CN114390028B - 一种轻量化IPv6的HPLC网络传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻量化IPv6的HPLC网络传输方法，主要基于中央协调器设备（central coordinator，CCO）和HPLC站点设备（Station，STA）之间轻量化IPv6通信方法，所述CCO设备通过以太网接口连接远程服务端，通过HPLC接口连接STA设备，在原有的HPLC网络基础上，引入轻量级的IPv6技术，使整个HPLC网络的通信符合IPv6协议的特征。本发明所述的一种轻量化IPv6的HPLC网络传输方法，属于电力通讯技术领域，能够让HPLC网络有效管理更多的电网设备，同时为整个电网系统提供统一的通讯链路和网络平台，为系统数据的共享提供便捷，也大大降低了数据传输过程中转换协议的工作；借助于IPv6成熟的通信技术，也有效提高了传输的可靠性，最终使HPLC网络具有更强的健壮性和可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，特别涉及一种轻量化IPv6的HPLC网络传输方法。
背景技术
近年来，智能电网行业飞速发展，宽带电力线载波通信（High Power LineCarrier Communication，HPLC）技术应用越发广泛，但电网设备信息采集和控制的种类和数量不断增加，使得HPLC网络复杂度大大提高。在HPLC网络工作方面存在以下几个问题：1）各采集或控制子系统使用不同的协议和接口，增加了更多的协议转换工作，很难实现数据的共享，需要对数据进行大量处理，降低了通信的效率；2）HPLC网络设备的增多，使HPLC网络对地址资源的需求持续增大，HPLC网络的负载也随之加重。
IPv6作为下一代互联网技术，有着更多的地址资源、更高的安全性、更可靠的传输效率。将IPv6技术应用于HPLC网络将是未来行业发展的一大趋势，借助IPv6技术的优势，能有效解决当前电网设备维护复杂，网络负载过大的问题，还有效的提高了通信的可靠性。但现有的IPv6协议栈比较庞大，对于电网设备的有限资源产生了限制。
发明内容
本发明针对上述HPLC网络的不足之处，提出发明一种结合现有的HPLC组网方式和接入策略，同时引入IPv6地址分配算法、接入策略、数据包传输、智能网关等技术，设计一种轻量化IPv6的HPLC网络传输方法，解决HPLC网络设备管理维护难度大、通信可靠性低的问题，同时为HPLC网络提供统一的链路平台，为数据的共享和挖掘提供便利。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种轻量化IPv6的HPLC网络传输方法，基于HPLC中央协调器设备（Centralcoordinator，CCO）和HPLC站点设备（Station，STA）实现的轻量化IPv6通信方法。
所述CCO设备包括以太网接口、HPLC接口、IPv6分组路由、轻量化IPv6协议栈和传统CCO设备具备的HPLC功能，其中以太网接口通过网线与远端服务器或者主站连接，HPLC接口通过电力线与HPLC网络内STA设备进行连接，搭配IPv6分组路由进行远端服务器或者主站和HPLC网络内STA设备之间的数据交换。CCO设备在此充当HPLC子网与远端服务器之间的网关角色。
优选地，CCO设备中IPv6分组路由主要负责记录远端服务器IPv6地址前缀和HPLC网络所属IPv6地址前缀，作为以太网接口与HPLC接口之间消息转发的路由表。
所述STA设备在具备传统STA设备的基础上搭载了轻量化IPv6协议栈；
所述轻量化IPv6通信策略包括IPv6地址分配算法、接入IPv6网络策略和IPv6数据包传输策略。
优选地，IPv6地址分配算法包括HPLC入网设备生成EUI-64接口地址，CCO设备结合HPLC网络特性生成IPv6网络前缀两部分。
所述HPLC入网设备生成EUI-64接口地址，将采用以下方法：
EUI-64接口地址以HPLC入网设备的48位MAC地址为基础；
组成EUI-64接口地址结构如下：
前24位MAC地址 + 0xFFFE + 后24位MAC地址 = EUI-64接口地址；
所述CCO结合HPLC网络特性生成IPv6网络前缀，将采用以下方法：
IPv6网络前缀长度为64位；
IPv6网络前缀以CCO设备的HPLC网络属性为基础；
IPv6网络前缀的组成结构如下：
0xFD0000 + HPLC网络的短网络标识符（Short Network ID，SNID）（24位） + CCO设备的终端设备标识（Terminal Equipment Identifier，TEI）（16位）。
优选地，接入IPv6网络策略包括STA设备获取IPv6网络前缀和STA设备执行无状态地址配置过程两部分。
所述STA设备获取IPv6网络前缀的方法为：STA设备成功加入HPLC网络之后，借助邻居发现协议中的路由通告消息获取IPv6网络前缀。
所述STA设备执行无状态地址配置的方法为：STA设备将获取的IPv6网络前缀与自身生成的EUI-64接口地址合成完整的IPv6地址。
优选地，本发明设计的地址生成算法，能够确保HPLC设备合成IPv6地址的区域唯一性，取消执行地址重复检测过程，实现轻量化IPv6的设计理念；
优选地，IPv6数据包传输策略包括IPv6数据包分片处理、IPv6地址与MAC地址的转换、IPv6数据包的转发三部分；
所述IPv6数据包分片处理，其方法如下：
IPv6数据包在传输层进行分片处理；
分片的大小为不超过MAC层最大传输单元的大小；
优选地，IPv6数据包分片处理的目的在于提高IPv6数据包处理与传输的实时性，有效减少数据包在不同协议层间重复的分片工作。
所述IPv6地址与MAC地址的转换，其目的在于从IPv6地址中解析出MAC地址。本发明借助于地址分配算法的特性，使用IPv6地址生成的逆过程解析出MAC地址，舍弃地址解析流程，进一步对IPv6协议栈进行轻量化处理。
所述IPv6数据包的转发包括基于HPLC子网内转发和网关转发两部分。
优选地，HPLC子网内转发，其方法如下：
解析IPv6数据包目的地址得到目的MAC地址；
根据HPLC网络中的路由表项进行路由转发。
优选地，本发明中除CCO设备具备分组路由外，IPv6协议栈取消IP层路由表设计，HPLC子网内的转发机制借助于HPLC网络原有的路由进行转发工作，进一步将IPv6协议栈轻量化处理。
优选地，IPv6数据包的网关转发，其方法为：CCO设备将HPLC接口或以太网接口接收到的不属于该接口网络前缀的数据包转发到另一个接口进行处理。
优选地，本发明中IPv6网络是在HPLC网络的建立基础上进行构建，理论上IPv6网络拓扑为星型拓扑，实际的网络拓扑模型为HPLC网络特有的树形拓扑。
本发明的有益效果是：在HPLC网络的基础上引用轻量化IPv6技术，能够让HPLC网络有效管理更多的电网设备，同时为整个电网系统提供统一的通讯链路和网络平台，为系统数据的共享提供便捷，也大大降低了数据传输过程中转换协议的工作；借助于IPv6成熟的通信技术，也有效提高了传输的可靠性，最终使HPLC网络具有更强的健壮性和可扩展性。
附图说明
图1为本发明的系统模型示意图。
图2为本发明的总体流程示意图。
图3为本发明的EUI-64接口地址结构示意图。
图4为本发明的IPv6网络前缀结构示意图。
图5为本发明的IPv6数据包传输策略示意图。
实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
结合附图1，轻量化IPv6的HPLC网络传输方法所涉及的网络设备说明。
所述CCO设备包括以太网接口、HPLC接口、IPv6分组路由、轻量化IPv6协议栈和传统CCO设备具备的HPLC功能，其中以太网接口通过网线与远端服务器或者主站连接，HPLC接口通过电力线与HPLC网络内STA设备进行连接，搭配IPv6分组路由进行远端服务器或者主站和HPLC网络内STA设备之间的数据。CCO设备在此充当HPLC子网与远端服务器之间的网关角色。
优选地，IPv6分组路由主要负责记录远端服务器IPv6地址前缀和HPLC网络所属IPv6地址前缀，作为以太网接口与HPLC接口之间消息转发的路由表。
所述STA设备在具备传统STA设备的基础上搭载了轻量化IPv6协议栈；
所述轻量化IPv6通信策略包括IPv6地址分配算法、接入IPv6网络策略和IPv6数据包传输策略。
结合附图2，进一步说明轻量化IPv6通信策略，包括以下步骤：
步骤1：CCO设备上电进行HPLC组建网络，STA设备上电加入HPLC网络；
步骤2：CCO设备和STA设备生成EUI-64接口地址；
具体地，如图3所示，EUI-64接口地址采用HPLC网络设备读取的表地址作为MAC地址，在MAC地址中间填充0XFFFE组合为EUI-64地址。
步骤3：CCO设备生成IPv6网络前缀；
具体地，如图4所示，IPv6网络前缀为64位，前24位为0xFD0000，紧接着24位以HPLC网络的SNID作为填充，最后16位以CCO设备的TEI作为填充。
将SNID填充到IPv6网络前缀的目的在于区分不同的CCO设备组建的IPv6子网络。因为在特殊环境下，可能存在同一区域有多个CCO设备同时存在，但不同的CCO设备在组建HPLC网络时，生成的SNID不同，因此，将SNID作为IPv6网络前缀的填充能有效区分不同的IPv6子网。
步骤4：CCO设备通过步骤3生成的网络前缀结合步骤2生成的接口地址组合生成CCO设备的IPv6地址。
优选地，本发明提及的IPv6地址生成算法具有区域唯一性，能够确保HPLC设备合成IPv6地址的区域唯一性，本发明在地址配置过程中取消IPv6地址重复检过程，减少信道中消息的交互和协议栈的冗余，达到IPv6轻量化设计的目的。
步骤5：CCO设备将步骤3生成的网络前缀通过邻居发现协议中路由通告的形式周期性的广播发送到子网中各个STA设备；
另外，STA设备在加入HPLC网络成功之后，也可主动发送路由请求消息获取路由通告消息。
步骤6：STA设备接收到IPv6网络前缀，将与步骤2生成的接口地址组合生成STA设备的IPv6地址。
结合附图5，进一步说明IPv6数据包传输策略，此处以远端服务器向STA2设备发送IPv6数据包为例加以说明，包括以下步骤：
步骤7：远端服务器通过以太网接口向CCO发送IPv6数据包，数据包的目的地址为STA2设备的IPv6地址；
步骤8：CCO设备的以太网接口接收到IPv6数据包，将数据包切换到HPLC接口进行处理；
优选地，CCO设备将HPLC接口或以太网接口接收到的不属于该接口网络前缀的数据包转发到另一个接口进行处理。此处CCO设备的以太网接口与远端服务器以太网接口属于同一网段，CCO设备的HPLC接口与STA设备的HPLC接口属于同一网段。
步骤9：CCO设备的HPLC接口负责将IPv6数据包目的地址解析出目的MAC地址。
优选地，借助于本发明中IPv6地址生成算法的特性，此处不做地址解析过程，直接采用地址生成算法的逆向过程解析MAC地址，以达到将IPv6协议栈轻量化的目的，同时有效减少PLC信道上数据的交互。
步骤10：CCO设备的HPLC接口根据MAC地址与HPLC网络中的路由表进行对比查找，确定数据包下一跳的转发路径。
优选地，借助于HPLC网络原有的传输体系，数据包的转发引用HPLC网络中的路由表，能有效节省IP层路由的资源，进一步将IPv6做到轻量化。
优选地，如图6所示，在IPv6网络层面，网络拓扑结构为星型网络结构，实质真正的网络结构为图7所示的HPLC网络特有的树形结构。
步骤11：CCO设备的HPLC接口将大于MAC层最大传输单元的数据包进行分片处理，然后将分片数据包转发到STA1设备；
优选地，将大于MAC层最大传输单元的IPv6数据包进行分片，目的在于减少数据包在MAC层进一步分片处理，提高处理数据的高效性；
步骤12：STA1设备的HPLC接口接收到数据包，在MAC层直接通过HPLC网络的路由表再一次进行转发到STA2设备；
步骤13：STA2设备收到IPv6数据包进行处理；
本实施例利用实际的实物拓扑搭建环境对本发明所述方法进行了测试验证。根据在原有的HPLC网络设备的基础上增加以太网接口，并在原有的HPLC网络协议之上，搭建本发明所述的轻量化IPv6协议栈，实现远端服务器与HPLC子网内STA设备进行通信，真实通信效果与本发明所述一致。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种轻量化IPv6的HPLC网络传输方法，其特征在于轻量化IPv6协议在HPLC网络上的通信策略，包括IPv6地址分配算法、接入IPv6网络策略和IPv6数据包传输策略；
其中IPv6地址分配算法，包括EUI-64接口地址生成和IPv6地址前缀生成两部分；
所述EUI-64接口地址生成其特征在于采用以下方法：EUI-64接口地址以HPLC入网设备的48位MAC地址为基础；
组成EUI-64接口地址结构如下：
前24位MAC地址 + 0xFFFE + 后24位MAC地址 = EUI-64接口地址；
所述IPv6地址前缀生成其特征在于采用以下方法：IPv6网络前缀长度为64位；IPv6网络前缀以CCO设备的HPLC网络属性为基础；
IPv6网络前缀的组成结构如下：
0xFD0000 + HPLC网络的短网络标识符（Short Network ID，SNID）（24位） + CCO设备的终端设备标识（Terminal Equipment Identifier，TEI）（16位）；
所述的接入IPv6网络策略，包括STA设备获取IPv6网络前缀和STA设备执行无状态地址配置过程两部分；
所述STA设备获取IPv6网络前缀的方法为：STA设备成功加入HPLC网络之后，借助邻居发现协议中的路由通告消息获取IPv6网络前缀；
所述STA设备执行无状态地址配置的方法为：STA设备将获取的IPv6网络前缀与自身生成的EUI-64接口地址合成完整的IPv6地址；
所述的IPv6数据包传输策略，包括IPv6数据包分片处理、IPv6地址与MAC地址的转换、IPv6数据包的转发三部分；
所述IPv6数据包分片处理，其方法如下：
IPv6数据包在传输层进行分片处理；分片的大小为不超过MAC层最大传输单元的大小；所述IPv6地址与MAC地址的转换借助于地址分配算法的特性，使用IPv6地址生成的逆过程解析出MAC地址，舍弃地址解析流程，进一步对IPv6协议栈进行轻量化处理；
所述IPv6数据包的转发包括基于HPLC子网内转发和网关转发两部分。
2.根据权利要求1所述一种轻量化IPv6的HPLC网络传输方法，HPLC子网内转发其方法如下：
解析IPv6数据包目的地址得到目的MAC地址；根据HPLC网络中的路由表项进行路由转发；IPv6网络是在HPLC网络的建立基础上进行构建，网络拓扑模型为HPLC网络特有的树形拓扑。
3.根据权利要求1所述一种轻量化IPv6的HPLC网络传输方法，IPv6数据包的网关转发，其方法为：
CCO设备将HPLC接口或以太网接口接收到的不属于该接口网络前缀的数据包转发到另一个接口进行处理。
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