利用串口聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建雙層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

1、問(wèn)題的提出（引言）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，微電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并有多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)共同存在。雖然近年來(lái)，以TP/IP和ETHERNET為代表的成熟的開(kāi)放式聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在科學(xué)研究、信息處理等方面展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是單一的網(wǎng)絡(luò)連接方式，面對(duì)目前更多應(yīng)用領(lǐng)域聯(lián)網(wǎng)所要求的高帶寬速率、高可維護(hù)性、高可靠性仍顯力不從心，尤其在網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)控制管理等方面存在較多問(wèn)題。

由此，利用傳統(tǒng)的串口通信聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配合現(xiàn)有的C/S開(kāi)放聯(lián)網(wǎng)模式，低成本拓展構(gòu)建安全高效的雙層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，成為解決上述問(wèn)題的一種嘗試性方案。

2、雙層網(wǎng)絡(luò)的基本模式

所謂雙層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上是將“網(wǎng)絡(luò)控制信息”與“網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息”分離，在各個(gè)計(jì)算機(jī)結(jié)點(diǎn)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(shù)的高速網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而控制信息流則主要依托靈活的串行聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決（如“雙層網(wǎng)絡(luò)示意圖”所示）。

當(dāng)然，這種雙層網(wǎng)絡(luò)的模式還是區(qū)別于計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線與控制總線分離模式的。雙層網(wǎng)絡(luò)對(duì)于其網(wǎng)絡(luò)間傳遞的數(shù)據(jù)并不是絕對(duì)意義上得分類(lèi)傳送，而是在非失效狀態(tài)下的分類(lèi)傳送，即在單一網(wǎng)絡(luò)連接失效，或者某層網(wǎng)絡(luò)體系面臨癱瘓威脅時(shí)，雙層網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行機(jī)制將利用剩余的網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行備援式工作，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行混合傳遞，以保障網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的持續(xù)性。

應(yīng)該特別指出的是，雙層網(wǎng)絡(luò)是“并行”意義上的雙層網(wǎng)絡(luò)，并不是把以太設(shè)備與串行設(shè)備的簡(jiǎn)單連接。其中，控制信息和數(shù)據(jù)信息也不是絕對(duì)劃分的，控制信息更多是指用于管理和控制設(shè)備的信號(hào)，更多的保障通訊的控制信息仍和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)一起混合傳送。

雙層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)有如下特點(diǎn)：
　　·實(shí)現(xiàn)信息流分離
　　·網(wǎng)絡(luò)局部冗余
　　·屬于物理上的安全網(wǎng)絡(luò)
　　·多種聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并存

當(dāng)然，雙層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中的每一層都使用同一種聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)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(shè)成本和系統(tǒng)廣泛兼容方面將失去一些優(yōu)勢(shì)，因此不作為雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要推薦模式。

另一方面，不使用控制信息與數(shù)據(jù)信息分流技術(shù)，僅利用傳統(tǒng)的成熟的通信協(xié)議，配合雙層網(wǎng)絡(luò)的物理架構(gòu)，針對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)需求，在眾多領(lǐng)域已經(jīng)有較為廣泛的應(yīng)用前景。但這種應(yīng)用方式?jīng)]有深入地挖掘雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的傳送優(yōu)勢(shì)，尤其是在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的狀態(tài)下，遠(yuǎn)未達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行的最高效率。
　　
3、利用串口技術(shù)構(gòu)建控制層面的理論依據(jù)

利用串口通信聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建控制層，是雙層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)應(yīng)用的重要技術(shù)特點(diǎn)，也是雙層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)展現(xiàn)其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的保障。

1）串口聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益成熟

從RS-232到RS-422、再到RS-485，串行通信標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用的缺陷。相反，串口聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)解決了多點(diǎn)雙向的傳輸問(wèn)題，已經(jīng)成為一種極為經(jīng)濟(jì)，并具有相當(dāng)高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共摸范圍的通信技術(shù)。

由于RS-485串行總線與持長(zhǎng)距離、高傳輸率和較強(qiáng)的抗干擾能力，所以應(yīng)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(diào)整傳輸參數(shù)，尤其是利用對(duì)傳輸波特率的調(diào)整，可以在傳輸距離和傳輸速率之間找到平衡點(diǎn)，以達(dá)到更高的應(yīng)用要求。

2）低成本高兼容性擴(kuò)展

采用串口聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建雙層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中的控制層面，不需要對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模改造，即可實(shí)現(xiàn)立即聯(lián)網(wǎng)，而針對(duì)其它多種串口設(shè)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(luò)上，它們之間的轉(zhuǎn)換也十分方便。特別對(duì)于那些實(shí)時(shí)系統(tǒng)，不需要中斷運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)。

3）現(xiàn)有串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的支持

使用串口技術(shù)建立雙層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，是十分方便快捷的，因?yàn)橐呀?jīng)有許多成熟的串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為之提供支持。較為成熟的產(chǎn)品有嵌入式串口網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、串口電源開(kāi)關(guān)管理服務(wù)設(shè)備、串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)共享器以及路由器設(shè)備。也就是說(shuō)對(duì)于串口聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備而言，是相當(dāng)成熟的。

4、雙層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的運(yùn)行失效保護(hù)。

失效保護(hù)是雙層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的重要運(yùn)行機(jī)制，主要解決網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行故障保護(hù)問(wèn)題。眾所周知，在許多應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)網(wǎng)信平穩(wěn)運(yùn)行的要求非常高。對(duì)于單一鏈路網(wǎng)絡(luò)，一旦受損，即使能迅速啟動(dòng)備援系統(tǒng)，也不可能實(shí)現(xiàn)完全意義上的透明過(guò)度。

而雙層網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)就很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。一旦基于TCP/IP的鏈路受損，甚于串行接口的網(wǎng)絡(luò)即可接替其承擔(dān)信息傳遞任務(wù)。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(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在失效保護(hù)狀態(tài)時(shí)，其傳輸能力將明顯下降，此時(shí)可對(duì)受損網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)，以盡快使用網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。

5、目前存在諸多應(yīng)用問(wèn)題

1）信息流分離與合并

構(gòu)建雙層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，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(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)中兩種數(shù)據(jù)是分離的，而非正常運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)中，兩種數(shù)據(jù)是合并的。由此，需要對(duì)通信協(xié)議作一定擴(kuò)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(shè)置

對(duì)于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的正常，即要求網(wǎng)絡(luò)中的兩層相互檢測(cè)。而對(duì)于其實(shí)現(xiàn)，可以有軟件和硬件兩種方式。其中軟件監(jiān)測(cè)主要針對(duì)端口狀態(tài)進(jìn)行，而硬件監(jiān)測(cè)主要通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)流的檢查進(jìn)行。至于網(wǎng)絡(luò)切換當(dāng)然要依據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)論實(shí)施。

6、相關(guān)技術(shù)的展望

雙層網(wǎng)絡(luò)，主要是針對(duì)一些網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的特殊要求提出的解決方案。由于其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的冗余性，雖然在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本，但其對(duì)于網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的提高是顯而易見(jiàn)的，因此在許多領(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景，特別是在產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域

我們主要討論了建立雙層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的嘗試性方案。雙層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用還有待于通訊協(xié)議和相關(guān)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的完善，而目前實(shí)際應(yīng)用中的多種聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更多的是一種網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)上的相互連接。這里討論的雙層網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，更多的是基于信息流的研究，這對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)安全將更為有利。尤其需要指出的是，更深層次上的對(duì)數(shù)據(jù)流與控制流的研究，將對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母屡c發(fā)展有很大的促進(jìn)。