局域网技术比较及其在实时控制中的应用
发布时间：2015-07-06 10:47
【摘要】：分析比较了传统的局域网技术以太网和令牌网的特性和适用范围，说明对于有实时处理要求的信息管理系统，可采用两种技术的分层次的综合互连，以兼顾实时控制和办公管理的不同需求。
【关键词】：信道竞争技术；令牌传送协议；实时控制；服务质量(qos)
1．以太网与令牌网的特性分析与适用范围
传统的局域网技术标准主要有以太网（ieee 802.3）、令牌总线网(ieee 802.4)及令牌环网（ieee 802.5）。以太网（ieee802.3）采用csma/cd协议,它使用的是信道竞争技术，在轻负载时延迟小，重负载时因冲突发生频繁，而使延迟加大，甚至可能发送失败，即重负载时传送效率很低。令牌总线网（ieee802.4） 和令牌环网（ieee802.5）虽然拓扑结构不同，但都采用令牌传送协议，持有令牌的站点可占用信道来传输数据，令牌按顺序传递，该协议是无冲突协议，在轻负载是延迟较大，需要等待令牌的到来，而重负载时效率高，近乎100％。
以太网因其协议简单、使用方便而在信息管理方面得到广泛应用，成为局域网领域的流行标准。它在日常生活中用的最多，发展最快（10m/100m/1000m/10g）。但以太网本身的竞争协议造成的不确定性（对各工作站，不能保证在给定时间内获得发送权），使它不适用于实时处理领域，如实时生产调度、实时控制和实时信息处理（包括多媒体信息系统）等。它不能保证服务质量(qos)，这是ieee82.3/以太网最大的缺点，也是它们常受到挑战的原因。
实际上，以太网也在不断的改进技术，如全双工、交换式以太网都是为了克服csma/cd这个竞争协议的限制,提高系统的吞吐率和效率；还在原有的标准中增加了标准，提供了优先级的区分cos(class of service)的功能，在网络拥挤时，以太网将优先转发高优先级的数据包。但这些局部改进仍不足以保证它的qos。最新推出的10g以太网放弃了csma/cd协议，应用范围从局域网扩展到城域网和广域网，但还是继承了以太网一贯的弱qos特点。
ieee802.4 和ieee802.5都能保证工作站在给定时间内获得发送权，而且还分别设置了数据优先级和工作站的优先级因此，因此可实现有保障的可分级的数据传送服务，它们能够保证实时性和可靠性。现在自动化领域积极采用的现场总线技术，也使用了类似的令牌传送协议，以保证信息传输的实时性强，可靠性高。
因此，ieee802.3/以太网常用于办公自动化，以及mis系统等应用中。而ieee802.4 和ieee802.5可以用于实时控制。对于有实时处理要求的信息管理系统，如企业的生产调度和管理系统、网上定购远程制作的实时管理系统等。可在网络体系结构上进行分级：底层（控制层）采用实时性能较好的协议技术，如令牌协议技术、现场总线技术；上层（信息层）采用信息管理的标准协议以太网技术，以便于接入互连网。
2．实例说明-用于工厂自动化和办公自动化的局域网
下面先简单介绍应用于工厂自动化中的map/top网。map/top网用于工厂自动化和办公室自动化局域网，map是manufacturing automation protocal的缩写，top是technical and office protocal的缩写。map是美国通用汽车公司gm提出的一种用于生产自动化的局域网协议，而top是由美国波音公司开发的一种用于办公室自动化的局域网协议。产生map和top的背景十分相似。在通用汽车公司有40，000个可编程序的设备，可是这些设备来自很多不同的厂家，其中只有15%可互相通信，几乎有50%的自动化投资用来解决这种设备间无法通信的不兼容问题，于是从1980年开始gm开始着手开发指定一种使用于工厂的局域网协议标准，并于1982推出第一个map版本map1.0，与此同时，波音公司也遇到类似的问题，1980年，波音公司有45台主机，400台小型机以及近20.000台工作站或终端，这些设备来自85个不同厂商，1982年波音公司开始着手开发制定用于办公自动化的局域网协议，此后，分别建立了map拥护协会和top拥护协会，并于1986年合并成map/top协议中相当一部分是和iso/osi的协议标准兼容，它也是七层结构。
由于集成制造系统各部分对通信要求的差别很大，采用单一的isp/osi模型是不实际的，应该根据不同的要求选择不同的网络，并且通过网络互连构成一个综合的通信网络，以达到优化的结果。例如，在实时控制情况下，网络通信的响应时间在毫秒级，但是每次传送的数据量很小，而在工厂办公室环境下，计算机节点之间往往有大量数据需要传送，传送数据的时间达几秒，甚至几分钟，因此建立计算机之间连接的时间相对来说就不十分重要了。
在top lan中，由于是生产控制一起挂连，所以要求实时性能高，其选用的是top协议，而top协议在介质访问控制mac协议选用的是802.4的token buss。在主干网map lan中，挂接的是质量控制与工件运输，其要求传输数据量大，实时要求不高，因此选用了map协议，map协议中又是选用以太网中的csma/cd协议。由于各部分lan对通信要求不一样，所以选用了不同的协议。各主干通过路由器和网桥等将各协议有机的结合起来，以达到优化的结果。通过分级结构，实现以太网和令牌网的集成，既兼顾了实时性又便于信息管理。
3．结束语
本文对局域网标准常用的以太网(ieee802.3)和令牌网(ieee802.4或 ieee802.5)的特性进行了比较分析。以太网因其协议简单、使用方便而在信息管理方面得到广泛应用，在局域网领域发展最快，但它因为协议本身的原因，不能保证服务质量qos(主要是实时性和可靠性不能保证)，使它不适合实时处理领域。令牌网虽然现在使用较少，但它的协议技术能保证实时性和可靠性，值得我们在实时控制和实时信息处理等领域借鉴和运用它的相关技术。而且，通过实例说明说明，对于有实时处理要求的信息管理系统，一个好的方法是把两种协议技术分层次实现并综合互联，以同时满足底层的实时控制和上层的信息管理的不同需求。
参考文献：
[1] andrew s. tanenbaum ,计算机网络，第4版，北京：清华大学出版社
[2] 曾家智、李毅超、韩蒙，计算机网络，第二版，成都：电子科大出版社
[3] 谢剑英、贾青，微型计算机控制技术，第三版，北京：国防工业出版社
[4] 胡道元，计算机局域网，第二版，北京：清华大学出版社
【关键词】：信道竞争技术；令牌传送协议；实时控制；服务质量(qos)
1．以太网与令牌网的特性分析与适用范围
传统的局域网技术标准主要有以太网（ieee 802.3）、令牌总线网(ieee 802.4)及令牌环网（ieee 802.5）。以太网（ieee802.3）采用csma/cd协议,它使用的是信道竞争技术，在轻负载时延迟小，重负载时因冲突发生频繁，而使延迟加大，甚至可能发送失败，即重负载时传送效率很低。令牌总线网（ieee802.4） 和令牌环网（ieee802.5）虽然拓扑结构不同，但都采用令牌传送协议，持有令牌的站点可占用信道来传输数据，令牌按顺序传递，该协议是无冲突协议，在轻负载是延迟较大，需要等待令牌的到来，而重负载时效率高，近乎100％。
以太网因其协议简单、使用方便而在信息管理方面得到广泛应用，成为局域网领域的流行标准。它在日常生活中用的最多，发展最快（10m/100m/1000m/10g）。但以太网本身的竞争协议造成的不确定性（对各工作站，不能保证在给定时间内获得发送权），使它不适用于实时处理领域，如实时生产调度、实时控制和实时信息处理（包括多媒体信息系统）等。它不能保证服务质量(qos)，这是ieee82.3/以太网最大的缺点，也是它们常受到挑战的原因。
实际上，以太网也在不断的改进技术，如全双工、交换式以太网都是为了克服csma/cd这个竞争协议的限制,提高系统的吞吐率和效率；还在原有的标准中增加了标准，提供了优先级的区分cos(class of service)的功能，在网络拥挤时，以太网将优先转发高优先级的数据包。但这些局部改进仍不足以保证它的qos。最新推出的10g以太网放弃了csma/cd协议，应用范围从局域网扩展到城域网和广域网，但还是继承了以太网一贯的弱qos特点。
ieee802.4 和ieee802.5都能保证工作站在给定时间内获得发送权，而且还分别设置了数据优先级和工作站的优先级因此，因此可实现有保障的可分级的数据传送服务，它们能够保证实时性和可靠性。现在自动化领域积极采用的现场总线技术，也使用了类似的令牌传送协议，以保证信息传输的实时性强，可靠性高。
因此，ieee802.3/以太网常用于办公自动化，以及mis系统等应用中。而ieee802.4 和ieee802.5可以用于实时控制。对于有实时处理要求的信息管理系统，如企业的生产调度和管理系统、网上定购远程制作的实时管理系统等。可在网络体系结构上进行分级：底层（控制层）采用实时性能较好的协议技术，如令牌协议技术、现场总线技术；上层（信息层）采用信息管理的标准协议以太网技术，以便于接入互连网。
2．实例说明-用于工厂自动化和办公自动化的局域网
下面先简单介绍应用于工厂自动化中的map/top网。map/top网用于工厂自动化和办公室自动化局域网，map是manufacturing automation protocal的缩写，top是technical and office protocal的缩写。map是美国通用汽车公司gm提出的一种用于生产自动化的局域网协议，而top是由美国波音公司开发的一种用于办公室自动化的局域网协议。产生map和top的背景十分相似。在通用汽车公司有40，000个可编程序的设备，可是这些设备来自很多不同的厂家，其中只有15%可互相通信，几乎有50%的自动化投资用来解决这种设备间无法通信的不兼容问题，于是从1980年开始gm开始着手开发指定一种使用于工厂的局域网协议标准，并于1982推出第一个map版本map1.0，与此同时，波音公司也遇到类似的问题，1980年，波音公司有45台主机，400台小型机以及近20.000台工作站或终端，这些设备来自85个不同厂商，1982年波音公司开始着手开发制定用于办公自动化的局域网协议，此后，分别建立了map拥护协会和top拥护协会，并于1986年合并成map/top协议中相当一部分是和iso/osi的协议标准兼容，它也是七层结构。
由于集成制造系统各部分对通信要求的差别很大，采用单一的isp/osi模型是不实际的，应该根据不同的要求选择不同的网络，并且通过网络互连构成一个综合的通信网络，以达到优化的结果。例如，在实时控制情况下，网络通信的响应时间在毫秒级，但是每次传送的数据量很小，而在工厂办公室环境下，计算机节点之间往往有大量数据需要传送，传送数据的时间达几秒，甚至几分钟，因此建立计算机之间连接的时间相对来说就不十分重要了。
在top lan中，由于是生产控制一起挂连，所以要求实时性能高，其选用的是top协议，而top协议在介质访问控制mac协议选用的是802.4的token buss。在主干网map lan中，挂接的是质量控制与工件运输，其要求传输数据量大，实时要求不高，因此选用了map协议，map协议中又是选用以太网中的csma/cd协议。由于各部分lan对通信要求不一样，所以选用了不同的协议。各主干通过路由器和网桥等将各协议有机的结合起来，以达到优化的结果。通过分级结构，实现以太网和令牌网的集成，既兼顾了实时性又便于信息管理。
3．结束语
本文对局域网标准常用的以太网(ieee802.3)和令牌网(ieee802.4或 ieee802.5)的特性进行了比较分析。以太网因其协议简单、使用方便而在信息管理方面得到广泛应用，在局域网领域发展最快，但它因为协议本身的原因，不能保证服务质量qos(主要是实时性和可靠性不能保证)，使它不适合实时处理领域。令牌网虽然现在使用较少，但它的协议技术能保证实时性和可靠性，值得我们在实时控制和实时信息处理等领域借鉴和运用它的相关技术。而且，通过实例说明说明，对于有实时处理要求的信息管理系统，一个好的方法是把两种协议技术分层次实现并综合互联，以同时满足底层的实时控制和上层的信息管理的不同需求。
参考文献：
[1] andrew s. tanenbaum ,计算机网络，第4版，北京：清华大学出版社
[2] 曾家智、李毅超、韩蒙，计算机网络，第二版，成都：电子科大出版社
[3] 谢剑英、贾青，微型计算机控制技术，第三版，北京：国防工业出版社
[4] 胡道元，计算机局域网，第二版，北京：清华大学出版社