专利名称：一种协议转换网关的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业控制领域，具体的说，涉及工业控制网络协议与IPv6网络协议转换的网关。
背景技术：
目前大型企业自动化系统中，上层企业管理层和生产监控层一般采用的都是以太网和PC机，而在下层车间现场都是采用现场总线和单片机监控设备。上下两层采用不同的网络体系结构和协议，为了实现沟通，通常的方法是采用以工业控制机加以太网卡，再加上PC机插槽上的接口卡和并行打印机EPP接口卡来实现。但这种连接方式成本高，开发周期长。 各类工业控制协议都是基于IS0/0SI开放式系统互联模型，0SI参考模型共分为七层，工业控制协议通信协议则根据自身特点加以简化，采用了物理层、数据链路层和网络，同时考虑到现场装置的控制功能和具体运用又增加了应用层。在工业控制协议的各层上，一般都作了如下的定义 1)物理层定义了网络信道上的信号与连接方式、传输介质、传输速率、每条线路连接仪表的数量、最大传输距离、电源等。当处于数据发送状态时，该层接受数据链路层下发的数据，并将以某种电气信号进行编码并发送，当处于数据接受状态时，将相应的电气信号编码为二进制数，并送到链路层。 2)数据链路层定义了一系列服务于应用层的功能和向下与物理层的接口，使用物理层的服务，提供了介质存取控制功能、信息传输的差错检验。DLL提供源语服务和相关事件、与源语服务相关的参数格式，以及这些服务及事件之间的相关关系。DLL为用户提供了可靠且透明的数据传送服务。数据链路层是现场总线的核心。所有连接到同一物理通道上的应用进程实际上都是通过链路层的实时管理来协调的。为了突出实时性，现场总线没有采用以往IEEE 802.4标准中所定义的分布式物理通道管理，而是采用了集中式管理方式。在这种方式下，物理通道被有效地利用起来，并可有效地减少或避免实时通信的延迟。
3)网络层为用户提供了一系列的服务，拥有简化或实现分布式控制系统中应用进程之间的通信，同时为分布式现场总线控制系统提供了应用接口的操作标准，实现了系统的开放性。网络层与其他层的网络管理机构一起对网络数据流动、网络设备及网络服务进行管理。 4)应用层是专门针对工业自动化领域现场装置的控制和具体应用而设计的，它定义了现场设备数据库间互相存取的统一规则，用户凭标准功能块可组成系统，实现用户的应用程序，这是使现场总线标准超过一项通信标准而成为一项系统标准的关键，也是使现场总线控制系统开放与可互操作性的关键。 从现场总线协议各层的定义来看，除了应用层是区别于一般的网络协议外，其余各层定义的服务都是类似的，只是针对工业现场的特点作了特殊的定义。 一般的异构网络协议经实践证明可以通过协议转换器进行转换，作为一种特殊的控制网络，异类网络也一定可以通过协议转换器进行转换。 网关应实现不同网络协议之间的转换，在具体实现技术上与它所互联的两个具体网络的协议有关。支持不同网络协议之间转换的网关是不相同的。由于异类现场总线协议在物理层、数据链路层、网络层和应用层上的定义基本上都是不同的，因此针对现场总线的协议转换器宜采用协议网关的方式，在协议的上层实现协议转换。
发明内容
本发明的目的就是提供一种协议转换网关，其可以整合各种异构系统中的资源，使其协调工作，实现工业控制网络协议与IPv6的转换。本发明的技术方案如下所述。
—种协议转换网关，其包含以下组件
协议转换模块，实现协议A映射到协议B的过程； IPv6协议栈模块，接收来自以太网的数据包传送到所述协议转换模块或者将所述协议转换模块发送来的数据包传送到以太网； 工业控制网络协议栈模块，接收来自工业控制网络的数据包传送到所述协议转换模块或者将所述协议转换模块发送来的数据包传送到工业控制网络。 其中，所述IPv6协议栈模块由支持TCP/IP和UDP协议的传输层、支持IPv4和IPv6双协议栈的网络层、数据链路层及物理层组成。 其中，所述工业控制网络协议栈模块由支持工业控制网络协议的网络层、数据链路层以及物理层组成。 其中，所述的协议转换模块由实现应用层协议转换的协议转换中间件、分析数据的协议结构并离析出数据中的操作命令和操作数据的协议定义表以及对数据进行协议格式转换，使其符合目标网络应用层协议定义的消息管理表组成；在协议转换模块中，每次协议转换由其他模块向协议转换中间件发出协议转换申请，再由协议转换中间件根据不同的协议加载不同的协议定义表，以获取该种控制协议的规约和转换方法，并从该协议的相关消息配置表中获取对每一个特定的消息的处理方法，针对不同的控制消息，采用不同的数据转换方法。 本发明提供一种协议转换网关，其通过对工业控制网络及以太网进行剖析，分析了工业控制网络协议及TCP/IP协议发展中存在的问题，研究了协议转换中涉及的问题最终提供了进行协议转换的关键技术，提出了工业控制网络协议与IPv6的转换机制，成功实现了工业控制网络与以太网络的数据交换。
图1是本发明实施例1中协议转换网关的结构示意图； 图2是本发明实施例1中协议转换网关内部组件的示意图； 图3是本发明实施例1中IPv6协议栈模块的示意图； 图4是本发明实施例2中协议转换的流程图； 图5是本发明实施例2送信功能数据流向图； 图6是本发明实施例2具体数据流向图。
具体实施例方式
现依据附图，对本发明做进一步的描述。
实施例1 本发明利用了协议转换原理，协议转换就是一种协议A映射到另一种协议B的过程。在协议转换的过程中，协议转换网关根据网络协议A的定义，分析出该协议数据包的内容，包括数据包中的传输控制部分和数据部分，再根据数据部分的信息分析出数据所包含的特定含义，通过数据映射定义表，将协议A数据包中的数据转换成协议B网络所支持数据内容，然后将数据封装入支持网络协议B的数据包，并通过协议B网络传送到指定的网络设备。在协议转换的过程中，协议的转换主要在网络层和应用层进行。 在具体针对工业控制网络专用协议和IPv6协议的转换过程中，整个协议的转换过程在工业控制网络协议和IPv6协议的上层进行。以Ipv6协议转化为工业控制协议为例，在以太网数据分析部分，先根据IPv6数据包格式的定义，对数据包进行分析，析取出其中的数据部分，再对包含事实控制信息的数据部分进行分析，这个分析基于工业控制网络协议的应用层的数据定义。通过对所述应用层数据的协议分析，则可以将数据中包含的控制命令和控制数据分析出来，在此基础上将控制命令和控制数据封装在工业控制协议网络应用层的数据包中，最后以工业控制协议的数据包格式传输到工业控制协议网络的设备上。对于从工业控制协议的数据转换到IPv6的过程，就是上述过程的逆过程，通过相同的分析方式在网络层和应用层进行数据的分析和转换，再发送到以太网中的网络设备上。
下面结合上述原理，描述本发明中的协议转换网关，请参见图l及图2所示。 一种协议转换网关，其包含以下组件协议转换模块1，实现协议A映射到协议B的过程；IPv6协议栈模块3，接收来自以太网的数据包传送到所述协议转换模块1或者将所述协议转换模块1发送来的数据包传送到以太网；工业控制网络协议栈模块2，接收来自工业控制网络的数据包传送到所述协议转换模块1或者将所述协议转换模块1发送来的数据包传送到工业控制网络。 其中，所述IPv6协议栈模块3由支持TCP/IP和UDP协议的传输层4、支持IPv4和IPv6双协议栈的网络层5、数据链路层6及物理层7组成。所述工业控制网络协议栈模块2由支持工业控制网络协议的网络层8、数据链路层9以及物理层10组成。所述的协议转换模块1由实现应用层协议转换的协议转换中间件11、分析数据的协议结构并离析出数据中的操作命令和操作数据的协议定义表12以及对数据进行协议格式转换，使其符合目标网络应用层协议定义的消息管理表13组成。在协议转换模块1中，每次协议转换由其他模块向协议转换中间件11发出协议转换申请，再由协议转换中间件11根据不同的协议加载不同的协议定义表12，以获取该种控制协议的规约和转换方法，并从该协议的相关消息管理表13中获取对每一个特定的消息的处理方法，针对不同的控制消息，采用不同的数据转换方法。 所述协议转换网关中工业控制网络协议栈模块2的物理层10和数据链路层9提供对工业控制网络的访问及满足各种通信介质的需要。现场的工业仪表或设备要向计算机发送数据或命令时，它首先将数据发送到协议转换网关中支持工业控制专用协议的网络适配器，在网络适配器上实现物理层10、数据链路层9的数据处理。如果此时协议转换网关上的CPU正在处理其它事件而且其优先级高，就把数据放到网络适配器的缓存上；当CPU处理
5完该事件后就从排队优先级最高的现场总线适配器中把等待的数据取出，经过数据解析和TCP/IP协议封装后经过以太网发送到相应的控制计算机。反过来，当控制计算机向现场仪表、设备发送信息时，它首先基于以太网和TCP/IP协议将信息发给协议转换网关，然后由协议转换网关将数据送到相应的现场总线发送单元中，由网络适配器把命令或数据发给相应的工业仪表或设备。 协议转换网关采用TCP/IP协议与上位机14进行通信。这里需要说明，IPv6协议和IPv4协议相比较，它彻底解决了地址空间耗尽和路由表爆炸等问题，而且为IP协议注入了新的内容，使支持安全、主机移动和多媒体成为IP协议的有机组成部分，IPv6协议的设计使路由器处理报文更加简便，扩张性也更好。虽然1Pv6取代IPv4已是历史的必然，但IPv4不会在短时间内消失，因此如何实现IPv4到IPv6的平滑过渡是需要迫切解决的问题。因此，在协议转换网关系统中采用双协议栈模型来解决对IPv4和IPv6支持，IPv4/IPv6双协议栈的协议栈的结构如图3所示。IPv6和IPv4是功能相近的网络层协议，两者都基于相同的物理平台，而且加载于其上的传输层协议TCP和UDP又没有任何区别。如果一台主机同时支持IPv4和IPv6两种协议，那么该主机既能与支持IPv4协议的主机通信，又能与支持IPv6协议的主机通信，这就是双协议栈技术的优势。 从上位机14过来的TCP/IP数据包在到达协议转换网关后，协议转换网关先对数据包的包头信息进行分析，从而判断该数据包是IPv4还是IPv6，在对数据包的协议进行判断后，将数据包提交给对应协议的处理模块进行数据处理。处理模块将数据包中的控制数据离析出来，提交给协议转换模块1进行处理。 协议转换模块1则先根据数据的来源对数据进行分类，对于上位机14来的控制命令消息和下位机15传过来的下位机15状态信息采用不同的处理方式。对于上位机14传过来的数据，先根据消息管理表13分析上位机14数据的内容，再从分析出的数据中提取操作命令和操作数据，根据操作命令确定对下位机15的数据操作方式，将上位机14传来的操作数据应用到下位机15上。如果是对下位机15的设置操作，则先对要操作的下位机15进行地址定位，然后将上位机14要设定的数据转换成遵循下位机15工业控制网络协议的数据格式，再根据操作命令将要设定数据实施到对应的下位机15设备上；如果上位机14发出的命令是要查询下位机15的信息，则从操作数据中分析出要操作的下位机15地址，然后根据协议定义表，将操作数据转换成对应的控制网络协议可识别的数据包，通过工业控制专用协议网的网络适配器经由工业控制协议专用网络发送到下位机15。 对于下位机15传送来的数据，通过工业控制专用协议网的网络层8分析出传输数据，再通过传输层4分析出下位机15的数据，在协议转换模块1将下位机15传来的下位机15数据进行格式分析，将分析出来的数据封装为TCP协议的数据包，再判断该数据包的目的地址是在IPv4还是IPv6网络上，将数据封装为对应协议的数据包通过以太网发送至上位机14。 实施例2 在某工厂的基础自动化系统中，现场控制的Ll级网络的网络形式为PE-Link，该网络为控制专用网络，网络通讯协议为PE-Link专用协议，各个PLC和DCS控制站之间的连接通过PE-Link实现，该网络属于现场总线级设备控制网。管理层的L2级网络，即过程机网络的网络形式采用的是Ethernet 10Base-5/T，网络通讯协议为TCP/IP。由于网络形式和协议的不同，所以L2与Ll之间的通讯必须通过PE-Link和TCP/IP之间的协议转换网关来实现。图4是协议转换的流程图。 在前述工业控制网络协议和IPv6协议转换网关上，根据对实际应用的分析，本协
议转换网关主要功能为 1)状态变化数据送信功能 负责检测下位机15的状态变化，在检测到发生状态变化后，从状态变化管理表中取得对应的消息内容，向下位机15消息队列中写入消息事件，并请求消息发送，将消息发送至上位机14。图5是送信功能数据流向图。
2)数据设置功能 由上位机14向下位机15设置数据，协议转换网关从设置数据管理表中取得要设定数据的地址信息和对应的消息号，通过消息号设定PE-Link网络上的消息号、模块号和工作站号，再将数据通过广播方式发送到下位机15。图6是具体数据流向图。
3)数据查询功能 协议转换网关从上位机14上收到的消息中取出要求的状态号，并根据这个状态号从状态变化管理表中取出要读取的数据的地址，然后根据地址从PE-Link网络上读取数据，生成消息发送到上位机14。
4)异常监视功能 监视协议转换网关与上位机14、下位机15之间通信的状况，如果出现协议转换网关与上位机14的通信异常，或出现协议转换网关与下位机15之间的通信异常，则重新启动协议转换网关，并将错误消息写入错误日志中。该功能主要是为了保障协议转换网关的正常运行。 5)日志处理功能 将协议转换网关运行过程中所有的操作记录都保存起来。在协议转换网关系统中设计了三种日志消息传输日志、错误日志和状态变化日志。消息传输日志记录网关运行中所接收和发送的所有消息；错误日志记录网关运行过程中出现的操作出错信息；状态变化日志则记录下位机15状态的每一次变化信息。
权利要求
一种协议转换网关，其包含以下组件协议转换模块，实现协议A映射到协议B的过程；IPv6协议栈模块，接收来自以太网的数据包传送到所述协议转换模块或者将所述协议转换模块发送来的数据包传送到以太网；工业控制网络协议栈模块，接收来自工业控制网络的数据包传送到所述协议转换模块或者将所述协议转换模块发送来的数据包传送到工业控制网络。
2. 如权利要求1所述的协议转换网关，其特征在于，所述IPv6协议栈模块由支持TCP/IP和UDP协议的传输层、支持IPv4和IPv6双协议栈的网络层、数据链路层及物理层组成。
3. 如权利要求1所述的协议转换网关，其特征在于，所述工业控制网络协议栈模块由支持工业控制网络协议的网络层、数据链路层以及物理层组成。
4. 如权利要求1所述的协议转换网关，其特征在于，所述的协议转换模块由实现应用层协议转换的协议转换中间件、分析数据的协议结构并离析出数据中的操作命令和操作数据的协议定义表以及对数据进行协议格式转换，使其符合目标网络应用层协议定义的消息管理表组成；在协议转换模块中，每次协议转换由其他模块向协议转换中间件发出协议转换申请，再由协议转换中间件根据不同的协议加载不同的协议定义表，以获取该种控制协议的规约和转换方法，并从该协议的相关消息配置表中获取对每一个特定的消息的处理方法，针对不同的控制消息，采用不同的数据转换方法。
全文摘要
本发明提供一种协议转换网关，其通过对工业控制网络及以太网进行剖析，分析了工业控制网络协议及TCP/IP协议发展中存在的问题，研究了协议转换中涉及的问题最终提供了进行协议转换的关键技术，提出了工业控制网络协议与IPv6的转换机制，成功实现了工业控制网络与以太网络的数据交换。
文档编号H04L29/06GK101741819SQ20081020316
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者吉顺如 申请人:上海电机学院