CN110460483B - 一种基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网方法，属于工业网络技术领域。该方法将SDN应用于Profinet和Modbus异构工业以太网组网中，在基于Profinet和Modbus统一标识流的条件下，整合异构的工业以太网Profinet和Modbus的组网拓扑建立及设备入网、跨网的通信应用关系建立，以及完成跨网通信数据交换的等功能，实现Profinet/Modbus的异构工业以太网设备的组网管理。本发明解决了Profinet设备与Modbus设备之间的跨网络组网通信问题，并通过SDN控制器提高了异构组网的效率和灵活性。

Description

一种基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网方法
技术领域
本发明属于工业网络技术领域，涉及一种基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网方法。
背景技术
近年来，工业互联网作为新一代信息技术与工业系统深度融合的产物，受到广泛关注。工业互联以现场设备、控制系统、用户产品之间的网络互联为基础，实现对于工业数据的深度感知、实时传输以及智能控制等业务需求。
工厂内部网络作为工业互联网的重要部分，由于工业现场环境复杂，一个工业网络系统中普遍存在多种异构工业以太网，Profinet、Modbus作为典型的工业以太网，由于其通信协议的不同，设备之间难以直接实现跨网络组网与通信，制约了工业网络技术的发展和应用。
软件定义网络(Software Defined Network，SDN)是近几年兴起的一种新型网络结构。SDN技术将网络数据转发层与控制层完全分离，在SDN网络中，数据转发层的网络转发设备只负责对数据进行转发，而控制功能完全由控制层完成，数据转发层与控制层之间通过统一的南向协议进行通信。这样的新型网络架构简化了原有的网络转发设备。通过集中化的网络管理方式，控制层可以监控全网信息，能够实现集中管控不同类型的网络并根据网络的实际使用情况进行调度和优化。
基于上述分析，本发明将SDN技术应用到Profinet与Modbus设备的跨网络组网与通信中，提出一种基于SDN的Profinet/Modbus异构组网方法，实现两类工业以太网设备之间的异构组网与通信功能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网方法，通过设计异构设备入网、跨网应用关系建立、跨网通信关系建立等交互方法，实现了两类工业以太网设备之间的异构组网与通信功能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网方法，该方法是将SDN应用于Profinet和Modbus异构工业以太网组网中，采用了SDN技术，借助于SDN易于管理异构网络的特性，在基于Profinet和Modbus统一标识流的条件下，将Profinet/Modbus的工业以太网联合组网功能统一集中在一起，为Profinet/Modbus提供设备入网、跨网通信应用关系建立、同时完成跨网通信数据交换，实现Profinet、Modbus异构工业以太网的跨网管理控制。
进一步，Profinet和Modbus的组网拓扑建立及设备入网，具体包括以下步骤：
S101：Profinet IO组态采用Profinet控制器、IO监视器以及IO设备通过Profinet交换机组成星型结构，设计一个Profinet网关连接交换机端口，Profinet网关作为IO设备入网；
S102：Modbus采用主站与从站直接连接结构，设计一个Modbus网关连接主站；
S103：Profinet网关、Modbus网关连接到SDN交换机，再通过SDN交换机连接SDN控制器，完成Profinet/Modbus异构工业以太网组网拓扑建立；
S104：SDN交换机入网时，首先使用TCP的三次握手协议连接到集中型工业SDN控制器，交换机发送OFPT_HELLO消息等待SDN控制器回复OFPT_FEATURES消息完成交换机的入网；
S105：Profinet和Modbus工业以太网网内组态设备入网；
S106：SDN控制器对Profinet和Modbus的网关进行初始化配置；
S107：Profinet、Modbus将设备入网情况通过网关经由SDN交换机转发上传至SDN控制器，完成Profinet、Modbus设备入网。
进一步，Profinet和Modbus的跨网通信应用关系建立，具体包括以下步骤：
S201：Profinet网关设备对Profinet实时通信中Profinet帧格式引入IPv6，提取Profinet数据链路层中帧的类型及应用标志符，并填充到相应IPV6的通信类别和流标签域中，维持不同类型工业以太网数据传输的工业特性，实现对Profinet数据流的唯一标识；
S202：Modbus网关设备将Modbus消息报文嵌入IPV6报文中传输，实现对Modbus工业底层网络数据流的唯一标识；
S203：SDN控制器根据统一的IPV6标识建立应用关系表；
S204：SDN控制器接收到通信发起方连接请求，传递上述应用关系建立所需的的请求应用关系报文，报文包含唯一标识符、IP地址和timeout等参数；
S205：报文首先确认应用关系建立的唯一标识符，确定建立应用关系的设备类型；其次确认通信发起方的IPV6地址，确定通信发起方的设备类型；
S206：在通信连接方检查能否建立连接后，用响应连接来响应建立连接的请求；响应连接包括此连接的唯一标识符，以及通信连接方的IPV6地址；最后确认建立关系的timeout，若通信发起后活动时间内建立连接，则通信关系建立成功，否则重新发送请求应用关系建立报文。
进一步，所述步骤S203中，建立的应用关系表包含有：Profinet IO设备与Modbus主站设备、Profinet IO设备与Modbus从站设备、Profinet控制器与Modbus从站设备。
进一步，Profinet和Modbus的跨网通信数据交换，具体包括以下步骤：
S301：SDN控制器通过北向接口接收用户的跨网数据通信请求命令；
S302：SDN控制器检查应用关系建立是否完成，若没有完成，则等待应用关系建立完成；若完成，则进入S303；
S303：假设Profinet控制器作为通信发起方，Modbus主站作为通信接收方，在Profinet控制器与Modbus主站建立应用关系后，Profinet控制器发起通信请求；
S304：通信请求转发至Profinet网关设备，Profinet网关设备识别通信请求中唯一标识符及Profinet控制器IP地址，统一为IPV6标识符，转到SDN交换机；
S305：SDN控制器接收到Profinet控制器发起通信请求，传递通信关系建立所需的请求通信关系报文，包含通信报文帧以及发送周期；
S306：SDN控制器根据通信请求信息为跨网数据流生成通信转发表，并将转发表配置到相关的工业以太网网关；转发表内容包含的信息有：Profinet控制器地址、Profinet网关的IP地址、Modbus主站地址和Modbus网关的IP地址；
S307：Modbus主站收到Modbus网关解析的通信转发表及请求通信报文后，回复响应通信请求报文到Profinet主站，完成通信关系建立；
S308：最后通信发起方网关和通信接收方网关在收到转发表配置命令后，将检查通信双方发送数据时钟时间，若Profinet刷新时间与Modbus数据帧发送时间间隔匹配，则完成通信关系的建立，否则调整发送时间间隔，重新发起通信请求；
S309：在通信关系建立后，根据转发表信息，通信发起方网关将对跨网数据封装成IP报文，通信接收方的网关完成IP报文的解析和继续转发任务，最终使跨网通信数据到达通信接收方，完成跨网数据的通信。
本发明的有益效果在于：
1)本发明将Profinet、Modbus工业以太网的统一组网功能集中在一起，为Profinet、Modbus异构工业以太网提供设备入网、跨网应用关系建立、跨网通信关系建立，同时完成跨网的通信数据交互，解决了Profinet设备与Modbus设备之间的异构融合组网与通信问题。
2)本发明采用了SDN新型网络构架，充分发挥了SDN在异构网络管理方面的优势，提高了Profinet设备与Modbus设备之间异构组网的效率和灵活性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述一种基于SDN的Profinet/Modbus组网机制的网络结构图；
图2为本发明所述一种基于SDN的Profinet/Modbus组网功能模块框图；
图3为本发明所述Profinet与IPV6格式转换图；
图4为本发明所述Modbus与IPV6格式转换图；
图5为本发明所述基于SDN的Profinet/Modbu应用关系建立流程图；
图6为本发明所述基于SDN的Profinet/Modbus通信关系建立及跨通信数据交互流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图6，图1为基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网管理机制的网络结构图。Profinet/Modbus采用SDN技术实现跨网的组网关联机制。
本发明提出的基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网方法，在Profinet/Modbus异构工业以太网组网中，采用SDN技术，利用SDN易于融合管理异构网络的特性，为Profinet、Modbus异构工业以太网提供设备入网、跨网应用关系建立、跨网通信关系建立，同时完成跨网的通信数据交互。实现Profinet、Modbus异构以太网的跨网通信统一组网管理。
图2为一种基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网功能模块框图。该功能模块主要分为现场层、组网管理层以及用户应用层。现场层由多个工业以太网现场网络基础设施组成。组网管理层由主要有Profinet管理控制单元和Modbus管理控制单元以及跨网管理单元组成。Profinet管理控制单元及Modbus管理控制单元主要完成Profinet及Modbus网络网内的设备组态入网，地址分配，通信关系建立等功能。跨网管理单元主要实现Profinet、Modbus工业异构网络的联合组网管理机制，同时根据SDN控制器下发的控制决策完成跨网应用关系建立以及跨网通信关系建立，同时完成跨网的通信数据交互。用户应用层由多个SDN应用组成，SDN应用通常通过可编程方式把需要请求的网络行为提交给控制器，同时可对自身功能进行抽象、封装来对外提供业务应用。
图3、图4为异构工业以太网与IPV6格式转换图，本方法的设计是统一底层现场网络Profinet和Modbus转化为IPV6统一格式，在提取Profinet数据链路层帧中的类型及应用标志符填充到相应IPV6的通信类别和流标签域中，Modbus消息报文嵌入IPV6报文中传输。维持不同类型工业以太网数据传输的工业特性。本实施例设定工业以太网数据传输中使用IPV6协议，设计内容分布在交换机和网关两个部分。
图5为基于SDN的Profinet和Modbus异构工业以太网跨网通信应用关系建立流程图。设计了Profinet/Modbus异构工业以太网不同设备建立应用关系的方法。总体应用关系建立流程可以描述为：首先，在相关工业以太网网关中统一IPV6标识流，其次应用连接发起方发送连接请求，通过SDN控制器传递所需的应用关系建立所需参数报文，应用连接接收方收到请求报文后发送连接响应。具体应用关系建立流程如下：
S201：工业SDN控制器对Profinet、Modbus的网关进行初始化配置；
S202：Profinet网关设备对Profinet实时通信中Profinet帧格式引入IPv6，提取Profinet数据链路层中帧的类型及应用标志符填充到相应IPV6的通信类别和流标签域中，维持不同类型工业以太网数据传输的工业特性，实现对Profinet数据流的唯一标识。
S203：Modbus网关设备将Modbus消息报文嵌入IPV6报文中传输，实现对Modbus工业底层网络数据流的唯一标识。
S204：集中型工业SDN控制器根据统一的IPV6标识建立应用关系表，表内容包含的信息有：Profinet IO设备与Modbus主站设备，Profinet IO设备与Modbus从站设备，Profinet控制器与Modbus从站设备。
S205：SDN控制器接收到通信发起方连接请求，传递上述应用关系建立所需的的请求应用关系报文，报文包含唯一标识符，IP地址，timeout等参数。
S206：报文首先确认应用关系建立的唯一标识符，确定建立应用关系的设备。其次确认通信发起方的IPV6地址，确定通信发起方的设备类型。
S207：在通信连接方检查能否建立连接后，用响应连接来响应建立连接的请求。响应连接同样包括此连接的唯一标识符，以及通信连接方的IPV6地址。最后确认建立关系的timeout，若通信发起后活动时间内建立连接，则通信关系建立成功，否则重新发送请求应用关系建立报文。
图6为本发明所述基于SDN的Profinet和Modbus异构工业以太网通信关系建立及跨通信数据交互流程图。在Profinet/Modbus的工业异构以太网应用关系建立完成后，开始进行相关的通信关系的建立，工业SDN控制器在接收用户的跨网数据通信请求命令后，通过检测通信关系发起方和接收方的相关请求回应，完成通信关系的建立。同时，根据SDN控制器下发的通信信息配置命令，完成跨网数据通信。通信关系建立及跨通信数据交互具体步骤如下：
S301：工业SDN控制器通过北向接口接收用户的跨网数据通信请求命令；
S302：工业SDN控制器检查应用关系建立是否完成，若没有完成，则等待应用关系建立完成；若完成，则进入S303；
S303：以Profinet控制器作为通信发起方与Modbus主站作为通信接收方为典型，在Profinet控制器与Modbus主站建立应用关系后，Profinet控制器发起通信请求；
S304：通信请求转发至Profinet网关设备，Profinet网关设备识别通信请求中唯一标识符及Profinet控制器IP地址，统一为IPV6标识符，转到SDN交换机；
S305：工业SDN控制器接收到Profinet控制器发起通信请求，传递通信关系建立所需的的请求通信关系报文，包含通信报文帧以及发送周期；
S306：工业SDN控制器根据通信请求信息为跨网数据流生成通信转发表，并将转发表配置到相关的工业以太网网关；转发表内容包含的信息有：Profinet控制器地址，Profinet网关的IP地址，Modbus主站地址，Modbus网关的IP地址；
S307：Modbus主站收到有Modbus网关解析的通信转发表及请求通信报文后，回复响应通信请求报文到Profinet主站，完成通信关系建立；
S308：最后通信发起方网关和通信接收方网关在收到转发表配置命令后，将检查通信双方发送数据时钟时间，若Profinet刷新时间与Modbus数据帧发送时间间隔匹配，则完成通信关系的建立，否则调整发送时间间隔，重新发起通信请求；
S309：在通信关系建立后，根据转发表信息，通信发起方网关将对跨网数据封装成IP报文，通信接收方的网关完成IP报文的解析和继续转发任务，最终使跨网通信数据到达通信接收方，完成跨网数据的通信。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网方法，其特征在于，该方法是将SDN应用于Profinet和Modbus异构工业以太网组网中，在基于Profinet和Modbus统一标识流的条件下，整合异构的工业以太网Profinet和Modbus的组网拓扑建立及设备入网、跨网的通信应用关系建立，以及完成跨网通信数据交换的功能，实现Profinet/Modbus的异构工业以太网设备的组网管理；
Profinet和Modbus的跨网通信数据交换，具体包括以下步骤：
S301：SDN控制器通过北向接口接收用户的跨网数据通信请求命令；
S302：SDN控制器检查应用关系建立是否完成，若没有完成，则等待应用关系建立完成；若完成，则进入S303；
S303：假设Profinet控制器作为通信发起方，Modbus主站作为通信接收方，在Profinet控制器与Modbus主站建立应用关系后，Profinet控制器发起通信请求；
S304：通信请求转发至Profinet网关设备，Profinet网关设备识别通信请求中唯一标识符及Profinet控制器IP地址，统一为IPV6标识符，转到SDN交换机；
S305：SDN控制器接收到Profinet控制器发起通信请求，传递通信关系建立所需的请求通信关系报文，包含通信报文帧以及发送周期；
S306：SDN控制器根据通信请求信息为跨网数据流生成通信转发表，并将转发表配置到相关的工业以太网网关；转发表内容包含的信息有：Profinet控制器地址、Profinet网关的IP地址、Modbus主站地址和Modbus网关的IP地址；
S307：Modbus主站收到Modbus网关解析的通信转发表及请求通信报文后，回复响应通信请求报文到Profinet主站，完成通信关系建立；
S308：最后通信发起方网关和通信接收方网关在收到转发表配置命令后，将检查通信双方发送数据时钟时间，若Profinet刷新时间与Modbus数据帧发送时间间隔匹配，则完成通信关系的建立，否则调整发送时间间隔，重新发起通信请求；
S309：在通信关系建立后，根据转发表信息，通信发起方网关将对跨网数据封装成IP报文，通信接收方的网关完成IP报文的解析和继续转发任务，最终使跨网通信数据到达通信接收方，完成跨网数据的通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网方法，其特征在于，Profinet和Modbus的组网拓扑建立及设备入网，具体包括以下步骤：
S101：Profinet IO组态采用Profinet控制器、IO监视器以及IO设备通过Profinet交换机组成星型结构，设计一个Profinet网关连接交换机端口，Profinet网关作为IO设备入网；
S102：Modbus采用主站与从站直接连接结构，设计一个Modbus网关连接主站；
S103：Profinet网关、Modbus网关连接到SDN交换机，再通过SDN交换机连接SDN控制器，完成Profinet/Modbus异构工业以太网组网拓扑建立；
S104：SDN交换机入网时，首先使用TCP的三次握手协议连接到集中型工业SDN控制器，交换机发送OFPT_HELLO消息等待SDN控制器回复OFPT_FEATURES消息完成交换机的入网；
S105：Profinet 和Modbus工业以太网网内组态设备入网；
S106：SDN控制器对Profinet和Modbus的网关进行初始化配置；
S107：Profinet、Modbus将设备入网情况通过网关经由SDN交换机转发上传至SDN控制器，完成Profinet、Modbus设备入网。
3.根据权利要求1所述的一种基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网方法，其特征在于，Profinet和Modbus的跨网通信应用关系建立，具体包括以下步骤：
S201：Profinet网关设备对Profinet实时通信中Profinet帧格式引入IPv6，提取Profinet数据链路层中帧的类型及应用标志符，并填充到相应IPV6的通信类别和流标签域中，维持不同类型工业以太网数据传输的工业特性，实现对Profinet数据流的唯一标识；
S202：Modbus网关设备将Modbus消息报文嵌入IPV6报文中传输，实现对Modbus工业底层网络数据流的唯一标识；
S203：SDN控制器根据统一的IPV6标识建立应用关系表；
S204：SDN控制器接收到通信发起方连接请求，传递应用关系建立所需的请求应用关系报文，报文包含唯一标识符、IP地址和timeout；
S205：报文首先确认应用关系建立的唯一标识符，确定建立应用关系的设备类型；其次确认通信发起方的IPV6地址，确定通信发起方的设备类型；
S206：在通信连接方检查能否建立连接后，用响应连接来响应建立连接的请求；响应连接包括此连接的唯一标识符，以及通信连接方的IPV6地址；最后确认建立关系的timeout，若通信发起后活动时间内建立连接，则通信关系建立成功，否则重新发送请求应用关系建立报文。
4.根据权利要求3所述的一种基于SDN的Profinet和Modbus设备异构组网方法，其特征在于，所述步骤S203中，建立的应用关系表包含有：Profinet IO设备与Modbus主站设备、Profinet IO设备与Modbus从站设备、Profinet 控制器与Modbus从站设备。
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