盛文龍 袁嘉均

摘要：近年來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)得到越來越多的關注，而5G和SDN技術因其各自的特點在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛應用。文章在“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”模式下研究了一種基于SDN架構的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)流量調(diào)度系統(tǒng)，主要實現(xiàn)將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式下產(chǎn)生的傳感器、視頻等多種業(yè)務數(shù)據(jù)等進行流量調(diào)度的功能;在網(wǎng)絡仿真軟件上模擬搭建了“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的拓撲模型，通過51Openlab實驗平臺完成了SDN控制器環(huán)境的搭建，基于組播特點設計了流量調(diào)度的理論模型;除了流量調(diào)度功能，本系統(tǒng)還可以實現(xiàn)SDN控制器集中控制、流表下發(fā)配置和流量分析功能。

關鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);SDN架構;5G;流量調(diào)度

中圖法分類號：TP311文獻標識碼：A

Design of industrial Internet traffic scheduling system based on SDN

SHENG Wenlong，YUAN Jiajun

（School of Internet of Things，Wuxi Institute of Technology，Wuxi，Jiangsu 214142，China）

Abstract：In recent years， industrial Internet has received more and more attention. 5G and SDN havebeen applied in industrial Internet due to their respective characteristics. This project studies anindustrial Internet trafficscheduling system based on SDN architecture in the“5G+industrialInternet" mode， mainly realizing the function of scheduling and backup traffic of sensor data andvideo data generated in the industrial Internet mode. The topology model of“5G+industrialInternet" is simulated on the network simulation software， the SDN controller environment is builtthrough 51Openlab experiment platform， and the theoretical model of traffic scheduling is designedbased on the characteristics of multicast. In addition to the design of flow scheduling，the system canalso realize the centralized control of SDN controller， flow table distribution configuration and flowanalysis functions.

Key words： industrial Internet，SDN architecture，5G，traffic scheduling

1引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新型網(wǎng)絡信息技術與現(xiàn)代制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，在鏈接工業(yè)全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈，支撐工業(yè)智能化發(fā)展中發(fā)揮著關鍵作用[1]。2017年11月19日，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的綱領性文件《國務院關于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》正式公布，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進入發(fā)展快車道。隨著5G，TSN （ Time Sensitive Network，時間敏感網(wǎng)絡）等新技術不斷加入其中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)逐漸成為經(jīng)濟增長、企業(yè)轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)升級的重要支柱，逐步形成了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+”的模式，其中“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”成為主流[2]。2021年5月27日，工信部發(fā)布了《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”十個典型應用場景和五個重點行業(yè)實踐》的指導文件。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式下企業(yè)擁有自己的云服務和本地服務，使用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡模式實現(xiàn)本地服務器和云服務器的集中控制和流量調(diào)度非常復雜，會遇到諸多問題，如維護成本高、設備配置不靈活等。 SDN （ Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡）是一種實現(xiàn)網(wǎng)絡設備集中控制的新型網(wǎng)絡架構，其最大的特點就是數(shù)控分離和開放可編程。經(jīng)過十數(shù)年的發(fā)展， SDN 架構已經(jīng)逐漸成熟[3]。SDN 架構能融合各種支持 OpenFlow 協(xié)議的網(wǎng)絡設備，適合應用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中。

針對企業(yè)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中面臨的問題和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使用的場景和需求分析，本課題的主要研究內(nèi)容為基于 SDN 架構的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)流量調(diào)度系統(tǒng)模型設計，主要包含 SDN 控制器環(huán)境的搭建和流量調(diào)度系統(tǒng)模型設計[4]。在 SDN 的架構上，聚焦于 SDN 控制器的設計，使其具有集中控制和流量調(diào)度的功能。本系統(tǒng)設計分為理論設計和模擬搭建功能實現(xiàn)兩個部分：理論設計主要包括整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使用場景拓撲的搭建設計、SDN 控制器系統(tǒng)設計以及流量調(diào)度系統(tǒng)模型設計;模擬搭建對系統(tǒng)中所需要的主要功能進行模擬實現(xiàn)，主要包括 SDN 控制器環(huán)境的搭建和控制器基礎功能的配置?？傮w設計完成后，根據(jù)系統(tǒng)功能進行測試優(yōu)化，最后對系統(tǒng)設計進行總結。

2系統(tǒng)功能分析

本系統(tǒng)從功能上實現(xiàn)對網(wǎng)絡設備的集中控制和流量調(diào)度?？刂破鬟B接所有的網(wǎng)絡設備，進行流量監(jiān)控、分析、下發(fā)配置等，利用組播的點到多點的高效傳輸?shù)奶攸c進行流量調(diào)度[5～7]。具體功能需求如下。

（1）流量監(jiān)控：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量情況監(jiān)控，如丟包率、帶寬等。

（2）流量分析：不同的流量去往不同目的地，如果發(fā)生故障（如數(shù)據(jù)包不可達或者速度達不到要求），控制器可以分析這些流量的情況。

（3）下發(fā)配置：對 SDN 架構來說，這是一個基礎的功能，在后面維護和添加新的設備時，可以提高效率。

（4）數(shù)據(jù)備份：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大量數(shù)據(jù)都有不可再生性，數(shù)據(jù)的安全性非常重要，需要建立云服務和本地服務間的冗余操作。

3基于 SDN 架構的流量調(diào)度系統(tǒng)設計和實現(xiàn)

系統(tǒng)網(wǎng)絡共分為四大部分，即“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”場景、運營商網(wǎng)絡、云服務和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)[8～10]。終端將數(shù)據(jù)通過5G 設備傳到運營商的5G 網(wǎng)絡，然后分別去往云服務和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的本地服務器，如圖1所示。

（1）在思科模擬器（ Cisco Packet Tracer，簡稱 PT）上完成網(wǎng)絡設備 VPN 的搭建。企業(yè)搭建 VPN 的主要目的是在運營商網(wǎng)絡中建立專屬通道，確保數(shù)據(jù)能夠安全和穩(wěn)定傳輸，并且保證5G 網(wǎng)絡設備能夠連接 SDN 控制器。對于固定位置的網(wǎng)絡設備（如工廠的5G 網(wǎng)絡設備）采用 IPSec VPN，IPSec VPN 工作在網(wǎng)絡層，其主要手段是對數(shù)據(jù)進行加密和對數(shù)據(jù)收發(fā)方進行身份認證。移動的網(wǎng)絡設備（如5G CPE 和其他能夠插5G 物聯(lián)網(wǎng)卡的移動設備）則采用 SSL VPN， SSL VPN 以可靠的 TCP 傳輸協(xié)議為根基，為上層提供數(shù)據(jù)封裝、壓縮、加密等支持，需要搭建 SSL Server。本系統(tǒng)搭建 VPN 的邏輯拓撲如圖2所示。

（2）在51Openlab 平臺上實現(xiàn) SDN 控制器的功能。51Openlab 是 SDN 的開放實驗室平臺，可以提供 SDN 實驗拓撲搭建和配置等功能。參照圖2中 PT 上的拓撲，在51Openlab 上搭建 SDN 控制器拓撲，如圖3所示。從圖3中可以看到 SDN 的核心結構特點，即控制平面和數(shù)據(jù)平面分離。

使用 Mininet 網(wǎng)絡仿真工具來構建本系統(tǒng)運行的模擬拓撲。Mininet 網(wǎng)絡仿真模擬器雖然畫面比較簡單，但是功能強大，很適合用于模擬測試。終端設備和接入層設備用一臺主機和交換機模擬，分別代表工廠5G 的路由器的流量，以及5G CPE 和任何5G 物聯(lián)網(wǎng)卡的流量。Mininet 中沒有服務器，所以用一臺交換機加主機的組合表示云服務器網(wǎng)絡。需要確認拓撲中的網(wǎng)絡設備都是支持 OpenFlow 協(xié)議的，即能夠連接 SDN 控制器。

4系統(tǒng)功能測試

從企業(yè)內(nèi)部的 SDN 控制器 ping 工廠內(nèi)的 PC 和連接 SSL Server 的 PC 。經(jīng)過測試，兩條 VPN 通道都可以建立連接，這為后續(xù)各地的 OpenFlow 網(wǎng)絡設備順利連接 SDN 控制器做好準備。

上文提道，配置一條流表并下發(fā)給 OpenFlow 交換機，測試交換機上是否收到了流表。在 OpenFlow 交換機上使用命令：Ovs?Ofctl dump?flows br?sw 上可以查看流表。在測試中下發(fā)的流表，實現(xiàn)的功能是匹配源地址是10.0.0.9/32去往目的地址10.0.0.10/32的數(shù)據(jù)包全部丟棄。所以，在主機上使用命令 result， umanswered=（ IP （ dst=“10.0.0.10”，ttl =（3，10））/ ICMP（））測試流表的動作是否完成。通過測試，我們可以看出 ping 10.0.0.10的時候，收不到回包，而 ping 10.0.0.14的時候可以收到回包。說明流表在其中發(fā)揮了作用，實現(xiàn)了對 OpenFlow 設備的控制，已經(jīng)實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的功能。

5總結

基于“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”平臺，完成了本系統(tǒng)的模擬搭建和實施。本系統(tǒng)最大的特點就是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構上引入了 SDN 結構。本系統(tǒng)并沒有舍棄傳統(tǒng)網(wǎng)絡的功能，依然可以在設備上單獨配置交換功能和路由協(xié)議;在此基礎上，交換機支持 OpenFlow 協(xié)議，可以連接 SDN 控制器，通過控制器實現(xiàn)對交換機的靈活控制和管理。這既融合了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的功能，又擁有 SDN 架構的特點，從而降低了維護和管理成本。SDN 架構數(shù)控分離的理念能夠更好的適應工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的復雜和5G 的大流量場景，讓交換機、路由器只專注于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，大大提高了效率;并且控制器安裝在企業(yè)內(nèi)部，安全方面可以得到保障。

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作者簡介：

盛文龍（2001—），大專，研究方向：計算機網(wǎng)絡應用。

袁嘉均（2001—），大專，研究方向：計算機網(wǎng)絡應用。