CN104506439A - 一种适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输系统及方法，在协议结构方面，在WIA-PA协议结构中加入互联网层和传输层。在帧结构方面，根据IPv6报文重新设计了网络层帧结构。在地址分发方面，采用网络管理者在设备入网过程中分发IPv6地址或前缀的形式，同时设计了五种IPv6网络层命令帧。在IPv6报文传输格式方面，根据设备获取IPv6地址方式的不同在适配层设计了相应的报文传输格式。在地址转换方面，设计了IPv6地址与WIA-PA网络地址的转换方法。该发明实现WIA-PA网络支持IPv6报文的传输，对进一步完成WIA-PA网络与基于IPv6的互联网之间的互联互通奠定了基础。

Description

一种适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输系统及方法
技术领域
本发明涉及一种工业无线传感器网络技术领域，具体涉及适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输方法。
背景技术
工业无线传感器网络作为工业控制领域发展的一个热门方向，在技术研究、产业规模和示范应用等方面发展势头比较迅猛。同时，工业无线传感器网络作为传统有线工业自动化与无线通信技术相结合的产物，是一门涵盖了通信、计算机网络、自动控制、嵌入式软件等技术的交叉学科，是工业领域的新的发展方向和新的增长点。工业无线通信技术与传统有线技术相比，不仅具有低成本、容易部署和扩展、高度的灵活性、高可靠性等优势，而且解决了工业现场布线困难、安装维护成本高等问题。目前，应用在工业无线的三大国际标准分别为ISA100.11a、WirelessHART和中国的WIA-PA。
WIA-PA标准目前已成为中华人民共和国国家标准，其国家标准编号为GB/T 26790.1-2011，同时经国际电工委员会工业过程测量、控制与自动化技术委员会IEC/TC65批准，WIA-PA标准也已正式成为IEC国际标准：IEC62601Ed.1。WIA-PA标准作为过程和监控自动化控制的工业无线网络，其解决了工业无线网络中的实时性、可靠性和抗干扰性等一系列关键技术问题，同时，作为面向设备间信息交互的无线通信技术，WIA-PA工业无线网络对现有工业通信技术在工业应用方向上进行功能扩展，引领工业自动化系统向着低成本、高可靠、高灵活的方向发展。
IPv6是IETF工程组设计的用于替代现行版本IP协议的下一代IP协议。IPv6协议作为物联网的核心协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等优点，无线传感器节点和网络体系结构的IP化是当前无线传感器网络技术发展的重要趋势，同时将IPv6技术应用到无线传感器网络是物联网研究的一个热点。目前，国内外对IPv6关键技术应用到工业无线传感器网络的研究非常活跃。一些基于IPv6技术的无线传感器网络研究项目和应用项目逐渐增多，并已取得阶段性的研究成果。对于协议栈关键技术和标准制定方面，IETF成立了相应的工作组对IPv6无线传感器网络各层协议进行研究并制定标准。其中，6LoWPAN协议成为无线传感器网络中应用IPv6技术的主要标准。鉴于此，IETF又成立了6lo工作组，其专门研究IPv6技术应用于资源受限网络中的方法。在工业应用方面，在智能设备中嵌入IPv6地址是技术发展的必然选择，也是市场的强烈需求。目前，三大工业无线国际标准之一的ISA100.11a标准已经把6LoWPAN纳入其中，作为其主要技术之一。通过IPv6技术，可实现WIA-PA网络与互联网之间的互联互通。对于互联网而言，可将其已有的各种技术和成熟应用直接延伸至WIA-PA网络；对于WIA-PA网络而言，可将物体之间的信息传输范围扩展至整个人类社会和全球各地。检索资料如下：
(1)实现WIA-PA工业无线协议与Modbus协议透明传输的方法。申请(专利)号：CN201310746667.1；公开日：2014-04-23。
(2)实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统。申请(专利)号：CN200910029111.4；公开日：2009-07-22。
专利(1)在接入WIA-PA网络的无线设备内嵌WIA-PA协议栈,其传输的报文都包含Modbus协议数据帧。
专利(2)在无线传感器网络中的每个传感器节点拥有唯一的IPv6地址,位于无线传感器网络外部的节点可以通过IPv6 Internet与传感器节点的IPv6地址获取此节点采集的信息数据。
针对目前已有的WIA-PA网络以及IPv6相关技术，鉴于在WIA-PA网络中不支持IPv6技术，从而无法实现与互联网间的互联互通，因此提出适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输方法，开发支持IPv6技术的WIA-PA网络，能有效的实现WIA-PA网络与基于IPv6的互联网之间的通信。
本发明提出适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输方法，能有效实现WIA-PA网络设备与互联网之间的互联互通。
发明内容
针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种将IPv6相关技术融入WIA-PA协议栈中。实现支持IPv6技术的WIA-PA网络的适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输系统及方法，本发明的技术方案如下：一种适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输系统，包括应用层、网络层、数据链路层以及物理层，其特征在于，还包括位于应用层和网络层之间的传输层，而且所述网络层还包括互联网层及WIA-PA网络层；所述互联网层位于网络层的上层，相应的WIA-PA网络层位于网络层的下层；其中
应用层：主要定义了通信服务，采用WIA-PA标准应用层协议，以支持工业环境中分布式应用的多个对象之间的通信，其中数据通信服务主要包含三种类型的通信模式：客户端/服务器通信模式、发布/订阅通信模式和报告通信模式；
传输层采用UDP协议，其提供介于网络层和应用层之间的服务，同时完成UDP报文的封装和解析、UDP连接的建立和销毁；
网络层分为网络层上层以及网络层下层，其中网络层上层为互联网层，其由IP层和适配层组成，IP层用于对IPv6报文进行封装、地址解析、提供移动性支持，同时无状态地址自动配置也在该层实现，适配层完成IPv6帧头压缩机制以及消息值的填充；网络层下层为WIA-PA网络层，其为WIA-PA标准网络层，同时用于完成MESH子网的路由以及寻址；
数据链路层以及物理层采用基于IEEE802.15.4标准，其中数据链路层主要负责无线射频信道的访问、设备的入网，物理层则完成无线射频收发器的启动和终止、能量探测、信道选择。
一种基于所述系统的适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输方法，其包括IPv6前缀与地址分配步骤及基于IPv6地址的报文通信步骤，其中IPv6前缀与地址分配步骤如下：
201、网关设备周期性的发送信标帧给现场设备，现场设备监听网络中的可用信道；
202、现场设备选择发出信标帧的网关设备作为簇首，同时构造相应的加入请求并发送给网关设备，其中加入请求命令帧中WIA-PA网络层帧控制域bit5置位1，则该网络层命令帧支持IPv6网络层命令帧；
203、网关设备接收到加入请求后，分配相应的16位短地址并转发带有短地址的加入请求给网络管理者；
204、网络管理者接收到转发加入请求之后，其根据网关分配给设备的短地址，分发IPv6地址与前缀给现场设备，网络管理者构造IPv6增强型加入响应命令帧给网关设备；
205、网关设备接收到网络管理者发送的IPv6增强型响应命令帧后则转发给现场设备；
206、现场设备接收到网关设备转发的IPv6增强型加入响应命令帧后，根据网络管理者分发IPv6地址的方式进行处理，首先通过判断入网状态查询是否入网成功，若失败则重新完成入网过程，若成功入网则继续处理该命令帧中包含的短地址，同时对网络管理者所分发的IPv6地址与前缀进行处理；其中，现场设备根据网络管理者所分发IPv6地址或前缀的方式进行处理：
基于IPv6地址的报文通信步骤如下：
207、当得到了IPv6地址以后，在网络层对上层数据进行解析，通过解析数据中的IPv6地址得出短地址，根据网络管理者所分发的IPv6地址或前缀方式不同网络层具有相应的解析短地址方式，主要分为以下三种：
a.IPv6地址由全网统一前缀配置，则网络层通过根据IPv6地址的配置方式解析出短地址，再装载网络层负载、帧头并通过底层将IPv6数据报文发送出去；
b.IPv6地址由全网不统一前缀配置，则网络层通过根据IPv6地址的配置方式解析出短地址，再装载网络层负载、帧头并通过底层将IPv6数据报文发送出去；
c.IPv6地址直接由网络管理者配置，则网络层通过查询地址转换表得出相应的短地址，若未查询到对应的短地址，则通过发送查询短地址请求命令帧给网络管理者以获取短地址，同时更新设备的地址转换表，最后装载网络层负载、帧头并通过底层将IPv6数据报文发送出去。
进一步的，所述网络层中增加了五种IPv6命令帧，分别为：IPv6增强型加入响应命令帧：用于获取网络管理者分配的IPv6地址或前缀；查询IPv6地址请求和响应命令帧，用于设备通过短地址来查询对应的IPv6地址；查询短地址请求和响应命令帧，用于设备通过IPv6地址来查询对应的短地址。
进一步的，步骤206中的现场设备在入网过程中通过网络管理者分发的IPv6地址或前缀来配置自身的IPv6地址，其中网络管理者分发IPv6地址或前缀的三种方式分别为：全网统一前缀、全网不统一前缀以及IPv6地址。
进一步的，网络中的现场设备在通信过程中根据IPv6地址获取方式的不同，对于IPv6报文格式，根据IPv6地址获取方式的不同具有对应的压缩类型，主要包括：无压缩型、无状态压缩型、有状态压缩型以及部分压缩型。
进一步的，根据WIA-PA网络地址类型以及IPv6地址结构还包括IPv6地址与WIA-PA网络地址的转换步骤，其中具体设计了支持IPv6的WIA-PA网络广播地址，主要包括：簇内广播地址、全网广播地址、MESH网广播地址、网关广播地址。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明设计了支持IPv6技术的WIA-PA协议结构，给出了支持IPv6报文传输的网络层帧格式、命令帧格式和三种IPv6报文传输格式，提出了WIA-PA网络中IPv6前缀与地址分配方法、IPv6地址与WIA-PA网络地址的转换方法，描述了WIA-PA网络中基于IPv6地址的通信方法。在协议结构方面，在WIA-PA协议结构中加入互联网层和传输层。在帧结构方面，根据适用于WIA-PA网络的IPv6报文重新设计了网络层帧结构。在地址分发方面，采用网络管理者在设备入网过程中分发IPv6地址或前缀的形式，同时针对三种方式在网络层设计了五种IPv6网络层命令帧。在IPv6报文传输格式方面，根据设备获取IPv6地址方式的不同在适配层设计了相应的报文传输格式。在地址转换方面，设计了IPv6地址与WIA-PA网络地址的转换方法。该发明实现WIA-PA网络支持IPv6报文的传输，对进一步完成WIA-PA网络与基于IPv6的互联网之间的互联互通奠定了基础。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例的支持IPv6的WIA-PA网络协议架构；
图2现场设备入网过程；
图3现场设备处理IPv6增强型加入响应命令帧过程；
图4现场设备使用IPv6地址过程。
具体实施方式
下面结合附图给出一个非限定的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理解，这些描述只是示例的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
一、支持IPv6报文传输的协议结构
WIA-PA网络协议遵循OSI的基本参考模型，但只定义了数据链路子层、网络层以及应用层，其中物理层和MAC层基于IEEE 802.15.4标准。为了在WIA-PA网络中实现IPv6关键技术，构造了新的协议栈架构如图1所示。
1.应用层采用WIA-PA标准应用层协议，主要定义了通信服务，以支持工业环境中分布式应用的多个对象之间的通信，其中数据通信服务主要包含三种类型的通信模式：客户端/服务器通信模式、发布/订阅通信模式和报告通信模式。
2.传输层实现无连接、不可靠、占用资源少的UDP协议。其提供介于网络层和应用层之间的服务，同时完成UDP报文的封装和解析、UDP连接的建立和销毁。
3.网络层分为网络层上层以及网络层下层，其中网络层上层为互联网层，其由IP层和适配层组成，IP层主要工作是进行IPv6报文封装、地址解析、提供移动性支持等，同时无状态地址自动配置也在该层实现；适配层完成IPv6帧头压缩机制以及消息值的填充。网络层下层为WIA-PA网络层，其主要完成WIA-PA标准网络层功能，同时MESH子网的路由以及寻址过程也在该层完成。
4.数据链路层以及物理层采用WIA-PA标准相应技术，其中数据链路层主要负责无线射频信道的访问、设备的入网等。物理层则完成无线射频收发器的启动和终止、能量探测、信道选择等。
二、支持IPv6报文传输的网络层帧格式
本发明结合WIA-PA标准以及IPv6相关技术，在WIA-PA网络以前的架构上增加了互联网层以及传输层，其中互联网层包含适配层以及IP层。同时考虑到WIA-PA网络层中已完成了分片重组以及子网MESH路由操作，因此本发明所设计的帧格式中不包含6LoWPAN的MESH头部以及分段头部。表1所示为WIA-PA网络加入IPv6相关技术后的帧格式，如果网络中进行命令帧的交互，则帧格式中不包含互联网层、传输层以及应用层；若网络中进行IPv6数据报文交互，其IPv6数据报文帧格式如下表所示。
表1：WIA-PA网络帧格式
网络中判定IPv6报文通过对WIA-PA网络层帧头中的帧控制域进行了相应的修改，本发明对帧控制域中的bit5进行了定义，当bit5为0表示网络中该报文为WIA-PA标准网络层协议数据单元；当bit5为1时，若包类型为WIA-PA网络层命令帧则表示该报文为IPv6相关命令帧，若包类型为WIA-PA网络层数据报文则表示该报文为IPv6数据报文，继续传递给上层进行解析。其中，修改后的WIA-PA网络层帧控制域如表2所示。
表2：网络层帧控制域结构
位：0-1 2 3 4 5 6-7
包类型 分段标志 P/S标志 认证标志 IPv6包标志 保留
三、IPv6网络层命令帧
针对上文所述，bit5为1同时帧控制域中包类型为命令帧则表示该报文为IPv6网络层命令帧，其中本发明设计了5种IPv6网络层命令帧，分别为：
1.IPv6增强型加入响应命令帧，其命令标识符定义为“129”，该报文主要用于回复IPv6节点的入网请求，其中，该响应的网络层帧格式如表3所示。根据网络管理者采用不同方式分发IPv6地址或前缀给设备，该响应命令帧相关域的值也不同，其中，网络管理者分发IPv6地址或前缀的三种方式如下：
表3：网络层IPv6增强型加入响应命令帧
①网络管理者分发全网统一前缀，如表3所示，其中待加入设备IPv6地址选项中的标志位为“00”，同时响应帧最后两个字段为前缀长度以及全网统一前缀；
②网络管理者分发全网不统一前缀，其中可根据设备所在相同簇采用统一的前缀或者入网在同一路由器可采用统一的前缀，同时也可采用其他不同规则对网络中设备的前缀进行分配，如表3所示，其中待加入设备IPv6地址选项中的标志位为“01”，同时响应帧最后两个字段为前缀长度以及对应的前缀，网络管理者会分配待加入设备IPv6地址选项中的Context给设备，另一方面网络管理者会维护Context表用于设备前缀与Context之间的联系；
③网络管理者为网络中的所有设备分配IPv6地址，如表3所示，待加入设备IPv6地址选项中的标志位为“11”，同时响应帧最后两个字段只包含128位的IPv6地址，其中设备间的IPv6地址没有任何联系，这种情况下网络管理者会维护地址转换表，该转换表包含网络中所有设备的短地址与IPv6地址间的转换关系。
2.查询短地址请求命令帧，其命令标识符定义为“130”，该报文主要用于网络中的设备根据IPv6地址向网络管理者查询自身的短地址，其帧格式如表4所示；
表4：查询短地址请求命令帧
变长 1字节 16字节
网络层帧头 命令标识符 IPv6地址
3.查询短地址响应命令帧，其命令标识符定义为“131”，该报文主要用于网络管理者发送短地址查询请求的结果给设备，其帧格式如表5所示；
表5：查询短地址响应命令帧
变长 1字节 1字节 16字节 2字节
网络层帧头 命令标识符 执行结果 IPv6地址 短地址
4.查询IPv6地址请求命令帧，其命令标识符定义为“132”，该报文主要用于网络中的设备根据自身的短地址向网络管理者查询IPv6地址，其帧格式如表6所示；
表6：查询IPv6地址请求命令帧
变长 1字节 2字节
网络层帧头 命令标识符 短地址
5.查询IPv6地址响应命令帧，其命令标识符定义为“133”，该报文主要用于网络管理者发送IPv6地址查询请求的结果给设备，其帧格式如表7所示。
表7：查询IPv6地址响应命令帧
变长 1字节 1字节 2字节 16字节
网络层帧头 命令标识符 执行结果 短地址 IPv6地址
四、WIA-PA网络中的IPv6报文传输格式
对于bit5为1时，网络层的报文根据帧控制域中包类型可分为IPv6网络层命令帧以及IPv6数据报文，因此，针对网络中进行IPv6数据报文传输的情况，本发明结合6LoWPAN地址压缩方法以及设备获取IPv6地址的不同方式设计了以下四种IPv6数据报文传输情况下互联网层的帧头格式，其中互联网层帧头通用格式如表8所示。
表8：互联网层帧头格式
针对设备所获取的IPv6地址的方式，其IPv6数据包中互联层帧头具有不同的消息值，其中上文所述的四种不同类型的IPv6数据报文消息值情况如下：
1.若设备与网外设备间进行通信，则在传输数据的过程中采用无压缩型IPv6数据报文，则互联网层帧头包含消息值以及其他字段，其中消息值为“01000001”，其他字段为IPv6头部相关域；
2.若设备所获取的IPv6地址的前缀为全网统一前缀，则IPv6数据报文为无状态压缩型，此时互联网层帧头只包含消息值和地址压缩编码，其值为“011TT1HH00110011”，其中“TT”的值代表IPv6头部中对通信类别的压缩，“HH”的值代表IPv6头部中对跳数限制的压缩。IPv6头部对通信类别以及跳数限制的压缩分别如表9、表10所示；
表9：通信类别压缩方式
值 压缩方式
00 优先级和流标签字段不压缩
01 优先级字段不压缩；流标签字段压缩
10 优先级字段压缩；流标签字段不压缩
11 优先级和流标签字段都压缩
表10：跳数限制压缩方式
值 压缩方式
00 跳数限制字段不压缩
01 若跳频限制字段值为1，则压缩
10 若跳频限制字段值为64，则压缩
11 若跳频限制字段值为255，则压缩
3.若设备所获取的IPv6地址的前缀不为全网统一前缀，则IPv6数据报文为有状态压缩型，此时互联网层帧头只包含消息值以及地址压缩编码，其值为“0111111001110111”。其中有状态压缩型数据中的IPv6地址前缀可通过地址转换表得出；
4.若设备在网络中的IPv6数据传输过程采用6LoWPAN地址压缩算法对IPv6头部进行部分压缩，则互联网层帧头包含消息值、地址压缩编码以及其他字段，其中其他字段为IPv6头部未压缩部分。
五、WIA-PA网络中IPv6前缀与地址分配方法
网络中所有设备采用WIA-PA标准的入网方式，但为了结合在IPv6场景下设备的入网过程，对WIA-PA标准入网过程中设备对加入响应命令帧的处理进行了修改。其中，设备在IPv6场景下的入网过程如图2所示。本发明举例说明现场设备加入网关设备网络的过程如下：
1.现场设备监听网络中的可用信道，由网关设备周期性的发送信标帧实现；
2.现场设备选择发出信标帧的网关设备作为簇首，同时构造相应的加入请求并发送给网关设备，其中加入请求命令帧中WIA-PA网络层帧控制域bit5应置位1，表示该网络层命令帧需支持IPv6网络层命令帧；
3.网关设备接收到加入请求后，分配相应的16位短地址并转发带有短地址的加入请求给网络管理者；
4.网络管理者接收到转发加入请求之后，其根据网关分配给设备的短地址，可采用如下所示三种方式分发IPv6地址或前缀给设备，在网络管理者决定好采用哪种分发方式后即构造IPv6增强型加入响应命令帧给网关，如表3所示。
5.网关接收到网络管理者发送的IPv6增强型响应命令帧后随即转发给设备；
6.设备接收到网关转发的IPv6增强型加入响应命令帧后，根据网络管理者分发IPv6地址的方式的不同其采用的处理方式也不同，如图3所示为设备接收到IPv6增强型响应命令帧的处理过程。设备接收到IPv6增强型加入响应命令帧后，解析该命令帧，首先通过判断入网状态查询是否入网成功，若失败则重新完成入网过程，若成功入网则继续处理该命令帧中包含的短地址，同时对网络管理者所分发的IPv6地址或前缀进行处理。其中，设备根据网络管理者所分发IPv6地址或前缀的方式有不同的处理方式：
①网络管理者分发全网统一前缀给设备，通过接收到的前缀，设备可采用地址配置方式完成IPv6地址的生成。至此，设备在完成入网过程后可生成四种IPv6地址，分别为：
1)设备初始化过程自动生成的IPv6本地链路地址，该IPv6本地链路地址由前缀和接口标识符组成，其中前缀为“FE80::0”，接口标识符由设备自身的EUI-64位物理地址中的第7位取反生成，主要的结构如表11所示。
表11：EUI-64位本地链路地址结构
位：1-10 11-64 65-128
1111111010 0 EUI-64位
2)设备通过网关分配的短地址完成IPv6本地链路地址的生成，该IPv6本地链路地址由前缀和接口标识符组成，其中前缀为“FE80::0”，接口标识符由设备短地址以及PANID第7位取反生成，主要的结构如表12所示。
表12：短地址本地链路地址结构
位：1-10 11-64 65-80 81-88 89-104 105-112 113-128
1111111010 0 PANID 0 1111111111111110 0 16位短地址
3)设备通过网络管理者分发的全网统一前缀以及自身的EUI-64位物理地址完成IPv6单播地址的生成，该IPv6单播地址由前缀和接口标识符组成，其中前缀为网络管理者分发的全网统一前缀，接口标识符由设备自身的EUI-64位物理地址中的第7位取反生成，其结构如表13所示，其中N为前缀长度。
表13：EUI-64位单播地址结构
位：0-N 64-N 65-128
前缀 0 EUI-64位
4)设备通过网络管理者分发的全网统一前缀以及网关分配的短地址完成IPv6单播地址的生成，该IPv6单播地址由前缀和接口标识符组成，其中前缀为网络管理者分发的全网统一前缀，接口标识符由设备短地址以及PANID第7位取反生成，其结构如表14所示，其中N为前缀长度。
表14：短地址单播地址结构
位：0-N 64-N 65-80 81-88 89-104 105-112 113-128
前缀 0 PANID 0 1111111111111110 0 16位短地址
②网络管理者分发全网不统一前缀给设备，通过接收到的前缀，设备可采用地址配置方式完成IPv6地址的生成。至此，设备在完成入网过程后可生成四种IPv6地址，其生成方式与全网统一前缀的四种IPv6地址结构一致。
③网络管理者分发IPv6地址给设备。至此，设备完成入网过程后可生成两种IPv6地址，分别为：网络管理者分发的IPv6地址，由EUI-64位物理地址生成的IPv6本地链路地址，其结构如表11所示。
设备完成对IPv6增强型型响应命令帧后，即完成了入网过程以及IPv6地址寻址过程，此时，设备即可与网络中的其他设备进行通信。
六、WIA-PA网络中基于IPv6地址的通信方法
本发明举例说明现场设备发送IPv6数据报文给网关时对IPv6地址的使用方法，其中，现场设备发送IPv6数据报文的过程如图4所示，在网络层对上层数据进行解析，通过解析数据中的IPv6地址得出短地址。根据网络管理者所分发的IPv6地址或前缀方式不同网络层具有相应的解析短地址方式，主要分为以下三种：
1.IPv6地址由全网统一前缀配置，则网络层通过逆转换IPv6地址的配置方式得出短地址，再装载网络层负载、帧头并通过底层将IPv6数据报文发送出去；
2.IPv6地址由全网不统一前缀配置，则网络层通过逆转换IPv6地址的配置方式得出短地址，再装载网络层负载、帧头并通过底层将IPv6数据报文发送出去；
3.IPv6地址直接由网络管理者配置，则网络层通过查询地址转换表得出相应的短地址，若未查询到对应的短地址，可通过发送查询短地址请求命令帧给网络管理者以获取短地址，同时更新设备的地址转换表。最后装载网络层负载、帧头并通过底层将IPv6数据报文发送出去。
七、IPv6地址与WIA-PA网络地址的转换方法
WIA-PA网络中存在两类地址：EUI-64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，其中对于WIA-PA网络中的EUI-64位长地址采用RFC4944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RFC4944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。其中，WIA-PA标准设置的几类广播地址如表15所示。
表15：WIA-PA广播地址
广播地址类型 广播地址
簇内广播地址 簇地址x.255，x范围1-254
全网广播地址 255.255
MESH网广播地址 255.0
网关广播地址 0.255
IPv6多播地址所定义的结构如表16所示。其中，IPv6多播地址规定其前八位为“11111111”；第二字段为标志域，若为“0000”表示该多播地址为永久性，如果为“0001”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，对于本发明所设计广播地址只针对本地链路范围中的设备，而范围域为“0010”时表示为本地链路范围。
表16：IPv6多播地址结构
位：0-7 8-11 12-15 16-128
11111111 Flags Scope GroupID
本发明为了实现WIA-PA网络对IPv6的支持，设计了适用于WIA-PA网络的IPv6广播地址如表17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“1-254”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17：WIA-PA网络IPv6广播地址
广播地址类型 WIA-PA网络IPv6广播地址
簇内广播地址 FF12：：x.FF，簇地址x范围1-254
全网广播地址 FF02：：1
MESH网广播地址 FF02：：2
网关广播地址 FF02：：FF
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输系统，包括应用层、网络层、数据链路层以及物理层，其特征在于，还包括位于应用层和网络层之间的传输层，而且所述网络层还包括互联网层及WIA-PA网络层；所述互联网层位于网络层的上层，相应的WIA-PA网络层位于网络层的下层；其中
应用层：主要定义了通信服务，采用WIA-PA标准应用层协议，以支持工业环境中分布式应用的多个对象之间的通信，其中数据通信服务主要包含三种类型的通信模式：客户端/服务器通信模式、发布/订阅通信模式和报告通信模式；
传输层采用UDP协议，其提供介于网络层和应用层之间的服务，同时完成UDP报文的封装和解析、UDP连接的建立和销毁；
网络层分为网络层上层以及网络层下层，其中网络层上层为互联网层，其由IP层和适配层组成，IP层用于对IPv6报文进行封装、地址解析、提供移动性支持，同时无状态地址自动配置也在该层实现，适配层完成IPv6帧头压缩机制以及消息值的填充；网络层下层为WIA-PA网络层，其为WIA-PA标准网络层，同时用于完成MESH子网的路由以及寻址；
数据链路层以及物理层采用基于IEEE802.15.4标准，其中数据链路层主要负责无线射频信道的访问、设备的入网，物理层则完成无线射频收发器的启动和终止、能量探测、信道选择。
2.一种基于权利要求1所述系统的适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输方法，其特征在于，包括IPv6前缀与地址分配步骤及基于IPv6地址的报文通信步骤，其中IPv6前缀与地址分配步骤如下：
201、网关设备周期性的发送信标帧给现场设备，现场设备监听网络中的可用信道；
202、现场设备选择发出信标帧的网关设备作为簇首，同时构造相应的加入请求并发送给网关设备，其中加入请求命令帧中WIA-PA网络层帧控制域bit5置位1，则该网络层命令帧支持IPv6网络层命令帧；
203、网关设备接收到加入请求后，分配相应的16位短地址并转发带有短地址的加入请求给网络管理者；
204、网络管理者接收到转发加入请求之后，其根据网关分配给设备的短地址，分发IPv6地址与前缀给现场设备，网络管理者构造IPv6增强型加入响应命令帧给网关设备；
205、网关设备接收到网络管理者发送的IPv6增强型响应命令帧后则转发给现场设备；
206、现场设备接收到网关设备转发的IPv6增强型加入响应命令帧后，根据网络管理者分发IPv6地址的方式进行处理，首先通过判断入网状态查询是否入网成功，若失败则重新完成入网过程，若成功入网则继续处理该命令帧中包含的短地址，同时对网络管理者所分发的IPv6地址与前缀进行处理；其中，现场设备根据网络管理者所分发IPv6地址或前缀的方式进行处理：
基于IPv6地址的报文通信步骤如下：
207、当得到了IPv6地址以后，在网络层对上层数据进行解析，通过解析数据中的IPv6地址得出短地址，根据网络管理者所分发的IPv6地址或前缀方式不同网络层具有相应的解析短地址方式，主要分为以下三种：
a.IPv6地址由全网统一前缀配置，则网络层通过根据IPv6地址的配置方式解析出短地址，再装载网络层负载、帧头并通过底层将IPv6数据报文发送出去；
b.IPv6地址由全网不统一前缀配置，则网络层通过根据IPv6地址的配置方式解析出短地址，再装载网络层负载、帧头并通过底层将IPv6数据报文发送出去；
c.IPv6地址直接由网络管理者配置，则网络层通过查询地址转换表得出相应的短地址，若未查询到对应的短地址，则通过发送查询短地址请求命令帧给网络管理者以获取短地址，同时更新设备的地址转换表，最后装载网络层负载、帧头并通过底层将IPv6数据报文发送出去。
3.一种根据权利要求2所述的适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输方法，其特征在于，所述网络层中增加了五种IPv6命令帧，分别为：IPv6增强型加入响应命令帧：用于获取网络管理者分配的IPv6地址或前缀；查询IPv6地址请求和响应命令帧，用于设备通过短地址来查询对应的IPv6地址；查询短地址请求和响应命令帧，用于设备通过IPv6地址来查询对应的短地址。
4.一种根据权利要求2所述的适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输方法，其特征在于，步骤206中的现场设备在入网过程中通过网络管理者分发的IPv6地址或前缀来配置自身的IPv6地址，其中网络管理者分发IPv6地址或前缀的三种方式分别为：全网统一前缀、全网不统一前缀以及IPv6地址。
5.一种根据权利要求4所述的适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输方法，其特征在于，网络中的现场设备在通信过程中根据IPv6地址获取方式的不同，对于IPv6报文格式，根据IPv6地址获取方式的不同具有对应的压缩类型，主要包括：无压缩型、无状态压缩型、有状态压缩型以及部分压缩型。
6.一种根据权利要求4所述的适用于WIA-PA网络的IPv6报文传输方法，其特征在于，根据WIA-PA网络地址类型以及IPv6地址结构还包括IPv6地址与WIA-PA网络地址的转换步骤，其中具体设计了支持IPv6的WIA-PA网络广播地址，主要包括：簇内广播地址、全网广播地址、MESH网广播地址、网关广播地址。
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