CN111212089A - 一种EtherCAT与IPv6网络的协议转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种EtherCAT与IPv6网络的协议转换方法，属于工业网络技术领域。本发明针对采用EtherCAT协议的工业以太网，通过所发明的转换方法，将EtherCAT现场网络数据包转化为能够在工厂骨干网传输并支持IPv6协议的数据包。所发明的转换方法包括EtherCAT帧识别、地址转换、优先级转换、扩展首部转换以及帧格式转换等。本发明能够在不影响EtherCAT主从站设备正常通信的同时，将其数据包转换并传输至IPv6工厂骨干网中，并在转换过程中保持了EtherCAT网络的传输特性，有效实现了EtherCAT网络与IPv6网络之间的互联。
Description
技术领域
本发明属于工业网络技术领域，涉及一种EtherCAT与IPv6网络的协议转换方法。
背景技术
工业以太网是以太网技术的延伸，通过对标准以太网技术进行改进以满足工业控制网络对网络的高实时性、高可靠性的要求。EtherCAT是当前主流的工业以太网络规范之一，已被IEC批准为国际标准。EtherCAT通过一套独特的通信机制使数据能够高效交换，并且具有成本低廉、布线灵活，低传输时延等特点，在工业网络中得到了广泛的应用。
IPv6协议是IETF工作组提出的下一代互联网的核心协议。与现有的IPv4协议相比，IPv6协议在地址空间、服务质量等方面具有显著的优势。随着工业互联网的不断发展，如何实现现有工业网络与IPv6网络之间的互联互通，使现有工业网络设备接入下一代IPv6网络，成为工业网络发展和应用所需解决的重要问题。
针对这一问题，面向采用EtherCAT协议的工业以太网，发明了EtherCAT与IPv6网络的协议转换方法，在保持EtherCAT网络传输特性的基础上，将EtherCAT现场网络数据包转化为能够在IPv6工厂骨干网中传输的IPv6数据包，使EtherCAT设备能够有效的接入IPv6网络，实现了EtherCAT与IPv6网络之间的互联互通。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种EtherCAT与IPv6网络的协议转换方法，该方法通过分析和对比EtherCAT工业以太网和IPv6网络的特性，在保证EtherCAT传输特性的同时，将标准EtherCAT数据包转化为能够IPv6工厂骨干网传输的数据包。该方法能够在不影响EtherCAT主从站数据通信的前提下，实现将从站传感器接收到的数据传输至IPv6网络中，提高了网络的兼容性，实现了异构网络数据的互联互通。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种EtherCAT与IPv6网络的协议转换方法，首先对EtherCAT协议栈结构进行分析，在不影响主从站之间数据正常通信的前提下，获取EtherCAT现场网络数据包，将其传输至协议转换模块，然后，协议转换模块根据输入数据包的特性，使用地址转换单元、优先级转换单元、扩展首部添加单元和时钟同步单元对数据包中的相关字段进行分析和转化，接下来通过帧格式转换单元将其构建成一个以UDP/IPv6为传输层/网络层的以太网数据包，最终传输到支持IPv6协议的工厂骨干网络中。
可选的，所述协议转换模块具体包括：
地址转换单元：将从站的32b it s地址转化为IPv6协议的128bi ts地址，并建立映射表；
优先级转换单元：分析从站的通信模式，即邮箱通信和逻辑通信，为其分配不同的优先级再映射到IPv6协议的流量类型字段；
扩展首部单元：分析EtherCAT协议中与IPv6的扩展首部功能相似的服务，包括分段、带宽资源预留功能，在网络层添加扩展首部，保持EtherCAT数据包的传输特性；
时钟同步单元：获取DC寄存器的信息，将时钟信息以合理的方式传输给IPv6工厂骨干网，保证协议数据传输的时延；
帧格式转换单元：为EtherCAT数据包添加网络层和传输层，将EtherCAT数据包转换成能够在IPv6工厂骨干网中传输的结构。
可选的，所述方法具体包括以下步骤：
S1：在不影响主从通信的前提下，从主站相应的rxbuf/txbuf缓存中提取EtherCAT数据包，对报文结构进行分析，获取以太网首部和EtherCAT首部中的长度信息，计算并确定数据包中携带的每一子报文的位置偏移，将来自不同从站的子报文分别传输至协议转换单元，逐一进行分析和识别；
S2：判断子报文是否为周期性过程通信，主要通过读取数据报头部中的服务命令CMD字段；若子报文是周期性过程通信方式则为其添加逐跳扩展首部和流标签域保证QoS特性，将其流量类型字段设置最高优先级，进行步骤S5；若不是则进行步骤S3；
S3：非周期性通信子报文首先判断其是否存在分段报文请求的情况，若存在则将IPv6基本首部的下一首部字段设置为0x2C，提取Offset、Frame Number重要信息，添加分段扩展首部；同时提供一个计时器，若一段分段报文的后续报文没有在规定时间到达，则丢弃后续报文；
S4：从收集到的子报文邮箱首部中提取该从站传输数据的优先级，并将优先级映射到IPv6流量类型字段；
S5：从收集到的子报文中提取该从站的配置地址或逻辑地址，将32bits的从站地址转化为128bits的IPv6地址；在缓存中建立一张EtherCAT从站地址与转换后的IPv6地址的映射表，转换装置将首先判断提取的地址是否已经存在于映射表中，若不存在则进行地址转换并将数据存入表中；
S6：将EtherCAT数据包中前导码以及DC寄存器中的时钟同步信息收集，进行时钟同步操作；
S7：进行整网帧格式转换，将每一个子报文转换成标准的IPv6协议的以太网帧；添加网络层、传输层服务，并将EtherCAT数据包中数据链路层、EtherCAT首部中的信息，包括端口、Mac地址和报文长度，映射到IPv6以太网帧的相应位置；
S8：将转换后的报文传输至IPv6工厂骨干网。
可选的，所述步骤S2中，所述逐跳扩展首部为：使用其“路由器警告”选项来实现资源预定RSVP功能，即路由器检查数据包，RSVP能够使消息被截获的同时对正常数据分组的转发几乎没有性能影响；在步骤S4中，EtherCAT协议设计5种优先级，周期过程数据通信采用逻辑寻址，为最高优先级；其他4种采用配置寻址的邮箱通信，包括：紧急数据、命令数据、一般数据和初始化配置数据。
本发明的有益效果在于：
(1)本方法能够有效的将EtherCAT的内部数据传输至IPv6网络。通过所发明的协议转换方案，在不影响EtherCAT内部主从站通信的情况下，实现了EtherCAT工业以太网与IPv6工厂骨干网的互联互通，促进了IT技术与OT技术的融合。
(2)本方法在转换过程中，保持了EtherCAT的传输特性。通过为EtherCAT数据设置IP首部高优先级，实现了服务质量保持；通过为每一个EtherCAT从站都分配一个IPv6地址，实现了从站独立地址特点的保持；此外，还实现了时钟同步特性的保持。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述协议转换方案整体流程图；
图2为本发明所述协议转换方案架构图；
图3为本发明所述整网帧格式转换示意图；
图4为本发明所述扩展首部示意图；
图5为本发明所述地址转换示意图；
图6为本发明所述时钟同步流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1所示为协议转换方案整体流程图，从主站获取EtherCAT数据包后，通过帧识别模块和协议转换模块，分析接收到的数据包。通过地址转换、优先级转换、扩展首部添加、时钟同步、整网帧格式转换等操作，将EtherCAT数据包转化为能够在IPv6工厂骨干网中传输的数据包，并且能最大限度的保证工业以太网原有的特性。
该方法具体包括以下步骤：
S1：在不影响主从通信的前提下，从主站相应的rxbuf/txbuf缓存中提取EtherCAT数据包，对报文结构进行分析，获取以太网首部和EtherCAT首部中的长度信息，计算并确定数据包中携带的每一子报文的位置偏移，将来自不同从站的子报文分别传输至协议转换单元，逐一进行分析和识别；
S2：通过读取数据报首部(Datagram Header)中CMD(服务命令)字段，判断子报文是否为周期性过程数据通信。若子报文是周期性过程数据通信，将其流量类型字段设置最高优先级，并为其添加逐跳扩展首部和流标签域以保证数据传输过程中的QoS特性，然后进行步骤S5；若不是则进行步骤S3；
S3：非周期性通信子报文首先判断其是否存在分段报文请求的情况，若存在则将IPv6基本首部的下一首部字段设置为0x2C，提取其Offset、Frame Number等重要信息，添加分段扩展首部。同时也应提供一个计时器，若一段分段报文的后续报文没有在规定时间到达，则丢弃后续报文。
S4：从收集到的子报文中提取该从站传输数据的优先级，并将优先级映射到IPv6流量类型字段；
S5：从收集到的子报文中提取该从站的配置地址或逻辑地址，将32bits的从站地址转化为128bits的IPv6地址。在缓存中建立一张EtherCAT从站地址与转换后的IPv6地址的映射表，转换装置将首先判断提取的地址是否已经存在于映射表中，若不存在则进行地址转换并将数据存入表中；
S6：将EtherCAT数据包中的前导码以及DC寄存器中的时钟同步信息收集，进行时钟同步操作；
S7：整网帧格式转换，为来自每一个从站的子报文添加网络层、传输层服务，并将EtherCAT数据包中数据链路层、EtherCAT首部中的信息(如，端口、Mac地址、报文长度等)映射到IPv6首部和UDP首部，最终转换成能够在IPv6工厂骨干网中传输的数据包；
S8：将转换后的数据包传输至IPv6工厂骨干网。
图2所示为协议转换装置架构图，在本发明中，通过从主站中获得的从站基本信息以及EtherCAT数据包，将经过协议转换器的识别模块和协议转换模块，最终转换后的帧结构传输至IPv6工厂骨干网。
图3所示为整网帧格式转换示意图，图中深灰色的是本转换方案所涉及到的字段，其中包括：流量类型字段：实现EtherCAT的优先级机制；流标识字段：能够为EtherCAT协议中重要的周期性过程数据实现带宽预留功能；负载长度字段：后续数据长度，直接对应于转换后的EtherCAT数据包长度；源/目的地址字段：从站地址转换后的IPv6地址，其具体情况取决于数据发送方向。此外还有相应的扩展首部的添加，如：分段扩展首部、逐跳扩展首部。
图4所示为扩展首部示意图，首先是逐跳扩展首部，通过使用该拓展首部的“路由器警告”选项来实现RSVP(资源预定)功能，即路由器应该更仔细地检查此数据包，RSVP可以是消息被截获的同时对正常数据分组的转发几乎没有性能影响。该首部使用TLV(类型-长度-值)格式编码，类型和长度字段为8bits，值字段为可变长度。类型字段：复制标志：1，选项类：0，选项号：20(十进制)；长度：4；值：0(路由器应检查包)。然后是分段扩展首部，当EtherCAT数据包出现分段服务时，相应的IPv6也应该提供分段传输服务。其对应关系如下：IPv6扩展首部的分段偏移量对应EtherCAT数据包的Offset值，表示以太网分段偏移量；M值对应Last Fragment值表示次分段后续的报文是否还是该数据的分段报文；报文标识符字段对应EtherCAT数据包的Frame Number字段，该字段用一个编号来标识这个帧。其中各个字段可能长度有所不同，因此选择在长度较长的字段前面添0或者删除前面的0，以符合该字段的要求。
表1为优先级转换表，首先识别出当前EtherCAT数据包的通信模式，并根据通信模式的不同采取不同的优先级策略。识别通信模式则通过读取数据报头部(DatagramHeader)中的CMD(服务命令)字段，若为CMD＝0x0A(逻辑读)或CMD＝0x0C(逻辑写)等命令时，则可确定此段报文采用周期性过程通讯方式，拥有最高优先级；其余CMD命令则分析邮箱头部中的Priority字段来确定对应的优先级，分为紧急数据、命令数据、一般数据和配置数据4种。
表1 优先级转换表
图5所示为地址转换示意图，从站--IPv6映射地址，第一个字节为唯一本地地址(0xFD)，后11个字节填0，将4位EtherCAT从站地址填入IPv6地址的低4位。当EtherCAT主站要将数据传送给IPv6网节点时此地址将作为源地址，若有数据传输至EtherCAT网内，此地址若作为目的地址被协议转换单元接收后，只需保留低4位从站地址。同时，协议转换装置也提供一个地址转换映射表，对于32位从站地址，协议转换装置在收到数据报时，首先检查该地址是否存在于自己的映射表中，若不存在则转换这个EtherCAT从站地址或IPv6地址，再将其存入映射表的对应位置。
图6所示为时钟同步流程图，主站首先搜索DC从站(与主站连接的第一个从站)以作为参考时钟，主站在从DC从站获得的时钟参数后，通过读多重写等操作对包括参考时钟的每一个从站进行读写操作并且计算出与参考时钟的偏移和漂移量，然后再将计算获得的相关参数广播给各个从站，产生同步的输出信号SYNC0，实现网内时钟同步。因此通过协议转换装置的连接的IPv6节点与EtherCAT节点，也应实现时钟同步。这就需要并传输时钟数据。如果EtherCAT所有从站都不支持时钟时，通过协议转换装置能够传输相关时钟同步帧，将离EtherCAT主站最近的，而且能够提供并且支持IEEE1588(PTP)协议时钟同步的一个节点设置为参考从站，协议转换装置能够接收主站发送的时钟同步的控制帧，然后通过接收并记录IPv6节点的以太网前导码SOF位到达的时间，然后将IPv6节点的信息编辑成EtherCAT数据包发送延时请求报文返回给主站，使主站能够计算出参考时钟与IPv6节点时钟之间的偏移和漂移。由于在计算时假设电缆延时，因此协议转换单元和IPv6节点以及EtherCAT主站之间应该与EtherCAT主从站使用相同的线缆连接，对协议转换单元的转换速度也应有一定要求，从而将误差降至最小。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种EtherCAT与IPv6网络的协议转换方法，其特征在于：首先对EtherCAT协议栈结构进行分析，在不影响主从站之间数据正常通信的前提下，获取EtherCAT现场网络数据包，将其传输至协议转换模块，然后，协议转换模块根据输入数据包的特性，使用地址转换单元、优先级转换单元、扩展首部添加单元和时钟同步单元对数据包中的相关字段进行分析和转化，接下来通过帧格式转换单元将其构建成一个以UDP/IPv6为传输层/网络层的以太网数据包，最终传输到支持IPv6协议的工厂骨干网络中。
2.根据权利要求1所述的一种EtherCAT与IPv6网络的协议转换方法，其特征在于，所述协议转换模块具体包括：
地址转换单元：将从站的32bits地址转化为IPv6协议的128bits地址，并建立映射表；
优先级转换单元：分析从站的通信模式，即邮箱通信和逻辑通信，为其分配不同的优先级再映射到IPv6协议的流量类型字段；
扩展首部单元：分析EtherCAT协议中与IPv6的扩展首部功能相似的服务，包括分段、带宽资源预留功能，在网络层添加扩展首部，保持EtherCAT数据包的传输特性；
时钟同步单元：获取DC寄存器的信息，将时钟信息以合理的方式传输给IPv6工厂骨干网，保证协议数据传输的时延；
帧格式转换单元：为EtherCAT数据包添加网络层和传输层，将EtherCAT数据包转换成能够在IPv6工厂骨干网中传输的结构。
3.根据权利要求1所述的一种EtherCAT与IPv6网络的协议转换方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
S1：在不影响主从通信的前提下，从主站相应的rxbuf/txbuf缓存中提取EtherCAT数据包，对报文结构进行分析，获取以太网首部和EtherCAT首部中的长度信息，计算并确定数据包中携带的每一子报文的位置偏移，将来自不同从站的子报文分别传输至协议转换单元，逐一进行分析和识别；
S2：判断子报文是否为周期性过程通信，主要通过读取数据报头部中的服务命令CMD字段；若子报文是周期性过程通信方式则为其添加逐跳扩展首部和流标签域保证QoS特性，将其流量类型字段设置最高优先级，进行步骤S5；若不是则进行步骤S3；
S3：非周期性通信子报文首先判断其是否存在分段报文请求的情况，若存在则将IPv6基本首部的下一首部字段设置为0x2C，提取Offset、Frame Number重要信息，添加分段扩展首部；同时提供一个计时器，若一段分段报文的后续报文没有在规定时间到达，则丢弃后续报文；
S4：从收集到的子报文邮箱首部中提取该从站传输数据的优先级，并将优先级映射到IPv6流量类型字段；
S5：从收集到的子报文中提取该从站的配置地址或逻辑地址，将32bits的从站地址转化为128bits的IPv6地址；在缓存中建立一张EtherCAT从站地址与转换后的IPv6地址的映射表，转换装置将首先判断提取的地址是否已经存在于映射表中，若不存在则进行地址转换并将数据存入表中；
S6：将EtherCAT数据包中前导码以及DC寄存器中的时钟同步信息收集，进行时钟同步操作；
S7：进行整网帧格式转换，将每一个子报文转换成标准的IPv6协议的以太网帧；添加网络层、传输层服务，并将EtherCAT数据包中数据链路层、EtherCAT首部中的信息，包括端口、Mac地址和报文长度，映射到IPv6以太网帧的相应位置；
S8：将转换后的报文传输至IPv6工厂骨干网。
4.根据权利要求3所述的一种EtherCAT与IPv6网络的协议转换方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述逐跳扩展首部为：使用其“路由器警告”选项来实现资源预定RSVP功能，即路由器检查数据包，RSVP能够使消息被截获的同时对正常数据分组的转发几乎没有性能影响；在步骤S4中，EtherCAT协议设计5种优先级，周期过程数据通信采用逻辑寻址，为最高优先级；其他4种采用配置寻址的邮箱通信，包括：紧急数据、命令数据、一般数据和初始化配置数据。
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