信息技術(shù)系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換OPC統(tǒng)一架構(gòu)與時間敏感網(wǎng)絡(luò)融合映射2023-05-23發(fā)布國家市場監(jiān)督管理總局GB/T42563—2023前言 I 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語和定義 4縮略語 25OPCUA與TSN融合映射協(xié)議棧架構(gòu) 26OPCUA與TSN融合的通信機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件由全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC28)提出并歸口。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件起草單位：中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、華中科技大學(xué)、上海芯問科技有限公司、江蘇賽西科技發(fā)展有限公司、深圳賽西信息技術(shù)有限公司、之江實驗室、北京賽西科技發(fā)展有限責(zé)任公司、上海交通大學(xué)、上海格麟倍科技發(fā)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(xué)、北京固源網(wǎng)絡(luò)科技有限公司、蘇芯物聯(lián)技術(shù)(南京)有限公司、中鐵工程服務(wù)有限公司。1信息技術(shù)系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換OPC統(tǒng)一架構(gòu)與時間敏感網(wǎng)絡(luò)融合映射1范圍本文件提出了OPCUA與TSN融合協(xié)議棧架構(gòu)，規(guī)定了OPCUA與TSN融合的通信機(jī)制和OPCUAPubSub與TSN的映射配置。本文件適用于OPCUA與TSN融合系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)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(yīng)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(tǒng)一架構(gòu)第6部分：映射ISO/IEC/IEEE8802-1AS信息技術(shù)系統(tǒng)間的遠(yuǎn)程通信和信息交換局域網(wǎng)和城域網(wǎng)特定要求第1AS部分：橋接局域網(wǎng)用時間敏感應(yīng)用的定時和同步(Informationtechnology—Telecommu-nicationsandinformationexchangebetweensystems—Localandmetropolitanareanetworks—Part1AS:Timingandsynchronizationfortime-sensitiveapplicationsinbridgedlocalareanetworks)ISO/IEC/IEEE8802-1CB信息技術(shù)系統(tǒng)間的遠(yuǎn)程通信和信息交換局域網(wǎng)和城域網(wǎng)特定ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020信息技術(shù)系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換局域網(wǎng)和城域網(wǎng)的要ISO/IEC/IEEE8802-3:2021信息技術(shù)系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換局域網(wǎng)和城域網(wǎng)要求第3部分：以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(Telecommunicationsandexchangebetweeninformationtechnologysystems一Requirementsforlocalandmetropolitanareanetworks—Part3:StandardforEthernet)IEC62541-14OPC統(tǒng)一架構(gòu)第14部分：PubSub(OPCUnifiedArchitecture—Part14:Pub-3術(shù)語和定義下列術(shù)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(wǎng)絡(luò)和OPC統(tǒng)一架構(gòu)之間映射配置。2OPC統(tǒng)一架構(gòu)發(fā)布/訂閱映射到時間敏感網(wǎng)絡(luò)的消息。需要以有限的時延傳遞的數(shù)據(jù)幀流。4縮略語下列縮略語適用于本文件。CNC集中式網(wǎng)絡(luò)配置(centralizednetworkconfiguration)CUC集中式用戶配置(centralizeduserconfiguration)GCL門控制列表(gatecontrollist)IP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)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(yōu)先級代碼(prioritycodepoint)TCP傳輸控制協(xié)議(transmissioncontrolprotocol)TSN時間敏感網(wǎng)絡(luò)(timesensitivenetwork)UADPUA數(shù)據(jù)包協(xié)議(UAdatagramprotocol)UDP用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(userdatagramprotocol)UNI用戶網(wǎng)絡(luò)配置接口(usernetworkinterface)VLAN虛擬局域網(wǎng)(virtuallocalareanetwork)OPCUA與TSN融合映射協(xié)議棧架構(gòu)見圖1,TSN網(wǎng)絡(luò)提供實時通信機(jī)制，OPCUA可提供統(tǒng)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(xiàn)發(fā)布者和訂閱者之間實時通信。OPCUA的通信機(jī)制包括客戶端/服務(wù)端(Client/Server)通信機(jī)制和PubSub通信機(jī)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(jī)制沒有特定QoS需求，TSN可直接實現(xiàn)Client/Server流的傳OPCUAPubSub通信機(jī)制有優(yōu)先級QoS的通信需求，需要通過與TSN映射實現(xiàn)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(yīng)對TSN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置以滿足OPCUA3GB/T42563—2023應(yīng)用層傳輸層/網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)(1SO/IEC:[EEE8802-3:2021)TCP;IPUADP圖10PCUA與TSN融合映射協(xié)議棧架構(gòu)6OPCUA與TSN融合的通信機(jī)制OPCUA和TSN融合的通信機(jī)制可通過映射配置過程實現(xiàn)，在映射配置過程時，集中式或分布式的TSN部署在TSN交換機(jī)上，映射配置過程收集OPCUA的通信需求，并把OPCUA通信需求轉(zhuǎn)化為TSN流，從而實現(xiàn)OPCUA的實時通信機(jī)制。OPCUAClient/Server與TSN融合通信機(jī)制見圖2,OPCUAPubSub與TSN融合通信機(jī)制見圖3。汀閱考汀閱考'1SV交換機(jī)TSN交換機(jī)發(fā)布者TSN交模機(jī)TSN習(xí)原考發(fā)布者發(fā)布者訂閱者圖2OPCUAClient/Server與TSN融合通信機(jī)制4端)TSN交換機(jī)TSN交換機(jī)戶端)TSN交換機(jī)TSN圖3OPCUAPubSub與TSN融合通信機(jī)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(jī)制，OPCUAPubSub和TSN的映射可實現(xiàn)OPCUA的QoS需求。OPCUAPubSub-TSN映射配置管理器可集成TSNCUC功能，負(fù)責(zé)創(chuàng)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(zhuǎn)化為TSN流需求發(fā)送給CNC,CNC完成網(wǎng)絡(luò)配置后，由CNC生成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置參數(shù)并部署到TSN設(shè)備中，TSN再把相應(yīng)的TSN流配置信息發(fā)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(yīng)字段，再下發(fā)到各個OPCUAPubSub流的發(fā)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(chuàng)建描述符表，收集通信需求填寫描述符的內(nèi)容；b)映射配置管理器把QoS通信需求發(fā)送給CNC,并獲取TSN配置結(jié)果；c)映射配置管理器把TSN流配置信息返回給OPCUAPubSub的發(fā)布者/訂閱者，完成整個映射配置。5OPCOPCUAPubSub的發(fā)布者/訂閱者QoS需求信息TSN流配置信息映射配置管理器創(chuàng)建維護(hù)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(xiàn)，CNC與TSN交換機(jī)之間采用網(wǎng)絡(luò)配置(NETCONF)協(xié)議，基于ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020中規(guī)定的YANG模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。CNC收到映射配置管理器發(fā)送的PubSub的QoS需求，通過TSN網(wǎng)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(fā)送給映射配置管理器，流配置管理器對描述符表中字段進(jìn)行更新，對于集中式網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)，應(yīng)先建立從OPCUAPubSub網(wǎng)絡(luò)消息到TSN幀的映射，OPCUAPubSub流的發(fā)布者把數(shù)據(jù)集封裝到網(wǎng)絡(luò)消息，此網(wǎng)絡(luò)消息映射到TSN流，該網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)消息，并提取數(shù)據(jù)集，根據(jù)數(shù)據(jù)信息得到具有語義信息的過程變量數(shù)據(jù)值。OPCUAPubSub流在TSN中的映射配置過程如下：a)OPCUA系統(tǒng)配置工程軟件配置生成多個OPCUAPubSub流信息和初始參數(shù)，提供給映射配置管理器；b)映射配置管理器從OPCUAPubSub流的發(fā)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(xié)議(UNI協(xié)議);d)CNC進(jìn)行計算，包括計算傳輸調(diào)度，確定數(shù)據(jù)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(jié)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(jī)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(fā)送給OPCUAPubSub流的發(fā)6布者和訂閱者，配置過程完成。為實現(xiàn)OPCUAPubSub流到TSN流的映射配置過程，OPCUAPubSub流的發(fā)布者和訂閱者需要獲取網(wǎng)絡(luò)消息中的TSN流標(biāo)識信息和TSN端口配置信息。OPCUAPubSub流的發(fā)布者和訂閱者可根據(jù)流配置信息進(jìn)行TSN端口配置。在CNC網(wǎng)絡(luò)中，TSN流標(biāo)識信息由CNC進(jìn)行定義和分配發(fā)送給映射配置管理器，每一個TSN流(一對一或一對多)有統(tǒng)一的TSN流標(biāo)識，TSN流標(biāo)識信息符合ISO/IECIEEE8802-1Q:2020中9.6的定義。7.2.2.1描述符表創(chuàng)建和訪問機(jī)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(guān)聯(lián)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(tǒng)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(fā)布者和訂閱者，通過OPCUA協(xié)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(dǎo)入和導(dǎo)出的形式來收集OPCUAPub-Sub流發(fā)布者和訂閱者的信息。映射配置管理器通過UNI向TSN-CNC發(fā)出網(wǎng)絡(luò)配置請求并獲得TSN配置結(jié)果，更新描述符的相應(yīng)字段，TSN-CNC不能直接讀寫描述符。在完成TSN配置后，OPCUAPubSub流的發(fā)布者和訂閱者可作為客戶端，通過OPCUA協(xié)議訪問映射配置管理器的描述符表來獲取OPCUAPubSub流對應(yīng)的TSN流配置信息。7.2.2.2描述符內(nèi)容及格式描述符的內(nèi)容由PubSub流對應(yīng)的發(fā)布者和訂閱者OPCUA地址空間中相關(guān)信息組成，包括：a)OPCUAPubSub流對象名稱：在創(chuàng)建一個新的OPCUAPubSub流時，由映射配置管理器定義；b)OPCUAPubSub流發(fā)布者信息：OPCUA發(fā)布者的ID信息，應(yīng)符合IEC62541-14要求；c)OPCUAPubSub流發(fā)布數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)信息：OPCUA發(fā)布者的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集，應(yīng)符合IEC62541-14要求；d)OPCUAPubSub流發(fā)布者QoS需求，應(yīng)符合IEC62541-14要求；e)OPCUAPubSub流發(fā)布者TSN端口信息，用于確定OPCUA流映射到的發(fā)布者設(shè)備的具f)OPCUAPubSub流訂閱者信息，應(yīng)符合IEC62541-14要求；g)OPCUAPubSub流訂閱者QoS需求，應(yīng)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(shè)備的具體i)OPCUAPubSub流映射的TSN流ID信息：由TSN-CNC分配；j)OPCUAPubSub流發(fā)布者TSN端口配置信息：包括VLAN,PCP,發(fā)送時間點，GCL等信7k)OPCUAPubSub流訂閱者TSN端口配置信息：由TSN-CNC進(jìn)行配置。描述符與多個應(yīng)用工程工具和配置工具相關(guān)聯(lián)，以可擴(kuò)展置標(biāo)語言或JSON(JavaScriptObjectNotation,JS簡譜)文件上傳和下載，描述符字段見表1。數(shù)據(jù)類型取值范圍必選/可選OPCUA地址空間中相關(guān)信息組成可選流對象名稱OPCUAPubSub流對象名稱publisherID可選發(fā)布者名稱OPCUAPubSub流發(fā)布者信息DataSet數(shù)組必選發(fā)布數(shù)據(jù)集中包含的節(jié)點身份信息，數(shù)組的元素是描述性的語言構(gòu)造的字符串，一個元素包含一個節(jié)點的身份信息OPCUAPubSub流發(fā)布數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)信息必選發(fā)布周期，單位為納秒OPCUAPubSub流發(fā)布者QoS需求可選發(fā)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(jìn)制字符串OPCUAPubSub流發(fā)布者TSN端口信息可選發(fā)布者網(wǎng)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(jìn)制字符串OPCUAPubSub流訂閱者TSN端口信息可選訂閱者網(wǎng)卡ID必選TSN流的唯一標(biāo)識，OPCUAPubSub流映射的TSN流ID信息8GB/T42563—2023數(shù)據(jù)類型取值范圍必選/可選OPCUA地址空間中相關(guān)信息組成VlanID0～4094必選TSN流VlanIDOPCUAPubSub流發(fā)布者TSN端口配置信息Priority0～7必選TSN流優(yōu)先級Offset0～period必選TSN流發(fā)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(jī)制，門控時間槽列表注：string為字符串，string[]為字符串組，int[]為整數(shù)數(shù)組，int[2]為兩個整數(shù)組成的整數(shù)數(shù)組，Class為類(包括數(shù)據(jù)、函數(shù)和類型成員，提供自定義數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)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(guī)定。在OPCUA的PubSub機(jī)制中，優(yōu)先采用經(jīng)過優(yōu)化的OPCUA二進(jìn)制編碼機(jī)制并提供安全機(jī)制，形成的網(wǎng)絡(luò)消息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸，通信主體是發(fā)布者和訂閱者，發(fā)布者發(fā)布網(wǎng)絡(luò)消息，一個或多個訂閱者訂閱該網(wǎng)絡(luò)消息，網(wǎng)絡(luò)消息包含網(wǎng)絡(luò)消息頭字段和其他部分。在TSN的實時通信機(jī)制里，通信主體是發(fā)送端和接收端，由TSN網(wǎng)橋作為通信媒體來通過TSN流交換信息，一個發(fā)送端發(fā)起一個具體TSN流，一個或多個接收端通過網(wǎng)橋接收該TSN流。TSN幀格式使用內(nèi)部標(biāo)記機(jī)制，該機(jī)制在以太網(wǎng)幀的源地址和Type/Length字段之間插入一個4字節(jié)的標(biāo)記字段，由于幀發(fā)生了改變，因此中繼設(shè)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(jìn)行OPCUAPubSub網(wǎng)絡(luò)消息到TSN流的消息映射時，發(fā)布者的端側(cè)TSN協(xié)議棧首先獲取網(wǎng)絡(luò)消息，檢驗簽名是否合法，之后將網(wǎng)絡(luò)消息映射至TSN幀中。其中TSN幀是插入標(biāo)記字段后的以太網(wǎng)幀。TSN幀格式的相關(guān)字段按以下規(guī)則進(jìn)行映射：a)目標(biāo)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(wǎng)卡ID;c)VlanID和PCP字段：由映射配置管理器配置；d)EtherType段：當(dāng)基于UADP實現(xiàn)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(jìn)行配置。7.2.4OPCUAPubSub網(wǎng)絡(luò)消息到TSN幀的編碼解碼過程OPCUAPubSub的網(wǎng)絡(luò)消息到TSN幀的編碼解碼過程由發(fā)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(wǎng)絡(luò)消息和發(fā)布者、訂閱者的網(wǎng)絡(luò)描述符并上傳到CNC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，在網(wǎng)絡(luò)配置中將UADP網(wǎng)絡(luò)消息拆分、解析，形成相關(guān)標(biāo)識字段、控制字段、校驗信息、9發(fā)送者和訂閱者M(jìn)AC地址等信息。CNC將配置好的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)發(fā)送到映射配置管理器，形成TSN標(biāo)識符，再下放到發(fā)布/訂閱端，發(fā)布/訂閱端據(jù)此進(jìn)行TSN幀的編解碼。CNC描述符網(wǎng)絡(luò)參數(shù)映射配置管理器網(wǎng)絡(luò)消息、描述符TSN標(biāo)識符編碼發(fā)布者TSN幀TSN交換機(jī)TSN幀解碼訂閱者圖5OPCUAPubSub的網(wǎng)絡(luò)消息到TSN幀的編碼解碼過程編碼階段，發(fā)布者根據(jù)網(wǎng)絡(luò)消息以及從映射配置管理器收到的TSN標(biāo)識符等信息進(jìn)行TSN幀編碼。根據(jù)TSN幀格式，首先從映射配置管理器中獲取8字節(jié)的前導(dǎo)符，2字節(jié)以太網(wǎng)類型字段和4字節(jié)的校驗信息，放入TSN幀，再將得到的TSN幀標(biāo)識符中的發(fā)送者M(jìn)AC地址和訂閱者M(jìn)AC地址寫入TSN幀。最后，將報文中的有效負(fù)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(jù)TSN幀以及從映射配置管理器收到的TSN標(biāo)識符等信息進(jìn)行TS