一种基于软件定义的自适应工业以太网网关系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于软件定义的自适应工业以太网网关系统与方法，包括工业以太网协议报文处理过程和工业以太网和工业SDN双网协同处理过程。在工业总线层网络中，工业以太网协议由于工业生产的需求，往往具有实时性和高可靠性，通过软件定义的方式，以匹配流表的形式，完成自适应协议判别，协议解析和数据处理。通过软件定义流表的匹配项，完成对多种工业以太网协议报文的匹配及处理。报文匹配动作能够结合工业以太网时隙调度和实时性、可靠性的需求，完成IT层网络的相对应调度，实现双网协同处理的功能。

An Adaptive Industrial Ethernet Gateway System and Method Based on Software Definition

【技术实现步骤摘要】
一种基于软件定义的自适应工业以太网网关系统与方法
本专利技术属于工业OT网络和IT网络融合领域，是对工业以太网网关系统的设计和专利技术，具体设计的是一种基于软件定义的具有协议自适应能力的工业以太网网关的设计与应用。
技术介绍
为了解决工业互连转型过程中，工业网络设备接口异构，互联互通难，生产流程固化调整难，产线定期检测运维难等问题，实时工业协议自适应网关系统具有高灵活性，高性能，高可靠性和高兼容性，能够满足当前智能制造转型中，柔性生产控制网络对于总线层数据进行采集和监控的需求，并为上位机对总线层设备进行实时控制，实现柔性生产提供了数据基础。在工业以太网协议百家争鸣的过程中，随着智能制造、工业4.0以及“中国制造2025”等概念的不断提出和向前推进，加速工业网络IT层和OT层融合的步伐逐渐加快，其关键技术在于将OT层的工业以太网协议转换为IT层的Ethernet协议，在此过程中，即保证信息的可靠性，也保证工业以太网的实时性，对于协议转换软件也就提出了更加严格的要求。随着工业设备相关技术的发展进步，以及工业生产的要求，目前，工业生产相关设备，特别是应用于工业以太网，工业互联网条件下的总线层设备的内部通信协议种类繁多。因此，具有协议自适应能力的工业以太网网关，通过更加灵活、定制化、可拓展的软件定义模式，自动适配总线层设备所选用的工业以太网协议，实现了多种工业以太网协议相互兼容，同时支持当前工业生产中的大部分工业以太网通信协议，实现了多厂商、多协议设备的信息兼容接入。
技术实现思路
本专利技术将针对工业操作技术网络(OT网络)和信息技术网络(IT网络)融合对于工业以太网协议报文进行采集和监控的要求，设计一种基于软件定义自适应工业以太网网关系统和报文处理方法，能够针对OT层设备不同厂商的各种工业以太网协议报文进行监控，并对所需数据进行采集。本专利技术提供如下的技术方案：一种基于软件定义的自适应工业以太网网关系统，包括：工业以太网实时同步模块，用于通过南向接口接收工业以太网的实时协议报文；软件定义匹配流表，用于根据设定的匹配项，将经过工业以太网实时同步模块的协议报文进行流表匹配；数据监控模块，用于将匹配后的报文携带的IT层网络所需数据经过缓存、封装或预处理，最后经北向接口发送给IT层网络设备。所述软件定义匹配流表包括：协议类型匹配模块，用于进行第一次匹配，即根据设定的协议类型匹配项对协议报文的报文头特征进行匹配；如果匹配失败，表示该报文并非是IT层所需的工业以太网协议报文，那么该报文由实时同步模块直接在内存操作；否则添加下一个报文进入流表，进行工业以太网协议匹配；如果协议匹配成功，表示该类型的协议报文是IT层网络节点所需，该报文的复制数据加入到相应的工业以太网协议栈进行解析，解析的结果再进行第二次匹配；网路层数据匹配模块，用于第二次匹配，即根据该网络层数据匹配项对协议报文内容进行匹配；数据包处理动作模块，根据第二次匹配结果，对应设定的数据处理动作表中的动作对工业以太网协议报文所携带的数据内容进行处理，发送给IT层网络节点。用于融合OT层网络和IT层网络，将IT层网络对于OT层网络的数据需求以软件定义的方式，在OT层网络设备进行数据通信时，获取相应的数据报文，进而得到报文内所需数据；包括以下步骤：工业以太网实时同步模块，通过南向接口接收工业以太网的实时协议报文；软件定义匹配流表，根据设定的匹配项，将经过工业以太网实时同步模块的协议报文进行流表匹配；数据监控模块，将匹配后的报文携带的IT层网络所需数据经过缓存、封装或预处理，最后经北向接口发送给IT层网络设备。所述软件定义匹配流表包括以下步骤：协议类型匹配模块，进行第一次匹配，即根据设定的协议类型匹配项对协议报文的报文头特征进行匹配；如果匹配失败，表示该报文并非是IT层所需的工业以太网协议报文，那么该报文由实时同步模块直接在内存操作；否则添加下一个报文进入流表，进行工业以太网协议匹配；如果协议匹配成功，表示该类型的协议报文是IT层网络节点所需，该报文的复制数据加入到相应的工业以太网协议栈进行解析，解析的结果再进行第二次匹配；网路层数据匹配模块，进行第二次匹配，即根据该网络层数据匹配项对协议报文内容进行匹配；数据包处理动作模块，根据第二次匹配结果，对应设定的数据处理动作表中的动作对工业以太网协议报文所携带的数据内容进行处理，发送给IT层网络节点。双网协同处理方法，包括以下步骤：工业以太网实时同步模块接收到由工业以太网调度系统周期性的协议报文，动态获取到工业以太网组网内的调度模式；由网关系统实时同步模块获取到工业以太网调度系统模型，包括：调度系统的周期，调度系统协议报文标识符，网络传输优先级；将工业以太网调度系统模型依次通过一次匹配和二次匹配，由数据包动作处理模块生成相应的匹配动作，匹配动作对应IT网络中的调度模式，将工业以太网网络调度系统的周期、协议报文所涉及到的内容数据以及优先级，通过调度模式发送至工业SDN网络；其中，调度模式为IT层网络调度的时隙，数据内容所涉及到的源、目的节点，网络传输优先级，预留带宽中的一种。工业以太网组网处理方法，包括以下步骤：网关系统南向接口接收到工业以太网环境中主从站之间的通信协议报文，软件定义匹配流表对协议报文进行工业以太网协议类型的匹配；首次匹配中，根据IT层网络节点的需求设定协议类型匹配项，实现工业以太网协议类型流表项；判定该报文类型是否为IT层所需报文类型，如果判定为否，由其他类型报文的处理流程对该报文进行处理；如果判定结果为是，网络层数据匹配模块进行网络数据匹配；网络层数据匹配模块针对不同的工业以太网协议，通过预先根据IT层的数据需求实现的网络层数据匹配项，对报文进行二次匹配；如果匹配结果为否，由工业以太网实时同步模块直接将报文发回组网环境中，以继续传输；如果匹配结果为是，将数据按照二次匹配的结果，以对应的动作，由数据监控模块对数据内容进行解析、封装和预处理，通过北向接口发送到IT层网络中，使IT层所需的OT层数据符合IT层网络传输的形式进行封装和处理，进而满足IT层网络传输的需求。本专利技术的有益效果和优点如下：1.本专利技术针对工业以太网和工业SDN网络相互融合过程中，难以解决OT层网络协议的识别，解析以及处理的需求，采用软件定义的方式，以流表匹配的方式，满足双网融合及协同处理的需求，进一步提升网络性能。2.在工业总线层网络中，工业以太网协议由于工业生产的需求，往往具有实时性和高可靠性，通过软件定义的方式，以匹配流表的形式，完成自适应协议判别，协议解析和数据处理。3.通过软件定义流表的匹配项，完成对多种工业以太网协议报文的匹配及处理。报文匹配动作能够结合工业以太网时隙调度和实时性、可靠性的需求，完成IT层网络的相对应调度，实现双网协同处理的功能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1是本专利技术应用部署的示意图；图2是本专利技术基于软件定义自适应工业以太网协议报文处理实现流程示意图；图3是本专利技术基于软件定义自适应工业以太网本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于软件定义的自适应工业以太网网关系统，其特征在于，包括：工业以太网实时同步模块，用于通过南向接口接收工业以太网的实时协议报文；软件定义匹配流表，用于根据设定的匹配项，将经过工业以太网实时同步模块的协议报文进行流表匹配；数据监控模块，用于将匹配后的报文携带的IT层网络所需数据经过缓存、封装或预处理，最后经北向接口发送给IT层网络设备。

【技术特征摘要】
1.一种基于软件定义的自适应工业以太网网关系统，其特征在于，包括：工业以太网实时同步模块，用于通过南向接口接收工业以太网的实时协议报文；软件定义匹配流表，用于根据设定的匹配项，将经过工业以太网实时同步模块的协议报文进行流表匹配；数据监控模块，用于将匹配后的报文携带的IT层网络所需数据经过缓存、封装或预处理，最后经北向接口发送给IT层网络设备。2.根据权利要求1中所述的一种基于软件定义的自适应工业以太网网关系统，其特征在于，所述软件定义匹配流表包括：协议类型匹配模块，用于进行第一次匹配，即根据设定的协议类型匹配项对协议报文的报文头特征进行匹配；如果匹配失败，表示该报文并非是IT层所需的工业以太网协议报文，那么该报文由实时同步模块直接在内存操作；否则添加下一个报文进入流表，进行工业以太网协议匹配；如果协议匹配成功，表示该类型的协议报文是IT层网络节点所需，该报文的复制数据加入到相应的工业以太网协议栈进行解析，解析的结果再进行第二次匹配；网路层数据匹配模块，用于第二次匹配，即根据该网络层数据匹配项对协议报文内容进行匹配；数据包处理动作模块，根据第二次匹配结果，对应设定的数据处理动作表中的动作对工业以太网协议报文所携带的数据内容进行处理，发送给IT层网络节点。3.一种基于软件定义的自适应工业以太网网关实现方法，其特征在于，用于融合OT层网络和IT层网络，将IT层网络对于OT层网络的数据需求以软件定义的方式，在OT层网络设备进行数据通信时，获取相应的数据报文，进而得到报文内所需数据；包括以下步骤：工业以太网实时同步模块，通过南向接口接收工业以太网的实时协议报文；软件定义匹配流表，根据设定的匹配项，将经过工业以太网实时同步模块的协议报文进行流表匹配；数据监控模块，将匹配后的报文携带的IT层网络所需数据经过缓存、封装或预处理，最后经北向接口发送给IT层网络设备。4.根据权利要求3中所述的一种基于软件定义的自适应工业以太网网关实现方法，其特征在于，所述软件定义匹配流表包括以下步骤：协议类型匹配模块，进行第一次匹配，即根据设定的协议类型匹配项对协议报文的报文头特征进行匹配；如果匹配失败，表示该报文并非是IT层所需的工业以太网协议报文，那么该报文由实时同步模块直接在内存操作；否则添加下...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明，李栋，刘金娣，曾鹏，于海斌，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21