WirelessHART网络接入IPv6网络要求

附录A
(资料性附录)
WirelessHART网络接入IPv6网络
A.1WirelessHART网络概述
WirelessHART协议符合GB/T29910.5-2013，WirelessHART网络包括网关（网络管理器）和节点组成，网络建立连接后。

网络管理器创建Graph0(上行至网关的Graph)和Superframe0(管理超桢），对网关进行相关信息的初始化配置并初始化ASN(绝对时隙），相关信息包括网络密钥、网关和网络管理器会话密钥、广播密钥、超帕和链路等。

在激活超帧后，网关开始广告网络信息，并允许设备加入网络。

在网络初始化完成之后，网络接入点开始广告网络信息，该数据包含网络ID（标识）、当前网络绝对时隙数ASN、网络时钟同步信息以及加入过程中所需要的通信资源，并以广播形式发送出去。

设备在上电之后会侦听广告包，在收到广告包后获取网络ID，设置当前网络绝对时隙，同步网络时钟，并配置加入过程所需的通信资源，最后向网络管理器发送加入请求。

网络管理器在收到节点的加入请求之后，对节点的地址以及加入密钥等信息进行身份验证，若验证通过，则网络管理器为节点配置路由和通信资源等相关信息，通过临时路由和超帧下发至待加入节点。

在节点配置完之后，节点加入网络成功。

之后节点就能够与网络管理器进行通信，并向网络管理器报告自己的邻居信息和向网关上传数据。

A.2WirelessHART网络接入架构
对于无线网关不支持IPv6的WirelessHART网络，应采用7.1节所提的接入要求，架构图如图A.1所示。

图A.1WirelessHART网络接入IPv6网络架构
A.3WirelessHART边界网关隧道功能
WirelessHART的无线边界网关提供非IP无线网络隧道和IPv6网络隧道，分别承载南向北向的通信任务：
a）WirelessHART的无线边界网关通过非IP无线网络隧道将IPv6数据报文封装在非IP数据报文中，来完成IPv6骨干网上的主机对非IP无线网络的网络设备下发的数据读取指令（南向）；
b）WirelessHART的无线边界网关通过IPv6网络隧道将非IP数据报文上设置IPv6扩展报头，封装在IPv6数据报文中，来完成非IP无线网络设备向IPv6骨干网上的主机上传数据（北向）。

A.4WirelessHART边界网关隧道实施步骤
WirelessHART边界网络隧道实施具体步骤如下：
a）在隧道入口WirelessHART的无线边界网关把数据报文封装在隧道报文中，隧道报文的源地址和目的地址分别对应隧道的入口和出口，在隧道出口处，网关将报文从隧道报文中取出数据报文转发给目的节点；
b）在源节点处指定隧道的入口节点地址，根据节点的网络属性和实时网络状态选择隧道入口；在目的节点处指定隧道的出口节点地址，确保数据正常有序的接收。

在隧道入口处，WirelessHART的无线边界网关应在原始报文的基础上扩展隧道封装报头和隧道传输报头，使原始报文能够在隧道中稳定传输；报文到达隧道出口时，网关应将其解析为原始报文进行下一步传输。

A.5WirelessHARTH网络地址转换
消息格式如图A.2所示，消息共分为两种类型：主-从帧格式，如图A.3所示，从-主帧格式如图A.4所示。

图A.2HART网络消息结构
图A.3主-从帧
图A.4从-主帧
HART5.0以前版本的设备采用短帧地址结构，HART5.0版本具有长帧地址结构。

主机将根据应答信号中是否具有唯一标识码来决定结构格式为“长”还是“短”。

为了实现IPv6数据报WirelessHART网络上的传输，需要通过地址配置方式来对WirelessHART网络中的长帧地址结构和短帧地址结构进行地址转换。

长帧地址结构如图A.5所示。

短帧地址结构如图A.6所示。

图A.5长帧地址结构
图A.6短帧地址结构
一般消息帧的组成，其中：
a）前导码：导言字节，一般是5～20个FF十六进制字节。

他实际上是同步信号，各通讯设备可以据此略做调整，保证信息的同步。

在开始通讯的时候，使用的是20个FF导言，从机应答0信号时将告之主机他“希望”接收几个字节的导言，另外主机也可以用59号命令告诉从机应答时应用几位导言；
b）定界符：起始字节，他将告之使用的结构为“长”还是“短”、消息源、是否是“突发”模式消息。

主机到从机为短结构时，起始位为02，长帧时为82。

从机到主机的短结构值为06，长结构值为86。

而为“突发”模式的短结构值为01，长结构为81。

一般设备进行通讯接收到2个FF 字节后，就将侦听起始位；
c）ADDR：地址字节，他包含了主机地址和从机地址，如前所述，短结构中占1字节，长结构中占5字节。

无论长结构还是短结构，因为HART协议中允许2个主机存在，所以我们用首字节的最高位来进行区分，值为1表示第一主机地址，第二主机用0表示。

“突发”模式是特例，0，1值将交替出现，也就是说，在该模式下，赋予2个主机的机会均等。

次高位为1表示为“突发”模式，短结构用首字节的0～4位表示值为0～15的从机地址，第5，6位赋0；而长结构用后6位表示从机的生产厂商的代码，第2个字节表示从机设备型号代码，后3～5个字节表示从机的设备序列号，构成“唯一”标志码。

另外，长结构的低38位如果都是0的话表示的是广播地址，即消息发送给所有的设备；
d）命令：命令字节，它的范围为253个，用十六进制的0～FD表示。

31，127，254，255为预留值；
e）数据长度：数据总长度，它表示的是BCNT下一个字节到最后（不包括校验字节）的字节数。

接收设备用它可以鉴别出校验字节，也可以知道消息的结束。

因为规定数据最多为25字节，所以它的值是从0～27；
f）状态：状态字节，也叫做“响应码”，只存在于从机响应主机消息的时候，用2字节表示。

它将报告通讯中的错误、接收命令的状态（如：设备忙、无法识别命令等）和从机的操作状态。

如果在通讯过程中发现了错误，首字节的最高位（第7位）将置1，其余的7位将汇报出错误的细节，而第2个字节全为0。

否则，当首字节的最高位为0时，表示通讯正常，其余的7位表示命令响应情况，第2个字节表示场设备状态的信息。

串口发现的通讯错误一般有：奇偶校验、溢出和结构错误等。

命令响应码可以有128个，表示错误和警告，他们可以是单一的意义，也可以有多种意义，我们通过特殊命令进行定义、规定。

现场设备状态信息用来表示故障和非正常操作模式；
g）数据：数据字节，并非所有的命令和响应都包含数据字节，它最多不超过25字节（随着通讯速度的提高，正在要求放宽这一标准）。

数据的形式可以是无符号的整数（可以是8，16，24，32位），浮点数（用IEEE754单精浮点格式）或ASCII（美国信息交换标准代码）字符串，还有预先制定的单位数据列表。

具体的数据个数根据不同的命令而定；
h）校验位：奇偶校验，方式是纵向奇偶校验，从起始字节开始到奇偶校验前一个字节为止。

另外，每一个字节都有1位的校验位，这两者的结合可以检测出3位的突发错误。

A.6WirelessHART网络接入IPv6网络适配
A.6.1寄存器地址映射
WirelessHART网关的IPv4到IPv6双栈模型可通过中间适配设备上定义了南向和北向接口来完成数据的读取、封装及转发。

由于标准的ModBus协议栈网络层采用IPv4协议，通过协议转换模块接入IPv6网络，实现双栈模型。

协议转换模块南向接口网络层采用IPv4，传输层采用ModBus TCP协议，从WirelessHART 无线网关处读取节点数据，北向接口采用IPv6协议将南向接口采集到的数据进行封装和转发至IPv6骨干网。

WirelessHART网络的无线设备将采集到的现场数据发送至网关，通过寄存器映射，对应节点在网络中的短地址，与网关中的寄存器产生映射关系，将对应节点发送来的现场数据存储到网关寄存器。

A.6.2南向接口数据采集与存储
如图A.7所示，在协议转换模块上创建线程1作为南向接口，作为Modbus的客户端，指定端口为502，地址为网关IP地址，与南向网关中的Modbus服务器建立通信，按照标准的Modbus TCP协议读取网关寄存器的数据，存储于共享的内存缓冲区。

图A.7非IP无线网络接入IPv6网络模型图
A.6.3北向接口数据封装与转发
在协议转换模块创建线程2，作为北向接口，用户自定义端口，为保证所有IPv6地址均在同一网段，本标准采用的IPv6地址格式为：后32位为原本IPv4地址，其余位数全部补0，向IPv6网络转发数据。

网络层采用IPv6协议与北向IPv6网络中的主机建立通信，通过双线程并发操作，实时地将读取到的数据封装成IPv6数据包发送至主机，IPv6网络中的主机通过DNS（域名系统（服务）协议）服务器，连接到IPv6互联网，可与互联网中的其他主机，云服务平台等实现数据共享。