CN114827292A - 工业异构协议高速转换优化处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业异构协议高速转换优化处理方法及系统，属于工业网络技术领域。该系统包括存储队列调度单元、转换头部预存储单元和多协议数据流并行处理单元；存储队列调度单元根据工业数据流的实时性，采用不同的存储调度方法对报文数据进行调度转换处理，实现工业实时数据的优先处理；转换头部预存储单元针对工业周期性数据开辟转换数据预存储空间，避免周期性数据的重复转换；多协议数据流并行处理单元采用多核主从线程转换处理机制，完成多种工业网络数据流的并行高速转换。本发明能够在实现工业异构协议转换的同时，利用队列调度、头部预存储、多核并行处理等技术，提高协议转换效率，保障工业异构网络之间低时延的实时通信需求。

Description

工业异构协议高速转换优化处理方法及系统

技术领域

本发明属于工业网络技术领域，涉及工业异构协议高速转换优化处理方法及系统。

背景技术

随着信息化和工业化进程的不断推进，工业互联网进入了一个快速发展的时期。作为工业互联网的基础，工业网络技术发挥了重要的网络支撑作用。工厂网络通常由工业现场网络、工业骨干网等多种网络异构组成。典型的工业现场网络标准包括Profinet、EtherNet/IP等，它们已被广泛部署于各种生产现场。此外，由于IPv6技术的飞速发展，工业骨干网逐步向IPv6网络演进。在异构网络背景下，如何实现工业现场网络与IPv6骨干网的互联互通，成为影响工业网络发展的重要挑战。

协议转换是完成异构网络之间信息交互的关键。在工业网络场景中，实时数据流对传输时间非常敏感，为保证异构网络设备间的低时延数据通信，跨网数据需要进行快速转换以降低转换过程中带来的额外时延消耗。此外，由于工业现场协议类型众多，因此需引入多协议并行处理机制，以满足工业现场多种数据流并行转换的需求。

针对上述问题，亟需能够实现工业异构网络高效互联互通的协议转换优化方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供工业异构协议高速转换优化处理方法及系统，通过存储队列调度、头部预存储、多核并行处理等技术，提高协议转换速度，保障工业异构网络之间低时延的实时通信需求，实现保障工业异构网络实时高效的通信能力。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

工业异构协议高速转换优化处理系统，包括：存储队列调度单元、转换头部预存储单元和多协议数据流并行处理单元；

所述存储队列调度单元根据工业数据流的实时性，采用不同的存储调度方法对报文数据进行调度转换处理，实现工业实时数据的优先处理，保障工业网络的实时通信能力；

所述转换头部预存储单元针对工业周期性数据开辟转换数据预存储空间，避免周期性数据的重复转换，提高异构协议转换效率；

所述多协议数据流并行处理单元采用多核主从线程转换处理机制，完成多种工业网络数据流的并行高速转换，实现工业异构网络的高效互联互通。

进一步，所述存储队列调度单元基于工业数据流的实时性对报文数据进行调度转换处理，具体包括以下步骤：

S101：申请并开辟两个存储空间，以双向链表的存储形式分别对实时报文数据和非实时报文数据进行存储；

S102：接收到报文数据后，对报文进行解析，判断报文的实时性并提取其相应优先级信息；

S103：根据报文的实时性送入相应的存储空间中，并按照报文的优先级进行存储，高优先级的报文存储在链表的高地址处，低优先级的报文存放在高优先级报文的后面，处理程序会优先从存储区的高地址处获取数据；

S104：处理程序在进行协议转换之前会对开辟的实时存储空间进行判空操作，若实时存储空间不为空，则表明存储区中有工业实时数据流，需要优先处理实时存储空间的报文数据，反之，则从非实时存储空间中读取报文数据；

S105：将读取到的网络报文数据按照转换规则进行协议转换，至此基于实时性的调度转换处理完成。

进一步，所述转换头部预存储单元用于优化周期性数据的处理，将周期性数据成功转换后的以太网头部、IPv6头部和传输层头部写入预先开辟的存储空间中存储；当后续收到周期性数据时，直接从存储空间中获取预先存储的IPv6数据包头部信息，并将原数据流中的负载数据添加到头部后面，由此构造出完整的IPv6数据包；而非周期性数据具有突发性，所以不采用预存储的形式进行转换。当收到非周期性数据包时，处理程序采用实时构造IPv6数据包的方式进行转换。

进一步，所述多协议数据流并行处理单元基于多核操作系统，采用主从线程转换处理机制完成多种工业网络数据流的并行高速转换，解决了多种工业协议数据流同时达到等待转换处理和单个处理线程难以应对某种协议数据流大量涌入的问题，具体包括以下步骤：

S201：CPU初始化，通过读取系统CPU信息，确定当前CPU数量以及每个逻辑核lcore属于哪个CPU Socket；

S202：建立基于协议类型、报文数量阈值和线程对应目标核的报文数据统计表；

S203：创建第1个工业现场网络协议的转换处理主线程和多个处理从线程，然后调用线程与CPU亲和性绑定函数，设置主从线程的亲和性，将主线程与第1个逻辑核绑定，而从线程依次与剩余的第2,3,…,n个逻辑核绑定；

S204：创建第2个工业现场网络协议的转换处理主线程和多个处理从线程，然后通过亲和性设定，分别将其指定至第2个逻辑核和第1,2,…,n个逻辑核上运行；

S205：创建第n个工业现场网络协议的转换处理主线程和多个处理从线程，然后调用线程与CPU亲和性绑定函数，将第n个工业现场网络协议的处理主线程与逻辑核n绑定，从线程分别与第1,2,…,n-1个逻辑核绑定；

S206：接收到报文数据后，解析报文，判断其协议类型和统计当前协议报文数量，并将其与建立的报文数据统计表进行匹配，根据匹配结果送入对应线程进行转换处理；

S207：若当前报文类型为第1个工业现场网络协议，且报文数量小于设置阈值，则调用第1个工业现场网络协议处理主线程进行协议转换；若报文数量大于设置阈值，则调用第1个工业现场网络协议处理主线程和从线程并行处理数据；

S208：若当前报文类型为第2个工业现场网络协议，且报文数量小于设置阈值，则调用协议2处理主线程进行协议转换；若报文数量大于设置阈值，则调用第2个工业现场网络协议处理主线程和从线程并行处理数据；

S209：若当前报文类型为第n个工业现场网络协议，且报文数量小于设置阈值，则调用第n个工业现场网络协议处理主线程进行协议转换；若报文数量大于设置阈值，则调用第n个工业现场网络协议处理主线程和从线程并行处理数据。

本发明的有益效果在于：

1)本发明基于工业数据流的实时性，采用不同的存储调度方法进行数据流的转换处理，保证工业实时数据流的优先处理，满足了工业异构网络实时通信需求。

2)本发明在进行周期性数据帧格式转换时，从开辟的存储空间中读取预先写入的以太网头部、IPv6头部和传输层头部信息，以减少对周期性数据的重复转换，提高了协议转换效率。

3)本发明利用多核处理器和主从线程处理机制，将不同协议的主处理线程和从处理线程分别指定到不同的逻辑核上运行，解决了多种工业协议数据流同时达到等待转换处理和单个处理线程难以应对某种协议数据流大量涌入的问题。

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为本发明中工业异构协议高速转换优化处理总体架构图；

图2为本发明中工业周期性数据处理流程；

图3为本发明中存储队列调度处理流程；

图4为本发明中多协议数据流并行处理流程。

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4，图1为本发明工业异构协议高速转换优化处理系统的总体架构图，主要包括存储队列调度单元、转换头部预存储单元、多协议数据流并行处理单元、协议转换程序和NIC网卡设备。其中，存储队列调度单元根据工业数据流的实时性采用不同的存储调度方法，实现工业实时数据的优先处理，保障了工业网络的实时通信能力。转换头部预存储单元针对工业周期性数据开辟转换数据预存储空间，避免周期性数据的重复转换，提高了异构协议转换效率。多协议数据流并行处理单元利用多核主从线程转换处理机制，完成多种工业网络数据流的并行高速转换，实现工业异构网络的高效互联互通。协议转换程序负责完成工业线程网络与IPv6骨干网间的协议转换；NIC网卡设备负责接受工业网络数据和转发转换成功后的IPv6数据包。

图2为工业周期性数据处理流程，如图2所示，网卡设备接收到报文数据后，并判断该报文是否为网络层报文，若为网络数据流，则提取五元组信息(IPv4.src、IPv4.dst、IPv4.nextp、TCP.sport、TCP.dport)，反之，则提取三元组信息(MAC.src、MAC.dst、Ether_Type)。然后将提取的关键字段的值作为输入传入hash函数中，并计算hash值，并以hash值为索引，建立基于hash值的数据统计表，统计一段时间内收到的相同hash值的报文数量。协议转换时，先查询统计表，若当前报文的hash值对应的报文数量超过10次，则判定为周期性数据，然后从开辟的转换格式预存储区中读取预先写入的IPv6头部数据，并与提取的负载数据合并形成IPv6数据包；若当前报文的hash值对应的报文数量没有超过10次，则判定为非周期性数据，进行实时数据包构建与转换。

图3为存储队列调度处理流程，如图3所示，具体步骤如下：

S101：申请并开辟两个存储空间，以双向链表的存储形式分别对实时报文数据和非实时报文数据进行存储；

S102：接收到报文数据后，对报文进行解析，判断报文的实时性并提取其相应优先级信息；

S103：根据报文的实时性送入相应的存储空间中，并按照报文的优先级进行存储，高优先级的报文存储在链表的高地址处，低优先级的报文存放在高优先级报文的后面，处理程序会优先从存储区的高地址处获取数据；

S104：处理程序在进行协议转换之前会对开辟的实时存储空间进行判空操作，若实时存储空间不为空，则表明存储区中有工业实时数据流，需要优先处理该类报文数据，反之，则从非实时存储空间中读取报文数据；

S105：将读取到的网络报文按照转换规则进行协议转换，至此基于实时性的调度转换处理完成。

图4为多协议数据流并行处理流程，如图4所示，其基于多核操作系统，采用主从线程转换处理机制，解决了多种工业协议数据流同时达到等待转换处理和单个处理线程难以应对某种协议数据流大量涌入的问题。以Profinet与IPv6协议、EtherNet/IP与IPv6协议转换为例，通过多协议数据流并行处理进行实现，具体步骤包括：

S201：CPU初始化，通过读取系统CPU信息，确定当前CPU数量以及每个逻辑核lcore属于哪个CPU Socket；

S202：建立基于协议类型、报文数量阈值和线程对应目标核的报文数据统计表；

S203：创建Profinet协议转换处理主线程和处理从线程，然后调用线程与CPU亲和性绑定函数，设置主从线程的亲和性，将其分别绑定至逻辑核1和逻辑核2上；

S204：创建EtherNet/IP协议转换处理主线程和处理从线程，后通过亲和性设定，分别将其指定至逻辑核2和逻辑核1上运行；

S205：接收到报文数据后，解析报文，判断其协议类型和统计当前协议报文数量，并将其与建立的报文数据统计表进行匹配，根据匹配结果送入对应线程进行转换处理；

S206：若当前报文为Profinet协议，且报文数量小于设置阈值，则调用Profinet协议处理主线程进行协议转换；若报文数量大于设置阈值，则调用Profinet协议处理主线程和从线程并行处理数据；

S207：若当前报文为EtherNet/IP协议，且报文数量小于设置阈值，则调用EtherNet/IP协议处理主线程进行协议转换；若报文数量大于设置阈值，则调用EtherNet/IP协议处理主线程和从线程并行处理数据。

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.工业异构协议高速转换优化处理系统，其特征在于，该系统包括：存储队列调度单元、转换头部预存储单元和多协议数据流并行处理单元；

所述存储队列调度单元根据工业数据流的实时性，采用不同的存储调度方法对报文数据进行调度转换处理，实现工业实时数据的优先处理；

所述转换头部预存储单元针对工业周期性数据开辟转换数据预存储空间，避免周期性数据的重复转换；

所述多协议数据流并行处理单元采用多核主从线程转换处理机制，完成多种工业网络数据流的并行高速转换。

2.根据权利要求1所述的工业异构协议高速转换优化处理系统，其特征在于，所述存储队列调度单元基于工业数据流的实时性对报文数据进行调度转换处理，具体包括以下步骤：

S101：申请并开辟两个存储空间，以双向链表的存储形式分别对实时报文数据和非实时报文数据进行存储；

S102：接收到报文数据后，对报文进行解析，判断报文的实时性并提取其相应优先级信息；

S103：根据报文的实时性送入相应的存储空间中，并按照报文的优先级进行存储，高优先级的报文存储在链表的高地址处，低优先级的报文存放在高优先级报文的后面，处理程序优先从存储区的高地址处获取数据；

S104：处理程序在进行协议转换之前对开辟的实时存储空间进行判空操作，若实时存储空间不为空，则表明存储区中有工业实时数据流，需要优先处理实时存储空间的报文数据，反之，则从非实时存储空间中读取报文数据；

S105：将读取到的网络报文数据按照转换规则进行协议转换，至此基于实时性的调度转换处理完成。

3.根据权利要求1所述的工业异构协议高速转换优化处理系统，其特征在于，所述转换头部预存储单元用于优化周期性数据的处理，将周期性数据成功转换后的以太网头部、IPv6头部和传输层头部写入预先开辟的存储空间中存储；当后续收到周期性数据时，直接从存储空间中获取预先存储的IPv6数据包头部信息，并将原数据流中的负载数据添加到头部后面，由此构造出完整的IPv6数据包；当收到非周期性数据包时，处理程序采用实时构造IPv6数据包的方式进行转换。

4.根据权利要求1所述的工业异构协议高速转换优化处理系统，其特征在于，所述多协议数据流并行处理单元采用主从线程转换处理机制完成多种工业网络数据流的并行高速转换，具体包括以下步骤：

S201：CPU初始化，通过读取系统CPU信息，确定当前CPU数量以及每个逻辑核lcore属于哪个CPU Socket；

S202：建立基于协议类型、报文数量阈值和线程对应目标核的报文数据统计表；

S203：创建第1个工业现场网络协议的转换处理主线程和多个处理从线程，然后调用线程与CPU亲和性绑定函数，设置主从线程的亲和性，将主线程与第1个逻辑核绑定，从线程依次与剩余的第2,3,…,n个逻辑核绑定；

S204：创建第2个工业现场网络协议的转换处理主线程和多个处理从线程，然后通过亲和性设定，分别将其指定至第2个逻辑核和第1,2,…,n个逻辑核上运行；

S205：创建第n个工业现场网络协议的转换处理主线程和多个处理从线程，然后调用线程与CPU亲和性绑定函数，将第n个工业现场网络协议的处理主线程与逻辑核n绑定，从线程分别与第1,2,…,n-1个逻辑核绑定；

S206：接收到报文数据后，解析报文，判断其协议类型和统计当前协议报文数量，并将其与建立的报文数据统计表进行匹配，根据匹配结果送入对应线程进行转换处理；

S207：若当前报文类型为第1个工业现场网络协议，且报文数量小于设置阈值，则调用第1个工业现场网络协议处理主线程进行协议转换；若报文数量大于设置阈值，则调用第1个工业现场网络协议处理主线程和从线程并行处理数据；

S208：若当前报文类型为第2个工业现场网络协议，且报文数量小于设置阈值，则调用协议2处理主线程进行协议转换；若报文数量大于设置阈值，则调用第2个工业现场网络协议处理主线程和从线程并行处理数据；

S209：若当前报文类型为第n个工业现场网络协议，且报文数量小于设置阈值，则调用第n个工业现场网络协议处理主线程进行协议转换；若报文数量大于设置阈值，则调用第n个工业现场网络协议处理主线程和从线程并行处理数据。

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