[發明專利]一種工業通信網絡關口設備

在審

• 申請號: 201410814490.9
• 申請日: 2015-08-04
• 公開（公告）號: CN104506461A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: 李培毅;徐濤;張文哲;李曉娣;徐鑫;胡致遠;楊炳爐
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H04L12/935
• 分類號: H04L12/935;H04L29/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及的是工業通信網絡技術領域，特別針對工業通信網絡的信息與通信技術融合和工業通信網絡朝著物聯網方向發展具有大規模、高度復雜的特性。為了適應工業信息的單播、多播、廣播業務與通信傳輸網絡的單播、廣播數據包之間的映射，以及提高通信網絡傳輸效率，提出了一種適用于工業信息通信融合的關口設備。

背景技術

1.工業網絡結構發展變化

傳統的工業網絡定義了設備接入網絡功能。隨著信息通信技術融合技術的發展，特別是在物聯網技術的推動作用，信息通信網絡呈現規模大、業務復雜特征，多種終端設備接入到通信網絡中。在傳統工業網絡中，如圖1所示。通信網絡設備只是完成簡單的信息接入與傳輸管道的功能，端到端的終端設備之間僅完成簡單的數據流透傳，沒有考慮物聯網帶等來的復雜通信流。

在工業信息網絡中，存在單播、多播、廣播型業務，對應到通信層面，若采用通信單播技術，則會浪費很大的帶寬資源；若采用通信多播技術，則網絡邊緣設備需要運行多播組管理協議，核心網絡需要運行多播樹路由協議，增加網絡的運行、維護成本。為了適應工業信息與通信網絡融合的發展及工業網絡朝著大規模、復雜的物聯網方向發展，本發明采用了“接入+匯集”的結構以實現物聯網環境下通信網絡的可管、可控性，如圖2所示。

通信傳輸平面中，接入層的關口設備實現下行單播、多播、廣播數據包映射為的廣播包，解決終端設備尋址問題；匯聚層關口設備實現上行的單播、廣播數?據包映射為單播數據包，節約骨干網的傳輸帶寬。

以電力通信網絡為例，電力業務系統中存在I?EC60870-5-101，I?EC60870-5-104，I?EC61850標準規約所定義的電力業務信息，電力業務信息可以通過組召，點召，輪詢等多種方式實現信息的通信，如圖3所示。考慮到通信流量和帶寬的限制以及多播樹協議復雜等因素，在通信傳輸層面上，主干網絡采用單播通信，終端網絡采用廣播通信。

2.物聯網大數據傳輸的數據包壓縮

在工業網絡信息與通信融合及工業物聯網環境下，數據包結構復雜，包頭部冗長，數據有效負荷低，終端接入數量多。為了解決通信傳輸層面的帶寬、可靠性問題，提出了在關口設備使用壓縮算法，實現業務包和數據包的聯合壓縮，以解決上述問題。業務、數據包的映射和壓縮示意圖如圖5所示。

以電力網絡為例，分析其MMS(Manufacturing?Message?Specification,制造報文規范)業務包和通信數據包之間的映射關系以及業務包、數據包聯合壓縮的機制。在電力通信網絡中，采用I?EC61850通信協議棧描述通信模型輸變電設備物聯網。考慮I?EC61850應用協議與信息傳輸的報文MMS、TCP之間映射、封裝關系，I?EC61850數據包協議棧和映射過程分別如圖6、7所示，首先將I?EC61850信息映射為MMS報文，再將封裝為MMS格式的PDU報文后承載到I?P網絡的TCP包中傳輸。由此可知：輸變電設備物聯網信息網絡接口傳輸的是MMS報文，而通信網絡接口傳輸的是I?P報文(或者是MAC幀)。為了適應I?P報文、MMS報文之間的相互轉換，設計出一種適應電力通信的關口設備，除了具備傳統交換機功能以外，還具備MMS協議解析能力。同時考慮到輸變電設備物聯網帶來的大量、復雜的通信流，為了節約傳輸帶寬，設計MMS頭部壓縮算法，壓縮MMS報文較重的頭部信息。

發明內容

本關口設備的提出主要是為了適應工業網絡信息與通信技術的融合以及工業網絡朝著大規模、復雜的物聯網方向發展。與傳統的工業交換機相比，本專利的發明內容包含以下幾個方面：

S1:通信接入層的關口設備實現下行單播、多播、廣播數據包映射到駐地網絡的廣播數據包，解決終端網絡設備尋址問題。

S2:通信匯聚層的關口設備實現上行單播、廣播數據包映射到骨干網的單播數據包。通過這種映射轉換，上行的單播數據包能夠輕松地實現隔離功能并節約骨干網帶寬。

S3:關口設備實現業務包和數據包的聯合壓縮：在業務包、數據包里面有很多信息是固定的、冗余的，比如業務包中的某些服務指令是固定的，數據包中的I?P地址或者MAC地址是冗余等。關口設備壓縮業務包頭和通信數據包頭，節約核心網傳輸帶寬和提高數據發送速率。

附圖說明

圖1傳統工業網絡

圖2改進的新型工業網絡

圖3電力業務層與通信層的數據傳送方式

圖4業務、數據包映射和壓縮示意圖

圖5I?EC61580與MMS協議棧

圖6?61850協議棧與MMS通信連接映射?