IPLC-1-3-F
串口聯(lián)網(wǎng)技術、雙層網(wǎng)絡平臺、信息流分離、失效保護 1、問題的提出(引言) 隨著計算機技術,微電子技術和通信技術的發(fā)展,出現(xiàn)了多種聯(lián)網(wǎng)技術,并有多種網(wǎng)絡架構共同存在。雖然近年來,以TP/IP和ETHERNET為代表的成熟的開放式聯(lián)網(wǎng)技術,在科學研究、信息處理等方面展現(xiàn)出其的優(yōu)勢,但是單一的網(wǎng)絡連接方式,面對目前更多應用領域聯(lián)網(wǎng)所要求的高帶寬速率、高可維護性、高可靠性仍顯力不從心,尤其在網(wǎng)絡失效保護、網(wǎng)絡控制管理等方面存在較多問題。 由此,利用傳統(tǒng)的串口通信聯(lián)網(wǎng)技術,配合現(xiàn)有的C/S開放聯(lián)網(wǎng)模式,低成本拓展構建安全高效的雙層網(wǎng)絡平臺,成為解決上述問題的一種嘗試性方案。 2、雙層網(wǎng)絡的基本模式 所謂雙層網(wǎng)絡,實際上是將“網(wǎng)絡控制信息”與“網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息”分離,在各個計算機結點之間形成控制信息流與數(shù)據(jù)信息流分離的雙層通訊通道。其中,數(shù)據(jù)流傳遞依靠目前流行的以TCP/IP和ETHERNET為代表技術的高速網(wǎng)絡架構,而控制信息流則主要依托靈活的串行聯(lián)網(wǎng)技術解決(如“雙層網(wǎng)絡示意圖”所示)。 當然,這種雙層網(wǎng)絡的模式還是區(qū)別于計算機內部數(shù)據(jù)總線與控制總線分離模式的。雙層網(wǎng)絡對于其網(wǎng)絡間傳遞的數(shù)據(jù)并不是絕、對意義上得分類傳送,而是在非失效狀態(tài)下的分類傳送,即在單一網(wǎng)絡連接失效,或者某層網(wǎng)絡體系面臨癱瘓威脅時,雙層網(wǎng)絡的安全運行機制將利用剩余的網(wǎng)絡鏈路進行備援式工作,對數(shù)據(jù)進行混合傳遞,以保障網(wǎng)絡應用的持續(xù)性。 應該特別指出的是,雙層網(wǎng)絡是“并行”意義上的雙層網(wǎng)絡,并不是把以太設備與串行設備的簡單連接。其中,控制信息和數(shù)據(jù)信息也不是絕、對劃分的,控制信息更多是指用于管理和控制設備的信號,更多的保障通訊的控制信息仍和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)一起混合傳送。 雙層網(wǎng)絡平臺有如下特點: ·實現(xiàn)信息流分離 ·網(wǎng)絡局部冗余 ·屬于物理上的安全網(wǎng)絡 ·多種聯(lián)網(wǎng)技術并存 當然,雙層網(wǎng)絡平臺中的每一層都使用同一種聯(lián)網(wǎng)技術,進行完全意義上的冗余配置,也是可行的,其效益將體現(xiàn)在易用性上,但其在建設成本和系統(tǒng)廣泛兼容方面將失去一些優(yōu)勢,因此不作為雙層網(wǎng)絡架構的主要模式。 另一方面,不使用控制信息與數(shù)據(jù)信息分流技術,僅利用傳統(tǒng)的成熟的通信協(xié)議,配合雙層網(wǎng)絡的物理架構,針對現(xiàn)有的網(wǎng)絡需求,在眾多領域已經(jīng)有較為廣泛的應用前景。但這種應用方式?jīng)]有深入地挖掘雙層網(wǎng)絡架構的傳送優(yōu)勢,尤其是在網(wǎng)絡正常運行的狀態(tài)下,遠未達到網(wǎng)絡的運行的高效率。 3、利用串口技術構建控制層面的理論依據(jù) 利用串口通信聯(lián)網(wǎng)技術構建控制層,是雙層網(wǎng)絡平臺應用的重要技術特點,也是雙層網(wǎng)絡平臺展現(xiàn)其應用優(yōu)勢的保障。 1)串口聯(lián)網(wǎng)技術日益成熟 從RS-232到RS-422、再到RS-485,串行通信標準在不斷得向前發(fā)展,通信距離短,速率低已不再成為影響串口通信應用的缺陷。相反,串口聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)解決了多點雙向的傳輸問題,已經(jīng)成為一種極為經(jīng)濟,并具有相當高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共摸范圍的通信技術。 由于RS-485串行總線與持長距離、高傳輸率和較強的抗干擾能力,所以應用于控制系統(tǒng)中十分可靠穩(wěn)定的。 根據(jù)系統(tǒng)工作環(huán)境要求和系統(tǒng)可靠性要求,可以靈活調整傳輸參數(shù),尤其是利用對傳輸波特率的調整,可以在傳輸距離和傳輸速率之間找到平衡點,以達到更高的應用要求。 2)低成本高兼容性擴展 采用串口聯(lián)網(wǎng)技術構建雙層網(wǎng)絡平臺中的控制層面,不需要對現(xiàn)有計算機進行大規(guī)模改造,即可實現(xiàn)立即聯(lián)網(wǎng),而針對其它多種串口設備的立即聯(lián)網(wǎng)則更為容易。即使有多種串行接口存在于同一網(wǎng)絡上,它們之間的轉換也十分方便。特別對于那些實時系統(tǒng),不需要中斷運行,也可以實現(xiàn)網(wǎng)絡升級。 3)現(xiàn)有串口聯(lián)網(wǎng)設備的支持 使用串口技術建立雙層網(wǎng)絡平臺,是十分方便快捷的,因為已經(jīng)有許多成熟的串口聯(lián)網(wǎng)設備為之提供支持。較為成熟的產(chǎn)品有嵌入式串口網(wǎng)絡接入設備、串口電源開關管理服務設備、串口聯(lián)網(wǎng)服務器、網(wǎng)絡共享器以及路由器設備。也就是說對于串口聯(lián)網(wǎng)硬件設備而言,是相當成熟的。 4、雙層網(wǎng)絡平臺的運行失效保護。 失效保護是雙層網(wǎng)絡平臺的重要運行機制,主要解決網(wǎng)絡運行故障保護問題。眾所周知,在許多應用領域內,對網(wǎng)信平穩(wěn)運行的要求非常高。對于單一鏈路網(wǎng)絡,一旦受損,即使能迅速啟動備援系統(tǒng),也不可能實現(xiàn)完全意義上的透明過度。 而雙層網(wǎng)絡的架構就很好的解決了這個問題。一旦基于TCP/IP的鏈路受損,甚于串行接口的網(wǎng)絡即可接替其承擔信息傳遞任務。同樣,基于TCP/IP的鏈路也可以作為控制信息傳遞的后備鏈路。當然,網(wǎng)絡運行在失效保護狀態(tài)時,其傳輸能力將明顯下降,此時可對受損網(wǎng)絡進行維護,以盡快使用網(wǎng)絡正常運行。 5、目前存在諸多應用問題 1)信息流分離與合并 構建雙層網(wǎng)絡平臺,尤其重要的是數(shù)據(jù)信息與控制信息的分離與合并。正常運行的網(wǎng)絡中兩種數(shù)據(jù)是分離的,而非正常運行的網(wǎng)絡中,兩種數(shù)據(jù)是合并的。由此,需要對通信協(xié)議作一定擴展性研究,要求在失效狀態(tài)下啟用特定的協(xié)議作為通信的規(guī)則保障。 2)監(jiān)控的設置 對于監(jiān)測網(wǎng)絡的正常,即要求網(wǎng)絡中的兩層相互檢測。而對于其實現(xiàn),可以有軟件和硬件兩種方式。其中軟件監(jiān)測主要針對端口狀態(tài)進行,而硬件監(jiān)測主要通過對數(shù)據(jù)流的檢查進行。至于網(wǎng)絡切換當然要依據(jù)監(jiān)測的結論實施。 6、相關技術的展望 雙層網(wǎng)絡,主要是針對一些網(wǎng)絡運行的特殊要求提出的解決方案。由于其網(wǎng)絡架構的冗余性,雖然在一定程度上提高了網(wǎng)絡運行成本,但其對于網(wǎng)絡穩(wěn)定性的提高是顯而易見的,因此在許多領域都有著非常廣闊的應用前景,特別是在產(chǎn)業(yè)自動化控制領域。 我們主要討論了建立雙層網(wǎng)絡平臺的嘗試性方案。雙層網(wǎng)絡的實際應用還有待于通訊協(xié)議和相關聯(lián)網(wǎng)設備的完善,而目前實際應用中的多種聯(lián)網(wǎng)技術和網(wǎng)絡架構更多的是一種網(wǎng)絡層技術上的相互連接。這里討論的雙層網(wǎng)絡問題,更多的是基于信息流的研究,這對于提高網(wǎng)絡安全將更為有利。尤其需要指出的是,更深層次上的對數(shù)據(jù)流與控制流的研究,將對網(wǎng)絡拓撲的更新與發(fā)展有很大的促進。
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串口聯(lián)網(wǎng)技術、雙層網(wǎng)絡平臺、信息流分離、失效保護
1、問題的提出(引言)
隨著計算機技術,微電子技術和通信技術的發(fā)展,出現(xiàn)了多種聯(lián)網(wǎng)技術,并有多種網(wǎng)絡架構共同存在。雖然近年來,以TP/IP和ETHERNET為代表的成熟的開放式聯(lián)網(wǎng)技術,在科學研究、信息處理等方面展現(xiàn)出其的優(yōu)勢,但是單一的網(wǎng)絡連接方式,面對目前更多應用領域聯(lián)網(wǎng)所要求的高帶寬速率、高可維護性、高可靠性仍顯力不從心,尤其在網(wǎng)絡失效保護、網(wǎng)絡控制管理等方面存在較多問題。
由此,利用傳統(tǒng)的串口通信聯(lián)網(wǎng)技術,配合現(xiàn)有的C/S開放聯(lián)網(wǎng)模式,低成本拓展構建安全高效的雙層網(wǎng)絡平臺,成為解決上述問題的一種嘗試性方案。
2、雙層網(wǎng)絡的基本模式
所謂雙層網(wǎng)絡,實際上是將“網(wǎng)絡控制信息”與“網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息”分離,在各個計算機結點之間形成控制信息流與數(shù)據(jù)信息流分離的雙層通訊通道。其中,數(shù)據(jù)流傳遞依靠目前流行的以TCP/IP和ETHERNET為代表技術的高速網(wǎng)絡架構,而控制信息流則主要依托靈活的串行聯(lián)網(wǎng)技術解決(如“雙層網(wǎng)絡示意圖”所示)。
當然,這種雙層網(wǎng)絡的模式還是區(qū)別于計算機內部數(shù)據(jù)總線與控制總線分離模式的。雙層網(wǎng)絡對于其網(wǎng)絡間傳遞的數(shù)據(jù)并不是絕、對意義上得分類傳送,而是在非失效狀態(tài)下的分類傳送,即在單一網(wǎng)絡連接失效,或者某層網(wǎng)絡體系面臨癱瘓威脅時,雙層網(wǎng)絡的安全運行機制將利用剩余的網(wǎng)絡鏈路進行備援式工作,對數(shù)據(jù)進行混合傳遞,以保障網(wǎng)絡應用的持續(xù)性。
應該特別指出的是,雙層網(wǎng)絡是“并行”意義上的雙層網(wǎng)絡,并不是把以太設備與串行設備的簡單連接。其中,控制信息和數(shù)據(jù)信息也不是絕、對劃分的,控制信息更多是指用于管理和控制設備的信號,更多的保障通訊的控制信息仍和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)一起混合傳送。
雙層網(wǎng)絡平臺有如下特點:
·實現(xiàn)信息流分離
·網(wǎng)絡局部冗余
·屬于物理上的安全網(wǎng)絡
·多種聯(lián)網(wǎng)技術并存
當然,雙層網(wǎng)絡平臺中的每一層都使用同一種聯(lián)網(wǎng)技術,進行完全意義上的冗余配置,也是可行的,其效益將體現(xiàn)在易用性上,但其在建設成本和系統(tǒng)廣泛兼容方面將失去一些優(yōu)勢,因此不作為雙層網(wǎng)絡架構的主要模式。
另一方面,不使用控制信息與數(shù)據(jù)信息分流技術,僅利用傳統(tǒng)的成熟的通信協(xié)議,配合雙層網(wǎng)絡的物理架構,針對現(xiàn)有的網(wǎng)絡需求,在眾多領域已經(jīng)有較為廣泛的應用前景。但這種應用方式?jīng)]有深入地挖掘雙層網(wǎng)絡架構的傳送優(yōu)勢,尤其是在網(wǎng)絡正常運行的狀態(tài)下,遠未達到網(wǎng)絡的運行的高效率。
3、利用串口技術構建控制層面的理論依據(jù)
利用串口通信聯(lián)網(wǎng)技術構建控制層,是雙層網(wǎng)絡平臺應用的重要技術特點,也是雙層網(wǎng)絡平臺展現(xiàn)其應用優(yōu)勢的保障。
1)串口聯(lián)網(wǎng)技術日益成熟
從RS-232到RS-422、再到RS-485,串行通信標準在不斷得向前發(fā)展,通信距離短,速率低已不再成為影響串口通信應用的缺陷。相反,串口聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)解決了多點雙向的傳輸問題,已經(jīng)成為一種極為經(jīng)濟,并具有相當高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共摸范圍的通信技術。
由于RS-485串行總線與持長距離、高傳輸率和較強的抗干擾能力,所以應用于控制系統(tǒng)中十分可靠穩(wěn)定的。
根據(jù)系統(tǒng)工作環(huán)境要求和系統(tǒng)可靠性要求,可以靈活調整傳輸參數(shù),尤其是利用對傳輸波特率的調整,可以在傳輸距離和傳輸速率之間找到平衡點,以達到更高的應用要求。
2)低成本高兼容性擴展
采用串口聯(lián)網(wǎng)技術構建雙層網(wǎng)絡平臺中的控制層面,不需要對現(xiàn)有計算機進行大規(guī)模改造,即可實現(xiàn)立即聯(lián)網(wǎng),而針對其它多種串口設備的立即聯(lián)網(wǎng)則更為容易。即使有多種串行接口存在于同一網(wǎng)絡上,它們之間的轉換也十分方便。特別對于那些實時系統(tǒng),不需要中斷運行,也可以實現(xiàn)網(wǎng)絡升級。
3)現(xiàn)有串口聯(lián)網(wǎng)設備的支持
使用串口技術建立雙層網(wǎng)絡平臺,是十分方便快捷的,因為已經(jīng)有許多成熟的串口聯(lián)網(wǎng)設備為之提供支持。較為成熟的產(chǎn)品有嵌入式串口網(wǎng)絡接入設備、串口電源開關管理服務設備、串口聯(lián)網(wǎng)服務器、網(wǎng)絡共享器以及路由器設備。也就是說對于串口聯(lián)網(wǎng)硬件設備而言,是相當成熟的。
4、雙層網(wǎng)絡平臺的運行失效保護。
失效保護是雙層網(wǎng)絡平臺的重要運行機制,主要解決網(wǎng)絡運行故障保護問題。眾所周知,在許多應用領域內,對網(wǎng)信平穩(wěn)運行的要求非常高。對于單一鏈路網(wǎng)絡,一旦受損,即使能迅速啟動備援系統(tǒng),也不可能實現(xiàn)完全意義上的透明過度。
而雙層網(wǎng)絡的架構就很好的解決了這個問題。一旦基于TCP/IP的鏈路受損,甚于串行接口的網(wǎng)絡即可接替其承擔信息傳遞任務。同樣,基于TCP/IP的鏈路也可以作為控制信息傳遞的后備鏈路。當然,網(wǎng)絡運行在失效保護狀態(tài)時,其傳輸能力將明顯下降,此時可對受損網(wǎng)絡進行維護,以盡快使用網(wǎng)絡正常運行。
5、目前存在諸多應用問題
1)信息流分離與合并
構建雙層網(wǎng)絡平臺,尤其重要的是數(shù)據(jù)信息與控制信息的分離與合并。正常運行的網(wǎng)絡中兩種數(shù)據(jù)是分離的,而非正常運行的網(wǎng)絡中,兩種數(shù)據(jù)是合并的。由此,需要對通信協(xié)議作一定擴展性研究,要求在失效狀態(tài)下啟用特定的協(xié)議作為通信的規(guī)則保障。
2)監(jiān)控的設置
對于監(jiān)測網(wǎng)絡的正常,即要求網(wǎng)絡中的兩層相互檢測。而對于其實現(xiàn),可以有軟件和硬件兩種方式。其中軟件監(jiān)測主要針對端口狀態(tài)進行,而硬件監(jiān)測主要通過對數(shù)據(jù)流的檢查進行。至于網(wǎng)絡切換當然要依據(jù)監(jiān)測的結論實施。
6、相關技術的展望
雙層網(wǎng)絡,主要是針對一些網(wǎng)絡運行的特殊要求提出的解決方案。由于其網(wǎng)絡架構的冗余性,雖然在一定程度上提高了網(wǎng)絡運行成本,但其對于網(wǎng)絡穩(wěn)定性的提高是顯而易見的,因此在許多領域都有著非常廣闊的應用前景,特別是在產(chǎn)業(yè)自動化控制領域。
我們主要討論了建立雙層網(wǎng)絡平臺的嘗試性方案。雙層網(wǎng)絡的實際應用還有待于通訊協(xié)議和相關聯(lián)網(wǎng)設備的完善,而目前實際應用中的多種聯(lián)網(wǎng)技術和網(wǎng)絡架構更多的是一種網(wǎng)絡層技術上的相互連接。這里討論的雙層網(wǎng)絡問題,更多的是基于信息流的研究,這對于提高網(wǎng)絡安全將更為有利。尤其需要指出的是,更深層次上的對數(shù)據(jù)流與控制流的研究,將對網(wǎng)絡拓撲的更新與發(fā)展有很大的促進。