CN117834749A - 5g网络与工业现场网络融合的协议转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种5G网络与工业现场网络融合的协议转换方法，属于工业网络通信领域。该方法包括：若干工业现场网络通信单元将数据发送至工业多网络融合新型网关，工业多网络融合新型网关根据数据特征进行协议识别；工业多网络融合新型网关根据协议识别结果将工业现场网络数据转换为5G网络数据；工业多网络融合新型网关根据转换后的数据优先级与剩余时间对转换后的数据流进行多因素传输队列优先级计算以获得每条数据流在5G传输队列的优先级；工业多网络融合新型网关根据每条数据流在5G传输队列排序后的优先级将数据发送到5G网络中。本方法可以实现5G网络与工业现场网络协议数据的有效转换，并确保异构网络数据流传输的实时性和可靠性。

Description

5G网络与工业现场网络融合的协议转换方法

技术领域

本发明属于工业网络通信领域，涉及一种5G网络与工业现场网络融合的协议转换方法。

背景技术

随着工业物联网技术的快速发展，越来越多的工业现场设备需要进行互联互通，以满足智能工厂数字化新需求。然而工业现场设备具有协议众多、系统尺度和维度各异等特点，使工业现场网络呈现异质异构的特征，导致工业现场设备间网络互联互通难且传输效率低的问题。同时，工业异构物联网缺乏高效的融合组网架构，难以应对工业生产中实时协同控制任务的需要，这些问题严重制约了工业物联网和智能工厂的发展。

工业多网络融合新型网关作为工业物联网的关口设备，具备数据融合、协议转换、数据转发等一系列功能，是异协议设备间沟通的桥梁，可以实现不同协议设备间的互联互通，降低工业现场总线的复杂度，解决制约智能工厂和工业物联网深度融合发展的现实问题。因此，工业多网络融合新型网关成为了现代工业物联网发展的核心设备，也成为了现代工业物联网融合的重要发展方向。

此外，随着工业现场设备移动性数据采集传输需求的日益增加，工业现场应用场景中，往往需要将不同传统工业传输协议转换为无线通信协议，同时保证数据传输速率、时延稳定性等要求。而5G网络因其大带宽、低时延、高可靠性等特性，可以满足工业设备的灵活性、移动性等需求，推动各类工业设备的无线化应用。因此，设计传统工业现场网络与5G网络协议转换方法，同时保证不同协议之间转换和传输的时延确定性，为打造智能工厂提供重要技术支撑，成为了当下的热点方向。

如申请号为202210423214.4的现有技术提出了一种5G和Modbus协议适配装置及方法，该现有技术提出了一种5G和Modbus间的协议适配方法，但是该方法仅适用于5G和Modbus的协议转换。然而，随着工业现场设备移动性数据采集传输需求的日益增加，工业现场应用场景中，往往需要将不同传统工业传输协议转换为无线通信协议，同时保证数据传输速率、时延稳定性等要求，仅适用于5G和Modbus的协议适配方法仍不满足工业网络现场的实际需求。

又如申请号为202223216666.X的现有技术提出了一种具有5G通讯接口的多协议转换模块，该现有技术通过将多个模块将不同协议的工业设备与5G网络进行转换。此外，工业现场网络与5G网络转换时通常涉及帧格式转换、优先级映射、地址映射和流标签映射等操作，然后根据映射后数据流的优先级为协议转换后的5G网络数据排列出5G传输队列优先级。然而，为确保数据流传输的实时性和可靠性，需要在协议转换后设计综合考虑多维因素的传输队列构建方法，目前现有技术普遍只考虑单因素的5G传输队列优先级排序方法，未考虑传输或协议转换为数据带来的动态优先级影响。因此，单纯的设置多个协议转换接口仍无法满足工业网络现场的实际需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种工业现场网络协议与5G网络协议的转换方法，旨在工业现场网络与5G网络异构组网的场景下，将多个传统工业现场网络协议转换为5G网络协议，实现工业现场网络与5G网络的互联互通，并保证网络数据流传输的可靠性和确定性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种5G网络与工业现场网络融合的协议转换方法，该方法至少配置有“1+X”协议转换模型，“1+X”协议转换模型搭载于工业多网络融合新型网关内，以辅助该方法实施如下步骤：

S1、若干个工业现场网络通信单元将数据发送至该工业多网络融合新型网关，并由工业多网络融合新型网关根据数据特征进行协议识别；

S2、工业多网络融合新型网关根据协议识别结果以优先级映射、地址映射、流标签映射以及帧格式转换的方式将工业现场网络数据转换为5G网络数据；

S3、工业多网络融合新型网关根据转换后的数据优先级与剩余时间对转换后的数据流进行多因素传输队列优先级计算以获得每条数据流在5G传输队列的优先级；

S4、工业多网络融合新型网关根据每条数据流在5G传输队列排序后的优先级将数据发送到5G网络中。

进一步地，在步骤S2中，该方法将工业网络数据转换为5G网络数据的具体步骤为：

S21、工业多网络融合新型网关结合工业现场网络数据与5G网络数据的特征，根据工业现场网络数据的数据类型和通信模式设计优先级映射规则，其包括：工业现场网络数据的数据类型优先级从高到低依次为实时周期数据、实时非周期数据、非实时数据和配置数据；工业现场网络数据的通信模式中P/S通信模式优先级高于C/S通信模式；基于上述优先级映射规则，生成对应的优先级映射表，其中，数据类型为实时周期数据、VCR类型为P/S的数据的优先级值P为0，流量类型值为CS0；数据类型为实时周期数据、VCR类型为C/S的数据的优先级值P为1，流量类型值为CS1；数据类型为实时非周期数据、VCR类型为P/S的数据的优先级值P为2，流量类型值为CS2；数据类型为实时非周期数据、VCR类型为C/S的数据的优先级值P为3，流量类型值为CS3；数据类型为非实时数据、VCR类型为P/S的数据的优先级值P为4，流量类型值为CS4；数据类型为非实时数据、VCR类型为C/S的数据的优先级值P为5，流量类型值为CS5；数据类型为配置数据、VCR类型为P/S的数据的优先级值P为6，流量类型值为CS6；数据类型为配置数据、VCR类型为C/S的数据的优先级值P为7，流量类型值为CS7；优先级映射表如下所示：

工业多网络融合新型网关根据优先级映射表在工业现场网络数据转换为5G网络数据时将数据类型和VCR类型填充至对应的流量类型字段中。

S22、工业多网络融合新型网关将5G网络数据中的IPv6地址的前三位设置为全球单播地址前缀，将工业现场网络数据对应的节点地址填充至IPv6地址的低m位，并在IPv6地址的其余位置填充零；其中，m表示工业现场网络数据对应的节点地址的长度。

S23、工业多网络融合新型网关将工业现场网络数据中的VCR_ID填充至5G网络数据的IPv6流标签的低14位，将工业现场网络数据中自定义的网络协议类型填充至IPv6流标签的高6位，以获得整体网络中的唯一数据流标识。

S24、工业多网络融合新型网关分别将具有物理层、数据链路层和应用层的三层工业网络协议帧结构的数据帧和具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的五层工业网络协议帧结构的数据帧，转换为具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的5G网络终端设备帧。

进一步地，在步骤S3中，该方法获取每条数据流在5G传输队列的优先级的具体步骤为：

S31、用户设定期望协议转换时间T’_Nt，p，该时间为用户所能容忍的最大工业多网络融合新型网关的协议转换处理时间。

S32、工业多网络融合新型网关计算转换完成后的数据流的剩余时间TS_Nt，P，工业多网络融合新型网关根据实际的读取缓存时间T’_Nt，P，r、实际的判断协议类型时间T’_Nt，P，d和实际的转换执行时间T’_Nt，P，t计算出剩余时间TS_Nt，P，公式为：

TS_Nt，P＝T’_Nt，P-T’_Nt，P，r-T’_Nt，P，d-T’_Nt，P，t (1)

S33、工业多网络融合新型网关定义二元函数F(TS_Nt，P，P)，其中P为转换后的数据优先级，每条数据流在5G传输队列的优先级由剩余时间TS_Nt，P和优先级P两个影响因素共同计算得出；定义剩余时间TS_Nt，P的权重系数为α和优先级P的权重系数为β(α+β＝1)，从而每条数据流在5G传输队列的优先级值P_S为：

P_S＝F(TS_Nt，P，P)＝α·TS_Nt，P+β·P (2)

优先级值PS越小，则对应的数据流优先级越高。在剩余时间TS_Nt，P越接近0和数据流本身的优先级P越高的应用场景下，用户应该同时重视剩余时间TS_Nt，P和数据流本身的优先级P，应该设置权重系数α＝β＝0.5。在剩余时间TS_Nt，P越接近0的应用场景下，用户应该更加重视剩余时间TS_Nt，P，应该设置权重系数0≤α≤0.5。在数据流本身的优先级P越高的应用场景下，用户应该更加重视数据流本身的优先级P，应该设置权重系数0≤β≤0.5。

进一步地，该“1+X”协议转换模型中的“1”指5G网络协议；“X”指工业现场网络中的若干通信协议的任意一种或多种。

更具体地，该“1+X”协议转换模型中的“X”指CAN网络、AUTBUS网络、HART网络、Modbus RTU网络、WIA-PA网络、WIA-FA网络、Modbus TCP网络、Powerlink网络、Profinet网络和6TiSCH网络中的一种或多种。

进一步地，所述方法通过所述“1+X”协议转换模型以“多协议同步转换”的方式进行工业现场网络数据到5G网络数据或5G网络数据到工业现场网络数据的数据转换。

本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种“1+X”协议转换模型。通过该模型，能实现5G网络协议与多个工业现场网络协议间的同步转换。

本发明提出了一种基于多因素的5G传输队列构建方法。完成多协议映射转换后，根据数据流的多维因素，为转换后的数据流计算动态优先级，并根据动态优先级构建5G传输队列，保证数据流传输时延确定性和可靠性。

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为本发明的5G网络与工业现场网络融合的异构网络架构示意图；

图2为本发明的“1+X”协议转换模型简化结构是示意图；

图3为本发明的5G网络与工业现场网络转换方法的功能结构示意图；

图4为本发明的5G网络与工业现场网络的协议转换方法的简化流程图；

图5为本发明的工业多网络融合新型网关并行处理简化示意图；

图6为本发明的工业现场网络地址与5G网络IPv6地址寻址示意图；

图7为本发明的三层工业网络协议帧结构与5G网络终端设备帧结构转换示意图；

图8为本发明的五层工业网络协议帧结构与5G网络终端设备帧结构转换示意图；

图9为本发明的整网转换5G帧格式的简化结构示意图；

图10为本发明的工业现场网络节点地址与IPv6地址映射简化结构示意图。

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10，为一种协议转换方法。具体包括对应的两种帧格式转换，针对不同的帧格式转换方法设计不同的优先级映射、地址映射和流识别映射等。这些方法将为5G网络与工业现场网络的相互转换提供可靠的解决方案。

本发明结合5G网络与工业现场网络融合的协议转换方法提出一种适用于工业现场网络与5G网络异构组网的场景的5G网络与工业现场网络融合的异构网络架构。

根据图1示出的5G网络与工业现场网络融合的异构网络架构示意图，在该组网场景中，数据首先由工业现场网络的终端节点采集环境数据产生，并通过工业多网络融合新型网关设备转换为5G网络数据，然后进入5G网络经由基站和核心网将数据转发到云平台，最后云平台将收到的5G网络数据经由核心网和基站转发到工业多网络融合新型网关设备，通过工业多网络融合新型网关设备将5G数据转换为对应的工业现场网络数据，然后将对应的工业现场网络数据转发到目的网络。

进一步地，针对这类场景，本发明提出了一种“1+X”协议转换模型，如图2所示，“1+X”协议转换模型中的“1”指工业多网络融合新型网关设备北向支持5G网络；“X”指工业多网络融合新型网关设备南向输入的是工业现场网络若干通信协议的任意一种，CAN网络、AUTBUS网络、HART网络、Modbus RTU网络、WIA-PA网络、WIA-FA网络、Modbus TCP网络、Powerlink网络、Profinet网络和6TiSCH网络等。

5G网络与工业现场网络转换方法的总体结构如图3所示，它主要由5G网络通信单元、工业多网络融合新型网关和工业现场网络通信单元组成。其中，工业多网络融合新型网关内的协议转换单元按照上述方式进行配置。

进一步地，工业现场网络通信单元包括但不限于AUTBUS通信单元、Modbus TCP通信单元、CAN通信单元、WIA-PA通信单元、WIA-FA通信单元和6TiSCH通信单元等。

具体地，AUTBUS通信单元由AUTBUS通信模块组成、Modbus TCP通信单元由ModbusTCP通信模块组成、CAN通信单元由CAN通信模块组成、WIA-PA通信单元由WIA-PA通信模块组成、WIA-FA通信单元由WIA-FA通信模块组成和6TiSCH通信单元由6TiSCH通信模块组成，它们主要负责完成以下任务：接收对应网络节点的数据，并转发到协议转换单元，同时接收协议转换单元转换后的5G网络数据。

进一步地，协议转换单元是实现AUTBUS协议、Modbus TCP协议、CAN协议、WIA-PA协议、WIA-FA协议和6TiSCH协议等协议与5G协议转换的核心模块，它的主要任务是实现AUTBUS-5G、Modbus TCP-5G、CAN-5G、WIA-PA-5G、WIA-FA-5G和6TiSCH-5G等两种不同协议数据的转换。为了解决两个网络在协议结构、帧格式、数据优先级和寻址方式等方面的不同，协议转换单元需要实现以下四种功能：帧格式转换、优先级映射、地址映射和流标签映射。其中，不同工业现场网络协议帧格式定义差异较大，CAN、AUTBUS、HART和Modbus RTU定义了物理层、数据链路层和应用层，5G、WIA-PA、WIA-FA、Modbus TCP、Powerlink、Profinet和6TiSCH定义了物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。根据不同工业网络协议帧格式与5G网络协议帧格式的差异提供一种帧格式转换方法：使用具有物理层、数据链路层和应用层的CAN、AUTBUS、HART和Modbus RTU帧结构与具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的5G帧结构进行转换；使用具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的WIA-PA、WIA-FA、Modbus TCP、Powerlink、Profinet和6TiSCH与具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的5G帧结构进行转换；优先级映射需要考虑5G网络和工业现场网络在工业现场的应用场景的不同，实现5G网络和工业现场网络之间多种优先级的映射，保证数据流的优先级特性在网络间转换后不变；地址映射则需要实现工业现场网络与5G网络的跨网寻址，将工业现场网络的地址与5G网络的地址进行映射；工业现场网络根据自身网络特点来识别网络中一条数据流，5G网络中采用流标签来进行数据流标识，根据流标签标识方法可在工业现场网络和5G网络中标识一条数据流，保证每条数据流在整个网络中能唯一识别。

进一步地，5G网络通信单元主要负责保证转换后的工业现场网络数据流按照5G网络规则转发，同时接收5G网络的数据流并转发至协议转换单元，确保整个网络的数据流畅通无阻。

在该协议转换模型中，首先若干个工业现场网络通信单元将数据发送到工业多网络融合新型网关设备中，其次工业多网络融合新型网关设备在数据进行协议转换之前需要根据每个工业现场网络的数据特征对数据进行协议识别，在协议识别之后将工业现场网络数据转换为5G网络数据，然后基于多因素的5G传输队列优先级排序方法为协议转换后的5G网络数据排列出5G传输队列统一的优先级，最后根据排列出的统一的优先级依次发送转换完成的5G网络数据到5G网络通信单元。

进一步地，基于该场景下的网络架构，本发明的5G网络与工业现场网络融合的协议转换方法至少配置有“1+X”协议转换模型，“1+X”协议转换模型搭载于工业多网络融合新型网关内，以辅助该方法实施如下步骤：

S1、若干个工业现场网络通信单元将数据发送至该工业多网络融合新型网关，并由工业多网络融合新型网关根据数据特征进行协议识别；

S2、工业多网络融合新型网关根据协议识别结果以优先级映射、地址映射、流标签映射以及帧格式转换的方式将工业现场网络数据转换为5G网络数据；

S3、工业多网络融合新型网关根据转换后的数据优先级与剩余时间对转换后的数据流进行多因素传输队列优先级计算以获得每条数据流在5G传输队列的优先级；

S4、工业多网络融合新型网关根据每条数据流在5G传输队列排序后的优先级将数据发送到5G网络中。

具体而言，5G网络与工业现场网络的协议转换方法总体流程图如图4所示。具体流程如下：

步骤a：一个主进程创建多个线程，读取缓存，判别工业现场网络数据类型；

步骤b：工业多网络融合新型网关接收来自工业现场网络通信模块的通信数据包，并进行特征信息提取，包括地址信息、优先级信息和传输模式等信息；

步骤c：工业多网络融合新型网关对工业现场网络数据进行5G网络IPv6层的优先级映射，以保证数据能够在5G网络中按照预定的优先级进行传输；

步骤d：工业多网络融合新型网关对工业现场网络数据进行5G网络IPv6层的地址和流标签映射；

步骤e：工业多网络融合新型网关生成帧的其余首部结构，完成帧结构转换，并封装为对应的5G网络数据；

步骤f：工业多网络融合新型网关基于多因素的传输队列优先级排序方法将转换后的5G网络数据流传输至5G网络。

通过以上流程，5G网络与工业现场网络协议转换可以实现数据的有效转换，并确保异构网络数据流传输的实时性和可靠性。

进一步地，为了优化工业现场网络与5G网络之间的协议转换，设计并行处理方法，不仅可以同时进行工业现场网络与5G网络之间的协议转换，而且提高了多种协议转换同时进行时的转换速度。工业多网络融合新型网关通过相应接口连接工业现场网络设备，主进程下存在每个工业现场网络协议转换线程，通过系统调用接口访问设备以获取每个工业现场网络设备数据，并行处理设计如图5所示。

工业多网络融合新型网关根据不同协议转换任务需求，利用操作系统和DPDK多线程技术，绑定不同应用程序到特定处理器，协同完成协议转换任务。线程读取相应缓存，判别工业现场网络数据类型与有效性，将工业现场网络数据转换为5G网络数据，然后基于多因素的5G传输队列优先级排序方法为协议转换后的5G网络数据排列出5G传输队列统一的优先级，最后根据排列出的统一的优先级依次发送转换完成的5G网络数据。

为了实现工业现场网络数据与5G网络数据之间的跨网传输，需要对工业现场网络数据流帧格式中各层特性进行转换和填充。通常，协议转换包括地址映射、优先级映射、流标签映射和数据段填充，协议转换单元中的转换过程是可逆的。

进一步地，在步骤S2中，该方法将工业网络数据转换为5G网络数据的具体步骤为：

S21、工业多网络融合新型网关结合工业现场网络数据与5G网络数据的特征，根据工业现场网络数据的数据类型和通信模式设计优先级映射规则，其包括：工业现场网络数据的数据类型优先级从高到低依次为实时周期数据、实时非周期数据、非实时数据和配置数据；工业现场网络数据的通信模式中P/S通信模式优先级高于C/S通信模式；基于上述优先级映射规则，生成对应的优先级映射表。

具体而言，本发明针对工业现场网络和5G网络对数据类型定义和传输要求不同，工业现场网络数据优先级与5G网络数据优先级不能一一对应，为了工业现场网络数据在协议转换前后服务质量的保持和保障高优先级数据流传输的实时性，本发明结合工业现场网络数据与5G网络数据的特点，设计优先级映射规则。IPv6协议包含流量类型字段，用以设定优先级。流量类型字段有8位。而工业现场网络中有不同的数据类型，如实时数据、非实时数据和配置数据等，需要针对不同数据类型优先级映射至IPv6流量类型字段。因此，本发明通过分析工业现场网络数据类型和IPv6报头优先级字段，并生成对应的优先级映射表。

本发明将工业现场网络数据定义为四种数据类型，即实时周期数据、实时非周期数据、非实时数据和配置数据，工业现场网络数据类型优先级从高到低依次为实时周期数据、实时非周期数据、非实时数据和配置数据。在同种数据类型中，采用P/S(Publisher/Subscriber，发布/订阅通信模式)通信模型发送的数据具有较高优先级，而采用C/S(Client/Server，客户机/服务器通信模式)通信模型发送的数据则具有较低的优先级。5G网络IPv6优先级P最低优先级级别值对应于最高优先级。IPv6通过1个字节的流量类型字段定义数据优先级，流量类型字段可利用差分服务点(Differentiated Services CodePoint，DSCP)来保证数据的服务质量。DSCP使用6个比特来标识数据流优先级，高三位比特用于表示CS0-CS7优先级。

因此，本发明结合工业现场网络应用层数据包类型与VCR类型两个数据特征，将其映射至5G网络IPv6流量类型字段以保障工业现场网络数据在5G网络中数据传输的优先级。工业现场网络数据优先级与5G网络IPv6优先级P映射关系如表1所示。

表1

工业现场网络根据4种数据类型和2种VCR类型将优先级映射至5G网络IPv6流量类型字段。实时周期数据按照P/S和C/S不同VCR类型分别映射为5G网络IPv6优先级CS0和CS1，实时非周期数据按照P/S和C/S不同VCR类型分别映射为5G网络IPv6优先级CS2和CS3，非实时数据按照P/S和C/S不同VCR类型分别映射为5G网络IPv6优先级CS4和CS5，配置数据按照P/S和C/S不同VCR类型分别映射为5G网络IPv6优先级CS6和CS7。

S22、工业多网络融合新型网关将5G网络数据中的IPv6地址的前三位设置为全球单播地址前缀，将工业现场网络数据对应的节点地址填充至IPv6地址的低m位，并在IPv6地址的其余位置填充零；其中，m表示工业现场网络数据对应的节点地址的长度。

具体而言，本发明使用网络层IPv6地址寻址，为了在工业现场网络网内使用对应的地址进行寻址，并且使得工业现场网络节点与5G网络节点之间能够相互访问，需要设计一种工业现场网络对应的地址与IPv6地址的映射方法。工业现场网络对应的地址与IPv6地址寻址示意图如图6所示。

当工业现场网络节点需要访问5G网络中的云平台时，工业多网络融合新型网关将工业现场网络对应的地址映射为对应的IPv6地址，通过5G网络传输到云平台。当云平台需要访问工业现场网络中的节点时，云平台将目的IPv6地址发送到工业多网络融合新型网关，并根据地址映射规则从IPv6地址中提取出工业现场网络对应的目的地址，然后将数据流按照工业现场网络与5G网络的映射规则重新生成对应的工业现场网络数据流，并转发到对应的工业现场网络网内对应的节点。

IPv6地址总共包含16字节，也就是128位，通常分为8段，每段包含两个字节。IPv6的寻址方式包括单播地址、组播地址和任播地址。在单播地址中，又有全球单播地址、本地单播地址、兼容性地址和特殊地址。全球单播地址等同于IPv4中的公网地址，可以在IPv6网络上进行全局路由和访问。这种地址类型允许路由前缀的聚合，从而限制了全球路由表项的数量。在进行地址映射的过程中，由于IPv6地址类型由地址前缀部分决定，将IPv6地址的前3位设置为全球单播地址前缀，同时将工业现场网络节点对应的地址填充到IPv6地址的低m位，剩余部分填充0。工业现场网络地址与IPv6地址映射如图10所示。这样，通过遵循地址映射规则，5G网络能够利用IPv6地址直接访问工业现场网络内的任何节点。

S23、工业多网络融合新型网关将工业现场网络数据中的VCR_ID填充至5G网络数据的IPv6流标签的低14位，将工业现场网络数据中自定义的网络协议类型填充至IPv6流标签的高6位，以获得整体网络中的唯一数据流标识。

具体而言，工业现场网络根据自身网络特点来识别网络中一条数据流，5G网络中采用流标签来进行数据流标识，根据流标签标识方法可在工业现场网络和5G网络中标识一条数据流，保证每条数据流在整个网络中能唯一识别。

工业现场网络中通过虚拟通信关系VCR定义不同的工业现场设备的应用对象之间的数据通信，其中VCR_ID(Virtual Communication Relationship Identifier，VCR标识)用于标识VCR，包括两个应用对象地址和类型等属性信息，相同两个工业现场设备可通过VCR关系产生多种不同类型数据，因此通过VCR_ID可唯一标识工业现场网络设备之间的一条数据。在5G网络中通过20位的IPv6流标签字段提出了流的概念，在5G网络中可对该条数据流进行特殊处理，因此通过流标签可以提供不同的服务质量保持。

本发明设计VCR_ID与流标签转换，流标签低14位填充工业现场网络的VCR_ID，从而实现VCR_ID与流标签的映射。为实现工业现场网络协议5G网络IPv6的协议转换，还需要在流标签中加入工业现场网络协议特性以在5G网络中区分不同协议数据流，因此在IPv6流标签高6位填充自定义的工业现场网络协议类型。本发明通过工业现场网络的VCR_ID和协议类型与5G网络IPv6流标签的映射，实现了在工业现场网络和5G网络中的唯一数据流标识。

S24、工业多网络融合新型网关分别将具有物理层、数据链路层和应用层的三层工业网络协议帧结构的数据帧和具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的五层工业网络协议帧结构的数据帧，转换为具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的5G网络终端设备帧。

具体而言，为了实现5G网络与工业现场网络之间数据的跨网传输，需要考虑5G网络与对应网络之间协议结构的巨大差异性以及通用帧格式定义的不同，本发明设计了一种帧格式转换方法。

本发明根据不同工业网络协议帧格式与5G网络协议帧格式的差异提供一种帧格式转换方法：工业多网络融合新型网关使用具有物理层、数据链路层和应用层的CAN、AUTBUS、HART和Modbus RTU的三层工业网络协议帧结构与具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的5G网络终端设备帧结构进行转换，如图7所示；工业多网络融合新型网关使用具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的WIA-PA、WIA-FA、ModbusTCP、Powerlink、Profinet和6TiSCH的五层工业网络协议帧结构与具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的5G网络终端设备帧结构进行转换，如图8所示。在整个转换过程中，工业多网络融合新型网关需要提取具有物理层、数据链路层和应用层的CAN、AUTBUS、HART和Modbus RTU帧结构和具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的WIA-PA、WIA-FA、Modbus TCP、Powerlink、Profinet和6TiSCH帧结构中的关键数据部分，在进行映射过后按照5G网络IPv6协议格式组装成新的数据，最后将整个数据转发到5G网络中。这种方法可以实现CAN网络、AUTBUS网络、HART网络、Modbus RTU网络、WIA-PA网络、WIA-FA网络、Modbus TCP网络、Powerlink网络、Profinet网络和6TiSCH网络到5G网络的整体转换，同时能够利用IPv6协议中的寻址和路由机制，方便网络管理和维护。在传输层的选择上，虽然TCP协议可以通过多种机制保障数据传输的可靠性，但是对于网络的资源会带来一定的浪费，并且实时性也不如UDP协议高。因此，传输层选择了UDP协议。

在传输层方面，工业多网络融合新型网关需要将工业现场网络中的应用数据填充到UDP负载中。在网络层方面，工业多网络融合新型网关需要将工业现场网络中的地址转换为IPv6地址并且将工业现场网络中的优先级映射到流量类型字段中。如图9所示，应用数据、地址和流量类型字段需要根据工业现场网络字段映射关系填充。

进一步地，在步骤S3中，该方法获取每条数据流在5G传输队列的优先级的具体步骤为：

S31、用户设定期望协议转换时间T’_Nt，p，该时间为用户所能容忍的最大工业多网络融合新型网关的协议转换处理时间。

S32、工业多网络融合新型网关计算转换完成后的数据流的剩余时间TS_Nt，P，工业多网络融合新型网关根据实际的读取缓存时间T’_Nt，P，r、实际的判断协议类型时间T’_Nt，P，d和实际的转换执行时间T’_Nt，P，t计算出剩余时间TS_Nt，P，公式为：

TS_Nt，P＝T’_Nt，P-T’_Nt，P，r-T’_Nt，P，d-T’_Nt，P，t (1)

S33、工业多网络融合新型网关定义二元函数F(TS_Nt，P，P)，其中P为转换后的数据优先级，每条数据流在5G传输队列的优先级由剩余时间TS_Nt，P和优先级P两个影响因素共同计算得出；定义剩余时间TS_Nt，P的权重系数为α和优先级P的权重系数为β(α+β＝1)，从而每条数据流在5G传输队列的优先级值P_S为：

P_S＝F(TS_Nt，P，P)＝α·TS_Nt，P+β·P (2)

优先级值P_S越小，则对应的数据流优先级越高。在剩余时间TS_Nt，P越接近0和数据流本身的优先级P越高的应用场景下，用户应该同时重视剩余时间TS_Nt，P和数据流本身的优先级P，应该设置权重系数α＝β＝0.5。在剩余时间TS_Nt，P越接近0的应用场景下，用户应该更加重视剩余时间TS_Nt，P，应该设置权重系数0≤α≤0.5。在数据流本身的优先级P越高的应用场景下，用户应该更加重视数据流本身的优先级P，应该设置权重系数0≤β≤0.5。

本发明为了确保经过工业多网络融合新型网关的异构网络数据流传输时延确定性和可靠性，工业多网络融合新型网关根据剩余时间TS_Nt，P，能够将具有较紧迫截止时间的数据置于优先级较高的位置，以确保这些数据能够按时传输，满足实时应用的需求；同时，工业多网络融合新型网关根据数据流本身的优先级P，能够确保重要数据的优先传输，以满足业务的关键需求。这样的优先级排序方法可以最大化带宽利用率，提高通信效率。

不同的工业现场网络可能具有多种类型的数据流，并且每种数据流都有其特定的优先级，每种优先级的数据流都具有确定的经过工业多网络融合新型网关的协议转换时间，经过工业多网络融合新型网关的协议转换时间包括读取缓存时间、判断协议类型时间、转换执行时间和排队传输时间。

当这些数据流需要经过工业多网络融合新型网关设备进行协议转换以适配5G网络时，用户设置经过工业多网络融合新型网关的协议转换时间T’_Nt，p(T’_Nt，P，r+T’_Nt，P，d+T’_Nt，P，t≤T’_Nt，P)，实际的读取缓存时间T’_Nt，P，r、实际的判断协议类型时间T’_Nt，P，d和实际的转换执行时间T’_Nt，P，t与剩余时间TS_Nt，P的关系，如公式(1)所示。

本发明根据剩余时间TS_NT，P和数据流本身的优先级P两个因素，设计了一种基于多因素的传输队列优先级排序方法。在这种方法中，数据流本身的优先级P越高和剩余时间TS_Nt，P越短的数据流将被优先传输，数据流本身的优先级P越低和剩余时间TS_Nt，P越长的数据流将被推迟或放在队列的末尾传输。对于数据流的5G传输队列优先级P_S，本发明定义一个二元函数F(TS_Nt，P，P)，其由剩余时间TS_Nt，P和优先级P两个影响因素共同计算得出，并且根据具体的应用场景和用户需求，本发明定义剩余时间TS_Nt，P的权重系数为α和优先级P的权重系数为β(α+β＝1)。在剩余时间TS_Nt，P越接近0和数据流本身的优先级P越高的应用场景下，用户应该同时重视剩余时间TS_Nt，P和数据流本身的优先级P，应该设置权重系数α＝β＝0.5。在剩余时间TS_Nt，P越接近0的应用场景下，用户应该更加重视剩余时间TS_Nt，P，应该设置权重系数0≤α≤0.5。在数据流本身的优先级P越高的应用场景下，用户应该更加重视数据流本身的优先级P，应该设置权重系数0≤β≤0.5，数据流的传输队列优先级P_S如公式(2)所示。

工业多网络融合新型网关通过公式(1)和(2)计算出每条数据流在5G传输队列的优先级P_S并将优先级从小到大排序。若数据流在工业多网络融合新型网关的5G传输队列的优先级P_S相同，则在优先级P_S的基础上，工业多网络融合新型网关通过对比数据流根据用户需求设置经过工业多网络融合新型网关的协议转换时间T’_Nt，p，T’_Nt，p越小，则P_S越小。最低优先级级别值对应于最高优先级，使得优先级值为N的数据流优先于优先级值更高(即N+1、N+2等)的数据流；工业多网络融合新型网关为每条数据流在5G传输队列的优先级P_S进行赋值，优先级P_S最小的数据流赋值为1，依次累加1，数据流在工业多网络融合新型网关的5G传输队列的优先级P_S分别对应2，3，…，N，5G传输队列的优先级P_S如表2所示。工业多网络融合新型网关根据数据流对应的优先级P_S将数据流依次发送到5G网络中。

表2

本发明提出了一种“1+X”协议转换模型。通过该模型，能同步实现5G网络协议与多个工业现场网络协议间的转换。本发明提出了一种基于多因素的5G传输队列构建方法。完成多协议映射转换后，根据数据流的多维因素，为转换后的数据流计算动态优先级，并根据动态优先级构建5G传输队列，保证数据流传输时延确定性和可靠性。

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 (6)

1.一种5G网络与工业现场网络融合的协议转换方法，其特征在于：所述方法至少配置有“1+X”协议转换模型，所述“1+X”协议转换模型搭载于工业多网络融合新型网关内，以辅助所述方法实施如下步骤：

S1、若干个工业现场网络通信单元将数据发送至所述工业多网络融合新型网关，并由所述工业多网络融合新型网关根据数据特征进行协议识别；

S2、所述工业多网络融合新型网关根据协议识别结果以优先级映射、地址映射、流标签映射以及帧格式转换的方式将工业网络数据转换为5G网络数据；

S3、所述工业多网络融合新型网关根据转换后的数据优先级与剩余时间对转换后的数据流进行多因素传输队列优先级计算以获得每条数据流在5G传输队列的优先级；

S4、所述工业多网络融合新型网关根据每条数据流在5G传输队列排序后的优先级将数据发送到5G网络中。

2.根据权利要求1所述的5G网络与工业现场网络融合的协议转换方法，其特征在于：在步骤S2中，所述方法将工业网络数据转换为5G网络数据的具体步骤为：

S21、工业多网络融合新型网关结合工业现场网络数据与5G网络数据的特征，根据工业现场网络数据的数据类型和通信模式设计优先级映射规则，其包括：工业现场网络数据的数据类型优先级从高到低依次为实时周期数据、实时非周期数据、非实时数据和配置数据；工业现场网络数据的通信模式中P/S通信模式优先级高于C/S通信模式；基于上述优先级映射规则，生成对应的优先级映射表，其中，数据类型为实时周期数据、VCR类型为P/S的数据的优先级值P为0，流量类型值为CS0；数据类型为实时周期数据、VCR类型为C/S的数据的优先级值P为1，流量类型值为CS1；数据类型为实时非周期数据、VCR类型为P/S的数据的优先级值P为2，流量类型值为CS2；数据类型为实时非周期数据、VCR类型为C/S的数据的优先级值P为3，流量类型值为CS3；数据类型为非实时数据、VCR类型为P/S的数据的优先级值P为4，流量类型值为CS4；数据类型为非实时数据、VCR类型为C/S的数据的优先级值P为5，流量类型值为CS5；数据类型为配置数据、VCR类型为P/S的数据的优先级值P为6，流量类型值为CS6；数据类型为配置数据、VCR类型为C/S的数据的优先级值P为7，流量类型值为CS7；

工业多网络融合新型网关根据优先级映射表在工业现场网络数据转换为5G网络数据时将数据类型和VCR类型填充至对应的流量类型字段中；

S22、工业多网络融合新型网关将5G网络数据中的IPv6地址的前三位设置为全球单播地址前缀，将工业现场网络数据对应的节点地址填充至IPv6地址的低m位，并在IPv6地址的其余位置填充零；其中，m表示工业现场网络数据对应的节点地址的长度；

S23、工业多网络融合新型网关将工业现场网络数据中的VCR_ID填充至5G网络数据的IPv6流标签的低14位，将工业现场网络数据中自定义的网络协议类型填充至IPv6流标签的高6位，以获得整体网络中的唯一数据流标识；

S24、工业多网络融合新型网关分别将具有物理层、数据链路层和应用层的三层工业网络协议帧结构的数据帧和具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的五层工业网络协议帧结构的数据帧，转换为具有物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的5G网络终端设备帧。

3.根据权利要求1所述的5G网络与工业现场网络融合的协议转换方法，其特征在于：在步骤S3中，所述方法获取每条数据流在5G传输队列的优先级的具体步骤为：

S31、用户设定期望协议转换时间T’_Nt，p，该时间为用户所能容忍的最大工业多网络融合新型网关的协议转换处理时间；

S32、工业多网络融合新型网关计算转换完成后的数据流的剩余时间TS_Nt，P，工业多网络融合新型网关根据实际的读取缓存时间T’_Nt，P，r、实际的判断协议类型时间T’_Nt，P，d和实际的转换执行时间T’_Nt，P，t计算出剩余时间TS_Nt，P，公式为：

TS_Nt，P＝T’_Nt，P-T’_{Nt，P，，r}-T’_Nt，P，d-T’_Nt，P，t (1)

S33、工业多网络融合新型网关定义二元函数F(TS_Nt，P，P)，其中P为转换后的数据优先级，每条数据流在5G传输队列的优先级由剩余时间TS_Nt，P和优先级P两个影响因素共同计算得出；定义剩余时间TS_Nt，P的权重系数为α和优先级P的权重系数为β(α+β＝1)，从而每条数据流在5G传输队列的优先级值P_S为：

P_S＝F(TS_Nt，P，P)＝α·TS_Nt，P+β·P (2)

优先级值P_S越小，则对应的数据流优先级越高；在剩余时间TS_Nt，P越接近0和数据流本身的优先级P越高的应用场景下，设置权重系数α＝β＝0.5；在剩余时间TS_Nt，P越接近0的应用场景下，设置权重系数0≤α≤0.5；在数据流本身的优先级P越高的应用场景下，设置权重系数0≤β≤0.5。

4.根据权利要求1所述的5G网络与工业现场网络融合的协议转换方法，其特征在于：所述“1+X”协议转换模型中的“1”指5G网络协议；“X”指工业现场网络中的若干通信协议的任意一种或多种。

5.根据权利要求4所述的5G网络与工业现场网络融合的协议转换方法，其特征在于：所述“1+X”协议转换模型中的“X”指CAN网络、AUTBUS网络、HART网络、Modbus RTU网络、WIA-PA网络、WIA-FA网络、Modbus TCP网络、Powerlink网络、Profinet网络和6TiSCH网络中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的5G网络与工业现场网络融合的协议转换方法，其特征在于：所述方法通过所述“1+X”协议转换模型以“多协议同步转换”的方式进行工业现场网络数据到5G网络数据或5G网络数据到工业现场网络数据的数据转换。