CN112422416A - 网关设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种网关设备及其控制方法，该网关设备包括CPU模块、5G数据处理转发模块、用户接口模块、传感器采集模块以及供电模块；利用FPGA模块进行数据的加密及封装与解封装，保证了数据安全可靠有效，而且能够采集大量的传感器数据，利于在工业中的应用，并且CPU模块可以分析数据配置相应的传输模式，在不改变用户现有网络配置的情况下，实现更加稳定、安全的网络传输，使用5G模块进行数据传输，由于5G是新一代移动通信系统，5G与工业融合之后，逐步成为支撑工业生产的基础设施，低时延和高带宽弥补了现有工业网络的不足；融合5G网络与原有有线网络形成对业务的主备保护，还可以提供环境数据的采集、控制、报警等功能。

Description

网关设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及网络设备技术领域，尤其涉及一种网关设备及其控制方法。

背景技术

针对工业生产采用的网络，目前多数使用4G网络、Wi-Fi网络、光纤或网线进行数据的传输，网络时延大、数据带宽不稳定、光纤或网线维护成本高等多种因数制约工业生产的网络发展。

因此，如何提供一种网关设备方案，在不改变用户现有网络配置的情况下，实现更加稳定、安全的网络传输，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种网关设备及其控制方法，在不改变用户现有网络配置的情况下，实现更加稳定、安全的网络传输。

本发明实施例提供一种网关设备，包括：

CPU模块、5G数据处理转发模块、用户接口模块、传感器采集模块以及供电模块；

所述用户接口模块与所述5G数据处理转发模块连接，用于连接用户的数据接口并获取用户数据；所述CPU模块与所述5G数据处理转发模块通过控制总线连接；

所述5G数据处理转发模块包括数据交换核心、FPGA模块以及5G模组；所述数据交换核心与所述FPGA模块通信连接；所述FPGA与所述5G模组通信连接；所述传感器采集模块与所述FPGA模块通信连接，用于通过数据采集接口连接外界传感器并获取传感器数据；

当所述用户接口模块接收到用户数据后，所述CPU模块用于对所述用户数据进行分析并配置传输方式；

所述FPGA模块用于对用户数据以及所述传感器数据进行加密及封装并将加密及封装后的数据传输到所述5G模组进行传输；

所述供电模块用于对所述CPU模块、所述5G数据处理转发模块、所述用户接口模块以及所述传感器采集模块进行供电。

进一步地，所述CPU模块具体用于：如果所述用户数据为二层以太网数据，则根据用户是否携带VLAN信息，进入VLAN表中或是MAC地址表进行转发；如果所述用户数据为三层以太网数据进行IP地址路由表进行转发。

进一步地，还包括：光纤接口；

所述光纤接口用于传输经过所述FPGA模块加密及封装后的数据。

进一步地，还包括：设备管控模块；

所述设备管控模块与所述5G数据处理转发模块连接，用于连接管控设备，以便对所述网关设备进行管理控制。

进一步地，所述设备管控模块包括：

蓝牙接口单元，用于提供设备蓝牙方式登录的接口；

串口单元，用于提供设备串口方式登录的接口；

RJ45连接单元，用于提供设备以太网方式登录的接口。

进一步地，所述供电模块包括：

供电限流电路单元，用于限制供电的电量值不超过阈值，以提高设备供电稳定性；

断电电容保护大暖，用于当所述网关设备断电后，提供电力续航以便网关设备安全关机。

进一步地，所述CPU模块包括：

运算单元，用于提供设备运行、信息处理及管理的运算；

SDRAM存储器，用于提供所述运算单元运行时的缓存要求

FLASH存储器，用于设置信息、软件、日志以及配置信息存储。

进一步地，还包括：CPLD模块；

所述CPLD模块分别与所述数据交换核心、所述FPGA模块以及所述5G模组通信连接，用于控制信号指示LED的状态、复位控制。

进一步地，所述CPU模块，还用于当用户数据超出5G网络最大MTU值时，对所述用户数据分片处理以保证数据传输。

另一方面，本发明实施例提供一种网关设备控制方法，应用于上述任一种所述的网关设备，包括：

传感器采集模块获取用户数据；

CPU模块对所述用户数据进行分析并配置传输方式；

FPGA模块对用户数据以及所述传感器数据进行加密及封装并将加密及封装后的数据传输到所述5G模组进行传输。

本发明实施例提供的一种网关设备及其控制方法，利用FPGA模块进行数据的加密及封装，保证了数据安全，而且能够采集大量的传感器数据，利于在工业中的应用，并且CPU模块可以分析数据配置相应的传输模式，在不改变用户现有网络配置的情况下，实现更加稳定、安全的网络传输，另外，使用5G模块进行数据传输，由于5G是新一代移动通信系统，5G与工业融合之后，逐步成为支撑工业生产的基础设施，低时延和高带宽弥补了现有工业网络的不足；融合5G网络与原有有线网络形成对业务的主备保护，还可以提供环境数据的采集、控制、报警等功能，对原有网络可以利用又可以采用5G新技术进行融合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本方实施例提供的一种网关设备的组成结构示意图；

图2为本方实施例提供的一种网关设备的又一示意图；

图3为本方实施例提供的一种网关设备的5G天线分布矩阵图；

图4为本发明实施例提供的一种网关设备的实际应用图；

图5为本发明实施例提供的一种网关设备控制方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的网关设备的以太网数据加密及封装、解封装示意图；

图7为本发明实施例提供的网关设备的以太网数据结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

附图标记：

CPU模块110、5G数据处理转发模块120、用户接口模块130、传感器采集模块140、供电模块150、数据交换核心121、FPGA模块122、5G模组123、设备管控模块160、CPLD模块170。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本文中的缩写说明如下：SDRAM(Synchronous Dynamic Random-access Memory，同步动态随机存取内存)、CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、FLASH(闪速存储器)、CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑控件)、FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列)、SGMII(Serial Gigabit MediaIndependent Interface，串行吉比特媒体独立接口)、RGMII(Reduced Gigabit MediaIndependent Interface，精简吉比特介质独立接口)、USB(Universal Serial Bus(通用串行总线)、RJ(Registered Jack，已注册的插孔)、RJ45是以太网电接口的接口简称，为千兆以太网电接口、SPF(SMALL FORM PLUGGABLE，SFP模块插槽)、DO(Digital Out，数字输出端口)、MTU(Maximum Transmission Unit，最大传输单元)、VLAN(Virtual Local AreaNetwork，虚拟局域网)、MAC(Multiple Access Channel，多址接入信道)。

下面结合图1-图3描述本发明实施例的网关设备。

请参考图1、图2，图1为本方实施例提供的一种网关设备的组成结构示意图；图2为本方实施例提供的一种网关设备的又一示意图；图3为本方实施例提供的一种网关设备的5G天线分布矩阵图。

在本发明一种具体实施方式中，本发明实施例提供一种网关设备，包括：

CPU模块110、5G数据处理转发模块120、用户接口模块130、传感器采集模块140以及供电模块150；

所述用户接口模块130与所述5G数据处理转发模块120连接，用于连接用户的数据接口并获取用户数据；所述CPU模块110与所述5G数据处理转发模块120通过控制总线连接；所述5G数据处理转发模块120包括数据交换核心121、FPGA模块122以及5G模组123；所述数据交换核心121与所述FPGA模块122通信连接；所述FPGA与所述5G模组123通信连接；所述传感器采集模块140与所述FPGA模块122通信连接，用于通过数据采集接口连接外界传感器并获取传感器数据；当所述用户接口模块130接收到用户数据后，所述CPU模块110用于对所述用户数据进行分析并配置传输方式；所述FPGA模块122用于对用户数据以及所述传感器数据进行加密及封装并将加密及封装后的数据传输到所述5G模组123进行传输；所述供电模块150用于对所述CPU模块110、所述5G数据处理转发模块120、所述用户接口模块130以及所述传感器采集模块140进行供电。

具体地，本发明中的用户数据，可以是以太网数据、视频；传感器数据可以是RS485、RS232、AI、DI、蓝牙数据的工业用户厂区内传感数据传输及信息采集；可以替换原有采用光纤连接传输数据的设备，并提供大带宽、低时延的业务保障能力。

进一步地，所述CPU模块110具体用于：如果所述用户数据为二层以太网数据，则根据用户是否携带VLAN信息，进入VLAN表中或是MAC地址表进行转发；如果所述用户数据为三层以太网数据进行IP地址路由表进行转发。

当然，在本发明实施例一种不仅可以使用5G模组123进行数据的传输，还可以使用光纤接口；所述光纤接口用于传输经过所述FPGA模块122加密及封装后的数据。从而实现光纤数据传输与5G数据传输的融合。在实际中，还可以兼容其他的移动通信模块，例如4G模块、3G模块等，也可以是其他的有线通信传输方式，这里不再一一列举。

为了方便用户对该网关设备进行设置和操作，还可以在该网关设备中设置设备管控模块160；所述设备管控模块160与所述5G数据处理转发模块120连接，用于连接管控设备，以便对所述网关设备进行管理控制。具体地，该设备管控模块160包括：蓝牙接口单元，用于提供设备蓝牙方式登录的接口；串口单元，用于提供设备串口方式登录的接口；RJ45连接单元，用于提供设备以太网方式登录的接口。

更进一步地，供电模块150可以包括：供电限流电路单元，用于限制供电的电量值不超过阈值，以提高设备供电稳定性；断电电容保护大暖，用于当所述网关设备断电后，提供电力续航以便网关设备安全关机。当然，也可以包括直流变换模块，用于将交流电转换为设备能够使用的直流电。具体地，可以使用限流电路，提高设备供电稳定性。可以使用超级电容，设备以外断电后，提供电力续航3分钟，设备自动安全关机。

CPU模块110可以包括：运算单元，用于提供设备运行、信息处理及管理的运算；SDRAM存储器，用于提供所述运算单元运行时的缓存要求FLASH存储器，用于设置信息、软件、日志以及配置信息存储。

值得说明的是，为了方便用对知晓网关设备的状态和进行初始状态复位，还可以设置CPLD模块170；所述CPLD模块170分别与所述数据交换核心121、所述FPGA模块122以及所述5G模组123通信连接，用于控制信号指示LED的状态、复位控制。也就是说，用户可以用过触发CPLD模块170上的按钮，使得网关设备恢复到初始状态。

在具体实践时，为了防止用户数据过大，不能传输，因此CPU模块110，还用于当用户数据超出5G网络最大MTU值时，对所述用户数据分片处理以保证数据传输。

具体地，对于5G数据处理转发单元，数据交换核心121，用于对用户的以太网类型数据进行数据交换机路由转发；FPGA模块122是系统核心功能模块，完成数据交换核心121的数据与5G模组123核心之间数据转发及处理，主要进行以下功能：用户的以太网二层数据的处理及数据加密及封装，确保以太网的二、三层数据在5G网络中源、宿之间数据的传输还能确保用户数据的安全。用户数据分片处理，用户数据超出5G网络最大MTU值时，设备对用户数据进行分片处理，保证数据源、宿可达。RS485、RS232数据转换成以太网格式数据，在5G网络中传输，并在汇聚端重新转换成RS485、RS232原有数据格式。AI数据、DI数据、DO数据的分析、处理、控制。CPLD模块170负责设备的信号指示LED的状态、设备复位控制。5G模组123可以采用上海移远通信技术股份有限公司的5G模组123芯片Quectel_RG500Q_5G型号，采用8天线设计(5G天线分布矩阵设计如图3)，数据在5G网络传输的大带宽、低时延并提升稳定性。

需要说明的是，用户以太网数据传输方式：用户数据连接在千兆以太网电接口或者SFP光接口，通过数据分析，用户数据是二层或是三层数据进入不同转发流程；二层以太网数据，根据用户是否携带VLAN信息，进入VLAN表中或是MAC地址表进行转发；三层以太网数据进行IP地址路由表进行转发。数据统一通过FPGA模块122进行加密及封装、分片处理，通过配置传输方式，采用SFP光纤传输或通过5G网络传输。传感器连接设备RS485、RS232、AI或DI接口，信号通过FPGA模块122处理进行协议转换，使传感器信号转换成标准以太网数据，通过配置传输方式，采用SFP光纤传输或通过5G网络传输。

请参考图4，图4为本发明实施例提供的一种网关设备的实际应用图。

如图4，工业端设有第一网关设备401，在中控中心端设有第二网关设备。第一网关设备401与视频采集设备、边缘控制设备(例如PLC、RTU、DSC等设备)以及生产终端(例如传感器、气动阀、机器人手臂、仪表、机床以及无线传感器等)和传感器终端(例如门禁设备、空调控制设备、多功能电表、智能水表、温湿度表、发电机控制器、红外传感器、排风扇以及电源开关等)通信连接，而第一网关设备401与第二网关设备402之间通过4G网络通信连接。中控中心通过第一网关设备401与第二网关设备402能够保持与这些设备通信，并且能够控制这些设备。

下面对本发明实施例提供的网关设备控制方法进行描述，下文描述的网关设备与上文描述的网关设备可相互对应参照。

请参考图5，图5为本发明实施例提供的一种网关设备控制方法的流程图。

在本发明又一具体实施方式中，本发明实施例提供一种网关设备控制方法，应用于上述任一种实施例中所述的网关设备，包括：

步骤S51：传感器采集模块获取用户数据；

步骤S52：CPU模块对所述用户数据进行分析并配置传输方式；

步骤S53：FPGA模块对用户数据以及所述传感器数据进行加密及封装并将加密及封装后的数据传输到所述5G模组进行传输。

请参考图6、图7，图6为本发明实施例提供的网关设备的以太网数据加密及封装、解封装示意图；图7为本发明实施例提供的网关设备的以太网数据结构示意图。

本发明实施例中的以太网数据通过增加MPLS Lablel标签以及ETH头，并且增加GRE加密及封装，从而完成加密及封装，而解封装为相反的过程，首先去掉GRE加密及封装，然后去除MPLS Lablel标签以及ETH头从而得到以太网数据(Payload业务净荷)。

对于MPLS Lablel来讲，MPLS Lable为分配PW标签值；EXP：保留位；S标识Bottomof stack；TTL:本方案采用255。对于GRE头来讲，Recur：5～7bit，表示GRE报文加密及封装层数，本方案全部设置为0；VER：13～15bit，版本字段，设置为0；Protocol Type：2～3字节：协议类型，本方案设置为0X8847、MPLS加密及封装。对于IP头来讲，可以使用的Ver版本号：目前版本号为4，含义IPV4，版本号为6则为IPV6；Hlen首部长度：首部长度占用32bit，本方案设置为20；TOS复位类型：包含3bit的优先权子字段，4bit的TOS字条段和1bit的未用段设置为0.本方案设置为0X00；Total length总字节长度：整个IP数据包的长度，以字节为单位。标志位：唯一的标识主机发送的每一份数据包。Flag标志字段：3bit只有低位两位有效，用于标识分片状况。片偏移：指的是该片偏移原始数据包开始处得位置。TTL生存时间：指定了数据包可以经过的最多路有数，每过一个路由器减一，为0时这个报文被丢弃。本方案设置为255.Protocol Type协议字段：本方案设置为0x47(GRE)；Source IP address为源IP地址。DST IP address为目的IP地址。

本发明实施例提供的一种网关设备及其控制方法，利用FPGA模块进行数据的加密及封装，保证了数据安全，而且能够采集大量的传感器数据，利于在工业中的应用，并且CPU模块可以分析数据配置相应的传输模式，在不改变用户现有网络配置的情况下，实现更加稳定、安全的网络传输，另外，使用5G模块进行数据传输，由于5G是新一代移动通信系统，5G与工业融合之后，逐步成为支撑工业生产的基础设施，低时延和高带宽弥补了现有工业网络的不足；融合5G网络与原有有线网络形成对业务的主备保护，还可以提供环境数据的采集、控制、报警等功能，对原有网络可以利用又可以采用5G新技术进行融合。

图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行网关设备控制方法，该方法，包括：传感器采集模块获取用户数据；CPU模块对所述用户数据进行分析并配置传输方式；FPGA模块对用户数据以及所述传感器数据进行加密及封装并将加密及封装后的数据传输到所述5G模组进行传输。

此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的网关设备控制方法，该方法，包括：传感器采集模块获取用户数据；CPU模块对所述用户数据进行分析并配置传输方式；FPGA模块对用户数据以及所述传感器数据进行加密及封装并将加密及封装后的数据传输到所述5G模组进行传输。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种网关设备，其特征在于，包括：

CPU模块、5G数据处理转发模块、用户接口模块、传感器采集模块以及供电模块；

所述用户接口模块与所述5G数据处理转发模块连接，用于连接用户的数据接口并获取用户数据；所述CPU模块与所述5G数据处理转发模块通过控制总线连接；

所述5G数据处理转发模块包括数据交换核心、FPGA模块以及5G模组；所述数据交换核心与所述FPGA模块通信连接；所述FPGA与所述5G模组通信连接；所述传感器采集模块与所述FPGA模块通信连接，用于通过数据采集接口连接外界传感器并获取传感器数据；

当所述用户接口模块接收到用户数据后，所述CPU模块用于对所述用户数据进行分析并配置传输方式；

所述FPGA模块用于对用户数据以及所述传感器数据进行加密及封装并将加密及封装后的数据传输到所述5G模组进行传输；

所述供电模块用于对所述CPU模块、所述5G数据处理转发模块、所述用户接口模块以及所述传感器采集模块进行供电。

2.根据权利要求1所述的网关设备，其特征在于，所述CPU模块具体用于：如果所述用户数据为二层以太网数据，则根据用户是否携带VLAN信息，进入VLAN表中或是MAC地址表进行转发；如果所述用户数据为三层以太网数据进行IP地址路由表进行转发。

3.根据权利要求1所述的网关设备，其特征在于，还包括：光纤接口；

所述光纤接口用于传输经过所述FPGA模块加密及封装后的数据。

4.根据权利要求1所述的网关设备，其特征在于，还包括：设备管控模块；

所述设备管控模块与所述5G数据处理转发模块连接，用于连接管控设备，以便对所述网关设备进行管理控制。

5.根据权利要求1所述的网关设备，其特征在于，所述设备管控模块包括：

蓝牙接口单元，用于提供设备蓝牙方式登录的接口；

串口单元，用于提供设备串口方式登录的接口；

RJ45连接单元，用于提供设备以太网方式登录的接口。

6.根据权利要求1所述的网关设备，其特征在于，

所述供电模块包括：

供电限流电路单元，用于限制供电的电量值不超过阈值，以提高设备供电稳定性；

断电电容保护大暖，用于当所述网关设备断电后，提供电力续航以便网关设备安全关机。

7.根据权利要求1所述的网关设备，其特征在于，

所述CPU模块包括：

运算单元，用于提供设备运行、信息处理及管理的运算；

SDRAM存储器，用于提供所述运算单元运行时的缓存要求

FLASH存储器，用于设置信息、软件、日志以及配置信息存储。

8.根据权利要求1所述的网关设备，其特征在于，还包括：CPLD模块；

所述CPLD模块分别与所述数据交换核心、所述FPGA模块以及所述5G模组通信连接，用于控制信号指示LED的状态、复位控制。

9.根据权利要求1至8任一项所述的网关设备，其特征在于，所述CPU模块，还用于当用户数据超出5G网络最大MTU值时，对所述用户数据分片处理以保证数据传输。

10.一种网关设备控制方法，应用于如权利要求1至9任一项所述的网关设备，其特征在于，包括：

传感器采集模块获取用户数据；

CPU模块对所述用户数据进行分析并配置传输方式；

FPGA模块对用户数据以及所述传感器数据进行加密及封装并将加密及封装后的数据传输到所述5G模组进行传输。

Images