（通信与信息系统专业论文）基于snmp的lonworks现场总线网络管理的研究.pdf

摘要 近年来，由于其开放性、互操作性和较高的性能价格比等优点，l o n w o r k s 现场总线在工业控制领域广泛应用。但是，l o n w o r k s 现场总线由于其自身 独特的信息结构和通信协议，与企业信息网络交流不便，这样严重制约了企 业信息化的发展。建立在i n t r a n e t i n t e m e t 基础上的开放式的、透明的、能实 现工业控制网络与信息网络无缝结台的、集管理控制一体化的全开放网络， 是现代企业提出的要求。 当前的解决方案多采用基于w e b 的j a v a 和c g i 技术，通过t c p i p 网络 进行远程l o n w o r k s 设备的监控和管理；或使用e c h e l o n 公司提供的专用设 备i l o n l 0 0 0 将l o n w o r k s 网络与以太网无缝集成，对现场设备进行监控和 管理。但是，这些方案存在成本高、技术复杂等缺点。 本文创新地将s n m p 协议引入到l o n w o r k s 控制网络的管理中，通过以 太网( e t h e r n e t ) 将l o n w o r k s 控制网络与企业信息网络进行开放的、无缝的集 成，采用动态数据交换( d d e ) 技术完成了l o n w o r k s 现场信息的提取，利用 s n m p 协议实现了l o n w o r k s 现场网络的监控和管理。通过实例系统的成功 运行证明了基于s n m p 的l o n w o r k s 网络管理系统的可行往，为控制网络系 统的管理提供了一个新的途径。该方案的优点在于：以太网成本低，易维 护，易与i n t r a a e t i n t e m e t 集成；s n m p 协议简单，发展比较完善，易于实现； 面向对象的编程模式具有很好的扩展性。 第二章对l o n w o r k s 现场总线的通信协议l o n t a l k 进行了详细的阐述， 介绍了组建l o n w o r k s 网络的l o n w o r k s 网络设备和网络工具。第三章阐述 了简单网络管理协议框架的三个组成部分：管理信息结构( s m i ) 、管理信息 库( m i b ) 和简单网络管理协议( s n m p ) ，并对简单网络管理协议三个版本的内 容作了比较。第四章介绍了d d e 技术，分析了基于d d e 的l o n w o r k s 现场 信息提取过程。第五章，讨论了基于s n m p 的l o n w o r k s 网络管理系统的实 现方案，包括系统的功能、结构；实现了基于d d e 的l o n w o r k s 现场信息提 取；对s n m p + + 类库进行了介绍，分析了s n m p + + 类，形成了被管对象的 m i b 文件，完成了基于s n m p 的网络管理代理程序的设计、开发。在以上 的分析、讨论基础上，通过实例系统的成功运行，论证了s n m p 协议应用于 l o n w o r k s 控制网络管理这一方案的可行性。最后一章，分析了方案的优点， 并展望了网络管理的未来发展。 关键词：l o n w o r k s ，s n m p ，代理，网络管理 i a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，l o n w o r k s n e t w o r k ，f o ri t so b v i o u sa d v a n t a g e ss u c ha sb e i n g o p e n ，i n t e r o p e r a b l e a n d c o s t - e f f e c t i v e ，h a s b e e n w i d e l y u s e di ni n d u s t r i a l a u t o m a t i z a t i o na n d p r o c e s sc o n t r o l ，w h e r e a s ，f o r i t s s p e c i a l s t r u c t u r eo f i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，l o n w o r k sc a n n o tc o m m t m i c a t e sw i t h i n f o r m a t i o nn e t w o r ki n e n t e r p r i s e sc o n v e n i e n t l y , w h i c hb a d l y r e s t r i c t st h e d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ni ne n t e r p r i s e s m o d e me n t e r p r i s e sr e q u i r ea no p e n a n dt r a n s p a r e n tn e t w o r kb a s e do ni n t r a n e t i n t e m e t ，w h i c hc a r lr e a l i z ec o n t r o la n d m a n a g e m e n t ，a n di n t e g r a t es e a m l e s s l y f i e l dc o n t r o ln e t w o r kw i t hi n f o r m a t i o n n e t w o r ki ne n t e r p r i s e s c u r r e n ts o l u t i o i l st ot h ep r o b l e ma r ec o m m o n l yj a v aa n dc g it e c h n o l o g y b a s e do nw e b ，w h i c hr e m o t e l yc o n t r o la n dm a n a g el o n w o r k sd e v i c e sv i at c p i p n e t w o r k a l t e r n a t i v e l y ，as o l u t i o n i s p r o v i d e db ye c h e l o nc o r p o r a t i o nw i t ha s p e c i a ld e v i c ei l o n l 0 0 0 ，w h i c hi n t e g r a t e ss e a m l e s s l yl o n w o r k s n e t w o r kw i t h e t h e r n e t h o w e v e r ，t h e s es o l u t i o n sa r ed i s a d v a n t a g e o u si nc o s ta n dc o m p l e x i t yo f t e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，s n m p i n n o v a t i v e l ya p p l i e d i n t ot h e m a n a g e m e n t o f l o n w o r k sc o n t r o ln e t w o r k ，b yu s i n ge t h e m e t ，l o n w o r k sc o n t r o ln e t w o r ki s i n t e g r a t e de x o t e r i c a l l ya n ds e a m l e s s l yw i t hi n f o r m a t i o nn e t w o r ki ne m e r p r i s e s ， d i s t i l l i n g n e t w o r ki n f o r m a t i o nf r o ml o n w o r k sb a s e do nd d et e c h n o l o g y , r e a l i z i n gt h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n t t ol o n w o r k sb a s e do ns n m p t h r o u g ht h e s u c c e s so ft h es a m p l es y s t e m ，t h es o l u t i o nt om a n a g el o n w o r k sb a s e do ns n m p i s p r o v e df e a s i b l e ，o f f e r i n g c o n t r o ln e t w o r ks y s t e mw i t han e wm a n a g e m e n t a p p r o a c h t h es o l u t i o n i nt h et h e s i sh a sm a n y a d v a n t a g e s ：t h ec o s to f e t h e m e ti s l o w i,ande t h e m e ti s e a s yt om a i n t a i na n di n t e g r a t ew i t h n t r a n e t i n t e r n e ts n m p p r o t o c o li ss i m p l e c o n s u m m a t e a n de a s yt or e a l i z e 。1 1 1 eo b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m o d e li sv e r ye x p a n s i b l e ， i n c h a p t e rt w o ，w ei n t r o d u c e l o n t a l kp r o t o c o li nd e t a i l ，w h i c hi st h e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lo fl o n w o r k s ，a n d a c c o u n tt h en e t w o r kd e v i c e sa n dt o o l s t ob u i l dal o n w o r k sn e t w o r k i nc h a p t e rt h r e e ，w es t u d yt h em a i np a r t so fs n m p f r a m e w o r k ，w h i c ha r es m i ，m i ba n d s n i v i p s n m p sv e r s i o nh a sb e e n i i d e v e l o p e df r o m1 t o3 ，a n dt h ed i f f e r e n c e sa m o n gt h e mh a v eb e e ns t u d i e dw e a n a l y z et h ep r o c e s so fd i s t i l l i n gn e t w o r ki n f o r m a t i o nf r o ml o n w o r k s ，a sw e l la s i n t r o d u c ed d et e c h n o l o g yi n c h a p t e r f o u r i n c h a p t e rf i v e ，w e d i s c u s st h e s o l u t i o nt o m a n a g el o n w o r k s b a s eo n s n m p , i n c l u d i n g t h ef u n c t i o na n d s t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，a n dr e a l i z et h ed i s t i l l i n go fn e t w o r ki n f o r m a t i o nw e i n t r o d u c ea n d a n a l y z es n m p + 十c l a s s e sl i b r a r y , f o r m i n g t h em a n a g e d o b j e c t si n t o am i b f i l e ，a n da c c o m p l i s ht h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t o f a g e n t b a s e do i ls n m p f i n a l l y ，b a s e do n t h ep r e v i o u sa n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n ，t k r o u g ht h es u c c e s so ft h e s a m p l es y s t e m ，t h ef e a s i b i l i t y o ft h es o l u t i o ni s p r o v e d i n l a s t c h a p t e r , w e a n a l y z e t h ea d v a n t a g eo ft h es o l u t i o n , a n ds h o wap e r s p e c t i v ee y eo ft h e d e v e l o p m e n t o fn e t w o r k m a n a g e m e n t k e y w o r d s ：l o n w o r k s ，s n m p , a g e n t ，n e t w o r km a n a g e m e n t i i i 武汉理丁大学硕士学位论文 第1 章引言 1 。1 l o n w o r k s 现场总线发展背景 l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出的一种现场总线技术， 用于现场仪表、控制器与监控中心之间的一种全分散、全数字化、智能、双 向、多变量、多点、多站的分布式通信系统。它具有开放性和互操作性、安 装及维护简便等特点，使其在控制领域得到飞速发展。 与当前的几种现场总线技术相比，l o n w o r k s 总线技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在n e u r o n 芯片中，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量 把网络通信设计简化为参数设置，具有开放性、互操作性和较高的性能价格 比等突出优点，成为实际上的现场总线推荐标准。近年来，l o n w o r k s 总线 技术在我国已经得到了广泛的应用，如工业过程控制、智能化楼宇、安全防 范、环境检测、电力系统自动化等。 1 2 现场总线网络管理的必要性 近年来，现场总线网络在工业控制领域应用越来越广泛。但是，位于下 层的现场总线网络由于其自身独特的信息结构和通信协议，与上层的企业管 理信息网络交流不便。例如，采用l o n t a l k 协议的l o n w o r k s 总线网络不能 跨越采用t c p i p 协议的管理信息网络，这样严重制约了企业信息化的发展。 为了提高生产的效率和效益，现代企业迫切需要了解生产过程的实时数 据，将实时生产信息与企业的e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l y ) 系统结合起来， 即管理信息网络和现场控制网络能无缝结合。随着控制、计算机及通信技术 的发展，建立在i n t r m a e v i n t e m e t 基础上的开放式的、透明的，能实现上层管 理信息网络与下层现场控制网络无缝结合的、集管理与控制一体化的全开放 网络，是现代企业提出的要求，j ，4 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 l o n w o r k s 现场总线网络管理的国内外发展概况 针对这种情况，当前的解决方案主要采用基于w e b 的j a v a 和 c g i ( c o m m o n g a t e w a y i n t e r f a c e ，公共刚关接口技术) ，通过t c p i p 网络进行 远程l o n w o r k s 设备的监控和管理。基于w e b 的网络管理系统开发必须遵循 两个推荐标准：w b e m ( w e b b a s e de n t e r p r i s em a n a g e m e n t ) 和j m a p i 仃a v a m a n a g e m e n ta p i ) 。 w b e m 建议是由c i s c o ，c o m p a q ，i n t e l 及m i c r o s o f t 等著名j 一商组成的 w b e m 联盟开发的一种工业标准，对于基于w e b 的管理结构、协议、管理 模式和对象管理器进行了描述和定义，试图用一种改进的新协议 h m m p ( h y p e r m e d i am a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 结合h t t p ( h y p e n e x t t r a n s f e r p r o t o c 0 1 ) 服务器来支持w e b 浏览器与被管对象的通信【5 o j m a p i 是s u n 公司所开发的种基于j a v a 的网络管理编程接口，它是 在原有j a v a 基类的基础上扩展了有关基类，主要通过增加一种媒体间应用接 口来实现w e b 浏览器与被管对象之间协议格式的转换。 但是由于这些方案是基于w e b 的，并且只能在t c p i p 网络的应用层实 现，方案的灵活性不强。 而e c h e l o n 公司提供了利用专用设备i l o n l 0 0 0 将l o n w o r k s 网络接入 以太网( e t h e m e t ) 的解决方案 6 1 。i l o n l 0 0 0 是新一代l o n w o r k s 系统中的关 键设备，它取代了传统的网关设备而成为连接l o n w o r k s 和e t h e m e t 的桥梁。 它将l o n w o r k s 报文打包，用t c p i p 协议进行封装，然后在网络上发送。当 数据包传送到l o n w o r k s 网段，t c p i p 封装被抛弃，l o n w o r k s 数据包被重 新放置在网络上。从计算机网络的角度来看，i l o n l 0 0 0 可以视为一个典型 的i p 主机，能够将现场控制网络和管理信息网络无缝连接在一起，其内置 的网络服务器允许网络浏览器能够轻松的获得监控信息，如电压、电流等网 络变量。i l o n l 0 0 0 使得系统的安装、监视、故障诊断和维护变得更加容易。 但是，此种方案的最大缺点是其成本很高。 以上方案存在技术复杂、成本高等缺陷。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究意义 本课题创新地将s n m p 应用于l o n w o r k s 现场控制网络的管理中，通 过以太陋 ( e t h e r n e t ) 将现场控制网络与企业管理信息网络实现开放的、无缝的 集成，采用动态数据交换( d d e ，d y n a m i c d a t ae x c h a n g e ) 技术完成l o n w o r k s 现场信息的提取，利用s n m p 协议实现对l o n w o r k s 现场网络的监控和管理。 其优点在于：以太网成本低，维护容易，很容易与i n t r a n e t i n t e r n e t 集成：s n m p 协议简单，发展比较完善，易于实现；面向对象的编程模式具有很好的扩展 性。这些优点使得此方案有很强的可实现性和广泛的通用性。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章l o n w o r k s 现场总线 l o n w o r k s 现场总线是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出的一种控制局域网 络，由现场节点、通信介质和通信协议组成。每个现场节点由神经元芯片、 收发器及外围i o 设备构成。由于n e u r o n 核心芯片内集成了网络通信、i o 功能及可编程能力，每个节点都具有完整的处理能力，可以不依赖于其他节 点或设备而完全独立地工作，任何个节点的故障不会影响整个网络，从而 提高了系统的可靠性、灵活性和可维护性。l o n w o r k s 总线是与通信介质相 互独立的，它可以支持多种通信介质。l o n w o r k s 总线采用的通信协议为 l o n t a l k 协议，它遵循i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 定义 的开放系统互连参考模型( o s v r m ，o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t r e f e r e n c e m o d e l ) ，并提供了o s i 参考模型所定义的全部七层服务，具有检测应答、自 动重发、请求响应等功能，易于实现冗余，保证了通信的可靠性及实时性， 提高了系统的可靠性。由于l o n w o r k s 总线具有的可靠性、高速性和灵活性 使其广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化、工业自动化、交通运输等领域。 l o n w o r k s 网络由一个或多个信道( c h a n n e l ) 组成，信道是l o n w o r k s 数据 包的物理传输介质。l o n w o r k s 网络的基本组成单元是节点( n o d e ) ，每个节点 都与信道相连。以n e u r o n 芯片为核心的智能节点，根据实际需要配以相应 的外围接口电路，完成控制现场的各种要求。图2 - 1 是总线拓扑结构的网络 基本结构。 图2 1l o n w o r k s l 稠l 络基本结构 4 武汉理工大学硕_ ：学位论文 2 1 网络节点 l o n w o r k s 总线很灵活，可以支持多种类型的网络拓扑结构，如总线型、 星型、环型等，还可以通过多种收发器支持不同的通信介质。不同信道之间 的网络信息交换通过路由器实现，不仅可以实现不同通信介质之间的数据传 输，还能改善网络的性能。 l o n w o r k s 控制网络系统由多个l o n w o r k s 智能节点组成，每个智能节点 中有一个l o n w o r k s 主控制模块，l o n w o r k s 节点的方框图如图2 2 所示。 l o n w o r k s 主控制模块是智能节点的基本构成单元，以n e u r o n 芯片为核心， 还包括收发器、复位电路、地址译码电路、存储器和晶振电路等。主控制模 块通过固件完成l o n t a l k 协议的数据传输，并通过事件调度完成用户定义的 各种计算、i 0 事件处理及网络报文处理等功能。微处理控制单元实现a i 、 a o 、d i 、d o 等功能的驱动和各种复杂的运算，并完成与主控制模块的数据 交换。收发器负责将节点连入l o n w o r k s 网络。 图2 2l o n w o r k s ：符点结构 2 。2 通信协议l o n t a lk l o n w o r k s 技术采用的通信协议为l o n t a l k 协议，即a n s i e i a7 0 9 1 。 l o n t a l k 协议是l o n w o r k s 总线技术中的核心部分 7 1 。该协议提供了一系列通 信服务，使得在一个设备中的应用进程能够通过网络与另一设备进行消息的 发送和接收，而不用知道网络的拓扑结构以及设备的地址。l o n t a l k 协议能 武汉理工大学硕士学位论文 够提供端到端消息的确认和认证，能够通过网络管理工具远程地对网络设备 进行操作重新配置网络的地址和参数，以及开始停止重启设备中的进 程。 2 21 l o n t a i k 协议对应的l s o o s i 模型 l o n t a l k 协议遵循由国际标准化组织( i s o ，i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o n ) 定义的开放系统互连参考模型f o s f r m ，o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l ) 。l o n t a l k 协议提供了o s i 参考模型所定义的全 部七层服务，是为控制系统所特别设计的，在i s o o s i 参考模型的框架上适 应于控制系统的需要，如表2 1 所示。 表2 1l o n w o r k s 对应的o s i 各层 o s l 分层目的提供服务 应用层具体应用标准对象和类型配置属性文件传送网络服务 表示层数据表示网络变量应用消息外部桢 会话层会话控制请求响应认证 传输层端一端可靠性端到端确认n 务类型消息包成序 网络层消息传送单波或组波寻址消息包路由 链路层媒体访问和成桢编码成桢c r c 媒体访问冲突避免，检测，优先权 物理层电路连接媒体相关接口和模块( 双绞线，同轴电缆等) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ：通信信道( c h a n n e l ) 上比特位的传输。它确保从 源设备发送的比特位能准确地传输到目的设备。l o n t a l k 协议是独立于 传输媒质的，因此可以支持多种通信媒质。 链路层( d a t a l i n kl a y e r ) ：媒质访问的方法和数据的编码以确保在单个通 信信道( c h a n n e l ) j ：_ 媒质的有效使用。物理层中的比特位会被封装成数据 帧，规定何时源设备能够发送数据帧，以及目的设备如何接收数据帧和 检测传输差错。还定义有优先机制来确保重要消息的传输。 网络层( n e t w o r kl a y e r ) ：消息包如何从源设备路由到目的设备。它定义 设备的命名和地址以保证消息包能够正确的传输，还定义了源设备和目 的设备处于不同的通信信道时消息包的路由方法。 6 武汉理工大学硕士学位论文 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ：确保消息包的可靠传输。使用种确认服务在 发送设各和接收设备之间交换消息包。发送设备在给接收设备发送一次 消息包后，等待从接收设备返回的确认信息：在一定时间内没有收到确 认信息，发送方将重发一次。还定义了由于确认信息的丢失而产生的重 复发送消息包的检测和丢弃。 会话层( s e s s i o nl a y e 0 ：将控制信息加入到下层的交换数据中。它支持的 远程功能让客户得到远程的服务，让接收方从消息包中判断发送方是否 有权发送该消息包。 表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) ：将下层的交换数据进行编码表示。消息被编 码成为网络变量，应用消息或外部帧。标准网络变量类型( s n v t ，s t a n d a r d n e t w o r kv a r i a b l e t y p e ) 提供网络变量的互操作编码。 应用层陋p p l i c a t i o nl a y e r ) ：在下层的交换数据中添加应用功能。标准对 象通过从下层的交换数据的公共语义解释来提高互操作性。当网络变量 更新时，公共语义解释能够让不同的应用进程进行公共动作。它还定义 了文件传输协议，规定了进程之间进行的数据流传输。 在一个信道上的设备查看信道上传输的消息包，判断是否接收。如果接 收，再判断它是设备应用进程消息包还是网络管理消息包。应用进程消息包 中的数据将交给应用进程。 下面阐述一些与l o n t a l k 协议相关的重要方面：信道类型，媒体访问， 寻址，网络变量等。 2 22 信道类型( c h a n n e i t y p e s ) l o n t a l k 协议是独立于传输媒质的，它允许l o n w o r k s 设备通过任何物理 传输媒质通信。这使得能够充分利用各种不同的信道用于控制网络。协议提 供了很多可调整的配置参数。 信道( c h a n i l e l ) 是一个特殊的物理通信媒质，它用来连接各个l o n w o r k s 设备组成l o n w o r k s 网络。不同类型的信道有不同的特性，如网络可连接的 最大设备数量，通信的比特率和物理距离范围等。表2 - 2 列出了一些常用的 信道类型。 7 武汉理工大学硕 + 学位论文 表2 2l o n w o r k s 网络常用信道类型 信道类型通信媒质位速率收发器最大设备数最大距离 f t t 1 0 f t t t p f t 一1 0双绞线 7 8 k b p s 6 4 1 2 82 2 0 0 m 1 0 a l p t 一1 0 t p ，x f 1 2 5 0双绞线 1 2 5 m b p s l p t ) ( f 1 2 5 06 41 2 5 m l p t 2 0 l p t 一 p l 一2 0电力线 5 4 k b p s 环境决定环境决定 2 1 l p t 2 2 l o n w o r k s i p 一1 0i p 网络决定i p 网络决定 i p 网络决定i p 网络决定 o v e r i p 2 2 3 媒体访问( m e d iaa c c e s s ) 所有的网络协议都使用媒质访问控制协议算法( m a c ，m e d i aa c c e s s c o n t r 0 1 ) ，来决定网络上的设备何时能安全地发送数据包。媒质访问控制协 议算法被设计用来消除或减小冲突的发生。当网络上的两个或更多设备同时 试图发送数据时，就会发生冲突。然而，媒体访问控制协议算法消除冲突的 发生只能在小型网络中有效。在网络负荷过载的条件下，以太网( e t h e m e t ) 媒 质访问控制协议算法不能很好地完成控制应用任务。现有的媒质访问控制协 议算法如：i e e e 8 0 2 2 ，8 0 2 3 ，8 0 2 ，4 和8 0 2 5 都不能满足l o n w o r k s 现场总 线的要求。 l o n w o r k s 网络采用的媒质访问控制协议算法，称为可预测p 一坚持载波 监听多路访问冲突检；劂( p r e d i c t i v ep - p e r s i s t e n tc s m a c d ) 协议。它具有良好 的特性，即使在网络处于负荷过载的环境下，也能很好地减小冲突的机会， 使得信道在其最大容量下正常工作。 c s m a 协议( c a r r i e rs e n s i n gm u l t i p l ea c c e s sp r o t o c 0 1 ) 要求一个节点在发 送报文之前对网络进行监听，当信道空闲时发送数据，否则延长一个时隙时 间，再监听。时隙大小的选择必须综合考虑传输媒质的利用率和网络冲突发 生的概率。一般的l a n 网采用p 坚持c s m a 协议，p 值固定不能调整。若 p 值较大，则网络忙时冲突不可避免；若p 值太小，必然会带来较大的延时， 这些都不能满足控制网络的特殊要求。l o n w o r k s 网络的媒质访问控制协议 算法采用可变的p 值加入时隙。l o n w o r k s 网络上节点的发送时间均被随机 分配到1 6 个时隙。网络空闲时，节点被分配到这1 6 个随机时隙发送消息； 当网络负荷增加时，节点会自动增加发送时隙，从而降低冲突概率。p 值的 8 武汉理工大学硕士学位论文 动态调整取决于随机时隙的数目，它的数目取决于网络负载的预测。网络负 载即网络上此时即将发送消息的数目( 用n 表示) ，随机时隙的数目为1 6 * n ， n 的取值范围是l 到6 3 ，。此时的等价p 值为1 ( 1 6 * n ) 。发送节点在其发送的 消息报文中，插入将要应答此消息的接收节点数目，即发送消息包应得到的 应笞报文数目，所有接收到该消息包的节点的n 值都会加上该应答数目，得 到新的n 值。 2 24 寻址( a d d r e s s j n g ) l o n w o r k s 网络采用分级的编址方式。它使用域( d o m a i n ) ，子网( s u b n e t ) ， 节点o d e ) 和组( g r o u p ) 等概念，方便地实现整个域，某个子网，某个节点， 某个组的通信。寻址算法定义了消息包如何从源设备路由到目的设备，消息 包能够被路由到一个目的设备或组设备，甚至所有设备。在l o n w o r k s 网 络中，支持几种地址类型，从简单的物理地址到能表示多个设备的组地址。 f 面是l o n w o r k s 网络几种地址类型： 物理地址( p h y s i c a la d d r e s s ) ：每个l o n w o r k s 设备都有一个唯一的4 8 个比特位的n e u r o ni d 标志符，在其使用中不会改变。 设各地址( d e v i c ea d d r e s s ) ：l o n w o r k s 设备连入l o n w o r k s 网络时， 会被分配一个设备地址。在实际的使用中，设备地址取代设备的物 理地址使得路由信息更加高效。组网工具组网完成后，它将维护设 备地址形成的数据库。设备地址由三部分组成：主域i d ，子网i d ， 节点i d 。主域i d 标志设备所处的主域，只有在同一个主域中的消 息包能够直接交换，每个主域中最多可以有2 5 5 * 1 2 7 = 3 2 3 8 5 个设备。 子网i d 可以标识1 2 7 个设备，这些设备是在单一信道上或是在一系 列由中继器连接的信道上。每个主域中最多由2 5 5 个子网，节点i d 标志在子网中单一设备。 组地址( g r o u p a d d r e s s ) ：在一个主域中标志一组有逻辑联系的设各， 它不同子网，它可以跨越智能路由器，组中的设备与它们的物理位 置无关。如果使用非确认消息机制通信，在一个组中设备的数目没 有限制；如果使用确认消息机制通信，在一个组中最多有6 4 个设备。 组是一种优化网络带宽的方式，一个主域中最多有2 5 6 个组。 9 武汉理丁大学硕士学位论文 广播地址( b r o a d c a s t a d d r e s s ) ：广播地址标志子网或主域中的所有设 备。在需要与很多个设备通信时，广播是一种有效的途径。 在l o n w o r k s 网络，e ，每个消息包中都包含着发送设备的设各地址( 源 地址) 和接收设备的设备地址( 目的地址) ，目的地址可能是一个物理地址， 一个组地址或是一个广播地址。 2 2 5 网络变量( n e t w o r kv a t j a bj e ) l o n t a l k 协议创新地引入了网络变量( n e t w o r kv a r i a b l e ) 概念。网络变量 大大简化了l o n w o r k s 应用进程的设计任务，使得基于消息的控制系统更加 容易。网络变量可以是任何一种数据项( 温度值，开关量等) ，可能是在网 络上某个设备应用进程希望从其他设备得到的( 输入网络变量) ，或者可能 是传给网络上其他设备使用的( 输出网络变量) 。 设备中的应用进程不需要知道输入网络变量来自哪里，也不需要知道输 出网络变量去向何处。当应用进程的输出网络变量值改变了，它直接将改变 的值传给设备固件，经过网络设计和安装中的绑定( b i n d i n g ) 过程，得到需要 网络变量的设备的逻辑地址或组地址，将输出网络变量发送给它们。同样地， 设备固件接收到更新的输入网络变量，将其发送给需要它的应用进程。绑定 过程是建立一个设备中输出网络变量和另一个设备( 一组设备) 输入网络变 量之间的逻辑连接。这种逻辑连接可以看成一个“虚拟电路”一样。例如， 某个设备有一个物理开关，相应地，它的输出网络变量为s w i t c h 开关；而 另一个设备能驱动一盏灯泡，相应地，它的输入网络变量为l i g h t 亮熄，如 图2 3 所示。这样，这种通过绑定形成的“虚拟电路”可以像现实中的导线 一样将灯泡点亮。 图2 3 网络变量连接示意图 l o 武汉理工人学硕士学位论文 每个嘲络变量都有一种数据结构类型，两个连接的网络变量必须是同种 类型，这将避免两种不同类型的网络变量连接产生的错误( 如一个压力型输 出网络变量不能连接一个温度型输入网络变量) ，各种类型之间也可以相互 转换。标准网络变量类型_ j ( s n v t s ，s t a n d a r d n e t w o r k v a r i a b l e t y p e s ) 定义了公 共使用的一些类型，同样地，用户可以定义自己的网络变量类型( u n v t s ， u s e d e f i n e dn e t w o r kv a r i a b l et y p e s ) 。 网络变量的引入使得基于消息的控制系统成为可能。这意味着：在 l o n w o r k s 系统中，每个设备可以根据从其他设备得到的关于系统变化的消 息，来做出自己的控制决定；面在基于命令的控制系统中，设备将控制指令 发给其他设备之前，它必须了解整个系统的功能和拓扑结构。 2 3 l o n w o r k s 网络的通信方式 l o n w o r k s 网络节点之间的通信可采用网络变量( 隐式报文) 或显式报 文( 结构配置、应用报文和外部帧) 的形式进行。网络变量属于一种高层通 信方式，实现简单，只需在网络安装时进行网络变量间的绑定即可。但其通 信数据域大小固定( 3 l b y t e s ) 且一个n e u r o n c 程序最多能定义6 2 个网络变量。 显式报文则属于一种低层通信方式，实现相对复杂，功能却很灵活，其通信 数据域大小可变，只要在2 2 8 b y t e s 范围内即可。 节点应用程序不需要知道具体的报文发送、接收机制，程序的重点是构 建和利用这些报文，实现具体的应用目的。节点通信连接一般是通过建立节 点间网络变量连接，或显式报文的消息标签连接来实现。这种连接由网络安 装和管理工具建立，如l o n b u i l d e r , l o n m a k e r 等，连接信息存放在每个节点 的地址表中，地址表中甚录了节点可寻址的目标节点的地址信息。 2 3 1 网络变量通信方式 一般地，快速、简单的节点开发应采用网络变量( 隐式报文) 的通信方 式，它简化了编程和系统安装，有利于程序节约内存。网络变量是节点中的 一个对象，它可以与一个或多个其它节点的网络变量相连接。节点的网络变 量定义了它的输出和输入，同时允许在分布式应用中共享数据。无论何时， 一个程序更新了它的输出网络变量值，则通过网络将更新的值，传给所有与 该输出网络变量相连接节点的输入网络变量。虽然网络变量通过l o n 2 h l k 报 武汉理工大学硕士学位论文 文传播，但报文的传送是透明的，应用程序不需要以显式指令的方式来接收 或发送网络变量的更新。网络变量大大简化了丌发、安装分布式系统的过程， 由于节点可以独立地定义，新的节点可以很容易地连接入l o n w c 系统。 2 3 2 显式报文通信方式 节点除了可以通过网络变量与其它节点通信外，还可以使用显式报文， 两种通信方式各有优缺点。 对于一个给定的网络变量来说，数据域的大小是一个常数，而对于报文 来说，用户可以在程序中控制报文的大小及缓冲区的分配。显式报文提供一 个请求响应机制，它使得一个节点上的应用能够响应另一个节点上的应用。 请求响应机制与网络变量查询相似，但它提供了较强的功能。当一个网络变 量被查询时，仅提供网络变量最新的值，而不干涉应用程序。而当一个报文 以请求的服务形式被发送后，远程节点的应用程序将执行一系列动作作为接 收该报文的结果，并且构造和发送响应。请求响应机制同时提供了远程调用 的基础，因为它提供了一个节点应用激活另一节点应用的方法。 报文码是报文的数字标识符。l o n t a l k 协议规定每个报文必须包括一个 报文码，用于用户应用的报文码取值范围是0 到6 2 ，接收到报文的用户应用 可以翻译来自报文源的报文码。 2 4l o n w o r k s 网络的组建 e c h e l o n 公司除了提供了l o n w o r k s 技术的协议规范之外，还提供了一套 性价比高、标准化的解决问题方案。在其中，l o n w o r k s 协议规范得以体现， 同时，还需要一些必要的组网设备和网络工具的辅助。 2 4 1l o n w o r k s 组网设备 神经元芯片( n e u r o nc hp ) 考虑到l o n w c r k 网络的经济性和标准化等问题，e c h e l o n 公司设计了神 鳓( n c u r o nc h i p ) 。在数百万个神经元相互连接的神经元网络中，没有 中心控制节点，每个神经元都有一定的功能，任何一个神经元功能的失效不 会影响整个网络的性能。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 对于丌发人员而言，n e u r o n 芯片的优秀之处在于其完整性。n e u r o n 芯 片内嵌的通信协议和处理器，减少了在这方面的开发或编程需要。n e m o n 芯片提供了i s o o s l 通信模型中的下面六层的功能，只有应用层的编程和配 置