDN（Software Defined Network软件定义网络）的工业物联网数据转发处理系统，将SDN软件定义网络平台与工业物联网络中的数据转发相结合，实现一种基于SDN网络的工业物联网数据转发处理系统。SDN控制器通过OpenFlow协议（南向接口的交互协议）将节点适配信息以流表形式下发给OpenFlow转发设备，OpenFlow转发设备作为工业物联网网关，根据节点适配信息完成传感设备汇聚节点与工业物联网云平台之间转发数据的数据格式转换。整个系统中，工业物联网网关主要负责数据转发平面的工作，控制平面的工作主要由控制和计算能力强大的SDN控制器完成，从而增强了工业物联网网关工作的稳定性，有利于整个工业物联网系统的长期稳定运行。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种基于SDN的工业物联网数据转发处理系统，包括顺序连接的底层传感网络汇聚节点设备、OpenFlow转发设备、SDN控制器、表述性状态传递应用编程接口和工业物联网客户端。
所述OpenFlow转发设备包括第一接收单元、第二接收单元、第一存储单元、第一获取单元、执行单元、第一发送单元和第二发送单元，其中：所述第一接收单元、第一获取单元、执行单元和第一发送单元顺序连接，所述第二接收单元、第一存储单元和第一获取单元顺序连接，所述第二发送单元和第一接收单元连接。
所述SDN控制器包括第三接收单元、第四接收单元、第二存储单元、第二获取单元和第三发送单元，其中所述第三接收单元、第二获取单元和第三发送单元顺序连接，所述第四接收单元、第二存储单元和第二获取单元顺序连接。
所述SDN控制器是POX控制器、VMware控制器、Floodlight控制器中的一种。
所述工业物联网客户端包括基于HTML5的浏览器、Android客户端和IOS客户端。
本发明的有益效果如下：
将SDN软件定义网络平台与工业物联网络中的数据转发相结合，实现一种基于SDN网络的工业物联网数据转发处理系统。SDN控制器通过OpenFlow协议将节点适配信息以流表形式下发给OpenFlow转发设备，OpenFlow转发设备作为工业物联网网关，根据节点适配信息完成传感设备汇聚节点与工业物联网云平台之间转发数据的数据格式转换。整个系统中，工业物联网网关主要负责数据转发平面的工作，控制平面的工作主要由控制和计算能力强大的SDN控制器完成，从而增强了工业物联网网关工作的稳定性，有利于整个工业物联网系统的长期稳定运行。基于本发明，一个基于SDN控制器的平台可以管理多个工业物联网网络。
附图说明
图1表示本发明整体架构图。
图2表示本发明OpenFlow转发设备结构示意图。
图3表示本发明SDN控制器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
一种基于SDN的工业物联网数据转发处理系统，如图1所示，该系统包括底层传感网络汇聚节点设备、OpenFlow转发设备（工业物联网网关）、SDN控制器、表述性状态传递应用程序编程接口REST API（表述性状态传递应用编程接口）抽象层、工业物联网客户端。
底层传感网络汇聚节点设备下挂大量微型传感设备节点，底层传感网络汇聚节点设备通过串口连接到OpenFlow转发设备。
OpenFlow转发设备作为工业物联网网关，可以是通过在编译OpenWRT系统的过程中添加对OpenFlow协议支持的硬件交换机、Mininet平台（网络环境仿真平台）中使用的Open vSwitch（开放虚拟交换标准）虚拟交换机、支持OpenFlow协议的路由器等。
OpenFlow转发设备从SDN控制器接收以流表形式下发的该OpenFlow转发设备下挂底层传感网络汇聚节点设备的端口号及其节点适配信息，根据节点适配信息生成节点适配引擎，并建立下挂底层传感网络汇聚节点设备对应的端口号与节点适配引擎的对应关系，完成底层传感网络汇聚节点设备与工业物联网客户端之间转发数据的数据格式转换。
OpenFlow转发设备从下挂底层传感网络汇聚节点设备的端口接收底层传感网络汇聚节点设备发送的数据发送请求时，该数据发送请求中包括待发送数据与该数据发送到的工业物联网客户端的地址信息，OpenFlow转发设备从预先建立的端口号与节点适配引擎的对应关系中，获取此端口号对应的节点适配引擎，将待发送数据转换为工业物联网客户端对应的统一格式后转发给工业物联网客户端。
OpenFlow转发设备接收工业物联网客户端发送的数据发送请求时，该数据发送请求中包括待发送数据与该数据发送到的底层传感网络汇聚节点设备的地址信息，OpenFlow转发设备获取所述目标汇聚节点地址对应的端口号，从预先建立的端口号与节点适配引擎的对应关系中，获取此端口号对应的节点适配引擎，将待发送数据转换为目标汇聚节点采用的私有协议格式后转发给目标汇聚节点。
OpenFlow转发设备通过该OpenFlow转发设备各端口下无线传感网络中的汇聚节点，获取各端口下无线传感网络的类型，并将端口号及传感网络类型上报给SDN控制器；OpenFlow转发设备重新启动后，或者检测到某一端口连接的汇聚节点更换后，通过相应端口向该端口下的汇聚节点发送参数上报命令，并接收汇聚节点根据该参数上报命令上报的汇聚节点的型号与适用的通信协议信息，由汇聚节点的型号与适用的通信协议信息得到传感网络类型，并将端口号及传感网络类型上报给SDN控制器。
SDN控制器可以是POX控制器、VMware（虚拟机）控制器、Floodlight控制器中的一种。
SDN控制器从OpenFlow转发设备获取该OpenFlow转发设备的端口号及其下挂无线传感网络的类型。
SDN控制器预先存储各无线传感网络的类型对应的节点适配信息，或者进一步对存储的节点适配信息进行更新，包括新增节点适配信息、或者对存储的节点适配信息进行删除或升级。SDN控制器也可以通过REST API从工业物联网客户端接收对节点适配信息的服务编排，服务编排包括新增节点适配信息、删除节点适配信息、升级节点信息。
SDN控制器通过OpenFlow协议将OpenFlow转发设备下挂汇聚节点对应端口号及其节点适配信息以流表形式下发给OpenFlow转发设备。
REST API抽象层，对SDN控制器中的控制模块进行抽象，抽象出满足RESTful（一种架构约束条件）规范的网络接口，用于最上层的工业物联网络客户端。
工业物联网客户端采用基于REST API的设计，包括基于HTML5的浏览器、Android客户端和IOS客户端；工业物联网客户端可以使用XML文件对各种无线传感网络的类型对应的节点适配信息进行服务编排，并通过REST API下发给SDN控制器，服务编排包括新增节点适配信息、删除节点适配信息、升级节点信息；通过工业物联网客户端，底层传感网络汇聚节点设备厂商负责实现节点适配信息脚本代码的编写，将节点适配信息脚本代码通过RESTAPI设置到SDN控制器。
图2为本发明中OpenFlow转发设备结构示意图。该实施例的OpenFlow转发设备包括第一接收单元、第二接收单元、第一存储单元、第一获取单元、执行单元、第一发送单元、第二发送单元。
第一接收单元，用于接收底层传感网络汇聚节点设备与工业物联网客户端发送的数据发送请求，所述数据发送请求中包括待发送数据与该数据发送到的目标地址信息。
第二接收单元，用于从SDN控制器接收以流表形式下发的该OpenFlow转发设备下挂汇聚节点的端口号及其节点适配信息。
第一存储单元，用于存储根据节点适配信息生成的节点适配引擎。
第一获取单元，用于从第一存储单元中获取所述数据发送请求相关的端口对应的节点适配引擎。
执行单元，用于执行所述对应的节点适配引擎，对待发送数据进行数据格式转换。
第一发送单元，用于将数据格式转换后的待发送数据转发给传感设备汇聚节点或工业物联网云平台。
第二发送单元，用于将端口号及其下挂传感网络类型上报给SDN控制器。
OpenFlow转发设备从下挂汇聚节点的端口接收汇聚节点发送的数据发送请求时。
第一接收单元从下挂汇聚节点的端口接收汇聚节点发送的数据发送请求。
第一获取单元从预先建立的端口号与节点适配引擎的对应关系中，从第一存储单元中获取此端口号对应的节点适配引擎。
执行单元具体执行对应的节点适配引擎，将待发送数据转换为工业物联网云平台对应的统一格式。
第一发送单元具体将转换为工业物联网云平台对应的统一格式后的待发送数据转发给所述工业物联网云平台。
OpenFlow转发设备从工业物联网云平台接收工业物联网云平台发送的数据发送请求时。
第一接收单元从工业物联网云平台接收工业物联网云平台发送的数据发送请求。
第一获取单元获取所述目标汇聚节点地址对应的端口号，从预先建立的端口号与节点适配引擎的对应关系中，从第一存储单元中获取此端口号对应的节点适配引擎。
执行单元具体执行所述对应的节点适配引擎，将待发送数据转换为所述汇聚节点采用的私有协议格式。
第一发送单元具体将转换为所述汇聚节点采用的私有协议格式后的待发送数据转发给所述汇聚节点。
第一发送单元与第一接收单元还用于通过所述OpenFlow转发设备上各端口下无线传感网络中的汇聚节点，获取各端口下无线传感网络的类型。
第一发送单元在OpenFlow转发设备重新启动后，或者探测到所述OpenFlow转发设备上某一端口连接的汇聚节点更换后，通过相应端口向该端口下的汇聚节点发送参数上报命令；第一接收单元具体接收汇聚节点根据该参数上报命令上报的汇聚节点的型号与适用的通信协议信息，由汇聚节点的型号与适用的通信协议信息得到传感网络类型。
图3为本发明中SDN控制器结构示意图。该实施例的所述SDN控制器包括第三接收单元、第四接收单元、第二存储单元、第二存储单元与第三发送单元。
第三接收单元，从OpenFlow转发设备获取该OpenFlow转发设备的端口号及其下挂无线传感网络的类型。
第四接收单元，通过REST API从工业物联网客户端接收对节点适配信息的服务编排，服务编排包括新增节点适配信息、删除节点适配信息、升级节点适配信息。
第二存储单元，用于预先存储各无线传感网络的类型对应的节点适配信息，或者存储第四接收单元中工业物联网客户端对节点适配信息的服务编排。
第二获取单元，用于根据从第三接收单元得到的OpenFlow转发设备的端口号及其下挂无线传感网络的类型，从第二存储单元中获取对应的节点适配信息。
第三发送单元，用于将OpenFlow转发设备下挂汇聚节点的端口号及其节点适配信息以流表形式下发给OpenFlow转发设备，以及将新增节点适配信息、删除节点适配信息、升级节点适配信息等服务编排操作以流表形式下发给OpenFlow转发设备。
OpenFlow、OpenWRT、Mininet、Open vSwitch、POX/VMware/Floodlight是SDN(Software Defined Network，软件定义网络)专业领域中的惯用表达，分别代表南向接口的交互协议、一种用于路由器上的Linux系统发行版、一种网络环境仿真平台、一种虚拟交换机、一种SDN中常用的控制器。

Claims (5)

1.一种基于SDN的工业物联网数据转发处理系统，其特征在于包括顺序连接的底层传感网络汇聚节点设备、OpenFlow转发设备、SDN控制器、表述性状态传递应用编程接口和工业物联网客户端。
2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的工业物联网数据转发处理系统，其特征在于，所述OpenFlow转发设备包括第一接收单元、第二接收单元、第一存储单元、第一获取单元、执行单元、第一发送单元和第二发送单元，其中：所述第一接收单元、第一获取单元、执行单元和第一发送单元顺序连接，所述第二接收单元、第一存储单元和第一获取单元顺序连接，所述第二发送单元和第一接收单元连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于SDN的工业物联网数据转发处理系统，其特征在于，所述SDN控制器包括第三接收单元、第四接收单元、第二存储单元、第二获取单元和第三发送单元，其中所述第三接收单元、第二获取单元和第三发送单元顺序连接，所述第四接收单元、第二存储单元和第二获取单元顺序连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于SDN的工业物联网数据转发处理系统，其特征在于，所述SDN控制器是POX控制器、VMware控制器、Floodlight控制器中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于SDN的工业物联网数据转发处理系统，其特征在于，所述工业物联网客户端包括基于HTML5的浏览器、Android客户端和IOS客户端。
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