基于IPv6协议的全互联制造网络架构及管理方法与流程

本发明属于工业网络技术领域，涉及基于IPv6协议的全互联制造网络架构及管理方法。

背景技术：

近年来，在技术架构上，工业4.0架构、工业互联网架构陆续被提出，这些架构主要侧重于宏观方面，对具体的技术内容和网络融合协议讨论较少。而构成全互联制造网络的潜在技术元素，大部分还处于各自独立发展的局面。例如，在工业物联网方面，ISA100.11a、WIA-PA等主流国际标准陆续推出，但它们主要考虑现场网络内部的通信问题，对跨网的深度融合技术涉及较少。

在即时信息传输方面，XMPP在互联网中广泛应用，当前已有一些探索性工作将其应用至物联网设备中，但对其所传输的物联网数据模型，缺乏统一的规范。在网络管理方面，Broadband论坛推出的TR069远程管理规范，已经逐渐从互联网设备管理延伸至M2M领域，但其主要关注管理功能本身。此外，在设备描述和信息互通方面，基于XML描述的OPC UA协议得到广泛发展，并能在一定程度上运行于资源受限的现场设备中，但尚需要向互联网端进一步扩展。

同样，IPv6协议也不断向物联网领域延伸，IETF成立了多个工作组，陆续推出了6LoWPAN、RPL、CoAP等系列协议，较好的解决了IPv6在低功耗有损环境中资源有限物联网设备上进行应用的技术问题，但这些协议主要面向通用的物联网环境进行制定，对工业制造网络的优化较少。

目前，上述各自发展的技术缺乏有效的整合，没有形成完整的网络融合方案，无法有效适应智能制造的网络需求。因此，本报告将致力于建立新型的全互联制造网络架构，并对各项关键技术进行整体考虑和优化，以满足工业环境下底层物联网到互联网的无缝融合与集成要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于IPv6协议的全互联制造网络架构及管理方法，通过建立全网统一的设备描述架构、XMPP即时通信协议、TR069资源管理模式和IPv6地址编码方式，实现底层物联网与互联网的无缝融合与集成，从而构建统一的全互联制造网络架构。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于IPv6协议的全互联制造网络架构，包括现场网络、全互联网络设备以及后台系统；所述现场网络包括有线网络和无线网络，通过全互联网络设备接入后台系统。

进一步的，所述现场网络包括现场IPv6网络和现场非IPv6网络，现场IPv6网络是指已经支持IPv6的各种现场网络，现场非IPv6网络是指不支持IPv6的现场总线网络或工业无线网络。

进一步的，所述全互联网络设备包括工业现场网络节点、全互联转换器和网关；所述后台系统包括全互联信息共享平台、TR069服务器、MES、ERP和现场控制设备。

进一步的，所述现场IPv6网络包括6LoWPAN无线网络、ISA100无线网络、基于IPv6的WIFI网络；所述现场非IPv6网络包括WIA-PA无线网络、Modbus网络。

进一步的，所述现场IPv6网络能够通过网关直接与后台系统进行信息交换，而现场非IPv6网络则通过连接相应的全互联转换器与后台系统相连，实现全网设备统一管理和信息交互。

进一步的，该网络架构采用基于XML的全网统一设备描述方法、基于XMPP的XML即时传输协议、全互联制造网络管理方法和基于IPv6技术的地址编码方式进行构建。

进一步的，所述基于XML的全网统一设备描述方法采用TR069/OPC UA融合信息模型对全互联网络设备进行统一描述，构建底层设备与后台系统的数据交换通道；所述TR069/OPC UA融合信息模型将TR069协议的数据模型和OPC UA的信息模型相融合，并通过OPC UA的引用来连接。

进一步的，所述基于XMPP的XML即时传输协议用于每个底层设备将其自身的数据信息和管理信息以XML格式进行编码，并利用XMPP协议进行传输。

一种基于IPv6协议的全互联制造网络管理方法，包含主动配置模式和被动配置模式；

所述被动配置模式包含步骤：

1-1)全互联网络设备上线或状态发送变化时，主动与预设好的后台系统建立连接；

1-2)连接建立完成后，会发送自身设备信息到后台系统进行登记；

1-3)登记完成后，后台系统会根据设备信息，对设备进行相关配置；

1-4)配置完成后，设备主动断开连接。

所述主动配置模式包含步骤：

2-1)后台系统通过设备登录信息，主动与全互联网络设备建立连接；

2-2)连接建立完成后，会发送配置信息到全互联网络设备；

2-3)设备在收到配置信息后，执行配置命令，并在执行完成后，向后台系统发送配置完成信息；

2-4)后台系统收到配置完成信息后，主动断开连接。

本发明的有益效果在于：

1)全互联制造网络架构，突破了传统控制系统分层结构，通过采用统一的IPv6互联协议和XMPP即时通信方法，实现了基于物联网的工业现场网络与基于互联网的后台系统之间的无缝融合与集成，满足了工业环境下物与物、人与物之间的信息交互和工业现场网络与后台系统之间的一体化信息集成需求。

2)全互联制造网络架构支持多种形式的异构网络互联与集成，既支持基于IP技术的工业网络互联，也能通过网关、转换器等网络设备将Profibus、Modbus(RTU)、WIA-PA等不支持IP技术的工业网络接入全互联制造网络；既支持以太网等有线网络，也支持WIFI、3G、LTE等无线网络。

3)全互联制造网络架构建立了以XML为核心、以OPC UA为基础的信息描述与互通机制。具体方案是在OPC UA技术架构的基础上，进一步融合TR069协议中对网络设备及管理信息的描述模型，形成扩展的OPC UA信息互联技术，从而建立现场智能设备与网络设备的统一信息描述模型，并利用OPC UA打通底层设备与后台系统的数据交换通道，最终实现信息层面的互通与交换。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明基于IPv6协议的全互联制造网络架构示意图；

图2为本发明基于IPv6协议的全互联制造网络架构数据信息流向图；

图3为本发明基于IPv6协议的全互联制造网络架构管理信息流向图；

图4为OPC UA和TR069融合信息模型图；

图5为TR069/OPC UA融合信息模型实例化示意图；

图6为主动配置模式流程图；

图7为被动配置模式流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

全互联制造网络架构的基本原理是现场设备直接支持XML描述和IPv6寻址，使以XML格式组织的信息，利用IPv6网络及网关，从现场节点能够自由流动到后台系统，从而实现底层物联网与互联网的无缝融合。

为了更加清楚的阐述本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明，其具体实现过程如下：

一、基于IPv6协议的全互联制造网络构架说明

图1为本发明基于IPv6协议的全互联制造网络架构示意图，该网络架构以网关为桥梁，建立基于XML的全网统一设备描述方法、基于XMPP的XML即时传输协议、基于TR069的资源管理模式和基于IPv6技术的地址编码方式的全互联制造网络。

在基于IPv6技术的全互联制造网络中，每个底层设备都有一个IP地址，能够将其自身的数据信息和管理信息以XML格式进行编码，并利用XMPP协议进行传输。底层物联网设备之间利用XML进行信息交互，同时通过边界网关的转发，XML格式的数据信息和管理信息还能够自由流动到MES、ERP等系统。这样，后台系统利用IPv6技术能够直接寻址到现场设备，并且无需经过控制网络中间层次的处理，就能够获取底层物联网节点的数据信息和管理信息，与现场智能设备之间在逻辑层面上实现了基于XML的直接信息交互，从而达到了底层物联网与互联网、智能设备与后台系统之间的无缝融合与集成的目标。

图2为本发明基于IPv6协议的全互联制造网络架构数据信息流向图，数据信息在智能设备上组织成XML格式，并利用IPv6网络进行传输。从网络结构上看，XML数据信息经过设备的通信底层，到达网关，进而被中转到后台系统的通信底层，通过支持XMPP协议和XML语言的信息服务适配软件进行解析后到达系统上层。在逻辑结构上看，后台系统上层与现场的智能设备间是直接的对话和交互关系，XML数据信息是两者进行沟通的统一桥梁。

图3为本发明基于IPv6协议的全互联制造网络架构管理信息流向图，全网的设备管理和资源管理采用全互联制造网络管理方法完成。该方法在组织管理信息时，采用的是TR069/OPC UA融合信息模型；在传输管理信息时，采用的是XML格式，并遵循IPv6协议。故管理信息在现场智能设备、网关、MES、ERP等实体之间流动时，仍是以XML语言和IPv6协议为基础，其传输方式与数据信息流向图类似。

二、TR069/OPC UA融合信息模型说明

图4是OPC UA和TR069融合信息模型图，由于TR069协议网络管理数据模型遵循TR069XML技术标准的描述方法，数据模型表现为与目录树相类似的层次结构。OPC UA地址空间是层次复杂网状结构，地址空间模型被称为元模型，信息模型是基于地址空间而建立的特定领域的模型，OPC UA信息模型作为对元模型的扩展，也同样是呈现为层次结构。将TR069协议的数据模型和OPC UA的信息模型相融合，从而形成如图4所示的新的融合后的信息模型。

该模型上半部分保留了OPC UA的层次结构，root标准对象是浏览地址空间的入口点，根节点下有视图、对象和类型3类节点，类型下为节点类型。融合的信息模型使用OPC UA的8种节点类型，一般可根据实际需求分别定义对象类型、引用类型、变量类型和数据类型，综合4个类型定义为类型模型。同时这4种基本类型可以根据实际需要进行扩展，若已有的基本类型已经能够满足需要，则不需要进行扩展。且设备之间的关系以引用类型来表示，可直接使用OPC UA规范中的内置引用类型，类型扩展用HasTypeDefinition，属性组成引用采用HasComponent和特性引用采用HasProperty。该模型的下半部将TR069协议的数据模型的树形结构融入其中，如图4所示，扩展基本对象类型，将TR069树形结构的每一层扩展定义为一种对象类型，如3层树形结构可扩展定义为例如FirstClassType、SecondClassType和ThirdClassType。同时，每一种对象类型所包含的节点对应于TR069协议的数据模型的对象，上一层的节点和下一层节点之间的关系为融入的TR069数据模型的树形结构关系，这些节点通过OPC UA的引用来连接，OPC UA通用的引用类型共有8种，实际上可选取满足实际应用的其中几种即可。TR069协议的数据模型中的参数使用OPC UA信息模型中节点的属性来描述，OPC UA节点有7种通用属性。融合后的信息模型保留OPC UA信息模型建模的流程和方法，同时将TR069的目录树结构应用到融合的信息模型中，使信息模型层次结构清晰明了。

图5是TR069/OPC UA融合信息模型实例化示意图，类型实例化是把抽象类型实例化为具体实例，这些实例在信息模型中是基于标准地址空间的方式对外展现，以此达到信息统一表示。通过Type Definition Node(类型定义节点)中的HasTypeDefinition引用来连接类型定义和实例。

融合后的信息模型建模基本规则采用和OPC UA建模相同的建模规则。在综合分析规范和文献的基础上，提出信息建模流程，主要分为如下4个详细步骤：

Step1：需求获取主要是从系统框架图和应用场景图中获取建模需要的设备类型、设备的参数即属性、设备具有的方法即事件，以及设备之间或设备与属性、设备与方法之间的关系，然后，根据特定领域相关规范来验证建模需要的信息，同时进行必要的补充，最后对这些节点信息归入四个标准的节点类别。

Step2：定义类型模型主要根据节点类别中的4个类型，分别定义对象类型模型、变量类型模型、引用类型模型、数据类型模型，然后合并为统一的类型模型，在定义这些模型时，规范中已经存在的内置类型，可以不定义，在定义类型模型中仅仅显示根据特定领域扩展的类型。

Step3：类型模型定义之后，根据特定领域的具体实例对4个类型模型进行实例化，同时按照OPC UA服务器的标准地址空间方式，建立实例化信息模型。

Step4：运用开发工具包导出XML和CSV文档，作为实现实例化信息的数据来源。

三、全互联制造网络管理方法说明

全互联制造网络管理方法是以全网设备的统一描述为基础，为了解决底层设备与后台系统的管理信息交互问题而提出的管理方法。该方法包括主动配置和被动配置两种模式。

图6是全互联制造网络管理方法主动配置模式流程图，具体步骤如下：

Step1：后台系统通过设备登录信息，主动与全互联网络设备建立连接。

Step2：连接建立完成后，会发送配置信息到全互联制造网络设备。

Step3：设备在收到配置信息后，执行配置命令，并在执行完成后，向后台系统发送配置完成信息。

Step4：后台系统收到配置完成信息后，主动断开连接。

图7是全互联制造网络管理方法被动配置模式流程图，具体步骤如下：

Step1：全互联网络设备上线或状态发送变化时时，会主动与预设好的后台系统建立连接。

Step2：连接建立完成后，会发送自身设备信息到后台系统进行登记。

Step3：登记完成后，后台系统会根据设备信息，对设备进行相关配置。

Step4：配置完成后，设备主动断开连接。

本发明的网络架构及其管理方法支持但不限于IPv6网络，同样适用于IPv4网络和IPv4/IPv6混合网络中。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。