一种应用于智能工厂的异构融合网络架构及路由配制方法技术

本发明专利技术涉及一种应用于智能工厂的异构融合网络架构及路由配制方法，其中网络架构包含：现场总线网络、工业以太网以及无线网络；其中，现场总线网络主要包含：现场总线网络控制器、现场总线网络以及现场总线终端；工业以太网络主要包含：工业以太网用户设备配置模块、工业以太网网络控制模块以及网桥；无线网络主要包含：网络转换器、网关、无线网络控制面模块、无线网络用户面模块、接入网模块以及无线终端、支持无线传输的工业以太网终端。本发明专利技术能够实现基于不同网络技术的现场设备之间有效互联互通，并能够保证工业控制类业务的端到端时延限制。

A heterogeneous fusion network architecture and route configuration method applied to intelligent factory

【技术实现步骤摘要】
一种应用于智能工厂的异构融合网络架构及路由配制方法
本专利技术涉及工业互联网互联互通的网络架构，尤其涉及一种应用于智能工厂的异构融合网络架构及路由配制方法。
技术介绍
智能制造成为新一轮工业革命的核心技术，工厂生产过程的智能化则成为实现智能制造的最为关键的环节。其中网络互联是实现生产过程智能化中全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析的基础，引领工业制造领域的智能控制、运营优化和生产组织方式的变革。因此，必须构建具备低时延、高可靠、广覆盖等特点的关键网络基础设施以满足工业智能化发展需求。工业互联网的网络连接通常分为两个层次：操作技术(OT，OperationalTechnology)网络和信息技术(InformationalTechonolgy)网络。OT网络主要位于工厂内的现场级及车间级，且由于历史原因不同生产设备商采用了多个协议标准，从而在同一个现场及车间将会出现多种传输协议，主流技术包含现场总线、工业以太网及工业无线技术。然而，现有主流连接技术(比如Profinet、modus等)在时延、可靠性、带宽等方面均无法满足当前智能制造的业务需求。因此，近些年，将第五代移动通信技术(5G)、时延敏感网络(TSN，timesensitivenetwork)等新兴网络技术用于工业互联网已成为业界共识。新技术全面取代原有技术仍是一个漫长的过程，可以预见的是未来相当长一段时间内将会是多种异构工业网络技术共存的局面。因此，支持智能工厂互联互通的融合架构应该包含现场总线、工业以太网及工业无线技术的融合。>然而，现阶段智能工厂异构网络融合方案的研究尚处初级阶段[1]-[3]，同时考虑这三种网络连接技术异构融合的研究成果极少，尤其是涉及到TSN、5G等新型网络技术异构融合的相关成果甚少，从而导致现有的异构融合网络架构无法真正实现工业互联网中端到端的业务服务质量需求，因此有必要提出涉及现场总线网络、工业以太网以及无线网络的融合方案，尤其是TSN、5G等新型网络技术与现有总线网络融合的方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，解决现有异构网络融合方案中存在的上述缺陷。为实现上述目的，一方面，本专利技术提供了一种智能工厂互联互通的异构融合网络架构，该异构融合网络架构包含三种网络：现场总线网络、工业以太网以及无线网络。现场总线网络模块主要包含可编程逻辑控制器、现场总线网络以及现场总线终端；工业以太网络主要包含工业以太网用户设备配置模块、工业以太网网络控制模块以及网桥；无线网络包含网络转换器、网关、无线网络控制面模块、无线网络用户面模块、接入网模块以及无线终端、支持无线传输的工业以太网终端。基于上述架构，智能工厂异构融合网络的互联互通分为用户面和控制面两个层面的互联互通。用户面的互联互通主要通过两种网络模块实现：网桥和网关。其中，网桥主要实现工业以太网网络与现有现场总线网络之间的信令、数据的转换与传输。网关有两种功能，其一是实现无线网络与工业以太网之间的信令、数据的转换与传输；其二是经由无线网络，与支持无线传输的工业以太网终端设备实现无线通信。控制面的互联互通主要通过五种网络模块实现：现场总线网络控制模块、工业以太网用户设备配置模块、工业以太网网络控制模块以及无线网络中的网络转换、控制面管理模块。基于上述SDN的思想，控制面的网络功能模块负责端到端路由配置信息的生成，并下发给用户面的网络功能模块。首先，工业以太网用户设备配置模块负责描述用户的时延敏感业务服务质量需求(QoS，QualityofService)，该信息经由网络转换器转换为无线网络中的服务质量标识并形成相应的业务服务策略，经由网桥转换为现场总线网络中的控制时序并形成相应的业务服务策略，从而在现场总线网络、工业以太网及无线网络中以分布式方式形成全网一致的数据传输处理策略。该策略下发到现场总线网络控制模块、工业以太网网络控制模块以及无线网络控制面模块，实现异构融合网络中端到端的一致性路由选择策略。基于上述策略以及全网链路状态信息，利用SDN的东西向接口协议，现场总线网络控制模块、工业以太网网络控制模块以及无线网络网络控制模块之间相互协商，形成符合端到端时延限制的传输路径，以满足时延敏感工业控制业务需求。与现有智能工厂异构融合网络架构相比，本专利技术具有以下优势：1、能够同时支持现有总线技术、工业以太网以及无线网络技术的互联互通；2、基于SDN技术，能够生成端到端的传输路径，以精确控制时延敏感业务的传输时延，保证其服务质量需求；3、基于不同的生产场景及生产规模获得相应的QoS需求并动态生成网络传输策略，从而能够满足智能工厂中可伸缩的生产过程自动化需求。附图说明图1为本专利技术实施提供的一种应用于智能工厂的异构融合网络架构及路由配制方法示意图；图2为本专利技术实施提供的一种支持TSN、5G及PLC互联互通的异构融合网络架构示意图；图3为本专利技术实施提供的一种基于SDN的异构融合工业互联网端到端路由配置方法。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作更加详细的说明。图1为本专利技术实施提供的一种应用于智能工厂的异构融合网络架构及路由配制方法示意图。如图1所示，异构融合网络包含三种不同的网络：现场总线网络、工业以太网络以及无线网络。现场总线网络主要包含：现场总线网络控制器、现场总线网络以及现场总线终端；工业以太网络主要包含：工业以太网用户设备配置模块、工业以太网网络控制模块以及网桥；无线网络主要包含：网络转换器、网关、无线网络控制面模块、无线网络用户面模块、接入网模块以及无线终端、支持无线传输的工业以太网终端。本专利技术实施例能够实现基于不同网络技术的现场设备之间有效互联互通，并能够保证工业控制类业务的端到端时延限制。下面分别以Profinet现场总线网络、时延敏感工业以太网络(TSN)以及5G无线网络为例说明该网路架构的具体实施方法。如图2所示，本专利技术实施例中的异构融合网络架构具体实施例包含三种网络：Profinet现场总线网络、TSN网络以及5G网络。Profinet现场总线设备主要包含可编程逻辑控制器和现场总线终端等基于现场总线技术连接的各种设备；TSN网络主要包含TSN用户设备配置模块、TSN网络控制模块以及TSN网桥等基于TSN技术连接的各种设备；5G网络包含TSN转换器、网络功能开放模块、统一数据管理模块、策略控制模块、会话管理模块、接入管理模块等控制面功能模块，TSN/5G网关、用户面模块、接入网模块等用户面功能模块，以及5G终端、支持5G传输的TSN终端。基于上述架构，智能工厂异构融合网络的互联互通分为用户面和控制面两个层面的互联互通。用户面的互联互通主要通过两种网络模块实现：TSN网桥和TSN/5G网关。其中，TSN网桥主要实现TSN网络与现有现场总线网络之间的数据转换。TSN/5G网关有两种功能，其一是实现5G与TSN网络之间的数据转换；其二是经由5G网络，与支持5G的TSN终端设备之间实现无线通信。控制面的互联互通主要通过七种网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于智能工厂的异构融合网络架构，其特征在于，包含：现场总线网络、工业以太网以及无线网络；其中/n现场总线网络主要包含：现场总线网络控制器、现场总线网络以及现场总线终端；/n工业以太网络主要包含：工业以太网用户设备配置模块、工业以太网网络控制模块以及网桥；/n无线网络主要包含：网络转换器、网关、无线网络控制面模块、无线网络用户面模块、接入网模块以及无线终端、支持无线传输的工业以太网终端。/n

【技术特征摘要】
1.一种应用于智能工厂的异构融合网络架构，其特征在于，包含：现场总线网络、工业以太网以及无线网络；其中
现场总线网络主要包含：现场总线网络控制器、现场总线网络以及现场总线终端；
工业以太网络主要包含：工业以太网用户设备配置模块、工业以太网网络控制模块以及网桥；
无线网络主要包含：网络转换器、网关、无线网络控制面模块、无线网络用户面模块、接入网模块以及无线终端、支持无线传输的工业以太网终端。


2.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，异构融合网络架构具体包含：Profinet现场总线网络、TSN网络以及5G网络；其中，
Profinet现场总线网络主要包含：可编程逻辑控制器和现场总线终端；
TSN网络主要包含：TSN用户设备配置模块、TSN网络控制模块以及TSN网桥；
5G网络主要包含：TSN转换器、网络功能开放模块、统一数据管理模块、策略控制模块、会话管理模块、接入管理模块，TSN/5G网关、用户面模块、接入网模块等用户面功能模块，以及5G终端、支持5G传输的TSN终端。


3.根据权利要求2所述的架构，其特征在于，异构融合网络的互联互通分为用户面和控制面两个层面的互联互通；其中，
用户面的互联互通主要通过两种网络模块实现：TSN网桥和TSN/5G网关；其中，TSN网桥主要实现TSN网络与现有现场总线网络之间的数据转换；TSN/5G网关有两种功能，其一是实现5G与TSN网络之间的数据转换；其二是经由5G网络，与支持5G的TSN终端设备之间实现无线通信；
控制面的互联互通主要通过七种网络模块实现：可编程逻辑控制器上的网络控制模块、TSN用户设备配置模块、TSN网络控制模块以及5G网络中的TSN转换器、网络功能开放模块、策略控制模块以及会话管理模块；其中，TSN用户设备配置模块，负责描述用户的时延敏感业务服务质量需求，该信息经由TSN转换器将该QoS转换为5G网络中的服务质量标识，并驱动策略控制模块形成相应的服务策略，从而在TSN及5G网络中以分布式方式形成全网一致的数据传输处理策略；该策略下发到可编程逻辑控制器的网络控制模块、TSN网络控制模块以及5G会话管理模块，实现异构融合网络中端到端的一致性策略控制。

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【专利技术属性】
技术研发人员：覃毅芳，周旭，胡亚辉，
申请(专利权)人：中国科学院计算机网络信息中心，
类型：发明
国别省市：北京;11