专利名称：工业控制系统应用组播技术抑制广播风暴系统的制作方法
技术领域：
本文涉及工业控制系统通信领域，特别涉及一种工业控制系统应用组播技术抑制 广播风暴系统。
背景技术：
随着计算机网络的不断发展，网络已经应用到社会各个层面，尤其工业控制系统 的通信网络更趋向于基于以太网的“一网到底”通信模式，使设备终端满足了大量数据交 互的实时性等要求。工业控制系统是一个网络化的集成，以系统网络服务器、控制台、各个 终端设备为基础，采用分布式结构，通过以太网传输数据，从而满足工业生产中系统对实时 性、高效性、可靠性等方面的要求。在实际生产过程中，系统服务器接收控制台发来的指令，再将控制指令发给对应 的设备终端，同时接收终端的反馈数据并将数据上传控制器，供其模型计算得出下一步指 令，整个系统处于高效运转中。因此需要一个可靠高效的数据传输机制，实现控制台、服务 器与终端之间的安全快速的实时数据交换。然而一旦发生网络故障，则会对工业生产造成巨大损失。其中最常见的是网络广 播风暴(Broadcast Storm)，它对网络的危害非常大，可能造成通讯迟缓，甚至网络完全中 断，并损害设备终端[1]。因此，如何抑制广播风暴已成为我们在进行系统网络设计规划以 及实施网络安全策略时需要着重考虑的问题。在一个网络广播域内，一个节点同时传输数据帧到本地网段上的各个节点称为广 播(Broadcast)。在广播帧中，帧头的目的MAC地址“FF. FF. FF. FF. FF. FF”，代表网络上所 有主机网卡的MAC地址[2]。随着网络中终端数量的增多，广播包的数量也会急剧增加，网络 长时间被大量的广播数据包占用，网络的传输性能明显下降，使正常的点对点通信都几乎 无法正常进行，导致网络性能下降，甚至网络瘫痪，这就是广播风暴(Broadcast Storm)。广播风暴是一种常见的网络故障，也是最常见的数据洪泛(flood)，是一种典型的 雪球效应。当广播风暴发生时，传输网络中出现每秒数万级的数据包，网络设备接口上统计 的报文速率达到-IO6数量级，操作系统反映迟缓，网络通讯严重受阻。同时，设备处理器高 负荷运转，所有的终端都要接收链路层的广播数据包，从而使设备受到损害。而且实际应用中当服务器发送一次数据，网络中的所有终端都能接收到数据。但 一般情况下，可能只有一部分终端处于联网工作状态，而另一部分处于单机工作状态，将数 据发送给所有终端会给处于单机状态的终端带来影响，而且大量广播数据的存在会消耗网 络带宽，严重时就会引起广播风暴，造成网络瘫痪。因此必须采取措施，将数据传输限制在 一定范围内，减少数据的无效传播，防止广播风暴的发生，避免对工业系统网络造成影响。
实用新型内容本实用新型的目的在于解决上述现有技术问题，本实用新型提供了一种工业控制 系统应用组播技术抑制广播风暴系统。[0009]为了达到上述目的，本实用新型提供的一种工业控制系统应用组播技术抑制广播 风暴系统，该系统采用工业以太网交换机负责上传和下发数据，终端机与工业以太网交换 机之间采用UDP组播方式分组传输周期性刷新的实时数据。其中，所述工业以太网交换机采用TCP协议与控制器连接。本实用新型有益的技术效果是本实用新型有效地控制了广播风暴问题，提高了 网络通讯的效率，系统性能明显提高。
图1是本实用新型具体实施例的工业系统网络拓扑图；图2是本实用新型具体实施例的服务器软件界面；图3是本实用新型具体实施例的客户端软件界面。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本实用新型做详细描述。本实施例是利用UDP组播技术来抑制广播风暴，实现通信流畅提效能提高。具体 内容如下以太网的高数据传输速率能够为工业控制网络提供足够的带宽，同时由于具有统 一的通信协议，以太网和TCP/IP很容易集成到企业的IT系统，而且在整个网络中，运用了 交互式和开放的数据存取技术，具有更好的环境适应性和组网灵活性，可以很好地满足工 业控制网络的需求。工业网络中通常使用TCP/IP协议中的TCP和UDP协议实现数据传输。但TCP提 供面向连接、可靠的字节流服务，安全性高，但传输效率低。UDP是一个简单的面向数据报的 传输层协议，不用在用户之间建立连接，且没有超时重发机制，故传输速度很快。因此UDP 协议适合要求数据实时传输的网络，尤其是周期性刷新的数据，当数据丢失时很快就有新 的一组数据到达，不需要反复的验证和重发。因此，我们采用组播技术来实现工控系统的数据通信。我们在应用层增加相应的 验证机制，确保数据被正确收到，从而使UDP协议可以更好地处理设备终端数据上载以及 服务器的数据广播，既满足了分布式工业控制网络系统的实时性可靠性的要求，又避免了 广播风暴带来的网络堵塞。本实用新型的投入使用，将解决工业控制和企业管理等许多领域存在的热点问 题，利用TCP和UDP组播的方法可以有效的控制数据流量，合理地分配系统网络资源，从而 使系统通信更加畅通，并且有利于设备维护。本技术可以应用在一般工业实时通信领域，和 舰船综合管理平台(IPMS)、汽车测试制造等专业领域，并且在物理学、电机学、信息学等领 域的基础研究也能提供新的技术手段。一、技术方案要实现组播，首先应在网络中建立组播组，等待需要接收组播数据的终端发出加 入组的申请，成功加入该组播组后就可收到组内主机发送的组播数据。当不再需要接收 数据时，可向组播组发送退出申请，则该主机断开与组的连接，组播数据不会再发送给该主 机。因此终端设备可以动态的加入和退出组播组，这种特性恰好适合于工业控制系统的需求。但在传统的网络下无法实现组播，因为传统交换机只能支持广播方式的数据传 输，在以太网上实现组播必须有支持组播的交换机和应用软件的支持。实现组播技术软件 方面的前提条件如下(1)主机的TCP/IP实现支持发送和接收IP组播；(2)主机的网络接口支持组播；(3)有一套用于加入、离开、查询的组管理协议，如Internet组管理协议 IGMP(Internet Group Management Protocol)；(4)有一套IP地址分配策略，并能将第3层IP组播地址映射到第2层介质访问控 制MAC地址；(5)支持IP组播的应用软件；(6)所有介于组播源和接收者之间的路由器、集线器、交换机、防火墙均需支持组播。组播IP地址用于标识一个IP组播组，IANA (Internet地址分配管理机构)把 D类地址空间分配给IP组播，其范围从224. 0. 0. 0到239. 255. 255. 255。从224. 0. 0. 1 到224. 0.0. 255组播地址块被用于路由协议，以及某些低层拓扑探索或维护协议。从 239. 0. 0. 0到239. 255. 255. 255范围的地址被用于本地可管理域。硬件方面，目前各厂家的工业以太网交换机都支持组播方式，而且工业以太网交 换机有较高的可靠性，因此组建工业控制通讯网络采用工业以太网交换机。二、结构本系统分为三层结构，上层是控制台，负责数据计算、发布控制指令；中间是服务 器(工业交换机)，负责数据上传和下发；底层是各个终端设备，接收服务器发送的指令和 上传数据。如图1所示。其中，控制器与服务器采用TCP协议的连接方式，满足可靠性等要 求；在服务器与终端设备之间，采用UDP组播技术分组传输周期性刷新的实时数据。本系统硬件需要各终端计算机和以太网交换机。软件分为服务器软件，实现建立 组播组、组内数据传输等功能；客户端软件，实现自由加入退出组播组，与服务器进行数据 交互。系统是基于.Net平台下的Visual Studio 2005软件设计，采用C#编程语言和SQL 2005数据库。系统终端分为仿真训练状态和实时工作状态，切换成不同状态时需加入不同组播 组或单独运行。服务器端要建立组播组，实现整个系统数据的上载和发送。具体实现方案如下(1)首先，在组网时对以太网交换机进行配置，正确使用交换机的组播协议，并对 IP地址等协议各种参数进行设置。(2)打开服务器软件，设定端口号等参数，建立组播组，等待终端申请加入。如图 2。(3)打开客户端软件，设定服务器IP地址、端口号和设备名称，即可加入组播组。 在组内，可以接收服务器传输的数据，上传数据和与其他组内终端通信。如图3。(4)建立连接后，服务器可对组内终端发送数据和接收上传数据。服务器也能显示 加入组的终端名称和数量，并显示组内数据的通信情况等讯息。[0041](5)当需断开连接时，终端只需点击“断开”即可退出组播组，实现了自由加入退出 组播组，降低了网络流量，提高通信效率。本人在研究工业控制系统的通信网络部分时，设计并实现了组播通信功能，在实 际应用中有效地控制了广播风暴问题，提高了网络通讯的效率，系统性能明显提高。以上内容是结合具体的优选技术方案对本实用新型所作的进一步详细说明，不能 认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视 为属于本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种工业控制系统应用组播技术抑制广播风暴系统，其特征在于，该系统采用工业 以太网交换机负责上传和下发数据，终端机与工业以太网交换机之间采用UDP组播方式分 组传输周期性刷新的实时数据。
2.根据权利要求1所述的工业控制系统应用组播技术抑制广播风暴系统，其特征在 于，所述工业以太网交换机采用TCP协议与控制器连接。
专利摘要本实用新型公开了一种工业控制系统应用组播技术抑制广播风暴系统，该系统采用工业以太网交换机负责上传和下发数据，终端机与工业以太网交换机之间采用UDP组播方式分组传输周期性刷新的实时数据。本实用新型有效地控制了广播风暴问题，提高了网络通讯的效率，系统性能明显提高。
文档编号H04L29/06GK201789523SQ20102017805
公开日2011年4月6日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者牟宝璐 申请人:大连海事大学