[发明专利]一种工业通信网络关口设备

说明书

技术领域

本发明涉及的是工业通信网络技术领域，特别针对工业通信网络的信息与通信技术融合和工业通信网络朝着物联网方向发展具有大规模、高度复杂的特性。为了适应工业信息的单播、多播、广播业务与通信传输网络的单播、广播数据包之间的映射，以及提高通信网络传输效率，提出了一种适用于工业信息通信融合的关口设备。

背景技术

1.工业网络结构发展变化

传统的工业网络定义了设备接入网络功能。随着信息通信技术融合技术的发展，特别是在物联网技术的推动作用，信息通信网络呈现规模大、业务复杂特征，多种终端设备接入到通信网络中。在传统工业网络中，如图1所示。通信网络设备只是完成简单的信息接入与传输管道的功能，端到端的终端设备之间仅完成简单的数据流透传，没有考虑物联网带等来的复杂通信流。

在工业信息网络中，存在单播、多播、广播型业务，对应到通信层面，若采用通信单播技术，则会浪费很大的带宽资源；若采用通信多播技术，则网络边缘设备需要运行多播组管理协议，核心网络需要运行多播树路由协议，增加网络的运行、维护成本。为了适应工业信息与通信网络融合的发展及工业网络朝着大规模、复杂的物联网方向发展，本发明采用了“接入+汇集”的结构以实现物联网环境下通信网络的可管、可控性，如图2所示。

通信传输平面中，接入层的关口设备实现下行单播、多播、广播数据包映射为的广播包，解决终端设备寻址问题；汇聚层关口设备实现上行的单播、广播数 据包映射为单播数据包，节约骨干网的传输带宽。

以电力通信网络为例，电力业务系统中存在I EC60870-5-101，I EC60870-5-104，I EC61850标准规约所定义的电力业务信息，电力业务信息可以通过组召，点召，轮询等多种方式实现信息的通信，如图3所示。考虑到通信流量和带宽的限制以及多播树协议复杂等因素，在通信传输层面上，主干网络采用单播通信，终端网络采用广播通信。

2.物联网大数据传输的数据包压缩

在工业网络信息与通信融合及工业物联网环境下，数据包结构复杂，包头部冗长，数据有效负荷低，终端接入数量多。为了解决通信传输层面的带宽、可靠性问题，提出了在关口设备使用压缩算法，实现业务包和数据包的联合压缩，以解决上述问题。业务、数据包的映射和压缩示意图如图5所示。

以电力网络为例，分析其MMS(Manufacturing Message Specification,制造报文规范)业务包和通信数据包之间的映射关系以及业务包、数据包联合压缩的机制。在电力通信网络中，采用I EC61850通信协议栈描述通信模型输变电设备物联网。考虑I EC61850应用协议与信息传输的报文MMS、TCP之间映射、封装关系，I EC61850数据包协议栈和映射过程分别如图6、7所示，首先将I EC61850信息映射为MMS报文，再将封装为MMS格式的PDU报文后承载到I P网络的TCP包中传输。由此可知：输变电设备物联网信息网络接口传输的是MMS报文，而通信网络接口传输的是I P报文(或者是MAC帧)。为了适应I P报文、MMS报文之间的相互转换，设计出一种适应电力通信的关口设备，除了具备传统交换机功能以外，还具备MMS协议解析能力。同时考虑到输变电设备物联网带来的大量、复杂的通信流，为了节约传输带宽，设计MMS头部压缩算法，压缩MMS报文较重的头部信息。

发明内容

本关口设备的提出主要是为了适应工业网络信息与通信技术的融合以及工业网络朝着大规模、复杂的物联网方向发展。与传统的工业交换机相比，本专利的发明内容包含以下几个方面：

S1:通信接入层的关口设备实现下行单播、多播、广播数据包映射到驻地网络的广播数据包，解决终端网络设备寻址问题。

S2:通信汇聚层的关口设备实现上行单播、广播数据包映射到骨干网的单播数据包。通过这种映射转换，上行的单播数据包能够轻松地实现隔离功能并节约骨干网带宽。

S3:关口设备实现业务包和数据包的联合压缩：在业务包、数据包里面有很多信息是固定的、冗余的，比如业务包中的某些服务指令是固定的，数据包中的I P地址或者MAC地址是冗余等。关口设备压缩业务包头和通信数据包头，节约核心网传输带宽和提高数据发送速率。

附图说明

图1传统工业网络

图2改进的新型工业网络

图3电力业务层与通信层的数据传送方式

图4业务、数据包映射和压缩示意图

图5I EC61580与MMS协议栈

图6 61850协议栈与MMS通信连接映射