(高清版)GBT 40695-2021 信息技术 系统间远程通信和信息交换 基于IPv6的无线网络接入要求

信息技术系统间远程通信和信息交换基于IPv6的无线网络接入要求Informationtechnology—Telecommunicationsandinformationexchange2021-10-11发布国家标准化管理委员会GB/T40695—2021 I 2规范性引用文件 3术语和定义 4缩略语 25无线网络接入IPv6网络架构 26基于IPv6的无线网络接入要求 36.1支持IPv6的无线网络接入要求 36.2不支持IPv6的无线网络接入要求 3附录A(资料性)WirelessHART网络接入IPv6网络 7附录B(资料性)WIA-PA网络接入IPv6网络 参考文献 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。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。本文件由全国信息技术标准化技术委员会(SAC/TC28)提出并归口。本文件起草单位：重庆邮电大学、中国电子技术标准化研究院、中国互联网络信息中心、重庆川仪自动化股份有限公司、深圳赛西信息技术有限公司、重庆集成天智机器人有限公司、北京东土科技股份有1信息技术系统间远程通信和信息交换基于IPv6的无线网络接入要求1范围本文件规定了工业场景中无线网络接入IPv6网络的网络架构和技术要求。本文件适用于工业场景中无线网络接入IPv6网络的实施与部署。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/T26790.1—2011工业无线网络WIA规范第1部分：用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范GB/T26790.2—2015工业无线网络WIA规范第2部分：用于工厂自动化的WIA系统结构与通信规范GB/T29910.5—2013工业通信网络现场总线规范类型20:HART规范第5部分：Wire-lessHART无线通信网络及通信行规GB/T30269.303—2018信息技术传感器网络第303部分：通信与信息交换：基于IP的无线传感器网络网络层规范YD/T3331—2018面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)无线网总体技术要求IEC62734:2014工业网络无线通信网络和通信协议ISA100.11a(Industrialnetworks—Wirelesscommunicationnetworkandcommunicationprofiles—ISA100.1la)3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。IPv6边界网关IPv6bordergateway支持IPv6网络接入的无线网关，负责无线设备和无线路由设备的IPv6网络接入和协议转换。IPv6网络IPv6network支持IPv6协议的接入网络或骨干网络。不支持IPv6的无线网络IPv6disabledwirelessnetwork无线设备不支持IPv6协议，无法直接与IPv6网络互联的无线网络。通过在IPv6数据报文前封装报头，实现IPv6数据在不支持IPv6的工业无线网络中传输的通道；或将无线网络中的包封装成IPv6报文，实现不支持IP的工业无线报文在IPv6网络中传输的通道。2无线网关wirelessgateway连接无线网络与其他网络的设备。支持IPv6的无线网络IPv6enabledwirelessnetwork无线设备支持IPv6协议，能够直接与IPv6网络互联的无线网络。4缩略语下列缩略语适用于本文件。ICMPv6:互联网控制管理协议第6版(InternetControlManagementProtocolVersion6)IP:互联网协议(InternetProtocol)IPv4:互联网协议第4版(InternetProtocolVersion4)IPv6:互联网协议第6版(InternetProtocolVersion6)MAC:媒体访问控制(MediumAccessControl)TCP:传输控制协议(TransmissionControlProtocol)WIA-PA:面向工业过程自动化的工业无线网络标准技术(WirelessNetworksforIndustrialAuto-mationProcessAutomation)5无线网络接入IPv6网络架构无线网络接入到IPv6网络的接入网络架构见图1。其中无线网络分为不支持IPv6的无线网络和支持IPv6的无线网络。无线网络主要由无线设备、无线路由设备和IPv6边界网关组成。无线网络1无线网络2支持IPv6的无线网络无线路出设备有线通信线路图1无线网络接入IPv6网络架构3无线设备负责采集现场数据信息，支持GB/T26790.1—2011、GB/T29910.5—2013、GB15629.11、IEC62734:2014、GB/T26790.2—2015、YD/T3331—2018至少一种无线连接协议。无线路由设备负责对无线设备采集到的数据进行转发和路径规划，支持一种或多种路由协议。IPv6边界网关负责无线设备和无线路由设备的IPv6网络接入和协议转换，以及无线网络的网络管理和安全管理。支持非IPv6的无线网络通过IPv6边界网关实现无线网络与IPv6网络的互联。支持IPv6的无线网络中部署的节点网络层支持IPv6协议，可实现无线网络与IPv6互联网的互联。6基于IPv6的无线网络接入要求6.1支持IPv6的无线网络接入要求支持IPv6的无线网络接入满足但不局限下列要求：a)协议栈中网络层和适配层应支持IPv6,应支持统一编码、头部压缩和分片重组、调度头、Mesh寻址等功能；b)应支持IPv6地址分配，其中地址统一编码、分片重组和头部压缩方式应符合GB/T30269.303—6.2不支持IPv6的无线网络接入要求不支持IPv6的无线网络接入要求分为：a)针对无线网关不支持IPv6场景下的要求；b)针对无线网关支持IPv6场景下的要求。6.2.2无线网关不支持IPv6无线网关不提供IPv6接口，需进行改造升级，使其升级为IPv6边界网关，无线网络才能接入到无线网络中，不支持IPv6的无线网关应在网关北向增加协议转换模块，成为支持IPv6的IPv6边界网关，使无线网络接入IPv6网络，如图2所示。4无线网关无线网关无线网关无线网关IPv6主机IPv6数据包IPy6数据包IPv6交换机协议转换模块协议转换模块IPy6边界网关非IPv6接口无线网络网络管理省/安全管理者边界网关非IPv6接口无线网络网络管理者/安全管理者无线网络1无线网络2图2无线网关不支持IPv6场景下无线网络接入IPv6网络架构6.2.2.2协议转换模块功能要求协议转换模块至少应满足下列要求：a)所产生的电磁干扰应不影响原有无线网络的传输可靠性；b)协议转换模块应具有隧道网关功能，具体要求见6.2.2.3;c)应具有支持IPv6地址配置功能，具体要求见6.2.2.4;d)应具备IPv4到IPv6双栈模型，即同时具备通过IPv4地址与IPv4网络的主机通信，以及通过IPv6地址与IPv6网络的主机通信两种能力，两种协议栈运行独立；e)应具有非IP无线网络接入IPv6网络适配功能，即对非IP无线网络中的帧格式进行相应的封附录A给出了符合GB/T29910(所有部分)要求的网络在网关不提供IPv6接口时接入IPv6网络的具体实现步骤。支持IPv6的无线边界网关应提供无线网络隧道和IPv6网络隧道。无线网络隧道应支持将来自IPv6网络的报文按照无线网络支持的协议封装，封装后发往无线网络，使IPv6报文可在无线网络中传输。IPv6网络隧道应支持为无线网络支持的协议封装报文设置IPv6扩展报头，封装在IPv6报文中后发往IPv6网络，使无线网络支持的协议封装报文可在IPv6网络中传输。5IPv6地址配置包括协议转换模块的地址配置和无线设备的地址映射。协议转换模块应手动或自动的方式配置IPv6地址，以此建立通信来完成与IPv6网络之间的数据传输。无线设备应进行地址映射，无线设备成功入网之后应得到协议转换模块分配的网络地址前缀；无线设备通过ICMPv6向网络中其他设备广播这个前缀信息；其他无线设备接收到相应的ICMPv6信息中的前缀后，结合自己的64位MAC地址，并根据TCP/IP协议中IPv6地址的计算方法，生成本节点的IPv6地址；生成的IPv6地址应与无线设备原本的短地址形成地址映射关系，使得无线网关北向的IPv6主机收到数据之后能够通过地址映射关系识别出源节点短地址。6.2.3无线网关支持IPv6无线网络中，无线网关具有IPv6协议转化模块并且支持IPv6接口，则无线网关即为IPv6边界网关。网关通过配置或协议栈二次开发后可直接接入IPv6网络，如图3所示。接入要求包括无线网关的北向接口和协议转化模块。设备IPv6数据包IPv6数据包IPv6交换机IPy6协议转化IPy6协议转化边界边界网关边界网关网络管理者/安全网络管理者/安全管理者无线网络2无线网络l图3无线网关支持IPv6场景下无线网络接入IPv6网络架构6附录B给出了符合GB/T26790.1—2011要求的网络在网关提供IPv6接口时接入IPv6网络的具体实现。网关北向接口应支持IPv6接口。无线网关中的协议转换功能满足但不局限下列要求：a)通信协议方式应至少支持异步全双工、同步半双工及同步全双工之一；b)应支持接收并执行来自网络管理器的网关启动命令；c)应支持直接与网络管理器发送IPv6数据报文。7(资料性)WirelessHART网络接入IPv6网络A.1WirelessHART网络概述符合GB/T29910.5—2013的WirelessHART网络包括网关(网络管理器)和节点。网络建立连接后，网络管理器创建Graph0(上行至网关的Graph)和Superframe0(管理超帧),对网关进行相关信息的初始化配置并初始化ASN(绝对时隙),相关信息包括网络密钥、网关和网络管理器会话密钥、广播密钥、超帕和链路等。在激活超帧后，网关开始广告网络信息，并允许设备加入网络。在网络初始化完成之后，网络接入点开始广告网络信息，该数据包含网络ID(标识)、当前网络绝对时隙数ASN、网络时钟同步信息以及加入过程中所需要的通信资源，并以广播形式发送出去。设备在上电之后会侦听广告包，在收到广告包后获取网络ID,设置当前网络绝对时隙，同步网络时钟，并配置加入过程所需的通信资源，最后向网络管理器发送加入请求。网络管理器在收到节点的加入请求之后，对节点的地址以及加入密钥等信息进行身份验证，若验证通过，则网络管理器为节点配置路由和通信资源等相关信息，通过临时路由和超帧下发至待加入节点。在节点配置完之后，节点加入网络成功。之后节点就能够与网络管理器进行通信，并向网络管理器报告自己的邻居信息和向网关上传数据。A.2WirelessHART网络接入架构对于无线网关不支持IPv6的WirelessHART网络，架构图如图A.1所示。IPyIPy6主机IPy6交换机IPv6数据包南向接口类无线网络网络管理者/安全管理者WirclessHAKI网络节点无线网关北向接口图A.1WirelessHART网络接入IPv6网络架构8A.3WirelessHART边界网关隧道功能WirelessHART的无线边界网关提供非IP无线网络隧道和IPv6网络隧道，分别承载南向北向的通信任务：a)WirelessHART的无线边界网关通过非IP无线网络隧道将IPv6数据报文封装在非IP数据报文中，来完成IPv6网络上的主机对非IP无线网络的网络设备下发的数据读取指令(南向);b)WirelessHART的无线边界网关通过IPv6网络隧道将非IP数据报文上设置IPv6扩展报头，封装在IPv6数据报文中，来完成非IP无线网络设备向IPv6网络上的主机上传数据(北向)。A.4WirelessHART边界网关隧道实施步骤WirelessHART边界网络隧道实施具体步骤如下：a)在隧道入口WirelessHART的无线边界网关把数据报文封装在隧道报文中，隧道报文的源地址和目的地址分别对应隧道的入口和出口，在隧道出口处，网关将报文从隧道报文中取出数据报文转发给目的节点；b)在源节点处指定隧道的入口节点地址，根据节点的网络属性和实时网络状态选择隧道入口；在目的节点处指定隧道的出口节点地址，确保数据正常有序的接收。在隧道入口处，WirelessHART的无线边界网关应在原始报文的基础上扩展隧道封装报头和隧道传输报头，使原始报文能够在隧道中稳定传输；报文到达隧道出口时，网关应将其解析为原始报文进行下一步传输。消息格式如图A.2所示，消息共分为两种类型：主-从帧格式，如图A.3所示；从-主帧格式如图A.4所示。前导码前导码SDADCDBC状态数据Ch检验字节变送器和通信情况字节数→IIART命令地址开始界限定界符命令数据校验字节定界符地址命令响应码数据校验字节9HART5.0以前版本的设备采用短帧地址结构，HART5.0版本具有长帧地址结构。主机将根据应为了实现IPv6数据报WirelessHART网络上的传输，需要通过地址配置方式来对WirelessHART网络中的长帧地址结构和短帧地址结构进行地址转换。长帧地址结构如图A.5所示。短帧地址结构如图A.6所示。字节0设备类型设备标识设备类型位7位06位生产厂商代码1=突发模式1=第一主机0=第二主机图A.5长帧地址结构位7位04位轮询地址1=突发模式1=第一主机0=第二主机图A.6短帧地址结构一般消息帧主要包括下列组成部分。a)前导码：导言字节，一般是5～20个FF十六进制字节。它实际上是同步信号，各通信设备可以据此略做调整，保证信息的同步。在开始通讯的时候，使用的是20个FF导言，从机应答0信号时将告之主机它“希望”接收几个字节的导言，另外主机也可以用59号命令告诉从机应答时应用几位导言。机到从机为短结构时，起始位为02,长帧时为82。从机到主机的短结构值为06,长结构值为86。而为“突发”模式的短结构值为01,长结构为81。一般设备进行通讯接收到2个FF字节c)ADDR:地址字节，它包含了主机地址和从机地址，如前所述，短结构中占1字节，长结构中占 5字节。无论长结构还是短结构，因为HART协议中允许2个主机存在，所以我们用首字节的最高位来进行区分，值为1表示第一主机地址，第二主机用0表示。“突发”模式是特例， 0和1值将交替出现，也就是说，在该模式下，赋予2个主机的机会均等。次高位为1表示为“突发”模式，短结构用首字节的0～4位表示值为0～15的从机地址，第5,6位赋0;而长结构用后6位表示从机的生产厂商的代码，第2个字节表示从机设备型号代码，后3～5个字节表示从机的设备序列号，构成“唯一”标志码。另外，长结构的低38位如果都是0的话表示的是广播地址，即消息发送给所有的设备。d)命令：命令字节，它的范围为253个，用十六进制的0～FD表示。31、127、254、255为预留值。e)数据长度：数据总长度，它表示的是BCNT下一个字节到最后(不包括校验字节)的字节数。接收设备用它可以鉴别出校验字节，也可以知道消息的结束。因为规定数据最多为25字节，所以它的值是从0～27。f)状态：状态字节，也叫做“响应码”,只存在于从机响应主机消息的时候，用2字节表示。它将报告通讯中的错误、接收命令的状态(如：设备忙、无法识别命令等)和从机的操作状态。如果在通讯过程中发现了错误，首字节的最高位(第7位)将置1,其余的7位将汇报出错误的细节，而第2个字节全为0。否则，当首字节的最高位为0时，表示通讯正常，其余的7位表示命令响应情况，第2个字节表示场设备状态的信息。串口发现的通讯错误一般有：奇偶校验、溢出和结构错误等。命令响应码可以有128个，表示错误和警告，他们可以是单一的意义，也可以有多种意义，我们通过特殊命令进行定义、规定。现场设备状态信息用来表示故障和非正常操作模式。g)数据：数据字节，并非所有的命令和响应都包含数据字节，它最多不超过25字节(随着通讯速度的提高，正在要求放宽这一标准)。数据的形式可以是无符号的整数(可以是8、16、24、32位),浮点数(用IEEE754单精浮点格式)或ASCI(美国信息交换标准代码)字符串，还有预先制定的单位数据列表。具体的数据个数根据不同的命令而定。h)校验位：奇偶校验，方式是纵向奇偶校验，从起始字节开始到奇偶校验前一个字节为止。另外，每一个字节都有1位的校验位，这两者的结合可以检测出3位的突发错误。A.6.1寄存器地址映射WirelessHART网关的IPv4到IPv6双栈模型可通过中间适配设备上定义了南向和北向接口来完成数据的读取、封装及转发。由于标准的ModBus协议栈网络层采用IPv4协议，通过协议转换模块接入IPv6网络，实现双栈模型。协议转换模块南向接口网络层采用IPv4,传输层采用ModBusTCP协议，从WirelessHART无线网关处读取节点数据，北向接口采用IPv6协议将南向接口采集到的数据进行封装和转发至IPv6网络。WirelessHART网络的无线设备将采集到的现场数据发送至网关，通过寄存器映射，对应节点在网络中的短地址，与网关中的寄存器产生映射关系，将对应节点发送来的现场数据存储到网关寄存器。A.6.2南向接口数据采集与存储如图A.7所示，在协议转换模块上创建线程1作为南向接口，作为Modbus的客户端，指定端口为502,地址为网关IP地址，与南向网关中的Modbus服务器建立通信，按照标准的ModbusTCP协议读取网关寄存器的数据，存储于共享的内存缓冲区。IPyIPy6互联网JPv6主机DNS服务器北向接U双线模型南向接口Modbus主站(寄存器哄射WirelessHAR'I节点设备IPv6服务器端Modbus从站网关寄存器多线程并发.T.业无线网关适配设备工厂外部网络ModbusTCP工」外部网络图A.7非IP无线网络接入IPv6网络模型图A.6.3北向接口数据封装与转发在协议转换模块创建线程2,作为北向接口，用户自定义端口，为保证所有IPv6地址均在同一网段，本文件采用的IPv6地址格式为：后32位为原本IPv4地址，其余位数全部补0,向IPv6网络转发数据。网络层采用IPv6协议与北向IPv6网络中的主机建立通信，通过双线程并发操作，实时地将读取到的数据封装成IPv6数据包发送至主机，IPv6网络中的主机通过DNS[域名系统(服务)协议]服务器，连接到IPv6互联网，可与互联网中的其他主机、云服务平台等实现数据共享。(资料性)WIA-PA网络接入IPv6网络WIA-PA网络符合GB/T26790.1—2011,采用星形和网状两层拓扑结构，其中终端设备构成星型网络，降低了终端设备协议的复杂性，提高了终端设备加入和退出网络的灵活性。路由设备构成mesh网络，提高了通信的可靠性和网络的可扩展能力。WIA-PA网络采用集中式与分布式结合的系统管理方式，通过TDMA/CSMA(时分多址/载波侦听)混合接入模式支持周期性和非周期性通信负载。WIA-PA网络在链路层兼容GB/T15629.15—2010的超帧结构，并对其进行了扩展。B.2WIA-PA网络接入架构对于无线网关支持IPv6的WIA-PA网络，架构图如图B.1所示。IPy6主机IPv6交换机北向接山边界网关WTA-PA网络网络管理者/安全管理者图B.1WIA-PA网络接入IPv6网络架构B.3WIA-PA网关组网和北向接口无线网络中所有WIA-PA设备均符合GB/T26790.1—2011。这里选取WIA-PA网关北向接口处支持IPv6接口的情况讨论。B.4WIA-PA协议转化模块与网络管理器接口WIA-PA网络中存在两类地址：EUI-64(64位扩展唯一标识符)位长地址和16位短地址。为了实现WIA-PA网络地址与IPv6网络地址之间的转换，对于WIA-PA网络中的EUI-64