基于profinet的工业以太网网络拓扑管理实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于PROFINET的工业以太网网络拓扑管理实现方法，该以太网网络拓扑管理主要实现探测工业以太网内的各种设备信息，比如各种网络服务器、路由器、打印机、交换机等信息，以及设备之间的网络连接关系，用图表的形式让用户了解本网络中所拥有的设备以及检测各种设备是否能够正常工作。其中，本发明通过对设备站点信息、路由器、交换机等设备的探测，检测各种设备是否能够正常工作。
【专利说明】基于即0「1呢了的工业以太网网络拓扑管理实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业以太网控制系统【技术领域】，尤其涉及一种基于？如？1肥I的工业以太网网络拓扑管理实现方法。
【背景技术】
[0002]？如？1肥I由？如？1冊3国际组织⑴如？〗冊3 1^61-^101181, 推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，？如？1肥I为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线(如？如？1冊3)技术，保护现有投资。
[0003]在过去的几年间，工业机网络的规模经历了爆炸式的增长。网络的应用已经深入到人们生产的每一个角落，成为必不可少的基础设施。随着对网络依赖性的加强，人们对网络的可靠性也提出了更高的要求:第一，有稳定、高效、安全的网络环境:第二，当网络发生故障时，能够及时的检测出故障原因并修复。可以看出，网络故障诊断对保持网络的健康状态具有重要的意义。然而在当今网络环境下，网络故障诊断遇到了前所未有的困难，其主要表现在以下几个方面；控制器网络无论从规模上，还是从网络复杂性和业务多样性上都有了巨大的发展。大规模网络的故障关系错综复杂，故障原因和故障现象之间的对应关系模糊，大大提高了故障诊断的难度。
[0004]网络设备的复杂性也提高了故障诊断的难度。网络设备的复杂性有两个含义:第一是新的网络设备不断推出，功能越来越多，越来越复杂；第二是设备提供商数量众多，产品规格和标准不统一。
[0005]随着？如？1肥I的广泛应用，控制器技术和网络通信技术得到迅速发展，新的数字通信网络不仅拥有多种业务流量，而且采用了多种融合的网络传输技术。不断采用的网络新技术对网络故障诊断提出了越来越高的要求；正是由于上述困难的存在，传统的依靠网络专家人工方式进行的故障诊断已经不能满足需要了。当代网络呼唤智能化的故障诊断技术，以实现网络故障诊断的自动化，将人从繁重的诊断工作中解放出来。
[0006]智能化网络故障诊断技术有下列四个方面的难点:
[0007]第一，故障发现网络故障发生的不确定性和网络软硬件构架的动态变化，使得包括专家在内的知识受到了局限。
[0008]第二，故障定位一个设备产生故障会影响很多和它相连的设备或子系统，甚至会导致网络的瘫痪，这种现象就叫做故障关联。
[0009]第三，故障检测常规的故障检测方法需要建立数学模型，而数学模型的复杂性和精确性难以满足高速网络的实时需求；简化的数学模型又导致实际控制效果不能令人满
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[0010]第四，故障表示由于网络应用的多样性与不断更新，现在还不能找到一个明确的函数能表示所有的应用层故障。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是提供一种基于？如？1肥I的工业以太网网络拓扑管理实现方法，能够实现工业以太网内的各种设备信息的探测，以及设备之间的网络连接关系，为工业以太网网络故障诊断提供有利的设备信息，为后续工作提供有效数据。
[0012]本发明采用的技术方案为:
[0013]一种基于？如？1肥I的工业以太网网络拓扑管理实现方法，包括以下步骤:
[0014]八:获取工业以太网中设备站点信息
[0015]基于工业以太网服务器的扣?/〗？协议族，获取所有存在于工业以太网内的设备站点信息，包括设备的I？地址、嫩￠:地址、广播帧数、通信帧数、操作系统。
[0016]八1:假设全局系统中设有一个本机，且设本机的两个全局变量分别为代表本机I？地址，嫩01(1(1代表本机的嫩地址。
[0017]八2:首先进行主动探测；
[0018]本机周期性的向局域网中所有可能存在的每一台主机发送一个八欺骗包，从而获取接收主机的I？地址和嫩地址。
[0019]八3:根据八欺骗包的应答回复遍历每一台主机的I？地址；
[0020]若I？地址的嫩(:地址已知，则遍历其它主机的I？地址；并且，以其它I？地址和本机嫩地址为发送端，以选中的I？地址和选中的嫩地址为目的端，构造并发送仙？欺骗包；
[0021]若I？地址的嫩地址未知，则以本机I？地址和本机嫩地址为发送端，以选中的I？地址为目的端，构造并发送正常的八即请求包。
[0022]八4:针对主机的仙？高速缓存为静态的系统，再进行被动探测；
[0023]^4.1:系统创建一个户…乂犯」)八丁八结构体；
[0024]八4.2:本机每收到一个工业以太网数据包，如八请求/应答包，执行一次分析判断，并刷新发送端主机的数据信息；
[0025]^4.3:将每个I？地址的相关数据信息整合在一起。
[0026]8:探取工业以太网中的路由器；
[0027]81:方式一；
[0028]81.1:首先通过3匪？查询该设备中的118-11中的1^(1(11^11廿7表，如果没有返回，初步认定该设备不是路由器；
[0029]81.2:若该设备有两个或者更多的接口，且1奸01'冊1x11118节点被设置为1，认定该设备是一个路由器。
[0030]82:方式二 ；
[0031]根据非广播I？报文中外网I？与本地工业以太网通信的嫩地址为本地子网嫩地址这一特性来确定本地子网的监0地址，且外网报文通过路由器后，其监0地址将被转换为网关的歡地址，由此判定是否为路由器。
[0032]83:方式三；
[0033]通过路由器使用的寻径协议，进行判定。
[0034]0:探取工业以太网中的交换机；
[0035]若设备为交换机，应该支持81*1(186-118，而且应该实现三个主要节点:
[0036]①:端口的数量节点；
[0037]②:从当前桥节点到根桥节点的路径值；
[0038]③:从点前桥节点到根桥节点的端口数量。
[0039]本发明工业以太网拓扑管理主要实现探测工业以太网内的各种设备信息，比如各种网络服务器、路由器、打印机、交换机等信息，以及设备之间的网络连接关系，用图表的形式让用户了解本网络中所拥有的设备以及检测各种设备是否能够正常工作。其中，本发明通过对设备站点信息、路由器、交换机等设备的探测，检测各种设备是否能够正常工作。
[0040]进一步，设备站点信息能够为用户提供工业网络设备站点的详细信息，比如I？地址、嫩地址、广播帧数、通信帧数、操作系统等等。对于用户了解本地网络信息，迅速查找和定位工业网络故障提供强有力的参考。设备站点列表采用主动探测和被动探测结合的方式来实现。
[0041]路由器信息的列表显示本工业以太网的路由器信息，并能够为用户使用本系统设置路由信息提供参考。路由器了解整个工业以太网，维持互连工业以太网的拓扑，了解工业以太网的状态，因而可使用最有效的路径发送包。
[0042]交换机用于整个工业以太网的网络传输信息的交换，为工业以太网提供可靠的桥
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【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1为本发明的流程框图；
[0044]图2为本发明的获取工业以太网中设备站点信息流程图；
[0045]图3为本发明的探取工业以太网中的路由器的流程图。
【具体实施方式】
[0046]如图1图2和图3所示，本发明包括以下步骤:
[0047]八:获取工业以太网中设备站点信息
[0048]基于工业以太网服务器的扣?/〗？协议族，获取所有存在于工业以太网内的设备站点信息，包括设备的I？地址、嫩地址、广播帧数、通信帧数、操作系统；
[0049]八1:假设全局系统中设有一个本机，且设本机的两个全局变量分别为代表本机I？地址，嫩01(1(1代表本机的嫩地址；
[0050]八2:首先进行主动探测；
[0051]本机周期性的向局域网中所有可能存在的每一台主机发送一个八欺骗包，从而获取接收主机的I？地址和嫩地址；
[0052]八3:根据八欺骗包的应答回复遍历每一台主机的I？地址；
[0053]若I？地址的嫩(:地址已知，则遍历其它主机的I？地址；并且，以其它I？地址和本机嫩地址为发送端，以选中的I？地址和选中的嫩地址为目的端，构造并发送仙？欺骗包；
[0054]若I？地址的嫩(:地址未知，则以本机I？地址和本机嫩地址为发送端，以选中的I？地址为目的端，构造并发送正常的八即请求包；
[0055]八4:针对主机的八高速缓存为静态的系统，再进行被动探测；
[0056]^4.1:系统创建一个户八“工犯」)八丁八结构体；
[0057]八4.2:本机每收到一个工业以太网数据包，如八请求/应答包，执行一次分析判断，并刷新发送端主机的数据信息；
[0058]八4.3:将每个I？地址的相关数据信息整合在一起；
[0059]8:探取工业以太网中的路由器；
[0060]81:方式一；
[0061]81.1:首先通过3匪？查询该设备中的118-11中的1^(1(11^11廿7表，如果没有返回，初步认定该设备不是路由器；
[0062]81.2:若该设备有两个或者更多的接口，且1奸01'冊1x11118节点被设置为1，认定该设备是一个路由器；
[0063]82:方式二 ；
[0064]根据非广播I？报文中外网I？与本地工业以太网通信的嫩地址为本地子网嫩地址这一特性来确定本地子网的监0地址，且外网报文通过路由器后，其监0地址将被转换为网关的歡地址，由此判定是否为路由器；
[0065]83:方式三；
[0066]通过路由器使用的寻径协议，进行判定；
[0067]0:探取工业以太网中的交换机；
[0068]若设备为交换机，应该支持81*1(186-118，而且应该实现三个主要节点:
[0069]①:端口的数量节点；
[0070]②:从当前桥节点到根桥节点的路径值；
[0071]③:从点前桥节点到根桥节点的端口数量。
[0072]工业以太网拓扑管理主要实现探测工业以太网内的各种设备信息，比如各种网络服务器、路由器、打印机、交换机等信息，以及设备之间的网络连接关系，用图表的形式让用户了解本网络中所拥有的设备以及检测各种设备是否能够正常工作。对工业以太网服务器的探测主要是应用扣?/〗？协议族，此外还可以使用服务器特定的一些协议族，比如1？乂等。
[0073]下面，举例详细说明某些设备的信息获取过程:
[0074]—，设备站点信息获取
[0075]设备站点信息能够为用户提供工业网络设备站点(如等)的详细信息，比如I？地址、嫩地址、广播帧数、通信帧数、操作系统等等。对于用户了解本地网络信息，迅速查找和定位工业网络故障提供强有力的参考。设备站点列表采用主动探测和被动探测结合的方式来实现。
[0076]采用主动探测能够让用户在短时间内收到所需信息，并且对于交换式工业以太网环境的特点，必须采用主动探测才能实现对整个工业以太网的探测。系统程序设计时使用两个全局变量“…况代表本机I？地址，嫩…况代表本机的嫩地址。系统中维护一个存放主机信息的链表中。当控制器接收到八即应答数据包的时候，就会对本地的八即缓存进行更新，将应答中的I？和嫩地址存储在仙？缓存中。本系统通过周期性的向局域网中每一台主机发送仙？欺骗包来获取所需I？地址和嫩地址信息。
[0077]系统程序创建一个八欺骗包，向本局域网内所有可能存在的I？地址发送一次八尺？请求。根据仙？应答回复来遍历主机链表的每一个I？地址，如果此I？地址的嫩地址已知，则遍历主机链表中其它I？地址，以其它I？地址和本机的嫩地址为发送端，以选中的I？地址和嫩地址为目的端，构造并发送仙？应答欺骗包；如果此I？地址的嫩地址未知，则以本机I？地址和獄地址为发送端，以选中的I？地址为目的端，构造并发送正常的八尺？请求包。
[0078]这种八欺骗是以主机的八高速缓存可以动态改变为前提的，如果八即高速缓存中某一 I？的職地址被设为静态(^社化)，则对此I？的欺骗显然不成立。为了尽快的掌握工业以太网中主机的地址信息，应至少对八即请求包和八应答包都处理。如果只处理八请求包，则在此刻只能掌握发端主机的信息，并只能欺骗发端主机。在实际的I？包捕获中，就会看到单边数据包。当然，在程序运行一段时间后，所有主机信息也能全部掌握，但效率显然是不高。如果再加上对未知嫩的I？的主动请求，则捕获所有数据包可在较短时间内完成。
[0079]这种主动探测方法人为发出一系列数据包，而且大多为广播数据包，这就增加了工业以太网流量，对于网络负载较重的工业以太网及其不利。在这种情况下，就需要结合被动测试来完成。
[0080]设计一个结构体中，将每个I？地址的相关数据信息都整合在一起。被动探测的解析需要对工业以太网的各种协议进行分析判断，提取有用信息。每收到一个工业以太网数据包比如八即请求/应答包，就执行一次分析过程并刷新该设备的数据信息。
[0081]二，路由器的探测
[0082]路由器信息的列表显示本工业以太网的路由器信息，并能够为用户使用本系统设置路由信息提供参考。路由器了解整个工业以太网，维持互连工业以太网的拓扑，了解工业以太网的状态，因而可使用最有效的路径发送包。
[0083]路由器是一种负责网络寻径的工业以太网设备，它在互连工业以太网中从多条路径中寻找通讯量最少的一条网络路径提供给用户通信。路由器用于连接多个逻辑上分开的工业以太网。对用户提供最佳的通信路径，路由器利用路由表为数据传输选择路径，路由表包含网络地址以及各地址之间距离的清单，利用路由表查找数据包从当前位置到目的地址的正确路径。路由器使用最少时间算法或最优路径算法来调整信息传递的路径，如果某一网络路径发生故障或堵塞，路由器可选择另一条路径，以保证信息的正常传输。路由器可进行数据格式的转换，成为不同协议之间工业以太网互连的必要设备。根据不同的情况，路由器的探测的实现采用了三种方法相结合的方式。
[0084]方案一:
[0085]决定一个设备是否是一个路由器，通过3匪？查询该设备中的118-11中的1^(1(11-2111:1-7表，如果没有返回，就可以初步认定该设备不是路由器，继续通过其他操作判断设备类型。如果该设备有两个或者更多的接口，且11^011^(11118节点被设置为1，就可以认定该设备是一个路由器。通过该路由器可以发现其他的网段，就可以继续查找其他网端的设备。
[0086]简单性是3匪？标准取得成功的主要原因。因为在大型的、多厂商产品构成的复杂工业以太网中，管理协议的明晰是至关重要的，但同时这又是3匪？的缺陷所在，为了使协议简单易行，3匪？简化了不少功能，如:没有提供成批存取机制，对大块数据进行存取效率很低；没有提供足够的安全机制，安全性很差；只在扣?/〗？协议上运行，不支持别的工业以太网协议；没有提供与之间通信的机制，只适合集中式管理，而不利于进行分布式管理；只适于监测工业以太网设备，不适于监测工业以太网本身。3匪？协议运用于获取信息时，设备必须有正确的可用的I？以及被探测设备3匪？的0)111111111110。这对于一个移动设备来讲，是致命的缺点。对于一个陌生环境的子网或者没办法联系到工业维修人员甚至存在工业以太网故障的子网来说，获取一个正确的可用的I？确实是件令人头痛的问题。而对于路由器来讲，为保证工业以太网的安全健康，一般3匪？设备的03111111111111:7需要保密。因此仅仅上述主方案并不能保证确定我们能获取所需要的相关信息，必须考虑其他的方案并结合上述方案来共同实现。
[0087]方案二:
[0088]以太网通信是根据獄实现的，而不是通过I？实现的。因此外网报文通过路由器后，其嫩地址将被转换为网关的嫩地址。因此可以根据非广播I？报文中外网I？与本地工业以太网通信的嫩地址为本地子网嫩地址这一特性来确定本地子网的嫩地址。
[0089]方案三:
[0090]从路由器使用的寻径协议出发，我们可以从此判断是否是路由器。按照031参考模型，路由器是一个工业以太网层系统。路由器分为单协议路由器和多协议路由器。路由器在选择路径时常用的算法有两种:一是距离向量；二是链路状态。前一种由路由选择信息协议(虹?)使用，后一种由开放式最短路径优先协议((^--)使用。
[0091]本软件考虑常见的路由选择协议有虹？路由信息协议、03？？开放式最短路径优先协议(内部路由协议协议。当路由器启动时，它定期在所有广播或多播传送接口上发送通告报文。准确地说，这些通告报文不是定期发送的，而是随机传送的，以减小与子网上其他路由器发生冲突的概率。一般每两次通告间隔450秒和600秒。一份给定的通告报文默认生命周期是30分钟。
[0092]路由器在一份报文中可以通告多个地址。地址数指的是报文中所含的地址数。地址项大小指的是每个路由器地址326“字的数目，始终为2。生存期指的是通告地址有效的时间(秒数)。
[0093]也就是说路由器要实现选路，则必须定时更新其选路信息。而这一点又必须依赖工业以太网报文来实现。那么就可以对该类型的工业以太网报文的进行过滤分析来确定路由器的位置。
[0094]三，交换机的探测
[0095]3匪？协议在工业网络维护五种技术中，使用频率比较高的一种。如果对方工业网络设备支持3匪？协议，通信双方就可以通过工业网络来管理、维护和控制通信设备。3匪？协议可以获取一个大型交换工业网络上的很多详细信息，比如哪些端口的负载较高，哪些端口存在拥塞或高错误率。并且3匪？协议可以扩展咖01让用户自定义所需的协议信息。这就让3匪？在工业网络维护上明显发挥它的优势。但在网络故障检测上，3匪？协议也存在它的不足，3匪？协议的使用有一个前提，在工业网络设备支持3匪？情况下，还必须知道对方的设备团体名((?.111110)。而设备团体名一般是保密设置的，对检测工业网络健康的用户来讲，不一定能够知道所有的设备的设备团体名。
[0096]一个设备支持3匪？以后，如果是交换机，应该支持81*1(186-118，而且应该实现其中的几个主要节点:
[0097]⑴端口的数量节点；
[0098](2)从当前桥节点到根桥节点的路径值；
[0099](3)从点前桥节点到根桥节点的端口数量；
[0100]如果以上三点支持，可以把它认为是一个交换机。为了得到交换机的端口列表以及相关的属性，可以读取以下的值:
[0101](1)由端口值，得到接口索引值，该值定义在118-11，端口通信值。
[0102](2)由端口值，得到端口的当前状态，也就是通过生成树协议来定义。
[0103](3)由端口值，得到接口的速度和索引。以上的信息可以作为端口对象以及相关的属性信息来查询收集。
【权利要求】
1.一种基于？如？1肥I的工业以太网网络拓扑管理实现方法，其特征在于:包括以下步骤: 八:获取工业以太网中设备站点信息； 基于工业以太网服务器的扣?/〗？协议族，获取所有存在于工业以太网内的设备站点信息，包括设备的I？地址、嫩地址、广播帧数、通信帧数、操作系统； 八1:假设全局系统中设有一个本机，且设本机的两个全局变量分别为:1？八(1(1代表本机I？地址，嫩01(1(1代表本机的嫩地址； 八2:首先进行主动探测； 本机周期性的向局域网中所有可能存在的每一台主机发送一个八即欺骗包，从而获取接收主机的I？地址和监0地址； 八3:根据八欺骗包的应答回复遍历每一台主机的I？地址； 若I？地址的嫩地址已知，则遍历其它主机的I？地址；并且，以其它I？地址和本机^0地址为发送端，以选中的I？地址和选中的嫩地址为目的端，构造并发送仙？欺骗包；若I？地址的嫩地址未知，则以本机I？地址和本机嫩地址为发送端，以选中的I？地址为目的端，构造并发送正常的八即请求包； 八4:针对主机的八高速缓存为静态的系统，再进行被动探测； 八4.1:系统创建一个户…乂犯」)八I'八结构体； 八4.2:本机每收到一个工业以太网数据包，如八请求/应答包，执行一次分析判断，并刷新发送端主机的数据信息； 八4.3:将每个I？地址的相关数据信息整合在一起； . 8:探取工业以太网中的路由器； . 81:方式一； .81.1:首先通过3匪？查询该设备中的118-11中的1^(1(11^11廿7表，如果没有返回，初步认定该设备不是路由器； .81.2:若该设备有两个或者更多的接口，且'冊节点被设置为1，认定该设备是一个路由器； 82:方式二 ； 根据非广播I？报文中外网I？与本地工业以太网通信的监0地址为本地子网监0地址这一特性来确定本地子网的嫩￠:地址，且外网报文通过路由器后，其嫩￠:地址将被转换为网关的歡地址，由此判定是否为路由器； .83:方式三； 通过路由器使用的寻径协议，进行判定； .0:探取工业以太网中的交换机； 若设备为交换机，应该支持81*1(186-118，而且应该实现三个主要节点: ①:端口的数量节点； ②:从当前桥节点到根桥节点的路径值； ③:从点前桥节点到根桥节点的端口数量。
【文档编号】H04L12/24GK104506339SQ201410673386
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】孟瑾, 王德吉, 吴雪芹, 孟霞, 石怀忠, 杨彬, 刘博
申请人:河南中烟工业有限责任公司