CN115065596B - 一种基于软件定义的工业异构网络集成配置系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件定义的工业异构网络集成配置系统和方法，涉及工业网络技术领域，包括配置管理层，协同配置层，北向接口，南向接口；所述配置管理层主要进行统一化的配置策略设计和配置信息下发；所述协同配置层对配置信息进行协议解析和分发；所述协同配置层还可以对配置策略进行拆分和指令生成；所述协同配置层还负责配置下发流程的实时状态检测；所述北向接口支持应用服务对网络集成配置的管理、数据获取和需求下发；所述南向接口接受所述协同配置层调用，进行数据层与控制层配置数据下发和设备状态反馈。本发明能够兼容大部分工业有线与无线网络，保障网络功能的可拓展性，减少因异构网络设备响应差异化导致的配置错误。

Description

一种基于软件定义的工业异构网络集成配置系统和方法

技术领域

本发明涉及工业网络技术领域，尤其涉及一种基于软件定义的工业异构网络集成配置系统和方法。

背景技术

智能工厂作为智能制造最重要的实践领域，旨在实现生产流程全要素互联与生产过程自动化、精益化，加强生产信息的交互和提高各类生产设备的可控性则显得尤为重要。随着智能工厂规模的逐渐扩大，对复杂工业网络传输和控制节点的统一管理和集中配置成为高效管控的关键。尤其面对灵活多变的柔性生产带来的网络快速更新需求，更需要一套完善的集成配置方案。

然而，在现有的大部分智能化工业场景中，新型生产服务多样化与传统工业设备不匹配，导致工业生产转型过程中网络与设备的互联障碍，不同类型的工业异构网络混合、异构网络设备配置参数与配置流程差异大、设备间跨协议互操作性较差等问题频现。现有的网络配置方案大多以各类网络或各类设备单独配置为主，不仅无法有效促进生产信息的互联互通，还大大增加了工业自动化部署的难度，相较于异构网络集中配置方案，缺乏整体性和一致性，也失去了异构网络控制的协同优势。

经检索调研，国内专利申请号为201811519692.5的名称为“基于软件定义的工业融合网络管理方法及其网络管理器”专利，通过定义针对不同工业以太网协议的南向接口库方法，结合北向接口的网络配置管理服务，实现工业融合网络协议处理及网络配置策略下发，但其仅支持工业有线网络的融合，且在网络配置管理服务抽象层内缺乏不同异构网络间的协同；国内专利申请号为201810432135.3的名称为“一种基于SDN的异构工业网络集中式融合管理方法”专利，在控制层设计了一种集中式工业SDN(Software DefinedNetwork，软件定义网络)控制器，将工业无线网络的系统管理功能和工业以太网的报文控制功能集中，实现对异构网络的融合管理，但其整个工业SDN控制器的功能模块与通用接口相对固定，配置信息下发以工业以太网为核心，缺乏灵活性与拓展性；国内专利申请号为201811444775.2的名称为“基于SDN的智能产线多模态数据交互系统及方法”专利，通过设备控制面和数据面解耦实现网络流量的灵活控制，同时考虑了产线中有线和无线网络的混合，使数据采集网络系统更加灵活方便，但其主要关注点在于多模态数据交互和多协议转化，对于异构网络管理和配置流程没有详细刻画。

现有技术没有形成有效的工业有线与无线网络兼容的集成配置方案，对各类网络进行单独配置会大大降低工业网络配置的效率，造成网络更新响应速度慢；现有技术没有考虑对新增网络和新增协议的可拓展性，无法满足实际生产和工厂管理过程中新设备接入和生产需求变化等情况下的灵活性需求；目前，现有技术缺乏对实际工业生产场景中异构网络间协同的相关设计，跨协议的网络数据交互和差异化的网络设备响应导致控制层面难以实现整体一致，难以保障异构网络配置实施过程的准确性。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于软件定义的工业异构网络集成配置系统和方法，解决工业场景有线和无线异构网络设备配置流程与配置方式差异大的问题，保障配置命令下发的准确性和一致性，满足实际生产的网络高效配置需求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题主要有三方面:

一、如何设计一套工业异构网络配置集成方案，能够兼容大部分工业有线与无线网络，且能够实现网络配置流程的统一，避免各类网络单独配置；

二、如何在工业异构网络集成配置的基础上，保障网络功能的可拓展性，支持对新增网络的快速接入与适配；

三、如何通过控制面的协同保障各类异构网络间配置流程的一致性，减少因异构网络设备响应差异化导致的配置错误。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于软件定义的工业异构网络集成配置系统，其特征在于，包括配置管理层，协同配置层，北向接口，南向接口；

所述配置管理层根据现场网络状态的更新信息或应用层的生产需求生成相应的流量调度方案，统合异构网络差异化的资源属性，进行统一化的配置策略设计和配置信息下发；

所述协同配置层对所述配置信息进行协议解析和分发，将分发后的各所述配置信息下发至对应各类异构网络协议的所述南向接口；所述协同配置层还可以对所述配置策略进行拆分和指令生成，将总体所述配置策略转化为具体网络设备的配置指令下发序列；所述协同配置层还负责配置下发流程的实时状态检测，具备多协议配置流程的验证和反馈功能；

所述北向接口支持应用服务对网络集成配置的管理、数据获取和需求下发；所述南向接口接受所述协同配置层调用，进行数据层与控制层配置数据下发和设备状态反馈，各类所述南向接口适配对应异构网络的通信协议。

进一步地，所述配置管理层包括北向接口层，信息模型层和功能集成层；

所述北向接口层接收来自于应用层的生产服务需求或终端设备请求，为下层提供配置资源与配置需求，为上层提供配置流程数据反馈，支持对所述北向接口的设计和拓展；

所述信息模型层基于工业设备信息模型构建规范，实现异构网络设备信息集成，定义对应类型模型并储存实例化模型方案；

所述功能集成层支持配置数据储存与历史数据分析，包含各类有线与无线工业网络基础配置功能模块和通用的网络配置模块，可实现主流工业网络控制功能软件化，生成统一配置指令和对应配置策略。

进一步地，所述协同配置层包括配置分发模块和多个子配置模块；

所述配置分发模块内置各类工业协议库，可对所述配置策略进行解耦合，生成分布式的各类异构网络配置策略和特定网络设备可操作指令；

所述多个子配置模块分别对应特定所述南向接口，每个所述子配置模块负责一类异构网络的配置数据传输，为异构网络设备提供配置信息下发通道和设备状态监测接口，同时所述子配置模块间存在跨协议通信，形成异构网络间配置流程的协同反馈，控制各自配置流程速率和总体下发序列。

一种基于软件定义的工业异构网络集成配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、网络应用层生产需求经过北向接口下发，应用层采集的网络状态基本信息和更新信息也同时经过北向接口传递给网络控制层；

步骤2、北向接口层获取相关网络拓扑与设备数据，进行网络可调度资源分析整理；

步骤3、信息模型层对可调度资源池内的设备信息进行信息集成和信息标准化，生成统一的配置指令模板；

步骤4、功能集成层依据可调度设备信息与生产需求，确定可调用网络功能模块，生成总体网络调度方案，调用统一配置指令模板生成统一配置指令和对应配置策略；

步骤5、配置分发模块将配置指令和配置策略进行各类网络解耦合，生成特定网络设备的配置指令；

步骤6、子配置模块根据网络协议适配对应的南向接口，将配置指令进行下发；

步骤7、子配置模块获取配置指令下发后的配置反馈信息，进行模块间配置序列和响应时延校验，进行信息更新和实时修正，完成配置指令下发协同配置。

进一步地，所述步骤1中，所述网络状态基本信息，包括网络拓扑、链路容量和设备静态属性；所述设备静态属性，包括各网络设备的型号、序列号、运行参数参考值、支持协议类型、配置参数信息；

所述网络状态更新信息，包括设备接入请求、设备故障检测信息。

进一步地，所述步骤3中，所述信息集成是所述信息模型层根据预先构建的异构设备类型模型，对可调度的网络设备进行协议地址空间映射，并依据类型模型中的定义类型和标准方法进行类型实例化，生成实际生产场景的工业异构设备实例对象。

进一步地，所述步骤3中，所述信息标准化是对实例化的工业异构设备对象进行功能接口的统一和参数标准化，包括标准化通信参数和标准化配置参数；

所述标准化通信参数，包括数据流ID、数据帧通信周期、最大数据帧长度、通信间隔、故障编码等有线与无线网络底层通信参数的合并类；

所述标准化配置参数，包括接口名称、MAC地址、VLAN ID、数据优先级编码等有线与无线网络底层配置参数的合并类。

进一步地，所述步骤4中，所述可调用网络功能模块由实际设备信息和生产需求决定，生产需求经由服务质量映射转化为具体的网络控制需求，并拆分为实际异构网络子控制需求，依据可调度资源确定需要的有线和无线功能模块；计算分析模块为复杂的调度任务提供历史数据和相关算法支持，并对重要调度任务配置数据进行风险性备份。

进一步地，所述步骤4中，所述对应配置策略包括配置指令下发序列、配置指令轮次、单次配置指令下发延迟、校验机制。

进一步地，所述步骤7中，所述配置反馈信息包括设备运行参数、设备配置版本信息、配置更新响应延迟、网络状态一致性；

所述网络状态一致性包括网络是否形成路径回环、是否出现数据黑洞、是否超出链路容量限制、是否满足特定节点通信需求等。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优势：

1、构建一种工业异构网络配置集成系统，基于异构设备集成和多协议解析实现了配置流程的集中和统一，提高异构网络配置效率；

2、基于软件定义网络使控制面与数据面分离，并将异构网络功能进行模块化集成，实现有线与无线网络的控制面合并，方便新设备的接入和新协议的拓展，提高集成配置的灵活性；

3、设计了各控制模块间的协同方案和配置校验机制，保障了异构网络设备配置流程的准确性；

4、构建以软件定义网络为基础的逻辑集中式配置系统，设计的各类异构网络子配置模块保留了实际配置流程的分布式特性，更好地应对实际生产中的大规模异构网络场景。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的工业异构网络集成配置系统示意图；

图2为本发明的一个较佳实施例的集成配置系统的功能结构图；

图3为本发明的一个较佳实施例的工业异构网络集成配置方法步骤流程图；

图4为本发明的一个较佳实施例的特定产线工业异构网络集成配置系统示意图；

图5为本发明的一个较佳实施例的配置信息模型示意图；

图6为本发明的一个较佳实施例的配置协同配置流程图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明提供了一种基于软件定义的工业异构网络集成配置系统，针对应用场景为工业制造产线中异构通信协议网络并存场景，包括Wifi、Zigbee等主流工业无线网络和Profinet、EtherNet/IP等主流工业有线网络，以及TSN和5G等前沿通信网络，如图1所示。图2为该集成配置系统的功能结构图，该功能结构图以部分有线和无线工业网络为例进行功能模块设计，但其结构与设计思路同样适用于其它工业网络。图3为该集成配置方法的流程示意图。

该优选实施例的特定工业产线包含TSN有线和5G无线两类异构网络，如图4所示。TSN网络为工厂内低时延高可靠的多业务流传输提供保障，终端设施包括人机交互终端、工业机械臂和摄像头等；5G应用于高移动性和差异化业务，终端设施包括工业机器人、AGV小车和无线传感器等。工厂内已建设了本地5G基站并安装了相应的管理模组，部署了可配置的本地5G网络。软件定义控制器软件部署于特定本地服务器上，通过北向接口与对应网络应用平台相连。该产线采用上述基于软件定义的工业异构网络集成配置系统进行网络设备统一配置，配置过程要求总体配置的一致性，并且避免不必要的网络单独配置流程。

异构网络集成配置过程如下：

1、本地服务器控制层通过北向接口接收来自应用平台的生产需求，同时进行网络状态信息的更新，包括TSN和5G网络拓扑、网络带宽、网络拓扑容量、两类网络支持设备、设备属性等；

2、结合已储存的网络设备信息，对网络设备进行资源化标识和统计，整合总体网络可调度资源；

3、信息模型层根据预先构建的设备类型模型，对可调度的网络设备进行类型实例化，生成实际的工业异构设备对象。两类异构网络设备信息模型具有相同的功能接口和参数项，对于不支持的他类通信参数和配置参数，相应属性值置为空，同时打上所支持网络的类型标签，如图5所示；

4、生产需求经过服务质量映射转化为总体网络的通信需求，包括调度流优先级、总体时延、总体时延抖动、丢包率、是否同步等，结合TSN有线和5G无线可调度资源，确定各类网络的子通信需求，调用相应的功能模块生成总体调度策略，包含路径设计、队列管理、流量管理等；

5、依据统一的网络设备信息模型和配置指令模板生成统一配置指令和配置策略；

6、配置分发模块将统一配置指令和配置策略解耦合，选择TSN协议适配和5G协议适配的南向接口，根据配置策略通过子配置模块将子配置指令分别下发至对应的网络设备；

7、下发配置指令阶段，检测对应网络设备的运行状态，根据反馈信息进行配置策略准确性验证和总体策略一致性验证，通过子配置模块间协同实时修正配置策略，若出现配置错误，进行配置故障分析和状态回滚，该协同配置流程图如图6所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于软件定义的工业异构网络集成配置系统，其特征在于，包括配置管理层，协同配置层，北向接口，南向接口；

所述配置管理层根据现场网络状态的更新信息或应用层的生产需求生成相应的流量调度方案，统合异构网络差异化的资源属性，进行统一化的配置策略设计和配置信息下发；

所述协同配置层对所述配置信息进行协议解析和分发，将分发后的各所述配置信息下发至对应各类异构网络协议的所述南向接口；所述协同配置层还可以对所述配置策略进行拆分和指令生成，将总体所述配置策略转化为具体网络设备的配置指令下发序列；所述协同配置层还负责配置下发流程的实时状态检测，具备多协议配置流程的验证和反馈功能；

所述北向接口支持应用服务对网络集成配置的管理、数据获取和需求下发；所述南向接口接受所述协同配置层调用，进行数据层与控制层配置数据下发和设备状态反馈，各类所述南向接口适配对应异构网络的通信协议。

2.如权利要求1所述的基于软件定义的工业异构网络集成配置系统，其特征在于，所述配置管理层包括北向接口层，信息模型层和功能集成层；

所述北向接口层接收来自于应用层的生产服务需求或终端设备请求，为下层提供配置资源与配置需求，为上层提供配置流程数据反馈，支持对所述北向接口的设计和拓展；

所述信息模型层基于工业设备信息模型构建规范，实现异构网络设备信息集成，定义对应类型模型并储存实例化模型方案；

所述功能集成层支持配置数据储存与历史数据分析，包含各类有线与无线工业网络基础配置功能模块，和通用的网络配置模块，可实现主流工业网络控制功能软件化，生成统一配置指令和对应配置策略。

3.如权利要求1所述的基于软件定义的工业异构网络集成配置系统，其特征在于，所述协同配置层包括配置分发模块和多个子配置模块；

所述配置分发模块内置各类工业协议库，可对所述配置策略进行解耦合，生成分布式的各类异构网络配置策略和特定网络设备可操作指令；

所述多个子配置模块分别对应特定所述南向接口，每个所述子配置模块负责一类异构网络的配置数据传输，为异构网络设备提供配置信息下发通道和设备状态监测接口，同时所述子配置模块间存在跨协议通信，形成异构网络间配置流程的协同反馈，控制各自配置流程速率和总体下发序列。

4.一种基于软件定义的工业异构网络集成配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、网络应用层生产需求经过北向接口下发，应用层采集的网络状态基本信息和更新信息也同时经过北向接口传递给网络控制层；

步骤2、北向接口层获取相关网络拓扑与设备数据，进行网络可调度资源分析整理；

步骤3、信息模型层对可调度资源池内的设备信息进行信息集成和信息标准化，生成统一的配置指令模板；

步骤4、功能集成层依据可调度设备信息与生产需求，确定可调用网络功能模块，生成总体网络调度方案，调用统一配置指令模板生成统一配置指令和对应配置策略；

步骤5、配置分发模块将配置指令和配置策略进行各类网络解耦合，生成特定网络设备的配置指令；

步骤6、子配置模块根据网络协议适配对应的南向接口，将配置指令进行下发；

步骤7、子配置模块获取配置指令下发后的配置反馈信息，进行模块间配置序列和响应时延校验，进行信息更新和实时修正，完成配置指令下发协同配置。

5.如权利要求4所述的基于软件定义的工业异构网络集成配置方法，其特征在于，所述步骤1中，所述网络状态基本信息，包括网络拓扑、链路容量和设备静态属性；所述设备静态属性，包括各网络设备的型号、序列号、运行参数参考值、支持协议类型、配置参数信息；

所述网络状态更新信息，包括设备接入请求、设备故障检测信息。

6.如权利要求4所述的基于软件定义的工业异构网络集成配置方法，其特征在于，所述步骤3中，所述信息集成是所述信息模型层根据预先构建的异构设备类型模型，对可调度的网络设备进行协议地址空间映射，并依据类型模型中的定义类型和标准方法进行类型实例化，生成实际生产场景的工业异构设备实例对象。

7.如权利要求4所述的基于软件定义的工业异构网络集成配置方法，其特征在于，所述步骤3中，所述信息标准化是对实例化的工业异构设备对象进行功能接口的统一和参数标准化，包括标准化通信参数和标准化配置参数；

所述标准化通信参数，包括数据流ID、数据帧通信周期、最大数据帧长度、通信间隔、故障编码等有线与无线网络底层通信参数的合并类；

所述标准化配置参数，包括接口名称、MAC地址、VLAN ID、数据优先级编码等有线与无线网络底层配置参数的合并类。

8.如权利要求4所述的基于软件定义的工业异构网络集成配置方法，其特征在于，所述步骤4中，所述可调用网络功能模块由实际设备信息和生产需求决定，生产需求经由服务质量映射转化为具体的网络控制需求，并拆分为实际异构网络子控制需求，依据可调度资源确定需要的有线和无线功能模块；计算分析模块为复杂的调度任务提供历史数据和相关算法支持，并对重要调度任务配置数据进行风险性备份。

9.如权利要求4所述的基于软件定义的工业异构网络集成配置方法，其特征在于，所述步骤4中，所述对应配置策略包括配置指令下发序列、配置指令轮次、单次配置指令下发延迟、校验机制。

10.如权利要求4所述的基于软件定义的工业异构网络集成配置方法，其特征在于，所述步骤7中，所述配置反馈信息包括设备运行参数、设备配置版本信息、配置更新响应延迟、网络状态一致性；

所述网络状态一致性包括网络是否形成路径回环、是否出现数据黑洞、是否超出链路容量限制、是否满足特定节点通信需求等。