专利名称：用于不同网段间网元通信的智能网桥及其数据传输方法
技术领域：
本发明涉及网络通信领域，特别是涉及一种用于不同网段间网元通信的智 能网桥及其数据传输方法。
背景技术：
在目前的工程系统中，往往将设备分成现场操作设备和后台监控设备，各 自运行于不同的网段之中。而当这两个网段中的设备要发生多对多的通信时， 往往统一通过一个转发器或称网桥来实现数据包的转发。
现场操作设备和后台监控设备相互间要传输的数据包数量非常庞大，因 此，作为沟通两个网段的枢纽，网桥的任务往往会非常的繁重。此外，在实际 的工程系统中，往往会出现许多不可预知的异常情况，因此，也需要网桥能够 对于现场操作设备的运行状况进行监测，能够对于异常状况进行相应的处理。
目前的转发器或者网桥一般采用的工作模式是无差别的接收所有现场操 作设备的所有报文，并转发给监控设备。同时无差别的接收所有后台控制设备 的控制命令并透明传输给现场操作设备。
这种设计还有一些不足的情况，首先，网桥作为网络传输的枢纽，其作用 举足轻重，无差别的接收处理所有的数据包会加重网桥的负担，造成在网桥的 网络带宽和处理能力上不必要的浪费。其次，在现场操作设备和后台监控设备 相互间需要建立多对多通信的情况下，来自监控层的许多控制命令可能是相互 矛盾的，比如某个监控设备要关闭与某个操作设备的网络连接，而另一个监控 设备恰恰要保持与这个操作设备的网络连接。如果无差别的向现场操作设备转 发来自后台监控设备的控制命令，会影响整个网络整体上的工作效能。
在专利号为200510090811的中国专利"智能网桥及其实现网络隔离控制 的方法"中，提出了一种利用智能网桥实现网络隔离控制的方法。此发明包括 处理器、存储器、组态控制模块、若干网络接口、和所述网络接口具有相同个 数的网络通信模块。此发明可以对不同网段的所有报文进行监听、处理和转发，
并可以根据组态信息来控制报文转发，隔离大部分在其他网段无效的报文。
这种网桥仍然存在需要改进的地方，在实际应用中，监控设备需要监控当 前现场所有的操作设备的情况仍属少数。大多数场合下，监控设备只是有选择 的挑选少数几个现场操作设备进行监控。无差别的接收所有设备的所有报文会 不必要的加重作为传输枢纽的网桥的工作负担。
此外，由于在实际的工程系统中，会发生许多诸如设备死机，通讯链路故 障等不可预知的异常情况。无论是现场操作设备还是后台监控设备，哪一个设 备出现异常都可能会影响整个网络的运行，至少也会不必要地占用网桥的资 源。长时间与一个己经死机的现场操作设备保持网络连接，或者是向一个已经 关闭了的监控设备转发数据包。不但毫无意义，也造成宝贵的网桥资源的浪费。 以上发明的缺点在于并没有充分考虑到在工业应用中的实际情况，对于在 实际工程系统中可能出现的诸如待处理的数据包数量庞大，设备死机链路中 断，控制消息相互矛盾等情况缺乏考虑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于不同网段间网元通信的智 能网桥及其数据传输方法，用于在工业系统中实现现场操作设备与后台监控设 备之间高效稳定且便捷的多对多通信。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于不同网段间网元通信的智能网 桥，用于包括现场操作设备和后台监控设备的工程系统，所述现场操作设备、 所述后台监控设备各自运行于不同的网段，其特征在于，该智能网桥包括
网络通信模块，用于实现所述现场操作设备、所述后台监控模块之间的数 据传输；
数据处理模块，连接所述网络通信模块，用于处理所述后台监控设备发送 的网络连接请求，根据所述网络连接请求获取所述后台监控设备感兴趣的现场
操作设备，建立所述现场操作设备、所述后台监控模块之间的连接关系；接收 所述现场操作设备发送的数据包，对所述数据包进行封装，并将封装后的数据 包转发给与所述现场操作设备存在连接关系的后台监控设备。
所述的用于不同网段间网元通信的智能网桥，其中，还包括
硬件承载模块，用于运行所述网络通信模块、所述数据处理模块。
所述的用于不同网段间网元通信的智能网桥，其中，所述硬件承载模块为 配置有双网卡的计算机或包含有处理器、存储器和网络驱动设备的嵌入式设 备。
所述的用于不同网段间网元通信的智能网桥，其中，所述数据处理模块以 交换矩阵形式记录/保存所述现场操作设备与所述后台监控设备之间的连接关 系。
为了实现上述目的，本发明提供了一种应用智能网桥实现数据传输的方 法，用于包括现场操作设备和后台监控设备的工程系统，所述现场操作设备、 所述后台监控设备各自运行于不同的网段，其特征在于，该方法包括
步骤一，智能网桥接收由所述后台监控设备发送的网络连接请求，根据所 述网络连接请求获取所述后台监控设备感兴趣的现场操作设备，并建立所述现 场操作设备与所述后台监控设备之间的连接关系；
步骤二，所述智能网桥接收由所述现场操作设备发送的数据包，对所述数 据包进行封装，并将封装后的数据包转发给与所述现场操作设备存在连接关系 的后台监控设备。
所述的实现数据传输的方法，其中，所述步骤一之前，进一步包括启动 所述智能网桥，完成所述智能网桥的初始化，并在针对所述后台监控设备的网 络端口处侦听来自所述后台监控设备的网络连接请求的步骤。
所述的实现数据传输的方法，其中，所述步骤一中，进一步包括所述智 能网桥在接收到所述网络连接请求时，对所述后台监控设备进行鉴权，判断所 述后台监控设备是否为有权用户的步骤，若有，则接纳所述网络连接请求；否 则拒绝所述网络连接请求。
所述的实现数据传输的方法，其中，所述步骤一中，进一步包括
当所述智能网桥接收到所述后台监控设备需要增加对指定现场操作设备 的监测时，根据网桥内存中是否存在该指定现场操作设备的记录进行相应的处 理
若存在，则建立所述后台监控设备与该指定现场操作设备之间的连接关 系；否则向该指定现场操作设备发送网络连接请求，并在所述网桥内存中增加 对该指定现场操作设备的信息记录，再在所述网桥内存中建立所述后台监控设 备与该指定现场操作设备之间的连接关系。
所述的实现数据传输的方法，其中，所述步骤一中，进一步包括
当所述智能网桥接收到所述后台监控设备需要关闭指定现场操作设备的 监测时，拆除网桥内存中所述后台监控设备与该指定现场操作设备之间的连接 关系，并检索是否还有其他后台监控设备对该指定现场操作设备感兴趣
若有，则保持与该指定现场操作设备之间的网络连接，维持相应的信息记 录；否则关闭与该指定现场操作设备之间的网络连接，删除相应的信息记录。
所述的实现数据传输的方法，其中，所述步骤二中，进一步包括所述智 能网桥对所述现场操作设备和/或所述后台监控设备的运行状况进行监控，当 所述现场操作设备和/或所述后台监控设备出现异常状况时，断开与相应设备 的网络连接并释放相关资源的步骤。
本发明的有益技术效果
1) 通过一种类似交互矩阵的传输机制，支持现场操作设备和后台监控设 备相互之间多对多的通信，作为沟通现场操作设备和后台监控设备的传输枢 纽，保证了相互之间稳定高效、便捷的信息传输。
2) 因不是无差别地接收处理现场操作设备的所有报文，而只是接收处理 后台监控设备感兴趣的现场操作设备的报文，所以在保证了后台监控设备监测 需求的同时，节省了网络带宽，降低了网桥的工作负荷。
3) 对于后台监控设备和现场操作设备的运行状况进行监测，当某台设备 出现异常时，网桥自行中断与它的网络连接并释放相关的资源；而对于来自后
台监控层，对可能相互冲突的控制消息进行处理，提高了网络整体上的工作效 能。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的 限定。
图1为应用本发明的一种工程系统的示例图2为本发明采用的类似交换矩阵的数据传输原理示意图3为本发明的基本框架结构图4为本发明的基本工作流程图5为本发明对外围设备运行状况进行监测并对异常情况进行处理的工
作流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。
如图l所示，为应用本发明的一种工程系统的示例图。该图给出了主要应
用于工程领域，主要是为现场操作设备10与后台监控设备20提供一个多对多 信息交互的平台。
在图1中，整个工程系统包括现场操作设备10 (现场操作设备1 现场 操作设备n)和后台监控设备20 (后台监控设备l 后台监控设备n)，其中， n为大于2的自然数。
现场操作设备10和后台监控设备20各自运行于不同的网段，网桥30对 应两个不同的网段开放两个不同的网络接口。而对于现场操作设备IO和后台 监控设备20而言，他们只需要在统一的网络接口上建立网络连接，就可以与 整个网络进行信息传输和交互，从而有利于整个工程系统的扩容与设备的自由 增减。
如图2所示，为本发明采用的类似交换矩阵的数据传输原理示意图。结合 图1，由于在实际的工业系统中，每一后台监控设备20都可能要监测多个现 场操作设备10，而每一个现场操作设备10也可能被多个后台监控设备20所 监测，于是相互之间便形成了多对多的信息交互关系。本发明利用交换矩阵来 记录这种信息交互关系。
每当收到某个现场操作设备10发来的数据包，网桥30将在交换矩阵中检 索与此现场操作设备10存在连接关系的后台监控设备20，并将数据包封装后 转发所有对此现场操作设备10感兴趣的后台监控设备20。
每当收到后台监控设备20需要增加对于某个现场操作设备10的监测时， 网桥30则会首先查询是否已经存在此现场操作设备10的记录，如果已存在， 则在内存中记录后台监控设备20与现场操作设备10之间的连接关系。如果不 存在，则向此现场操作设备IO发送网络连接请求，在内存中增加对于此现场 操作设备10的记录，再在内存中记录后台监控设备20与现场操作设备10之 间的连接关系。同样，每当收到后台监控设备20需要关闭/停止对于某个现场
操作设备10的监测时，网桥30拆除这两者之间的连接关系，并检索是否仍然
还有其他后台监控设备20对此现场操作设备10感兴趣，如果有，则网桥30 将仍然保持与此现场操作设备10的网络连接，维持它的信息记录。如果没有， 网桥30关闭与此现场操作设备10的网络连接，删除相应的信息记录。
在实际工程系统中，由于多个后台监控设备20相互之间往往会发出互相 矛盾的指令，比如一个要求中断网络连接，而另一个要求保持网络连接。无论 是透明传输这些控制命令，还是简单执行这些控制命令都会造成整个网络整体 上工作性能的下降。而本发明通过交换矩阵的采用，解决了这个问题，从而提 高了整个网络的工作性能。
如图3所示，是本发明的基本框架结构图。该图给出了一种应用于工程系 统且具有类似交换矩阵功能的智能网桥。
当有后台监控设备20要停止对某个现场操作设备10的监测时，网桥30 拆除两者相互间的连接关系，査询信息记录，根据其他后台监控设备20的需 求，判断是否仍然需要保持与此现场操作设备IO之间的网络连接。
对所有与网桥30存在网络连接的设备(包括现场操作设备IO、后台监控 设备20)，网桥30定期发送心跳数据包，并要求对方在规定时间内返回一个 应答消息。当某个设备超时未应答，网桥30视为此设备发生异常，关闭与此 设备的网络连接，删除此设备的记录，释放相应的资源。
在图3中，该网桥30包括以下几个模块
网络通信模块51，用于实现现场操作设备10、后台监控模块20之间的数 据传输，接收后台监控设备20的网络连接请求，处理后台监控设备20的控制 消息，同时接收后台监控设备20感兴趣的现场操作设备10的数据包，并根据 后台监控设备20和现场操作设备10的连接关系进行相应的转发。
数据处理模块52，用于记录当前所有外围设备(现场操作设备IO、后台 监控设备20)的基本信息，以交换矩阵的形式保存设备与设备之间的连接关 系，以及对所接收到的数据包进行解析和处理，对需要转发的数据包进行再封 装。
硬件承载模块53，可以是一台配置了双网卡的计算机，也可以是包含了 处理器、存储器和网络驱动设备的嵌入式设备，用于运行网络通信模块51、 数据处理模块52。
当网桥30启动后，完成初始化操作，启动网桥监听线程，侦听来自后台 监控设备20的网络连接请求；通过网络通信模块51接收后台监控设备20的
网络连接请求，然后通过数据处理模块52解析数据包，获知后台监控设备20 企图监控的现场操作设备10的名称。
数据处理模块52根据现场操作设备10的名称査询信息数据库，找到与需 求相匹配的记录，以获取现场操作设备10的IP地址，根据该IP地址向此设 备10发送网络连接请求，以在交换矩阵上建立后台监控设备20与现场操作设 备10之间的连接关系。
数据处理模块52收到现场操作设备10的数据包，查询连接关系记录，并 将数据包进行封装，由网络通信模块51将封装后的数据包转发给与此现场操 作设备10存在连接关系的所有后台监控设备20。
如图4所示，为本发明采用的基本工作流程图。结合图2，当有后台监控 设备20要停止对于某个现场操作设备10的监测时，网桥30拆除两者相互间 的连接关系，査询信息记录，根据其他后台监控设备20的需求，判断是否仍 然需要保持与此现场操作设备10的网络连接。
对于所有与网桥30存在网络连接的现场操作设备10及后台监控设备20， 定期发送心跳数据包；并要求对方在规定时间内返回一个应答消息。当某个后 台监控设备20超时未应答，网桥30视为该设备发生异常，关闭与该设备的网 络连接，删除该设备的记录，释放相应的资源。
当网桥30启动以后，首先会执行一些基本的初始化操作；同时网桥30 并不会无差别的与所有现场操作设备IO进行网络连接，而只是打开针对后台 监控设备20的网络端口，并在此端口侦听后台监控设备20的网络连接请求。 当收到一个后台监控设备20的网络连接请求时，网桥30会首先鉴别它是否为 有权用户，如果是无权用户，则拒绝与它的网络连接。如果是有权用户，则接 纳它的网络连接请求，并在自身的信息数据库中记录这个用户。
当网桥30建立了与后台监控设备20的网络连接以后，每当此用户要增加 对于某个现场操作设备10的监测时，网桥30检索自身的记录，如果网桥30 之前已经和此现场操作设备10建立了网络连接，则将后台监控设备20与现场 操作设备10在交换矩阵上建立连接关系后返回。如果网桥30并未与此现场操 作设备IO建立网络连接，则网桥30在自身的信息数据库中寻找此现场操作设
备10的IP地址，根据检索到的IP地址，向相应的现场操作设备10发送网络 连接请求，如果网络连接成功建立，则在交换矩阵中增加对于该设备的记录， 并将此现场操作设备10与后台监控设备20在交换矩阵中建立连接关系；如果 网络连接失败，则向后台监控设备20返回失败消息。 在图4中，该流程包括如下步骤
步骤S401，启动网桥30，完成网桥30的初始化；
步骤S402，启动网桥监听线程，侦听来自后台监控设备20的网络连接请
求；
步骤S403，接收后台监控设备20的网络连接请求，通过解析数据包，获 知后台监控设备20企图监控的现场操作设备10的名称；
步骤S404,査询信息数据库，找到与需求相匹配的记录，获取现场操作 设备10的IP地址，向此现场操作设备10发送网络连接请求，并在交换矩阵 上建立后台监控设备20与现场操作设备10之间的连接关系；
步骤S405，收到现场操作设备10的数据包，查询连接关系记录，将数据 包封装以后，再转发给与此现场操作设备IO存在连接关系的所有后台监控设 备20;
步骤S406，结束。
图4中，由于网桥30只与后台监控设备20感兴趣的现场操作设备10建 立网络连接，从而避免了在传统的网桥设计中，无差别地接收处理数据报文， 而造成的在网络带宽和网桥30处理能力上的浪费。在实际工程系统中，这种 设计更为合理，大大提高了整个网络的信息传输效率。
如图5所示，为网桥对现场操作设备和后台监控设备的运行状况进行监控 的工作流程图。
在图5中，在通过网桥30来沟通现场操作设备10和后台监控设备20的 工程系统中，作为网络传输的枢纽，网桥30的任务相当的繁重，因此它的网 络带宽，CPU资源都非常的宝贵；节约网桥资源，避免不必要的浪费，是提 高整个网络工作效能的重要环节。针对一个已经不复存在的对象发送数据，或 为一个已经死机或发生故障的设备保留信息记录都是对于带宽或处理机资源 的浪费。而由于在实际工程系统中，经常会因为某些未知的原因导致设备出现 诸如死机、复位、关闭或者通讯链路中断等异常状况。通过网桥30对所连接
的设备状态的监测，在周边设备发生异常时中断网络连接，回收资源可以有效 提高整个网络的工作效能。
在图5中，网桥30会定时査询自己的信息记录，对于所有存在网络连接 关系的外围设备发送一个心跳数据包并置标志位，同时网桥30启动一个定时
器，凡是接收到心跳数据包的设备都会返回一个应答消息。当网桥30接收到
来自某个设备应答消息，便清除该设备的标志位。当定时器超时以后，网桥
30检索信息数据库中所有的信息记录，对于标志位尚未被清除的对象，都视 为发生了异常。于是，网桥30便会在交换矩阵中删除此设备的记录，拆除之 前保留的此设备和其他设备的连接关系。如果是现场操作设备10发生了异常， 网桥30还将发送相应的通知消息，告知还在监测此现场操作设备10的后台监 测设备20。
结合图2，该流程具体包括如下步骤
步骤S501，网桥30发送心跳数据包，置标志位；
步骤S502，网桥30接收应答，清除标志位；
步骤S503，定时器超时，网桥30检查设备标志位；
步骤S504，网桥30逐一判断记录中所有设备的标志位是否被清除？对已 被清除标志位的设备不作处理，对未被清除标志位的设备，则转入步骤S505;
步骤S505，网桥30关闭与未被清除标志位的设备之间的网络连接，删除 记录；
步骤S506，网桥30完成全部检索。
以上对本发明的具体实现方法和它的功能特点作了详细说明，结合在工程 系统中存在的实际情况，此发明对于先前的网桥设计做出了重大的改进，在工 程领域和网络通信领域中具有非常广阔的应用前景。
本发明结合了工业系统中的实际情况，提供了一种更为高效简便的智能网 桥，从而保证了在工业系统中，现场操作设备和后台监控设备高效稳定的多对 多通信；还提供了一种可以让工作在不同网段中网元相互之间完成信息交互的 简便方法，该方法通过一种类似交互矩阵的传输机制，支持现场操作设备和后 台监控设备相互之间多对多的通信，作为沟通现场操作设备和后台监控设备的 传输枢纽，保证了相互之间稳定高效、便捷的信息传输。
另外，本发明并不是无差别的接收处理现场操作设备的所有报文，而只是
接收处理后台监控设备感兴趣的现场操作设备的报文。在保证了后台监控设备 监测需求的同时，节省了网络带宽，降低了网桥的工作负荷。
对于后台监控设备和现场操作设备的运行状况进行监测，当某台设备出现 异常时，网桥自行中断与它的网络连接并释放相关的资源。且对于来自后台监 控层，对可能相互冲突的控制消息进行处理，提高了网络整体上的工作效能。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精祌及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但 这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1、一种用于不同网段间网元通信的智能网桥，用于包括现场操作设备和后台监控设备的工程系统，所述现场操作设备、所述后台监控设备各自运行于不同的网段，其特征在于，该智能网桥包括网络通信模块，用于实现所述现场操作设备、所述后台监控模块之间的数据传输；数据处理模块，连接所述网络通信模块，用于处理所述后台监控设备发送的网络连接请求，根据所述网络连接请求获取所述后台监控设备感兴趣的现场操作设备，建立所述现场操作设备、所述后台监控模块之间的连接关系，接收所述现场操作设备发送的数据包，对所述数据包进行封装，并将封装后的数据包转发给与所述现场操作设备存在连接关系的后台监控设备。
2、 根据权利要求1所述的用于不同网段间网元通信的智能网桥，其特征在于，还包括-硬件承载模块，用于运行所述网络通信模块、所述数据处理模块。
3、 根据权利要求2所述的用于不同网段间网元通信的智能网桥，其特征 在于，所述硬件承载模块为配置有双网卡的计算机或包含有处理器、存储器和 网络驱动设备的嵌入式设备。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的用于不同网段间网元通信的智能网桥， 其特征在于，所述数据处理模块以交换矩阵形式记录/保存所述现场操作设备 与所述后台监控设备之间的连接关系。
5、 一种应用智能网桥实现数据传输的方法，用于包括现场操作设备和后 台监控设备的工程系统，所述现场操作设备、所述后台监控设备各自运行于不 同的网段，其特征在于，该方法包括步骤一，智能网桥接收由所述后台监控设备发送的网络连接请求，根据所 述网络连接请求获取所述后台监控设备感兴趣的现场操作设备，并建立所述现 场操作设备与所述后台监控设备之间的连接关系；步骤二，所述智能网桥接收由所述现场操作设备发送的数据包，对所述数 据包进行封装，并将封装后的数据包转发给与所述现场操作设备存在连接关系 的后台监控设备。
6、 根据权利要求5所述的实现数据传输的方法，其特征在于，所述步骤 一之前，进一步包括启动所述智能网桥，完成所述智能网桥的初始化，并在 针对所述后台监控设备的网络端口处侦听来自所述后台监控设备的网络连接 请求的步骤。
7、 根据权利要求6所述的实现数据传输的方法，其特征在于，所述步骤 一中，进一步包括所述智能网桥在接收到所述网络连接请求时，对所述后台 监控设备进行鉴权，判断所述后台监控设备是否为有权用户的步骤，若有，则 接纳所述网络连接请求；否则拒绝所述网络连接请求。
8、 根据权利要求5、 6或7所述的实现数据传输的方法，其特征在于，所 述步骤一中，进一步包括当所述智能网桥接收到所述后台监控设备需要增加对指定现场操作设备 的监测时，根据网桥内存中是否存在该指定现场操作设备的记录进行相应的处理若存在，则建立所述后台监控设备与该指定现场操作设备之间的连接关 系；否则向该指定现场操作设备发送网络连接请求，并在所述网桥内存中增加 对该指定现场操作设备的信息记录，再在所述网桥内存中建立所述后台监控设 备与该指定现场操作设备之间的连接关系。
9、 根据权利要求5、 6或7所述的实现数据传输的方法，其特征在于，所 述步骤一中，进一步包括-当所述智能网桥接收到所述后台监控设备需要关闭指定现场操作设备的 监测时，拆除网桥内存中所述后台监控设备与该指定现场操作设备之间的连接 关系，并检索是否还有其他后台监控设备对该指定现场操作设备感兴趣若有，则保持与该指定现场操作设备之间的网络连接，维持相应的信息记 录；否则关闭与该指定现场操作设备之间的网络连接，删除相应的信息记录。
10、 根据权利要求5、 6或7所述的实现数据传输的方法，其特征在于， 所述步骤二中，进一步包括所述智能网桥对所述现场操作设备和/或所述后 台监控设备的运行状况进行监控，当所述现场操作设备和/或所述后台监控设 备出现异常状况时，断开与相应设备的网络连接并释放相关资源的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种用于不同网段间网元通信的智能网桥及其数据传输方法，用于包括现场操作设备和后台监控设备的工程系统，现场操作设备、后台监控设备各自运行于不同的网段，其中该方法包括步骤一，智能网桥接收由后台监控设备发送的网络连接请求，根据网络连接请求获取后台监控设备感兴趣的现场操作设备，并建立现场操作设备与后台监控设备之间的连接关系；步骤二，智能网桥接收由现场操作设备发送的数据包，对数据包进行封装，并将封装后的数据包转发给与现场操作设备存在连接关系的后台监控设备。在工业系统中，采用本发明实现现场操作设备与后台监控设备之间高效稳定且便捷的多对多通信。
文档编号H04L12/46GK101170480SQ20071017854
公开日2008年4月30日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者渊 张 申请人:中兴通讯股份有限公司