栗鵬飛

摘要：工業(yè)物聯(lián)網是大量設備與傳統(tǒng)互聯(lián)網相結合的載體，它已經從單一形式向大型、異構網絡形式轉化，在這種形勢下，傳統(tǒng)網絡標準和協(xié)議無法處理設備之間的差異性，基于此本文提出了一種基于工業(yè)物聯(lián)網的機械制造網絡控制框架，該框架強調設備之間的差異性同時通過虛擬交換機的動態(tài)擴展和協(xié)同共享，實現網絡規(guī)模的靈活擴展，最后通過實例說明該框架的可行性。

關鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網；軟件定義；機械制造；協(xié)同共享；靈活性擴展

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）07-0223-02

1 引言

一個典型的工業(yè)物聯(lián)網（IIoT）由感知層、網絡層和應用層組成，如圖1所示。傳統(tǒng)的傳感設備包括射頻識別（RFID）、溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器等。與工業(yè)環(huán)境相關的工業(yè)設備有制造過程的自動導向車（AGV）、機床、機器臂。工業(yè)中通信設備包括串行通信設備、通信總線中的無線網橋、無線網卡、天線、交換機、工業(yè)以太網。顯然，IIoT是大規(guī)模、動態(tài)變化、異構的網絡，它的應用將對現有網絡是一個挑戰(zhàn)，比如網絡的異構性導致的不同網絡之間互聯(lián)互通的困難和對動態(tài)網絡的不適應[1，2]。

本文以軟件定義（SDN）理論為基礎，提出一種混合網絡控制框架，實現了大規(guī)模、異構網絡的靈活通信和擴展。該框架采用虛擬技術和映射屏蔽底層設備差異技術，利用不同領域的網絡協(xié)同框架，實現控制器定期交換網絡資源，實現實時通信。然而，由于網絡的復雜系，使得整個控制系統(tǒng)的協(xié)調和相互配合變得十分困難，給研究帶來了挑戰(zhàn)。

2 研究現狀

在傳統(tǒng)方法中，一般采用分布式控制機制進行網絡通信和動態(tài)擴展[3]。目前人們利用SDN技術來設計不同的控制器，以實現異構物聯(lián)網的部署，主要涉及分散性多控制器模型、協(xié)同多控制器模型和網絡虛擬化模型等多種模型?；诜植际娇刂频姆稚⒍嗫刂破髂Ｐ偷乃枷胧歉鶕W絡的性質，將IIoT分成幾部分，包括有線局域網（LAN），傳感器網絡，無線移動Ad Hoc網絡。每一種網絡對應一個控制器，并單獨管理。在擴展網絡規(guī)模同時，該網絡可以通過增加控制器來管理和控制網絡，通過控制器之間的共享信息。

現有多控制器模型高效的支持異構和分布式網絡，其擴展的靈活性滿足了大規(guī)模網絡的需求，但是仍然存在一定的缺陷[4]，例如，第一類分散多控制器架構，主要考慮異構網絡的延伸，忽視了不用區(qū)域的網絡的共享；第二類協(xié)作模型指僅僅是控制器之間的通信，，實現一個或者多個區(qū)域之間信息交換；第三種虛擬化控制器框架主要解決了包含SDN控制器的服務器資源共享問題，而沒考慮異構區(qū)域內異構網絡的復雜性，事實上區(qū)域內存在單一的失效點，此外，采用多個控制器不利于成本控制。

3 車間制造網絡控制框架

針對工業(yè)物聯(lián)網異構型、大規(guī)模、管理復雜特點，基于虛擬軟件定義的多網絡控制框架（MNCF）提出了多區(qū)域異構型，這是基于網絡擴展和網絡資源共享和協(xié)作結合。由于該框架涉及多個區(qū)域和多個網絡格式，因此它是基于不同區(qū)域和格式涉及的，根據物理物質劃分不同SDN控制區(qū)，每個控制區(qū)域由一個控制服務器，負載均衡服務器和多個交換機構成， 一方面，采用SDN控制器策略，該框架將服務器集群概念引入到SDN框架中，提出了SDN、集群和虛擬化相結合的思想[5]。因此，具有強大功能服務器被分為幾個虛擬的控制器，他們與真實的控制器由相同的功能，可以充分利用服務器的資源，包括計算、存儲從而實現資源共享，此外該框架可以控制SDN控制器的性能參數，從而動態(tài)的擴展和縮小區(qū)域內的網絡，另外，根據網絡虛擬技術通過將物理開關虛擬為邏輯開關，來構造一組虛擬網絡資源配置，不僅可以實現基礎結構的透明性，而且可以掩蓋底層設備的差異，具體過程如下：

3.1 控制器虛擬和映射策略

一方面，它旨在充分利用包括計算、存儲在內的一切資源，另一方面，將VMWare虛擬化技術應用到多網絡控制框架以此擴大網絡類型和規(guī)模，在一定規(guī)則下，控制服務器根據區(qū)域網絡類型自動生成相應的網絡虛擬控制器，此外，根據網絡中終端設備數量，設置來自同一網絡虛擬控制器的數量，然后根據一主一副設備策略，自動生成兩個虛擬控制器，在SDN控制區(qū)，兩個虛擬控制器被設置成一種不僅具有負載平衡功能而且可以避免單點故障發(fā)生的控制器。

3.2 網絡虛擬化策略

由于IIoT涉及多種網絡，采用網絡虛擬化策略可以屏蔽網絡中的物理層設備的差異性，在此基礎上，利用包括綜合控制和轉發(fā)分離在內的SDH思想[6]，實現分布式執(zhí)行和集中管理。首先，在物理層的基礎上設計出網絡虛擬層，在此基礎上對整個IIoT網絡實施重構，通過這種方法，物理網絡資源被虛化為網絡資源配置和虛擬交換。其次，虛擬交換機上的MNCF是基于OpenFlow協(xié)議來實現的，從而相對淡化了物理交換機上的差異。

3.3 多極協(xié)同策略

一方面，考慮到異構網絡的多樣性，另一方面，由于網絡規(guī)模的可擴展性和終端數量的增加，所以提出多控制器之間的分布式協(xié)作概念[7][8]。該策略可分為區(qū)域內控制器協(xié)作和多區(qū)域控制器之間的協(xié)作，前者指的是控制服務器中的虛擬交換機之間共享信息，在同一網絡中的虛擬交換機中的應用層直接按協(xié)作管理的映射，通過定期交換該程序，區(qū)域內的網絡資源實現共享。

4 解決方案

本方案的測試驗證區(qū)域高科技園區(qū)內的企業(yè)，包括行政辦公、生產區(qū)、倉儲區(qū)、物流區(qū)等，在混合控制網絡框架初始，只有一種網絡可以選擇，然后根據要求逐漸增加網絡的類型和數量。

1）網絡初始化：基于地理位置，研究對象被分為若干區(qū)域，如辦公區(qū)，生產車間和倉庫等被設置為MNCF區(qū)域，這些區(qū)域最初只有一種網絡，比如，行政辦公樓里面的以太網、制造車間的傳感器網絡。

2）控制器和交換機之間的映射：每個SDN控制服務器自動生成兩個虛擬SDN控制器，這些控制器鏈接到區(qū)域中的交換機。

3）通過控制器進行計算：利用拓撲管理、路由管理和網絡負載管理，讀取控制器來計算當前網絡的最優(yōu)路徑，然后通過OpenFlow協(xié)議來控制分組交換機的轉發(fā)。

4）通過交換機進行分組轉發(fā)：在接收分組轉發(fā)請求時，交換機期望查詢存儲器中的流量表，然后根據查詢結果發(fā)送消息，如果沒有相應的流量目，則交換機應該將相應的請求消息發(fā)送給它們的控制器。

5）網絡規(guī)模的動態(tài)變化：當網絡終端數量和網絡規(guī)模增加時。動態(tài)調整虛擬交換機的性能，合理分配參數，當網絡的類型增加時，即網絡從單一形式更新為異構網絡時，自動生成兩個虛擬控制器，然后分別連接到新的網絡。這些控制器通過流量表控制網絡轉發(fā)數據包、負載、和網絡的管理。

6）協(xié)作控制：區(qū)域內的控制器協(xié)作體現了虛擬交換機之間的通信，利用VMware虛擬化技術實現了相應網絡信息的交換和共享。而區(qū)域間的控制器協(xié)作則時指區(qū)域間的通信，并能夠在自己的區(qū)域內傳輸相關信息，例如，在框架的應用層設置故障監(jiān)視設備，生產線發(fā)生故障時，控制器可接受傳感器節(jié)反饋的信號，然后，生產區(qū)的控制器將故障信息傳遞給行政區(qū)域的控制器，使工人可以在平臺的管理程序上檢查緊急情況。

5 結論

基于IIoT和異構網絡環(huán)境下，考慮到通信網絡的可擴展性，本文設計一種新的MNCF框架，主要采用SDN技術、控制器虛擬化技術、網絡虛擬化以及多網協(xié)同策略構建該模型。在此基礎上假定IIoT場景以靈活實現網絡的擴展和異構網絡間的數據流通，最后通過一個實例場景來驗證該框架的可行性。

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