信息技術系統間遠程通信和信息交換基于IPv6的無線網絡接入要求Informationtechnology—Telecommunicationsandinformationexchange2021-10-11發布國家標準化管理委員會GB/T40695—2021 I 2規范性引用文件 3術語和定義 4縮略語 25無線網絡接入IPv6網絡架構 26基于IPv6的無線網絡接入要求 36.1支持IPv6的無線網絡接入要求 36.2不支持IPv6的無線網絡接入要求 3附錄A(資料性)WirelessHART網絡接入IPv6網絡 7附錄B(資料性)WIA-PA網絡接入IPv6網絡 參考文獻 I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。本文件由全國信息技術標準化技術委員會(SAC/TC28)提出并歸口。本文件起草單位：重慶郵電大學、中國電子技術標準化研究院、中國互聯網絡信息中心、重慶川儀自動化股份有限公司、深圳賽西信息技術有限公司、重慶集成天智機器人有限公司、北京東土科技股份有1信息技術系統間遠程通信和信息交換基于IPv6的無線網絡接入要求1范圍本文件規定了工業場景中無線網絡接入IPv6網絡的網絡架構和技術要求。本文件適用于工業場景中無線網絡接入IPv6網絡的實施與部署。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T26790.1—2011工業無線網絡WIA規范第1部分：用于過程自動化的WIA系統結構與通信規范GB/T26790.2—2015工業無線網絡WIA規范第2部分：用于工廠自動化的WIA系統結構與通信規范GB/T29910.5—2013工業通信網絡現場總線規范類型20:HART規范第5部分：Wire-lessHART無線通信網絡及通信行規GB/T30269.303—2018信息技術傳感器網絡第303部分：通信與信息交換：基于IP的無線傳感器網絡網絡層規范YD/T3331—2018面向物聯網的蜂窩窄帶接入(NB-IoT)無線網總體技術要求IEC62734:2014工業網絡無線通信網絡和通信協議ISA100.11a(Industrialnetworks—Wirelesscommunicationnetworkandcommunicationprofiles—ISA100.1la)3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。IPv6邊界網關IPv6bordergateway支持IPv6網絡接入的無線網關，負責無線設備和無線路由設備的IPv6網絡接入和協議轉換。IPv6網絡IPv6network支持IPv6協議的接入網絡或骨干網絡。不支持IPv6的無線網絡IPv6disabledwirelessnetwork無線設備不支持IPv6協議，無法直接與IPv6網絡互聯的無線網絡。通過在IPv6數據報文前封裝報頭，實現IPv6數據在不支持IPv6的工業無線網絡中傳輸的通道；或將無線網絡中的包封裝成IPv6報文，實現不支持IP的工業無線報文在IPv6網絡中傳輸的通道。2無線網關wirelessgateway連接無線網絡與其他網絡的設備。支持IPv6的無線網絡IPv6enabledwirelessnetwork無線設備支持IPv6協議，能夠直接與IPv6網絡互聯的無線網絡。4縮略語下列縮略語適用于本文件。ICMPv6:互聯網控制管理協議第6版(InternetControlManagementProtocolVersion6)IP:互聯網協議(InternetProtocol)IPv4:互聯網協議第4版(InternetProtocolVersion4)IPv6:互聯網協議第6版(InternetProtocolVersion6)MAC:媒體訪問控制(MediumAccessControl)TCP:傳輸控制協議(TransmissionControlProtocol)WIA-PA:面向工業過程自動化的工業無線網絡標準技術(WirelessNetworksforIndustrialAuto-mationProcessAutomation)5無線網絡接入IPv6網絡架構無線網絡接入到IPv6網絡的接入網絡架構見圖1。其中無線網絡分為不支持IPv6的無線網絡和支持IPv6的無線網絡。無線網絡主要由無線設備、無線路由設備和IPv6邊界網關組成。無線網絡1無線網絡2支持IPv6的無線網絡無線路出設備有線通信線路圖1無線網絡接入IPv6網絡架構3無線設備負責采集現場數據信息，支持GB/T26790.1—2011、GB/T29910.5—2013、GB15629.11、IEC62734:2014、GB/T26790.2—2015、YD/T3331—2018至少一種無線連接協議。無線路由設備負責對無線設備采集到的數據進行轉發和路徑規劃，支持一種或多種路由協議。IPv6邊界網關負責無線設備和無線路由設備的IPv6網絡接入和協議轉換，以及無線網絡的網絡管理和安全管理。支持非IPv6的無線網絡通過IPv6邊界網關實現無線網絡與IPv6網絡的互聯。支持IPv6的無線網絡中部署的節點網絡層支持IPv6協議，可實現無線網絡與IPv6互聯網的互聯。6基于IPv6的無線網絡接入要求6.1支持IPv6的無線網絡接入要求支持IPv6的無線網絡接入滿足但不局限下列要求：a)協議棧中網絡層和適配層應支持IPv6,應支持統一編碼、頭部壓縮和分片重組、調度頭、Mesh尋址等功能；b)應支持IPv6地址分配，其中地址統一編碼、分片重組和頭部壓縮方式應符合GB/T30269.303—6.2不支持IPv6的無線網絡接入要求不支持IPv6的無線網絡接入要求分為：a)針對無線網關不支持IPv6場景下的要求；b)針對無線網關支持IPv6場景下的要求。6.2.2無線網關不支持IPv6無線網關不提供IPv6接口，需進行改造升級，使其升級為IPv6邊界網關，無線網絡才能接入到無線網絡中，不支持IPv6的無線網關應在網關北向增加協議轉換模塊，成為支持IPv6的IPv6邊界網關，使無線網絡接入IPv6網絡，如圖2所示。4無線網關無線網關無線網關無線網關IPv6主機IPv6數據包IPy6數據包IPv6交換機協議轉換模塊協議轉換模塊IPy6邊界網關非IPv6接口無線網絡網絡管理省/安全管理者邊界網關非IPv6接口無線網絡網絡管理者/安全管理者無線網絡1無線網絡2圖2無線網關不支持IPv6場景下無線網絡接入IPv6網絡架構6.2.2.2協議轉換模塊功能要求協議轉換模塊至少應滿足下列要求：a)所產生的電磁干擾應不影響原有無線網絡的傳輸可靠性；b)協議轉換模塊應具有隧道網關功能，具體要求見6.2.2.3;c)應具有支持IPv6地址配置功能，具體要求見6.2.2.4;d)應具備IPv4到IPv6雙棧模型，即同時具備通過IPv4地址與IPv4網絡的主機通信，以及通過IPv6地址與IPv6網絡的主機通信兩種能力，兩種協議棧運行獨立；e)應具有非IP無線網絡接入IPv6網絡適配功能，即對非IP無線網絡中的幀格式進行相應的封附錄A給出了符合GB/T29910(所有部分)要求的網絡在網關不提供IPv6接口時接入IPv6網絡的具體實現步驟。支持IPv6的無線邊界網關應提供無線網絡隧道和IPv6網絡隧道。無線網絡隧道應支持將來自IPv6網絡的報文按照無線網絡支持的協議封裝，封裝后發往無線網絡，使IPv6報文可在無線網絡中傳輸。IPv6網絡隧道應支持為無線網絡支持的協議封裝報文設置IPv6擴展報頭，封裝在IPv6報文中后發往IPv6網絡，使無線網絡支持的協議封裝報文可在IPv6網絡中傳輸。5IPv6地址配置包括協議轉換模塊的地址配置和無線設備的地址映射。協議轉換模塊應手動或自動的方式配置IPv6地址，以此建立通信來完成與IPv6網絡之間的數據傳輸。無線設備應進行地址映射，無線設備成功入網之后應得到協議轉換模塊分配的網絡地址前綴；無線設備通過ICMPv6向網絡中其他設備廣播這個前綴信息；其他無線設備接收到相應的ICMPv6信息中的前綴后，結合自己的64位MAC地址，并根據TCP/IP協議中IPv6地址的計算方法，生成本節點的IPv6地址；生成的IPv6地址應與無線設備原本的短地址形成地址映射關系，使得無線網關北向的IPv6主機收到數據之后能夠通過地址映射關系識別出源節點短地址。6.2.3無線網關支持IPv6無線網絡中，無線網關具有IPv6協議轉化模塊并且支持IPv6接口，則無線網關即為IPv6邊界網關。網關通過配置或協議棧二次開發后可直接接入IPv6網絡，如圖3所示。接入要求包括無線網關的北向接口和協議轉化模塊。設備IPv6數據包IPv6數據包IPv6交換機IPy6協議轉化IPy6協議轉化邊界邊界網關邊界網關網絡管理者/安全網絡管理者/安全管理者無線網絡2無線網絡l圖3無線網關支持IPv6場景下無線網絡接入IPv6網絡架構6附錄B給出了符合GB/T26790.1—2011要求的網絡在網關提供IPv6接口時接入IPv6網絡的具體實現。網關北向接口應支持IPv6接口。無線網關中的協議轉換功能滿足但不局限下列要求：a)通信協議方式應至少支持異步全雙工、同步半雙工及同步全雙工之一；b)應支持接收并執行來自網絡管理器的網關啟動命令；c)應支持直接與網絡管理器發送IPv6數據報文。7(資料性)WirelessHART網絡接入IPv6網絡A.1WirelessHART網絡概述符合GB/T29910.5—2013的WirelessHART網絡包括網關(網絡管理器)和節點。網絡建立連接后，網絡管理器創建Graph0(上行至網關的Graph)和Superframe0(管理超幀),對網關進行相關信息的初始化配置并初始化ASN(絕對時隙),相關信息包括網絡密鑰、網關和網絡管理器會話密鑰、廣播密鑰、超帕和鏈路等。在激活超幀后，網關開始廣告網絡信息，并允許設備加入網絡。在網絡初始化完成之后，網絡接入點開始廣告網絡信息，該數據包含網絡ID(標識)、當前網絡絕對時隙數ASN、網絡時鐘同步信息以及加入過程中所需要的通信資源，并以廣播形式發送出去。設備在上電之后會偵聽廣告包，在收到廣告包后獲取網絡ID,設置當前網絡絕對時隙，同步網絡時鐘，并配置加入過程所需的通信資源，最后向網絡管理器發送加入請求。網絡管理器在收到節點的加入請求之后，對節點的地址以及加入密鑰等信息進行身份驗證，若驗證通過，則網絡管理器為節點配置路由和通信資源等相關信息，通過臨時路由和超幀下發至待加入節點。在節點配置完之后，節點加入網絡成功。之后節點就能夠與網絡管理器進行通信，并向網絡管理器報告自己的鄰居信息和向網關上傳數據。A.2WirelessHART網絡接入架構對于無線網關不支持IPv6的WirelessHART網絡，架構圖如圖A.1所示。IPyIPy6主機IPy6交換機IPv6數據包南向接口類無線網絡網絡管理者/安全管理者WirclessHAKI網絡節點無線網關北向接口圖A.1WirelessHART網絡接入IPv6網絡架構8A.3WirelessHART邊界網關隧道功能WirelessHART的無線邊界網關提供非IP無線網絡隧道和IPv6網絡隧道，分別承載南向北向的通信任務：a)WirelessHART的無線邊界網關通過非IP無線網絡隧道將IPv6數據報文封裝在非IP數據報文中，來完成IPv6網絡上的主機對非IP無線網絡的網絡設備下發的數據讀取指令(南向);b)WirelessHART的無線邊界網關通過IPv6網絡隧道將非IP數據報文上設置IPv6擴展報頭，封裝在IPv6數據報文中，來完成非IP無線網絡設備向IPv6網絡上的主機上傳數據(北向)。A.4WirelessHART邊界網關隧道實施步驟WirelessHART邊界網絡隧道實施具體步驟如下：a)在隧道入口WirelessHART的無線邊界網關把數據報文封裝在隧道報文中，隧道報文的源地址和目的地址分別對應隧道的入口和出口，在隧道出口處，網關將報文從隧道報文中取出數據報文轉發給目的節點；b)在源節點處指定隧道的入口節點地址，根據節點的網絡屬性和實時網絡狀態選擇隧道入口；在目的節點處指定隧道的出口節點地址，確保數據正常有序的接收。在隧道入口處，WirelessHART的無線邊界網關應在原始報文的基礎上擴展隧道封裝報頭和隧道傳輸報頭，使原始報文能夠在隧道中穩定傳輸；報文到達隧道出口時，網關應將其解析為原始報文進行下一步傳輸。消息格式如圖A.2所示，消息共分為兩種類型：主-從幀格式，如圖A.3所示；從-主幀格式如圖A.4所示。前導碼前導碼SDADCDBC狀態數據Ch檢驗字節變送器和通信情況字節數→IIART命令地址開始界限定界符命令數據校驗字節定界符地址命令響應碼數據校驗字節9HART5.0以前版本的設備采用短幀地址結構，HART5.0版本具有長幀地址結構。主機將根據應為了實現IPv6數據報WirelessHART網絡上的傳輸，需要通過地址配置方式來對WirelessHART網絡中的長幀地址結構和短幀地址結構進行地址轉換。長幀地址結構如圖A.5所示。短幀地址結構如圖A.6所示。字節0設備類型設備標識設備類型位7位06位生產廠商代碼1=突發模式1=第一主機0=第二主機圖A.5長幀地址結構位7位04位輪詢地址1=突發模式1=第一主機0=第二主機圖A.6短幀地址結構一般消息幀主要包括下列組成部分。a)前導碼：導言字節，一般是5～20個FF十六進制字節。它實際上是同步信號，各通信設備可以據此略做調整，保證信息的同步。在開始通訊的時候，使用的是20個FF導言，從機應答0信號時將告之主機它“希望”接收幾個字節的導言，另外主機也可以用59號命令告訴從機應答時應用幾位導言。機到從機為短結構時，起始位為02,長幀時為82。從機到主機的短結構值為06,長結構值為86。而為“突發”模式的短結構值為01,長結構為81。一般設備進行通訊接收到2個FF字節c)ADDR:地址字節，它包含了主機地址和從機地址，如前所述，短結構中占1字節，長結構中占 5字節。無論長結構還是短結構，因為HART協議中允許2個主機存在，所以我們用首字節的最高位來進行區分，值為1表示第一主機地址，第二主機用0表示。“突發”模式是特例， 0和1值將交替出現，也就是說，在該模式下，賦予2個主機的機會均等。次高位為1表示為“突發”模式，短結構用首字節的0～4位表示值為0～15的從機地址，第5,6位賦0;而長結構用后6位表示從機的生產廠商的代碼，第2個字節表示從機設備型號代碼，后3～5個字節表示從機的設備序列號，構成“唯一”標志碼。另外，長結構的低38位如果都是0的話表示的是廣播地址，即消息發送給所有的設備。d)命令：命令字節，它的范圍為253個，用十六進制的0～FD表示。31、127、254、255為預留值。e)數據長度：數據總長度，它表示的是BCNT下一個字節到最后(不包括校驗字節)的字節數。接收設備用它可以鑒別出校驗字節，也可以知道消息的結束。因為規定數據最多為25字節，所以它的值是從0～27。f)狀態：狀態字節，也叫做“響應碼”,只存在于從機響應主機消息的時候，用2字節表示。它將報告通訊中的錯誤、接收命令的狀態(如：設備忙、無法識別命令等)和從機的操作狀態。如果在通訊過程中發現了錯誤，首字節的最高位(第7位)將置1,其余的7位將匯報出錯誤的細節，而第2個字節全為0。否則，當首字節的最高位為0時，表示通訊正常，其余的7位表示命令響應情況，第2個字節表示場設備狀態的信息。串口發現的通訊錯誤一般有：奇偶校驗、溢出和結構錯誤等。命令響應碼可以有128個，表示錯誤和警告，他們可以是單一的意義，也可以有多種意義，我們通過特殊命令進行定義、規定。現場設備狀態信息用來表示故障和非正常操作模式。g)數據：數據字節，并非所有的命令和響應都包含數據字節，它最多不超過25字節(隨著通訊速度的提高，正在要求放寬這一標準)。數據的形式可以是無符號的整數(可以是8、16、24、32位),浮點數(用IEEE754單精浮點格式)或ASCI(美國信息交換標準代碼)字符串，還有預先制定的單位數據列表。具體的數據個數根據不同的命令而定。h)校驗位：奇偶校驗，方式是縱向奇偶校驗，從起始字節開始到奇偶校驗前一個字節為止。另外，每一個字節都有1位的校驗位，這兩者的結合可以檢測出3位的突發錯誤。A.6.1寄存器地址映射WirelessHART網關的IPv4到IPv6雙棧模型可通過中間適配設備上定義了南向和北向接口來完成數據的讀取、封裝及轉發。由于標準的ModBus協議棧網絡層采用IPv4協議，通過協議轉換模塊接入IPv6網絡，實現雙棧模型。協議轉換模塊南向接口網絡層采用IPv4,傳輸層采用ModBusTCP協議，從WirelessHART無線網關處讀取節點數據，北向接口采用IPv6協議將南向接口采集到的數據進行封裝和轉發至IPv6網絡。WirelessHART網絡的無線設備將采集到的現場數據發送至網關，通過寄存器映射，對應節點在網絡中的短地址，與網關中的寄存器產生映射關系，將對應節點發送來的現場數據存儲到網關寄存器。A.6.2南向接口數據采集與存儲如圖A.7所示，在協議轉換模塊上創建線程1作為南向接口，作為Modbus的客戶端，指定端口為502,地址為網關IP地址，與南向網關中的Modbus服務器建立通信，按照標準的ModbusTCP協議讀取網關寄存器的數據，存儲于共享的內存緩沖區。IPyIPy6互聯網JPv6主機DNS服務器北向接U雙線模型南向接口Modbus主站(寄存器哄射WirelessHAR'I節點設備IPv6服務器端Modbus從站網關寄存器多線程并發.T.業無線網關適配設備工廠外部網絡ModbusTCP工」外部網絡圖A.7非IP無線網絡接入IPv6網絡模型圖A.6.3北向接口數據封裝與轉發在協議轉換模塊創建線程2,作為北向接口，用戶自定義端口，為保證所有IPv6地址均在同一網段，本文件采用的IPv6地址格式為：后32位為原本IPv4地址，其余位數全部補0,向IPv6網絡轉發數據。網絡層采用IPv6協議與北向IPv6網絡中的主機建立通信，通過雙線程并發操作，實時地將讀取到的數據封裝成IPv6數據包發送至主機，IPv6網絡中的主機通過DNS[域名系統(服務)協議]服務器，連接到IPv6互聯網，可與互聯網中的其他主機、云服務平臺等實現數據共享。(資料性)WIA-PA網絡接入IPv6網絡WIA-PA網絡符合GB/T26790.1—2011,采用星形和網狀兩層拓撲結構，其中終端設備構成星型網絡，降低了終端設備協議的復雜性，提高了終端設備加入和退出網絡的靈活性。路由設備構成mesh網絡，提高了通信的可靠性和網絡的可擴展能力。WIA-PA網絡采用集中式與分布式結合的系統管理方式，通過TDMA/CSMA(時分多址/載波偵聽)混合接入模式支持周期性和非周期性通信負載。WIA-PA網絡在鏈路層兼容GB/T15629.15—2010的超幀結構，并對其進行了擴展。B.2WIA-PA網絡接入架構對于無線網關支持IPv6的WIA-PA網絡，架構圖如圖B.1所示。IPy6主機IPv6交換機北向接山邊界網關WTA-PA網絡網絡管理者/安全管理者圖B.1WIA-PA網絡接入IPv6網絡架構B.3WIA-PA網關組網和北向接口無線網絡中所有WIA-PA設備均符合GB/T26790.1—2011。這里選取WIA-PA網關北向接口處支持IPv6接口的情況討論。B.4WIA-PA協議轉化模塊與網絡管理器接口WIA-PA網絡中存在兩類地址：EUI-64(64位擴展唯一標識符)位長地址和16位短地址。為了實現WIA-PA網絡地址與IPv6網絡地址之間的轉換，對于WIA-PA網絡中的EUI-64