CN114430419B - 一种基于sdn的智能工厂中异构网络数据流重构方法 - Google Patents

一种基于sdn的智能工厂中异构网络数据流重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，其包括：S1：获取当前源设备的数据传输请求信息；S2：根据数据传输请求信息得到源设备和目的设备的地址参数和网络参数；S3：根据源设备和目的设备的网络参数，按照数据流模式的不同进行相应的数据流构建。本发明的基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，根据不同数据转发与处理过程的特殊性，对智能工厂中的数据流进行了重新设计与定义，与传统的数据流优先级方式相比，提高了异构数据流的信息交互效率，降低了平均传输时延，在复杂的工业网络环境下传输性能更好。

Description

一种基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法
技术领域
本发明属于智能制造技术领域，具体涉及一种基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法。
背景技术
在工业4.0的背景下，物联网中智能制造设备之间数据交换的需求不断增长，而传统网络中固定层次化的网络结构(OSI/ISO七层架构)则成为阻碍物联网进一步发展的障碍。人们通过引入软件定义网络(SDN)为工业生产环境提出了一个新概念，即软件定义的工业物联网，以使工业网络更加灵活。SDN的核心思想完美解决的传统网络存在的局限性，将网络数据转发和网络控制解耦合，并直接开放可编程的网络控制接口，从而实现更简洁的网络架构和更灵活的网络配置。
随着工业生产过程逐渐走向智能化，智能化工厂提出了更高的要求，而考虑到SDN架构中单控制器的局限性，因此从算法上减少控制器开销成为业界研究的重点方向，合理的对数据流进行分类和处理，是提高异构网络数据传输效率的重要手段，同时也对网络的灵活性和可配置性又提出了新的挑战。
在手机智能制造过程中，一般利用射频标签(RFID)与识别技术实现无人化流水线自动装配操作，此过程中带有射频标签的电子元器件，需要经过一片功能相同的设备区来完成同一生产需求，这些设备对电子元器件进行识别并进行相应操作，实际设备多为机械臂，电子元器件每经过一个机械臂，在识别进行操作之前，均要进行一次完整的数据流构建。电子元器件逐个与机械臂进行数据流构建，连接参数包括原地址，目的地址，协议转换方式等，双方构建数据流后进行数据交互，检查设备需要进行的操作，检查设备是否已完成操作，如果当前电子元器件在之前已完成相应操作，则断开数据连接，不进行操作，否则对设备进行相应的操作，后续设备重复以上步骤，直到该电子元器件离开当前功能区。可以看出在此过程中数据流构建盲目，而且不断进行无效数据流连接，对网络资源的浪费比较严重。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，包括：
S1：获取当前源设备的数据传输请求信息；
S2：根据所述数据传输请求信息得到所述源设备和目的设备的地址参数和网络参数；
S3：根据所述源设备和所述目的设备的网络参数，按照数据流模式的不同进行相应的数据流构建。
在本发明的一个实施例中，所述网络参数包括设备所处的网关和设备的网络协议类型。
在本发明的一个实施例中，在所述S1之前还包括：
S0：对智能工厂中的数据流进行划分，得到多种数据流模式。
在本发明的一个实施例中，所述S0包括：
根据所述源设备与所述目的设备的网络参数是否相同，将所述数据流划分为七种模式。
在本发明的一个实施例中，所述数据流模式包括：
D1s模式，表示所述源设备与所述目的设备处于同一网关，且所述源设备与所述目的设备的网络协议类型相同；
D1d模式，表示所述源设备与所述目的设备处于同一网关，且所述源设备与所述目的设备的网络协议类型不同；
D2s模式，表示所述源设备与所述目的设备处于不同网关，且所述源设备与所述目的设备的网络协议类型相同；
D2d模式，表示所述源设备与所述目的设备处于不同网关，且所述源设备与所述目的设备的网络协议类型不同；
D2e模式，表示所述源设备与所述目的设备处于不同网关，且所述源设备与所述目的设备的网络协议类型均为以太网协议；
D3e模式，表示所述目的设备为云端，且所述源设备的网络协议类型为以太网协议；
D3d模式，表示所述目的设备为云端，且所述源设备的网络协议类型与所述云端的网络协议类型不同。
在本发明的一个实施例中，所述S3包括：
S31：判断所述目的设备是否为云服务器；
S32：若所述目的设备为云服务器，则判断所述源设备的网络协议是否为以太网，根据判断结果确定数据流的模式，并构建模式对应的数据流；
S32’：若所述目的设备不是云服务器，则判断所述目的设备所处的网关与所述源设备所处的网关是否相同；
S33：若所述目的设备所处的网关与所述源设备所处的网关相同，则查找该网关下的首个空闲设备，并判断所述源设备与该空闲设备的网络协议类型是否相同，根据判断结果确定数据流的模式，并构建模式对应的数据流；
S33’：若所述目的设备所处的网关与所述源设备所处的网关不同，则查找所述目的设备所处的网关下的首个空闲设备，并判断所述源设备与该空闲设备的网络协议类型是否相同以及网络协议类型是否均为以太网，根据判断结果确定数据流的模式，并构建模式对应的数据流。
在本发明的一个实施例中，在所述S32中，根据判断结果确定数据流的模式为D3e或D3d，则根据源设备地址、源设备网关的序列号和网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流。
在本发明的一个实施例中，在所述S33中，根据判断结果确定数据流的模式为D1s或D1d，
若确定数据流的模式为D1s，则根据源设备地址、源设备网关的序列号和网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流；
若确定数据流的模式为D1d，则根据源设备地址、源设备网关的序列号和网络协议类型、目的设备的网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流。
在本发明的一个实施例中，在所述S33’中，根据判断结果确定数据流的模式为D2s、D2d或D2e，
若确定数据流的模式为D2s或D2e，则根据源设备地址、源设备网关的序列号、交换机、目的设备网关的序列号和网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流；
若确定数据流的模式为D2d，则根据源设备地址、源设备网关的序列号和网络协议类型、交换机、目的设备网关的序列号和网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，根据不同数据转发与处理过程的特殊性，对智能工厂中的数据流进行了重新设计与定义，与传统的数据流优先级方式相比，提高了异构数据流的信息交互效率，降低了平均传输时延，在复杂的工业网络环境下传输性能更好。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种按照数据流模式的不同进行相应的数据流构建的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于路由-协议的数据流重构模式示意图；
图4是本发明实施例提供的一种实验规划网络拓扑图；
图5是本发明实施例提供的一种仿真实验结果图；
图6是本发明实施例提供的一种仿真实验结果图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
本实施例提供了一种基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法的示意图，如图所示，本实施例的异构网络数据流重构方法，包括以下步骤：
S1：获取当前源设备的数据传输请求信息；
S2：根据数据传输请求信息得到源设备和目的设备的地址参数和网络参数；
以手机智能制造为例，在手机智能制造过程中，一般利用射频标签(RFID)与识别技术实现无人化流水线自动装配操作，该带有射频标签的电子元器件(即，源设备)，需要经过一片功能相同的设备区来完成同一生产需求，这些设备对电子元器件进行识别并进行相应操作，这些设备(即，目的设备)多为机械臂。
在本实施例中，传输请求信息包括源设备地址，目的设备地址以及协议转换方式。网络参数包括设备所处的网关和设备的网络协议类型。
S3：根据源设备和目的设备的网络参数，按照数据流模式的不同进行相应的数据流构建。
需要说明的是，在本实施例中，在S1之前还包括：
S0：对智能工厂中的数据流进行划分，得到多种数据流模式。
具体地，S0包括：
根据源设备与目的设备的网络参数是否相同，将数据流划分为七种模式。
在本实施例中，根据真实智能手机制造场景，考虑到实际场景中不同设备之间通信的特殊性，将数据流划分为七种模式。需要说明的是，生产制造执行系统通知一个新业务订单需要完成，在RFID经过生产流水线之前，通过广度优先遍历挑选出空闲的设备并与RFID建立数据流，这个搜索过程可以看做是一个图和节点的遍历，根据数据流的不同对其需要绑定的机器进行数据交互的方式也不相同，考虑到SDN网络中openflow协议本身默认支持以太网协议，因此，在本实施例中，对以太网协议中的设备进行特殊化处理。
具体地，请结合参见图3，图3是本发明实施例提供的一种基于路由-协议的数据流重构模式示意图，如图所示，数据流模式包括：D1s模式、D1d模式、D2s模式、D2d模式、D2e模式、D3e模式和D3d模式。
在本实施例中，D1s模式表示源设备与目的设备处于同一网关，且源设备与目的设备的网络协议类型相同，例如，EG2中处于mouldbus TCP协议的机械臂之间通信。D1d模式表示源设备与目的设备处于同一网关，且源设备与目的设备的网络协议类型不同，例如，EG1中AGV与CNC之间通信。
进一步地，D2s模式表示源设备与目的设备处于不同网关，且源设备与目的设备的网络协议类型相同，例如，EG2中etherCAT协议下机械臂与EG1中的CNC之间通信。D2d模式表示源设备与目的设备处于不同网关，且源设备与目的设备的网络协议类型不同，例如，AGV与机械臂之间通信。D2e模式表示源设备与目的设备处于不同网关，且源设备与目的设备的网络协议类型均为以太网协议，例如，EG3中PC终端与EG1中CNC之间通信。
进一步地，D3e模式表示目的设备为云端，且源设备的网络协议类型为以太网协议，例如，EG3中PC与云端之间通信。D3d模式表示目的设备为云端，且源设备的网络协议类型与云端的网络协议类型不同，例如AGV小车与云端之间通信。
进一步地，根据上数据流模式的分类，提出了基于路由-协议的数据流重构方法，具体地，请结合参见图2，图2是本发明实施例提供的一种按照数据流模式的不同进行相应的数据流构建的流程示意图，如图所示，S3包括：
S31：判断目的设备是否为云服务器；
S32：若目的设备为云服务器，则判断源设备的网络协议是否为以太网，根据判断结果确定数据流的模式，并构建模式对应的数据流；
具体地，在S32中，根据判断结果确定数据流的模式为D3e或D3d，则根据源设备地址、源设备网关的序列号和网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流。可选地，按照如下形式构建数据流：
“数据流＝源设备地址_源设备网关[序列号][源设备网络协议类型]_目的设备地址”。
S32’：若目的设备不是云服务器，则判断目的设备所处的网关与源设备所处的网关是否相同；
S33：若目的设备所处的网关与源设备所处的网关相同，则查找该网关下的首个空闲设备，并判断源设备与该空闲设备的网络协议类型是否相同，根据判断结果确定数据流的模式，并构建模式对应的数据流；
具体地，在S33中，根据判断结果确定数据流的模式为D1s或D1d。
若确定数据流的模式为D1s，则根据源设备地址、源设备网关的序列号和网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流。可选地，按照如下形式构建数据流：
“数据流＝源设备地址_源设备网关[序列号][源设备网络协议类型]_目的设备地址”。
若确定数据流的模式为D1d，则根据源设备地址、源设备网关的序列号和网络协议类型、目的设备的网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流。可选地，按照如下形式构建数据流：
“数据流＝源设备地址_源设备网关[序列号][源设备网络协议类型-目的设备网络协议类型]_目的设备地址”。
S33’：若目的设备所处的网关与源设备所处的网关不同，则查找目的设备所处的网关下的首个空闲设备，并判断源设备与该空闲设备的网络协议类型是否相同以及网络协议类型是否均为以太网，根据判断结果确定数据流的模式，并构建模式对应的数据流。
在S33’中，根据判断结果确定数据流的模式为D2s、D2d或D2e。
若确定数据流的模式为D2s或D2e，则根据源设备地址、源设备网关的序列号、交换机、目的设备网关的序列号和网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流。可选地，按照如下形式构建数据流：
“数据流＝源设备地址_源设备网关[序列号]_交换机_目的设备网关[序列号][目的设备网络协议类型]_目的设备地址”。
若确定数据流的模式为D2d，则根据源设备地址、源设备网关的序列号和网络协议类型、交换机、目的设备网关的序列号和网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流。可选地，按照如下形式构建数据流：
“数据流＝源设备地址_源设备网关[序列号]_交换机_目的设备网关[序列号][源设备网络协议类型-目的设备网络协议类型]_目的设备地址”。
在本实施例中，交换机用于转发数据，需要说明的是，根据源设备和目的设备所处网络协议是否相同，网络协议类型字段会设置成不同的值，即网络协议差异性体现在网络协议类型字段。在完成源设备与目的设备之间的数据流构建之后，需要将源设备与目的设备的状态修改为非空闲状态，防止重复选取目的设备。
具体地，基于路由-协议的数据流重构方法的程序配置如下：
需要说明的是，在将数据流构建完成之后，SDN控制器根据数据流的模式不同，通过不同的转发策略进行后续的数据处理操作，控制交换机发送数据包。
本实施例的基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，根据不同数据转发与处理过程的特殊性，对智能工厂中的数据流进行了重新设计与定义，与传统的数据流优先级方式相比，提高了异构数据流的信息交互效率，降低了平均传输时延，在复杂的工业网络环境下传输性能更好。
实施例二
本实施例通过仿真实验对实施例一的基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法的效果进行说明。
本实施例的仿真实验在linux环境下使用miniet仿真平台，如图4所示的实验规划网络拓扑图，选用Ryu作为SDN控制器。实验包括比较异构网络数据包的成功传输率，即可行性验证；通过比较不同网络下的传输时延，验证本实施例的方法，说明异构网络的数据转换效率。
实验1：
与传统基于物联网网关的数据包成功传输率进行对比，验证本实施例的方法的异构网络数据包传输成功率，也是对实验方案的可行性进行验证，对SDN控制器网络初始化，设置带宽为20Kb/s～200Kb/s，通过设置不同的发送速率，统计数据包成功率，实验结果如图5所示。
从图中可以看出，在给定的环境参数设置前提下，随着数据包发送速率的增大，数据包成功传输率呈现下降的趋势。由两条折线图可知，本实施例的方法SDN架构下(H-SDN)数据包的传递性能要优于基于物联网网关(IOT)数据包成功传输率。在20Kbit/s～60Kbit/s时，两种方法数据包成功传输率相差不大，主要是因为发送速率较小，在工业环境中，随着数量不断增大，在后半段可以明显看出，本文实施例的方法减少了无效数据率的构造从而增加数据包传输成功率。
实验2：
通过Mininet集成的流量自定义生成工具Iperf来模拟智能工厂中数据节点的流量分发状况，生成从边缘侧网关1子网设备(h1,h2)到边缘侧网关2子网设备(h3,h4,h5)和到边缘侧3子数据节点(h6)的流量。h2发送数据间隔设置为50ms，随机向e2中的一个或多个设备发送数据，来达到占用设备的目的，模拟DFPL系统的传输过程，分统计平均传输时延，与相同参数下的基于优先级系统DFPL和跨网络传输系统CNFS的传输时延进行对比，实验结果如图6所示。
从图中可以分析出来，在发数据发送率低于80kbit/s时，系统中设备处理数据以及传输请求较少，本实施例的方法(H-SDN)发送速率会略高于DFPL系统与CNFS系统，是因为构建数据流以及协议转换方式增加的开销造成的，但是三种方法产生的平均时延保持在一定范围内，而当发送速率再增加时，系统传输数据迅速增加，在DFPL系统中，设备之间产生无效信息交互与异构协议报数据转换的盲目性，导致系统平均时延持续增加，在CNFS系统中，因为不适合大量数据传输的架构设计，SDN核心设备接收传输请求分配资源过程中重复的开销，导致平均传输时延增加，且增加速率高于本实施例的方法，但是平均低于DFPL系统，而本实施例的方法提高了异构数据流的信息交互效率，合理分配数据流，细化数据包传输方式，在发送速率增大时保证网络时延处于相对平稳的状态，所以在复杂的工业网络环境下，本实施例的方法体现出了更良好的传输性能。
应当说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，其特征在于，包括：
S1：获取当前源设备的数据传输请求信息；
S2：根据所述数据传输请求信息得到所述源设备和目的设备的地址参数和网络参数；
S3：根据所述源设备和所述目的设备的网络参数，按照数据流模式的不同进行相应的数据流构建，包括：
S31：判断所述目的设备是否为云服务器；
S32：若所述目的设备为云服务器，则判断所述源设备的网络协议是否为以太网，根据判断结果确定数据流的模式，并构建模式对应的数据流；
S32’：若所述目的设备不是云服务器，则判断所述目的设备所处的网关与所述源设备所处的网关是否相同；
S33：若所述目的设备所处的网关与所述源设备所处的网关相同，则查找该网关下的首个空闲设备，并判断所述源设备与该空闲设备的网络协议类型是否相同，根据判断结果确定数据流的模式，并构建模式对应的数据流；
S33’：若所述目的设备所处的网关与所述源设备所处的网关不同，则查找所述目的设备所处的网关下的首个空闲设备，并判断所述源设备与该空闲设备的网络协议类型是否相同以及网络协议类型是否均为以太网，根据判断结果确定数据流的模式，并构建模式对应的数据流。
2.根据权利要求1所述的基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，其特征在于，所述网络参数包括设备所处的网关和设备的网络协议类型。
3.根据权利要求1所述的基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，其特征在于，在所述S1之前还包括：
S0：对智能工厂中的数据流进行划分，得到多种数据流模式。
4.根据权利要求3所述的基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，其特征在于，所述S0包括，
根据所述源设备与所述目的设备的网络参数是否相同，将所述数据流划分为七种模式。
5.根据权利要求1所述的基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，其特征在于，所述数据流模式包括：
D1s模式，表示所述源设备与所述目的设备处于同一网关，且所述源设备与所述目的设备的网络协议类型相同；
D1d模式，表示所述源设备与所述目的设备处于同一网关，且所述源设备与所述目的设备的网络协议类型不同；
D2s模式，表示所述源设备与所述目的设备处于不同网关，且所述源设备与所述目的设备的网络协议类型相同；
D2d模式，表示所述源设备与所述目的设备处于不同网关，且所述源设备与所述目的设备的网络协议类型不同；
D2e模式，表示所述源设备与所述目的设备处于不同网关，且所述源设备与所述目的设备的网络协议类型均为以太网协议；
D3e模式，表示所述目的设备为云端，且所述源设备的网络协议类型为以太网协议；
D3d模式，表示所述目的设备为云端，且所述源设备的网络协议类型与所述云端的网络协议类型不同。
6.根据权利要求5所述的基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，其特征在于，在所述S32中，根据判断结果确定数据流的模式为D3e或D3d，则根据源设备地址、源设备网关的序列号和网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流。
7.根据权利要求5所述的基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，其特征在于，在所述S33中，根据判断结果确定数据流的模式为D1s或D1d，
若确定数据流的模式为D1s，则根据源设备地址、源设备网关的序列号和网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流；
若确定数据流的模式为D1d，则根据源设备地址、源设备网关的序列号和网络协议类型、目的设备的网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流。
8.根据权利要求5所述的基于SDN的智能工厂中异构网络数据流重构方法，其特征在于，在所述S33’中，根据判断结果确定数据流的模式为D2s、D2d或D2e，
若确定数据流的模式为D2s或D2e，则根据源设备地址、源设备网关的序列号、交换机、目的设备网关的序列号和网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流；
若确定数据流的模式为D2d，则根据源设备地址、源设备网关的序列号和网络协议类型、交换机、目的设备网关的序列号和网络协议类型、以及目的设备地址构建数据流。
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