CN113242248A - 工业异构网络高速协议转换装置及并行处理单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业异构网络高速协议转换装置及并行处理单元，属于工业互联网技术领域。该装置包括队列收发单元、协议转换单元、并行处理单元和SDN管理接口单元；通过无线模块收发工业无线网络数据，通过网卡收发工业有线网络数据和IPv6骨干网数据；队列收发单元用于数据包的分类管理；协议转换单元用于完成工业无线网络和工业有线网络与IPv6骨干网的协议转换；并行处理单元用于多协议转换的并行处理；SDN管理接口单元实现上层SDN控制器对协议转换装置的管控。本发明支持工业无线网络和工业有线网络与IPv6骨干网的协议转换，利用并行处理和高速缓存优化等技术，保障多协议转换的并行且高速处理，实现工业异构网络高效互联。

Description

工业异构网络高速协议转换装置及并行处理单元

技术领域

本发明属于工业互联网技术领域，涉及一种工业异构网络高速协议转换装置及并行处理单元。

背景技术

工业互联网和工业4.0是制造业实现数字化转型的重要途径。工业网络是工业互联网的基础，一般由工业现场网络与工业骨干网组成。工业现场网络包括工业无线网络和工业有线网络，用于完成生产过程的信息采集和决策控制。主流的工业无线网络包括WIA-PA、6Tisch等，而工业有线网络类型更加多样，其中的典型协议包括Profinet、EtherCAT、CIP、Modbus等。工业骨干网是连接工业生产现场与互联网的重要枢纽。随着下一代互联网技术的不断发展，将IPv6协议应用到工厂骨干网，成为重要的发展趋势。

为了满足工业生产的多样化需求，工业网络通常采用异构组网的方式，由多种工业有线、无线网络混合构成。异构性成为工业网络的显著特征。在异构环境下，不同网络之间的设备通信离不开协议转换装置。此外，工业网络中的控制类数据需要低时延传输，协议转换速度成为制约端到端跨网络控制的关键因素。因此，迫切需要设计一种支持跨网络传输的工业异构网络高速协议转换装置。

针对上述问题，本发明设计了一种工业异构网络高速协议转换装置，能够同时支持不同工业无线网络、工业有线网络与IPv6骨干网之间的协议转换。该装置还具备并行处理单元，通过并行设计与优化加快协议转换速度，并支持SDN控制器管控。通过该装置及并行处理单元，能够有效实现工业现场网络与IPv6骨干网之间的互连互通。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种工业异构网络高速协议转换装置及并行处理单元，能够同时支持不同工业无线网络、工业有线网络与IPv6骨干网之间的协议转换。该装置还具备并行处理单元，通过并行设计与优化加快协议转换速度，并支持SDN控制器管控。通过该装置及并行处理单元，能够有效实现工业现场网络与IPv6骨干网之间的互连互通。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种工业异构网络高速协议转换装置，通过队列收发单元、协议转换单元、并行处理单元和SDN管理接口单元，保障跨网数据流在该装置中的高速协议转换，实现工业异构网络之间的互联。

该装置具体包括：队列收发单元、协议转换单元、并行处理单元和SDN(SoftwareDefined Network，软件定义网络)管理接口单元；所述队列收发单元用于数据包的分类管理；所述协议转换单元用于完成工业无线网络和工业有线网络与IPv6骨干网的协议转换；所述并行处理单元用于多协议转换的并行且高速处理；所述SDN管理接口单元用于实现上层SDN控制器对协议转换装置的管控。

进一步，该装置通过无线模块收发工业无线网络数据；通过网卡收发工业有线网络数据和IPv6骨干网数据。

进一步，该装置同时支持工业无线网络和工业有线网络向IPv6骨干网的转换，通过无线模块接入工业无线网络，无线模块连接至该装置的串行端口，通过插拔无线模块可以增加或减少对工业无线网络的支持；每个网口具有相同接口形式并同时支持IPv6骨干网和多种工业有线网络，多种工业有线网络数据先后到达同一网口时可与IPv6协议进行转换，支持多路数据流同时转换和多协议同时转换。

进一步，所述队列收发单元在网卡有数据到来之后，通过哈希函数和数据中的关键字计算哈希值，通过哈希值查询队列对应表，将不同类型的数据散列至不同的网卡队列中，根据队列描述符中的地址将数据写入缓冲区；应用程序读取队列中的数据，在判断协议类型之后进行与IPv6的协议转换工作，将转换完成之后的数据按照原协议类型以指定网卡队列进行发送。

进一步，所述协议转换单元按照网卡ID(Identifier，标识符)和队列ID读取缓冲区数据，根据串行端口描述符读取串行端口数据，并且创建内存池，将内存池绑定于结构体中，对网卡的工业有线网络数据和串行端口的工业无线网络数据进行协议转换，将转换后IPv6数据进行检验和计算后写入结构体中，指定网卡发送队列，将发送描述符指向内存池，网卡读取发送描述符所指向地址并开始发送数据。

进一步，所述并行处理单元利用多处理器和多线程技术，绑定不同应用程序到特定处理器，协同完成协议转换任务，支持不同接口数据和同一接口多种数据到来时的并行处理，具体包括以下步骤：

S1：对协议转换装置进行系统初始化，包括扫描网卡设备和串行端口、进行驱动程序的注册和设备简单初始化等操作；

S2：解析应用程序的命令行参数，包括使用核的数量、内存通道数量、端口掩码和其他设置参数等，通过命令行参数进行协议转换程序的命令行控制；

S3：检查网卡接收和发送队列的数量和CPU核的数量；

S4：获取网口的数量，为每个网口分配内存池，并且将内存池分配给结构体，应用程序可以通过此结构体获取或发送数据；

S5：设置并初始化发送队列和接收队列，设置完成后，启动网卡设备和串行端口；将网卡设置成混杂模式状态以接收任何协议类型的数据包，检查网卡链路状态，包括网线连接状态和网线速率等信息；

S6：创建协议转换线程，利用CPU亲和性以及线程绑定函数将协议转换线程1绑定于从核CPU1；

S7：应用程序周期性轮询网卡设备和串行端口上的描述符是否被设置为1，如果描述符被设置为1，则网卡或串行端口收到数据，并读取该数据；判断该数据协议类型，若为协议转换程序1所指定的协议转换类型则进行协议转换工作；

S8：通过和步骤S6与步骤S7相同的方法绑定协议转换线程2于从核CPU2上，通过相应程序进行协议转换工作；

S9：主核CPU等待外部或者内部信号，信号到来时关闭网卡设备和串行端口，至此并行协议转换完成。

进一步，应用程序启动时设置大页内存，协议转换单元创建内存池时指定高速缓存大小，为协议转换单元预分配IPv6数据包巨页缓冲区并初始化相应头部指针，利用数据包队列预取技术读取网卡数据，同时代码利用宏编程技术实现。

本发明的有益效果在于：

1)本发明通过无线模块和网卡连接工业无线网络和工业有线网络，可通过增减工业无线模块来支持多种不同的工业无线网络，每个网口使用相同的接口形式支持多种工业有线网络，支持多路数据流同时转换和多协议同时转换。

2)本发明利用多处理器和多线程技术绑定不同线程于不同CPU核上，保证协议转换任务运行于固定的核上，减少同一核上任务的切换，从而提高协议转换效率。

3)本发明运用大页内存、高速缓存、数据包队列预取和宏编程等技术，提高数据在CPU核上高速缓存的命中率和减少函数调用所带来的时间开销，保障协议转换的高速运行。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明中工业异构网络高速协议转换装置及并行处理单元总体架构图；

图2为本发明中网卡收发流程图；

图3为本发明中协议转换单元数据处理流程图；

图4为本发明中并行处理流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图4，图1为工业异构网络高速协议转换装置及并行处理单元总体架构图，包括队列收发单元、协议转换单元、并行处理单元和SDN管理接口单元；通过无线模块收发工业无线网络数据；通过网卡收发工业有线网络数据和IPv6骨干网数据。其中，队列收发单元用于数据包的分类管理。协议转换单元用于完成工业无线网络和工业有线网络与IPv6骨干网的协议转换。并行处理单元用于多协议转换的并行高速处理。SDN管理接口单元实现上层SDN控制器对协议转换装置的管控。

该协议转换装置及并行处理单元同时支持工业无线网络和工业有线网络向IPv6协议的转换，通过无线模块接入工业无线网络，无线模块连接至该装置的串行端口，通过插拔无线模块可以增加或减少对工业无线网络的支持；每个网口具有相同接口形式并同时支持IPv6骨干网和多种工业有线网络，多种工业有线网络数据先后到达同一网口时可与IPv6协议进行转换，支持多路数据流同时转换和多协议同时转换。

图2为网卡收发流程图，如图2所示，队列收发单元在网卡有数据到来之后，通过哈希函数和数据中的关键字计算哈希值，通过哈希值查询队列对应表，将不同类型的数据散列至不同的网卡队列中，根据队列描述符中地址将数据写入缓冲区。应用程序读取队列中的数据，在判断协议类型之后进行与IPv6的协议转换工作，将转换完成之后的数据按照协议类型以指定网卡队列进行发送。

图3为协议转换单元数据处理流程图，如图3所示，协议转换单元按照网卡ID和队列ID读取缓冲区数据，根据串行端口描述符读取串行端口数据，并且创建内存池，将内存池绑定于结构体中，对网卡的工业有线网络数据和串行端口的工业无线网络数据进行协议转换，将转换后IPv6数据进行检验和计算后写入结构体中，指定网卡发送队列，将发送描述符指向内存池，网卡读取发送描述符所指向的地址并开始发送数据。

图4为并行处理流程图，如图4所示，并行处理单元利用多处理器和多线程技术，绑定不同应用程序到特定处理器，协同完成协议转换任务。以工业无线网络WIA-PA与IPv6协议转换、工业以太网Modbus与IPv6协议转换和SDN管理接口三个任务为例，通过并行处理单元进行实现，具体包括以下步骤：

S1：通过rte_eal_init()函数进行系统初始化，包括扫描网口设备和串行端口、进行驱动程序的注册和设备简单初始化等操作；

S2：解析应用程序的命令行参数，包括使用核的数量、内存通道数量、端口掩码和其他设置参数等，通过命令行参数进行协议转换程序的命令行控制；

S3：检查CPU核的预先配置数组的准确性、网口接收和发送队列的数量、CPU核的数量；

S4：获取网口的数量，为每个端口通过init_mem()函数分配内存池，并且将内存池分配给mbuf结构体，应用程序可以通过此结构体获取或发送网卡数据；

S5：设置并初始化发送队列和接收队列，设置完成后，启动网卡设备。将网卡设置成混杂模式状态以接收任何协议类型的数据包，检查网卡链路状态，包括网线连接状态和网线速率等信息；

S6：通过函数rte_eal_mp_remote_launch()将Modbus与IPv6协议转换的程序绑定于从核CPU2；

S7：应用程序周期性轮询网卡设备上的描述符是否被设置为1，如果描述符被设置为1，则网卡收到数据，并读取该数据。在Modbus与IPv6协议转换程序中判断该数据是否为Modbus数据，如果是Modbus数据，则根据所设计的Modbus与IPv6协议转换流程进行协议转换；

S8：在Modbus与IPv6协议转换的时候，因其程序绑定于CPU2上运行，所以在主核CPU0中通过Linux函数pthread_create()创建WIA-PA与IPv6协议转换线程；

S9：应用程序通过Linux函数pthread_setaffinity_np()设置从核CPU1与WIA-PA线程的亲和性，将线程绑定于CPU1上；

S10：在WIA-PA与IPv6协议转换线程中设置高速缓存大小，提高数据访问效率。创建发送内存池，绑定结构体mbuf到内存池；

S11：读取串行端口上的数据，判定该数据是否为WIA-PA数据，如果为WIA-PA数据，则开始WIA-PA与IPv6协议转换工作；

S12：创建SDN管理接口线程，利用与绑定WIA-PA线程相同方式将线程绑定在从核CPU3上；

S13：运行SDN管理接口功能，等待脱离SDN控制器或者SDN管理接口功能运行完成；

S14：Modbus与IPv6和WIA-PA与IPv6协议转换完成之后，相应的协议转换线程终止，SDN管理接口功能运行完成，主核CPU0等待外部或者内部信号，信号到来时关闭网卡设备和串行端口。至此Modbus与IPv6和WIA-PA与IPv6的并行协议转换完成。

应用程序启动时设置大页内存，协议转换单元创建内存池时指定高速缓存大小，为协议转换单元预分配IPv6数据包巨页缓冲区并初始化相应头部指针，利用数据包队列预取技术读取网卡数据，同时代码利用宏编程技术实现。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种工业异构网络高速协议转换装置，其特征在于，该装置包括：队列收发单元、协议转换单元、并行处理单元和SDN管理接口单元；

所述队列收发单元用于数据包的分类管理；

所述协议转换单元用于完成工业无线网络和工业有线网络与IPv6骨干网的协议转换；

所述并行处理单元用于多协议转换的并行且高速处理；

所述SDN管理接口单元用于实现上层SDN控制器对协议转换装置的管控。

2.根据权利要求1所述的工业异构网络高速协议转换装置，其特征在于，该装置通过无线模块收发工业无线网络数据；通过网卡收发工业有线网络数据和IPv6骨干网数据。

3.根据权利要求1或2所述的工业异构网络高速协议转换装置，其特征在于，该装置同时支持工业无线网络和工业有线网络向IPv6骨干网的转换，通过无线模块接入工业无线网络，无线模块连接至该装置的串行端口，通过插拔无线模块增加或减少对工业无线网络的支持；每个网口具有相同接口形式并同时支持IPv6骨干网和多种工业有线网络，多种工业有线网络数据先后到达同一网口时与IPv6协议进行转换，支持多路数据流同时转换和多协议同时转换。

4.根据权利要求1或2所述的工业异构网络高速协议转换装置，其特征在于，所述队列收发单元在网卡有数据到来之后，通过哈希函数和数据中的关键字计算哈希值，通过哈希值查询队列对应表，将不同类型的数据散列至不同的网卡队列中，根据队列描述符中的地址将数据写入缓冲区；应用程序读取队列中的数据，在判断协议类型之后进行与IPv6的协议转换工作，将转换完成之后的数据按照原协议类型以指定网卡队列进行发送。

5.根据权利要求1或2所述的工业异构网络高速协议转换装置，其特征在于，所述协议转换单元按照网卡ID和队列ID读取缓冲区数据，根据串行端口描述符读取串行端口数据，并且创建内存池，将内存池绑定于结构体中，对网卡的工业有线网络数据和串行端口的工业无线网络数据进行协议转换，将转换后IPv6数据进行检验和计算后写入结构体中，指定网卡发送队列，将发送描述符指向内存池，网卡读取发送描述符所指向地址并开始发送数据。

6.根据权利要求1或2所述的工业异构网络高速协议转换装置，其特征在于，所述并行处理单元利用多处理器和多线程技术，绑定不同应用程序到特定处理器，协同完成协议转换任务，支持不同接口数据和同一接口多种数据到来时的并行处理，具体包括以下步骤：

S1：对协议转换装置进行系统初始化，包括扫描网卡设备和串行端口、进行驱动程序的注册和设备简单初始化；

S2：解析应用程序的命令行参数，包括使用核的数量、内存通道数量、端口掩码和其他设置参数，通过命令行参数进行协议转换程序的命令行控制；

S3：检查网卡接收和发送队列的数量和CPU核的数量；

S4：获取网口的数量，为每个网口分配内存池，并且将内存池分配给结构体，应用程序通过此结构体获取或发送数据；

S5：设置并初始化发送队列和接收队列，设置完成后，启动网卡设备和串行端口；将网卡设置成混杂模式状态以接收任何协议类型的数据包，检查网卡链路状态，包括网线连接状态和网线速率；

S6：创建协议转换线程，利用CPU亲和性以及线程绑定函数将协议转换线程1绑定于从核CPU1；

S7：应用程序周期性轮询网卡设备和串行端口上的描述符是否被设置为1，如果描述符被设置为1，则网卡或串行端口收到数据，并读取该数据；判断该数据协议类型，若为协议转换程序1所指定的协议转换类型则进行协议转换工作；

S8：通过和步骤S6与步骤S7相同的方法绑定协议转换线程2于从核CPU2上，通过相应程序进行协议转换工作；

S9：主核CPU等待外部或者内部信号，信号到来时关闭网卡设备和串行端口，至此并行协议转换完成。

7.根据权利要求6所述的工业异构网络高速协议转换装置，其特征在于，应用程序启动时设置大页内存，协议转换单元创建内存池时指定高速缓存大小，为协议转换单元预分配IPv6数据包巨页缓冲区并初始化相应头部指针，利用数据包队列预取技术读取网卡数据，同时代码利用宏编程技术实现。

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