GB/T 40695-2021 信息技术 系统间远程通信和信息交换 基于IPv6的无线网络接入要求

　　ICS 35 . 1 10 CCS L 79

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40695—2021

　　信息技术 系统间远程通信和信息交换

　　基于 IPv6 的无线网络接入要求

　　Informationtechnology—Telecommunicationsandinformationexchange

　　betweensystems—wirelessnetworkaccessrequirementsbasedonIPv6

　　2021-10-1 1 发布 2022-05-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40695—202 1

　　GB/T 40695—202 1

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由全国信息技术标准化技术委员会(SAC/TC 28)提出并归口 。

　　本文件起草单位：重庆邮电大学、中国电子技术标准化研究院、中国互联网络信息中心、重庆川仪自动化股份有限公司、深圳赛西信息技术有限公司、重庆集成天智机器人有限公司、北京东土科技股份有限公司、郑州大学。

　　本文件主要起草人：魏昱、王平、卓兰、张弛、杨宏、延志伟、王刚、黄从虎、王逸飞、李彩芹、王浩、韩丽、周琳琳、田英明、邹明伟、程远、李诚、陈恩庆。

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　　信息技术 系统间远程通信和信息交换

　　基于 IPv6 的无线网络接入要求

　　1 范围

　　本文件规定了工业场景中无线网络接入 IPv6 网络的网络架构和技术要求。

　　本文件适用于工业场景中无线网络接入 IPv6 网络的实施与部署。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 26790 . 1—2011 工业无线网络 WIA规范 第 1 部分：用于过程自动化的 WIA 系统结构与通信规范

　　GB/T 26790 . 2—2015 工业无线网络 WIA规范 第 2 部分：用于工厂自动化的 WIA 系统结构与通信规范

　　GB/T 29910.5—2013 工业通信网络 现场总线规范 类型 20 : HART 规范 第 5 部分：Wire- lessHART无线通信网络及通信行规

　　GB/T 30269 . 303—2018 信息技术 传感器网络 第 303 部分：通信与信息交换：基于 IP 的无线传感器网络网络层规范

　　YD/T 3331—2018 面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)无线网总体技术要求

　　IEC 62734 : 2014 工业网络 无线通信网络和通信协议 ISA 100. 11a (Industrial networks— Wireless communication network and communication profiles—ISA 100.11a)

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　IPv6 边界网关 IPv6 bordergateway

　　支持 IPv6 网络接入的无线网关，负责无线设备和无线路由设备的 IPv6 网络接入和协议转换。

　　3.2

　　IPv6 网络 IPv6 network

　　支持 IPv6 协议的接入网络或骨干网络。

　　3.3

　　不支持 IPv6 的无线网络 IPv6 disabledwirelessnetwork

　　无线设备不支持 IPv6 协议，无法直接与 IPv6 网络互联的无线网络。

　　3.4

　　隧道 tunnel

　　通过在 IPv6 数据报文前封装报头，实现 IPv6 数据在不支持 IPv6 的工业无线网络中传输的通道;或将无线网络中的包封装成 IPv6 报文，实现不支持 IP 的工业无线报文在 IPv6 网络中传输的通道。

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　　3.5

　　无线网关 wirelessgateway

　　连接无线网络与其他网络的设备。

　　3.6

　　支持 IPv6 的无线网络 IPv6 enabledwirelessnetwork

　　无线设备支持 IPv6 协议，能够直接与 IPv6 网络互联的无线网络。

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　ICMPv6：互联网控制管理协议第 6 版 (Internet Control Management Protocol Version 6)

　　IP：互联网协议(Internet Protocol)

　　IPv4：互联网协议第 4 版 (Internet Protocol Version 4)

　　IPv6：互联网协议第 6 版 (Internet Protocol Version 6)

　　MAC：媒体访问控制(Medium Access Control)

　　TCP：传输控制协议(Transmission Control Protocol)

　　WIA-PA：面向工业过程自动化的工业无线网络标准技术(Wireless Networks for Industrial Auto-

　　mation Process Automation)

　　5 无线网络接入 IPv6 网络架构

　　无线网络接入到 IPv6 网络的接入网络架构见图 1 。其中无线网络分为不支持 IPv6 的无线网络和支持 IPv6 的无线网络。 无线网络主要由无线设备、无线路由设备和 IPv6 边界网关组成。

　　图 1 无线网络接入 IPv6 网络架构

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　　无线设备负责采集现场数据信息，支持 GB/T 26790 . 1—2011、GB/T 29910 . 5—2013、GB 15629 . 11 、 IEC 62734:2014、GB/T 26790 . 2—2015、YD/T 3331—2018 至少一种无线连接协议。 无线路由设备负责对无线设备采集到的数据进行转发和路径规划，支持一种或多种路由协议。 IPv6 边界网关负责无线设备和无线路由设备的 IPv6 网络接入和协议转换，以及无线网络的网络管理和安全管理。 支持非 IPv6 的无线网络通过 IPv6 边界网关实现无线网络与 IPv6 网络的互联。 支持 IPv6 的无线网络中部署的节点网络层支持 IPv6 协议，可实现无线网络与 IPv6 互联网的互联。

　　6 基于 IPv6 的无线网络接入要求

　　6 . 1 支持 IPv6 的无线网络接入要求

　　支持 IPv6 的无线网络接入满足但不局限下列要求：

　　a) 协议栈中网络层和适配层应支持 IPv6,应支持统一编码、头部压缩和分片重组、调度头、Mesh寻址等功能;

　　b ) 应支持 IPv6 地址分配，其中地址统一编码、分片重组和头部压缩方式应符合 GB/T 30269 . 303— 2018 中 6 . 4. 1、6 . 4. 2、6 . 4. 3 的规定 。

　　6 . 2 不支持 IPv6 的无线网络接入要求

　　6 . 2 . 1 概述

　　不支持 IPv6 的无线网络接入要求分为：

　　a) 针对无线网关不支持 IPv6 场景下的要求;

　　b ) 针对无线网关支持 IPv6 场景下的要求。

　　6 . 2 . 2 无线网关不支持 IPv6

　　6 . 2 . 2 . 1 总体要求

　　无线网关不提供 IPv6 接 口，需进行改造升级，使其升级为 IPv6 边界网关，无线网络才能接入到

　　IPv6 网络 。

　　无线网络中，不支持 IPv6 的无线网关应在网关北向增加协议转换模块，成为支持 IPv6 的 IPv6 边界网关，使无线网络接入 IPv6 网络，如图 2 所示。

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　　图 2 无线网关不支持 IPv6 场景下无线网络接入 IPv6 网络架构

　　6 . 2 . 2 . 2 协议转换模块功能要求

　　协议转换模块至少应满足下列要求：

　　a) 所产生的电磁干扰应不影响原有无线网络的传输可靠性;

　　b ) 协议转换模块应具有隧道网关功能，具体要求见 6 . 2 . 2 . 3 ;

　　c) 应具有支持 IPv6 地址配置功能，具体要求见 6 . 2 . 2 . 4 ;

　　d) 应具备 IPv4 到 IPv6 双栈模型，即同时具备通过 IPv4 地址与 IPv4 网络的主机通信，以及通过IPv6 地址与 IPv6 网络的主机通信两种能力，两种协议栈运行独立;

　　e) 应具有非 IP无线网络接入 IPv6 网络适配功能，即对非 IP无线网络中的帧格式进行相应的封装后，可传输至 IPv6 网络。

　　附录 A 给出了符合 GB/T 29910(所有部分)要求的网络在网关不提供 IPv6 接口时接入 IPv6 网络的具体实现步骤。

　　6 . 2 . 2 . 3 支持 IPv6 隧道功能要求

　　支持 IPv6 的无线边界网关应提供无线网络隧道和 IPv6 网络隧道。

　　无线网络隧道应支持将来自 IPv6 网络的报文按照无线网络支持的协议封装，封装后发往无线网络，使 IPv6 报文可在无线网络中传输。

　　IPv6 网络隧道应支持为无线网络支持的协议封装报文设置 IPv6 扩展报头，封装在 IPv6 报文中后发往 IPv6 网络，使无线网络支持的协议封装报文可在 IPv6 网络中传输。

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　　6 . 2 . 2 . 4 IPv6 地址配置要求

　　IPv6 地址配置包括协议转换模块的地址配置和无线设备的地址映射。

　　协议转换模块应手动或自动的方式配置 IPv6 地址，以此建立通信来完成与 IPv6 网络之间的数据传输。

　　无线设备应进行地址映射，无线设备成功入网之后应得到协议转换模块分配的网络地址前缀;无线设备通过 ICMPv6 向网络中其他设备广播这个前缀信息;其他无线设备接收到相应的 ICMPv6 信息中的前缀后，结合自己的 64 位 MAC地址，并根据 TCP/IP 协议中 IPv6 地址的计算方法，生成本节点的IPv6 地址;生成的 IPv6 地址应与无线设备原本的短地址形成地址映射关系，使得无线网关北向的 IPv6主机收到数据之后能够通过地址映射关系识别出源节点短地址。

　　6 . 2 . 3 无线网关支持 IPv6

　　6 . 2 . 3 . 1 总体要求

　　无线网络中，无线网关具有 IPv6 协议转化模块并且支持 IPv6 接 口，则无线网关即为 IPv6 边界网关 。 网关通过配置或协议栈二次开发后可直接接入 IPv6 网络，如图 3 所示。

　　接入要求包括无线网关的北向接口和协议转化模块。

　　图 3 无线网关支持 IPv6 场景下无线网络接入 IPv6 网络架构

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　　附录 B 给出了符合 GB/T 26790 . 1—2011 要求的网络在网关提供 IPv6 接口时接入 IPv6 网络的具体实现。

　　6 . 2 . 3 . 2 网关北向接口要求

　　网关北向接口应支持 IPv6 接 口 。

　　6 . 2 . 3 . 3 协议转化功能要求

　　无线网关中的协议转换功能满足但不局限下列要求：

　　a) 通信协议方式应至少支持异步全双工、同步半双工及同步全双工之一 ;

　　b ) 应支持接收并执行来自网络管理器的网关启动命令;

　　c) 应支持直接与网络管理器发送 IPv6 数据报文。

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　　附 录 A

　　(资料性)

　　wirelessHART网络接入 IPv6 网络

　　A.1 wirelessHART网络概述

　　符合 GB/T 29910.5—2013 的 WirelessHART 网络包括网关(网络管理器)和节点。网络建立连接

　　后，网络管理器创建 Graph 0(上行至网关的 Graph)和 Superframe0(管理超帧)，对网关进行相关信息的初始化配置并初始化 ASN(绝对时隙)，相关信息包括网络密钥、网关和网络管理器会话密钥、广播密钥、超帕和链路等。

　　在激活超帧后，网关开始广告网络信息，并允许设备加入网络。 在网络初始化完成之后，网络接入点开始广告网络信息，该数据包含网络 ID(标识)、当前网络绝对时隙数 ASN、网络时钟同步信息以及加入过程中所需要的通信资源，并以广播形式发送出去。

　　设备在上电之后会侦听广告包，在收到广告包后获取网络 ID,设置当前网络绝对时隙，同步网络时钟，并配置加入过程所需的通信资源，最后向网络管理器发送加入请求。 网络管理器在收到节点的加入请求之后，对节点的地址以及加入密钥等信息进行身份验证，若验证通过，则网络管理器为节点配置路由和通信资源等相关信息，通过临时路由和超帧下发至待加入节点。 在节点配置完之后，节点加入网络成功。 之后节点就能够与网络管理器进行通信，并向网络管理器报告自己的邻居信息和向网关上传数据。

　　A.2 wirelessHART网络接入架构

　　对于无线网关不支持 IPv6 的 WirelessHART 网络，架构图如图 A. 1 所示。

　　图 A.1 wirelessHART网络接入 IPv6 网络架构

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　　A.3 wirelessHART边界网关隧道功能

　　WirelessHART 的无线边界网关提供非 IP无线网络隧道和 IPv6 网络隧道，分别承载南向北向的通信任务：

　　a) WirelessHART 的无线边界网关通过非 IP 无线网络隧道将 IPv6 数据报文封装在非 IP 数据报文中，来完成 IPv6 网络上的主机对非 IP无线网络的网络设备下发的数据读取指令(南向);

　　b ) WirelessHART 的无线边界网关通过 IPv6 网络隧道将非 IP数据报文上设置 IPv6 扩展报头，封装在 IPv6 数据报文中，来完成非 IP无线网络设备向 IPv6 网络上的主机上传数据(北向)。

　　A.4 wirelessHART边界网关隧道实施步骤

　　WirelessHART边界网络隧道实施具体步骤如下：

　　a) 在隧道入口 WirelessHART 的无线边界网关把数据报文封装在隧道报文中，隧道报文的源地址和目的地址分别对应隧道的入口和出口，在隧道出口处，网关将报文从隧道报文中取出数据报文转发给目的节点;

　　b ) 在源节点处指定隧道的入口节点地址，根据节点的网络属性和实时网络状态选择隧道入口;在目的节点处指定隧道的出口节点地址，确保数据正常有序的接收。

　　在隧道入口处，WirelessHART 的无线边界网关应在原始报文的基础上扩展隧道封装报头和隧道传输报头，使原始报文能够在隧道中稳定传输;报文到达隧道出口时，网关应将其解析为原始报文进行下一步传输。

　　A.5 wirelessHARTH 网络地址转换

　　消息格式如图 A. 2 所示，消息共分为两种类型：主-从帧格式，如图 A. 3 所示;从-主帧格式如图 A. 4所示。

　　图 A.2 HART 网络消息结构

　　图 A.3 主-从帧

　　图 A.4 从-主帧

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　　HART5 . 0 以前版本的设备采用短帧地址结构，HART5 . 0 版本具有长帧地址结构。 主机将根据应答信号中是否具有唯一标识码来决定结构格式为“长”还是“短”。

　　为了实现 IPv6 数据报 WirelessHART 网络上的传输，需要通过地址配置方式来对 WirelessHART

　　网络中的长帧地址结构和短帧地址结构进行地址转换。

　　长帧地址结构如图 A. 5 所示。 短帧地址结构如图 A. 6 所示。

　　图 A.5 长帧地址结构

　　图 A.6 短帧地址结构

　　一般消息帧主要包括下列组成部分。

　　a) 前导码：导言字节，一般是 5 ~20 个 FF 十六进制字节。 它实际上是同步信号，各通信设备可以据此略做调整，保证信息的同步。 在开始通讯的时候，使用的是 20 个 FF 导言，从机应答 0信号时将告之主机它“希望”接收几个字节的导言，另外主机也可以用 59 号命令告诉从机应答时应用几位导言。

　　b ) 定界符：起始字节，它将告之使用的结构为“长”还是“短”、消息源、是否是“突发”模式消息。 主机到从机为短结构时，起始位为 02,长帧时为 82 。从机到主机的短结构值为 06,长结构值为

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　　86 。而为“突发”模式的短结构值为 01,长结构为 81 。一般设备进行通讯接收到 2 个 FF 字节后，就将侦听起始位。

　　c) ADDR：地址字节，它包含了主机地址和从机地址，如前所述，短结构中占 1 字节，长结构中占 5 字节。 无论长结构还是短结构，因为 HART 协议中允许 2 个主机存在，所以我们用首字节 的最高位来进行区分，值为 1 表示第一主机地址，第二主机用 0 表示。 “突发”模式是特例， 0 和 1 值将交替出现，也就是说，在该模式下，赋予 2 个主机的机会均等。 次高位为 1 表示为“突发”模式，短结构用首字节的 0~4 位表示值为 0~15 的从机地址，第 5 , 6 位赋 0;而长结构用后 6 位表示从机的生产厂商的代码，第 2 个字节表示从机设备型号代码，后 3~5 个字节表示从机的设备序列号，构成“唯一”标志码。 另外，长结构的低 38 位如果都是 0 的话表示的是广播地址，即消息发送给所有的设备。

　　d) 命令：命令字节，它的范围为 253 个，用十六进制的 0~FD表示。 31 、127、254、255 为预留值。

　　e) 数据长度：数据总长度，它表示的是 BCNT 下一个字节到最后(不包括校验字节)的字节数。接收设备用它可以鉴别出校验字节，也可以知道消息的结束。 因为规定数据最多为 25 字节，所以它的值是从 0~27。

　　f) 状态：状态字节，也叫做“响应码”，只存在于从机响应主机消息的时候，用 2 字节表示。 它将报告通讯中的错误、接收命令的状态(如：设备忙、无法识别命令等)和从机的操作状态。 如果在通讯过程中发现了错误，首字节的最高位(第 7 位)将置 1,其余的 7 位将汇报出错误的细节，而第 2 个字节全为 0 。否则，当首字节的最高位为 0 时，表示通讯正常，其余的 7 位表示命令响应情况，第 2 个字节表示场设备状态的信息。 串 口发现的通讯错误一般有：奇偶校验、溢出和结构错误等。 命令响应码可以有 128 个，表示错误和警告，他们可以是单一的意义，也可以有多种意义，我们通过特殊命令进行定义、规定。 现场设备状态信息用来表示故障和非正常操作模式。

　　g) 数据：数据字节，并非所有的命令和响应都包含数据字节，它最多不超过 25 字节(随着通讯速度的提高，正在要求放宽这一标准)。 数据的形式可以是无符号的整数(可以是 8 、16 、24 、 32 位)，浮点数(用 IEEE 754 单精浮点格式)或 ASCII(美国信息交换标准代码)字符串，还有预先制定的单位数据列表。 具体的数据个数根据不同的命令而定。

　　h) 校验位：奇偶校验，方式是纵向奇偶校验，从起始字节开始到奇偶校验前一个字节为止。 另外，每一个字节都有 1 位的校验位，这两者的结合可以检测出 3 位的突发错误。

　　A.6 wirelessHART网络接入 IPv6 网络适配

　　A.6 . 1 寄存器地址映射

　　WirelessHART 网关的 IPv4 到 IPv6 双栈模型可通过中间适配设备上定义了南向和北向接口来完成数据的读取、封装及转发。 由于标准的 ModBus协议栈网络层采用 IPv4 协议，通过协议转换模块接入 IPv6 网络，实现双栈模型。 协议转换模块南向接 口 网络层采用 IPv4,传输层采用 ModBus TCP 协议，从 WirelessHART无线网关处读取节点数据，北向接口采用 IPv6 协议将南向接口采集到的数据进行封装和转发至 IPv6 网络。

　　WirelessHART 网络的无线设备将采集到的现场数据发送至网关，通过寄存器映射，对应节点在网络中的短地址，与网关中的寄存器产生映射关系，将对应节点发送来的现场数据存储到网关寄存器。

　　A.6 . 2 南向接口数据采集与存储

　　如图 A. 7 所示，在协议转换模块上创建线程 1 作为南向接 口，作为 Modbus 的客户端，指定端口为502,地址为网关 IP地址，与南向网关中的 Modbus 服务器建立通信，按照标准的 Modbus TCP 协议读

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　　取网关寄存器的数据，存储于共享的内存缓冲区。

　　图 A.7 非 IP无线网络接入 IPv6 网络模型图

　　A.6 . 3 北向接口数据封装与转发

　　在协议转换模块创建线程 2,作为北向接 口，用户 自定义端 口，为保证所有 IPv6 地址均在同一网段，本文件采用的 IPv6 地址格式为：后 32 位为原本 IPv4 地址，其余位数全部补 0,向 IPv6 网络转发数据 。 网络层采用 IPv6 协议与北向 IPv6 网络中的主机建立通信，通过双线程并发操作，实时地将读取到的数据封装成 IPv6 数据包发送至主机，IPv6 网络中的主机通过 DNS[域名系统(服务)协议]服务器，连接到 IPv6 互联网，可与互联网中的其他主机、云服务平台等实现数据共享。

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　　附 录 B

　　(资料性)

　　WIA-PA网络接入 IPv6 网络

　　B.1 WIA-PA网络概述

　　WIA-PA 网络符合 GB/T 26790 . 1—2011,采用星形和网状两层拓扑结构，其中终端设备构成星型网络，降低了终端设备协议的复杂性，提高了终端设备加入和退出网络的灵活性。 路由设备构成 mesh网络，提高了通信的可靠性和网络的可扩展能力。 WIA-PA 网络采用集中式与分布式结合的系统管理方式，通过 TDMA/CSMA(时分多址/载波侦听)混合接入模式支持周期性和非周期性通信负 载。 WIA-PA 网络在链路层兼容 GB/T 15629 . 15—2010 的超帧结构，并对其进行了扩展。

　　B.2 WIA-PA网络接入架构

　　对于无线网关支持 IPv6 的 WIA-PA 网络，架构图如图 B. 1 所示。

　　图 B.1 WIA-PA网络接入 IPv6 网络架构

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　　B.3 WIA-PA网关组网和北向接口

　　无线网络中所有 WIA-PA设备均符合 GB/T 26790 . 1—2011 。这里选取 WIA-PA 网关北向接口处支持 IPv6 接口的情况讨论。

　　B.4 WIA-PA协议转化模块与网络管理器接口

　　WIA-PA 网络中存在两类地址：EUI-64(64 位扩展唯一标识符)位长地址和 16 位短地址。 为了实现 WIA-PA 网络地址与 IPv6 网络地址之间的转换，对于 WIA-PA 网络中的 EUI-64 位长地址采用GB/T 30269 . 303—2018 中的地址配置方式转换。 WIA-PA 网络短地址分为广播地址和单播地址，单播地址采用 GB/T 30269 . 303—2018 中的地址配置方式转换，广播地址根据 WIA-PA 标准设置的广播地址以及 IPv6 多播地址的结构特性来设计。

　　IPv6 多播地址规定其前八位为“11111111”。第二字段为标志域，若为“0000”表示该多播地址为永久性，如果为“0001”表示该多播地址为暂时性;第三字段为范围域，其不同值所表示的范围意义不同，对于 WIA-PA 网络中的 IPv6 广播地址只针对本地链路范围中的设备，而 IPv6 多播地址中的范围域为“0010”时表示为本地链路范围。

　　WIA-PA 网络的 IPv6 广播地址如表 B. 1 所示。 其中簇内广播地址为“FF12 : : X. FF”,由于簇内广播地址为非永久分配的广播地址，因此其标志域为“1”,而“X”表示网络中的簇地址，其范围在 1 ~254之间;全网广播地址为“FF02 : :1”,表示广播到网内所有现场设备;MESH 网广播地址为“FF02 : :2”,表示广播到网内所有路由设备;网关广播地址为“FF02 : : FF”,表示网关的广播地址。

　　表 B.1 WIA-PA网络的 IPv6 广播地址

　　B.5 WIA-PA协议转化模块与网络管理器交互

　　WIA-PA 网关的协议转化模块定义南北向接口，南向接口按照 SLIP(串行线路网际协议)协议向网络管理者/安全管理者发送启动命令，进而完成 WIA-PA协议栈初始化和节点入网过程，然后获得南向WIA-PA节点采集到的数据存储于南北向接口的共享缓冲区;北向接口通过 IPv6/ TCP 协议将共享缓冲区中的数据发送至 IPv6 网络内的主机。

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　　参 考 文 献

　　[1] GB 15629 . 11 信息技术 系统间远程通信和信息交换 局域网和城域网 特定要求 第11 部分：无线局域网媒体访问控制和物理层规范

　　[2] GB/T 15629 . 15—2010 信息技术 系统间远程通信和信息交换 局域网和城域网 特定要求 第 15 部分：低速无线个域网(WPAN)媒体访问控制和物理层规范

　　[3] GB/T 29910(所有部分) 工业通信网络 现场总线规范 类型 20: HART规范

　　[4] RFC 6554 An IPv6 Routing Header for Source Routes with the Routing Protocol for Low- Power and Lossy Networks (RPL)