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

国家标准 GB/T40695一2021 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 Informationtechnology一Telecommunieationsandinformationexchange betweensystem1s一WirelessnetworkaccessreguiremmentsbasedonIPv6 2021-10-11发布 2022-05-01实施 国家市场监督管理总局 发布 国家标涯花警理委员会国家标准
GB/T40695一2021 次 目 前言 范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义 缩略语 无线网络接人IPv6网络架构 基于IPv6的无线网络接人要求 6.1支持IPv6的无线网络接人要求 6.2不支持IPv6的无线网络接人要求 附录A(资料性》wrdlesHART网络接人IP悄网络 附录B(资料性wIAPA网络接人IPv6网络 参考文献
GB/T40695一2021 前 言 本文件按照GB/T1.1一2020<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、电子技术标准化研究院、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 限公司、郑州大学 本文件主要起草人:魏昱、王平、卓兰、张弛、杨宏、延志伟、王刚、黄从虎、王逸飞、李彩芹、王浩、 韩丽、周琳琳、田英明、邹明伟、程远、李诚、陈恩庆
GB/T40695一2021 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 范围 本文件规定了工业场景中无线网络接人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人IPv6网络的实施与部署 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/T26790.2一2015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. 5一2013工业通信网络理场总线规范类型20.HART规范第5部分wire lessHART无线通信网络及通信行规 GB/T30269.303一2018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/T3331一2018面向物联网的蜂窝窄带接人(NBloT)无线网总体技术要求 EcC62734;2014工业网络无线通信网络和通信协议ISA100.1la(Industrialnetworks wirelesscommunicationnetworkandcommunicationprofiles一ISA100.1la) 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件 3.1 Pv6边界网关IP6bordergateway 支持IPv6网络接人的无线网关,负责无线设备和无线路由设备的IPv6网络接人和协议转换 3.2 IPv6网络IPv6network 支持IPv6协议的接人网络或骨干网络 3.3 不支持IP6的无线网络IP6disabledwirelessnetwork 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 3.4 隧道tunnel 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
GB/T40695一2021 3.5 无线网关wirelessgateway 连接无线网络与其他网络的设备 3.6 支持IP6的无线网络IPv6enabledwirelesnetwmk 无线设备支持IPv6协议,能够直接与IPv6网络互联的无线网络 缩略语 下列缩略语适用于本文件 cMPv6;互联网控制管理协议第6版(nternetControlManagementProtocolVversion6) IP:互联网协议(InternetProtocolD Pv4;互联网协议第4版(InternetProtoeolVersion4) 1Pv6;互联网协议第6版(InternetProtoeolVversion6 umAccessControl MAC;媒体访问控制Mediu 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 无线网络接人到IPv6网络的接人网络架构见图1 其中无线网络分为不支持IPv6的无线网络和 ,无线路由设备相P6边界网关组成 支持lPv6的无线网络 无线网络主要由无线设备 PvG网络 IP6交换机 IP6边界网关 无线路由设备 无线设备 有线通信线路 无线通信线路 无线网络1 无线网络2 无线网络3 支持IP6的无线网络 不支持IP6的无线网络 图1无线网络接入IPv6网络架构
GB/T40695一2021 无线设备负责采集现场数据信息,支持GB/T26790.1一2011,GB/T29910.5一2013,GB15629.l1、 IEC62734;2014,GB/T26790.2一2015、YD/T3331一2018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网络接人和协议转换，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 基于IP6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的无线网络接人满足但不局限下列要求 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 a 寻址等功能; 应支持IP6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GByT30269.303 b 2018中6.4.l、6.4.2、6.4.3的规定 6.2不支持IPv6的无线网络接入要求 6.2.1概述 不支持IPv6的无线网络接人要求分为 针对无线网关不支持IPv6场景下的要求; a 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IPy6 总体要求 6.2.2.1 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,无线网络才能接人到 Pv6网络 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,使无线网络接人IPv6网络,如图2所示
GB/T40695一2021 IP6主机 P6网络 IP6数据包 IPv6数据包 P6交换机 协议转换模块 协议转换模块 IPv6 P6边 边界 界网关 网笑 非IP6接口 非IP6接口 无 线 线 无线网络网络管理 无线网络网络管理 者/安全管理者 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IP6场景下无线网络接入IPy6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: 所产生的电磁干扰应不影响原有无线网络的传输可靠性 a 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 应具有支持IPv6地址配置功能,具体要求见6.2.2.4; e' 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; 应具有非IP无线网络接人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 装后,可传输至IPv6网络 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接口时接人IPv6网络 的具体实现步骤 6.2.2.3支持IP6隧道功能要求 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IPv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
GB/T40695一2021 6.2.2.4IPv6地址配置要求 IPv6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,无线设备成功人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NMAC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IP6 总体要求 6.2.3.1 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人IPv6网络,如图3所示 接人要求包括无线网关的北向接口和协议转化模块 P6主机 设备 IPv6网络 IP6数据包 P6数据包 P6交换机 IP6协议转化 P6协议转化 IPv6 边界 IPv6 网笑 边界 网笑 网络管理者/安全 管理者 网络管理者/安全 管理者 无线网络2 无线网络1 图3无线网关支持IP6场景下无线网络接入IPv6网络架构
GB/T40695一2021 附录B给出了符合GB/T26790.1一2011要求的网络在网关提供IPv6接口时接人IPv6网络的具 体实现 6.2.3.2网关北向接口要求 网关北向接口应支持IPv6接口 6.2.3.3协议转化功能要求 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
GB/T40695一2021 附 录 资料性 WirelessHART网络接入IPv6网络 wirelesHAR！网络概述 A.1 符合GB/T29910.5一2013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、广插 密钥、超帕和链路等 在激活超帧后,网关开始广告网络信息,并允许设备加人网络 在网络初始化完成之后,网络接人 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 加人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， 并配置加人过程所需的通信资源,最后向网络管理器发送加人请求 网络管理器在收到节点的加人请求 之后,对节点的地址以及加人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,通过临时路由和超下发至待加人节点 在节点配置完之后,节点加人网络成功 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 WirelessHART网络接入架构 A.2 对于无线网关不支持IPv6的wirelessHART网络,架构图如图A.1所示 IP6主机 DIPv6网络 P6交换机 北向接口 PG数粼包 协议转换模块 南向接口 Py6 边处 非IP6接口 无 网关 线 网 关 无线网络网络管理者 安全管理者 wirelessHHART 网络节点 图A.1wirelessHART网络接入IP6网络架构
GB/T40695一2021 A.3wirelessHHART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 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 a 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 在腿道人日wirdeHART的无线边界网关把数最报文封装在腿道报文中,隧道报文的鄙地 a 址和目的地址分别对应隧道的人口和出口,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" 在源节点处指定隧道的人口节点地址,根据节点的网络属性和实时网络状态选择隧道人口;在 b 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 在隧道人口处,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 A.5wirelesHHARTH网络地址转换 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.！ 所示 前导树 SD AD CD BC Ch 状态 数豁 检验字节 变送器和通信情况 字节数 HART命令 地址 开始界限 图A.2HART网络消息结构 定界符 地址 数据 校验字节 FF FF 图A.3主-从帧 定界符 地址 命令 响应码 数据 校验字节 FF FF 图A.4 从-主帧
GB/T40695一2021 HART5.0以前版本的设备采用短倾地址结构,HART5.0版本具有长帧地址结构 主机将根据应 答信号中是否具有唯一标识码来决定结构格式为“长”还是“短” 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 2~4 设备类型 设备标识 位0 6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0 4位轮询地址 保留 1=突发模式 1=第一主机 0=第二主机 图A.6短帧地址结构 -般消息帧主要包括下列组成部分 前导码;导言字节，一般是520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 定界符;起始字节,它将告之使用的结构为“长”还是“短”,消息源、是否是“突发”模式消息 主 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
GB/T40695一202 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 后,就将侦听起始位 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04位表示值为015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3一5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 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 d 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0一27 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 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 g 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AsCII(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 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. h 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.6wirelessHART网络接入IP6网络适配 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 人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 10
GB/T40695一2021 取网关寄存器的数据,存储于共享的内存缓冲区 IP6互联网 IP6主机 DNs服务器 北向接口 多线程 适配 P4到Pv6 Modbus从站 IPy6服务器端 设备 双线模型 并发 ModhusTCP 南向接口 Modbus主站 工业无线网关 网关寄存器 寄存器映射 WirelessHART节点设备 图A.7非P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IPv地址格式为-后32位为原本IPv4地址,其余位数全部补0,向IPvG网络转发数 据 网络层采用IPv6协议与北向IPvG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IPv数据包发送至主机.IPvG网络中的主机通过DNS[域名系统(服务)协议]服务器,连 接到Pv6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 11
GB/T40695一2021 附 录 B 资料性) wIA-PA网络接入IP6网络 wIA-PA网络概述 B.1 wIA-PA网络符合GB/T26790.1一2011,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,提高了终端设备加人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)混合接人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/T15629.15一2010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 IP6主机 IP6网络 P6交换机 北向接口 P6协议转化 IP6 边界 网关 wIAA网络网络 管理者/安全管理者 wIA-P叭节点 图B.1WIA-PA网络接入IPv6网络架构 12
GB/T40695一2021 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/T26790.1一2011 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;EU164(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EU164位长地址采用 GB/T30269.3032018中的地址配置方式转换 wIA-PA网络短地址分为广播地址和单播地址,单播 地址采用GB/T30269.303一2018中的地址配置方式转换,广播地址根据WIA-PA标准设置的广播地 址以及IPv6多播地址的结构特性来设计 二字段为标志域,若为“00"表示该多播地址为永 IPv6多播地址规定其前八位为“1llllll1” 第 久性,如果为"001"表示该多播地址为暂时性;第三字段为范围域,其不同值所表示的范围意义不同,对 于WIA-PA网络中的IPv6广播地址只针对本地链路范围中的设备,而IPv6多播地址中的范围域为 “0010”时表示为本地链路范围 wIAPA网络的IPv6广播地址如表B.1所示 其中簇内广播地址为“FF12.X.FF”,由于簇内广 播地址为非永久分配的广播地址,因此其标志域为“1”,而“X”表示网络中的簇地址,其范围在1一254 之间;全网广播地址为“FF02;;1”,表示广播到网内所有现场设备;MEsH网广播地址为“FF02;;2”,表 示广播到网内所有路由设备;网关广播地址为“FF02:FF”,表示网关的广播地址 表B.1wIA-PA网络的IP6广播地址 广播地址类型 广播地址 簇内广播地址 FF12::X.FF,簇地址X范围1254 全网广播地址 FF02::1 FF02:2 MESH网广播地址 网关广播地址 FF02::FF B.5wIA-PA协议转化模块与网络管理器交互 wIA-PA网关的协议转化模块定义南北向接口,南向接口按照SLIP(串行线路网际协议)协议向网 络管理者/安全管理者发送启动命令,进而完成wIA-PA协议栈初始化和节点人网过程,然后获得南向 wIA-PA节点采集到的数据存储于南北向接口的共享缓冲区;北向接口通过IPv6/TCP协议将共享缓 冲区中的数据发送至IPv6网络内的主机 13
GB/T40695一2021 考文献 参 [[1]GB15629.11信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求 第 11部分:无线局域网媒体访问控制和物理层规范 [[2]GB/T15629.15一2010信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定 要求第15部分:低速无线个域网wPAN)媒体访问控制和物理层规范 [3]GB/T29910(所有部分工业通信网络现场总线规范类型20;HART规范 AnIPv6RoutingHleadlerorSoureeRoutewiththeRoutingProtocolorLow [[4]RFC6554 PowerandlossyNetworksRPL 14