CN112929367A - 一种Profinet网络与工业IPv6骨干网的协议转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Profinet网络与工业IPv6骨干网的协议转换方法，属于工业网络技术领域，包括以下步骤：S1：通过工业业务特性映射单元将Profinet报文的优先级、周期性等业务特性通过特定的映射关系填充到IPv6头部的通信类别字段与流标签字段；S2：利用地址转换单元，实现基于ARUUID的地址转换表的构建和基于EUI‑64的IPv6地址配置，将转换后的地址填入IPv6头部的地址字段；S3：通过组态配置参数转换单元，将Profinet应用层报文携带的IP配置参数进行相应的地址转换；S4：通过帧格式转换单元，实现Profinet报文格式与IPv6数据包格式的转换。

Description

一种Profinet网络与工业IPv6骨干网的协议转换方法
技术领域
本发明属于工业网络技术领域，涉及一种Profinet网络与工业IPv6骨干网的协议转换方法。
背景技术
Profinet是当前主流的工业实时以太网标准，通过采用以太网连接技术，能够实现控制器、输入/输出设备、监视站等工业单元之间的高效通信。Profinet网络支持星型网、树型网等多种网络拓扑结构，并能够针对不同的应用需求采取不同的通信方案，满足不同级别的实时通信要求。由于Profinet网络的灵活性、高效性，使其在过程工业、机械制造等工业场景中得到了广泛的应用。
在工业骨干网中，随着下一代互联网技术的不断推进，基于IPv6协议的工业骨干网的部署和应用日益广泛。在工厂网络中存在工业IPv6骨干网、Profinet网络等多种网络的情况下，如何实现Profinet网络和工业IPv6骨干网之间的高效互联互通，成为影响工业网络发展的重要问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于通过工业业务特性映射单元、地址转换单元、组态配置参数转换单元和帧格式转换单元，将Profinet报文转换成IPv6数据包，实现Profinet网络与基于IPv6的工业骨干网之间的高效互连，提供一种Profinet网络与工业IPv6骨干网的协议转换方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种Profinet网络与工业IPv6骨干网的协议转换方法，包括以下步骤：
S1：通过工业业务特性映射单元将Profinet报文的优先级、周期性等业务特性通过特定的映射关系填充到IPv6头部的通信类别字段与流标签字段；
S2：利用地址转换单元，实现基于ARUUID的地址转换表的构建和基于EUI-64的IPv6地址配置，将转换后的地址填入IPv6头部的地址字段；
S3：通过组态配置参数转换单元，将Profinet应用层报文携带的IP配置参数进行相应的地址转换；
S4：通过帧格式转换单元，实现Profinet报文格式与IPv6数据包格式的转换。
进一步，步骤S1中，工业业务特性映射单元的工作步骤如下：
S11：接收到Profinet报文时，对报文进行解析，若报文为管理类报文，则执行S12，若为控制类报文，则执行S15；
S12：将IPv6通信类别字段的第0-1位的值映射为1，并对报文的实时性进行判断，若为实时报文，则执行S13，若不是，则执行S14；
S13：将上述字段的第2位值设置为1，并根据实时报文(DCP_Hello，DCP_Set和DCP_Identify)的业务类型映射关系，将其对应的业务等级(Class2，Class3和Class4)填充至该字段的第5-7位，执行步骤S110；
S14：将值0填充至上述字段的第2位，并根据非实时报文(Connect，Write_Record，DControl和CControl)的业务类型映射关系，将其对应的业务等级(Class1，Class2，Class3和Class4)填充至该字段的第5-7位，执行步骤S111；
S15：设置IPv6通信类别字段的第0-1位的值为2；
S16：对报文的实时性进行判断，如果是实时报文，则将上述字段的第2位值设置为1，反之，则设置为0；
S17：对报文的周期性进行判断，若该报文为循环报文，则将上述字段的第3位的值映射为1，若为非循环报文，则该位映射为0；
S18：根据控制类报文(Write_Request，Read_Request，循环IO数据，诊断报警数据和过程报警数据)的优先级映射关系，将其对应的优先级(Low，Low，Medium，High和Higher)填充到上述字段的第5-7位；
S19：控制类实时报文执行步骤S10，控制类非实时报文执行步骤S11；
S110：提取实时报文的Frame ID(用来编址IO控制器与IO设备间特殊的通信通道)，并填充到IPv6头部的流标签字段的第4-20位，而该字段的第0-3位作为保留位，用0填充，至此，完成工业业务特性映射；
S111：将非实时报文的ARUUID(IO控制器与IO设备间的连接标识符)填充到IPv6头部的流标签字段的第4-20位，而该字段的第0-3位用0填充作为保留位，至此，完成工业业务特性映射。
进一步，步骤S2中，所述地址转换单元工作步骤如下：
S21：接收到Profinet报文时，对报文的实时性进行判断，若为实时报文，则执行步骤S22，反之，则执行步骤S25；
S22：从路由器组播的RA报文中提取全球路由前缀和子网前缀信息，将获取到的前缀信息填充到IPv6地址的前64位；
S23：提取实时报文的MAC地址，在MAC地址的第三个字节和第四个字节中间插入16进制0xFFFE，并将MAC地址的第一个字节的第7位取反，形成IPv6地址的接口ID部分；
S24：将构建好的接口ID部分填充至IPv6地址的后64位，执行步骤S29；
S25：建立连接标识符ARUUID与IP地址间的映射关系表；
S26：解析数据报文的应用层头部，判断该报文是不是管理类报文Connect，若是，则执行步骤S27，若不是，则执行步骤S28；
S27：提取报文的ARUUID和IPv4地址，通过IPv6网络前缀信息和IPv4地址参数构建IPv6地址，把ARUUID和构建前后的IP地址写入映射关系表中；
S28：获取报文的ARUUID，并以该标识符作为索引，查询映射关系表中对应的转换地址，执行步骤S29；
S29：至此，完成Profinet报文与IPv6数据包的地址转换。
进一步，步骤S3中，所述组态配置参数转换单元用以实现Profinet应用层报文携带的IPv4配置参数的转换；当接收到的数据报文包含IP信息块时，将信息块中的设备IPv4地址和网关地址转换成IPv6地址，至此完成组态配置参数的转换。
进一步，步骤S4中，所述帧格式转换单元用以保证数据流在Profinet网络与基于IPv6的工业骨干网之间能够以正确的帧格式进行传输；Profinet实时报文包括数据链路层和应用层，不包括网络层和传输层数据，不符合工业IPv6骨干网帧格式的传输要求；当接收到实时报文时，为该报文增加网络层和传输层，将实时报文转换成IPv6数据包；当接收到非实时报文时，将报文中的IPv4头部替换成IPv6头部，再进行相应字段的映射与填充，实现Profinet报文与IPv6数据包格式的转换。
本发明的有益效果在于：本发明能够完成Profinet报文与IPv6数据包之间的协议转换，有效实现了Profinet网络与工业IPv6骨干网之间的融合互连；在进行帧格式转换时，通过工业业务特性映射，将Profinet报文的业务特性通过一定的映射关系填充到IPv6头部的通信类别字段与流标签字段，从而能够保留转换前后跨网络数据流的工业业务特性和可识别性。
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为本发明协议转换架构图；
图2为本发明协议转换方法整体流程图；
图3为本发明地址转换流程图；
图4为本发明帧格式转换图。
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。
请参阅图1～图3，图1所示为Profinet网络与工业IPv6骨干网的协议转换架构图，该转换方法包括工业业务特性映射单元、地址转换单元、组态配置参数转换单元和帧格式转换单元。通过上述单元的处理，将Profinet报文转换成IPv6数据包，实现Profinet网络与基于IPv6的工业骨干网之间的互连互通。
图2为协议转换方法整体流程图，该流程主要包括对Profinet报文的解析、工业业务特性的映射、Profinet报文地址与IPv6数据包地址的转换、应用层组态配置参数的转换、Profinet报文与IPv6数据包的帧格式转换等。具体流程如下：
S1：接收到Profinet报文时，对报文进行解析，若该报文为管理类报文，则执行S2，若为控制类类报文，则执行S3；
S2：根据管理类报文的业务特性映射关系，将该报文的实时性、业务类型等信息填充至IPv6头部的通信类型字段，执行步骤S4；
S3：根据控制类报文的业务特性映射关系，将该报文的实时性、周期性、优先级等信息填充至通信类型字段；
S4：对报文的实时性进行判断，若报文为实时报文，则执行S5，反之，则执行S7；
S5：提取实时报文中的Frame ID，并将其映射至IPv6头部的流标签字段；
S6：提取实时帧的MAC地址，根据EUI-64地址配置规则构建IPv6地址，并填充至IPv6的地址字段，执行步骤S9；
S7：将非实时报文中的连接标识符ARUUID通过一定的映射关系填充到流标签字段；
S8：将报文中的连接标识符ARUUID作为索引，查询映射关系表中对应的转换地址；
S9：若该报文应用层携带IP信息块，根据地址转换规则，完成组态配置参数的转换；
S10：将Profinet报文格式转换成IPv6数据包格式，并将转换后的数据包发送至工业IPv6骨干网中。
表1为管理类数据的映射关系表。在通信类别字段中，用第0-1位来映射Profinet报文的数据类型，管理类数据报文的0-1位映射为1。该字段的第2位用于表示数据报文的实时性。如果数据报文为非实时性报文，则第2位的值映射为0。如果数据报文为实时报文，则第2位的值映射为1。该字段的第3-4位作为保留位，不进行映射。通信类别字段的第5-7位标识不同的业务类型，Class 1、Class 2、Class3和Class 4分别被映射为1,2,3和4。
表1管理类数据映射关系
Figure BDA0002936094460000051
表2为控制类数据映射关系表。IPv6通信类型字段的第0-1位的值为2，标识该报文为控制类报文。该字段的第2位用来标识实时报文和非实时报文，该位的值映射为1，则表示实时报文，值为0，则表示非实时报文。IPv6通信类型字段的第3位数据用于标识实时报文中的周期与非周期特性，当该位被映射为1时，表示该数据报文为周期性报文，为0则表示该数据报文为非周期性报文。该字段的第4位作为保留位，不进行映射。通信类别字段的第5-7位用来表示不同控制类数据的优先级。控制类报文包括Write_Request、Read_Request、循环IO数据报文、诊断报警报文和过程报警报文，其对应的优先级分别被映射为Low、Low、Medium、High和Higher。四种优先级等级对应的值分别为3,4,5和6。
表2控制类数据映射关系
Figure BDA0002936094460000061
图3为地址转换流程图，该流程主要包括Profinet实时报文、非实时报文与IPv6数据包之间的地址转换。具体包括以下步骤：
S1：接收到Profinet报文时，对报文的实时性进行判断，若是实时报文，则执行步骤S2，反之，则执行步骤S5；
S2：从路由器组播的RA报文中提取全球路由前缀和子网前缀信息，将获取到的前缀信息填充到IPv6地址的前64位；
S3：提取实时报文的MAC地址，在MAC地址的第三个字节和第四个字节中间插入16进制0xFFFE，并将MAC地址的第一个字节的第7位取反，形成IPv6地址的接口ID部分；
S4：将构建好的接口ID部分填充至IPv6地址的后64位，执行步骤S9；
S5：建立连接标识符ARUUID与IP地址间的映射关系表；
S6：解析数据报文的应用层头部，判断该报文是不是管理类报文Connect，若是，则执行步骤S7，若不是，则执行步骤S8；
S7：提取报文的ARUUID和IPv4地址，通过IPv6网络前缀信息和IPv4地址参数构建IPv6地址，把ARUUID和构建前后的IP地址写入映射关系表中；
S8：获取报文的ARUUID，并以该标识符作为索引，查询映射关系表中对应的转换地址，执行步骤S9；
S9：至此，完成Profinet报文与IPv6数据包的地址转换。
图4为帧格式转换图，Profinet实时报文包括数据链路层和应用层，不包括网络层和传输层数据，不符合工业IPv6骨干网帧格式的传输要求。当接收到实时报文时，为该报文增加网络层和传输层，将实时报文转换成IPv6数据包。当接收到非实时报文时，将报文中的IPv4头部替换成IPv6头部，再进行相应字段的映射与填充，实现Profinet报文与IPv6数据包的帧格式转换。
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 (5)

1.一种Profinet网络与工业IPv6骨干网的协议转换方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：通过工业业务特性映射单元将Profinet报文的优先级、周期性业务特性通过特定的映射关系填充到IPv6头部的通信类别字段与流标签字段；
S2：利用地址转换单元，实现基于ARUUID的地址转换表的构建和基于EUI-64的IPv6地址配置，将转换后的地址填入IPv6头部的地址字段；
S3：通过组态配置参数转换单元，将Profinet应用层报文携带的IP配置参数进行相应的地址转换；
S4：通过帧格式转换单元，实现Profinet报文格式与IPv6数据包格式的转换。
2.根据权利要求1所述的Profinet网络与工业IPv6骨干网的协议转换方法，其特征在于：步骤S1中，工业业务特性映射单元的工作步骤如下：
S11：接收到Profinet报文时，对报文进行解析，若报文为管理类报文，则执行S12，若为控制类报文，则执行S15；
S12：将IPv6通信类别字段的第0-1位的值映射为1，并对报文的实时性进行判断，若为实时报文，则执行S13，若不是，则执行S14；
S13：将上述字段的第2位值设置为1，并根据实时报文的业务类型映射关系，将其对应的业务等级填充至该字段的第5-7位，执行步骤S110，所述实时报文包括DCP_Hello，DCP_Set和DCP_Identify，其对应的业务等级包括Class2，Class3和Class4；
S14：将值0填充至上述字段的第2位，并根据非实时报文的业务类型映射关系，将其对应的业务等级填充至该字段的第5-7位，执行步骤S111；所述非实时报文包括Connect，Write_Record，DControl和CControl，其对应的业务等级包括Class1，Class2，Class3和Class4；
S15：设置IPv6通信类别字段的第0-1位的值为2；
S16：对报文的实时性进行判断，如果是实时报文，则将上述字段的第2位值设置为1，反之，则设置为0；
S17：对报文的周期性进行判断，若该报文为循环报文，则将上述字段的第3位的值映射为1，若为非循环报文，则该位映射为0；
S18：根据控制类报文的优先级映射关系，将其对应的优先级填充到上述字段的第5-7位，所述控制类报文包括Write_Request，Read_Request，循环IO数据，诊断报警数据和过程报警数据，其对应的优先级包括Low，Low，Medium，High和Higher；
S19：控制类实时报文执行步骤S10，控制类非实时报文执行步骤S11；
S110：提取实时报文的Frame ID，并填充到IPv6头部的流标签字段的第4-20位，而该字段的第0-3位作为保留位，用0填充，至此，完成工业业务特性映射；所述Frame ID是用于编址IO控制器与IO设备间特殊的通信通道；
S111：将非实时报文的ARUUID填充到IPv6头部的流标签字段的第4-20位，而该字段的第0-3位用0填充作为保留位，至此，完成工业业务特性映射；所述ARUUID是IO控制器与IO设备间的连接标识符。
3.根据权利要求1所述的Profinet网络与工业IPv6骨干网的协议转换方法，其特征在于：步骤S2中，所述地址转换单元工作步骤如下：
S21：接收到Profinet报文时，对报文的实时性进行判断，若为实时报文，则执行步骤S22，反之，则执行步骤S25；
S22：从路由器组播的RA报文中提取全球路由前缀和子网前缀信息，将获取到的前缀信息填充到IPv6地址的前64位；
S23：提取实时报文的MAC地址，在MAC地址的第三个字节和第四个字节中间插入16进制0xFFFE，并将MAC地址的第一个字节的第7位取反，形成IPv6地址的接口ID部分；
S24：将构建好的接口ID部分填充至IPv6地址的后64位，执行步骤S29；
S25：建立连接标识符ARUUID与IP地址间的映射关系表；
S26：解析数据报文的应用层头部，判断该报文是不是管理类报文Connect，若是，则执行步骤S27，若不是，则执行步骤S28；
S27：提取报文的ARUUID和IPv4地址，通过IPv6网络前缀信息和IPv4地址参数构建IPv6地址，把ARUUID和构建前后的IP地址写入映射关系表中；
S28：获取报文的ARUUID，并以该标识符作为索引，查询映射关系表中对应的转换地址，执行步骤S29；
S29：至此，完成Profinet报文与IPv6数据包的地址转换。
4.根据权利要求1所述的Profinet网络与工业IPv6骨干网的协议转换方法，其特征在于：步骤S3中，所述组态配置参数转换单元用以实现Profinet应用层报文携带的IPv4配置参数的转换；当接收到的数据报文包含IP信息块时，将信息块中的设备IPv4地址和网关地址转换成IPv6地址，至此完成组态配置参数的转换。
5.根据权利要求1所述的Profinet网络与工业IPv6骨干网的协议转换方法，其特征在于：步骤S4中，所述帧格式转换单元用以保证数据流在Profinet网络与基于IPv6的工业骨干网之间能够以正确的帧格式进行传输；Profinet实时报文包括数据链路层和应用层，不包括网络层和传输层数据，不符合工业IPv6骨干网帧格式的传输要求；当接收到实时报文时，为该报文增加网络层和传输层，将实时报文转换成IPv6数据包；当接收到非实时报文时，将报文中的IPv4头部替换成IPv6头部，再进行相应字段的映射与填充，实现Profinet报文与IPv6数据包格式的转换。
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