工业无线WIA-PA网络与时间敏感网络转换方法及装置与流程

本发明属于工业网络技术领域，涉及工业无线wia-pa网络与时间敏感网络转换方法及装置。

背景技术

工业物联网将物联网技术应用到工业现场，实现了工业自动化与信息化的融合。在采用工业物联网技术的工厂网络中，通常由骨干网和现场网络组成。工厂网络中存在各种各样的数据，一些时间要求严格的重要数据必须在严格的延迟和可靠性规定内进行传输，这包括重要的控制和故障检测数据。在由多种网络构建的工业物联网中，当这些数据需要进行跨网传输时，如何保证数据传输的实时性和确定性，成为一个具有挑战性的问题。

wia-pa(wirelessnetworksforindustrialautomation-processautomation，用于过程自动化的工业无线网络)标准作为我国自主研发的三大国际工业无线标准之一，支持星型和网状结合的两层网络拓扑结构或者星型拓扑结构，对工业现场数据传输的实时性、确定性和可靠性等问题提供了自己的一套解决机制，具有数据传输可靠性高、功耗低和抗干扰能力强等特点，技术逐渐完善成熟。

tsn(timesensitivenetworks，时间敏感网络)作为一组位于数据链路层的协议簇，主要包括了ieee802.1as、ieee802.1qbv、ieee802.1qci、ieee802.1qcc、ieee802.1qch等协议，从底层架构中改变了以太网的不确定性，将其转变为确定性网络。tsn根据不同任务数据对时间的敏感性，在管理信息交互的时间节点和流程顺序方面提供通用的标准。tsn有着带宽、安全性和互操作性等方面的优势，能够很好的满足工业现场对数据实时性的要求。优先适用机制是tsn的重要工作机制，通过在传输中优先处理关键数据包，保证了该类数据的快速传输。

在工业物联网中，wia-pa网络和tsn分别都能很好的满足工业现场对数据流实时性和确定性的需求，但当数据流需要在wia-pa网络和tsn之间传输时，仍缺乏一种机制保证数据流的实时性和确定性。因此，设计wia-pa与tsn的转换方法，保持数据流的确定性，确保数据流在截止时间内到达，具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种工业无线wia-pa网络与时间敏感网络转换方法及装置，实现wia-pa与tsn的转换，转换后能保证对wia-pa数据优先级的支持；该方法根据wia-pa和tsn的特点，在骨干网中，采用mac地址寻址和ip地址寻址两种方式。同时，为了确保具有截止时间的数据流在截止时间内到达，提出了两种wia-pa与tsn之间的传输时延保障方法，即点到点结构预约通信资源和集中式结构预约通信资源两种方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

工业无线wia-pa网络与时间敏感网络转换方法及装置，该装置由tsn交换机、wia-pa/tsn转换器、wia-pa路由器和wia-pa现场设备组成；所述tsn交换机用于构成工业骨干网，按照优先级顺序转发数据流；所述wia-pa/tsn转换器用于实现wia-pa数据流与tsn数据流之间的转换；所述wia-pa路由器用于负责现场设备数据的转发；所述wia-pa现场设备用于负责工业现场数据采集和控制信息传输；

工业物联网主要由骨干和现场网络构成，tsn既可以做骨干网，也可以作为现场网络，该方法根据tsn的用途分为三种通信情况：

(1)tsn作为骨干网，负责数据流的转发；现场网络为wia-pa网络，完成工业现场数据的采集与转发；目的节点为后台系统，显示和处理现场数据；

(2)tsn与wia-pa均作为现场网络，采集工业现场数据，数据流在wia-pa网络与tsn节点之间转换传输；

(3)tsn作为骨干网，负责数据流的转发；现场网络为wia-pa网络，完成数据流的采集与转发；目的节点为另一个wia-pa网络中的wia-pa现场节点。

在所述三种通信情况中，骨干网提供两种寻址方式：mac地址寻址和ipv6地址寻址；采用两种wia-pa与tsn之间的传输时延保障方法，即点到点结构预约通信资源或集中式结构预约通信资源两种方法，保证具有截止时间的数据流能在截止时间内到达。

进一步，所述wia-pa/tsn转换器实现wia-pa转tsn的具体步骤包括：

s1：设置wia-pa/tsn转换器的mac地址，获取wia-pa网络的panid，使用wia-pa网络的panid填充转换器高两字节，低四字节用0填充；判断骨干网是否支持ipv6地址寻址，若是，执行步骤s2；若不是，执行步骤s3；

s2：设置ipv6头部通信类别，高三位为tsn流量类别，低5位用0补；根据wia-pa网络调度的目的节点短地址，设置ipv6流标签域，当目的节点为后台系统或tsn时，使用wia-pa网络源节点短地址填充ipv6流标签域高16位，低4为用0补；当目的节点为另一个wia-pa网络的节点时，使用wia-pa网络目的节点短地址填充ipv6流标签域高16位，低4位用0补；

s3：wia-pa/tsn转换器解析wia-pa网络数据包，根据wia-pa网络数据流与tsn优先级的对应关系设置tsn帧中vlan域的优先级，即pcp域；

s4：设置tsn帧的vlanid，当目的节点为后台系统或tsn节点时，使用wia-pa源节点低12位填充vlanid；当目的节点为另一个wia-pa网络中的节点时，使用目的短地址低12位填充vlanid；

s5：确定stream_handle和streamid，建立连接时，每个wia-pa网络根据panid分别映射一个panidflag，panidflag的取值为0或1，当一个wia-pa网络中panidflag＝0时，另一个wia-pa网络panidflag＝1，stream_handle＝panidflag+vlanid；同时，tsn在流量过滤与预警协议802.1qci中使用streamid来区分数据流，使用wia-pa的vcrid来定义streamid，即streamid＝vcrid。

进一步，所述步骤s3具体包括：使用wia-pa网络数据流的优先级和传输模式重新生成与tsn相对应的优先级，wia-pa中命令帧具有最高的优先级，非紧急的告警数据拥有较低的优先级，过程数据和一般数据根据传输的模式，具有不同的优先级；传输模式包括发布者/预订者(p/s)、汇报/转发(r/s)、客户机/服务器(c/s)。

进一步，所述wia-pa/tsn转换器实现tsn转wia-pa的具体步骤包括：

s1：wia-pa/tsn转换器接收tsn数据流，取vlanid，增加高4位为0；作为wia-pa网络的目的短地址；根据tsn数据流类型和wia-pa与tsn优先级映射表得到wia-pa数据流类型和传输模式；

s2：提取wia-pa数据包，按照wia-pa标准构造wia-pa帧并转发，wia-pa网络现场节点接收数据包，根据wia-pa规范解析数据。

进一步，所述点到点结构预约通信资源具体步骤包括：

s1：wia-pa/tsn转换器接收数据流，tsn根据数据流类型形成不同队列，按优先级依序转发数据流；

s2：同一队列中，数据流的截止时间为t，计算数据流j在源wia-pa网络内部传输花费的时间twia-pa1.j，twia-pa1.j＝n×t，其中n表示数据流在源wia-pa网络内部传播的跳数，t表示每个时隙的大小；队列i中数据流j剩余传输时间为tresti.j，tresti.j＝t-twia-pa1.j，wia-pa/tsn转换器中tsn模块根据vlanid形成不同的队列，对于同一队列i，tresti.j较小的优先传输；

s3：在tsn交换机中，队列i中数据流j在tsn骨干网内传播时间为ttsni.j，ttsni.j＝ntsn×ttsn，其中ntsn表示数据流在tsn中传播的跳数，ttsn表示tsn时隙的大小；队列i中数据流j在tsn骨干网中剩余传输时间ttsnresti.j，ttsnresti.j＝tresti.j-ttsni.j，ttsnresti.j较小的优先传输；

s4：判断目的节点是否为后台系统或tsn节点，若是，则目的节点接收并解析骨干网tsn数据流，提取tsn中数据流优先级、vlanid和数据等信息；若不是，则执行步骤s5；

s5：wia-pa/tsn转换器计算队列i中第j条数据流在wia-pa网络中传输到目的节点消耗时间twia-pa2i.j＝n2j×t，其中n2j表示数据流在目的wia-pa网络内部传播的跳数；目的wia-pa网络中剩余传输时间为trestwia-pa2i.j＝ttsnresti.j-twia-pa2i.j；trestwia-pa2i.j较小的优先传输。

进一步，所述集中式结构预约通信资源具体步骤包括：

s1：wia-pa/tsn转换器向集中式网络管理单元上传数据流及队列信息；集中式网络管理配置单元计算数据流调度路径；

s2：网络配置单元根据调度的源节点计算队列i中数据流j在源wia-pa网络中传输消耗的时间twia-pa1i.j，twia-pa1i.j＝n×t，其中n表示数据流在源wia-pa网络内部传播的跳数，t表示wia-pa每个时隙的大小；判断目的节点是否为后台统或tsn节点，若是，网络配置单元计算队列i中数据流j在tsn中最长传输时间ttsni.j＝t-twia-pa1i.j；若不是，网络配置单元计算队列i中数据流j在tsn中最长传输时间ttsni.j＝t-twia-pa1i.j-twia-pa2i.j，t表示同一队列中数据流的截止时间，twia-pa2i.j表示wia-pa/tsn转换器计算队列i中第j条数据流在目的wia-pa网络中传输到目的节点消耗时间；

s3：网络配置单元计算tsn骨干网剩余传输时间为tresttsni.j，trfsttsni.j＝ttsni.j-ntsn×ttsn，其中ntsn表示数据流在tsn中传播的跳数，ttsn表示tsn时隙的大小；判断数据流j的tresttsni.j是否为队列i中最小值，若是，在队列i中数据流j具有较高的优先级；若不是，判断队列i中下一条数据流；只到队列i中所有数据流判断完毕；

s4：网络配置单元根据队列i中各个数据流优先顺序下发tsn骨干网转发路径及时机；tsn交换机根据调度安排转发数据流。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明所述的wia-pa与tsn转换方法，完成了wia-pa数据流和tsn数据流之间的映射，支持转换前后数据流优先级的保持，有效实现了wia-pa与tsn之间的协议转换与互联互通。

(2)针对具有截止时间的数据流，本发明提出了两种wia-pa与tsn之间的传输时延保障方法。第一种方法中，数据流在到达wia-pa/tsn转换器或tsn交换机后，计算剩余传输时间，在同一队列中，剩余传输时间少的优先传输；第二种方法中，集中式预约管理单元存储wia-pa和tsn的网络信息，根据截至时间要求，计算每条数据流的传输路径和时间，并下发到wia-pa和tsn中；两种方法保证了数据流在wia-pa/tsn网络传输的实时性和确定性，使数据流能够在规定的截止时间内到达。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为wia-pa转tsn结构图；

图2为tsn帧格式图；

图3为点到点结构预约通信资源流程图；

图4为集中式结构预约通信资源流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为wia-pa转tsn结构图，工业物联网主要由骨干网和现场无线网络构成，包括四种设备：tsn交换机，构成工业骨干网，按照优先级顺序转发数据流；wia-pa/tsn转换器，实现wia-pa数据流与tsn数据流之间的转换；wia-pa路由器，负责转发现场设备数据；wia-pa现场设备，负责工业现场数据采集和控制信息传输；tsn既可以做骨干网，也可以作为现场网络，根据tsn不同的用途可以分为三种通信情况：

(1)tsn作为骨干网，负责数据流的转发；现场网络使用wia-pa网络，完成工业现场数据的采集与转发；目的节点为后台系统，显示和处理现场数据；

(2)tsn与wia-pa均作为现场网络，采集工业现场数据，数据流在wia-pa网络与tsn节点之间转换传输；

(3)tsn作为骨干网，负责数据流的转发；现场网络为wia-pa网络，完成数据流的采集与转发；目的节点为另一个wia-pa网络中的wia-pa现场节点。

以上三种通信场景中，骨干网提供两种寻址方式：mac地址寻址和ip地址寻址；同时，为了保证具有截止时间的数据流能在截止时间内到达，提出了两种wia-pa与tsn之间的传输时延保障方法，即点到点预约或集中式预约通信资源两种结构。

图2为tsn帧格式图，其在标准以太网帧格式上增加了vlan域，包括用于表示帧类型的tpid，固定值为0x8100，若设备不支持802.1q，收到802.1q帧后将其丢弃；优先级长度为3bit，取值范围是0～7，数值越大，优先级越高，本发明中使用wia-pa网络数据流优先级和传输模式生成与tsn对应的优先级，如表1所示；cfi表征mac地址是否是经典格式；vlanid，长度为12bit，本发明中，当目的节点为后台系统或tsn节点时，使用源节点的短地址的低12位作为vlanid，当目的节点为另一个wia-pa网络中的节点时，使用目的节点的短地址低12位填充vlanid。

表1wia-pa网络数据流与tsn流的对应关系

图3为点到点结构预约通信资源流程图，该方法具体包括以下步骤：

s1：设置wia-pa网路/tsn转换器的mac地址获取wia-pa网络的panid，使用wia-pa网络panid填充转化器高两字节，低四字节用0填充；

s2：判断骨干网寻址方式是否为mac地址寻址，若不是则执行步骤s3，若是则执行步骤s5；

s3：设置ipv6头部通信类别，高三位为tsn流量类别，低5位用0补；

s4：根据wia-pa网络调度的目的节点短地址，设置ipv6流标签域，当目的节点为后台系统或tsn时，使用wia-pa网络源节点短地址填充ipv6流标签域高16位，低4为用0补；当目的节点为另一个wia-pa网络的节点时，使用wia-pa网络目的节点短地址填充ipv6流标签域高16位，低4为用0补。

s5：wia-pa/tsn转换器解析wia-pa网络数据包，根据wia-pa与tsn优先级的对应关系设置tsn帧中vlan域的优先级(pcp域)；

s6：设置tsn帧的vlantd，当目的节点为后台系统或tsn节点时，使用wia-pa源节点低12位填充vlanid；当目的节点为另一个wia-pa网络中的节点时，使用目的短地址低12位填充vlanid；

s7：确定stream_handle和streamid，建立连接时，每个wia-pa网络根据panid分别映射一个panidflag，panidflag的取值为0或1，当一个wia-pa网络中panidflag＝0时，另一个wia-pa网络panidflag＝1，stream_handle＝panidflag+vlanid；同时，tsn在流量过滤与预警协议802.1qci中使用streamid来区分数据流，本方案中使用wia-pa的vcrid来定义streamid，即streamid＝vcrid；

s8：tsn根据数据流类型形成不同队列，按优先级依序转发数据流；

s9：同一队列中，数据流的截止时间为t，计算数据流在源wia-pa网络内部传输花费的时间twia-pa1.j，twia-pa1.j＝n×t，其中n表示数据流在源wia-pa网络内部传播的跳数，t表示wia-pa每个时隙的大小；队列i中数据流j剩余传输时间为tresti.j，tresti.j＝t-twia-pa1.j，wia-pa网络/tsn转换器中tsn模块根据vlanid形成不同的队列，对于同一队列i，tresti.j较小的优先传输；

s10：队列i中数据流j在tsn骨干网内传播时间为ttsni.j，ttsni.j＝ntsn×ttsn，ntsn表示数据流在tsn中传播的跳数，ttsn表示tsn时隙的大小；队列i中数据流j在tsn骨干网中剩余传输时间ttsnresti.j，ttsnresti.j＝tresti.j-ttsni.j，ttsnresti.j较小的优先传输；

s11：判断目的节点是否为后台系统或tsn节点，若是，则目的节点接收并解析骨干网tsn数据流，提取tsn中数据流优先级、vlanid、数据等信息，流程图结束；若不是，则执行步骤s12；

s12：wia-pa网络/tsn转换器计算队列i中第j条数据流在wia-pa网络中传输到目的节点消耗时间twia-pa2i.j＝n2j×t，n2j表示数据流在目的wia-pa网络内部传播的跳数；目的wia-pa网络中剩余传输时间为trestwia-pa2i.j＝ttsnresti.j-twia-pa2i.j；trestwia-pa2i.j较小的优先传输；

s13：wia-pa网路/tsn转换器取vlanid，增加高4位为0；作为wia-pa网络的目的短地址；根据tsn数据流类型和wia-pa与tsn优先级映射表得到wia-pa数据流类型和传输模式；

s14：提取tsn数据包，按照wia-pa标准构造wia-pa帧并转发，wia-pa网络现场节点接收数据包，根据wia-pa规范解析数据。

图4为集中式结构预约通信资源流程图，该方法具体包括以下步骤：

s1：设置wia-pa网路/tsn转换器的mac地址获取wia-pa网络的panid，使用wia-pa网络panid填充转化器高两字节，低四字节用0填充；

s2：判断骨干网寻址方式是否为mac地址寻址，若不是则执行步骤s3，若是则执行步骤s5；

s3：设置ipv6头部通信类别，高三位为tsn流量类别，低5位用0补；

s4：根据wia-pa网络调度的目的节点短地址，设置ipv6流标签域，当目的节点为后台系统或tsn时，使用wia-pa网络源节点短地址填充ipv6流标签域高16位，低4为用0补；当目的节点为另一个wia-pa网络的节点时，使用wia-pa网络目的节点短地址填充ipv6流标签域高16位，低4为用0补。

s5：wia-pa/tsn转换器解析wia-pa网络数据包，根据wia-pa与tsn优先级的对应关系设置tsn帧中vlan域的优先级(pcp域)；

s6：设置tsn帧的vlanid，当目的节点为后台系统或tsn节点时，使用wia-pa源节点低12位填充vlanid；当目的节点为另一个wia-pa网络中的节点时，使用目的短地址低12位填充vlanid；

s7：确定stream_handle和streamid，建立连接时，每个wia-pa网络根据panid分别映射一个panidflag，panidflag的取值为0或1，当一个wia-pa网络中panidflag＝0时，另一个wia-pa网络panidflag＝1，stream_handle＝panidflag+vlanid；同时，tsn在流量过滤与预警协议802.1qci中使用streamid来区分数据流，本方案中使用wia-pa的vcrid来定义streamid，即streamid＝vcrid；

s8：tsn根据数据流类型形成不同队列，按优先级依序转发数据流；

s9：wia-pa/tsn转换器向集中式网络管理单元上传数据流及队列信息；集中式网络管理配置单元计算数据流调度路径；

s10：网络配置单元根据调度的源节点计算队列i中数据流j在源wia-pa网络中传输消耗的时间twia-pa1i.j，twia-pa1i.j＝n×t，其中n表示数据流在源wia-pa网络内部传播的跳数，t表示wia-pa每个时隙的大小；判断目的节点是否为后台统或tsn节点，若是，网络配置单元计算队列i中数据流j在tsn中最长传输时间ttsni.j＝t-twia-pa1i.j；若不是，网络配置单元计算队列i中数据流j在tsn中最长传输时间ttsni.j＝t-twia-pa1i.j-twia-pa2i.j，其中twia-pa2i.j＝n2j×t，n2j表示数据流在目的wia-pa网络内部传播的跳数；

s11：网络配置单元计算tsn骨干网剩余传输时间为tresttsni.j，tresttsni.j＝ttsni.j-ntsn×ttsn，其中ntsn表示数据流在tsn中传播的跳数，ttsn表示tsn时隙的大小；判断数据流j的tresttsni.j是否为队列i中最小值，若是，在队列i中数据流j具有较高的优先级；若不是，判断队列i中下一条数据流；只到队列i中所有数据流判断完毕；

s12：网络配置单元根据队列i中各个数据流优先顺序下发tsn骨干网转发路径及时机；tsn交换机根据调度安排转发数据流；

s13：判断目的节点是否为后台系统或tsn节点，若是，则目的节点接收并解析骨干网tsn数据流，提取tsn中数据流优先级、vlanid、数据等信息，流程图结束；若不是，则执行步骤s14；

s14：wia-pa网路/tsn转换器取vlanid，增加高4位为0；作为wia-pa网络的目的短地址；根据tsn数据流类型和wia-pa与tsn优先级映射表得到wia-pa数据流类型和传输模式；

s15：提取tsn数据包，按照wia-pa标准构造wia-pa帧并转发，wia-pa网络现场节点接收数据包，根据wia-pa规范解析数据。

在本发明所述方法中，采用了wia-pa/tsn转换器，支持mac地址寻址和ipv6地址寻址两种方式，完成了wia-pa数据流与tsn数据流之间的映射，保持了对数据传输优先级的支持，有效实现了wia-pa与tsn之间的协议转换与互联互通。此外，本发明还提出了wia-pa与tsn之间的传输时延保障方法，通过分配传输时隙等通信资源，使数据能够在规定的截止时间内到达，保证了数据在wia-pa/tsn之间传输的实时性和确定性。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。