基于虚拟化技术的可重构高保真大规模工业互联网仿真平台制造技术

一种基于虚拟化技术的可重构高保真大规模工业互联网仿真平台，1)逻辑控制平面：包括本地服务器的若干台服务器及数据库与主控制器；工业互联网的基本组成部分在逻辑控制平面输入目标场景，技术人员进行仿真场景的参数设置，参数存储在数据库中，主控制器根据目标场景参数下达控制指令，对SDN网络中仿真的网络进行配置和控制；2)数据平面：对逻辑控制平面中设计的仿真场景进行仿真实现；3)数据采集平面：由数据采集模块和数据分析模块两个部分组成，用于对海量的仿真数据进行采集和分析，实现了网络测量、数据处理、性能分析功能，完善仿真平台整体架构；为复杂、实时动态的工业互联网环境提供可信可靠的仿真平台。网环境提供可信可靠的仿真平台。网环境提供可信可靠的仿真平台。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟化技术的可重构高保真大规模工业互联网仿真平台


[0001]本专利技术涉及计算机仿真
，具体而言涉及一种基于虚拟化技术的可重构高保真大规模工业互联网仿真平台及其实现方法。

技术介绍

[0002]工业互联网(Industrial Internet)是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，为工业数字化、网络化、智能化发展提供实现途径。工业互联网仿真平台是互联网科技发展之下，为实现万物互联和智能制造而搭建起来的一个重要平台，它既是构建工业互联网的基础设施，也是将人、机器和数据连接起来的核心平台。
[0003]软件定义网络(SDN)是一种架构，它抽象了网络的不同、可区分的层，使网络变得敏捷和灵活，SDN的目标是通过企业和服务提供商能够快速响应不断变化的业务需求来改进网络控制，是网络虚拟化的一种实现方式。其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络变得更加智能，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。
[0004]针对工业互联网仿真平台，在现有技术中，采用预定网络拓扑方式通过交换机等设备建立硬件之间的连接，之后根据设备之间的功能不同进行区域划分，仿真对象单一固化且一般网络规模较小，无法适应大规模工业互联网的组网仿真。而且传统的工业互联网仿真是离线仿真，不能对生产现场进行实时有效的监控与模拟，缺少对物理实体的特征、行为等的描述，在仿真参数的真实性方面会造成与实际的具体设备参数差异的情形，仿真结果的真实有效性难以得到保证。同时，由于传统仿真方法的技术单一，无法根据不同仿真场景进行灵活重构，在工业生产不断变化发展的今天，网络仿真的灵活性、可重构性难以得到满足。面对层出不穷的新漏洞与攻击手段，大量工业互联网采用的防火墙、防病毒和入侵检测技术所能提供的安全防御较为有限，因此需要考虑工业互联网可信安全的发展需求，但是欠缺相应的仿真技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是，提供一种多层次、高保真、可扩展、可重构的工业互联网仿真平台及其实现方法，仿真平台能应用于大规模复杂的工业互联网的仿真，并且使仿真结果真实可靠。解决传统仿真平台只能进行离线仿真验证、无法实时仿真监控生产进程、资源利用率低的问题，屏蔽仿真技术单一、硬件设备过多导致的可重构性和可扩展性差的弊端，解决传统的仿真平台部署成本高、周期长、信息共享不足、无法进行协作等问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提出一种基于虚拟化技术的可重构高保真大规模工业互联网仿真平台，使用数字孪生技术来构建仿真场景，支持进行离线和实时仿真，通过软件定义网络技术进行组网，仿真网络具有可重构性和可扩展性，支持对大规模的复杂工业互联网进行仿真，同时达到高保真地还原网络的要求，并且支持对工业互联网中可信计算架
构的仿真。该仿真平台包含逻辑控制平面、数据平面和数据采集平面三个部分，并按所述顺序进行实现。
[0007]1)逻辑控制平面：包括本地服务器的若干台服务器及数据库与主控制器；工业互联网的基本组成部分包括云平台、SDN网络设备和工业车间网络，其中的任意种构成特定工业互联网场景，在逻辑控制平面输入目标场景，技术人员进行仿真场景的参数设置，参数存储在数据库中，主控制器根据目标场景参数下达控制指令，对SDN网络中仿真的网络进行配置和控制；
[0008]2)数据平面：对逻辑控制平面中设计的仿真场景进行仿真实现；通过数字孪生技术生成工业生产设备的数字孪生体，通过虚拟的现场总线连接构成现场网络，若干现场网络通过SDN网络技术进行组网构成车间，车间之间和云平台通过SDN网络实现互连互通，从而构成工业互联网的数字孪生体；其中SDN网络交换机采用虚拟交换机和真实交换机共同组网的方式进行仿真，虚拟交换机连接虚拟设备，真实交换机连接真实生产设备和云平台，获取真实的生产数据；可根据仿真场景的需求，将云平台在本地服务器上进行部署；并且在工业设备数字孪生体中部署可信模块的软件模拟，对工业互联网中的可信安全验证和管控进行仿真；数据平面中支持按照需求选择不同的仿真模式进行离线或实时仿真，并将仿真场景和仿真数据进行实时展现和分析；
[0009]其中，上述仿真平台的实现过程中，进行如下具体配置：
[0010]a)主控制器配置：负责读取所存储的网络模型参数，并根据读取结果生成相应指令，调度数据平面中的仿真资源，创建仿真节点，下发控制指令，驱动各类仿真要素，构建目标仿真网络；
[0011]b)以软件定义控制器和交换机配置：实现控制与数据面的分离，SDN控制器从主控制器接收拓扑变换信息，并转化为流表下发给SDN网络交换机，形成网络模型对应的工业互联网仿真场景；SDN控制器掌握全网交换机和接入设备的运行情况，提供拓扑管理、交换设备管理、告警管理、流量统计及混合流量传输控制等功能；
[0012]仿真平台使用若干真实SDN交换机和虚拟SDN交换机，并支持真实SDN网络交换机和虚拟SDN交换机相互连通；虚拟SDN交换机用于连接虚拟设备，真实SDN交换机用于连接外部物理设备，如工业设备和云平台，通过PLC、传感器设备读取真实生产数据进入仿真平台，驱动数字孪生体进行实时仿真；
[0013]c)虚拟节点配置：使用若干台服务器，通过虚拟机来实现并配置虚拟节点，根据需求装载不同的数字孪生体，对工业互联网中的可编程逻辑控制器、SDN网络设备和现场总线控制系统等进行仿真，所能提供虚拟化节点的数量由服务器的硬件性能决定，支持通过增加服务器的方式扩大网络规模；
[0014]根据仿真需求在本地服务器上部署云平台功能组件，包括工业数据库、可信管理平台、资源配置管理模块；对车间中的可信生产设备进行运动学分析，通过数字孪生技术进行三维建模，对生成的三维模型进行轻量化处理、建立行为逻辑能力、约束规则和数据接口，生成设备对应的数字孪生体，通过SDN技术组网，构成工业互联网数字孪生体，虚拟节点可以是不同粒度的数字孪生体，如设备级、生产线级、现场车间级和系统级的数字孪生体；
[0015]3)数据采集平面：由数据采集模块和数据分析模块两个部分组成，用于对海量的仿真数据进行采集和分析，实现了网络测量、数据处理、性能分析功能，完善仿真平台整体
架构；
[0016]使用数字孪生技术来构建仿真场景，支持进行离线和实时仿真，通过SDN网络技术进行组网，仿真网络具有可重构性和可扩展性，支持对大规模的复杂工业互联网进行仿真，同时达到高保真地还原网络的要求，并且支持对工业互联网中可信计算架构的仿真；
[0017]保留仿真平台的真实性，同时将可重构性、可扩展性、可信引入仿真平台中，使用数字孪生技术来构建仿真场景，进行离线仿真验证和实时仿真监控，通过数字孪生体所配置的逻辑行为功能和主控制器下发的指令协同控制工业互联网数字孪生体进行离线仿真，通过真实交换机实时获取真实生产数据，驱动数字孪生体进行实时仿真，通过反馈的仿真结果对数字孪生模型进行迭代优化，保障仿真平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟化技术的可重构高保真大规模工业互联网仿真平台，其特征在于，仿真平台包含逻辑控制平面、数据平面和数据采集平面三个部分；1)逻辑控制平面：包括本地服务器的若干台服务器及数据库与主控制器；包括工业互联网的基本组成部分即云平台、SDN网络设备和工业车间网络，其中的任意种构成特定工业互联网场景，在逻辑控制平面输入目标场景，技术人员进行仿真场景的参数设置，参数存储在数据库中，主控制器根据目标场景参数下达控制指令，对SDN网络中仿真的网络进行配置和控制；2)数据平面：对逻辑控制平面中设计的仿真场景进行仿真实现；通过数字孪生技术生成工业生产设备的数字孪生体，通过虚拟的现场总线连接构成现场网络，若干现场网络通过SDN网络技术进行组网构成车间，车间之间和云平台通过SDN网络实现互连互通，从而构成工业互联网的数字孪生体；其中SDN网络交换机采用虚拟交换机和真实交换机共同组网的方式进行仿真，虚拟交换机连接虚拟设备，真实交换机连接真实生产设备和云平台，获取真实的生产数据；可根据仿真场景的需求，将云平台在本地服务器上进行部署；并且在工业设备数字孪生体中部署可信模块的软件模拟，对工业互联网中的可信安全验证和管控进行仿真；数据平面中支持按照需求选择不同的仿真模式进行离线或实时仿真，并将仿真场景和仿真数据进行实时展现和分析；其中，上述仿真平台的实现过程中，进行如下具体配置：a)主控制器配置：负责读取所存储的网络模型参数，并根据读取结果生成相应指令，调度数据平面中的仿真资源，创建仿真节点，下发控制指令，驱动各类仿真要素，构建目标仿真网络；b)以软件定义控制器和交换机配置：实现控制与数据面的分离，SDN控制器从主控制器接收拓扑变换信息，并转化为流表下发给SDN网络交换机，形成网络模型对应的工业互联网仿真场景；SDN控制器掌握全网交换机和接入设备的运行情况，提供拓扑管理、交换设备管理、告警管理、流量统计及混合流量传输控制等功能；仿真平台使用若干真实SDN交换机和虚拟SDN交换机，并支持真实SDN网络交换机和虚拟SDN交换机相互连通；虚拟SDN交换机用于连接虚拟设备，真实SDN交换机用于连接外部物理设备，如工业设备和云平台，通过PLC、传感器设备读取真实生产数据进入仿真平台，驱动数字孪生体进行实时仿真；c)虚拟节点配置：使用若干台服务器，通过虚拟机来实现并配置虚拟节点，根据需求装载不同的数字孪生体，对工业互联网中的可编程逻辑控制器、SDN网络设备和现场总线控制系统等进行仿真，所能提供虚拟化节点的数量由服务器的硬件性能决定，支持通过增加服务器的方式扩大网络规模；根据仿真需求在本地服务器上部署云平台功能组件，包括工业数据库、可信管理平台、资源配置管理模块；对车间中的可信生产设备进行运动学分析，通过数字孪生技术进行数字化建模，对生成的三维模型进行轻量化处理、建立行为逻辑能力、约束规则和数据接口，生成设备对应的数字孪生体，通过SDN技术组网，构成工业互联网数字孪生体，虚拟节点可以是不同粒度的数字孪生体，如设备级、生产线级、现场车间级和系统级的数字孪生体；3)数据采集平面：由数据采集模块和数据分析模块两个部分组成，用于对海量的仿真数据进行采集和分析，实现了网络测量、数据处理、性能分析功能，完善仿真平台整体架构；
使用数字孪生技术来构建仿真场景，支持进行离线和实时仿真，通过SDN网络技术进行组网，仿真网络具有可重构性和可扩展性，支持对大规模的复杂工业互联网进行仿真，同时达到高保真地还原网络的要求，并且支持对工业互联网中可信计算架构的仿真；保留仿真平台的真实性，同时将可重构性、可扩展性、可信引入仿真平台中，使用数字孪生技术来构建仿真场景，进行离线仿真验证和实时仿真监控，通过数字孪生体所配置的逻辑行为功能和主控制器下发的指令协同控制工业互联网数字孪生体进行离线仿真，通过真实交换机实时获取真实生产数据，驱动数字孪生体进行实时仿真，通过反馈的仿真结果对数字孪生模型进行迭代优化，保障仿真平台的高保真；支持通过数字孪生模型库和工艺数据库等大数据来驱动仿真场景的快速重构且软件定义网络支持虚拟节点的动态加入、快速部署和拓扑规划，同时允许通过增加服务器来增加虚拟节点，实现网络的快速重构和扩展。针对需要接入工业互联网的设备，在对应的数字孪生模型中进行可信模块的软件模拟，并与真实可信模块关联，实现对操作系统引导程序、操作系统、关键应用程序等系统启动过程中逐级度量，形成完整的信任链，并通过可信的手段把状态信息上报到虚拟的可信管理平台进行可信验证，对工业互联网的可信计算架构进行仿真。2.根据权利要求书1的基于虚拟化技术的可重构高保真大规模工业互联网仿真平台，其特征在于，所述的支持按照需求选择不同的仿真模式进行离线或实时仿真，仿真平台...

【专利技术属性】
技术研发人员：王帅，李伟，鲍皖，杨海青，何俊杰，吴烨，戴峰，张宗杰，杨子祺，李文峰，赵康僆，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：