CN114866621A - Tsn与1553b协议安全转换装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种TSN与1553B协议安全转换装置和方法，该装置包括：TSN协议栈子模块、1553B协议栈子模块以及协议转换子模块；其中，1553B协议栈子模块与1553B总线连接，TSN协议栈子模块与TSN以太网连接；协议转换子模块用于从1553B协议栈子模块接收1553B消息，并将接收到的1553B消息分类、映射、封装为带VLAN的以太网广播报文，以经由TSN协议子模块流识别后根据流服务质量进行广播转发；并且其中，协议转换子模块还用于从TSN协议栈子模块接收以太网格式的1553B协议帧，并将接收到的以太网格式的1553B协议帧转换为1553B消息，以经由1553B协议栈子模块发送到1553B总线。
Description
技术领域
本发明涉及时间敏感网络TSN融合异构总线1553B的芯片实现领域，尤其涉及一种TSN与1553B协议安全转换装置和方法。
背景技术
IEEE 802.1TSN任务组定义了具有超低时延和抖动、高可靠的确定性时间敏感网络TSN。协议802.1Qbv及802.1Qci确保周期消息的实时性，802.1Qbu(802.3br)可解决非周期消息的实时性，802.1cb解决以太网的可靠性。以太网在解决了确定性和高可靠性问题后，因其低成本、高性能等特点被寄望应用于各个领域如工业互联网、车载、航空航天等，一些传统总线或网络正在向TSN网络迁移。
同时1553B总线因其实时性和可靠性在过去三四十年中被广泛用于航空、航天、兵器或船舶等系统中，但其最大只有1Mbps的带宽和越来越庞大复杂的系统导致其已经不能适应当前高度信息化和智能化的发展需要，而TSN可成为1553B一种比较理想的迁移升级技术。
1553B网络或设备在逐步向以太网迁移的过程中，如何实现1553B与以太网两个异构网络的转换方案及如何解决转换中的问题，如数据映射及转发、报文分类及调度(服务质量Qos)等，当前已经提出了不少的方法，如李文健等所著的专利《一种基于1553B协议的以太网通信系统》(公布号：CN108011797)将1553B消息映射到二层以太网帧中以解决数据映射和转发问题，在汪清等人所著的专利《兼容时间触发以太网与1553B的航天以太网通信方法》(公布号：CN105991384)中将1553B数据映射到时间触发以太网中(TTN)。
上文中提到的现有技术《一种基于1553B协议的以太网通信系统》解决了以太网帧和1553B数据的映射及转发问题，但是缺少了如何进行数据分类及如何实现以太网的实时性等Qos问题，同时使用单播转发数据无法实现1553B总线监测器(BM)设备的功能。《兼容时间触发以太网与1553B的航天以太网通信方法》将1553B数据映射到三层IP网络，实现复杂，且非周期的紧急数据的时延存在不确定性。同时以上两种方法缺少以太网安全性方面的考虑。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种TSN与1553B协议安全转换装置和方法，本发明比较完善地实现了TSN网络和1553B网络的兼容互通，保证1553B数据在以太网中传输的实时性和安全性，可实现1553B总线及设备RT、BC和BM到TSN的平滑迁移及其升级改造和扩展，或用作1553B的透明网桥设备。
为达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种TSN与1553B协议安全转换装置，其包括：TSN协议栈子模块、1553B协议栈子模块以及协议转换子模块；其中，所述1553B协议栈子模块与1553B总线连接，所述TSN协议栈子模块与TSN以太网连接；所述协议转换子模块用于从所述1553B协议栈子模块接收1553B消息，并将接收到的1553B消息分类、映射、封装为带VLAN的以太网广播报文，以经由所述TSN协议子模块流识别后根据流服务质量进行广播转发；并且其中，所述协议转换子模块还用于从所述TSN协议栈子模块接收以太网格式的1553B协议帧，并将接收到的以太网格式的1553B协议帧转换为1553B消息，以经由所述1553B协议栈子模块发送到1553B总线。
在进一步的技术方案中，所述协议转换子模块接收到1553B消息时，在完成地址、广播域、服务等级Cos映射后，将1553B消息作为以太网的载荷封装到以太网帧中，以交给所述TSN协议栈子模块进行转发处理。
在进一步的技术方案中，所述协议转换子模块在映射时，以太网目的MAC地址为广播地址，源MAC地址为发送1553B消息的1553B端口的虚拟MAC地址，为每个1553B总线指定一个VLAN ID，用VLAN的COS域表达1553B消息的分类结果，并利用EtherType进行1553B协议帧的识别。
在进一步的技术方案中，所述协议转换子模块根据1553B消息的命令字或者连同数据字内容对1553B消息进行分类，在所述TSN协议栈子模块和TSN网络，流识别通过{源MAC,VLAN ID，COS，EtherType}来完成，并由TSN网络完成各自的服务质量Qos。
在进一步的技术方案中，所述协议转换子模块接收到从以太网广播过来的以太网格式的1553B协议帧时，直接将包括VLAN域在内的以太网头及填充字段去除，得到1553B消息，然后转发给所述1553B协议栈子模块。
在进一步的技术方案中，通过所述协议转换子模块或所述TSN协议栈子模块将非1553B协议帧过滤掉。
在进一步的技术方案中，所述TSN协议栈子模块通过以太网进行数据转发时，使用MACSEC进行数据加密。
本发明还提供了一种TSN与1553B协议安全转换方法，其通过如上所述的装置实现TSN与1553B协议安全转换，其中，通过所述协议转换子模块从所述1553B协议栈子模块接收1553B消息，并将接收到的1553B消息分类、映射、封装为带VLAN的以太网广播报文，以经由所述TSN协议子模块流识别后根据流服务质量进行广播转发；并且其中，通过所述协议转换子模块从所述TSN协议栈子模块接收以太网格式的1553B协议帧，并将接收到的以太网格式的1553B协议帧转换为1553B消息，以经由所述1553B协议栈子模块发送到1553B总线。
附图说明
图1是本发明的TSN与1553B协议安全转换装置的系统框图；
图2是本发明的数据封装映射的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明的设计要点如下：
1.设置TSN协议栈模块、协议转换模块、1553B协议栈模块。
2.1553B设备发送数据时，协议转换模块完成地址、广播域、服务等级(Cos)映射后，将1553B消息作为以太网的载荷封装到以太网帧中，交给TSN协议栈模块进行处理。以太网设备向1553B设备发送消息时，协议转换模块进行解封后，将1553B消息交给1553B协议栈模块进行处理。
3.TSN协议栈模块负责完成以太网帧的加解密、交换转发及Qos保证，1553B协议栈模块完成1553B的数据收发。
图1为1553B与TSN协议转换系统抽象出来的系统模型，一端连接TSN以太网(具体地，通过TSN协议栈子模块与TSN以太网连接)，另一端连接1553B总线(具体地，通过1553B协议栈子模块连接1553B总线)，1553B总线采用指令/响应型通信协议，它有三种终端类型：总线控制器(BC)、远程终端(RT)和总线监视器(BM)。本发明的1553B与TSN协议转换系统主要由TSN协议栈子模块、协议转换子模块和1553B协议栈子模块组成。
TSN协议栈子模块主要实现二层以太网报文交换转发、加解密(Macsec/802.1AX)、及TSN协议栈等，确保以太网报文的安全性、可靠性，确保周期数据流、非周期紧急数据流和普通数据流(尽力交付的报文)等各类报文服务质量Qos(时延、抖动等时间确定性指标)。
本发明中的TSN协议栈子模块，其可通过支持TSN协议的以太网芯片来实现，也可以通过能够完成上述相应功能的其他硬件电路或者软件程序来实现。
1553B协议栈子模块主要实现1553B总线协议，将协议转换子模块发送过来1553B消息发送到1553B总线，同时接收所有1553B总线上的消息并发送到协议转换子模块，并进行差错控制。
本发明中的1553B协议栈子模块，其可通过支持1553B协议的1553B芯片来实现，也可以通过能够完成上述相应功能的其他硬件电路或者软件程序来实现。
协议转换子模块主要完成数据的封装和解封功能，从1553B端口过来的报文1553B消息经过映射、封装成为标准的802.1Q以太网广播报文，发送给TSN协议栈子模块进行广播转发。
在本发明中，总线监视器BM可以接收所有的1553B的消息，在映射到以太网后，以太网用广播的方式转发数据，无论是BM在以太网一侧还是在1553B一侧，都能接收到消息，从而兼顾了1553B总线监视器BM的功能。
图2示出了的数据封装映射的示意图，其中，VLAN MAC及EtherType都是以太网固定的格式，Tag Protocol Identifier(TPID)为标签协议识别符，Canonical FormatIndicator(CFI)为标准格式指示，VLAN Identifier(VLAN ID)为虚拟局域网识别符，cos是固定的，3bit，共有8个值，相当于8个服务等级。
如图2所示，映射时以太网目的MAC地址为广播地址、源MAC地址为该1553B端口的虚拟MAC地址，并为该1553B总线指定一个VLAN ID，VLAN的COS域根据1553B的内容(命令字或连同数据字内容)进行分类，分类的结果用cos表达，该过程即为映射，该COS用于识别不同流如周期数据、非周期紧急数据或其他类型数据等。自定义二层以太网类型EtherType用于1553B协议帧的识别，最后将1553B消息映射到以太网的净荷中。从以太网广播过来以太网格式的1553B协议帧，直接将包括VLAN域在内以太网头及填充字段去除后，得到1553B消息后转发给1553B协议栈子模块，而非1553B协议帧可以由本模块或TSN协议栈模块过滤掉。
关于本发明中的协议转换子模块，其可以通过能够完成上述相应功能的芯片、硬件电路来实现，也可以通过能够完成上述相应功能的软件程序来实现。
TSN协议栈子模块的流识别通过{源MAC,VLAN ID，COS,EtherType}来进行识别，并完成各自的服务质量Qos。
此外，以太网将数据转发给以太网的其它设备时，数据可以使用macsec进行加密，加密是(Macsec/802.1AX)协议完成的。
在本发明的实施方式中，提供了一种TSN与1553B协议安全转换装置，其包括：TSN协议栈子模块、1553B协议栈子模块以及协议转换子模块；其中，所述1553B协议栈子模块与1553B总线连接，所述TSN协议栈子模块与TSN以太网连接；所述协议转换子模块用于从所述1553B协议栈子模块接收1553B消息，并将接收到的1553B消息分类、映射、封装为带VLAN的以太网广播报文，以经由所述TSN协议子模块流识别后根据流服务质量进行广播转发；并且其中，所述协议转换子模块用于从所述TSN协议栈子模块接收以太网格式的1553B协议帧，并将接收到的以太网格式的1553B协议帧转换为1553B消息，以经由所述1553B协议栈子模块发送到1553B总线。
在进一步的技术方案中，所述协议转换子模块接收到1553B消息时，在完成地址、广播域、服务等级Cos映射后，将1553B消息作为以太网的载荷封装到以太网帧中，以交给所述TSN协议栈子模块进行转发处理。
在进一步的技术方案中，所述协议转换子模块在映射时，以太网目的MAC地址为广播地址，源MAC地址为发送1553B消息的1553B端口的虚拟MAC地址，为每个1553B总线指定一个VLAN ID，用VLAN的COS域表达1553B消息的分类结果，并利用EtherType进行1553B协议帧的识别。
在进一步的技术方案中，所述协议转换子模块根据1553B消息的命令字或者连同数据字内容对1553B消息进行分类，在所述TSN协议栈子模块和TSN网络，流识别通过{源MAC,VLAN ID，COS，EtherType}来完成，并由TSN网络完成各自的服务质量Qos。
在进一步的技术方案中，所述协议转换子模块接收到从以太网广播过来的以太网格式的1553B协议帧时，直接将包括VLAN域在内的以太网头及填充字段去除，得到1553B消息，然后转发给所述1553B协议栈子模块。
在进一步的技术方案中，通过所述协议转换子模块或所述TSN协议栈子模块将非1553B协议帧过滤掉。
在进一步的技术方案中，所述TSN协议栈子模块通过以太网进行数据转发时，使用MACSEC进行数据加密。
本发明的实施方式还提供了一种TSN与1553B协议安全转换方法，其通过如上所述的装置实现TSN与1553B协议安全转换，其中，通过所述协议转换子模块从所述1553B协议栈子模块接收1553B消息，并将接收到的1553B消息分类、映射、封装为带VLAN的以太网广播报文，以经由所述TSN协议子模块流识别后根据流服务质量进行广播转发；并且其中，通过所述协议转换子模块从所述TSN协议栈子模块接收以太网格式的1553B协议帧，并将接收到的以太网格式的1553B协议帧转换为1553B消息，以经由所述1553B协议栈子模块发送到1553B总线。
本发明依照TSN协议栈的要求提出了完善的1553B到以太网映射封装方案，根据1553B共享总线的特点提出了在以太网中对1553B数据进行广播转发的方案，既保证了1553B数据在以太网传输的实时性，也兼顾了1553B总线监视器BM的功能。同时使用MACSEC进行数据加密，避免数据遭到泄露和破坏。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种TSN与1553B协议安全转换装置，其特征在于，包括：TSN协议栈子模块、1553B协议栈子模块以及协议转换子模块；其中，
所述1553B协议栈子模块与1553B总线连接，所述TSN协议栈子模块与TSN以太网连接；
所述协议转换子模块用于从所述1553B协议栈子模块接收1553B消息，并将接收到的1553B消息分类、映射、封装为带VLAN的以太网广播报文，以经由所述TSN协议子模块流识别后根据流服务质量进行广播转发；并且其中，
所述协议转换子模块还用于从所述TSN协议栈子模块接收以太网格式的1553B协议帧，并将接收到的以太网格式的1553B协议帧转换为1553B消息，以经由所述1553B协议栈子模块发送到1553B总线。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述协议转换子模块接收到1553B消息时，在完成地址、广播域、服务等级Cos映射后，将1553B消息作为以太网的载荷封装到以太网帧中，以交给所述TSN协议栈子模块进行转发处理。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述协议转换子模块在映射时，以太网目的MAC地址为广播地址，源MAC地址为发送1553B消息的1553B端口的虚拟MAC地址，为每个1553B总线指定一个VLAN ID，用VLAN的COS域表达1553B消息的分类结果，并利用EtherType进行1553B协议帧的识别。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述协议转换子模块根据1553B消息的命令字或者连同数据字内容对1553B消息进行分类，在所述TSN协议栈子模块和TSN网络，流识别通过{源MAC,VLAN ID，COS，EtherType}来完成，并由TSN网络完成各自的服务质量Qos。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述协议转换子模块接收到从以太网广播过来的以太网格式的1553B协议帧时，直接将包括VLAN域在内的以太网头及填充字段去除，得到1553B消息，然后转发给所述1553B协议栈子模块。
6.根据权利要求5中所述的装置，其特征在于，通过所述协议转换子模块或所述TSN协议栈子模块将非1553B协议帧过滤掉。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其特征在于，所述TSN协议栈子模块通过以太网进行数据转发时，使用MACSEC进行数据加密。
8.一种TSN与1553B协议安全转换方法，其特征在于，通过如权利要求1-7中任一项所述的装置实现TSN与1553B协议安全转换，其中，
通过所述协议转换子模块从所述1553B协议栈子模块接收1553B消息，并将接收到的1553B消息分类、映射、封装为带VLAN的以太网广播报文，以经由所述TSN协议子模块流识别后根据流服务质量进行广播转发；并且其中，
通过所述协议转换子模块从所述TSN协议栈子模块接收以太网格式的1553B协议帧，并将接收到的以太网格式的1553B协议帧转换为1553B消息，以经由所述1553B协议栈子模块发送到1553B总线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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