一种电力传感设备虚拟化IP管理方法与流程

本发明涉及电气工程科学技术领域，特别是一种电力传感设备虚拟化ip管理方法。

背景技术：

泛在电力物联网是国家电网公司2019年提出的建设具有全球竞争力的世界一流能源互联网企业战略目标的重要组成部分。电力物联网终端设备种类多、数量巨大，且生产厂家众多，需要建立统一标识体系并采用ip化网络管理方法实现设备的全寿命周期管理。考虑到配电终端生产厂家众多，数量巨大，安装、调试以及运维难度系数高，通过研究通信单元标准化、设备统一标识和ip化配置，以及设备对接app化，远程部署微应用等技术，实现终端单元智能、高效、便捷地接入电力物联网以及降低运维工作量。统一标识体系是电力物联网建设的基础，是实现电力物联网设备即插即用、互联互通、统一管理的关键；电力物联网需要实现对每个接入设备的唯一标识鉴别，设备的唯一标识信息包含设备基本信息和设备资产管理所需的设备id、厂商名称、设备类型、设备模块型号、设备协议类型等必要信息。无线物联通信网关根据设备统一标识，根据ip化管理认证体系，分配给传感终端ip地址，以及身份认证和加密认证，建立起传感终端与通信网关的通信路由机制。唯一标识码可与ip地址相结合，通过借助运维设备实现与云主站系统的双向联动，实现物联网设备即插即用和全生命周期管理。

随着电力物联网技术的快速发展和深入应用，对传感设备满足低功耗、ip化通信协议提出了需求。但电力物联感知设备的资源相对受限，ipv6协议栈在传感设备上直接应用ipv6协议不可行。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种电力传感设备虚拟化ip管理方法，本发明采用终端设备+边缘网关的ip分层结构，通过对传感终端16bit短地址或64biteui标识，自动转化为ipv6地址，实现传感终端设备的轻量级ip化管理。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明所述的一种电力传感设备虚拟化ip管理方法，包括无ip地址的物联传感终端入网流程，具体流程如下：

步骤1、传感终端发送入网请求数据帧；

步骤2、网关接收到传感终端入网请求数据帧后，先判断自身管理的传感终端ip地址是否超过预设的上限；如果超过，则按照传感终端内网通信方式，回复传感终端入网不成功；如果网关管理的传感终端ip地址未超过，则按照上个申请入网并获得分配的传感终端ip地址顺序递增，即将ipv6地址加1；ipv6地址加1是指ipv6地址中包括的内网短地址加1；从而生成新的ip地址和内网短地址；

步骤3、网关将按照步骤2生成的新的ip地址和内网短地址发送给传感终端，则传感终端后面将按照这个新地址发送应用数据帧；

步骤4、网关接收到传感终端应用数据帧后，为该传感终端分配本网关网络管理通信秘钥，根据数据帧应用类型分配应用秘钥；分配完成后，网关发送应用秘钥信息给该传感终端；同时发送数据帧应用类型和应用秘钥信息到管理平台备份，便于后续对传感终端的应用管理；

步骤5、传感终端接收到网关分配的应用秘钥后，发送带有秘钥信息的入网确认数据帧；

步骤6、网关接收到传感终端入网确认数据帧后，回复传感终端入网成功；传感终端入网流程结束。

作为本发明所述的一种电力传感设备虚拟化ip管理方法进一步优化方案，步骤2中ipv6地址分配方法如下：

步骤a、首先判断传感终端mac网络地址，是按照802.15.4标准，还是按照eui64传感设备id标准；

步骤b、如果是按照802.15.4标准，根据ieee802.15．4定义的16bit短地址进行扩展；具体扩展方法是：首先由16bit短地址和16bitpanid生成一个48bit伪地址，格式为16_bit_pan：16_zero_bits：16_bit_short_address，再将这48bitmac标识和扩展标识之间插入16bit值0xfffe，形成64bit的eui-64地址；eui-64表示64位扩展唯一标识符；

步骤c、如果传感终端id是按照eui64传感设备id标准，设备在出厂时就被分配到一个唯一的64位ieee扩展地址，直接使用该地址作为eui-64接口标识的64bit地址；

步骤d、增加16bit段地址，该地址与网关相关，同一网关管理的传感终端ip地址具有相同的段地址；

步骤e、增加16bit内网短地址，该地址作为传感终端与网关间通信的内网地址；

步骤f、再加入网络前缀，若前缀为链路本地地址则网络前缀为fe-80-00-00；

步骤g、最终构成完整的ipv6地址，地址组成结构为：32bit网络前缀+64biteui+16bit段地址+16bit内网短地址。

作为本发明所述的一种电力传感设备虚拟化ip管理方法进一步优化方案，传感终端入网成功后，电力传感设备发送数据，电力传感设备发送数据的流程为：

（1）、传感终端发送数据的初始化，包括传感终端设备硬件、射频通信器件和数据处理系统参数配置；

（2）、协议栈初始化，根据发送数据采用的通信技术，配置该通信的协议栈，做好通信准备；

（3）、检查发送数据队列的数据情况；

（4）、对发送数据进行udp打包，绑定要发送的目的ipv6地址和端口号；

（5）、数据进入网络层，装载传感终端应用层数据和应用秘钥，调用发送接口函数，装载ipv6和udp报头；

（6）、数据进入适配层，选择ipv6报头压缩方式，并分片重组；

（7）、数据进入mac层，调用数据发送函数，根据通信类型，选择装载对应的通信类型mac帧头，并添加mac层网络秘钥；

（8）、调用射频发送接口函数，数据进入物理层发送。

作为本发明所述的一种电力传感设备虚拟化ip管理方法进一步优化方案，数据的接收过程与权利要求3中数据发送过程相反，通过回调函数实现，底层的实现需要上层的动作，是按照射频物理层、mac层、ipv6协议适配层、网络层的先后顺序进行的；射频物理层收包读取数据后，将其交至mac层，mac层验证mac地址和网络秘钥，然后将数据转发至ipv6协议适配层，适配层处理后，接着将数据提交给网络层进行分析处理；网络层解析数据后，按照数据应用类型，交由应用层实现数据处理和信息展示。

作为本发明所述的一种电力传感设备虚拟化ip管理方法进一步优化方案，所述（7）中的通信类型为802.15.4、lorawan、ble。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明针对现有电力传感设备的ip化管理需求，采用分层网络ip地址分配方法；以物联网关为中心设备，在传感终端与物联网关之间采用内网地址进行通信，同时，根据传感终端设备id号（eui或mac短地址），分配ipv6地址；物联网关与internet采用标准ipv6协议，并可根据传感设备分配的ipv6地址，对传感终端进行访问。

附图说明

图1是ipv6地址转换流程图。

图2是无ip地址的物联传感终端入网流程。

图3是电力传感设备数据收发流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定内部程序、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

物联网关负责分配64bit全局地址，传感器负责分配64bit内网地址。ipv6地址格式为：32bit网络前缀+64biteui+16bit段地址+16bit内网短地址。

64bit全局地址包括：32bit网络前缀（默认设置为fe-80-00-00）、16bit段地址和16bit内网地址；64bit内网地址生成规则包括两种类型：由802.15.4的mac层16bit短地址扩展生成，或直接对应传感终端的64biteui地址。下面是短地址扩展64bit内网地址方法和流程。

附图1为ipv6地址转换流程图，将物联传感终端设备的mac地址转换为全球唯一ipv6地址。步骤如下：

（1）首先判断传感终端mac网络地址，是按照802.15.4标准，还是按照eui64传感设备id标准。

（2）如果是按照802.15.4标准，根据ieee802.15．4定义的16bit短地址进行扩展。具体扩展方法是：首先由16bit短地址和16bitpanid生成一个48bit伪地址，格式为16_bit_pan：16_zero_bits：16_bit_short_address，再将这48bitmac地址公司id和公司扩展id之间插入特定16bit值0xfffe，形成64bit的eui-64地址。

（3）如果传感终端id是按照eui64传感设备id标准，设备在出厂时就就被分配到一个唯一的64位ieee扩展地址，可直接使用该地址作为eui-64接口标识的64bit地址。

（4）增加16bit段地址，该地址与网关设备相关，同一网关管理的终端ip地址具有相同的段地址。

（5）增加16bit内网短地址，该地址可以作为传感终端与网关间通信的内网地址。

（6）再加入网络前缀，若前缀为链路本地地址则网络前缀为fe-80-00-00。

（7）最终构成完整的ipv6地址，地址组成结构为：32bit网络前缀+64biteui+16bit段地址+16bit内网短地址。

附图2是无ip地址的物联传感终端入网流程（包括ip地址分配、安全认证等）。具体流程如下：

（1）传感终端发送入网请求数据帧。

（2）网关接收到终端入网请求后，先判断自身管理的终端ip地址是否超过上限。如果超过，则按照终端内网通信方式，回复终端入网不成功；如果网关管理终端地址未超过，则按照上次分配的终端地址顺序递增，即将ipv6地址加1，内网短地址也同时加1。ipv6地址分配方法按照上文提出的传感终端设备网络地址转化为ipv6地址方法。终端ip地址包含两个意思，在外网就是指ipv6地址；终端地址在一个网关管理的内网（pan个域网），还有一个内网地址。

（3）网关将给终端新分配发ip地址和内网短地址发送给终端，终端按照这个新地址发送应用数据帧。

（4）网关接收到传感终端数据帧后，为该终端分配本网关网络管理通信秘钥，根据应用数据类型分配应用秘钥。分配完成后，发送秘钥信息给该终端。同时发送数据帧应用类型和应用秘钥信息到管理平台备份，便于管理平台后续对终端的应用管理。

（5）终端接收到网关分配的秘钥后，发送带有秘钥信息的入网确认数据帧。

（6）网关接收到终端入网确认数据帧后，回复终端入网成功。终端入网流程结束。

电力传感设备数据收发流程如附图3，数据发送流程为：

（1）传感终端发送数据初始化，包括传感设备硬件、射频通信器件和数据处理系统。

（2）协议栈初始化，根据发送数据采用的通信技术，初始化该通信的协议栈，做好通信准备；

（3）检查发送数据队列的数据情况；

（4）对发送数据进行udp打包，绑定要发送的目的ipv6地址和端口号；

（5）数据进入网络层，装载传感器应用层数据和应用秘钥，调用发送接口函数，装载ipv6和udp报头；

（6）数据进入适配层，选择ipv6报头压缩方式，并分片重组；

（7）数据进入mac层，调用数据发送函数，根据通信类型，选择装载802.15.4或其他通信类型mac帧头，并添加mac层网络秘钥；

（8）调用射频发送接口函数，数据进入物理层发送。

数据的接收过程与数据发送过程刚好相反，通过回调函数实现，底层的实现需要上层的动作，是按照射频物理层、mac层、ipv6协议适配层、网络层的先后顺序进行的。射频物理层收包读取数据后，将其交至mac层，mac层验证mac地址和网络秘钥，然后将数据转发至ipv6协议适配层，适配层处理后，接着将数据提交给网络层进行分析处理。网络层解析数据后，按照数据应用类型，交由应用层实现数据处理和信息展示等功能。

以上详细描述了本发明的具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。