信息技術系統間遠程通信和信息交換OPC統一架構與時間敏感網絡融合映射2023-05-23發布國家市場監督管理總局GB/T42563—2023前言 I 2規范性引用文件 3術語和定義 4縮略語 25OPCUA與TSN融合映射協議棧架構 26OPCUA與TSN融合的通信機制 37OPCUAPubSub與TSN的映射配置 47.1映射配置過程 47.2OPCUAPubSub流到TSN流的映射配置 5附錄A(資料性)OPCUAPubSub和TSN映射描述符 I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。本文件由全國信息技術標準化技術委員會(SAC/TC28)提出并歸口。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。本文件起草單位：中國電子技術標準化研究院、華中科技大學、上海芯問科技有限公司、江蘇賽西科技發展有限公司、深圳賽西信息技術有限公司、之江實驗室、北京賽西科技發展有限責任公司、上海交通大學、上海格麟倍科技發展有限公司、西安航天自動化股份有限公司、北京智芯微電子科技有限公司、重慶郵電大學、北京固源網絡科技有限公司、蘇芯物聯技術(南京)有限公司、中鐵工程服務有限公司。1信息技術系統間遠程通信和信息交換OPC統一架構與時間敏感網絡融合映射1范圍本文件提出了OPCUA與TSN融合協議棧架構，規定了OPCUA與TSN融合的通信機制和OPCUAPubSub與TSN的映射配置。本文件適用于OPCUA與TSN融合系統的設計、開發和應用。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T33863.6—2017OPC統一架構第6部分：映射ISO/IEC/IEEE8802-1AS信息技術系統間的遠程通信和信息交換局域網和城域網特定要求第1AS部分：橋接局域網用時間敏感應用的定時和同步(Informationtechnology—Telecommu-nicationsandinformationexchangebetweensystems—Localandmetropolitanareanetworks—Part1AS:Timingandsynchronizationfortime-sensitiveapplicationsinbridgedlocalareanetworks)ISO/IEC/IEEE8802-1CB信息技術系統間的遠程通信和信息交換局域網和城域網特定ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020信息技術系統間遠程通信和信息交換局域網和城域網的要ISO/IEC/IEEE8802-3:2021信息技術系統間遠程通信和信息交換局域網和城域網要求第3部分：以太網標準(Telecommunicationsandexchangebetweeninformationtechnologysystems一Requirementsforlocalandmetropolitanareanetworks—Part3:StandardforEthernet)IEC62541-14OPC統一架構第14部分：PubSub(OPCUnifiedArchitecture—Part14:Pub-3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。映射配置管理器mappingconfigurationmanager用于管理時間敏感網絡和OPC統一架構之間映射配置。2OPC統一架構發布/訂閱映射到時間敏感網絡的消息。需要以有限的時延傳遞的數據幀流。4縮略語下列縮略語適用于本文件。CNC集中式網絡配置(centralizednetworkconfiguration)CUC集中式用戶配置(centralizeduserconfiguration)GCL門控制列表(gatecontrollist)IP互聯網協議(internetprotocol)MAC媒體訪問控制(mediaaccesscontrol)OPC用于過程控制的對象連接與嵌入(objectlinkingandembeddingforprocesscontrol)OPCUAPubSub-TSNOPCUAPubSub映射到TSN(OPCUAPubSubmappingTSN)PCP優先級代碼(prioritycodepoint)TCP傳輸控制協議(transmissioncontrolprotocol)TSN時間敏感網絡(timesensitivenetwork)UADPUA數據包協議(UAdatagramprotocol)UDP用戶數據報協議(userdatagramprotocol)UNI用戶網絡配置接口(usernetworkinterface)VLAN虛擬局域網(virtuallocalareanetwork)OPCUA與TSN融合映射協議棧架構見圖1,TSN網絡提供實時通信機制，OPCUA可提供統一的語義級通信(不具備實時性要求),通過OPCUA與TSN融合可實現發布者和訂閱者之間實時通信。OPCUA的通信機制包括客戶端/服務端(Client/Server)通信機制和PubSub通信機制，OPCUA與TSN融合包括Client/Server和TSN融合映射、PubSub和TSN融合映OPCUAClient/Server通信機制沒有特定QoS需求，TSN可直接實現Client/Server流的傳OPCUAPubSub通信機制有優先級QoS的通信需求，需要通過與TSN映射實現實時通信，Pub-Sub先映射到UDP,UDP多播通信再映射到TSN層。可將OPCUAPubSub映射為TSN流的QoS需求，在映射過程中應對TSN網絡進行配置以滿足OPCUA3GB/T42563—2023應用層傳輸層/網絡層鏈路層/物理層OPCOPCLAPubSubOPCJAClienuServer[JADPUDP;IPTSN(ISO:ICC/ICCE8802-1Q:2020、ISO:IEC:ICEE8802-1AS、ISO;IEC:IEEE8802-ICB)以太網(1SO/IEC:[EEE8802-3:2021)TCP;IPUADP圖10PCUA與TSN融合映射協議棧架構6OPCUA與TSN融合的通信機制OPCUA和TSN融合的通信機制可通過映射配置過程實現，在映射配置過程時，集中式或分布式的TSN部署在TSN交換機上，映射配置過程收集OPCUA的通信需求，并把OPCUA通信需求轉化為TSN流，從而實現OPCUA的實時通信機制。OPCUAClient/Server與TSN融合通信機制見圖2,OPCUAPubSub與TSN融合通信機制見圖3。汀閱考汀閱考'1SV交換機TSN交換機發布者TSN交模機TSN習原考發布者發布者訂閱者圖2OPCUAClient/Server與TSN融合通信機制4端)TSN交換機TSN交換機戶端)TSN交換機TSN圖3OPCUAPubSub與TSN融合通信機制7OPCUAPubSub與TSN的映射配置7.1映射配置過程在OPCUAPubSub具有QoS需求時，TSN可提供冗余機制，OPCUAPubSub和TSN的映射可實現OPCUA的QoS需求。OPCUAPubSub-TSN映射配置管理器可集成TSNCUC功能，負責創建和管理映射配置過程。OPCUAPubSub的通信需求提交給映射配置管理器，映射配置管理器通過描述符表管理所有的OPCUAPubsub通信需求并轉化為TSN流需求發送給CNC,CNC完成網絡配置后，由CNC生成網絡設備配置參數并部署到TSN設備中，TSN再把相應的TSN流配置信息發送給映射配置管理器，映射配置管理器更新描述符表中的描述符相應字段，再下發到各個OPCUAPubSub流的發布者和訂閱者。映射配置過程見圖4,如下：a)映射配置管理器創建描述符表，收集通信需求填寫描述符的內容；b)映射配置管理器把QoS通信需求發送給CNC,并獲取TSN配置結果；c)映射配置管理器把TSN流配置信息返回給OPCUAPubSub的發布者/訂閱者，完成整個映射配置。5OPCOPCUAPubSub的發布者/訂閱者QoS需求信息TSN流配置信息映射配置管理器創建維護描述符表QoS通信需求TSN流配置信息圖4OPCUAPubSub與TSN映射配置過程TSN的配置由CNC實現，CNC與TSN交換機之間采用網絡配置(NETCONF)協議，基于ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020中規定的YANG模型進行網絡配置。CNC收到映射配置管理器發送的PubSub的QoS需求，通過TSN網橋和TSN流將PubSub的QoS需求傳輸給一個或者多個接收端，再把完成的TSN流配置信息發送給映射配置管理器，流配置管理器對描述符表中字段進行更新，對于集中式網絡配置，一個TSN域具有一個唯一的映射配置管理器。7.2OPCUAPubSub流到TSN流的映射配置7.2.1流的映射配置過程OPCUAPubSub到TSN流的映射過程的實現，應先建立從OPCUAPubSub網絡消息到TSN幀的映射，OPCUAPubSub流的發布者把數據集封裝到網絡消息，此網絡消息映射到TSN流，該網絡消息的訂閱者也是TSN中的TSN流接收端，接收端從接收到的TSN流中獲得網絡消息，并提取數據集，根據數據信息得到具有語義信息的過程變量數據值。OPCUAPubSub流在TSN中的映射配置過程如下：a)OPCUA系統配置工程軟件配置生成多個OPCUAPubSub流信息和初始參數，提供給映射配置管理器；b)映射配置管理器從OPCUAPubSub流的發布者和訂閱者收集OPCUAPubSub流信息；c)映射配置管理器把OPCUAPubSub流的QoS需求傳送給CNC,使用User/Network配置接口協議(UNI協議);d)CNC進行計算，包括計算傳輸調度，確定數據路徑等，并符合QoS需求；e)CUC判斷TSN是否符合QoS需求；f)TSN如不符合QoS需求，CNC將結果反饋給映射配置管理器；g)TSN如符合QoS需求，CNC配置TSN交換機將TSN流配置信息返回給映射配置管理器，映射配置管理器更新TSN流的描述符表，把TSN流配置信息發送給OPCUAPubSub流的發6布者和訂閱者，配置過程完成。為實現OPCUAPubSub流到TSN流的映射配置過程，OPCUAPubSub流的發布者和訂閱者需要獲取網絡消息中的TSN流標識信息和TSN端口配置信息。OPCUAPubSub流的發布者和訂閱者可根據流配置信息進行TSN端口配置。在CNC網絡中，TSN流標識信息由CNC進行定義和分配發送給映射配置管理器，每一個TSN流(一對一或一對多)有統一的TSN流標識，TSN流標識信息符合ISO/IECIEEE8802-1Q:2020中9.6的定義。7.2.2.1描述符表創建和訪問機制描述符表由映射配置管理器管理，描述符表的每一項均為描述符，描述符中包含一個OPCUAPubSub流和關聯的TSN流信息，OPCUAPubSub和TSN流的實例見附錄A。映射配置管理器通過下列實體獲取形成完整的描述符信息：a)OPCUA系統配置工程軟件；c)OPCUAPubSub流訂閱者；d)TSN-CNC。可在映射配置管理器的地址空間訪問描述符。OPCUAPubSub流的發布者和訂閱者，通過OPCUA協議訪問映射配置管理器的描述符表提出或更新OPCUAPubSub流信息，映射配置管理器支持以文件導入和導出的形式來收集OPCUAPub-Sub流發布者和訂閱者的信息。映射配置管理器通過UNI向TSN-CNC發出網絡配置請求并獲得TSN配置結果，更新描述符的相應字段，TSN-CNC不能直接讀寫描述符。在完成TSN配置后，OPCUAPubSub流的發布者和訂閱者可作為客戶端，通過OPCUA協議訪問映射配置管理器的描述符表來獲取OPCUAPubSub流對應的TSN流配置信息。7.2.2.2描述符內容及格式描述符的內容由PubSub流對應的發布者和訂閱者OPCUA地址空間中相關信息組成，包括：a)OPCUAPubSub流對象名稱：在創建一個新的OPCUAPubSub流時，由映射配置管理器定義；b)OPCUAPubSub流發布者信息：OPCUA發布者的ID信息，應符合IEC62541-14要求；c)OPCUAPubSub流發布數據集元數據信息：OPCUA發布者的傳輸的數據集，應符合IEC62541-14要求；d)OPCUAPubSub流發布者QoS需求，應符合IEC62541-14要求；e)OPCUAPubSub流發布者TSN端口信息，用于確定OPCUA流映射到的發布者設備的具f)OPCUAPubSub流訂閱者信息，應符合IEC62541-14要求；g)OPCUAPubSub流訂閱者QoS需求，應符合IEC62541-14要求；h)OPCUAPubSub流訂閱者TSN端口信息：用于確定OPCUA流映射到訂閱者設備的具體i)OPCUAPubSub流映射的TSN流ID信息：由TSN-CNC分配；j)OPCUAPubSub流發布者TSN端口配置信息：包括VLAN,PCP,發送時間點，GCL等信7k)OPCUAPubSub流訂閱者TSN端口配置信息：由TSN-CNC進行配置。描述符與多個應用工程工具和配置工具相關聯，以可擴展置標語言或JSON(JavaScriptObjectNotation,JS簡譜)文件上傳和下載，描述符字段見表1。數據類型取值范圍必選/可選OPCUA地址空間中相關信息組成可選流對象名稱OPCUAPubSub流對象名稱publisherID可選發布者名稱OPCUAPubSub流發布者信息DataSet數組必選發布數據集中包含的節點身份信息，數組的元素是描述性的語言構造的字符串，一個元素包含一個節點的身份信息OPCUAPubSub流發布數據集元數據信息必選發布周期，單位為納秒OPCUAPubSub流發布者QoS需求可選發送窗口sendWindow[o],窗口相對于周期起始點的偏移值，單位為納秒(ns);sendWindow[1],窗口長度，單位為納秒(ns)必選源端口MAC地址，格式為點分十六進制字符串OPCUAPubSub流發布者TSN端口信息可選發布者網卡ID可選訂閱者名稱OPCUAPubSub流訂閱者信息必選多個訂閱者各自的時延，單位為納秒(ns)OPCUAPubSub流訂閱者QoS需求可選多個訂閱者各自的抖動，單位為納秒(ns)必選目的端口MAC地址，格式為點分十六進制字符串OPCUAPubSub流訂閱者TSN端口信息可選訂閱者網卡ID必選TSN流的唯一標識，OPCUAPubSub流映射的TSN流ID信息8GB/T42563—2023數據類型取值范圍必選/可選OPCUA地址空間中相關信息組成VlanID0～4094必選TSN流VlanIDOPCUAPubSub流發布者TSN端口配置信息Priority0～7必選TSN流優先級Offset0～period必選TSN流發送時刻相對于周期起始點的時間偏移，單位為納秒(ns)tasGCLClass必選時間感知整形機制，門控時間槽列表注：string為字符串，string[]為字符串組，int[]為整數數組，int[2]為兩個整數組成的整數數組，Class為類(包括數據、函數和類型成員，提供自定義數據類型)。表示取值范圍大于或等于0且小于周期period,period是字段名。7.2.3OPCUAPubSub網絡消息到TSN幀的映射OPCUA消息映射的一般原則符合GB/T33863.6—2017的規定。在OPCUA的PubSub機制中，優先采用經過優化的OPCUA二進制編碼機制并提供安全機制，形成的網絡消息通過網絡傳輸協議進行傳輸，通信主體是發布者和訂閱者，發布者發布網絡消息，一個或多個訂閱者訂閱該網絡消息，網絡消息包含網絡消息頭字段和其他部分。在TSN的實時通信機制里，通信主體是發送端和接收端，由TSN網橋作為通信媒體來通過TSN流交換信息，一個發送端發起一個具體TSN流，一個或多個接收端通過網橋接收該TSN流。TSN幀格式使用內部標記機制，該機制在以太網幀的源地址和Type/Length字段之間插入一個4字節的標記字段，由于幀發生了改變，因此中繼設備會對修改后的幀重新計算幀校驗序列，TSN幀格式符合ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020中9.6的定義。在進行OPCUAPubSub網絡消息到TSN流的消息映射時，發布者的端側TSN協議棧首先獲取網絡消息，檢驗簽名是否合法，之后將網絡消息映射至TSN幀中。其中TSN幀是插入標記字段后的以太網幀。TSN幀格式的相關字段按以下規則進行映射：a)目標MAC地址：由映射配置管理器配置；b)源MAC地址：由映射配置管理器配置，缺省情況下為網卡ID;c)VlanID和PCP字段：由映射配置管理器配置；d)EtherType段：當基于UADP實現時，該字段為0xB62C;e)OPCUAPubSub基于UADP和TSN融合映射時，IP組播地址由映射配置管理器進行配置。7.2.4OPCUAPubSub網絡消息到TSN幀的編碼解碼過程OPCUAPubSub的網絡消息到TSN幀的編碼解碼過程由發布者和訂閱者操作，由映射配置管理在TSN編碼前，映射配置管理器首先收集網絡消息和發布者、訂閱者的網絡描述符并上傳到CNC進行網絡配置，在網絡配置中將UADP網絡消息拆分、解析，形成相關標識字段、控制字段、校驗信息、9發送者和訂閱者MAC地址等信息。CNC將配置好的網絡參數發送到映射配置管理器，形成TSN標識符，再下放到發布/訂閱端，發布/訂閱端據此進行TSN幀的編解碼。CNC描述符網絡參數映射配置管理器網絡消息、描述符TSN標識符編碼發布者TSN幀TSN交換機TSN幀解碼訂閱者圖5OPCUAPubSub的網絡消息到TSN幀的編碼解碼過程編碼階段，發布者根據網絡消息以及從映射配置管理器收到的TSN標識符等信息進行TSN幀編碼。根據TSN幀格式，首先從映射配置管理器中獲取8字節的前導符，2字節以太網類型字段和4字節的校驗信息，放入TSN幀，再將得到的TSN幀標識符中的發送者MAC地址和訂閱者MAC地址寫入TSN幀。最后，將報文中的有效負荷字段寫入TSN幀中的載荷字段，完成TSN幀編碼。解碼階段，訂閱者根據TSN幀以及從映射配置管理器收到的TSN標識符等信息進行TS