一、 引言

　　一個現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)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(nèi)部管理、財務(wù)、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(chǎn)設(shè)備級的綜合管理、調(diào)度與監(jiān)控等；
·Embedded Network ：嵌入式網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)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(wǎng)的Internet在企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)上的延伸。 Infranet的建設(shè)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(shù)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(diào)。嵌入式網(wǎng)絡(luò)就是實現(xiàn)子系統(tǒng)間相互通信的手段。

二、對嵌入式網(wǎng)絡(luò)的特殊要求

　　嵌入式網(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)用在環(huán)境比較惡劣的工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)設(shè)備內(nèi)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有可確定的實時性能，即極壞情況下的響應(yīng)時間是可確定的；另外在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)比較多，或者有些節(jié)點對實時響應(yīng)要求特別高時，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議還應(yīng)支持優(yōu)先級調(diào)度，以提高時間緊迫型任務(wù)的信息傳輸可確定性。

　　2. 可靠性：嵌入式網(wǎng)絡(luò)本身的可靠性直接影響設(shè)備的有效作業(yè)率、成品率和生產(chǎn)效率，要求網(wǎng)絡(luò)能動態(tài)增加/刪除節(jié)點；生產(chǎn)現(xiàn)場比較惡劣的電磁環(huán)境要求嵌入式網(wǎng)絡(luò)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(fù)能力；

　　3. 通信效率：嵌入式網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議盡量采用短幀結(jié)構(gòu)，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(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有靈活的介質(zhì)訪問協(xié)議，不但支持多種介質(zhì)（雙絞線、同軸電纜、光纜），而且支持混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（星型、環(huán)型、總線型），有時甚至要求同一個嵌入式網(wǎng)絡(luò)能同時使用多種介質(zhì)和多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｈ缭谠肼暛h(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?fù)?，而光纖則更適于環(huán)型或星型拓?fù)?，這就要求網(wǎng)絡(luò)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(shè)計與制造，這就要求其中的網(wǎng)絡(luò)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(guān)元器件商品化程度高，造價較低。

　　6. 開放性：嵌入式網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)管理的管控一體化；另一方面應(yīng)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須配置靈活、維護簡便。

　　通常，嵌入式網(wǎng)絡(luò)就覆蓋范圍而言屬于局域網(wǎng)。按照ISO/OSI的觀點，TCP/IP協(xié)議簇位于網(wǎng)絡(luò)層以上。顯然，TCP/IP協(xié)議簇已經(jīng)超出了嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的范疇。嵌入式網(wǎng)絡(luò)包括ISO/OSI七層模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層在具體實現(xiàn)上可劃分成兩個子層：介質(zhì)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(zhì)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(shè)計中網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議選擇的核心是介質(zhì)訪問協(xié)議的選擇。

三、 常見介質(zhì)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(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期的主機–終端式網(wǎng)絡(luò)中，如X.25和IBM的SNA網(wǎng)絡(luò)。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(jīng)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(wǎng)技術(shù)已非常成熟的今天，這類協(xié)議已很少應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(zhì)的權(quán)力。這類協(xié)議的缺點是；1）輪詢過程占用了寶貴的網(wǎng)絡(luò)帶寬，增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)；2）風(fēng)險完全集中在主節(jié)點上，為避免因主節(jié)點失效而導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，有時需設(shè)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(rèn)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)空閑并發(fā)送信息，則產(chǎn)生沖突。檢測到?jīng)_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(jié)束后重復(fù)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(yù)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(chǎn)生具有很大的隨機性，在最壞情況下的響應(yīng)延時不可確定，無法滿足嵌入式網(wǎng)絡(luò)最基本的實時性要求。

　　4、TDMA（時分多路訪問）

　　TDMA已大量應(yīng)用于移動通信領(lǐng)域（如GSM、DAMPS），但也可用于局域網(wǎng)。TDMA的特點是：每輪信息傳輸前，網(wǎng)絡(luò)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(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。TDMA的缺點是：1）每個從節(jié)點必須有一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)時間以確定時間片，因此從節(jié)點比較復(fù)雜，造價較高；2）TDMA的主流應(yīng)用領(lǐng)域依然是無線移動通信領(lǐng)域，用于嵌入式網(wǎng)絡(luò)的TDMA無論在相關(guān)軟硬件技術(shù)支持和市場認(rèn)同方面都非常欠缺。

　　5、令牌環(huán)

　　在令牌環(huán)網(wǎng)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(jié)構(gòu)。
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(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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?？煽啃员仨毟冻鲚^大的代價：1）為了避免因電纜斷裂和節(jié)點失效導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，常采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)（如FDDI）和失效節(jié)點自動旁路措施，導(dǎo)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(fù)雜性。

　　6、令牌總線

　　令牌總線的基本原理與令牌環(huán)網(wǎng)相似。但在令牌總線中，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。如同令牌環(huán)一樣，令牌總線具有非常高的網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓；網(wǎng)絡(luò)運行過程中可動態(tài)增加或關(guān)閉節(jié)點，因此節(jié)點失誤一般不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓（當(dāng)然在網(wǎng)絡(luò)啟動、增加 /刪除節(jié)點時會導(dǎo)致邏輯環(huán)重構(gòu)，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(jié)構(gòu)還非常適合于制造設(shè)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(yīng)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(jīng)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(zhì)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)的時間片內(nèi)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(jié)束所有節(jié)點才恢復(fù)推進時間片；當(dāng)所有時間片都失去作用時，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)；在另一個變種中，時間片數(shù)少于節(jié)點數(shù)，且根據(jù)沖突最少的原則隨機調(diào)整時間片的分配，根據(jù)所預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)流量動態(tài)地改變時間片數(shù)；如Echelon公司推出的廣泛應(yīng)用于智能大廈領(lǐng)域的 Lonwork標(biāo)準(zhǔn)。
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(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那闆r下仍然保持活動的啞信息。

四、結(jié)論

　　介質(zhì)訪問協(xié)議是嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選擇的核心。盡管沒有哪一種協(xié)議對各種應(yīng)用場合都是十全十美的，但通過對上述各種介質(zhì)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(wǎng)絡(luò)。但令牌環(huán)的具體實施比較復(fù)雜、成本較高，其應(yīng)用越來越少。讀者可針對具體應(yīng)用需求，選用令牌總線（如ARCnet）或CSMA/CA。