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

1、問(wèn)題的提出（引言）

隨著(zhù)計算機技術(shù)，微電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，出現了多種聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并有多種網(wǎng)絡(luò )架構共同存在。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出其獨特的優(yōu)勢，但是單一的網(wǎng)絡(luò )連接方式，面對目前更多應用領(lǐng)域聯(lián)網(wǎng)所要求的高帶寬速率、高可維護性、高可靠性仍顯力不從心，尤其在網(wǎng)絡(luò )失效保護、網(wǎng)絡(luò )控制管理等方面存在較多問(wèn)題。

由此，利用傳統的串口通信聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配合現有的C/S開(kāi)放聯(lián)網(wǎng)模式，低成本拓展構建安全高效的雙層網(wǎng)絡(luò )平臺，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 )數據信息”分離，在各個(gè)計算機結點(diǎn)之間形成控制信息流與數據信息流分離的雙層通訊通道。其中，數據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，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）。

當然，這種雙層網(wǎng)絡(luò )的模式還是區別于計算機內部數據總線(xiàn)與控制總線(xiàn)分離模式的。雙層網(wǎng)絡(luò )對于其網(wǎng)絡(luò )間傳遞的數據并不是絕對意義上得分類(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 )的安全運行機制將利用剩余的網(wǎng)絡(luò )鏈路進(jìn)行備援式工作，對數據進(jìn)行混合傳遞，以保障網(wǎng)絡(luò )應用的持續性。

應該特別指出的是，雙層網(wǎng)絡(luò )是“并行”意義上的雙層網(wǎng)絡(luò )，并不是把以太設備與串行設備的簡(jiǎn)單連接。其中，控制信息和數據信息也不是絕對劃分的，控制信息更多是指用于管理和控制設備的信號，更多的保障通訊的控制信息仍和網(wǎng)絡(luò )數據一起混合傳送。

雙層網(wǎng)絡(luò )平臺有如下特點(diǎn)：
　　·實(shí)現信息流分離
　　·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

當然，雙層網(wǎng)絡(luò )平臺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，其效益將體現在易用性上，但其在建設成本和系統廣泛兼容方面將失去一些優(yōu)勢，因此不作為雙層網(wǎng)絡(luò )架構的主要推薦模式。

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

利用串口通信聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構建控制層，是雙層網(wǎng)絡(luò )平臺應用的重要技術(shù)特點(diǎn)，也是雙層網(wǎng)絡(luò )平臺展現其應用優(yōu)勢的保障。

1）串口聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益成熟

從RS-232到RS-422、再到RS-485，串行通信標準在不斷得向前發(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，并具有相當高噪聲抑制、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(xiàn)與持長(cháng)距離、高傳輸率和較強的抗干擾能力，所以應用于控制系統中十分可靠穩定的。

根據系統工作環(huán)境要求和系統可靠性要求，可以靈活調整傳輸參數，尤其是利用對傳輸波特率的調整，可以在傳輸距離和傳輸速率之間找到平衡點(diǎn)，以達到更高的應用要求。

2）低成本高兼容性擴展

采用串口聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構建雙層網(wǎng)絡(luò )平臺中的控制層面，不需要對現有計算機進(jìn)行大規模改造，即可實(shí)現立即聯(lián)網(wǎng)，而針對其它多種串口設備的立即聯(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，它們之間的轉換也十分方便。特別對于那些實(shí)時(shí)系統，不需要中斷運行，也可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )升級。

3）現有串口聯(lián)網(wǎng)設備的支持

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

4、雙層網(wǎng)絡(luò )平臺的運行失效保護。

失效保護是雙層網(wǎng)絡(luò )平臺的重要運行機制，主要解決網(wǎng)絡(luò )運行故障保護問(wèn)題。眾所周知，在許多應用領(lǐng)域內，對網(wǎng)信平穩運行的要求非常高。對于單一鏈路網(wǎng)絡(luò )，一旦受損，即使能迅速啟動(dòng)備援系統，也不可能實(shí)現完全意義上的透明過(guò)度。

而雙層網(wǎng)絡(luò )的架構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。當然，網(wǎng)絡(luò )運行在失效保護狀態(tài)時(shí)，其傳輸能力將明顯下降，此時(shí)可對受損網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行維護，以盡快使用網(wǎng)絡(luò )正常運行。

5、目前存在諸多應用問(wèn)題

1）信息流分離與合并

構建雙層網(wǎng)絡(luò )平臺，尤其重要的是數據信息與控制信息的分離與合并。正常運行的網(wǎng)絡(luò )中兩種數據是分離的，而非正常運行的網(wǎng)絡(luò )中，兩種數據是合并的。由此，需要對通信協(xié)議作一定擴展性研究，要求在失效狀態(tài)下啟用特定的協(xié)議作為通信的規則保障。

2）監控的設置

對于監測網(wǎng)絡(luò )的正常，即要求網(wǎng)絡(luò )中的兩層相互檢測。而對于其實(shí)現，可以有軟件和硬件兩種方式。其中軟件監測主要針對端口狀態(tài)進(jìn)行，而硬件監測主要通過(guò)對數據流的檢查進(jìn)行。至于網(wǎng)絡(luò )切換當然要依據監測的結論實(shí)施。

6、相關(guān)技術(shù)的展望

雙層網(wǎng)絡(luò )，主要是針對一些網(wǎng)絡(luò )運行的特殊要求提出的解決方案。由于其網(wǎng)絡(luò )架構的冗余性，雖然在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò )運行成本，但其對于網(wǎng)絡(luò )穩定性的提高是顯而易見(jiàn)的，因此在許多領(lǐng)域都有著(zhù)非常廣闊的應用前景，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 )平臺的嘗試性方案。雙層網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際應用還有待于通訊協(xié)議和相關(guān)聯(lián)網(wǎng)設備的完善，而目前實(shí)際應用中的多種聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )架構更多的是一種網(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，更深層次上的對數據流與控制流的研究，將對網(wǎng)絡(luò )拓撲的更新與發(fā)展有很大的促進(jìn)。