CN112422419A

CN112422419A - 一种具备工业数据采集的5g网关路由器及其应用方法

Info

Publication number: CN112422419A
Application number: CN202011225691.7A
Authority: CN
Inventors: 张启飞; 郭肖晓; 章晟; 陈思颢; 李文娟
Original assignee: Hangzhou Mingwu Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Mingwu Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2021-02-26

Abstract

本发明公开了一种具备工业数据采集的5G网关路由器及其应用方法，包括N个工业数采网关、工业以太网、有线ISP路由器、5G网关路由器。其中5G路由器由数采网关和5G模块组成，一般情况下，该5G网关路由器为一个数采网关，并且所有的数采网关通过有线ISP路由器作为默认数据出口；当有线ISP路由器出现异常时，N个数采网关将通过5G网关路由器作为默认数据出口，5G网关路由器将具备数采网关和5G路由器的双重功能。N个数采网关采用动态优先级路由切换算法(DPRHA)。解决了目前工业数采中网络可靠性低的问题，即节省了成本又提升了工业数采网络的可靠性，达到以最小的硬件成本和最小的5G网络费用成本来提升网络可靠性的目标。

Description

一种具备工业数据采集的5G网关路由器及其应用方法

技术领域

本发明涉及网络、网络设备、工业互联网领域，具体是一种面向工业数据采集的5G路由设备和系统。

背景技术

网络层作为OSI参考模型中的第三层，其目的是实现两个端系统之间的数据透明传送。路由器作为工作在网络层上的设备，可以对不同的网络之间的数据包进行路由、存储、分组转发等处理。路由器的可靠性直接影响着网络互连的质量，但路由器可因为配置不当、黑客攻击、硬件软件失败的原因失败。工业互联网主要通过智能机器间的连接最终将人机连接，随着工业互联网的快速发展，其对网络的可靠性要求逐渐提高，这就需要在生产活动中使用可靠且成本低廉的路由器。

随着第五代移动通信技术的发布，5G路由器逐渐进入人们视线。5G网络的主要优势在于远高于以往蜂窝网络的数据传输速率以及更快的响应时间(即较低的网络延迟)。由于上述优点，5G网络今后将不仅仅应用于手持无线设备，更可以参与同有线网络提供商的竞争，因此作为5G网络应用场景下的5G路由器也具有广阔的前景。

在工业数据采集领域中，通常采用有线ISP路由器接入网络，但其可靠性仍然不高，在其发生故障时需要相应的保险方案。因此需要寻找到一条能兼具成本控制与提升技术的方案，该方案应具备工业数据采集功能，同时利用5G网络的优势保证网络的可靠性，在此技术上尽量以最少的硬件成本与网络费用达到提升网络可靠性的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备工业数据采集的5G网关路由器及其应用方法，使用本地ISP路由器以及5G路由器共同保证数采网关网络的可靠性。采用iptables命令来实现工业数据采集的功能和5G路由器的功能；

本发明是通过以下技术方案实现的：一种具备工业数据采集的5G网关路由器，系统包含：N个工业数采网关、工业以太网、有线ISP路由器、5G网关路由器；

本发明中5G路由器，其能够实现将工业以太网等内网中的数据转接经5G路由器发送到外网的功能。在本地ISP路由器能正常工作的情况下，数据经本地ISP路由器进行内网与外网的数据交换；当本地ISP路由器发生故障时，利用iptables命令将原本经本地ISP路由器交换的数据转变为经5G路由器的数据交换；当检测到5G路由器网络情况不稳定，且本地ISP路由器恢复正常时，将数据交换任务再次转接给本地ISP路由器。

本发明中数采网关，能够实现对数据源数据的收集，多个数采网关阵列将极大提高收集效率。对数据的高速采集，有利于解决因数据采集速率过低而产生的数据丢失以及数据失真的问题，从而实现收集真实有效的数据以便后期对数据仓库中存储的数据进行二次加工的目标；

本发明中的具备工业数据采集的5G网关路由器，该路由器的实现方法包括如下具体步骤：

步骤1：对本地ISP路由器以及5G路由器的工作状态进行定时检测，对检测的时间间隔的设定应根据实际的工业需要相适应；

步骤2：当本地ISP路由器工作正常时，5G路由器不启用；当本地ISP路由器发生故障时，利用Linux的iptables命令将数采网关阵列的网络请求经工业以太网重定向至5G路由器，这时5G路由器处于工作状态，原本经本地ISP路由器的数据将通过5G路由器进行数据传输，具体步骤如下：

2.1启用IP转发；

2.2设置有线网卡及其子网卡IP地址与其掩码，并添加一条到内网的路由记录；

2.3对地址进行伪装，将5G路由器的IP地址替换为源IP地址；

2.4利用DNAT技术将外网发送到有线ISP路由器的数据转发到5G路由器；

2.5利用SNAT技术将内网发送到有线ISP路由器的数据转发到5G路由器；

2.6启动dhcpd服务端为底下的设备自动分配IP地址，自此完成数据从本地ISP路由器到5G路由器的嫁接；

步骤3：5G网关路由器开始采用动态优先级路由切换算法。对局域网内部的N个数采网关来说，按照所采集数据的重要性以及及时性进行优先级排序，优先级高的数据在排在等待队列的前部，将被优先路由；对外部网络来说，经评测当前网络状态，选择线路最佳的网络进行切换；

步骤4：在进行优先级调整时采用随机数尝试算法避免拥塞控制。根据目标数据选择合适的最小采集周期T_λ，并且随机数范围满足不等式[3δ，10δ]，10δ＜T_λ。

本发明的有益效果为：

本发明的5G网关路由器既具备了工业数据采集的功能，同时具备5G路由器的功能，解决了目前工业数采中网络可靠性低的问题，即节省了成本又提升了工业数采网络的可靠性，达到以最小的硬件成本和最小的5G网络费用成本来提升网络可靠性的目标。

附图说明

图1为本发明中方法的整体结构示意图；

图2为本发明中方法的实施流程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明中实施例中的附图，对本发明的技术方案进行完整的描述，本发明目的和效果将变得更加明显。

本发明的中装置整体结构如图1所示，N个工业数采网关通过工业以太网相互连接，工业以太网中的数据在本地ISP路由器工作正常时经过本地ISP路由器传输，当本地ISP路由器工作异常时经过5G路由器传输；

发明中的具备工业数据采集的5G网关路由器，该路由器的具体实现方法包括如下具体步骤(如图2所示)：

步骤1：对本地ISP路由器以及5G路由器的可用性以及网络状况进行定时检测，检测的时间间隔的设定应与实际的工业需要相适应；

2.1启用IP转发，参考代码如下：

wlan_0＝$(ifconfig-a wlan0|grep"inet addr")；

#echo$wlan_0；

wlan_0＝${wlan_0:20:13}；

#echo$wlan_0；

echo 1>/proc/sys/net/ipv4/ip_forward；

2.2设置有线网卡及其子网卡IP地址与其掩码，并添加一条到内网的路由记录，参考代码如下：

ifconfig eth1192.168.1.1netmask 255.255.255.0；

ip route add 192.168.1.0/24dev eth1 table local_network proto staticscope link；

ifconfig eth1192.168.1.4netmask 255.255.255.0up；

2.3对地址进行伪装，将5G路由器的IP地址替换为源IP地址，参考代码如下：

iptables-t nat-A POSTROUTING-o wlan0-s 192.168.1.0/24-j MASQUERADE

2.4利用DNAT技术将外网发送到有线ISP路由器的数据转发到5G路由器，参考代码如下(即利用DNAT转换将eth1中IP为192.168.1.4流入的数据转发到内部wlan_0上)：

iptables-t nat-A PREROUTING-i eth1-d 192.168.1.4-j DNAT--to$wlan_0

2.5利用SNAT技术将内网发送到有线ISP路由器的数据转发到5G路由器，参考代码如下(即利用SNAT转换将eth1流出的源IP为wlan_0的数据转发到外部192.168.1.4上)：

iptables-t nat-A POSTROUTING-o eth1-s$wlan_0-j SNAT--to 192.168.1.4

2.6启动dhcpd服务端为底下的设备自动分配IP地址，自此完成数据从本地ISP路由器到5G路由器的嫁接，参考代码如下：

busybox udhcpd-fS/examples/eth1_udhcpd.conf

步骤3：5G网关路由器采用动态优先级路由切换算法。对局域网内部的N个数采网关来说，按照所采集数据的重要性以及及时性进行优先级排序。在实践中，可以根据应用场景的不同，分出不同的优先权类。在传输分组时，优先级高的数据在排在等待队列的前部，将被优先传输，同一优先权类的分组之间则按照先入先出的规则传输；对外部网络来说，经评测当前网络状态(使用链路状态路由选择算法或距离向量路由选择算法进行计算)，选择线路最佳的网络进行切换；

步骤4：在进行优先级调整时采用随机数尝试算法避免拥塞控制。由于网络切换将使得大量数据涌入5G路由器，为避免这一时的数据不稳定，需要根据目标数据选择合适的最小采集周期T_λ，并且随机数范围满足不等式[3δ，10δ]，10δ＜T_λ，在此随机数发送采集到的数据，从而缓解网络压力；

如无外部影响，5G网关路由器应达到一种动态稳态，即内部进行动态优先极路由切换算法的网络稳定状态。该5G网关路由器既具备了工业数据采集的功能，同时具备5G路由器的功能，实现了以最小硬件成本与最小5G网络费用提高工业数采网络可靠性的目标。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种具备工业数据采集的5G网关路由器，其特征在于，包括若干数采网关，工业以太网络，有线ISP路由器和5G路由器。

2.根据权利要求1所述的一种具备工业数据采集的5G网关路由器，其特征在于，在一般情况下，所有的数采网关将有线ISP路由器作为默认数据出口；当有线ISP路由器出现异常时，N个数采网关将5G网关路由器作为默认数据出口，即具备异常状态切换数据出口的功能。

3.根据权利要求1所述的一种具备工业数据采集的5G网关路由器，其特征在于，当有线ISP路由器出现异常时，5G网关路由器将具备数采网关和5G路由器的双重功能。

4.根据权利要求1所述的一种具备工业数据采集的5G网关路由器，其特征在于，N个数采网关采用动态优先级路由切换算法，根据当前网络的优先级切换网络。

5.根据权利要求1所述的一种具备工业数据采集的5G网关路由器，其特征在于，N个数采网关在调整优先级时采用随机数尝试算法避免拥塞控制。

6.根据权利要求1-5所述的具备工业数据采集的5G网关路由器的应用方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下：

步骤(1)：在有线ISP路由器出现异常时启用IP转发；

步骤(2)：配置网卡与子网卡，为其配置IP地址以及子网掩码，同时增加一条到内网的路由记录，使其可以同时访问外网与内网；

步骤(3)：利用MASQUERADE指令将内网IP地址伪装成源IP地址；

步骤(4)：利用DNAT转换将外部流入有线ISP路由器的数据转发到5G路由器；

步骤(5)：利用SNAT转换将内部流入有线ISP路由器的数据转发到5G路由器；

步骤(6)：启动busybox的dhcpd服务端为底下的设备自动分配IP地址，此时5G网关路由器将具有工业数据采集功能和5G路由器功能；

步骤(7)：5G网关路由器开始采用动态优先级路由切换算法并利用随机数尝试算法避免拥塞控制，在网络波动时对ISP路由器的可用性以及网络情况进行检测，若状况良好则切换回本地ISP路由器。

7.根据权利要求1所述的一种具备工业数据采集的5G网关路由器，其特征是在采用随机数尝试算法避免拥塞控制时，以T_λ为最小采集周期，限定随机数范围为[3δ，10δ]，10δ＜T_λ。