(高清版)GBT 42563-2023 信息技术 系统间远程通信和信息交换 OPC统一架构与时间敏感网络融合映射

信息技术系统间远程通信和信息交换OPC统一架构与时间敏感网络融合映射2023-05-23发布国家市场监督管理总局GB/T42563—2023前言 I 2规范性引用文件 3术语和定义 4缩略语 25OPCUA与TSN融合映射协议栈架构 26OPCUA与TSN融合的通信机制 37OPCUAPubSub与TSN的映射配置 47.1映射配置过程 47.2OPCUAPubSub流到TSN流的映射配置 5附录A(资料性)OPCUAPubSub和TSN映射描述符 I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件由全国信息技术标准化技术委员会(SAC/TC28)提出并归口。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件起草单位：中国电子技术标准化研究院、华中科技大学、上海芯问科技有限公司、江苏赛西科技发展有限公司、深圳赛西信息技术有限公司、之江实验室、北京赛西科技发展有限责任公司、上海交通大学、上海格麟倍科技发展有限公司、西安航天自动化股份有限公司、北京智芯微电子科技有限公司、重庆邮电大学、北京固源网络科技有限公司、苏芯物联技术(南京)有限公司、中铁工程服务有限公司。1信息技术系统间远程通信和信息交换OPC统一架构与时间敏感网络融合映射1范围本文件提出了OPCUA与TSN融合协议栈架构，规定了OPCUA与TSN融合的通信机制和OPCUAPubSub与TSN的映射配置。本文件适用于OPCUA与TSN融合系统的设计、开发和应用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T33863.6—2017OPC统一架构第6部分：映射ISO/IEC/IEEE8802-1AS信息技术系统间的远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第1AS部分：桥接局域网用时间敏感应用的定时和同步(Informationtechnology—Telecommu-nicationsandinformationexchangebetweensystems—Localandmetropolitanareanetworks—Part1AS:Timingandsynchronizationfortime-sensitiveapplicationsinbridgedlocalareanetworks)ISO/IEC/IEEE8802-1CB信息技术系统间的远程通信和信息交换局域网和城域网特定ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网的要ISO/IEC/IEEE8802-3:2021信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网要求第3部分：以太网标准(Telecommunicationsandexchangebetweeninformationtechnologysystems一Requirementsforlocalandmetropolitanareanetworks—Part3:StandardforEthernet)IEC62541-14OPC统一架构第14部分：PubSub(OPCUnifiedArchitecture—Part14:Pub-3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。映射配置管理器mappingconfigurationmanager用于管理时间敏感网络和OPC统一架构之间映射配置。2OPC统一架构发布/订阅映射到时间敏感网络的消息。需要以有限的时延传递的数据帧流。4缩略语下列缩略语适用于本文件。CNC集中式网络配置(centralizednetworkconfiguration)CUC集中式用户配置(centralizeduserconfiguration)GCL门控制列表(gatecontrollist)IP互联网协议(internetprotocol)MAC媒体访问控制(mediaaccesscontrol)OPC用于过程控制的对象连接与嵌入(objectlinkingandembeddingforprocesscontrol)OPCUAPubSub-TSNOPCUAPubSub映射到TSN(OPCUAPubSubmappingTSN)PCP优先级代码(prioritycodepoint)TCP传输控制协议(transmissioncontrolprotocol)TSN时间敏感网络(timesensitivenetwork)UADPUA数据包协议(UAdatagramprotocol)UDP用户数据报协议(userdatagramprotocol)UNI用户网络配置接口(usernetworkinterface)VLAN虚拟局域网(virtuallocalareanetwork)OPCUA与TSN融合映射协议栈架构见图1,TSN网络提供实时通信机制，OPCUA可提供统一的语义级通信(不具备实时性要求),通过OPCUA与TSN融合可实现发布者和订阅者之间实时通信。OPCUA的通信机制包括客户端/服务端(Client/Server)通信机制和PubSub通信机制，OPCUA与TSN融合包括Client/Server和TSN融合映射、PubSub和TSN融合映OPCUAClient/Server通信机制没有特定QoS需求，TSN可直接实现Client/Server流的传OPCUAPubSub通信机制有优先级QoS的通信需求，需要通过与TSN映射实现实时通信，Pub-Sub先映射到UDP,UDP多播通信再映射到TSN层。可将OPCUAPubSub映射为TSN流的QoS需求，在映射过程中应对TSN网络进行配置以满足OPCUA3GB/T42563—2023应用层传输层/网络层链路层/物理层OPCOPCLAPubSubOPCJAClienuServer[JADPUDP;IPTSN(ISO:ICC/ICCE8802-1Q:2020、ISO:IEC:ICEE8802-1AS、ISO;IEC:IEEE8802-ICB)以太网(1SO/IEC:[EEE8802-3:2021)TCP;IPUADP图10PCUA与TSN融合映射协议栈架构6OPCUA与TSN融合的通信机制OPCUA和TSN融合的通信机制可通过映射配置过程实现，在映射配置过程时，集中式或分布式的TSN部署在TSN交换机上，映射配置过程收集OPCUA的通信需求，并把OPCUA通信需求转化为TSN流，从而实现OPCUA的实时通信机制。OPCUAClient/Server与TSN融合通信机制见图2,OPCUAPubSub与TSN融合通信机制见图3。汀阅考汀阅考'1SV交换机TSN交换机发布者TSN交模机TSN习原考发布者发布者订阅者图2OPCUAClient/Server与TSN融合通信机制4端)TSN交换机TSN交换机户端)TSN交换机TSN图3OPCUAPubSub与TSN融合通信机制7OPCUAPubSub与TSN的映射配置7.1映射配置过程在OPCUAPubSub具有QoS需求时，TSN可提供冗余机制，OPCUAPubSub和TSN的映射可实现OPCUA的QoS需求。OPCUAPubSub-TSN映射配置管理器可集成TSNCUC功能，负责创建和管理映射配置过程。OPCUAPubSub的通信需求提交给映射配置管理器，映射配置管理器通过描述符表管理所有的OPCUAPubsub通信需求并转化为TSN流需求发送给CNC,CNC完成网络配置后，由CNC生成网络设备配置参数并部署到TSN设备中，TSN再把相应的TSN流配置信息发送给映射配置管理器，映射配置管理器更新描述符表中的描述符相应字段，再下发到各个OPCUAPubSub流的发布者和订阅者。映射配置过程见图4,如下：a)映射配置管理器创建描述符表，收集通信需求填写描述符的内容；b)映射配置管理器把QoS通信需求发送给CNC,并获取TSN配置结果；c)映射配置管理器把TSN流配置信息返回给OPCUAPubSub的发布者/订阅者，完成整个映射配置。5OPCOPCUAPubSub的发布者/订阅者QoS需求信息TSN流配置信息映射配置管理器创建维护描述符表QoS通信需求TSN流配置信息图4OPCUAPubSub与TSN映射配置过程TSN的配置由CNC实现，CNC与TSN交换机之间采用网络配置(NETCONF)协议，基于ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020中规定的YANG模型进行网络配置。CNC收到映射配置管理器发送的PubSub的QoS需求，通过TSN网桥和TSN流将PubSub的QoS需求传输给一个或者多个接收端，再把完成的TSN流配置信息发送给映射配置管理器，流配置管理器对描述符表中字段进行更新，对于集中式网络配置，一个TSN域具有一个唯一的映射配置管理器。7.2OPCUAPubSub流到TSN流的映射配置7.2.1流的映射配置过程OPCUAPubSub到TSN流的映射过程的实现，应先建立从OPCUAPubSub网络消息到TSN帧的映射，OPCUAPubSub流的发布者把数据集封装到网络消息，此网络消息映射到TSN流，该网络消息的订阅者也是TSN中的TSN流接收端，接收端从接收到的TSN流中获得网络消息，并提取数据集，根据数据信息得到具有语义信息的过程变量数据值。OPCUAPubSub流在TSN中的映射配置过程如下：a)OPCUA系统配置工程软件配置生成多个OPCUAPubSub流信息和初始参数，提供给映射配置管理器；b)映射配置管理器从OPCUAPubSub流的发布者和订阅者收集OPCUAPubSub流信息；c)映射配置管理器把OPCUAPubSub流的QoS需求传送给CNC,使用User/Network配置接口协议(UNI协议);d)CNC进行计算，包括计算传输调度，确定数据路径等，并符合QoS需求；e)CUC判断TSN是否符合QoS需求；f)TSN如不符合QoS需求，CNC将结果反馈给映射配置管理器；g)TSN如符合QoS需求，CNC配置TSN交换机将TSN流配置信息返回给映射配置管理器，映射配置管理器更新TSN流的描述符表，把TSN流配置信息发送给OPCUAPubSub流的发6布者和订阅者，配置过程完成。为实现OPCUAPubSub流到TSN流的映射配置过程，OPCUAPubSub流的发布者和订阅者需要获取网络消息中的TSN流标识信息和TSN端口配置信息。OPCUAPubSub流的发布者和订阅者可根据流配置信息进行TSN端口配置。在CNC网络中，TSN流标识信息由CNC进行定义和分配发送给映射配置管理器，每一个TSN流(一对一或一对多)有统一的TSN流标识，TSN流标识信息符合ISO/IECIEEE8802-1Q:2020中9.6的定义。7.2.2.1描述符表创建和访问机制描述符表由映射配置管理器管理，描述符表的每一项均为描述符，描述符中包含一个OPCUAPubSub流和关联的TSN流信息，OPCUAPubSub和TSN流的实例见附录A。映射配置管理器通过下列实体获取形成完整的描述符信息：a)OPCUA系统配置工程软件；c)OPCUAPubSub流订阅者；d)TSN-CNC。可在映射配置管理器的地址空间访问描述符。OPCUAPubSub流的发布者和订阅者，通过OPCUA协议访问映射配置管理器的描述符表提出或更新OPCUAPubSub流信息，映射配置管理器支持以文件导入和导出的形式来收集OPCUAPub-Sub流发布者和订阅者的信息。映射配置管理器通过UNI向TSN-CNC发出网络配置请求并获得TSN配置结果，更新描述符的相应字段，TSN-CNC不能直接读写描述符。在完成TSN配置后，OPCUAPubSub流的发布者和订阅者可作为客户端，通过OPCUA协议访问映射配置管理器的描述符表来获取OPCUAPubSub流对应的TSN流配置信息。7.2.2.2描述符内容及格式描述符的内容由PubSub流对应的发布者和订阅者OPCUA地址空间中相关信息组成，包括：a)OPCUAPubSub流对象名称：在创建一个新的OPCUAPubSub流时，由映射配置管理器定义；b)OPCUAPubSub流发布者信息：OPCUA发布者的ID信息，应符合IEC62541-14要求；c)OPCUAPubSub流发布数据集元数据信息：OPCUA发布者的传输的数据集，应符合IEC62541-14要求；d)OPCUAPubSub流发布者QoS需求，应符合IEC62541-14要求；e)OPCUAPubSub流发布者TSN端口信息，用于确定OPCUA流映射到的发布者设备的具f)OPCUAPubSub流订阅者信息，应符合IEC62541-14要求；g)OPCUAPubSub流订阅者QoS需求，应符合IEC62541-14要求；h)OPCUAPubSub流订阅者TSN端口信息：用于确定OPCUA流映射到订阅者设备的具体i)OPCUAPubSub流映射的TSN流ID信息：由TSN-CNC分配；j)OPCUAPubSub流发布者TSN端口配置信息：包括VLAN,PCP,发送时间点，GCL等信7k)OPCUAPubSub流订阅者TSN端口配置信息：由TSN-CNC进行配置。描述符与多个应用工程工具和配置工具相关联，以可扩展置标语言或JSON(JavaScriptObjectNotation,JS简谱)文件上传和下载，描述符字段见表1。数据类型取值范围必选/可选OPCUA地址空间中相关信息组成可选流对象名称OPCUAPubSub流对象名称publisherID可选发布者名称OPCUAPubSub流发布者信息DataSet数组必选发布数据集中包含的节点身份信息，数组的元素是描述性的语言构造的字符串，一个元素包含一个节点的身份信息OPCUAPubSub流发布数据集元数据信息必选发布周期，单位为纳秒OPCUAPubSub流发布者QoS需求可选发送窗口sendWindow[o],窗口相对于周期起始点的偏移值，单位为纳秒(ns);sendWindow[1],窗口长度，单位为纳秒(ns)必选源端口MAC地址，格式为点分十六进制字符串OPCUAPubSub流发布者TSN端口信息可选发布者网卡ID可选订阅者名称OPCUAPubSub流订阅者信息必选多个订阅者各自的时延，单位为纳秒(ns)OPCUAPubSub流订阅者QoS需求可选多个订阅者各自的抖动，单位为纳秒(ns)必选目的端口MAC地址，格式为点分十六进制字符串OPCUAPubSub流订阅者TSN端口信息可选订阅者网卡ID必选TSN流的唯一标识，OPCUAPubSub流映射的TSN流ID信息8GB/T42563—2023数据类型取值范围必选/可选OPCUA地址空间中相关信息组成VlanID0～4094必选TSN流VlanIDOPCUAPubSub流发布者TSN端口配置信息Priority0～7必选TSN流优先级Offset0～period必选TSN流发送时刻相对于周期起始点的时间偏移，单位为纳秒(ns)tasGCLClass必选时间感知整形机制，门控时间槽列表注：string为字符串，string[]为字符串组，int[]为整数数组，int[2]为两个整数组成的整数数组，Class为类(包括数据、函数和类型成员，提供自定义数据类型)。表示取值范围大于或等于0且小于周期period,period是字段名。7.2.3OPCUAPubSub网络消息到TSN帧的映射OPCUA消息映射的一般原则符合GB/T33863.6—2017的规定。在OPCUA的PubSub机制中，优先采用经过优化的OPCUA二进制编码机制并提供安全机制，形成的网络消息通过网络传输协议进行传输，通信主体是发布者和订阅者，发布者发布网络消息，一个或多个订阅者订阅该网络消息，网络消息包含网络消息头字段和其他部分。在TSN的实时通信机制里，通信主体是发送端和接收端，由TSN网桥作为通信媒体来通过TSN流交换信息，一个发送端发起一个具体TSN流，一个或多个接收端通过网桥接收该TSN流。TSN帧格式使用内部标记机制，该机制在以太网帧的源地址和Type/Length字段之间插入一个4字节的标记字段，由于帧发生了改变，因此中继设备会对修改后的帧重新计算帧校验序列，TSN帧格式符合ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020中9.6的定义。在进行OPCUAPubSub网络消息到TSN流的消息映射时，发布者的端侧TSN协议栈首先获取网络消息，检验签名是否合法，之后将网络消息映射至TSN帧中。其中TSN帧是插入标记字段后的以太网帧。TSN帧格式的相关字段按以下规则进行映射：a)目标MAC地址：由映射配置管理器配置；b)源MAC地址：由映射配置管理器配置，缺省情况下为网卡ID;c)VlanID和PCP字段：由映射配置管理器配置；d)EtherType段：当基于UADP实现时，该字段为0xB62C;e)OPCUAPubSub基于UADP和TSN融合映射时，IP组播地址由映射配置管理器进行配置。7.2.4OPCUAPubSub网络消息到TSN帧的编码解码过程OPCUAPubSub的网络消息到TSN帧的编码解码过程由发布者和订阅者操作，由映射配置管理在TSN编码前，映射配置管理器首先收集网络消息和发布者、订阅者的网络描述符并上传到CNC进行网络配置，在网络配置中将UADP网络消息拆分、解析，形成相关标识字段、控制字段、校验信息、9发送者和订阅者MAC地址等信息。CNC将配置好的网络参数发送到映射配置管理器，形成TSN标识符，再下放到发布/订阅端，发布/订阅端据此进行TSN帧的编解码。CNC描述符网络参数映射配置管理器网络消息、描述符TSN标识符编码发布者TSN帧TSN交换机TSN帧解码订阅者图5OPCUAPubSub的网络消息到TSN帧的编码解码过程编码阶段，发布者根据网络消息以及从映射配置管理器收到的TSN标识符等信息进行TSN帧编码。根据TSN帧格式，首先从映射配置管理器中获取8字节的前导符，2字节以太网类型字段和4字节的校验信息，放入TSN帧，再将得到的TSN帧标识符中的发送者MAC地址和订阅者MAC地址写入TSN帧。最后，将报文中的有效负荷字段写入TSN帧中的载荷字段，完成TSN帧编码。解码阶段，订阅者根据TSN帧以及从映射配置管理器收到的TSN标识符等信息进行TS