分析计算机网络技术前沿的关键技术

信息社会的主要标志就是信息高速公路的兴起和计算机网络的日益普及,以Internet国际互联网为代表的计算机网络技术的迅猛发展及其相关技术的成熟,对人们传统的生活方式产生了巨大的冲击,对其它领域技术的发展也产生了深远的影响。
 
目前,计算机网络已经向着范围更广的分布式客户机/服务器(client/server)结构方向发展,网络的操作系统、网络的管理工具、网络协议和网络上提供的服务等技术和手段也更加规范化和完善。测控技术广泛应用于国民经济建设的电信、金融、民航、电力、铁路、石油、化工及建筑业等各个领域,随着计算机网络技术的发展,推动着测控技术向着网络化、分布性和开放性的方向发展,这种发展趋势使测控系统功能的扩展更加灵活,性能不断提高,使用更加简便。
 
计算机和计算机网络的发展水平直接影响着测控技术的进步。早期传统的控制系统是以单片机、PC、工控机为核心,总线系列一般采用SIOCKPC机的STD、MULTIBUS总线等。这种系统由于采用了集中式控制方式,降低了系统的可靠性。同时,现场太多太长的连线,使系统抗干扰能力降低,开发大范围控制系统很困难;为了克服这类系统的缺点,出现了集散型控制系统(TDCS),它采用多台微处理机分散在现场进行控制,总线为高速数据通道(HDW)。由于这种系统的基本调节性也很差;随着计算机局域网(LAN)技术的成熟和应用的普及,产生了基于LAN网的TDCS系统。但是,由于LAN是以传递大量数据、文件为目的,并不适合作为中、低速率的分布式控制系统的网络开发平台。此外,这种基于LAN的测控网络系统,开发时间长、系统复杂,使得其费用很高。
 
目前,一些重要的测控应用领域,像楼宇自动化和工业自动化都向着测控单元互联的方向发展。随着大规模、超大规模集成电路、微处理器技术的发展,并受Internet互联网络技术的影响,针对原来分布式测控系统的不足,90年代国际上出现了全分布式的智能化测控网络和基于网络的测试设备。这种测控系统具有良好的互操作性,系统的整体可靠性高,具有很强的开放性。
 
以下的几个部分中,首先对处于计算机网络技术前沿的Internet网络的关键技术进行了分析;接下来,对测控系统的技术要求和全分布式智能化测控网络的一些主要问题进行讨论。并以具有代表性的全分布式智能化测控网络LonWwks为例,说明其主要的组网技术、智能测控单元的工作原理和构成系统的主要性能。
 
1Internet国际互连网的关键技术
 
Internet的主要特点可以包括以下几点:开放性,采用公开的标准和协议;平台无关性,具有伸缩性,可以选择不同厂家、不同类型的设备和服务;提供电子邮件(Email)、全球信息网(WorldWideWeb,WWW)、文件传输协议(FileTransportProtol,FIP)等多种信息服务;统一、友好、规范化的图形用户界面,操作简便,易学易用;信息传递快速、准确。
 
Internet是建立在整套关键技术上的,这些技术也正是计算机网络发展的主要技术。
 
1.1网络的互连与协议
 
Internet是由大量局域网(LAN)互连而成的广域网(胃)。它几乎覆盖了全世界,因此又称为国际互连网。企业、机关单位和校园里现成的和准备建设的LAN通过路由器(Router)、数字数据网(DDN)或无线通信(微谀)线路接入Internet。
 
在Internet上连接有大量的计算机,它们具有不同的结构和采用不同的操作系统。在地理上分布的不同计算机,可以由网络管理工具划分为不同的逻辑网段以完成不同功能的应用任务,这也称为虚拟网络功能。为了使网络中各计算机之间能互通信息,必须遵循统一的网络协议。国际标准化组织(ISO)的开放系统互连(0SI)模型,把计算机网络的协议分为7层,即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。Inteniet的核心层是网络层和传输层,相应的核心协议是TCP/IP两大协议。TCP/IP经过十几年的应用和完善,已经成为支持多厂商、不同机型、不同网络互连通信的事实上的国际工业标准,广泛用于大型网络。此外,Inteniet在应用层上还有许多标准,如FTP等。
 
1.2Client/Server工作方式
 
在Internet中存在着大量的信息资源,这些资源都储存在许多计算机中,这些计算机称作Server,它们为Internet上的Client提供信息服务。Internet上的Email服务、FTP服务、WWW服务都是采用Client/Server方式,并由相应的软件来实现。一个部门或公司提供的Internet服务,一般都有EmailServer、FTPServer、WebServer和域名服务器(DomainNameServer)组成。如果系统规模不大,也可将几个Server软件放在一台计算机上。
 
1.3Web技术
 
WWW是目前Internet上最重要的应用,WWW采用的技术称作Web技术,它包括HTML、HTTP和各种WebServer软件,还有Netscape、Mosaic和MicrosoftExplorer等浏览器软件,以及Java技术等。这些技术可以使用户在Internet上使用简单通用的浏览器界面来査阅、传输超文本文档,并具有编辑超文本文档的功能。
 
2测控网络技术的发展
 
测控系统的技术要求具有很多共同点,通过对测控系统的需求进行分析,可以看出测控技术发展的趋势。
 
2.1测控系统的技术要求
 
①系统的互连和系统的灵活性
 
工厂的自动控制系统或过程控制系统中,用于测控的仪器仪表等设备中通常包含有几十、几千到上万个数据传感器。随着工业生产自动化程度的提高,这些设备和传感器要进行各种范围内的互连,以协同操作,完成各种复杂的测控任务。因此,有必要通过传输媒体对这些众多的数据测控单元进行连接,形成测控网络进行管理。
 
传统网络划分方法是根据中央机的处理能力和应用任务的类别,将整个系统的测控单元在物理上划分为不同层次的多个子系统分别进行管理。随着网络技术的进步,目前更好的方法是通过网络路由器,按照应用处理任务类别,在逻辑上进行网段的划分。将应用任务分散到各节点的测控单元上进行处理,并能支持全网络范围内的寻址,构成灵活的、真正全分布式的测控系统。逻辑网段技术的应用,有效地避免了直接进行子网划分而需要进行的安装、诊断和管理中很多繁杂的过程。由于采用逻辑网段技术,在网络的寻址方式上具有很大的灵活性,使得测控网络的扩充和变更都很灵活。
 
②系统的可靠性
 
可靠性是测控技术中必须重点考虑和解决的问题。信息传输的可靠性主要由网络通信协议决定。另外在网络的结构上还可以增加冗余收发设备、冗余节点或使用双网络技术提高系统的容错能力。
 
③系统的性能
 
系统的性能和很多因素有关,例如传输的波特率、媒体访问策略、网关和路由的延迟等等。采用全分布式的网络结构,允许测控单元进行端对端的通信,有效地克服了传统的集中式控制造成的通信瓶颈问题。另外,将智能化元件充分靠近传感器、执行机构、仪表等,使它们具有执行测控算法的能力,减少和控制机的通信,这些都有助于系统性能的提高。
 
2.2测控网络技术
 
现场总线、控制网络等概念早已存在于测控领域,但是今天的全分布式的智能一控网络技术和它们有着本质的区别。正如同计算机网络的体系结构的发展经历了从主从结构到目前广泛采用的Client/Server结构一样,测控网络的体系结构也已从传统的多层主从控制模型发展到目前的全分布式的结构。并且,计算机网络中的虚拟网络技术、网络寻址技术、端与端的连接技术已成功地应用于测控网络中。这些测控网络都以ISO的参考模型OSI作为网络协议,所不同的是各个产品提供的各层次的服务不同。
 
当前,适用于不同应用场合和项目的各种通用型的测控网络技术已经出现,表1给出了它们的主要特性参数和适用场合。
 
由于不同测控网络应用的场合不同,同时有很多因素都影响到系统的互操作性,因此,并不能像计算机网络那样要求标准化委员会为测控网络制定一套标准的体系结构和网络协议。但是标准委员会可以为测控网络的应用层制定标准的部件,例如像Web浏览器那样标准界面,以提高测控网络的互操作性。
 
3全分布式测控网络LonWorks
 
受计算机网络技术的影响,测控网络技术有了长足的发展。美国Echelon公司于1992年研制成功了LonWorks测控网络。它具有很强的兼容性、开放性、灵活性和可靠性,传输性能优越。目前世界上已有152个国家2700多家OEM生产厂家供应其软、硬件产品,网络中主要组成部分神经芯片(NeuronChips)由美国Motorola和日本东芝两大1C芯片制造商同时生产。由于LonWorics设计的主要思想就是易于使用,适用性强,因此可以在很多测控领域推广应用。LonWorks的组成包括5个部分:网络协琢LonTalks;网络传输介质;网络设备,包括智能测控单元、路由器和网关等;执行机构传感器、送变器等;软件。
 
3.1全分布式的测控网络结构
 
LonWorks是一种全分布式、具有互操作性的新型局域测量控制网络。它采用了具有分布控制和通信网络功能的NeuronChips芯片构成智能测控单元,各智能测控单元通过网络通信媒体互连成为全分布式测控网络。各智能测控单元具有良好的互操用性。同时,测控节点故障只影响与其相连的设备,不会造成系统或子系统的瘫痪。通常在网络中设计多个智能测控单元,各智能测控单元是具有较强功能的PC机或其它计算机来构成,用于运行网络管理软件。网络管理者可以完成定义新智能测控单元,更换老智能测控单元,启停智能测控单元的运行,构造路由器、网桥等,加载新的网络和应用程序。网络的拓朴结构则可以采用总线形、星形、环形和混合形等多种形式。
 
3.2Neuron芯片的主要功能
 
Neuron芯片是LonWorks的核心部分。它包括3个CPU,分别承担ISO规定的计算机网络通信的7层规约的功能。其中一个CPU承担了应用层,另二个CPU则承担了其余6层的功能。除应用层CPU需要网络用户编程外,其余6层都有固件固化在Neuron芯片的ROM中,因而使用非常方便。用户可以完全不必考虑网络中如网络媒体占有控制、通信同步、重要信息的优先级控制等许多事情。Neuron芯片的I/O包括11个接口线,这些接口线具有非常灵活的功能,可以任意设置成并行1/0、串行I/O。此外,还具有进行温度、压力等的测量控制用途。Neuron芯片的的网络通信接口有三种不同的工作方式,即不对称、对称和特殊方式。对称方式主要用于连接隔离变压器的双绞线网络驱动器;不对称方式则可用于光纤、同轴电缆或无线网驱动器;特殊方式用于同用户设计的智能型网络驱动器配合,以便可以由用户随心所欲地构成所要求的方式,从而大大提高了Neuron芯片的适用范围和灵活性。
 
3.3LonWorks的通信协议
 
LonWorks的通信协议称为LonTalk协议。该协议遵循ISO定义的0SI参考模型,并提供了0SI模型所定义的全部7层服务。这是LonTalk协议区别于其它各种测控网络协议的重要特征,也是LonWorks技术的先进性之一。LonTalk协议提供的通信服务有报文服务、冲突检测、优先级和网络变量等。其中网络变量是指LonTalk协议的表示层中的数据,它可以是单个数据项,也可以是数据结构,并作为LonTalk报文被传送。网络变量提供了非常方便灵活的观察系统中智能测控单元操作的分布数据,网络变量的概念大大简化了复杂的分布式应用和编程。
 
3.4LonWorks地址分配和寻址方式
 
为了简化路由,LonTalk协议采用分级式编址模式,这种模式共分为3级:域(Domain)、子网(Subnet)、智能测控单元地址(IMUCAddress)。这种寻址方式可以用来寻找整个域、一个单独的子网或者一个单独的智能测控单元。域是分布在一个或多个信道上的一组智能测控单元的集合,通信只能在同一个域中进行,因而一个域构成了一个实际的网。
 
Neuron芯片可以配置属于一个域,也可以配置为同时属于两个域,同时作为两个域成员的智能测控单元,可以用作两个域之间的网关。因此,虽然LonTalk协议不支持两个域之间的通信,但是通过属于两个域的智能测控单元上的应用程序可以实现两个域间数据包的传输。
 
子网是在同一个域中智能测控单元的逻辑集合,一个域最多可以容纳255个子网,一个子网最多可以容纳127个智能测控单元。因此,一个L0N测控网络最多可容纳32385个智能测控单元。
 
4结束语
 
90年代计算机网络技术发展和应用取得了史无前例的突破和成功,与国家工业自动化建设密切相关的测控技术也受到了这场技术革命的深刻影响。尽管测控领域的新技术落后于计算机10年左右的时间,但是计算机网络技术的发展对测控技术产生了巨大的推动作用。测控设备的互连、基于网络的测量和全分布式的测控系统等新技术已经开始成熟并投人实际应用。
 
通过Internet网络技术和测控技术的分析,可以看出,计算机网络的开放性、互操作性等思想以及它们的体系结构、组网技术、通信服务和寻址方式这些新技术都已渗透到测控领域和测控网络中。这些新技术的广泛应用必将对测控技术的进步起到极大推动作用,使之在国民经济建设中发挥出更强大的作用。
 
作者:贾克斌(北京工业大学信号与信息处理研究室)

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