一种具有冗余收发功能的5G工业网关

一种具有冗余收发功能的5g工业网关
技术领域
1.本发明涉及网络技术领域，更具体的说是涉及一种具有冗余收发功能的5g工业网关。


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.相比于一般移动互联网业务，工业应用对通信系统的可靠性要求更高。但是5g网络仍是一种无线通信形式，与有线网络相比，其传输可靠性较差。特别是在工业环境中，经常有较强的电磁干扰，使无线通信环境更加恶劣，传输可靠性进一步下降。


技术实现要素：

4.为了提高5g网络在工业应用中的可靠性，本发明提供一种具有冗余收发功能的5g工业网关，在一台设备上集成两个或者多个5g模组，形成两条或者多条5g数据通路，实现数据包复制和保序重组功能，与5g网络upd或者其他5g网关构成冗余收发的数据通路，增强5g网络的可靠性。
5.本发明采用如下技术方案：一种具有冗余收发功能的5g工业网关，包括：收发调度模块以及与其连接的网络接口模块，所述网络接口模块包括以太网接口模块和5g网络接口模块；
6.所述收发调度模块通过桥接与以太网接口模块连接；所述以太网接口模块作为常规网络接口模块，将5g网络接口作为冗余网络接口模块；所述冗余网络接口模块用于传输同一业务的不同副本。
7.一种具有冗余收发功能的5g工业网关，包括：
8.收发调度模块，与5g网络接口模块连接，还依次经虚拟网络接口、通过桥接与以太网接口模块连接，所述以太网接口模块、5g网络接口模块分别作为常规网络接口模块、冗余网络接口模块；用于将常规网络接口模块接收到的数据复制成多个副本从冗余网络接口模块发送，或者将冗余网络接口模块接收到的多个数据包副本进行重组并从常规网络接口模块发出；
9.收发配置模块，用于配置需要进行冗余收发的数据业务；
10.接口维护模块，用于维护5g网络接口模块的在线状态。
11.所述收发调度模块，用于通过读写虚拟网络接口实现常规网络接口模块数据收发。
12.所述收发调度模块，用于根据常规网络接口数据包特征字段值和收发配置模块的配置信息进行匹配，以判断是否对数据包采用冗余发送策略，特征字段值包括：以太网类
型；源mac地址；目的mac地址；vlan；vlan id；vlan pri；vlan cfi；源ip地址；目的ip地址；帧长度。
13.所述收发调度模块，用于将冗余发送的数据包按照固定协议为常规网络接口模块发送至冗余网络接口模块的数据增加高可用无缝冗余首部，包括：
14.hsr_et：以太网帧类型，固定值0x892f；
15.pathid：路径id；
16.lsdusize：负载长度；
17.seqnr：序号。
18.所述收发调度模块为冗余网络接口模块的每一个物理接口编号，作为所述高可用无缝冗余首部的pathid；
19.所述收发调度模块维护一个冗余发送mac地址表，并为表里每个mac地址维护一个计数器，每当接收到该mac地址发送的数据包后加1，并将计数值作为所述高可用无缝冗余首部的seqnr。
20.所述收发调度模块，用于将常规网络接口模块接收的不需要冗余发送的数据包直接从默认的冗余网络接口模块发送；
21.所述收发调度模块将冗余网络接口模块接收的无hsr字段的数据包发送到虚拟网络接口。
22.所述收发调度模块为含有高可用无缝冗余字段的数据包维护一个冗余接收mac地址表，并为mac地址表里每个mac地址记录该地址发出的高可用无缝冗余首部的seqnr和pathid。
23.所述收发调度模块从冗余网络接口模块接收到seqnr相同、pathid的数据包时，将其丢弃；否则将hsr字段脱去后按序发送至虚拟网络接口。
24.所述收发调度模块的冗余接收mac地址表间隔t删除该周期的前一周期t接收的seqnr和pathid，其中：
25.delay《t《16777216/bw
26.式中，delay为冗余链路的最大传输时延，bw为冗余网络接口的最大链路带宽。
27.本发明具有如下有益效果和优点：
28.1.本发明采用两条或者多条链路同时收发数据，大大提高了无线网络的可靠性的同时，降低了数据传输时延；
29.2.在多路发送和接收时，采用标准化的数据帧格式，便于不同系统间的互联和对接；
30.3.网关软件采用模块化设计，与操作系统之间接口相对独立，冗余收发也可应用到其他无线网络或有线网络中。
31.4.本发明系统应用于5g网络中，设备采用两个或者多个5g模组，针对指定业务实现数据包复制和保序重组功能，与5g网络的用户面功能(upf)或者其他5g网关构成冗余收发的数据通路，增强5g网络的可靠性。同时，也可以在其他业务应用中采用单5g模组通信，避免空口资源的不必要浪费。
附图说明
32.图1为本发明一种具有冗余收发功能的5g工业网关组成框图；
33.图2为本发明采用的带有hsr字段的以太网数据帧结构；
34.图3为本发明数据收发示意图；
35.图4为本发明接口维护模块维护5g接口状态；
36.图5为本发明的应用场景数据收发示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.参见图1，示出了本发明一种具有冗余收发功能的5g工业网关结构示意图，将网络接口分为常规网络接口和冗余网络接口，图1中将普通以太网接口作为常规网络接口110，将5g网络接口作为冗余网接口120；
39.冗余网络接口120包含了两个5g模组121和122，两个模组在数据收发过程中用于传输同一业务不同副本。
40.两个常规网络接口110与一个虚拟网络接口130在一个系统桥接140之下，网关的上层应用、常规网络接口、虚拟网络接口可以通过桥接的寻址方式交互数据。
41.参见图1，一种具有冗余收发功能的5g工业网关核心功能包括：
42.(1)收发调度模块150，将常规接口接收到的数据复制成多个副本从冗余网络接口发送，或者将冗余网络接口接收到的多个数据包副本进行重组并从常规网络接口发出；
43.(2)收发配置模块160，配置需要进行冗余收发的数据业务；
44.(3)接口维护模块170，维护5g网络接口的在线状态。
45.收发调度模块150通过虚拟网络接口130连接到系统桥接130上，通过读写虚拟网络接口130达到让常规网络接口110收发数据的目的。
46.网关的收发调度模块提取常规网络接口接收到的数据包特征字段，判断是否对数据包采用冗余发送策略，特征字段值包括：
47.(1)以太网类型；
48.(2)源mac地址；
49.(3)目的mac地址；
50.(4)vlan；
51.(5)vlan id；
52.(6)vlan pri；
53.(7)vlan cfi；
54.(8)源ip地址；
55.(9)目的ip地址；
56.(10)帧长度；
57.参考图2，示出本发明采用的帧格式，常规结构接收到标准以太网的数据帧，收发
调度模块按照iec 62439-3-2012为数据帧增加hsr首部210，包括：
58.hsr_et 211：以太网帧类型，固定值0x892f
59.pathid 212：路径id
60.lsdusize 213：负载长度
61.seqnr 214：序号
62.参考图1和图2，收发调度模块为冗余网络接口的每一个物理接口编号，作为所述hsr首部的pathid，如通过121发出的数据pathid值,0，通过122发出的数据pathid值为1。
63.参考图3、图5，示出本发明数据收发过程，收发调度模块维护一个冗余发送mac地址表，通过mac地址区分不同设备发来的数据。网关接收到该设备发送的数据包后计数器加1，并将计数值作为所述hsr首部的seqnr。图3中网关330通过常规网络接口先后收到终端a 310的4个数据包，全部是需要冗余发送的数据包，则数据包的seqnr依次加1，分别为1、2、3、4；而在收到终端b320的数据包后只有b1是需要进行冗余发送的数据包，该数据包的seqnr独立编号，其值为1。
64.收发调度模块从常规网络接口接收到终端b 320发送的b2和b3两个数据包，这两个数据包经判断不需要冗余发送，这两个数据包直接从冗余网络接口的默认链路350发送。
65.参考图1和图3，网关340接收数据时，收发调度模块将冗余网络接口120接收的无hsr字段的数据包发送到虚拟网络接口130。
66.参考图3，网关340收发调度模块为含有hsr字段的数据包维护一个冗余接收mac地址表，该表对应图3中的终端a 310和终端b 320，该mac地址表同时记录设备的mac地址、pathid和seqnr，如图3中路径350的pathid为0，路径360的pathid为1，接收到a1、a2、a3、a4数据包后，对于终端a的mac地址同时记录(pathid＝0，seqnr＝1)、(pathid＝0，seqnr＝2)、(pathid＝0，seqnr＝3)、(pathid＝1，seqnr＝1)、(pathid＝1，seqnr＝3)、(pathid＝1，seqnr＝4)6组数据包信息，(pathid＝0，seqnr＝4)、(pathid＝1，seqnr＝2)两组数据包因丢包，所以没有记录。
67.收发调度模块从冗余网络接口接收到seqnr相同、pathid的数据包时，将其丢弃；否则将hsr字段脱去后按序发送至虚拟网络接口。如图3中网关340先收到(pathid＝0，seqnr＝1)的数据包，将hsr首部字段脱去后，发送至虚拟网络接口，而后收到(pathid＝1，seqnr＝1)的数据包时，直接将其丢弃。
68.针对链路时延5ms，数据带宽100mbps的链路环境，取周期t＝100ms，当系统运行到200ms时，将0-100ms接收到的seqnr和pathid从记录中删除，以便seqnr循环使用。
69.收发配置模块配置内容包括常规网络接口名称、冗余网络接口名称以及采用冗余发送的数据包特征。
70.采用冗余发送的数据包特征包括：
71.(1)以太网类型：等于或不等于；
72.(2)源mac地址：等于或不等于；
73.(3)目的mac地址：等于或不等于；
74.(4)是否含有vlan字段；
75.(5)vlan id：等于、不等于、大于、小于、大于等于或小于等于；
76.(6)vlan pri：等于、不等于、大于、小于、大于等于或小于等于；
77.(7)vlan cfi：等于或不等于；
78.(8)源ip地址：等于、不等于、包含在内或不包含在内；
79.(9)目的ip地址：等于、不等于、包含在内或不包含在内；
80.(10)帧长度：等于、不等于、大于、小于、大于等于或小于等于；
81.如只对profinet的数据包进行冗余发送，则配置以太网类型字段等于0x8892，配置模块获取该信息，收发调度模块会将所有以太网帧类型为0x8892的数据包增加hsr首部字段并通过多条链路发送。
82.参考图4，示出接口维护模块维护的5g网络接口的4种状态及转换条件：
83.(1)模组未插入410：没有找到相应5g模组；
84.(2)sim卡错误420；模组已经插入但是没有sim卡或者sim卡错误；
85.(3)不在网430：模组已经插入且sim卡正常，模组拨号错误等原因导致模组不在网；
86.(4)运行440：模组已经插入且sim卡正常，模组完成拨号并已经连接到网络。
87.网关接口维护模块为5g模组指定pdp上下文和apn，自动完成拨号入网并监测在网状态。

技术特征：
1.一种具有冗余收发功能的5g工业网关，其特征在于，包括：收发调度模块以及与其连接的网络接口模块，所述网络接口模块包括以太网接口模块和5g网络接口模块；所述收发调度模块通过桥接与以太网接口模块连接；所述以太网接口模块作为常规网络接口模块，将5g网络接口作为冗余网络接口模块；所述冗余网络接口模块用于传输同一业务的不同副本。2.一种具有冗余收发功能的5g工业网关，其特征在于，包括：收发调度模块，与5g网络接口模块连接，还依次经虚拟网络接口、通过桥接与以太网接口模块连接，所述以太网接口模块、5g网络接口模块分别作为常规网络接口模块、冗余网络接口模块；用于将常规网络接口模块接收到的数据复制成多个副本从冗余网络接口模块发送，或者将冗余网络接口模块接收到的多个数据包副本进行重组并从常规网络接口模块发出；收发配置模块，用于配置需要进行冗余收发的数据业务；接口维护模块，用于维护5g网络接口模块的在线状态。3.根据权利要求2所述的一种具有冗余收发功能的5g工业网关，其特征在于，所述收发调度模块，用于通过读写虚拟网络接口实现常规网络接口模块数据收发。4.根据权利要求2所述的一种具有冗余收发功能的5g工业网关，其特征在于，所述收发调度模块，用于根据常规网络接口数据包特征字段值和收发配置模块的配置信息进行匹配，以判断是否对数据包采用冗余发送策略，特征字段值包括：以太网类型；源mac地址；目的mac地址；vlan；vlan id；vlan pri；vlan cfi；源ip地址；目的ip地址；帧长度。5.根据权利要求2所述的一种具有冗余收发功能的5g工业网关，其特征在于，所述收发调度模块，用于将冗余发送的数据包按照固定协议为常规网络接口模块发送至冗余网络接口模块的数据增加高可用无缝冗余首部，包括：hsr_et：以太网帧类型，固定值0x892f；pathid：路径id；lsdusize：负载长度；seqnr：序号。6.根据权利要求2或5所述的一种具有冗余收发功能的5g工业网关，其特征在于，所述收发调度模块为冗余网络接口模块的每一个物理接口编号，作为所述高可用无缝冗余首部的pathid；所述收发调度模块维护一个冗余发送mac地址表，并为表里每个mac地址维护一个计数器，每当接收到该mac地址发送的数据包后加1，并将计数值作为所述高可用无缝冗余首部的seqnr。7.根据权利要求2所述的一种具有冗余收发功能的5g工业网关，其特征在于，所述收发调度模块，用于将常规网络接口模块接收的不需要冗余发送的数据包直接从默认的冗余网络接口模块发送；所述收发调度模块将冗余网络接口模块接收的无hsr字段的数据包发送到虚拟网络接口。8.根据权利要求2所述的一种具有冗余收发功能的5g工业网关，其特征在于，所述收发调度模块为含有高可用无缝冗余字段的数据包维护一个冗余接收mac地址表，并为mac地址
表里每个mac地址记录该地址发出的高可用无缝冗余首部的seqnr和pathid。9.根根据权利要求2所述的一种具有冗余收发功能的5g工业网关，其特征在于，所述收发调度模块从冗余网络接口模块接收到seqnr相同、pathid的数据包时，将其丢弃；否则将hsr字段脱去后按序发送至虚拟网络接口。10.根根据权利要求2或8所述的一种具有冗余收发功能的5g工业网关，其特征在于，所述收发调度模块的冗余接收mac地址表间隔t删除该周期的前一周期t接收的seqnr和pathid，其中：delay<t<16777216/bw式中，delay为冗余链路的最大传输时延，bw为冗余网络接口的最大链路带宽。

技术总结
本发明公开了一种具有冗余收发功能的5G工业网关，包括收发调度模块、接口维护模块、收发配置模块。本发明系统应用于5G网络中，设备采用两个或者多个5G模组，针对指定业务实现数据包复制和保序重组功能，与5G网络的用户面功能(UPF)或者其他5G网关构成冗余收发的数据通路，增强5G网络的可靠性。同时，也可以在其他业务应用中采用单5G模组通信，避免空口资源的不必要浪费。必要浪费。必要浪费。


技术研发人员：李志博 李栋 刘金娣 俞雪婷 杨明 朴瑨楠 曾鹏 于海斌
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2023/7/13