PROFINET协议在工业SDN中的接入方法技术

本发明专利技术设计基于PROFINET协议在工业SDN中的接入方法，包括PROFINET工业以太网协议在工业软件定义网络交换机中的报文处理过程，PROFINET工业以太网协议在工业软件定义网络控制器中的报文处理过程和PROFINET工业以太网设备接入处理过程。本发明专利技术针对工业软件定义网络架构下，难以解决PROFINET工业以太网协议在工业控制网络架构下的识别、解析以及处理问题，难以满足PROFINET工业以太网设备接入并建立通信关系等问题，为PROFINET工业以太网设备在工业软件定义网络中的运行提供网络通信基础。

【技术实现步骤摘要】
PROFINET协议在工业SDN中的接入方法
本专利技术属于工业软件定义网络领域，是对工业以太网协议在工业软件定义网络中的接入方法的设计和专利技术，具体涉及的是基于PROFINET工业以太网协议在工业软件定义网络中的接入方法。
技术介绍
工业软件定义网络是由工业软件定义网络控制器以及工业软件定义网络交换机组成的，扁平化的软件定义网络。工业软件定义网络控制器通过北向接口与工业软件定义网络服务平台进行交互，向平台提供服务接口，能够将整个网络的信息、状态、功能实现等封装成能够被服务平台调用的服务库的形式；网络控制器通过南向接口与交换机进行交互，收取交换机上报的数据报文，网络状态信息等，也通过南向接口向交换机动态下发网络配置信息。工业软件定义网络交换机是网络数据报文的实际转发设备，但是其转发的规则，即通信逻辑是受到网络控制器管理和控制器，网络中的逻辑通信规则在交换机中是以流表的形式体现的，其中，流表主要可以理解为两个部分：一个部分是匹配项，一个部分是匹配动作。商业以太网IP设备组网接入比较简单，只要配备IPv4和IPv6双协议栈，普通的SDN网络交换机都可对商业以太网设备进行接入和连接。PROFINET工业以太网络设备组网在接入IT与OT深度融合的扁平化新型网络时，需要通过软件定义的方式，结合工业软件定义网络服务平台，以南向接口库协议下发网络配置信息的方式，完成多种工业以太网协议识别、解析、处理以及设备接入通信逻辑下发建立等过程。
技术实现思路
在工业软件定义网络架构建设过程中，PROFINET工业以太网络设备组网在接入IT与OT深度融合的扁平化新型网络时，需要通过软件定义的方式，结合工业软件定义网络服务平台，以南向接口库协议下发网络配置信息的方式，完成PROFINET工业以太网协议识别、解析、处理以及设备接入通信逻辑下发建立等过程。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：PROFINET协议在工业SDN中的接入方法，包括PROFINET工业以太网协议在工业软件定义网络交换机中的报文处理过程，包括以下步骤：(1)当工业软件定义网络交换机接收到PROFINET主站设备周期性发送的PROFINET-DCP广播报文，进行流表匹配，并且按照流表中规定的转发动作对PROFINET-DCP广播报文进行转发处理；(2)当工业软件定义网络交换机接收到终端设备对PROFINET主站设备发送的PROFINET-DCP广播报文的PROFINET-DCP应答报文，进行流表匹配，并且按照流表中规定的转发动作对PROFINET-DCP应答报文进行转发处理；(3)工业软件定义网络控制器根据PROFINET主站设备和终端设备之间的PROFINET-DCP报文在工业软件定义网络中，以下发流表的方式，建立逻辑通信链路，完成设备组网接入。工业以太网协议主站与终端设备组网流程如下：(1)主站向网络端口发出MAC层广播报文；(2)终端设备接收到主站发出的广播报文后，回复自身的状态信息；(3)主站设备接收到终端设备的回复，通过MAC层单播报文设置组态信息；(4)终端设备接收到MAC层单播报文后回复主站设备，配置成功报文；(5)主站设备接收到终端设备发送的成功报文后，发起ARP网络层寻址并进行地址解析；(6)终端设备回复APR网络层寻址并通知所涉及的IP地址对应的MAC地址；(7)主站设备向终端设备发起数据通信；(8)主站设备和终端设备进行通信和数据传输。所述MAC层广播报文其目的地址为固定格式的MAC地址，该广播报文用于发现已经接入网络的终端设备。PROFINET协议在工业SDN中的接入方法，还包括PROFINET工业以太网协议在工业软件定义网络控制器的报文处理过程，包括以下步骤：(1)控制器接收到主站设备发送的第一个匹配为PROFINET工业以太网协议报文并对其进行判断是否为广播报文；(2)当控制器收到报文类型为广播报文时，将该报文广播给当前所有状态为UP的交换机端口；(3)控制器通过交换机接收到从站设备回复的设备在线信息，控制器根据设备在线信息，生成相应的MAC层通信逻辑配置信息，通过南向接口下发给通信路径上各交换机；(4)控制器通过接收到主站发送的PROFINET工业以太网协议报文，根据报文中的IP地址信息生成相应网络层通信逻辑配置信息，通过南向接口下发给通信路径上各网络交换机。所述PROFINET工业以太网协议报文为ARP寻址报文。所述设备在线信息包括：报文源端口、源MAC地址、目的MAC地址信息。所述逻辑配置信息包括：源IP地址为主站或者从站设备，目的IP地址为从站或者主站设备。所述IP地址信息包括源端口，源IP地址，目的IP地址信息。工业以太网协议主站与从站设备组网交换机处理流程如下：(1)主站设备接收到组态配置成功信息后，对组态范围内的所有从站设备发起ARP网络层寻址并进行地址解析，交换机中的ARP寻址报文将会上传给控制器，控制器将该ARP寻址报文进行广播；(2)从站设备向控制器回复该ARP寻址报文，控制器在通信路径上的所有交换机中配置相应的主站设备到从站设备以及从站设备到主站设备的网络层逻辑通信流表配置；(3)主站根据组态程序的内容，向从站设备发起基于TCP/IP协议的数据通信；(4)主站和从站设备之间通过组态程序设定的关系，进行通信。所述逻辑通信流表配置匹配的内容包括：源IP地址为主站和从站设备的IP地址以及目的IP地址为主站和从站设备的IP地址，匹配动作为单播端口转发。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术明确提出了在工业软件定义网络环境中PROFINET工业以太网协议设备接入网络的过程和方法。该方法适用于各类支持PROFINET协议的工业设备在工业软件定义网络的环境中组网，并完成通信过程，进而满足各类上层工业服务，工业组态的通信需求。2.本专利技术给出了在工业软件定义网络中，PROFINET工业以太网协议在接入过程中，报文类型在工业软件定义网络交换机和控制器中的具体处理过程，并指出了SDN网络中流表匹配项的具体匹配方式，在实际应用场景下，能够满足PROFINET设备的即插即用。3.本专利技术实现了PROFINET工业以太网协议设备在工业软件定义网络环境下的接入和组网，在基于SDN环境的前提下，意味着实现了对PROFINET组网的统一管理功能。通过工业SDN控制器的拓扑发现功能，设备管理功能，流量监控功能，进一步提高了PROFINET工业以太网协议组网的使用效率和效果。附图说明图1是工业软件定义网络多工业以太网协议适配技术应用场景图；图2是工业以太网协议主站与终端设备组网流程图；图3是工业以太网协议主站与从站设备组网流程图。具体实施方式1.PROFINET工业以太网协议在工业软件定义网络交换机中的报文处理过程，包括以下步骤：...

【技术保护点】
1.PROFINET协议在工业SDN中的接入方法，其特征在于，包括PROFINET工业以太网协议在工业软件定义网络交换机中的报文处理过程，包括以下步骤：/n(1)当工业软件定义网络交换机接收到PROFINET主站设备周期性发送的PROFINET-DCP广播报文，进行流表匹配，并且按照流表中规定的转发动作对PROFINET-DCP广播报文进行转发处理；/n(2)当工业软件定义网络交换机接收到终端设备对PROFINET主站设备发送的PROFINET-DCP广播报文的PROFINET-DCP应答报文，进行流表匹配，并且按照流表中规定的转发动作对PROFINET-DCP应答报文进行转发处理；/n(3)工业软件定义网络控制器根据PROFINET主站设备和终端设备之间的PROFINET-DCP报文在工业软件定义网络中，以下发流表的方式，建立逻辑通信链路，完成设备组网接入。/n

【技术特征摘要】
1.PROFINET协议在工业SDN中的接入方法，其特征在于，包括PROFINET工业以太网协议在工业软件定义网络交换机中的报文处理过程，包括以下步骤：
(1)当工业软件定义网络交换机接收到PROFINET主站设备周期性发送的PROFINET-DCP广播报文，进行流表匹配，并且按照流表中规定的转发动作对PROFINET-DCP广播报文进行转发处理；
(2)当工业软件定义网络交换机接收到终端设备对PROFINET主站设备发送的PROFINET-DCP广播报文的PROFINET-DCP应答报文，进行流表匹配，并且按照流表中规定的转发动作对PROFINET-DCP应答报文进行转发处理；
(3)工业软件定义网络控制器根据PROFINET主站设备和终端设备之间的PROFINET-DCP报文在工业软件定义网络中，以下发流表的方式，建立逻辑通信链路，完成设备组网接入。


2.根据权利要求1所述的PROFINET协议在工业SDN中的接入方法，其特征在于，工业以太网协议主站与终端设备组网流程如下：
(1)主站向网络端口发出MAC层广播报文；
(2)终端设备接收到主站发出的广播报文后，回复自身的状态信息；
(3)主站设备接收到终端设备的回复，通过MAC层单播报文设置组态信息；
(4)终端设备接收到MAC层单播报文后回复主站设备，配置成功报文；
(5)主站设备接收到终端设备发送的成功报文后，发起ARP网络层寻址并进行地址解析；
(6)终端设备回复APR网络层寻址并通知所涉及的IP地址对应的MAC地址；
(7)主站设备向终端设备发起数据通信；
(8)主站设备和终端设备进行通信和数据传输。


3.根据权利要求2所述的PROFINET协议在工业SDN中的接入方法，其特征在于，所述MAC层广播报文其目的地址为固定格式的MAC地址，该广播报文用于发现已经接入网络的终端设备。


4.PROFINET协议在工业SDN中的接入方法，其特征在于，还包括PROFINET工业以太网协议在工业软件定义网络控制器的报文处理过程，包括以下步骤：
(1)控制器接收到主站设备发送的第一个匹配为PROFINET工业以太网协议报文并对其进行判断是否为广播报文；
(2)当控制器收到报...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明，李栋，俞雪婷，李志博，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