一、 引言

　　一個現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)的網絡環(huán)境一般可分為四個層次：

　　Internet：實現(xiàn)企業(yè)之間的信息交流；
　　Intranet：實現(xiàn)企業(yè)內部管理、財務、辦公及人事等的信息化；
　　Infranet：實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場生產設備級的綜合管理、調度與監(jiān)控等；
　　Embedded Network ：嵌入式網絡。實現(xiàn)生產設備內部多個分布式子系統(tǒng)之間的實時通信。

　　Internet、Intranet都基于TCP/IP協(xié)議簇，Intranet是面向廣域網的Internet在企業(yè)內部局域網上的延伸。 Infranet的建設目前主要采用各種現(xiàn)場總線協(xié)議，如ProfiBus、Lonwork、CAN等。

　　隨著社會的進步和技術的發(fā)展，現(xiàn)代機電控制系統(tǒng)往往包括若干個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)既自成一體，擁有自己獨立的CPU，又與其它子系統(tǒng)緊密協(xié)調。嵌入式網絡就是實現(xiàn)子系統(tǒng)間相互通信的手段。

　　二、對嵌入式網絡的特殊要求

　　嵌入式網絡通常應用在環(huán)境比較惡劣的工業(yè)生產現(xiàn)場，因此在以下幾個方面有其自身獨特的要求：

　　1. 實時性：生產設備內部多個分布式子系統(tǒng)信息耦合通常比較緊密，對實時性要求很高，這就要求所用的網絡協(xié)議具有可確定的實時性能，即極壞情況下的響應時間是可確定的；另外在網絡節(jié)點數(shù)比較多，或者有些節(jié)點對實時響應要求特別高時，網絡協(xié)議還應支持優(yōu)先級調度，以提高時間緊迫型任務的信息傳輸可確定性。

　　2. 可靠性：嵌入式網絡本身的可靠性直接影響設備的有效作業(yè)率、成品率和生產效率，要求網絡能動態(tài)增加/刪除節(jié)點；生產現(xiàn)場比較惡劣的電磁環(huán)境要求嵌入式網絡本身具有很強的抗干擾能力、檢錯和糾錯能力以及快速恢復能力；

　　3. 通信效率：嵌入式網絡通信的特點之一是子系統(tǒng)之間通信非常頻繁，但每次通信的信息長度很短，因此要求嵌入式網絡協(xié)議盡量采用短幀結構，且?guī)^和幀尾盡可能短，從而提高通信效率和帶寬的利用率；

　　4. 雙重混合支持：不同工作環(huán)境的巨大差異決定了嵌入式網絡應具有靈活的介質訪問協(xié)議，不但支持多種介質（雙絞線、同軸電纜、光纜），而且支持混合拓撲結構（星型、環(huán)型、總線型），有時甚至要求同一個嵌入式網絡能同時使用多種介質和多種網絡拓撲。如在噪聲環(huán)境中，系統(tǒng)中一部分連接需要使用光纜，其它部分則使用雙絞線或同軸電纜。同軸電纜適于采用總線拓撲，而光纖則更適于環(huán)型或星型拓撲，這就要求網絡協(xié)議具有雙重混合支持。

　　5. 實現(xiàn)難度和造價：嵌入式系統(tǒng)通常需要針對實際需求進行專門設計與制造，這就要求其中的網絡系統(tǒng)軟硬件容易實現(xiàn)，并與子系統(tǒng)控制部分集成，有關元器件商品化程度高，造價較低。

　　6. 開放性：嵌入式網絡必需具有良好的開放性，一方面能通過企業(yè)Infranet連接到Intranet中，實現(xiàn)企業(yè)生產管理的管控一體化；另一方面應具有公開透明的開發(fā)界面，資料完備，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件、軟件的自主開發(fā)和集成。

此外，嵌入式網絡系統(tǒng)必須配置靈活、維護簡便。

　　通常，嵌入式網絡就覆蓋范圍而言屬于局域網。按照ISO/OSI的觀點，TCP/IP協(xié)議簇位于網絡層以上。顯然，TCP/IP協(xié)議簇已經超出了嵌入式網絡系統(tǒng)的范疇。嵌入式網絡包括ISO/OSI七層模型中的物理層和數(shù)據鏈路層。數(shù)據鏈路層在具體實現(xiàn)上可劃分成兩個子層：介質訪問控制子層（MAC子層）和邏輯鏈路控制子層（LLC子層）。MAC子層包括物理層接口硬件和實現(xiàn)介質訪問協(xié)議的通信控制器；通常LLC子層由軟件實現(xiàn)（用戶自主開發(fā)）。因此，嵌入式系統(tǒng)設計中網絡通信協(xié)議選擇的核心是介質訪問協(xié)議的選擇。

　　三、 常見介質訪問協(xié)議的比較

　　1、面向鏈接的協(xié)議

　　面向鏈接的協(xié)議主要用在網絡發(fā)展初期的主機–終端式網絡中，如X.25和IBM的SNA網絡。其主要缺點是：1）節(jié)點之間采用串行連接方式，每個物理連接只支持兩個節(jié)點，速度較低；2）物理上沒有連接的節(jié)點之間的通信需要經過多個中間節(jié)點的多次傳輸；3）直接相連的節(jié)點間的通信是可確定的，而間接相連的節(jié)點間的通信則無法確定延時。因此，在局域網技術已非常成熟的今天，這類協(xié)議已很少應用。

　　2、輪詢法

　　輪詢法因其簡單和實時性能可確定等特點而成為嵌入式網絡常用協(xié)議之一。采用輪詢法的協(xié)議，需指定一個主節(jié)點作為中央主機來定期輪詢各個從節(jié)點，以便顯式分配從節(jié)點訪問共享介質的權力。這類協(xié)議的缺點是；1）輪詢過程占用了寶貴的網絡帶寬，增加了網絡負擔；2）風險完全集中在主節(jié)點上，為避免因主節(jié)點失效而導致整個網絡癱瘓，有時需設置多個主節(jié)點來提高系統(tǒng)的健壯性(如Profibus)。

　　3、CSMA/CD（帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問）

　　CSMA/CD有許多不同的實現(xiàn)版本，其核心思想是：一個節(jié)點只有確認網絡空閑之后才能發(fā)送信息。如果多個節(jié)點幾乎同時檢測到網絡空閑并發(fā)送信息，則產生沖突。檢測到沖突的發(fā)送信息的節(jié)點必須采用某種算法（如回溯算法）來確定延時長短，延時結束后重復上述過程再試圖發(fā)送。

　　CSMA/CD的優(yōu)點是理論上能支持任意多的節(jié)點，且不需要預先分配節(jié)點位置，因此在辦公環(huán)境中幾乎占有絕對優(yōu)勢。但在CSMA/CD中沖突產生具有很大的隨機性，在最壞情況下的響應延時不可確定，無法滿足嵌入式網絡最基本的實時性要求。

　　4、TDMA（時分多路訪問）

　　TDMA已大量應用于移動通信領域（如GSM、DAMPS），但也可用于局域網。TDMA的特點是：每輪信息傳輸前，網絡中的主節(jié)點先廣播一個幀同步信號以同步各從節(jié)點的時鐘，在幀同步信號之后，每個從節(jié)點在各自所分配的時間片內發(fā)送數(shù)據。TDMA的缺點是：1）每個從節(jié)點必須有一個穩(wěn)定的基準時間以確定時間片，因此從節(jié)點比較復雜，造價較高；2）TDMA的主流應用領域依然是無線移動通信領域，用于嵌入式網絡的TDMA無論在相關軟硬件技術支持和市場認同方面都非常欠缺。

　　5、令牌環(huán)

　　在令牌環(huán)網中，節(jié)點之間使用端到端的連接，所有節(jié)點在物理上組成一個環(huán)型結構。一組特殊的脈沖編碼序列，即令牌，沿著環(huán)從一個節(jié)點向其物理鄰居節(jié)點傳遞。一個節(jié)點獲得令牌后，如無信息要發(fā)送，則將令牌繼續(xù)傳遞給下一個鄰居，否則首先停止令牌循環(huán)，然后沿著環(huán)發(fā)送它的信息，最后繼續(xù)令牌傳遞。令牌環(huán)網的優(yōu)點是：1）在實時性方面是可確定的。因為容易計算出最壞情況下節(jié)點等待令牌的時間；2）令牌傳遞占用的網絡帶寬極小，帶寬利用率很高，具有強大的吞吐能力。但這種協(xié)議在具體實現(xiàn)時為確保可靠性必須付出較大的代價：1）為了避免因電纜斷裂和節(jié)點失效導致整個網絡癱瘓，常采用雙環(huán)結構（如FDDI）和失效節(jié)點自動旁路措施，導致實施成本增加；2）為了能立即檢測到令牌是否意外丟失，不得不增加該協(xié)議實施的復雜性。

　　6、令牌總線

　　令牌總線的基本原理與令牌環(huán)網相似。但在令牌總線中，網絡上所有節(jié)點組成一個虛擬環(huán)，而非物理環(huán)。令牌在虛擬環(huán)中從一個節(jié)點傳向其邏輯鄰居節(jié)點。只有持有令牌的節(jié)點才能訪問網絡。如同令牌環(huán)一樣，令牌總線具有非常高的網絡帶寬利用率、很高的吞吐能力和良好的可確定性。另外令牌總線中各節(jié)點有相同的優(yōu)先級；令牌總線中的電纜斷裂并不一定導致整個網絡癱瘓；網絡運行過程中可動態(tài)增加或關閉節(jié)點，因此節(jié)點失誤一般不會導致整個網絡癱瘓（當然在網絡啟動、增加 /刪除節(jié)點時會導致邏輯環(huán)重構，以便每個節(jié)點確定自己的邏輯鄰居，這會有點費時）；總線拓補結構還非常適合于制造設備。因此，令牌總線協(xié)議被MAP （Manufacturing Automation Protocol，制造自動化協(xié)議）、ARCnet（Attached Resource Computer Network）采用，在過程自動化控制等嵌入式場合廣泛應用。

　　7、CSMA/CA (帶沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問)

　　CSMA/CD在節(jié)點數(shù)量不多、傳輸信息量較少時效率很高；基于令牌的協(xié)議具有良好的實時性和吞吐能力。人們已經開發(fā)出一種能綜合以上兩者優(yōu)點的混合協(xié)議—CSMA/CA。CSMA/CA的本質是利用競爭時間片來避免沖突。其基本原理是：如同CSMA/CD一樣，節(jié)點必須檢測到網絡空閑之后才能發(fā)送信息；如果有兩個或更多的節(jié)點發(fā)生沖突，便在網絡上啟動一個阻塞信號通知所有沖突節(jié)點，同步節(jié)點時鐘，啟動競爭時間片（競爭時間片跟隨在阻塞信號之后，其長度比沿網絡環(huán)路傳輸時延稍長））；通常，每一個競爭時間片均指定給特定的節(jié)點，每個節(jié)點在其對應的時間片內如有信息發(fā)送則可以啟動傳輸；其它節(jié)點檢測到信息傳輸后，停止時間片的推進，直到傳輸結束所有節(jié)點才恢復推進時間片；當所有時間片都失去作用時，網絡進入空閑狀態(tài)。為確保公平性和可確定性，在每次傳輸之后，時間片要循環(huán)。此外，優(yōu)先時間片（the priority slots）優(yōu)先于普通時間片的推進，能支持高優(yōu)先級信息的全局優(yōu)先傳輸。

　　CSMA/CA 協(xié)議在具體實施中主要有兩個變種：一是RCSMA（ReservATIon CSMA），其特點是時間片數(shù)等于節(jié)點數(shù)。RCSMA在各種傳輸條件下都能有效工作，但顯然不適于節(jié)點較多的網絡；在另一個變種中，時間片數(shù)少于節(jié)點數(shù)，且根據沖突最少的原則隨機調整時間片的分配，根據所預測的網絡流量動態(tài)地改變時間片數(shù)；如Echelon公司推出的廣泛應用于智能大廈領域的 Lonwork標準。另外，在CSMA/CA中，并非必需采用硬件來避免沖突，還可以通過軟手段來實現(xiàn)，例如發(fā)送使時間片在沒有網絡傳輸?shù)那闆r下仍然保持活動的啞信息。

　　四、結論

　　介質訪問協(xié)議是嵌入式網絡協(xié)議選擇的核心。盡管沒有哪一種協(xié)議對各種應用場合都是十全十美的，但通過對上述各種介質訪問協(xié)議的分析和比較不難發(fā)現(xiàn)：令牌環(huán)、令牌總線、CSMA/CA比較適合于嵌入式網絡。但令牌環(huán)的具體實施比較復雜、成本較高，其應用越來越少。讀者可針對具體應用需求，選用令牌總線（如ARCnet）或CSMA/CA．

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