工业控制网络中几种介质访问方式的分析

工业控制网络中几种介质访问方式的分析张玉萍佟为明李辰（哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院，哈尔滨150001）摘要本文阐述了应用于工业控制网络中的多种介质访问控制方式，并对其中几种常用介质访问控制方式的优缺点进行了分析，重点分析了载波监听多路访问、时分复用、令牌环及总线令牌等介质访问方式，同时给出了各种方式的应用实例。关键词工业控制网络介质访问控制方式CSMA令牌中图分类号TP336文献标识码A国家标准学科分类与代码621.TheAnalysisofSeveralMediumAccessControlModesinIndustryControlNetworksZhangYupingTongWeimingLiChen（SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China）AbstractThispaperintroducesthecommonmediaaccesscontrolmodesinindustrycontrolnetworksandanalysestheadvantagesanddisadvantagesofthem,respectively.ThedifferenceofCSMA、TDMA、Token-RingandBus-Tokenisespeciallydetailed.Andtheapplicationsofthemarepresented.KeywordsindustrycontrolnetworksMACCSMAToken1引言工业控制网络是一种局域网，但又不同于一般的局域网。因为工业控制网络必须满足工业现场的环境特点及控制的要求，它具有自身的特点，例如对于实时性、抗干扰性等有很高的要求。现场总线技术的出现是工业控制网络发展过程中的一次飞跃，工业控制网络将简单的现场设备连接起来，通过现场总线在各个控制设备之间传送信息，对生产过程进行优化，节能降耗、获取更大的经济效益。随着现场总线技术的快速发展，工业控制网络呈现出各种各样的形式。针对各种具体的工业现场，现场总线的连接方式以及控制方法有很大的不同，在选用总线时，我们需要对其性能有所了解，而介质访问方式与总线的性能紧密相关，因此，对于介质访问方式的分析非常必要。2工业总线中介质访问方式的分析对比介质是指物理层中的传输媒体，介质访问方式是一种信道共享技术，关系到信道的利用率。现场总线网络属于广播式网络，仅有一条通信通道，由网络上的所有节点共享。这就产生了所有节点如何使用一个共享通道的问题。MAC（MediumAccessControl）层就是用来解决共享信道使用权的分配问题。通信中对于介质的访问可以是随机的，也可以是受控的。到目前为止网络上常用的介质访问控制方法分为三大类：随机竞争类，固定分配类和按需分配类[1-2]。下面对工业现场常见的几种总线协议的介质访问方式进行分析对比。2.1随机竞争类1）CSMA/CD普遍使用的随机竞争MAC技术为CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection带冲突检测的载波监听多路访问），主要用于总线型和树形网络拓扑结构，基带传输系统。它包括以下三个要点：载波侦听——一个节点只有在确认网络空闲之后才能发送信息；多路访问——具有两种含义，既表示多个节点可以同时访问媒体，也表示一个节点发送的信息帧可以被多个节点所接收；冲突检测——如果多个节点同时检测到网络空闲并发送信息，就会产生冲突。发送节点在发出信息帧的同时，还必须监听媒体，判断是否发生冲突，如发生冲突，则节点停止发送，并等待一个随机的时间重新发送，等待时间的长短由节点的退避算法决定。根据退避算法的不同可以分为非坚持CSMA,1—坚持CSMA,p—坚持CSMA。延时结束后重复上述过程再试图发送。CSMA/CD技术的优点是原理比较简单，技术上较易实现，网络中各节点处于同等地位，不要求集中控制，且不需要预先分配节点位置，传输效率高，最适合用于网络节点不多，每个节点的数据量不大的情况。它的主要缺点是不能提供优先级控制，各节点争用总线，冲突的产生具有很大的随机性，最坏情况下的响应延时不可确定，当负载增大时，发送信息的等待时间较长，不能满足远程控制所需要的确定延时和绝对可靠性的要求。目前CSMA/CD广泛应用于由Ethernet组建的局域网中，其国际标准IEEE802.3就是以太网标准。LonTalk协议是为LON总线设计的专用协议，所用的就是改进的CSMA介质访问控制协议——带预测的P—坚持CSMA。它在保留CSMA协议的优点的同时，注意克服它在控制网络中的不足。所有的节点根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，这就有效地避免了网络的频繁碰撞[3]。2）CSMA/CRCSMA/CR(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionResolution带冲突决定的载波监听多路访问)方式主要用于总线型网络拓扑结构，基带传输系统。它的基本思想是：根据需要预先设定节点优先级，每个节点边发送边监听，当有多个节点同时发送报文时将产生冲突，这时总线进行位仲裁（如同“与”的关系）。如某一节点发送了0，而有其它的节点发送了1，则“与”的结果是0，这时总线上为0。发送0的节点将总线上的值与它发送的值比较后得知两者相等则继续发送，而发送1的节点将总线上的值与它发送的值比较后得知两者不等，则说明它的优先级低，将退出发送。若某一时刻，有两个不同的节点发送的值相等，则继续进行比较，直到比较出不同的值时，决定出优先级，优先级低的节点退出总线争用，由发送节点转为接收节点。CSMA/CR的优点是技术上比较容易实现，具有冲突检测和优先级决定的功能，保证了实时性。缺点是每次传输的报文数量较小。但是作为工业控制网络，其本身的数据量不是很大，因此这不是问题。它与CSMA/CD相比较两者在检测到冲突后，对于冲突的处理方式不同。CSMA/CD检测到了冲突，选择退避算法，产生了一个随机数，由这个随机数决定再次发送数据的时间，这就不能保证实时性。而CSMA/CR在检测到了冲突后，直接按优先级来决定由谁退出，谁继续传输，保证了实时性。CAN总线协议就是采用CSMA/CR的介质访问方式，CAN总线的数据协议帧的标志字段IdentifierField表示帧的优先权。对优先权的分配机制有两种：静态优先权分配机制和动态优先权分配机制。CAN总线在媒体访问期间，优先权编码被放置在报文的标志字段中。当总线空闲时，任何节点均可开始发送报文，若同时有两个或更多的节点发送报文，则会产生冲突。解决的办法是采用非破坏性优先权逐位仲裁规则[4]，利用冲突进行优先权仲裁，冲突的过程是优先权小的报文逐位淘汰而优先权大的报文非破坏性的逐位析出过程，冲突的结果是优先权大的报文先占用媒体得以发送。2.2固定分配类为了使网络上的节点共享传输介质，我们希望一个信道能够同时传输多路信号。多路复用技术就是把许多信号在单一的传输线路上用单一的传输设备进行传输的技术。两种最常用的多路复用技术是频分多路复用(FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA)和时分多路复用(TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)。FDMA是物理信道能够提供比单路原始信号更多带宽的情况下，把该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单路信号带宽相同的子信道，每个子信道传输一路信号。多路的原始信号在频分复用前，首先要通过频率调制把各路信号频谱搬移到物理信道的不同频谱段上，这可以通过在频率调制时采用不同的载波来实现。TDMA是将一条物理信道按时间分成若干时间片轮流地给多个节点使用，每一个节点都分配一个特定的时间片，每个节点在这个特定的时间片内具有总线使用权。它的优点是不会发生碰撞，每个节点有固定的发送顺序。时延可以计算。综上所述，固定分配类的一个共同的优点是采用了多路复用技术，因此不存在数据帧的冲突问题，数据收发具有较高的实时性和确定性。ControlNet的MAC方法为一种改进的TDMA方式——并存时间多路存取(CTDMA)方式。在这种方式下，节点可按需占用带宽，提高了系统带宽总的利用率，增强了带宽分配的灵活性。与工业自动化网络中常用的源/目的通讯模式不同，ControlNet采用了一种新的通讯模式：生产者/消费者模型。生产者即数据的发送者，消费者即数据的接收者。每一条数据按内容来标识，采用广播方式发送到网络上。数据的接收与否由接收节点通过对标识符的筛选来确定。与源/目的模型相比，当同一条信息传递给N个节点时，只需要发送一次即可，因此提高了网络的通讯效率。ControlNet的MAC帧格式如图1所示。因每个节点发送数据的长度不同，所以不能根据固定的时间间隔来触发下一个节点的发送，因此ControlNet采用了一种特殊的令牌传递机制——虚拟令牌传递VTP（VirtualTokenPassing），来控制节点的发送次序。MAC帧（16位）（8位）（8位）（0~510字节）（16位）（8位）图1MAC帧格式ControlNet中的节点对网络的访问是由时间来确定的。每个节点只能在每一个网络更新时间(NUT)中指定的时间片内传输数据。对节点的这种传输机会的控制由CTDMA算法来完成。2.3按需分配类按需分配类MAC使节点在有数据发送需求时才占用传输介质，同时采取一种称为“令牌”的机制来彻底避免冲突的发生。令牌传递技术主要有令牌环方法和令牌总线方法两种[5-6]。1）令牌环令牌环方法是使一个令牌沿着环循环，当各站都没有帧发送时，令牌称为空令牌。当一个节点要发送帧时，需等待空令牌到来，然后将它改为忙令牌，随后把数据帧发送到环上。由于令牌是忙状态，所以其它站不能发送帧，必须等待。发送的帧在环上循环一周后再回到发送节点，经校验无误后，该帧被从环上移去。同时该节点将忙令牌改为空令牌，传至后面的节点，使之获得发送帧的许可权。接收帧的过程是当帧通过节点时，该节点将帧的目的地址和本站点的地址相比较，如地址相符，则将帧放入接收缓冲器，再输入站点，同时将帧送回至环上。如地址不符合，则简单地将数据帧重新送入环上。在轻负载时，由于等待令牌需要时间，因此效率较低。在重负载时，由于各节点公平，因此效率较高。PROFIBUS主站之间的通信就是采用令牌环机制[7]。三种系列的PROFIBUS（DP、PA和FMS）使用同一种总线存取协议，也就是说具有相同的现场总线数据链路层，该通信协议的MAC采用两种存取方式，即主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式，其中令牌传递控制如图2所示。Profibus总线MAC协议是混合介质访问方式，即通过采用轮询列表来支持具有时间触发的通信活动。轮询列表中的周期性信息是在主节点拥有令牌时，发送完所有待发送的高优先级信息后，且持牌时间大于零时，将被处理。当表中的周期性信息处理完后，若持牌时间大于零时，将处理低优先级信息。令牌环令牌传递轮询M：Master（activestations）主站S：Slave（passivestation）从站图2PROFIBUS总线存取方法2）令牌总线令牌总线介质访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环。从物理上看，这是一种总线结构的局域网。和总线网一样，站点共享的传输介质为总线。但是，从逻辑上看，这是一种环形结构的局域网。和令牌环一样，站点只有取得令牌，才能发送帧，令牌在逻辑环中依次传递，这是现场总线中很常见的介质访问控制方法。令牌传递技术的优点是不会发生碰撞，时延可以计算，与TDMA相比，信道利用率高。它的主要缺点是若令牌丢失，这个网络将处于瘫痪状态，所以网络必须具有令牌恢复功能，增加了额外的开销。FF和WorldFIP的链路调度就是采用了令牌传递技术。由于工业过程中信息通信的多样性和实时性，FF和WorldFIP均采用集中式介质控制策略，并且按照生产者/仲裁者/消费者模型来管理信息的实时通信。通常，生产者和消费者的关系通