CN113079133B - 一种网关的数据传输方法和网关设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种网关的数据传输方法和网关设备，涉及智能网关技术领域。一种网关的数据传输方法具体包括以下步骤：接收数据帧；将所述数据帧按照预设格式封装成自定义格式的数据包，并对所述数据包进行优先级配置；根据TSN协议对自定义的数据包进行封装生成TSN数据包，并以TSN数据包进行数据传输。旨在提高工业网络数据的传输效率。

Description

一种网关的数据传输方法和网关设备
技术领域
本发明涉及智能网关技术领域，特别涉及一种网关的数据传输方法和网关设备。
背景技术
目前，全球先进经济体已经进入工业4.0时代，在新工业时代背景下，工业界的竞争焦点已经变为“智能制造”，这促使工业企业的生产方式更加智能化和网络化，由此，工业物联网应运而生。工业物联网的诞生是为了满足工业界能够通过智能化、精细化管理提升生产效率、降低运营成本，使工厂内外部形成一个完整的数据传输系统。然而，随着工业应用承载的业务量和需求量日渐增加，对于工业网络的互通性、兼容性和数据传输质量有了更高的要求。
为了解决上述技术问题，现有技术采用Ethernet/IP、EtherCat、POWERLINK等技术，这些技术虽然在数据堵塞碰撞等方面有很好的解决效果，通过用软硬实时技术可以保证 1ms-100ms 内不同级别的网络实时性能，但是在云计算和大数据接入之后，对于工业控制、物联网等领域要保证网络互通和数据高效实时的确定性传输要求，现有技术就显得力不从心，因此如何实现工业网络数据的高效传输，成为了亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种网关的数据传输方法和网关设备，旨在提高对网络数据包的封装效率，从而实现数据的高效传输。
为了实现上述目的，一种网关的数据传输方法，包括以下步骤：
接收数据帧；
将所述数据帧按照预设格式封装成自定义格式的数据包，并对所述数据包进行优先级配置；
根据TSN协议对自定义的数据包进行封装生成TSN数据包，并以TSN数据包进行数据传输。
在本申请的一实施例中，所述预设格式为：协议包头，用于记载与所述数据帧相对应的设备功能信息；类型，用于记载产生所述数据帧的设备类型；数据长度，用于记录数据帧的长度信息；序号，用于记录数据帧的编号；数据内容、用于记录数据帧的内容和配置信息；以及校验位，用于数据包进行数据校验。
在本申请的一实施例中，所述协议包头包括对接收设备的动作进行设定、获取接收设备的当前状态、传递日期数据至处理模块、对处理模块中存储于存储器中的错误进行操作以及返回处理模块中的错误码中的至少一个。
在本申请的一实施例中，所述类型包括COM设备类型、CAN设备类型、LAN设备类型、PCI设备类型、LED设备类型以及EEPROM设备类型中的至少一种。
在本申请的一实施例中，所述数据内容包括获取的网络数据包和对所述网络数据包的配置信息，所述配置信息包括数据帧的协议类型、VLAN标识中的至少一个。
本申请还公开了一种采用如上任意一项所述的网关设备，包括用于接收或发送数据的接口模块，通信连接于所述接口模块并将所述接口模块获取的数据封装生成自定义数据包的中央处理模块；以及通信连接于所述中央处理模块并将自定义数据包转换成TSN数据包的TSN系统模块。
在本申请的一实施例中，所述接口模块包括用于收发网络数据的网络接口模块和用于控制所述网关设备的控制接口模块，其中所述控制接口模块包括CAN接口、UART接口中的至少一个；所述网络接口模块包括SGMII串行网口和QSGMII高速串行交换接口中的至少一个。
在本申请的一实施例中，还包括通信连接于所述中央处理模块用于对所述网络数据进行无线收发的无线传输模块。
在本申请的一实施例中，还包括通信连接于所述中央处理模块用于存储中央处理模块处理结果或存储系统镜像的存储模块。
在本申请的一实施例中，还包括电连接于所述中央处理模块用于为网关设备供电的电源管理模块。
采用上述技术方案，先从现场级设备中获取数据帧，根据预设的数据格式对获取的数据帧进行封装，在对数据帧封装完成后，将封装后的数据转换成TSN格式的数据包，然后通过TSN对TSN格式的数据包进行传输。通过预先设定的数据格式对网络数据进行封装，预先添加TSN需要获取的相关参数，使得自定义的数据包在进行TSN传输时，TSN可直接获取相关参数，从而提高了TSN对数据的处理效率。
附图说明
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细的说明，其中：
图1为本发明第一种实施例的流程示意图；
图2为本发明的物理结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。应当理解，以下具体实施例仅用以解释本发明，并不对本发明构成限制。
如图1所示，本发明公开了一种网关的数据传输方法，包括以下步骤：
S10：接收数据帧；
S20：将所述数据帧按照预设格式封装成自定义格式的数据包，并对所述数据包进行优先级配置；
S30：根据TSN协议对自定义的数据包进行封装生成TSN数据包，并以TSN数据包进行数据传输。
本申请主要用于现场级工业场景中实现工业级网络互联、工业网络数据高质量的传输。
具体的，本申请中的TSN表示时间敏感网络、自定义的数据包是指将获取的网络数据包按照协议包头、类型、数据长度、序号、数据内容以及校验位的格式生成的数据包。
具体流程为：获取工业场景下的数据帧，该数据帧包括但不限于以周期信号为主的控制信号、音视频数据、海量运维数据、远程控制信号。获取到数据帧后，对该数据帧进行识别，获取该数据帧的数据内容并根据该数据内容对该数据帧进行对应的封装，生成自定义的数据包，自定义的数据包的具体格式为：4个字节用于记载与所述数据帧相对应的设备功能信息的协议包头、1个字节用于记载产生所述数据帧的设备类型的类型、1个字节用于记录数据帧的长度信息的数据长度、4个字节用于记录数据帧的编号的序号、4个字节用于记录数据帧的内容和配置信息的数据内容以及2个字节用于数据包进行数据校验的校验位。采用上述数据格式预先对该网络数据进行封装，预先添加TSN需要获取的相关参数，使得自定义的数据包在进行TSN传输时，TSN可直接获取其相关参数，从而提高了TSN对数据的处理效率，同时采用上述封装方式，结构简单，内容涵盖全面，提高了数据封装的效率。完成数据封装后，根据TSN的数据包格式对自定义的数据包进行封装，生成TSN数据包，然后通过TSN对TSN数据包进行网络传输。
采用上述技术方案，先从现场级设备中获取数据帧，根据预设的数据格式对获取的数据帧进行封装，在对数据帧封装完成后，将封装后的数据转换成TSN格式的数据包，然后通过TSN对TSN格式的数据包进行传输。通过预先设定的数据格式对网络数据进行封装，预先添加TSN需要获取的相关参数，使得自定义的数据包在进行TSN传输时，TSN可直接获取相关参数，从而提高了TSN对数据的处理效率。
在本申请的一实施例中，所述协议包头包括对接收设备的动作进行设定、获取接收设备的当前状态、传递日期数据至处理模块、对处理模块中存储于存储器中的错误进行操作以及返回处理模块中的错误码中的至少一个。
具体的，获取数据帧并对该数据帧进行识别，当该数据帧为对接收设备的动作进行设定时，将自定义的数据包的协议包头的内容为对应设定为“对接收设备的动作进行设定”，此时的自定义的数据包中的4字节的序号无意义，自定义的数据包的数据内容中就包含对接收设备打开或者断开的操作指令，处理模块获取包含打开或断开继电器指令后执行该指令并返回成功或者失败结果。
当该数据帧为获取接收设备的当前状态时，将自定义的数据包的协议包头的内容对应设定为“获取接收设备的当前状态”，此时自定义的数据包中的4字节的序号无意义，自定义的数据包的数据内容中就包含获取接收设备状态的指令。
其中，传递日期数据至处理模块、对处理模块中存储于存储器中的错误进行操作以及返回处理模块中的错误码与上述内容除包头信息和数据特征值（数据特征值是指该需要调整设备的具体位置和对应参数）不同外，处理流程基本一致，因此在此不再一一赘述。
采用上述技术方案，通过识别获取的网络数据的数据内容，根据该数据内容选择对应的协议包头，对数据重新进行封装，避免封装时出现封装错误，保证数据传输的准确性。自定义的数据包将数据帧的操作指令写入到包头中，便于后续TSN对自定义的数据包操作指令的识别，提高了TSN对数据的处理效率。
在本申请的一实施例中，所述类型包括COM设备类型、CAN设备类型、LAN设备类型、PCI设备类型、LED设备类型以及EEPROM设备类型中的至少一种。
具体的，在对获取的网络数据进行分析后，确定该数据属于哪一类设备并将该类设备类型标注于自定义的数据包中，进一步保证数据传输的准确性。
其中，COM表示串行通讯端口、CAN表示控制器局域网络、LAN表示局域网、PCI表示设备部件总线、LED表示发光二极管、EEPROM表示带电可擦可编程只读存储器。
在申请的一实施例中，所述数据内容包括获取的网络数据包和对所述网络数据包的配置信息，所述配置信息包括数据帧的协议类型、VLAN标识中的至少一种
具体的，数据内容用于记录获取的数据帧和对该数据帧的配置信息，通过将配置信息写入数据内容中，在对自定义的数据包进行TSN封装转发时，TSN可直接获取自定义的数据包中的配置信息，提高了TSN的处理效率。
在自定义的数据包的配置信息中设定协议类型和VLAN标识，使得TSN可直接获取自定义的数据包中的协议类型和VLAN标识，无需TSN对配置信息进行处理（此处的处理包括添加、删除以及修改等操作），提高了TSN的处理效率。
如图2所示，本申请还公开了一种采用如上任意一项所述的网关设备，包括用于接收或发送数据的接口模块，通信连接于所述接口模块并将所述接口模块获取的数据封装生成自定义数据包的中央处理模块；以及通信连接于所述中央处理模块并将自定义数据包转换成TSN数据包的TSN系统模块。
具体的，接口模块用于实现数据帧的接收和发送和/或对网关设备进行通用控制，其中用于数据收发的网络接口其至少包括由5个物理端口构成的两路接口，一路支持SGMII串行网口，10/100/1000M 速率可自适应配置；另一路支持QSGMII高速串行交换接口，外接Switch PHY，可引出4个带有TSN功能的网络接口，用于发送或接收其他设备的数据流。其中，TSN Endpoint网口对应网络设备节点为eno0，TSN switch扩展的4个网口对应的网络设备节点分别为swp0/swp1/swp2/swp3。整体面向千兆接口设计，并兼容现在工业网络广泛使用的百兆接口，有效提高了端口处理数据的速率。用于通用控制的主要包括2个CAN 接口和2 个UART 接口，其中两个CAN端口支持高达5Mbit/s的数据速率；2个UART串口分别定义为COM1和COM2，均为三线 RS232 方式，其中 COM1作为调试串口使用。
与接口模块通信连接的TSN系统模块，TSN系统模块内部支持多个TSN关键协议，具有协议解析功能，与中央处理模块并行协同工作。用于对生成的自定义的数据包进行封装生成TSN数据包，并对该TSN数据包采用全局时间同步、路径规划、资源实时调度等机制实现确定性传输。
与TSN系统模块通信连接的中央处理模块用于负责初始化网关参数并对获取的数据帧进行自定义的数据包封装，通过接口模块进行数据交互，协助TSN系统模块的数据传输。中央处理模块采用工业级ARM应用处理器，其内部配置了两个强大的ARM Cortex-A72内核，主频1.3GHz，采用64位Armv8架构，支持TSN以太网交换功能，可实现工业控制的实时处理。当然可以想到的是，为实现网关设备的更快速的数据处理能力，也可以采用其他主频更好的处理器作为中央处理模块。
其具体工作流程为：网络接口获取数据帧后，中央处理模块对该网络数据进行自定义的数据包封装，生成自定义的数据包。TSN系统模块获取自定义的数据包后将其封装成TSN数据包并通过TSN进行传输。
采用上述技术方案，通过网络接口接收网络数据后将需要进行TSN网络传输的数据交由TSN系统模块处理，保证数据的高效同步的传输。
在本申请的一实施例中，所述接口模块包括用于收发网络数据的网络接口模块和用于控制所述网关设备的控制接口模块，其中所述控制接口模块包括CAN接口、UART接口中的至少一个；所述网络接口模块包括SGMII串行网口和QSGMII高速串行交换接口中的至少一个。
采用上述技术方案，增加了网关设备的通用性和适用性。
在本申请的一实施例中，还包括通信连接于所述中央处理模块用于对所述网络数据进行无线收发的无线传输模块。
具体的，支持WIFI、4G/5G、蓝牙等无线模块，可实现无线数据的高效传输。
在本申请的一实施例中，还包括通信连接于所述中央处理模块用于存储中央处理模块处理结果或存储系统镜像的存储模块。
具体的，存储模块支持SD和eMMC两种类型的存储器，通过该模块向CPU内部烧录系统镜像文件，从而实现基于SD或eMMC的系统启动。当然可以想到的是，除通信连接于中央处理模块的存储模块外，还可以设置用于存储缓存文件或者数据的电子盘或机械硬盘等。方便对设备的系统或者数据进行更新操作。
在本申请的一实施例中，还包括电性连接于所述中央处理模块用于为网关设备供电的电源管理模块。
具体的，电源管理模块支持输出多轨高稳定，高精度，大功率电源，为工业数据传输系统正常运作提供电能支持。负责监控电源的工作状态，保证设备内部各个模块正常运行，在满足系统高负荷运行的同时保障工业网络环境下系统的稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种网关的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收数据帧；
将所述数据帧按照预设格式封装成自定义格式的数据包，并对所述数据包进行优先级配置；
根据TSN协议对自定义的数据包进行封装生成TSN数据包，并以TSN数据包进行数据传输，其中，所述预设格式为：协议包头，用于记载与所述数据帧相对应的设备功能信息；类型，用于记载产生所述数据帧的设备类型；数据长度，用于记录数据帧的长度信息；序号，用于记录数据帧的编号；数据内容， 用于记录数据帧的内容和配置信息；以及校验位，用于数据包进行数据校验；
所述协议包头包括对接收设备的动作进行设定、获取接收设备的当前状态、传递日期数据至处理模块、对处理模块中存储于存储器中的错误进行操作以及返回处理模块中的错误码中的至少一个。
2.如权利要求1所述的网关的数据传输方法，其特征在于，所述类型包括COM设备类型、CAN设备类型、LAN设备类型、PCI设备类型、LED设备类型以及EEPROM设备类型中的至少一种。
3.如权利要求1所述的网关的数据传输方法，其特征在于，所述数据内容包括获取的网络数据包和对所述网络数据包的配置信息，所述配置信息包括数据帧的协议类型、VLAN标识中的至少一个。
4.一种采用如权利要求1至3中任意一项所述方法 的网关设备，其特征在于，包括用于接收或发送数据的接口模块，通信连接于所述接口模块并将所述接口模块获取的数据封装生成自定义数据包的中央处理模块；以及通信连接于所述中央处理模块并将自定义数据包转换成TSN数据包的TSN系统模块。
5.如权利要求4所述的网关设备，其特征在于，所述接口模块包括用于收发网络数据的网络接口模块和用于控制所述网关设备的控制接口模块，其中所述控制接口模块包括CAN接口、UART接口中的至少一个；所述网络接口模块包括SGMII串行网口和QSGMII高速串行交换接口中的至少一个。
6.如权利要求4所述的网关设备，其特征在于，还包括通信连接于所述中央处理模块用于对网络数据进行无线收发的无线传输模块。
7.如权利要求4所述的网关设备，其特征在于，还包括通信连接于所述中央处理模块用于存储中央处理模块处理结果或存储系统镜像的存储模块。
8.如权利要求4所述的网关设备，其特征在于，还包括电连接于所述中央处理模块用于为网关设备供电的电源管理模块。
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