智能变电站中PROFINET设备的动态识别

卢尧，任晓明（上海电机学院电气学院，上海　01100）吴勇志，李继先（菲尼克斯电气有限公司，江苏　南京　210000）

智能变电站中PROFINET设备的动态识别

卢尧，任晓明（上海电机学院电气学院，上海01100）
吴勇志，李继先（菲尼克斯电气有限公司，江苏南京210000）

随着工业自动化程度不断提高，PROFINET工业通信网络变得越来越复杂也更容易出现故障。因此，一个可靠的PROFINET网络故障诊断显得尤为重要。为了实现PROFINET网络拓扑可视化和故障快速定位，本文提出了一种基于SNMP读取PROFINET网络设备信息的方法。该方法将解析管理信息库（MIB）中的MAC地址作为中间介质，使交换机与所连接的I/O设备的名称和IP地址相关联，实现交换机网络与I/O设备的动态识别。此外，PC WORK上开发的软件工具在PROFINET控制系统上进行试验，验证了该方法的可行性。

；SNMP；PROFINET；交换机

1　引言

PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。兼容TCP/IP协议的实时以太网，能满足过程控制、工厂自动化和运动控制实时通信要求，已有的系统无需修改就能集成到PROFINET中，系统具有高度开放性和兼容性。随着工业自动化以及智能化程度的提高，PROFINET将会在工业以太网的应用得到普及。交换机在PROFINET这条“信息高速公路”起到至关重要的作用，将上层网络与I/O设备相连。在设备运行过程中，故障发生的时候往往伴随着网络拓扑的改变。因此，有必要实时监控以交换机为核心的分布式控制系统，实现网络拓扑可视化和网络故障快速定位。

2　PROFINET设备拓扑识别协议

2.1简单网络管理协议（SNMP）

SNMP是由一系列规范和协议组成的通过收集到的网络设备上产生的信息对其进行管理的一种方法。SNMP协议不会因为节点设备的品牌或者型号不同而对其不能进行统一管理，因为其有一个管理不同节点设备的平台［1］。开通SNMP服务的节点设备可以通过SNMP协议获取设备的相关配置信息，通过分析节点设备信息的变化就可以对网络节点设备进行统一管理。

SNMP协议由两部分构成，即网管工作站（network management station）和网管代理（network management agent）。网管工作站是控制和监视网络节点的应用程序，代理是运行于各个被管理的网络节点（主要存在于路由器和交换机）中的进程，它负责收集本设备的各种相关信息。为了便于查询和管理这些信息，SNMP协议把它们进行分类定义，成为一个设备信息的集合，这就是它所定义的管理信息库MIB。代理进程把收集到的相关信息都收入MIB库，这些信息是用来对各个网络节点之间相互连接关系的判断依据。网管工作站和代理进程进行通信，SNMP定义了Get Request、Get Next Request、Set Request、Get Response、Trap等五种操作对设备进行信息查询和参数设置。其协议模型如图1所示。

图1　SNMP协议模型

2.2发现和基本配置协议（Discovery and basic Configuration Protocol）

DCP是用于发现网络中所有PROFINET设备，然后通过控制器（PLC）可以对PROFINET设备进行一系列设置，比如IP地址、默认网关、子网掩码。所有PROFINET设备只要在物理上连接到网络，就可以自动获取通信所必须的设置。

2.3链路层发现协议（Link Layer Discovery Protocol）

LLDP是IEEE802.1AB 定义的一种临近发现协议，用于发现PROFINET网络中的邻近设备。这个协议主要是会将自己的信息告诉邻居设备，与此同时也会得到邻居设备的详细信息。LLDP协议首先对信息的公告，然后通过SNMP协议进行传输，最后将传输的信息保存在管理信息库MIB中［2］。PROFINET网络中开通LLDP协议的节点设备在收到其邻居设备的交互信息时会将这个信息进行一定时间的存储，以便对网络的运行状态进行监测。其原理示意图如图2所示。

图2　LLDP原理示意图

3　PROFINET拓扑识别方法

3.1管理信息库（MIB）

MIB在概念上来说是一个数据库，在其里面存放了被管理对象的控制信息和状态信息，是TCP/IP协议的重要部分。MIB保存了SMI（Structure of Management Information，管理信息结构）定义的网络节点数据和网络协议数据，并且可以对每一个数据项进行必要的操作。对象标识符（OID）是SNMP代理提供的具有唯一标识的键值，MIB提供数字化OID到可读文本的映射。通过SNMP操作读取交换机OID值便可获得交换机拓扑识别所需的信息，但是由于PROFINET网络中的I/O设备缺失SNMP代理功能，也就无法直接通过SNMP来获取PFOFINET网络中交换机及I/O设备的完整信息。此时，为了实现拓扑可视化需要借助于MAC地址作为过渡环节。因为每台PROFINET设备的MAC地址都是唯一的，可以采用SNMP采集交换机存储在MIB中的IP/MAC地址表和MAC地址转发表。这两张表在PROFINET网络识别中起到关键作用，在此简单列出了一些生成拓扑信息图所必须的信息，如表1所示。

表1　拓扑发现所需要的一些MIB变量

3.2交换机端口对应原理

PROFINET拓扑识别如图3所示，基于上文所述的协议，可以得到IP地址表，IP/MAC地址表以及MAC地址转发表。经过解析可以发现四个变量（IP，Name，MAC，Switch-Port）存在三种对应关系。由此可以得到I/O设备拓扑表，使得交换机的端口与所连接的I/O设备之间形成映射［3］。从IP地址表中可以读取出耦合器的IP为192.168.18，名称为axl-pn-bk-me。IP/MAC地址表中又能读取到IP与MAC地址的关系，此时名称为axl-pn-bk-me的耦合器对应的MAC地址为00：A0：45：8D：B8：B1。在MAC地址转发表中，与MAC地址相对应的又是交换机的端口Switch-Port。最终借助于相同的MAC地址，将交换机的Switch-Port与端口所连接的I/O设备形成映射。

图3　交换机端口对应原理示意图

3.3PROFINET网络拓扑识别流程

图4　PROFINET网络拓扑识别流程

步骤1：解析DCP获得IP和I/O设备名称之间的对应关系，并存储到IP地址表。

步骤2：取源MAC地址和源IP地址或目的MAC地址和目的IP地址，生成IP/MAC地址表。

步骤3：通过S N M P从标准管理信息库（M I B）中用“dotldTpFdbTable”表中的OID值来获取交换机的MAC地址转发表。

步骤4：通过SNMP用LLDP-MIB中的“lldpRemTable”的OID值来获取交换机LLDP邻居表，识别交换机之间的拓扑关系，最终生成PROFINET设备拓扑图，并图形化显示拓扑关系和状态。

步骤5：利用交换机的TRAP机制，实时监听交换机各端口状态变更事件（如端口中断或端口连接），自动触发上述网络拓扑动态识别步骤，从而实现PROFINET设备拓扑动态生成及图形化显示。

4　拓扑图形显示验证

将开发的网络拓扑识别软件应用于小型PROFINET控制系统，该系统由三台管理型交换机、一台可编程控制器（PLC）和一台耦合器组成。实验选用的设备如表2所示，所有的设备均支持PROFINET。

表2　实验设备信息

拓扑软件能正确地识别出交换机和所连接的I/O设备间的关系，拓扑图形可以显示网络的连接细节。如上文所提到的名称为axl-pn-bk-me的耦合器，与根交换机的4号端口相连。编号为sw2的交换机的3号口与根交换机的5号端口相连。模拟sw3与PROFINET网络中断，软件会显示sw3处出现中断无法连接。

实验结果验证了基于SNMP对PROFINET网络设备拓扑发现并图形化显示的可行性。拓扑构建和图形可视化技术能够动态、直观地反映PROFINET网络中设备的连接状态，有助于PROFINET网络实现快速故障定位。系统生成的拓扑结构图如图5所示。

图5　系统生成的拓扑结构图

［1］李玉，魏海平，王福威，等.代理服务器SNMP管理的设计与实现［J］.石油化工高等学校学报，2004，17（2）：94-97.

［2］曾干.基于链路层发现协议（LLDP）的物理网络拓扑发现［J］.电脑知识与技术：学术交流，2006，（20）：45-46.

［3］张勇.基于SNMP的交换机温度监控的实现［J］.计算机与网络，2009，35（17）：66-68.

卢尧（1991-），江苏人，硕士研究生，现就读于上海电机学院，主要研究方向为电气工程。

任晓明，浙江人，高工，博士，副教授，现职于上海电机学院。

吴勇志，安徽人，工程师，现就职于菲尼克斯电气（南京）研发工程中心有限公司。

李继先，山东人，工程师，现就职于菲尼克斯电气（南京）研发工程中心有限公司。

Dynamic Recognition of PROFINET Equipment in Intelligent Substation

With the continuous improvement of industrial automation，the PROFINET industrial communication network grows in complexity and becomes more vulnerable to errors.Therefore，a reliable PROFINET network diagnosis is getting more and more important.In order to realize the PROFINET network topology visualization and the fast network fault location，this paper proposes an approach for getting the PROFINET network equipment information based on SNMP.This method would parse the MAC address in management information base（MIB）as intermediate medium，making the switch associate with name and IP address of the connected I/O device，realizing the dynamic identification between stitch network and I/O device.Besides，a software tool developed on PC WORK is applied in the PROFINET control system for validating the proposed approach.

SNMP；PROFINET；Switch

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1003-0492（2016）07-0082-03

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