PROFINET协议在5G-LAN中的接入方法

profinet协议在5g-lan中的接入方法
技术领域
1.本发明属于工业无线网络领域，是对工业以太网协议在指定无线网络中的接入方法的设计和发明，具体涉及的是profinet工业以太网协议在5g-lan中的接入方法。


背景技术：

2.5g技术作为新一代移动通信技术，具有高速率、低时延、大容量和移动性，以及支持可扩展性、可编程性、多用户性的核心网，能基于同一基础架构以明确的服务水平协议支持不同使用场景。5g技术的以上优势，能够满足高可靠、低时延、抗干扰和高安全性的工业场景要求，通过网络化、智能化推动经济产业结构升级，增强工业制造领域的竞争力。
3.工业控制网络为了适应数据业务实时性的要求，往往采用二层互联，避免tcp/ip协议栈的数据处理给业务造成的时延影响。考虑到工业设备二层互通的需求，相比于移动互联网使用的常规5g网络，5g-lan显然是一个更好的选择。5g-lan支持工厂局域环境中的设备通过5g连接，进行点对点(p2p)通信。同时支持广域设备连接以及业务隔离；
4.虽然5g-lan实现了5g网络终端与工厂有线网络终端设备的二层互通，但是它的加入打破了工厂自动化系统组态视图与底层网络视图的对应关系。终端设备不再通过几台交换机构建局域网，5g-lan中的终端设备实际上通过5g网络中的cpe、基站、upf等设备与工厂有线网络中的设备互联。复杂的网络拓扑给设备组态带来了困难，一方面，网络工程师不了解自动化系统的组态关系，无法明确的准确的划分虚拟子网；另一方面，组态工程师不了解复杂的网络拓扑，无法找到组态所需设备所在的网络位置。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明针对profinet工业以太网在5g-lan中的应用场景，自动收集并整理5g-lan中的profinet终端设备信息，并根据实际组态需求划分虚拟子网。
6.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：profinet协议在5g-lan中的接入方法，包括以下步骤：
7.在5g-lan中，通过dcp代理识别通过5g-lan接入的profinet终端，并将识别出的profinet终端的终端设备信息发送至profinet终端管理器；
8.通过profinet终端管理器，确定5g-lan中的profinet终端以及企业有线网络的profinet终端所属虚拟子网；
9.在虚拟子网和企业有线网络的子网中，实现profinet终端作为主站时主站与从站的组态。
10.所述在5g-lan中，通过dcp代理识别通过5g-lan接入的profinet终端设备，并将识别出的profinet终端设备信息发送至profinet终端管理器，包含以下步骤：
11.(1)dcp代理向5g-lan中的cpe以太网口一侧周期广播dcp识别请求帧，扫描cpe所在局域网内所有profinet终端；
12.(2)收到识别请求帧的profinet终端向dcp代理回复识别应答，dcp代理记录所有
应答消息中的终端设备信息；
13.(3)dcp代理与profinet终端管理器建立网络连接，将终端设备信息发送至profinet终端管理器；
14.(4)profinet终端管理器更新profinet终端的终端设备信息，记录终端设备信息变化。
15.所述通过profinet终端管理器，确定5g-lan中的profinet终端以及企业有线网络的profinet终端所属虚拟子网，包括以下步骤：
16.(1)根据实际需求和profinet终端管理器提供的profinet终端的终端设备信息选择5g-lan中的profinet终端所属组态；
17.(2)根据profinet终端所属组态划定5g-lan中的cpe所属虚拟子网。
18.当主站为企业有线网络的某profinet终端时，主站与作为从站的5g-lan中profinet终端进行组态，包括以下步骤：
19.(1)主站发出mac层广播帧，被同一子网的从站、以及划分在同一虚拟子网的所有5g-lan中的从站接收；
20.(2)5g-lan中的从站接收到主站发出的广播帧后，使用mac层单播帧回复自身的终端设备信息，被同一组态下企业有线网络中的主站接收；
21.(3)主站接收到从站的回复后，发出arp寻址查询预先设定给从站的ip地址是否已被同一子网中包含profinet终端的所有终端、或者划分在同一虚拟子网的5g-lan中包含profinet终端的所有终端占用；
22.(4)如果ip地址被占用，则组态结束；如果ip未被占用，主站向5g-lan中的从站发出mac层单播帧，配置从站组态信息；
23.(5)5g-lan中的从站使用mac层单播帧回复配置结果；
24.(6)若主站收到配置失败信息，则本次组态结束；若主站收到配置成功消息，则主站向从站发起周期性单播通信并使用单播帧对从站block进行设置。
25.当主站为5g-lan中的某profinet终端时，5g-lan中的主站与作为从站的5g-lan中其他profinet终端、以及企业有线网中的profinet终端进行组态，包括以下步骤：
26.(1)主站发出mac层广播帧，被划分在同一虚拟子网的所有5g-lan从站、以及企业有线网络子网中的从站接收；
27.(2)5g-lan或者有线网络中的从站接收到主站发出的广播帧后，使用mac层单播帧回复自身的终端设备信息，被同一组态下5g-lan网络中的主站接收；
28.(3)主站接收到从站的回复后，发出arp寻址查询预先设定给从站的ip地址是否已被划分在同一虚拟子网的所有5g-lan的profinet终端或者企业有线网络子网中包含profinet终端的所有终端占用；
29.(4)如果ip地址被占用，则组态结束；如果ip未被占用，主站向5g-lan中或者有线网络中的从站发出mac层单播帧，配置从站组态信息；
30.(5)从站使用mac层单播帧回复配置结果；
31.(6)若主站收到配置失败信息，则本次组态结束；若主站收到配置成功消息，则主站向从站发起周期性单播通信并对使用单播帧对从站block进行设置。
32.一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有dcp代理的计算机程序，当所述
计算机程序在计算机上运行时，所述计算机程序用于使所述计算机执行以下步骤：
33.向5g-lan中的cpe以太网口一侧周期广播dcp识别请求帧；
34.接受并解析profinet终端的dcp识别应答帧得到应答消息，并记录应答消息中的终端设备信息；
35.与profinet管理器建立网络连接后，将终端设备信息发送至profinet管理器。
36.所述dcp代理的计算机程序存储于在cpe、upf或5g-lan中的其他任意一类网元中。
37.一种profinet终端管理器，用于：
38.接收一个或多个dcp代理所提供的终端设备信息；
39.记录并更新dcp代理所提供的终端设备信息；
40.通过人机界面确定5g-lan中的profinet终端以及企业有线网络的profinet终端所属组态，得到5g-lan中的cpe所属虚拟子网。
41.一种profinet管理终端，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，执行以下步骤：
42.接收一个或多个dcp代理所提供的终端设备信息；
43.记录并更新dcp代理所提供的终端设备信息；
44.通过人机界面确定5g-lan中的profinet终端以及企业有线网络的profinet终端所属组态，得到5g-lan中的cpe所属虚拟子网。
45.所述profinet终端管理器集成于企业网管中。
46.本发明具有以下有益效果及优点：
47.1.本发明针对5g-lan在工厂的实际应用场景，实现了适应组态需求的5g-lan内部的网络隔离以及与有线网络的组合，重新构建底层设备的网络视图和组态视图的对应关系，减少了5g-lan的加入对现有自动化系统组态的影响。
48.2.本发明在工厂5g-lan中引入了dcp代理，通过第三方组件在不依赖子网的情况先实现5g-lan中的终端设备自动发现，为虚拟子网的划分提供了依据。避免因子网范围过大导致的网络负载重，或者因子网范围小导致的组态设备不在网的情况。
49.3.本发明加入了profinet终端管理器，将工厂自动化工程师与网络工程师的工作交集归集到一个列表，减少两类工作人员的交流障碍。
附图说明
50.图1是5g-lan和企业有线网络中的设备组态示意图；
51.其中，101 dcp代理，102 profinet终端管理软件，103从站设备，104主站，105、106从站；
52.图2是profinet终端设备更新时，profinet终端、dcp代理、profinet网管软件的通信关系示意图；
53.图3是profinet主站与从站设备组网流程图。
具体实施方式
54.下面结合附图和实施例，对本发明内容作详细叙述
55.本发明包括dcp代理、profinet终端管理软件的应用，以及profinet终端在5g-lan
中的发现与更新过程、5g-lan虚拟子网划分过程和组态建立过程。针对解决5g-lan在工厂实际部署时，终端设备的网络连接与组态差异大所导致的组态工作与网络配置复杂交织的问题，本发明在深入研究5g-lan的应用场景以及profinet组态流程的基础上，通过部署dcp代理和profinet终端管理器间，将系统组态和网络配置解耦，便于5g-lan在工厂自动化系统中的部署和应用。
56.参照图1，profinet工业以太网协议在5g-lan中的接入方法，使用dcp(discovery and basic configuration protocol，发现和配置协议)代理(101)和profinet终端管理软件(102)。
57.其中，dcp代理具有如下功能：
58.(1)向cpe(customer premise equipment，客户前置设备)以太网口一侧周期广播dcp“识别请求”帧；
59.(2)接受和解析dcp“识别应答”帧，并记录应答消息中终端信息，包括供应商、终端名称、设备id、设备类型，以及ip地址、子网掩码、网关等网络信息。
60.(3)与profinet终端管理软件建立网络连接，将profinet终端设备信息发送至profinet终端管理软件。
61.dcp代理的功能可集成在cpe、upf(user plane function，用户面功能)或5g-lan中的其他任意网元中，图1示意dcp代理功能集成在cpe中。
62.profinet终端管理软件功能如下：
63.(1)接收多个dcp代理的提供的profinet终端设备信息；
64.(2)维护5g-lan中的在网profinet终端设备信息，dcp代理的提供的数据记录设备信息变化。
65.(3)提供人机界面，供工程师选择终端设备所属组态，并将组态信息发送至企业网管系统或者网络管理员。
66.profinet终端管理软件的功能可集成在企业网管软件中，图1为单独部署软件的实施例。
67.profinet工业以太网协议在5g-lan中的接入方法包括profinet终端在5g-lan中的发现与更新过程，参考图2，包含以下步骤：
68.步骤1：dcp代理向cpe以太网口一侧周期广播dcp“识别请求”帧，扫描cpe所在局域网内所有profinet终端设备。
69.步骤2：局域网中的profinet终端设备向dcp代理回复“识别应答”，dcp代理记录所有应答消息中终端信息，包括供应商、终端名称、设备id、设备类型，以及ip地址、子网掩码、网关等网络信息。
70.步骤3：dcp代理与profinet终端管理软件建立网络连接，将profinet终端设备信息发送至profinet终端管理软件。
71.步骤4：profinet终端管理软件更新profinet终端设备信息，记录设备信息变化。
72.profinet工业以太网协议在5g-lan中的接入方法，包括5g-lan虚拟子网划分过程，包括以下步骤：
73.步骤1：工程师根据实际需求和profinet终端管理软件提供的终端设备信息选择5g-lan中的profinet终端设备所属组态；
74.步骤2：工程师根据企业profinet终端设备所属组态划定5g-lan中的cpe所属虚拟子网。参考图1，将5g-lan中的从站设备(103)与有线网络中的主站(104)和从站(105、106)设备划分为一个虚拟子网。
75.参考图3，profinet工业以太网协议在5g-lan中的接入方法中，profinet主站和从站组态过程相似。当主站位于企业有线网络，从站在5g-lan中时，组态步骤为：
76.步骤1：主站发出mac层广播帧，被同一子网的从站，以及划分在同一虚拟子网的所有5g-lan中的从站接收。
77.步骤2：5g-lan中的从站接收到主站发出的广播报文后，使用mac层单播帧回复自身的状态信息，被同一组态下有线网络中的主站接收。
78.步骤3：主站接收到从站的回复后，发出arp寻址查询预先设定给从站的ip地址是否已被同一子网的终端设备，或者划分在同一虚拟子网的所有5g-lan中的终端设备占用。
79.步骤4：如果ip地址被占用，则组态结束；如果ip未被占用，主站向5g-lan中的从站发出mac层单播帧，配置从站组态信息；
80.步骤5：5g-lan中的从站使用mac层单播帧回复配置结果；
81.步骤6：若主站收到配置失败信息，则本次组态结束；若主站收到配置成功消息，则主站设备向从站发起周期性单播通信并对使用单播帧对从站block进行设置；
82.当profinet主站设备在5g-lan中，从站在其他5g-lan中或者企业有线网络中时，组态过程如下：
83.步骤1：主站发出mac层广播帧，被划分在同一虚拟子网的所有5g-lan以及有线子网中的从站接收。
84.步骤2：5g-lan或者有线网络中的从站接收到主站发出的广播报文后，使用mac层单播帧回复自身的状态信息，被同一组态下5g-lan网络中的主站接收。
85.步骤3：主站接收到从站的回复后，发出arp寻址查询预先设定给从站的ip地址是否已被划分在同一虚拟子网的所有5g-lan或者有线子网中的终端设备占用。
86.步骤4：如果ip地址被占用，则组态结束；如果ip未被占用，主站向5g-lan中或者有线网络中的从站发出mac层单播帧，配置从站组态信息；
87.步骤5：从站使用mac层单播帧回复配置结果；
88.步骤6：若主站收到配置失败信息，则本次组态结束；若主站收到配置成功消息，则主站设备向从站发起周期性单播通信并对使用单播帧对从站block进行设置。