LON和LonWorks技术.pptx
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1、第八章LON 和和 LonWorks第八章 LON和LonWorkslLON(Local Operating Networks)是Echelon公司开发的现场总线,并开发了配套的LonWorks技术。l开放的总线平台技术,该技术给各种控制网络应用提供端到端的解决方案。lLON和LonWorks技术可以应用于工业控制、交通控制、楼宇自动化等领域。主要内容l第一节 总体概述 l第二节 LonTalk协议l第三节 神经元芯片l第四节 Neuron C编程第一节 总体概述一、LonWorks技术特点1、支持OSI七层模型的LonTalk通信协议lLonTalk通信协议支持OSIRM的所有七层模型,是直
2、接面向对象的网络协议。lLonTalk协议通过神经元芯片实现,不仅提供介质存取、事务确认和点对点通信服务;还提供一些如认证、优先级传输、广播组播消息等高级服务。2、神经元芯片l神经元芯片是LonWorks技术的核心,它不仅是LON总线的通信处理器,而且是具有I/O和控制的通用处理器。神经元芯片已提供了LonTalk协议的第1-6层,开发者只需用Neuron C语言开发。l神经元芯片包括3个8位CPU、RAM、ROM、通信接口和I/O接口。ROM中存储操作系统、LonTalk协议和I/O函数库;RAM用于存储从网络上下载的配置数据和应用程序。3、基于LNS(LonWorks Network Op
3、erating System)的软件工具lLonWorks技术有多种基于LNS的工具,用于LON网络的维护和组态。lLonMaker是图形化工具,用于图形绘制、系统调试和网络的维修保养;l节点开发工具NodeBuilder;l节点和网络安装工具LonBilder;l网络管理工具LonManage以及客户服务器网络构架LNS技术。4、开放性lLonWorks技术提供了开放系统设计平台,使不同公司生产的同类LonWorks产品可以互操互换。LonWorks产品的互操作标准由LonMark协会制定。二.LON总线系统的开发lLON总线系统的开发有两种途径:a.基于开发工具LonBuilder或Nod
4、eBuilder,使用Neuron C语言编程,即针对具体控制系统的要求编写应用代码,然后经过编译与通信协议代码连接生成总的目标代码,一起烧录到节点的存储器中;b.基于图形方式的软件开发工具Visual Control,通过组态构成控制系统,自动编译生成总的目标代码,直接下载到节点的Flash ROM中。对复杂系统,需编制自定义模块。第二节 LonTalk协议l一、LonTalk协议简介lLonTalk协议是LON总线的专用协议,是LonWorks技术的核心。它符合1SO/OSI参考模型的七层体系结构,即含有物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。lLonTalk协议提供一系列
5、通信服务,可使一台设备的应用程序可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其他设备功能的情况下发送和接收网络上其他设备的报文。还提供端到端的报文确认、报文认证、打包业务和优先传送服务,支持网络管理服务,允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。l采用神经元芯片的网络节点含有LonTalk协议固件,使网络节点可以可靠地通信。采用分级编制方式,即域、子网和节点地址。支持多种通信介质,如双绞线、电力线、同轴电缆、无线电和红外线、光纤传输介质等。支持多点通信,互操作性强,网络上任一节点可对其他节点进行操作,传输控制信息。发生报文是很短的数据(通常几个到几十个字节),通信带宽不高(几kbit/s到2Mbit/s)
6、,响应时间快,通信安全可靠。网络节点是低成本、低维护的单片机。1.LonTalk协议特点2.LonTalk的七层协议l物理层:定义通信信道上位流的传输,它确保源设备发送的位流准确地被目的设备接收。l数据链路层:定义介质访问方法和单一信道的数据编码。l网络层:定义设备名称和地址,源设备的报文如何选择路由到达一台或多台目的设备,以及当源设备和目的设备不在同一信道上时,如何确定报文路由。l传输层:确保可靠的报文传输。l会话层:对较低层数据交换加以控制。l表示层:定义报文数据的编码。l应用层:定义一种低层交换数据的公共语义解释,使不同应用程序中的网络变量改变时,均能自动将更新的网络变量值下传(发送)或
7、上传(接收)。应用层还定义了一个文件传输协议,用来传输应用程序间的传输流。二、LonTalk各层协议及功能 1.物理层lLonTalk协议支持一种或多种不同传输介质构成的网络l传输介质:双绞线(twisted-pair)、电力线(powerline)、无线射频(radio-frequency)、红外线(infrared)、同轴电缆(coaxial cable)和光纤(fiber),甚至是用户自定义的通信介质。l不同介质的传输距离、传输速率、网络拓扑结构以及所使用的收发器均不相同,为支持各种传输介质,物理层协议支持多种通信协议。l收发器是神经元芯片与信道的接口,LonTalk协议支持在通信介质上
8、的硬件碰撞检测,可自动地将正在发生碰撞的报文取消,重新再发。(1)MAC子层l介质访问控制(MAC,Media Access Control)层是数据链路层的一部分。为使数据帧传输独立于所采用的物理介质和介质访问的控制方法,将数据链路层分为两个子层:逻辑链路控制(LLC,Logical Link Control)和介质访问控制(MAC)。lLLC与介质无关,MAC则依赖于介质。MAC协议是确定设备安全地传送数据包,减少冲突的控制算法。它使用OSI标准接口和链路层的其他部分进行通信,如图8-1所示。2.链路层lLonTalk的MAC协议是CSMA(载波信号多路侦听)协议的一种改进:带预测的P-坚
9、持CSMA(Predictive P-presistent CSMA)。其MPDU如图8-2所示。l图8-3为带预测的P-坚持CSMA概念示意图。当一个节点信息需要发送而试图占用通道时,首先在Beta 1周期检测通道有没有通信发送,以确定网络空闲。若空闲,节点产生一个随机等待T,T为0W个时间片Beta 2中的一个,当延时结束时,网络仍为空闲,节点发送报文。l在MAC层中,为提高紧急事件的响应时间,提供了一个可选择的优先级的机制。如图8-4所示为优先级带预测的P坚持CSMA概念示意图。lLonWorks的MAC子层的优点:l支持多介质的通信,支持低速率的网络,可以在重负载的情况下保持网络性能,
10、保证在过载情况下不会因为冲突而降低吞吐量。当使用支持硬件冲突检测的传输介质(如双绞线)时,一旦收发器检测到冲突,LonTalk协议就可以有选择地取消报文的发送,这使节点可以马上重新发送并使冲突不再重发,有效地避免了碰撞。(2)链路层(逻辑链路控制)l链路层确保链路层数据单元(Link Protocol Data Unit,LPDU)的数据在子网内顺序无响应传输。它提供错误检测,但不提供错误恢复,当一帧数据CRC效验错,该帧被丢掉。l在直接互连模式下,物理层和链路层接口的编码是曼侧斯特编码。在专用模式下根据不同的电气接口采用不同的编码方案。CRC效验码加在网络层数据单元(NPDU,Network
11、 Protocol Data Unit)帧的最后。l在网络层,LonTalk协议提供给用户一个简单的通信接口,定义了如何接收、发送、响应等,在网络管理上有网络地址分配、出错处理、网络认证、流量控制、路由器机制。(1)LonTalk协议的网络地址结构 lLonTalk地址唯一地确定一个LonTalk数据包的源节点或目标节点,路由器则利用这些地址在信道之间选择数据包的传输路径。为了简化路由选择,LonTalk协议定义了分级的网络地址形式:域(Domain)、子网(Subnet)、节点(Node)地址、组地址。3.网络层1)域(domain)地址l域是一个信道或多个信道上的节点的逻辑集合。一个域就是
12、一个实际意义上的网络,通信只能在同一域中配置的节点之间进行。l多个域可以占用同一个信道,所以,域地址可以用来隔离不同网络上的节点。域的结构可以保证在不同的域中通信是彼此独立的。l域标识符是唯一的。2)子网(Subnet)地址l一个子网是在同一域中节点的逻辑集合,是一个或多个通道的逻辑分组。一个子网最多可有127个节点,一个域最多可有255个子网。一种子网层的智能路由器产品可以实现子网间的数据交换。子网中的所有节点必须在同一信道上,如果一个节点属于两个域,该节点必须属于每个域中的一个子网。3)节点(Node)地址l节点地址是节点被赋予的所属子网内的唯一的节点标识码。节点的标识码为7位,所以每个子
13、网最多可以有127个节点。一个域中最多可以有32385个节点(255127)。任一节点可以分属一个或两个域,容许一个节点作为两个域之间的网关(gateway),也容许一个节点将采集来的数据分别发向两个不同的域。4)组(Group)地址l组是一个域内节点的逻辑集合。与子网不同,组不需要考虑节点的物理位置。组可以包括路由器,一个组可在一个域中跨越几个子网,或几个通道。每一个组对于需应答服务的节点最多可包含64个,而对无应答服务的节点个数不限,一个节点最多可以属于15个组,一个域最多可以有256个组。组地址的长度为1个字节。分组结构可以使一个报文同时为多个节点所接收。5)芯片地址(Neuron ID
14、)l每一个神经元芯片有一个独一无二的48位ID地址,这个ID地址是在神经元芯片出厂时由厂方规定的,这个ID码是唯一的。一般只在网络安装和配置时使用,可以作为产品的序列号。节点也可以用Neuron ID寻址。(2)寻址格式l一个通道是指在物理上能独立发送报文(不需要转发)的一段介质。LonTalk规定一个通道至多有32385个节点。通道并不影响网络的地址结构,域、子网和分组都可以跨越多个通道,一个网络可以由一个或多个通道组成。通道之间是通过桥接器(bridge)来连接的。这样做不仅可以实现多介质在同一网络上的连接,而且可以使一个通道的网络信道不致过于拥挤。l尽管Neuron ID也可以作为地址,
15、但它不能作寻址的唯一方式,这是因为该寻址方式只支持一对一的传输,使用其作为地址将需要过于庞大的节点路由表以优化网络流量。l节点有五种寻址方式。寻址格式确定了地址格式的字节数。lLonTalk协议的核心部分是传输层和会话层。一个传输控制子层管理着报文执行的顺序、报文的二次检测。传输层是无连接的,它提供1对1节点、1对多节点的可靠传输。信息认证(authentication)也是在这一层实现的。l会话层主要提供了请求/响应的机制,它通过节点的连接,来进行远程数据服务(remote servers),因此使用该机制可以遥控实现远端节点的过程建立。LonTalk协议的网络功能虽然是在应用层来完成的,但
16、实际上也是由提供会话层的请求/应答机制来完成的。lLonTalk协议提供四种类型的报文服务:应答方式(acknowledge)、请求/响应方式(request/response)、非应答重发方式(unacknowledged repeated)、非应答方式(unacknowledged),这些报文服务除请求/响应是在会话层实现外,其他三种都在传输层实现。4.LonTalk协议的传输层和会话层应答方式(acknowledge),或者是端对端(End to End)的应答服务,这是最可靠的服务方式。当一个节点发送报文到另一个节点或一个分组,每一个接收到报文的节点都分别向发送方应答,如果发送方在应答
17、时间内没有全部收到应答,发送方将重新发送该报文,重发次数和应答时间都是可选的。报文应答服务是由神经元芯片的网络处理器完成的,不必由应用程序来干预。报文传输号用于跟踪报文和应答信号,确保节点不会收到重复的报文。请求/响应方式(request/response)与应答方式有相同的可靠性,当一个节点发送报文到另一个节点或一个分组,每一个接收到报文的节点都分别向发送方响应,如果发送方在相应时间内没有全部收到响应,发送方将重新发送该报文,重发次数和响应时间都是可选的。报文相同应服务可以包含数据,是由应用处理器完成的,适合远程过程调用和客户服务器方式的应用。非应答重发方式(unacknowledged r
18、epeated)是一种比较可靠的方式,当一个节点发送报文到另一个节点或一个分组时,不需要每一个接收到报文的节点向发送方应答或响应,而采用重复多次发送同一报文,使报文尽量可靠地被接收方收到。这种方式适合于节点较多的分组广播发送,从而避免因节点响应或应答而使网络过载。非应答方式(unacknowledged)是最不可靠的一种方式,当一个节点发送报文到另一个节点或一个分组时,不需要每一个接收到报文的节点向发送方应答或响应,也不必重复多次发送同一报文,只发一次即可。这种方式适合对可靠性要求不高,对报文丢失不敏感,但需要速度较高、报文长度较长的应用场合。lLonTalk协议采用面向数据的应用协议。在这种
19、方式下,节点间以标准工程单位或其它预定义的单位交换诸如温度、压力、状态和文字串等应用数据,而命令语句封装在接收节点的应用程序中且不是将命令在网上传送。以这种方式,同一工程量可送到多个节点,然而每个节点对该数据有不同的应用程序。lLonTalk协议的表示层和应用层提供五类服务:l网络变量的服务l显示报文的服务l网络管理的服务l网络跟踪的服务l外来帧传输的服务5.LonTalk协议的表示层和应用层(1)网络变量的服务 网络变量是LonTalk协议中表示层的数据项,网络变量可以是单个的数据项(Neuron C变量),也可以是一个数据结构或数组,其最大长度可达31个字节。网络变量用关键字Network
20、在应用程序中定义,每一网络变量都有其数据类型。对于基于神经元芯片的节点来说,当定义为输出的网络变量改变时,能自动地将网络变量的值变成应用层协议数据单元(APDU)下传并发送,使所有把该变量定义为输入的节点收到该网络变量的改变。当收到信息时,能根据上传的APDU判断是否是网络变量,以及是哪一个输入网络变量并激活相应的处理进程。(2)显示报文的服务 将报文的目的地址、报文服务方式、数据长度和数据组成APDU下传并发送,将发送结果上传并激活相应的发送结果处理进程。当收到信息时,能根据上传APDU判断是否显示报文,并根据报文代码激活相应的处理进程。(3)网络管理的服务 一个LonWorks网络是否需要
21、一个网络管理节点,取决于实际应用的需求。一个网络管理节点具有以下功能:分配所有节点的地址单元(包括域号、子网号、节点号以及所属的组名和组员号,值得注意的是Neuron ID是不能分配的),设置配置路由器的配置表。(4)网络跟踪的服务 网络跟踪提供对节点的查询和测试。查询节点的工作状态以及一些网络的通信的错误统计,包括通信CRC效验错、通信超时等;发送一些测试命令来对节点进行测试。这些信息被网络管理初始化,测试网络上所有的操作,记录错误信息和错误点。(5)外来帧传输的服务 该服务主要针对网关(Gateway),将LON总线外其他的网络信息转换成符合LonTalk协议的报文传输,或反之。三、Lon
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