基于工业物联网的车间制造网络控制框架

栗鹏飞

摘要：工业物联网是大量设备与传统互联网相结合的载体，它已经从单一形式向大型、异构网络形式转化，在这种形势下，传统网络标准和协议无法处理设备之间的差异性，基于此本文提出了一种基于工业物联网的机械制造网络控制框架，该框架强调设备之间的差异性同时通过虚拟交换机的动态扩展和协同共享，实现网络规模的灵活扩展，最后通过实例说明该框架的可行性。

关键词：工业物联网；软件定义；机械制造；协同共享；灵活性扩展

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）07-0223-02

1 引言

一个典型的工业物联网（IIoT）由感知层、网络层和应用层组成，如图1所示。传统的传感设备包括射频识别（RFID）、温度传感器、湿度传感器、气体传感器等。与工业环境相关的工业设备有制造过程的自动导向车（AGV）、机床、机器臂。工业中通信设备包括串行通信设备、通信总线中的无线网桥、无线网卡、天线、交换机、工业以太网。显然，IIoT是大规模、动态变化、异构的网络，它的应用将对现有网络是一个挑战，比如网络的异构性导致的不同网络之间互联互通的困难和对动态网络的不适应[1，2]。

本文以软件定义（SDN）理论为基础，提出一种混合网络控制框架，实现了大规模、异构网络的灵活通信和扩展。该框架采用虚拟技术和映射屏蔽底层设备差异技术，利用不同领域的网络协同框架，实现控制器定期交换网络资源，实现实时通信。然而，由于网络的复杂系，使得整个控制系统的协调和相互配合变得十分困难，给研究带来了挑战。

2 研究现状

在传统方法中，一般采用分布式控制机制进行网络通信和动态扩展[3]。目前人们利用SDN技术来设计不同的控制器，以实现异构物联网的部署，主要涉及分散性多控制器模型、协同多控制器模型和网络虚拟化模型等多种模型。基于分布式控制的分散多控制器模型的思想是根据网络的性质，将IIoT分成几部分，包括有线局域网（LAN），传感器网络，无线移动Ad Hoc网络。每一种网络对应一个控制器，并单独管理。在扩展网络规模同时，该网络可以通过增加控制器来管理和控制网络，通过控制器之间的共享信息。

现有多控制器模型高效的支持异构和分布式网络，其扩展的灵活性满足了大规模网络的需求，但是仍然存在一定的缺陷[4]，例如，第一类分散多控制器架构，主要考虑异构网络的延伸，忽视了不用区域的网络的共享；第二类协作模型指仅仅是控制器之间的通信，，实现一个或者多个区域之间信息交换；第三种虚拟化控制器框架主要解决了包含SDN控制器的服務器资源共享问题，而没考虑异构区域内异构网络的复杂性，事实上区域内存在单一的失效点，此外，采用多个控制器不利于成本控制。

3 车间制造网络控制框架

针对工业物联网异构型、大规模、管理复杂特点，基于虚拟软件定义的多网络控制框架（MNCF）提出了多区域异构型，这是基于网络扩展和网络资源共享和协作结合。由于该框架涉及多个区域和多个网络格式，因此它是基于不同区域和格式涉及的，根据物理物质划分不同SDN控制区，每个控制区域由一个控制服务器，负载均衡服务器和多个交换机构成， 一方面，采用SDN控制器策略，该框架将服务器集群概念引入到SDN框架中，提出了SDN、集群和虚拟化相结合的思想[5]。因此，具有强大功能服务器被分为几个虚拟的控制器，他们与真实的控制器由相同的功能，可以充分利用服务器的资源，包括计算、存储从而实现资源共享，此外该框架可以控制SDN控制器的性能参数，从而动态的扩展和缩小区域内的网络，另外，根据网络虚拟技术通过将物理开关虚拟为逻辑开关，来构造一组虚拟网络资源配置，不仅可以实现基础结构的透明性，而且可以掩盖底层设备的差异，具体过程如下：

3.1 控制器虚拟和映射策略

一方面，它旨在充分利用包括计算、存储在内的一切资源，另一方面，将VMWare虚拟化技术应用到多网络控制框架以此扩大网络类型和规模，在一定规则下，控制服务器根据区域网络类型自动生成相应的网络虚拟控制器，此外，根据网络中终端设备数量，设置来自同一网络虚拟控制器的数量，然后根据一主一副设备策略，自动生成两个虚拟控制器，在SDN控制区，两个虚拟控制器被设置成一种不仅具有负载平衡功能而且可以避免单点故障发生的控制器。

3.2 网络虚拟化策略

由于IIoT涉及多种网络，采用网络虚拟化策略可以屏蔽网络中的物理层设备的差异性，在此基础上，利用包括综合控制和转发分离在内的SDH思想[6]，实现分布式执行和集中管理。首先，在物理层的基础上设计出网络虚拟层，在此基础上对整个IIoT网络实施重构，通过这种方法，物理网络资源被虚化为网络资源配置和虚拟交换。其次，虚拟交换机上的MNCF是基于OpenFlow协议来实现的，从而相对淡化了物理交换机上的差异。

3.3 多极协同策略

一方面，考虑到异构网络的多样性，另一方面，由于网络规模的可扩展性和终端数量的增加，所以提出多控制器之间的分布式协作概念[7][8]。该策略可分为区域内控制器协作和多区域控制器之间的协作，前者指的是控制服务器中的虚拟交换机之间共享信息，在同一网络中的虚拟交换机中的应用层直接按协作管理的映射，通过定期交换该程序，区域内的网络资源实现共享。

4 解决方案

本方案的测试验证区域高科技园区内的企业，包括行政办公、生产区、仓储区、物流区等，在混合控制网络框架初始，只有一种网络可以选择，然后根据要求逐渐增加网络的类型和数量。

1）网络初始化：基于地理位置，研究对象被分为若干区域，如办公区，生产车间和仓库等被设置为MNCF区域，这些区域最初只有一种网络，比如，行政办公楼里面的以太网、制造车间的传感器网络。

2）控制器和交换机之间的映射：每个SDN控制服务器自动生成两个虚拟SDN控制器，这些控制器链接到区域中的交换机。

3）通过控制器进行计算：利用拓扑管理、路由管理和网络负载管理，读取控制器来计算当前网络的最优路径，然后通过OpenFlow协议来控制分组交换机的转发。

4）通过交换机进行分组转发：在接收分组转发请求时，交换机期望查询存储器中的流量表，然后根据查询结果发送消息，如果没有相应的流量目，则交换机应该将相应的请求消息发送给它们的控制器。

5）网络规模的动态变化：当网络终端数量和网络规模增加时。动态调整虚拟交换机的性能，合理分配参数，当网络的类型增加时，即网络从单一形式更新为异构网络时，自动生成两个虚拟控制器，然后分别连接到新的网络。这些控制器通过流量表控制网络转发数据包、负载、和网络的管理。

6）协作控制：区域内的控制器协作体现了虚拟交换机之间的通信，利用VMware虚拟化技术实现了相应网络信息的交换和共享。而区域间的控制器协作则時指区域间的通信，并能够在自己的区域内传输相关信息，例如，在框架的应用层设置故障监视设备，生产线发生故障时，控制器可接受传感器节反馈的信号，然后，生产区的控制器将故障信息传递给行政区域的控制器，使工人可以在平台的管理程序上检查紧急情况。

5 结论

基于IIoT和异构网络环境下，考虑到通信网络的可扩展性，本文设计一种新的MNCF框架，主要采用SDN技术、控制器虚拟化技术、网络虚拟化以及多网协同策略构建该模型。在此基础上假定IIoT场景以灵活实现网络的扩展和异构网络间的数据流通，最后通过一个实例场景来验证该框架的可行性。

参考文献：

[1] Ross A L. The Potential Import of New， Emerging， and Over-the-Horizon Technologies[M]// Emerging Critical Technologies and Security in the Asia-Pacific. Palgrave Macmillan UK， 2016.

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[8] 冯卫娇， 尹超， 赵旭. 网络化外协制造环境下机床装备资源优化选择方法[J]. 2015.