CN106936843A - 一种用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构及其管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构及其管理方法，包括：应用层，采用SIP协议作为命令收发的载体，SIP消息的消息体采用了XML格式的文本作为命令管理和控制的载体；传输层，位于所述应用层之下，采用TCP/UDP协议；网络层，位于所述传输层之下，用于为命令提供路由选择；数据链路层，位于所述网络层之下。本发明不需要针对不同规约开发不同的规约解析模块，解析过程也不依赖于规约格式和特定的配置文件。同时XML是一种通用的数据交换格式，与管理级***对接时，相对于二进制格式，文本格式更易于为管理级***所解析，并提供了更好的可读性。

Description

一种用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构及其管 理方法
技术领域
本发明涉及一种用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构及其管理方法，属于网络通信技术领域。
背景技术
随着控制技术、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交互沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理各个层次。越来越多类型的设备，越来越多格式的过程和控制数据在工业自动化***中产生，并与管理级***(ERP等)进行交互，提供管理和决策。
目前国内的工业自动化***生产厂家和使用标准众多，管理复杂，每种***在管理时，使用各自的通信协议和规约，且数据和格式相分离，要么像comtrade格式一样，需要专门的配置文件，要么需要专用的协议解析模块，由于上述问题的存在，现有的工业自动化***管理方法在解析难度和通用性上不够理想，从而降低了工业自动化***互联互通的效率。
为此，需要一种新型的工业自动化***管理方法，确保数据交互简单高效和通用性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构；
本发明还提供了上述通用协议层体系结构的管理方法；
术语解释：
1、SIP(Session Initiation Protocol，会话初始协议)是由IETF(InternetEngineering Task Force，因特网工程任务组)制定的多媒体通信协议。它是一个基于文本的应用层控制协议，用于创建、修改和释放一个或多个参与者的会话。广泛应用于CS(Circuit Switched，电路交换)、NGN(Next Generation Network，下一代网络)以及IMS(IPMultimedia Subsystem，IP多媒体子***)的网络中，可以支持并应用于语音、视频、数据等多媒体业务，同时也可以应用于Presence(呈现)、Instant Message(即时消息)等特色业务，本专利所述SIP协议依据RFC 3261。
2、SIP消息，是指依据SIP协议(RFC 3261)进行通信的报文，有两种类型：从客户机到服务器的请求消息(Request)和从服务器到客户机的响应消息(Response)。一个基本的SIP消息包括起始行、一个或多个头字段、说明头字段结束的空行和一个可选的消息体。
3、TCP(Transmission Control Protocol传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。
4、UDP是User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据报协议，是OSI(OpenSystem Interconnection，开放式***互联)参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规范。
5、摘要认证(Digest authentication)是一种基于挑战-应答模式的认证模型。有关描述在RFC2617中。
本发明的技术方案为：
一种用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构，所述工业自动化***包括通过以太网连接的管理终端、现场级设备、控制中心，所述管理终端通过以太网传输自描述的管理命令，实现对所述现场级设备和所述控制中心的管理，包括：
应用层，采用SIP协议作为命令收发的载体，SIP消息的消息体采用了XML格式的文本作为命令管理和控制的载体；
传输层，位于所述应用层之下，采用TCP或者UDP协议，当传输的命令数据量大于等于548字节时，选用TCP协议，当传输的命令数据量小于548字节时，或对响应时间小于100ms时，选用UDP协议；
网络层，位于所述传输层之下，用于为命令提供路由选择；满足工业自动化***复杂网络拓扑的使用场景。
数据链路层，位于所述网络层之下。
本发明通用协议层体系结构采用层次化结构，来满足工业自动化***管理的适应性和扩展性；
根据本发明优选的，所述SIP消息的报文头域包括：VIA、ROUTE、Contact、Max-Forwards、From、To、Call-ID、CSeq、Expires、Content-Type、Content-Length，
VIA是指标志用于事务传输的传输设备，ROUTE用于强制一个请求经过一个proxy路由列表，Contact提供访问后续请求的特定UA实例的联系方法，包含一个SIP或SIPS URI，Max-Forwards是指请求到达目的地中间的最大跳转数，rom是指消息请求者的URI，To是指消息接收者的URI，all-ID是指消息中区分消息的唯一ID，CSeq用于区分事务顺序，Expires用于标识URI的生存周期，以秒为单位，Content-Type用于描述消息体的类型，Content-Length用于描述消息体的长度。
IP消息是基于文本的通信协议，本发明对SIP消息的报文头域进行了裁减，在满足管理的要求的基础上，提高了报文的解析效率。
根据本发明优选的，XML格式的文本的内容包括以下节点：dms、type、cmd、object、node/device/user，dms是指根节点，type是指操作者的类型，用来区分管理终端、控制中心和现场级设备，cmd是指操作命令的类型，分为增加对象、删除对象、修改对象和读取状态类型，object是指操作对象的类型，node/device/user是指操作对象的节点，用于存储操作对象的参数，操作对象的参数包括用户名、IP地址、域名、ID。
SIP消息的消息体采用了XML格式的文本，XML文本具有自描述的特点，利用这个特点，在设计命令内容时，将数据格式和数据内容合二为一，使命令数据的解析不依赖于特定的规约和协议格式，也不依赖于单独的用于解析数据的配置文件。
根据本发明优选的，所述现场级设备包括若干台智能控制器，用于完成命令和动作的执行；所述控制中心为一台服务器或一台以上的服务器组成的集群，通过交换机接入以太网。
管理操作人员通过管理终端，使用运行在管理终端上的管理软件对控制中心进行管理和控制，完成控制中心服务器的状态监控、用户管理、设备投退控制等，对现场级设备进行管理，完成设备状态读取、参数整定等。
上述用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构的管理方法，包括
A、发送命令：
(1)登录控制中心，获得操作对象的参数、操作对象的状态信息、操作对象的通信地址；操作对象的参数包括用户名、IP地址、域名、ID，操作对象的状态信息包括在线、离线；在用户登录控制中心时采用摘要认证的方式进行鉴权，并将口令转换为对应的MD5值；通过在控制中心的服务器端存储MD5码而不是口令明文，来避免控制服务器端数据泄露导致的安全漏洞。
(2)确定操作者的类型、操作命令的类型、操作对象的类型和操作对象的参数，操作者的类型包括管理终端、控制中心和现场级设备，操作命令的类型包括增加、删除、修改和读取状态，操作对象的类型包括操作命令的类型包括用户、服务器、设备；
(3)将操作者的类型赋值给type，将操作命令的类型赋值给cmd，将操作对象的类型赋值给object，将操作对象的参数赋值给node/device/user，得到XML格式的文本；
(4)生成SIP消息的报文头域，依据RFC 3261规定的SIP协议填充报文头域的内容，并将XML格式的文本加入SIP消息的消息体；
(5)将SIP消息封装进TCP/IP协议中，并通过与消息接收端建立SOCKET，将SIP消息发送出去；
(6)由消息接收端的服务端接收SIP消息，并通过TCP/IP协议栈的解析，得到SIP消息；
(7)通过解析SIP消息体的XML格式的文本，得到命令的内容，执行命令；
B、响应命令
(8)命令接收者组包SIP消息响应消息，如果得到的命令的内容为执行类命令，则不需要SIP消息中消息体内容，只在SIP消息响应消息的报文头域中添加响应状态码，SIP报文有两种：请求消息(Request)和响应消息(Response)，响应状态码是SIP协议中规定的一个域，响应接收端通过解析SIP消息的响应状态码，得到执行类命令的执行结果；如果得到的命令的内容为管理类或配置类命令，则将命令的处理结果的消息体组包成XML格式的文本，并封装进SIP消息中消息体；
(9)经过TCP/IP协议栈的封装，通过以太网将响应返回到命令的发送者；
(10)命令的发送者接收响应并解析SIP消息中消息体，检查SIP消息的报文头域的Content-Length，得到消息体的长度，如果消息体的长度为0，则解析响应状态码，得到响应；如消息体长度不为0，则提取消息体内容，并通过解析XML格式的文本，得到响应。通常是获取的参数、状态等信息。
使用本方法能不需要针对不同规约开发不同的规约解析模块，解析过程也不依赖于规约格式和特定的配置文件。同时XML是一种通用的数据交换格式，与管理级***对接时，相对于二进制格式，文本格式更易于为管理级***所解析，并提供了更好的可读性。
本发明的有益效果为：
1、本发明不需要针对不同规约开发不同的规约解析模块，解析过程也不依赖于规约格式和特定的配置文件。同时XML是一种通用的数据交换格式，与管理级***对接时，相对于二进制格式，文本格式更易于为管理级***所解析，并提供了更好的可读性。
2、本发明采用了SIP协议的请求和应答机制，使管理数据的传输独立于传输层。可以使用数据报协议(UDP)或传输控制协议(TCP)，将独立于底层基础设施的用户和设备灵活地连接起来，按照此方法管理工业自动化设备，可利用现有的网络基础设施，从而节省部署成本。
3、本发明提供了自动化设备的配置和管理功能的可扩展性，通过扩展XML文本的节点，实现配置和管理命令的扩展，从而节省了二次开发的成本。
附图说明
图1为工业自动化***组成示意图；
图2为本发明用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构层次结构图；
图3为本发明用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构帧结构示意图；
图4为本发明用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构的管理方法中管理命令下发流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构，所述工业自动化***包括通过以太网连接的管理终端、现场级设备、控制中心，现场级设备包括若干台智能控制器，用于完成命令和动作的执行；控制中心为一台服务器或一台以上的服务器组成的集群，通过交换机接入以太网。管理操作人员通过管理终端，使用运行在管理终端上的管理软件对控制中心进行管理和控制，完成控制中心服务器的状态监控、用户管理、设备投退控制等，对现场级设备进行管理，完成设备状态读取、参数整定等。如图1所示，所述管理终端通过以太网传输自描述的管理命令，实现对所述现场级设备和所述控制中心的管理，包括：
应用层，采用SIP协议作为命令收发的载体，SIP消息的消息体采用了XML格式的文本作为命令管理和控制的载体；
传输层，位于所述应用层之下，采用TCP或者UDP协议，当传输的命令数据量大于等于548字节时，选用TCP协议，当传输的命令数据量小于548字节时，或对响应时间小于100ms时，选用UDP协议；
网络层，位于所述传输层之下，用于为命令提供路由选择；满足工业自动化***复杂网络拓扑的使用场景。
数据链路层，位于所述网络层之下。如图2所示。
通用协议层体系结构各层帧结构如图3所示。数据链路层采用标准的MAC帧头，网络层为IP帧头，传输层为TCP/UDP帧头，应用层为SIP消息帧头，SIP消息的消息体采用XML格式的文本。
本发明通用协议层体系结构采用层次化结构，来满足工业自动化***管理的适应性和扩展性；
所述SIP消息的报文头域包括：VIA、ROUTE、Contact、Max-Forwards、From、To、Call-ID、CSeq、Expires、Content-Type、Content-Length，
VIA是指标志用于事务传输的传输设备，ROUTE用于强制一个请求经过一个proxy路由列表，Contact提供访问后续请求的特定UA实例的联系方法，包含一个SIP或SIPS URI，Max-Forwards是指请求到达目的地中间的最大跳转数，rom是指消息请求者的URI，To是指消息接收者的URI，all-ID是指消息中区分消息的唯一ID，CSeq用于区分事务顺序，Expires用于标识URI的生存周期，以秒为单位，Content-Type用于描述消息体的类型，Content-Length用于描述消息体的长度。
IP消息是基于文本的通信协议，本发明对SIP消息的报文头域进行了裁减，在满足管理的要求的基础上，提高了报文的解析效率。
XML格式的文本的内容包括以下节点：dms、type、cmd、object、node/device/user，dms是指根节点，type是指操作者的类型，用来区分管理终端、控制中心和现场级设备，cmd是指操作命令的类型，分为增加对象、删除对象、修改对象和读取状态类型，object是指操作对象的类型，node/device/user是指操作对象的节点，用于存储操作对象的参数，包括用户名、IP地址、域名、ID等。
SIP消息的消息体采用了XML格式的文本，XML文本具有自描述的特点，利用这个特点，在设计命令内容时，将数据格式和数据内容合二为一，使命令数据的解析不依赖于特定的规约和协议格式，也不依赖于单独的用于解析数据的配置文件。
实施例2
实施例1所述的一种用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构的管理方法，如图4所示，包括：
A、发送命令：
(1)登录控制中心，获得操作对象的参数、操作对象的状态信息、操作对象的通信地址；操作对象的参数包括用户名、IP地址、域名、ID，操作对象的状态信息包括在线、离线；在用户登录控制中心时采用摘要认证的方式进行鉴权，并将口令转换为对应的MD5值；通过在控制中心的服务器端存储MD5码而不是口令明文，来避免控制服务器端数据泄露导致的安全漏洞。
(2)确定操作者的类型、操作命令的类型、操作对象的类型和操作对象的参数，操作者的类型包括管理终端、控制中心和现场级设备，操作命令的类型包括增加、删除、修改和读取状态，操作对象的类型包括操作命令的类型包括用户、服务器、设备；
(3)将操作者的类型赋值给type，将操作命令的类型赋值给cmd，将操作对象的类型赋值给object，将操作对象的参数赋值给node/device/user，得到XML格式的文本；
以添加服务器节点为例，生成的XML文本如下所示：
(4)生成SIP消息的报文头域，依据RFC 3261规定的SIP协议填充报文头域的内容，并将XML格式的文本加入SIP消息的消息体；
(5)将SIP消息封装进TCP/IP协议中，并通过与消息接收端建立SOCKET，将SIP消息发送出去；
(6)由消息接收端的服务端接收SIP消息，并通过TCP/IP协议栈的解析，得到SIP消息；
(7)通过解析SIP消息体的XML格式的文本，得到命令的内容，执行命令；
B、响应命令
(8)命令接收者组包SIP消息响应消息，如果得到的命令的内容为执行类命令，则不需要SIP消息中消息体内容，只在SIP消息响应消息的报文头域中添加响应状态码，SIP报文有两种：请求消息(Request)和响应消息(Response)，响应状态码是SIP协议中规定的一个域，响应接收端通过解析SIP消息的响应状态码，得到执行类命令的执行结果；如果得到的命令的内容为管理类或配置类命令，则将命令的处理结果的消息体组包成XML格式的文本，并封装进SIP消息中消息体；
以读取用户参数为例，得到的XML格式的响应消息如下所示：
(9)经过TCP/IP协议栈的封装，通过以太网将响应返回到命令的发送者；
(10)命令的发送者接收响应并解析SIP消息中消息体，检查SIP消息的报文头域的Content-Length，得到消息体的长度，如果消息体的长度为0，则解析响应状态码，得到响应；如消息体长度不为0，则提取消息体内容，并通过解析XML格式的文本，得到响应。通常是获取的参数、状态等信息。
使用本方法能不需要针对不同规约开发不同的规约解析模块，解析过程也不依赖于规约格式和特定的配置文件。同时XML是一种通用的数据交换格式，与管理级***对接时，相对于二进制格式，文本格式更易于为管理级***所解析，并提供了更好的可读性。

Claims (5)

1.一种用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构，其特征在于，所述工业自动化***包括通过以太网连接的管理终端、现场级设备、控制中心，所述管理终端通过以太网传输自描述的管理命令，实现对所述现场级设备和所述控制中心的管理，包括：
应用层，采用SIP协议作为命令收发的载体，SIP消息的消息体采用了XML格式的文本作为命令管理和控制的载体；
传输层，位于所述应用层之下，采用TCP或者UDP协议，当传输的命令数据量大于等于548字节时，选用TCP协议，当传输的命令数据量小于548字节时，或对响应时间小于100ms时，选用UDP协议；
网络层，位于所述传输层之下，用于为命令提供路由选择；
数据链路层，位于所述网络层之下。
2.根据权利要求1所述的一种用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构，其特征在于，所述SIP消息的报文头域包括：VIA、ROUTE、Contact、Max-Forwards、From、To、Call-ID、CSeq、Expires、Content-Type、Content-Length；
VIA是指标志用于事务传输的传输设备，ROUTE用于强制一个请求经过一个proxy路由列表，Contact提供访问后续请求的特定UA实例的联系方法，包含一个SIP或SIPS URI，Max-Forwards是指请求到达目的地中间的最大跳转数，rom是指消息请求者的URI，To是指消息接收者的URI，all-ID是指消息中区分消息的唯一ID，CSeq用于区分事务顺序，Expires用于标识URI的生存周期，以秒为单位，Content-Type用于描述消息体的类型，Content-Length用于描述消息体的长度。
3.根据权利要求2所述的一种用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构，其特征在于，XML格式的文本的内容包括以下节点：dms、type、cmd、object、node/device/user，dms是指根节点，type是指操作者的类型，用来区分管理终端、控制中心和现场级设备，cmd是指操作命令的类型，分为增加对象、删除对象、修改对象和读取状态类型，object是指操作对象的类型，node/device/user是指操作对象的节点，用于存储操作对象的参数，操作对象的参数包括用户名、IP地址、域名、ID。
4.根据权利要求1所述的一种用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构，其特征在于，所述现场级设备包括若干台智能控制器，用于完成命令和动作的执行；所述控制中心为一台服务器或一台以上的服务器组成的集群，通过交换机接入以太网。
5.权利要求3或4所述的用于管理工业自动化***的通用协议层体系结构的管理方法，其特征在于，包括：
A、发送命令：
(1)登录控制中心，获得操作对象的参数、操作对象的状态信息、操作对象的通信地址；操作对象的参数包括用户名、IP地址、域名、ID，操作对象的状态信息包括在线、离线；在用户登录控制中心时采用摘要认证的方式进行鉴权，并将口令转换为对应的MD5值；
(2)确定操作者的类型、操作命令的类型、操作对象的类型和操作对象的参数，操作者的类型包括管理终端、控制中心和现场级设备，操作命令的类型包括增加、删除、修改和读取状态，操作对象的类型包括操作命令的类型包括用户、服务器、设备；
(3)将操作者的类型赋值给type，将操作命令的类型赋值给cmd，将操作对象的类型赋值给object，将操作对象的参数赋值给node/device/user，得到XML格式的文本；
(4)生成SIP消息的报文头域，依据RFC 3261规定的SIP协议填充报文头域的内容，并将XML格式的文本加入SIP消息的消息体；
(5)将SIP消息封装进TCP/IP协议中，并通过与消息接收端建立SOCKET，将SIP消息发送出去；
(6)由消息接收端的服务端接收SIP消息，并通过TCP/IP协议栈的解析，得到SIP消息；
(7)通过解析SIP消息体的XML格式的文本，得到命令的内容，执行命令；
B、响应命令
(8)命令接收者组包SIP消息响应消息，如果得到的命令的内容为执行类命令，则不需要SIP消息中消息体内容，只在SIP消息响应消息的报文头域中添加响应状态码，响应接收端通过解析SIP消息的响应状态码，得到执行类命令的执行结果；如果得到的命令的内容为管理类或配置类命令，则将命令的处理结果的消息体组包成XML格式的文本，并封装进SIP消息中消息体；
(9)经过TCP/IP协议栈的封装，通过以太网将响应返回到命令的发送者；
(10)命令的发送者接收响应并解析SIP消息中消息体，检查SIP消息的报文头域的Content-Length，得到消息体的长度，如果消息体的长度为0，则解析响应状态码，得到响应；如消息体长度不为0，则提取消息体内容，并通过解析XML格式的文本，得到响应。
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