（检测技术与自动化装置专业论文）高速以太网（hse）现场总线的网络管理设计.pdf

他龃盟二型塑竖j 摘要 ( 高速以太网h s e 现场总线把商用以太刚，j i 入过程控制领域，为过程控制提 供了一个低成本，高速、宽带的网络。h s e 的目的不仅是把以太网应用于过程 控制，同时为企业的信息集成、建立性能优良的企业网提供了基础。 h s e 是由现场总线基金会组织( f i e l d b u sf u n d a t i o n ) 制定的，它的底层引用 了i e e e8 0 2 3 u 和i s o i e c8 8 0 2 - 3 的部分规范。h s e 在现场提供了高带宽，这 使得现场网络快速传送大量文件和高速输入输出成为可能。h s e 技术和h 1 技 术的 步、 以及各个模块的相互关系。深入讨论了h s e 通信栈的工作机理和工作过程。设计 实现了h s e 通信栈中网络管理代理( n m a ) 模块详细分析和设计了网络管理代理 n 凇和本地通信栈其它模块的接口，完成h s e 本地通信栈的管理：以协议为蓝本， 设计并实现了 h s e 网络上网络管理者和网络管理代理的通信过程，使得两者可以 高效的进行信息交互：在论文的最后，对h s e 的缺点进行了分析，并基于h s e 的发展，探讨了未来工业以太网和现场总线的发展趋势。 【关键字】：现场总线，高速以太网，通信栈，网络管理， - _ _ _ _ - 一_ _ _ _ - - _ _ _ 一一 网络管理代理 _ p _ _ 一 简单网络管理协议 罴 眦附们鸵揪躺篡 裟一 一鬈 浙江入学坝1 + 学恼l 龟艾 a b s t r a c t h i g hs p e e de t h e m e t ( h s e ) p r o v i d e ss p e c i f i c a t i o n sf o rac o s t e f f e c t i v e ，h i g h s p e e d ， p l a n t w i d en e t w o r kf o rp r o c e s sc o n t r o lu s i n gc o m m e m i a lo f ft h es h e l f ( c o t s ) e t h e m e th a r d w a r ea n ds o f t w a r e h s er u n n i n ga t1 0 0m b i t si si n t e n d e df o ru s ei n p r o c e s sa u t o m a t i o n ，w h i l e a l s o p r o v i d i n g i n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o nw i t hp l a n t m a n a g e m e n ta n dm i ss y s t e m s t h ef i e l d b u sf o u n d a t i o n sh s e t e c h n o l o g yi sd e s c r i b e di np a r tb yi e e e8 0 2 3 ua n d i s o i e c8 8 0 2 - 3 h s ea l s op r o v i d e sa l le n h a n c e m e n tt oh 1a p p l i c a t i o n sb yl i n k i n g m u l t i p l ed e v i c e sa n ds e g m e n t st h r o u g h “l i n k i n gd e v i c e s h s e ss p e e d ，b a n d w i d t h ， t r a n s p a r e n tr e d u n d a n c y ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，a n ds u p p o r to f m u l t i p l ep r o t o c o l sm a k e i ta l le x c e l l e n tc h o i c ef o ru s ea st h eb a c k b o n ei na n ya p p l i c a t i o n i nt h i sa r t i c l ef r o mt h en e t w o r kp e r s p e c t i v eii n t r o d u c et h ec o m p o n e n t si nh s es t a c k a n dt h e i rr e l a t i o n s h i p s ，t h e nig i v ead e t a i l e da n a l y s i so nt h eh s e n e t w o r k ，i n c l u d i n g s n m pm a n a g e m e n tm e c h a n i s ma n dh s en e t w o r km a n a g e m e n ta g e n t a tt h es a m e t i m e ，ig i v es o m em e t h o d so nn m ai m p l i m e n t t h e nid e s i g n e dt h ew a yb yw h i c h n m aa n dn e t w o r km a n a g e rc o m m t i n i c a t e a tt h ee n dii n t r o d u c e dh o wt ob u i l da h s en e t w o r k ia l s od i s c u s s e dt h ew e a kp o i n t so f u s ea n di t s f u t u r e k e y w o r d s ：f i e l d b u sh i g hs p e e de t h e m e t c o m m u n i c a t i o ns t a c k n e t w o r km a n a g e m e ms n m pn e t w o r km a n a g e m e n ta g e n t 33 二1 n m a 对象字i i , tn 逻辑一i ，构 3312n m a 埘象字戴 。j 设计爻现 3313 对对象字典的胤n 333 h s e 嘲络管理信息庠的陶建 33 31 刚络管理信息佴的绝阳分忻 3331n m i b 中的对象? 月织砭其实现 3 8 4 0 4 2 4 3 4 3 4 4 4 利用n m a 实现h s e 现场总线的网络管理4 8 4l 对网络管理代理的初始化 ， 42网络管理代理的本地接口设计 43 网络管理的远样通信模魁设计和实理 4 9 5 0 5 2 5h s e 网络规划和组建5 9 51 对h s e 设备和模块的定义 52 对筹种h s e 设备进行组态 53 对h s e 设备住线初始化 54 设备启动 5 9 6 0 6 0 6 1 6h s e 网络管理系统的测试6 2 7 课题总结和h s e 总线技术的展望6 5 参考文献6 7 致谢7 0 1 网络管理功能结构图 2h s e + h l 控制系统结构 3h s e 通信栈结构( 摘1 2 1f f 5 81s y s t e ma r c h i t e c t u r e ) 4o s i 模犁、h l 模1 9 年h s e 模型比较 5 对h s e 通信栈的进一步描述 6f m s 端；口对收剑消息的处理 7 s e s s i o n 端点对消息的处理 8s m k 的概念捕述 9 r i s e 【i j 络叶，s n m pl 。内符理幔1 0 1 0s n m p 组织模n l ls n m p 通信过m 1 2 s n m p 数据包封漱过“ 13s n m pl ：作站利f 理的通虻过“ 1 4i n t e r a c t ，对象的命名树 15b e r “+ 押5 懈式 l n f d 的? ， 啪 o p m m”舱”巧拍”孙” 幽幽矧隆降睦陛皆隆降瞄降k降恪卜 _ 善| i7a pl 】求牛对象声g f 【_ 】1 戈糸 hl8 刊v f d 的l b 问 恪；1 9 ，jv f d 的叻”， l 冬| 2 0 刮n m af i j 圻 i 警i2lc o l l n m l r e d s e s s l o n l l 5 t 自；占 勾 h2 2 对n m a 的访问 幽2 3c o l t i n o nf i l e 的结构 斟2 4 n m i b 父j 1s e s s i o n 晌本地操作 岱i 2 5 n m a 本地撵什流转7 隆】 图2 6h s e 网络管理代理的远雕访问 幽2 7s e s s i o n 币v c r 的通信) 兰狴 斟2 8网络管卵代理数据拒h s e 通信栈的封装过h 削2 9r e a d 原语的处理流狴幽 幽3 0预测术来通川现场总线协议模型 表格1 表格2 表格3 表格4 表格5 表格6 袭格7 表格8 h 1 和h s e 性能比较 s e s s i o n 瑞点和v c r 端t 基的服务能力 网络管理的研究对象 c l a s s 域的编码值 s e s s i o n 端点的属性 v c r 端点类喇住n m i b 中的值 h s e 和h l 的网络管理没备f i 规 网络管理朋到的f m s 服务 弘”孙盯如引。：弘弘 h如舶兜舛 浙江大学坝i ：学位论且 1 绪论 茎差越基本章i 要介绍了本课题的研究背景帚i 研 究现状，包括i ：业以太网的研究现状以及以太网用 于j ：业的优缺点，网络管理的研究现状等并指出 了本课题的研究意义。 高速以太网( h s e ，h i g hs p e e de t h e m e t ) 现场总线由现场总线基金会组织制 定，并被纳为国际现场总线标准。所谓现场总线，就是指连接智能现场设备和 自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信控制网络。现场总线控制 系统既是个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联 系纽带，把挂在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步 构成自动化系统。 现场总线不仅仅是一个通信协议，也不仅仅是用智能仪表代替传统模拟仪 表，而且是一个完整的控制系统框架，即通常所说的现场总线控制系统( f c s ， f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，代替传统的集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) ，实现了现场通信网络与控制系统的集成。现场总线技术采用可进行简 单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按照公 开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪 表与远程监控计算机之间，实现数据传输和信息交换，形成适合各种需要的自 动控制系统。 h s e 现场总线是现场总线基金会组织根据目前现场总线的发展趋势，即以 太网在工业领域的应用越来越广泛，制定出的套基于以太网和t c p i p 的现场 总线规范，它改善了以太网应用于工业领域的某些缺陷，提出了以太网在过程 控制领域的一种应用方式。 1 1 本课题的研究背景 首先给出本课题的研究背景，主要包括工业以太网的发展状况以及目前比 较流行的网络管理技术，指出研究h s e 现场总线网络管理的意义。 1 1 1 以太网在工业领域的发展现状 尽管现场总线获得了巨大的成功，然而现场总线这类专用实时通信网络具有 成本高速度低和支持的应用有限等缺陷，如何利用c f ) 1 s ( c o m m e f c - a o i 卜t h e 浙江入学顺l 学位i ! 史 s h e l1 ) 技术来满足1 i 业控制需要是目前迫切需要解决的问题，其中如何把 e 【h e r n e t 应用到工业已经成为工业控制和实时通信石j f 究的热点。 以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问冲突检测 c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 的共享访问方案，即 多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向总线上发出监听信号， 但在同一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输，而其他工作站必须等待其 传输结束后再开始自己的传输。 以太网用于工业自动化领域，具有如下优势及缺陷。 以太网的优势： 以太网是当今最流行、应用最广泛的通信网络，具有价格低、多种传输介 质可选、高速、易于组网实应用等优点，而且，其运行经验最为丰富，拥 有大量安装维护人员。 易与i n t e r a c t 连接。过去的十几年中i n t e r a c t 的兴起和w i n d o w s 、u n i x 等操 作系统逐渐处于主导地位，象t c p i p 以及其它一些定义明确的传输协议得 到广泛应用。电子商务的出现使企业生产管理营销的观念发生着巨大的变 化。能够走出办公室，在任何城市、任何地方利用电话线通过i n t e r n e t 对企 业生产进行监视控制，无疑是现代企业提高生产率、增强竞争力的有效手 段。为获取这样的手段，将以太网应用到工业领域应该是最方便、最有效 的解决方案。 以太网是统一现场总线，特别是高速现场总线的标准的希望。正在发展完 善中的现场总线技术是为了适应工业控制系统向分散化、智能化、网络化 方向发展而于2 0 世纪8 0 年代出现的新技术，它是低带宽的底层控制网络， 导致了传统工业控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成分柿式控制 系统现场总线控制系统。现场总线是开放统一的通信网络，打破了不 同厂商通信标准不一的状况。从厂商各自d c s 有限的几种f c s 工 业以太网( 物理层和数据链路层已经统一) 。可以看出标准统一的趋势。 以太网的缺陷： 由于以太网毕竟是按照局域网的要求设计的，并不完全符合1 i ：、川i 境的要 求，将以太网，尤其是早期版本的以太网用于、 业领域还存在j 显的缺陷，j ： 浙汀人学坝l 。学位论殳 要表现在以下力呖： 以太网标准烈定义了o s i 参考模型的物理层和数据链路层。在物理层定义 了电缆类型、连接器和信号电平；数据链路层定义了帧格式、等错控制方 式以及信道分配方法等。因此以太网并不能完成o s i 模型第三层以上的功 能。即使加上了t c p i p 协议，也只是在以太网上面提供了网络层和传输层 的功能，仍缺少每个网络都必须具备的应用层协议。因此，以太网( 或者 加上t c p f l p ) 不是完整的网络协议。 应用广泛的文件传输协议、简单邮件传输协议、高级文件传输协议( h i t p ) 等i n t e m e t 协议可以与t c p i p 和以太网构成完整的协议，但i n t e m e t 协议提 供的功能不能满足工业自动化的需要，不适合诸如压力变送器和p l c 混合 应用的场合。 以太网的信道分配方式采用1 一持续c s m a c d 协议，因此，它不是确定的， 不适合实时性要求较高场合的应用；它没有优先级，电缆长度太短，当速 度增加时，效率会降低；在重载荷时，冲突成为不可避免的问题，会严重 影响吞吐量。 以太网不提供电源，因此，必须要有额外的供电电缆。 以太网不是本质安全系统。 以太网是为办公室应用而设计的，不适应恶劣的工作环境。几乎没有几种 集线器或电缆能通过工业环境现场测试。 随着网络技术的发展：上述问题正在迅速得到解决。为了促进以太网在工 业领域中的应用，国际上成立了工业以太网协会( i n d u s t r ye t h e m e ta s s o c i a t i o n1 ， 并与美国a r ca d v i s o r yg r o u p 、a m r r e s e a r c h 研究中心和c a r t n e r g r o u p 等 机构合作开展工业以太网关键技术的研究。【2 3 1 1 1 2h s 卜现场总线和以太网的结合点 e t h e r n e t 的进一步飞速发展也引起现场总线领域极大的注意力。f f 已经放 弃原有的h 2 标准把高速e t h e r n e t 作为 1 2 的替代，使高速e t h e r n e t 成为高速现 场总线的新标准。现在f f 的高速t s e 现场总线已经成为国际标准。 在i e c 定义的八利，现场总线中，只有第五种类型即h s e 现场总线是基f 以 太网的现场总线，并且从目前发展的形势来看，一i ：业以太网将足未束发展得方 向。 性能 i 速率( b p s i 距离( m ) 1 两线制 i 多点模式 j 总线供电 i 本安防爆 l 介质冗余 表格1h 1 和v i s e 性能比较 一 p 一一一一 一 6 1 1 5 8h 1 一。一一。一一。一 3 1 2 5 一。一“一 1 9 0 0 _ _ 。一一 是 是 f 。- 。一一一一。1 是 。1 。1 “。，1 1 1 。一 否 h s e 1 0 0 m 1 0 0 ，一_ 。、。一。- 。 否 一1 一一一 否 否 否 是 h s e 基于以太网，继承了以太网的优点，并且有效的解决了目前商业以太 网用于工业现场的某些缺陷，被认为是能够应用到现场设备级别的协议。它是 现场总线技术和以太网技术的结合体。 1 1 3 网络管理技术的研究现状 网络管理的目的是完成一定的网络功能，o s i 网络管理规定了五个管理功 能域，即网络管理的五大功能【9 】： l 、故障管理：故障管理是管理和监督非正常的操作。它提供的功能有：维护差 错日志、响应差错通知、定位和隔离故障、进行诊断测试等，以确定故障类 型，以及最终排除故障。 2 、计费管理：计费管理为指定资源的使用核算成本和收取费用。它提供的功能 有：通知用户花费的成本或使用的资源、设置记帐的阀值点，当使用了多种 资源时，将有关的成本综合在一起。 3 、配置管理：配置管理对开放系统实施控制，从中收集配置数据，并向其他开 放系统提供配置数据。它的功能有：初始化或删除管理客体。为控制例行的 操作设置适当的参数，收集关于状念的信息。 4 、性能管理：性能管理有助予资源的性能评估。它提供的功能有：收集和分发 统计数据，维护系统性能的历史数据，模拟各种操作的系统模型。 5 、安全管理：安全管理强调对丌放系统的访问要实施的各种保护功能。它提供 的功能有：支持安全服务、维护安全f _ | 志、向其他开放系统分发有关安全方 面的信息。 溉j t k j 奶：i 学位论文 网络管l 哩结构功能图如下0 9 图1 网络管理功能结构图 1 1 4 几种典型的网络管理规范 目前有以下几种比较流行的网络管理规范，这些规范都是开放的，针对目 前市场上些通用的大型商业网络。 1 、i s o 组织定义了开放系统互联网络管理标准c i k 伸( c o m m o ni n f o r m a t i o n m a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 和c i m s ( c o m m o ni n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts e r v i c e ) 。 c i m p c v i s 是最全面的一个网络管理标准，它涉及了o s i 七层协议的每 层，局域网和广域网都可以采用c i m p c i m s 对网络进行管理，但 c i m p c i m s 的一个缺点是c i m p c i m s 软件非常大，而且过于复杂，不便于 开发和维护。 2 、简单网络管理协议s n m p 。s n m p 首先是从工业标准发展而来的，由i e t f 组织制定。目前却成为广泛应用的网络管理协议，和c i m p c i m s 相比， s n m p 是一个真正的比较简单的网络管理协议，并且容易实现。在h s e 中 就采用s n m p 对底层的t c p i p 协议进行管理。下文中也对s n m p 做了详细 的介绍。 3 、t m n ( t e l e c o m m u n i c a t i o n sm a n a g e m e n tn e t w o r k ) 被设汁用来管理电信网络， 它由i t u 组织制定，并且是基于c i m p c i m s 规范的，t m n 主要面向电信 服务提供商它扩展了网络管理和网络组件的概念，从商h k 年服务们度来制 浙ic 人学坝i 。学位论殳 定网络管理规范。 4 、i e e e 规范。i e e e 标准只关心物理层和数抓链路层，c i m p c i m s 和s n m p 都利用i e e e 管理标准对物理层和数据链路层进行管理。 5 、目前出现了一种新的网络管理技术，称之为基于网页的管理( w e b b a s e d m a n a g e m e n t ) ，这种技术包括网页技术，一个作为w e bs e r v e r 的管理系统和 作为被管理工作站的w e bb r o w e r s ，由于这种技术比较新，目前还没有形成 比较成熟的标准。 另外，每种专用网络都有它自己的一套网络管理机制，这些专用网络的特 点是规模较小，不和其它专用网络兼容，每种网络都有它独特的运行机制。h s e 即是这样一种网络。但由于它是基于通用平台( i e e e 8 0 2 3 和t c p h p ) 的专用 控制网络，所以它的网络管理兼有通用网络和专用网络的管理技术。 1 2 本课题的意义 目前国内和国际上对h s e 的研究比较多，工业以太网也是过程控制领域的 一个研究热点。但是由于h s e 的协议规范在2 0 0 0 年才由现场总线基金会组织 初步制定出来，并且随后进行了多次版本更新，所以在国内真正完成h s e 通信 栈开发的的机构并不多，目前只有浙江大学先进控制研究所和中科院沈阳自动 化研究所完成了h s e 通信栈的开发。本文从一个独特的角度，即h s e 的网络 管理，对h s e 通信栈进行分析和设计，具体如下： ( 1 ) 从网络管理的角度出发，清楚详细的分析了整个h s e 通信栈的结构以 及各个模块的相互关系。深入讨论了h s e 通信栈的工作机理和工作过 程。 ( 2 ) 设计实现了h s e 通信栈中网络管理代理( n m a ，n e t w o r km a n a g e m e n t a g e n t ) 模块： ( 3 ) 详细分析和设计了网络管理代理n m a 和本地通信栈其它模块的接口， 完成h s e 本地通信栈的管理； ( 4 )以协议为蓝本，设计并实现了h s e 网络上网络管理者和网络管理代理 的通信过程，使得两者可以高效的进行信息交互： ( 5 ) 为以后进一步对h s e 控制系统的丌发奠定基础； 浙江人学坝f 眷他论史 1 3 本论文的任务和结构 本论文的任务是通过分析h s e 协议和其中的网络管理部分，阐述了这部分 协议的分析和实现，并介绍了实现协议中的一些比较好方法。从网络管理的 般概念出发，引入了h s e 网络管理。详细介绍了h s e 网络管理的概念、原理， 并对其实现给出说明。 论文的结构如下： 本论文的前面部分介绍现场总线背景方面的知谚 ，主要介绍了工业以太网 的研究现状和网络管理的研究现状。接着对h s e 现场总线的系统框架和协议栈 进行了简要说明，包括协议栈中一些比较重要的部分，例如会话( s e s s i o n ) 和 虚拟通信关系( v c r ，v i r t u a lc o m m u n i c a t i o nr e l a t i o n s h i p ) 等。 接下来主要是比较具体的分析了我的工作的核心一f fh s e 协议网络管理 部分。着重分析了h s e 网络管理的原理和协议实现用到的一些具体技术，这些 技术在一般协议的实现中是也有共性的，如网络管理者和网络管理代理的通信 过程，针对网络管理的编程，原语等。 在论文的最后给出了一个以越p i d 一a o 为控制回路的h s e 控制系 统，根据此系统说明了h s e 的网络管理如何工作。同时，指出了h s e 的一些 缺点，对未来h s e 的发展做了一些分析。 浙江人卜坝l 学位论艾 2h s e 现场总线系统架构和通信协议 垄垄嗵蔹本章首先给出，h s e 现场总线控制系统的结 构，包括由h s e 、f f 两种现场总线构成的网络以及单独 f l g h s e 构成的网络：接着分析j r h s e 通信栈的结构，简 要介引了h s e 通信栈中各个模块的结构和功能。 2 1h s e 现场总线控制系统构架 h s e 的技术特点是速度高( 1 0 0 m b s ) ，数据通过量很大，与计算机联接容易， 价格低。h s e 有两类用途，一类是完成由于计算量过大而不适合在现场仪表中进 行的高层次模型或调度运算；第二类是作为多余h l 总线或其他网络的网关桥路 器。根据f f 规范，以及对目前市场上有代表性的现场总线系统结构的分析，未来 完整的f f 现场总线控制系统由低速( h i ) 和高速( h s e ，高速以太网) 两个网段 组成( 如图1 所示) ，它们之间通过链接设备连接。其中h l 网络主要用于流程工业 现场设备之间的通信，而h s e 网络则用于两个距离较远的h l 网段之间以及离散场 合下设备的通信。 从h s e 协议分析，h s e 设备可以构成两种系统框架： i ) 现场设备层为l t l ，通信层为h s e 。 在此种结构中，操作站和工程师站被看作是控制网络中的主机，h 1 设备作 为现场设备，位于现场层，而h s e 设备位于现场层之上，用于连接h l 网段和 网络中的主机。这种控制网络是非常完美的，因为这个网络是完全基于f f 协议 族的，网络上任何两个设备的通信，因为它们所用的协议相同，因此底层的网 络对于他们来说是透明的，它们不需要关心底层网络的通信细节。当然，h s e 也可以连接其它非f f 现场总线，但这种情况下就不能发挥出h s e 的全部功能， 例如其它现场总线可能不支持报告分发或公柿者预定者的通信模式。同样，如 果用非h s e 网络连接h 1 网络，也不是一个好的选择，因为此时可能需要复杂 的协议映射工作。 浙江凡学l 学位论业 图2h s e + i - 1 1 控制系统结构 l i ) “e ”网到底 在此种网络结构中，i o 设备直接连接到h s e 设备上，即h s e 设备是作为 现场设备，取代h 1 设备。实际上此种网络中，以太网取代了现场总线，真正 构成了从企业网的上层和底层统一的以太网结构。可以说这种结构更接近工业 以太网的目标，即完全取代现场总线，但就目前的h s e 协议来看，组成全由 h s e 设备组成的控制网络有一定困难，因为h s e 在工业现场中有着和以太网同 样的缺点，例如时间不可控，非总线供电，通信距离受限等。而且h s e 协议非 常复杂，如果要实现h s e 现场设备，需要很高的软件硬件成本。 2 2i t s e 通信协议栈结构 根据现场总线基会会对h s e 的定义，它的协议框架如下图。可以看出，h s e 系统是建立在“事实上的工业标准”- - t c p i p 之上的，在t c p i p 之上，是代 表应用层的现场设备访问代理层( f d a ，f i e l dd e v i c ea c c e s s ) ，在f d a 内部包 含了会话( s e s s i o n ) 和虚拟通信关系( v c r ) 子层：在用户层，包括功能块应 用进程，系统管理实体，网络管理实体，冗余实体，h l 接口等模块，f 面将进 一步介绍。 j 江人学坝i j 学位论上 图3h s e 通信栈结构( 摘自f f 。5 8 1s y s t e ma r c h i t e c t u r e ) 首先，为了更好的理解h s e ，下图对h s e ，h 1 以及o s i 参考模型作一个 比较。从上图可以看出，h 1 和o s i 参考模型相比较，没有网络层、传输层、会 话层和表示层，而在应用层之上添加了自己的用户层。h s e 协议和h 1 相比较， 多了网络层和传输层( 因为底层采用了t c p 佃协议) ，在上层，h s e 的应用层 和h i 的应用层差别比较大，而用户层的定义几乎相同。 o s ih l 府层 表示屡 会活屡 侍输屡 网络层 特据钵嘴层 物殚屡 川户屡 府倒屏 特据锛路屡 蝴碑层 h s e 与使朋标准 川户屡f f 制帝 府屡r f c l 4 5 1 1 8 8 3 传输屡 r f c 7 9 1 7 9 3 ( t c p l 网络屡r f c l1 5 7 2 0 3 0 辑椐锛路屡i e e e 2 0 2 2 物弹屡i e e e 8 0 23 u 图4o s l 模型、h 1 模型和h s e 模型比较 f 面详细介绍h s e 通信栈中的各个部分。对h s e 通信栈的通信实伟在溉 念上的抽象描述如下图： y 系统管理功能块麻川进程网 h j 户层 ol j。 tt千十f m s 服务 ll h s e 虚拟通信关系 络 v 服务 jlj l f d a 服务协议 应闱层 机制 管 应用关系( 会话) “ t t 套接字映射协议机制 t 理 t c p i p 协议 t c p ，u d p 囝5 对h s e 通信栈的进一步描述 从上图中我们可以更清楚的看到各个通信实体之间的关系，其中f d a 层 ( 应用层) 从t c p u d p 端口接收数据，并经过f d a 中内部的会话实体和虚拟 通信关系实体的处理，通过现场报文规范( f m s ，f i e l dm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 服务，把相应数据传送给用户层的功能块应用进程。而处于用户层的系统管理 实体则直接从t c p u d p 端口接收数据。网络管理实体负责对本地通信栈的实体 进行管理。 2 2 1 现场设备访问层( f d a ) 2 2 1 1f d a 的组成和结构 f d a 层相当于i s o o s i 七层丌放互联参考模型中的第六层应用层。它 可以进一步划分为两个子层应用关系实体( s e s s i o n ) 和虚拟通信关系( v c r ) 实体，如上面图所示。其中，应用关系实体也称为会话( s e s s i o n ) 。s e s s i o n 和 t c p u d p 的接口是通过套接字映射协议机制实现的，通过其定义的具体有关 s o c k e t 服务原语，来获得t c p u d p 提供的服务，完成和t c p u d p 的接r | 。 而s e s s i o n 和v c r 之间的接口通过f d a 服务防议机制实现。h s e 机泌规定 可以有多个v c r 连接到同一个s e s s i o n 端点。f d a 支持二三种类型n 勺通信厅式： 浙t 【人学坝i 。肇位论迁 客户机| 艮务器、公布者预定者、报告分发。因此就有三种类型的s e s s i o n 和v c r 与之相对应。每种类型的v c r 都用于相对应的通信场合。例如，客户机服务 器v c r 应用于设备的e 载和卜i 载等，而报告分发型v c r 的典型应用场合是将 报警状态、趋势数据等通知操作台。 h s e 中s e s s i o n 从本质上来说是一个处理消息的通信端点，它把从t c p u d p 端口读到的消息进步分类，对消息进行编码和解码。s e s s i o n 相当于h l 中的 应用关系端点( a r e p ，a p p l i c a t i o nr e l a t i o n s h i pe n d p o i n t ) ，应用关系端点描述 了在一个应用进程中，一个端点如何与该应用关系中其他端点相互作用。f d a s e s s i o n 作为一种应用关系，规定有以下几种应用关系端点角色：客户方( c l i e n t ) 、 服务器方( s e r v e r ) 、发布方( p u b l i s h e r ) 、预定接收方( s u b s c r i b e r ) 、报文源方( r e p o r t s o u r c e ) 、报文接收方( r e p o r ts i n k ) 。与s e s s i o n 端点角色相对应，存在三种不 同的s e s s i o n1 1 8 l ： 客户机服务器s e s s i o n ，即c l i e n t s e r v e rs e s s i o n ； 发布者预定者s e s s i o n ，即p u b l i s h e r s u b s c r i b e rs e s s i o n ； 报文源接收s e s s i o n ，即r e p o r ts o u r c e s i n ks e s s i o n 。 在具体实现中，客户机，服务器s e s s i o n 采用单播的方式实现，发布者，预定者和 报文源，于艮文接收s e s s i o n 采用多播的方式实现。 客户机，服务器s e s s i o n 在单个c ss e s s i o n 上。客户端应用可同时对远程设备的多个虚拟现场设备 ( v f d ，v i r t u a lf i e l dd e v i c e ) 进行访问；存在以下可能性：位于两个设备上的 两个不同的客户端应用，可以同时访问该设备上的同一个v f d ；在同一个设备 上的两个独立的s e s s i o n ，也可以同时访问同一个v f d 。 c l i e n ts e s s i o n 终端可以被组态，也可以通过本地途径动念地创建：而s e r v e r s e s s i o n 终端通常被动态地创建，但是不能被组念，它通过f d ao p e ns e s s i o n 报文交换来获得它的相关属性。 为建立一个c ss e s s i o n ，c l i e n ts e s s i o n 终端发送一个f d ao p e ns e s s i o n 请 求报文给目的端的f d aa g e n t 。该f d a 临时建立一个新的服务器终端柬处理该 请求报文。浚服务器终端可以接受清求并对报文【_ f = l 的参数值进行处胖，或扦拒 绝请求。无论阿种情况，都返i 啊一个响应。 浙； 人。# 坝1 j 学位论文 c ss e s s i o n 一旦建立，两端的h s e 应用都可以对多个h s e v c r s 进f i 例始 化。用以对另一端的v f d 的存取访问。如果远程h s e 设备是一连接设备，h s e v c r s 也可通过连接设备对h iv f d 进行访问。这些v c r s 是否能用于更新n m a v f d 依赖于下面的s e s s i o n 是否是组念s e s s i o n 。 组态的c ss e s s i o n 支持h s ev c r s 向h s e 或h in m av f d s 传送f m s 更 新服务。非组态s e s s i o n 也可以对h s e 或h 1n m av f d s 进行访问，但访问方 式是只读的。 f d a 代理每次允许一个组态s e s s i o n 打开，这意味着，无论何时，能够改 变h s e i - - 1 1v f d 的组态应用只能有一个。 发布，预定和报文源，接收s e s s i o n 支持发布预定( p u b l i s h i n g s u b s c r i b e r ) 和报文源接收( r e p o r ts o u r c e s i n k ) 的s e s s i o n 终端需要通过组态的方式建立，不能动态创建。它们使用组态信息在 本地建立，而不是象c l i e n t s e r v e rs e s s i o n 那样，通过两个端点交换报文来建立 s e s s i o n 。 每个p u b l i s h e r r e p o r ts o u r c es e s s i o n 端利用u d p 将报文发送到组态好的i p 多播地址。多个此类s e s s i o n 可以将报文发送到同一个i p 多播地址。并且，多 个p u b l i s h e r r e p o r ts o u r c e 端h s ev c r s 也可以利用同一个p u b l i s h e r r e p o r t s o u r c es e s s i o n 端发送报文。 每个s u b s c r i b e r r e p o r ts i n ks e s s i o n 被组态为可以支持多个s u b s c r i b e r r e p o r t s i n kh s ev c r s 。而每个s u b s c r i b e r r e p o r ts i n kh s ev c r s 被组态为从一个 s e s s i o n 端点接收消息。 每个s u b s c r i b e r r e p o r ts o u r c e 端也可以经过组态，用于侦听特定的i p 多播 地址。从该地址接收到的消息可以来源于不同的i p 子网的源i p 地址，而且从 每个源i p 地址来的消息也可以来自不同的h s e v c r 端点。 通过组态，每个s u b s c r i b e rh s ev c r 从单个p u b l i s h e rh s ev c r 接收消息。 因为连接设备可以将h 1 网段上发靠的数据映射到h s ev c r ，所以接l 忮到的消 息可能来自h l 设备。接收端s e s s i o n 将根据h s e 或h 1p u b l i s h e rv c r 端的i p 子网，求对送征本地接收者h s e v c r 的输入流数掘进行过滤。 每个r e p o r ts i n k h s e v c r 被组态为从一组r e p o r ts o u r c e h s e v c r s 接收数 浙江人学坝i 。学位论义 据。同样接收到的报告可以来自于h 1 设备。 因此，r e p o r ts i n ks e s s i o n 的作 用是：对h s e 子网上相关的h s ev c r s 的输入流数据进行过滤，并将接收到的 报文转发给组态为用于接收这些相应报文的r e p o r ts i n kv c r 。 由上面我们可以看出，在单一的应用关系中，客户服务器型所允许的通信 类型为一对，即一个客户方对应一个服务器方。发布预定接收型所允许的通 信类型为一对多，即个发布方对零个或多个预定接收方。报文源收存方所允 许的通信关系为对多，即一个源方对零个或多个收存方。其中，发布预定接 收型s e s s i o n 与报文源收存s e s s i o n 的区别在于：预定接收端只接收来自一个组 态好的v c r 端的消息，而报文收存方可以接收来自一组组态好的v c r 端的消 息。各种s e s s i o n 端点角色的服务能力综合于表2 。 所谓v c r ( v i r t u a lc o m m u n i e a t i o nr e l a t i o n s h i p 称为虚拟通信关系) 相 当于不同的节点上的用户进行通信的信道，v c r 由其属性决定，不同的用户之 间进行通信采用不同类型的v c r v c r 端点代表了一个a p 对一个v c r 的附着点。 在端点可以获得的服务取决于端点类型。由应用进程提取的v c r 用途提供透明 的网络服务，例如应用进程看不到下层通信堆栈的细节。一个s e s s i o n 可以对 应多个v c r 端点。 v c r 的类型决定s e s s i o n 的类型。 表格2s e s s i o n 端点和v c r 端点的服务能力 s e s s i o n ( v c r )确认的服务请求 确认的服务响应非确认服务请求同时通信点数 客户方发送接收发送l 服务器方接收发放接收1 发布方无无发送o 预定接收方无无接收 】 报文源方无无 发送o 报文收存方 无无接收1 实际一：，f d a 在t c p ，u d p 层和用户层之问提供了个适合于h s e 应用张 序通信的通信通道。完成了通信通道的建立，f d a 就可以存此苍础f ：向f ：层提 供它的服务。 浙江人学烦i j 学位沦殳 2 2 1 2f d a 的功能实现 f d a 的主要功能：m 是：根据用户层应用程序的需要，向用户层提供ii 种协 议规定的服务f m s ( 现场报文规范) 服务、s m ( 系统管理) 服务和冗余服 务。f d a 在t c