（光学工程专业论文）基于java技术的bacnetip路由器的软件设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = ；= = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = 一： 摘要 。 、j 作为计算机网络的重要形式之一，楼宇自动控制网络技术在信息技术发展日趋迅 速的今天得到了重要和广泛的应用，其中的b a c n e t 又以其简单、实用、易于与其他 计算机网络系统集成、实现成本低的特征成为了楼宇自动控制网络的主体。随着楼宇 自动控制网络规模和复杂性的增强，对它的各个不同b a c n e t 网络进行互联越来越受 到重视。 b a c n e t 路由器是一个重要的b a c n e t 设备，用于连接两个或多个b a c n e t 网络， 从而构成b a c n e t 互联网络。目前t c p i p 网络非常普及，在t c p i p 网络基础上构建 b a c n e t i p 网络显的尤为重要，相应地，开发连攮两个或者多个b a c n e t i p 网络的 b a c n e t i p 路由器也就具有了极为重要的意义。1 本文使用面向对象的方法，使用j a v a 软件平台，提出了b a c n e t i p 路由器软件实 现的整体方案。对路由查询中存在的问题，包括性能的调整优化等，进行了细致深入 分析。 本文对b a c n e t i p 网络体系结构和b a c n e t i p 互联网拓扑结构进行了分析，描述 了b a c n e t i p 路由器的功能，提出了连接多个b a c n e t i p 网络的路由器软件要解决的 关键技术问题，进行了b a c n e t i p 路由器总体构架方案设计工作。 由于设计工作与i p 路由器系统的特性和运行原理有着极为紧密的联系，因此作 者深入研究了i p 路由器系统的运行原理：研究了i p 网络层、网络接口层，对i p 层、 以太网驱动程序进行了分析。 本文针对b a c n e t i p 网络拓扑结构，设计出了实用的路由表结构，完成了路由表 的动态维护，能够响应路由协议所规定的网络层协议报文，实现了网络拥塞控制。 本文详述了b a c n e t i p 路由器数据接收的实现，实现了本地报文的隔离，远程报 茂的转发；实现了b a c n e t i p 路由器查寻路由表的操作，完成了b a c n e t i p 路由器数 据发送通道的实现。 关键词：b a c n e t 路由器b a c n e t i p 路由器b a c n e t i p 网络楼宇控制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tt y p eo f c o m p u t e rn e t w o r k ，t h eb a s ( b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ) i s p l a y i n gaw i d e l ya n ds i g n i f i c a n tr o l e ，a n dt h eb a c n e t ( b u i l d i n ga u t o m a t i o na n dc o n t r o l n e t w o r k ) h a sb e c o m e t h em a i nb o d yo fb a s b yi t ss i m p l e n e s s ，p r a c t i c a l i t y , e a s yi n t e g r a t i o n w i t ho t h e r c o m p u t e r n e t w o r ka n dt h el o wi m p l e m e n t a t i o nc o s t w i t hi t s r a n g e a n d c o m p l e x i t yg r o w i n g i n t e r n e t w o r k i n g w i t hb a c n e ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e s i g n i f i c a n t b a c n e tr o u t e r sa r es o m ei m p o r t a n tb a c n e td e v i c e st h a ti n t e r c o n n e c tt w oo rm o r e b a c n e tn e t w o r k st of o r mab a c n e ti n t e m e t w o r k a tp r e s e n t ，t c p i pi ss op r e v a l e n tt h a t b a c n e t i p ( b a c n e to v e ri p ) i se s p e c i a l l yi m p o r t a n t a c c o r d i n g l y t h e d e v e l o p m e n to f b a c n e t 1 pr o u t e ri sa l s oe s p e c i a l l yi m p o r t a n t t h ea r t i c l ep r o v i d e sa p r a c t i c a lw h o l ep r o j e c tt oi m p l e m e n t t h es o f t w a r ef o rb a c n e t i p r o u t e ru s i n go b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a md e s i g nm e t h o da n dt h ej a v al a n g u a g e t h ea r t i c l e a n a l y s e s a l s ot h e p r o b l e m o f h o wt oo p t i m i z et h ec a p a b i l i t yi ns e r c h i n gr o u t ei n f o r m a t i o n t h ef e a t u r e so fa r c h i t e c t u r ef o rb a c n e t i pp r o t o c o la n dt o p o l o g yf o rb a c n e t i p i n t e r n e t w o r ka r ea n a l y z e d t h ef u n c t i o no fb a c n e t i pr o u t e ri sd e s c r i b e d t h e nt h ea r t i c l e a n a l y s e st h ek e yt e c h n o l o g yp r o b l e m st h a tt h es o f t w a r ef o rb a c n e t i pr o u t e rn e e d s t ob e s o l v e d t h em e t h o do f t h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o ni sp r o v i d e d b a c n e t i pr o u t e ri sb a s e do ni pa n dt h ep r i n c i p l ei st h es a l n ea st h ei pr o u t e r ，s ot h e a r t i c l ea n a l y s e st h ei p ，n e t w o r ki n t e r f a c e ，e t h e m e td r i v e ra n dt h ea r c h i t e c t u r eo f i pr o u t e r t h ep r a c t i c a ld a t as t r u c to fr o u t e rt a b l ei s d e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ef e a t u r e so f t o p o l o g y f o rb a c n e t i pi n t e m e t w o r k t h e i m p l e m e n t a t i o n o fr o u t e rt a b l e d y n a m i c m a i n t e n a n c ei s p r o v i d e d t h es y s t e mc a nr e s p o n d e d t o e v e r y n e t w o r kl a y e r p r o t o c o l m e s s a g e t h e a r t i c l eg i v e sa l s et h ei m p l e m e n t a t i o no f n e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 t h ei m p l e m e n t a t i o no fb a c n e t i pr o u t e rp r o c e d u r e sf o rt h et r a n s m i s s i o na n dt h e r e c e i p t o f t r a f f i ci sd e s c r i b e d a l lk i n d so f o p e r a t i o no f r o u t e rt a b l ea r ep r o v i d e d k e y w o r d s ：b a c n e tr o u t e rb a c n e t i pr o u t e rb a c n e t i pn e t w o r k b u i l d i n gc o n t r o ls y s t e m i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景与意义 楼宇自动化系统( b a s ，b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ) 出现于2 0 世纪7 0 年代末 期。 由于各个生产厂家开发的都是自己专有的通信协议( p r o p r i e t a r yc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s ) ，因此出现了多种各式各样的控制系统通信协议。控制系统在发展的道路上 正在步计算机发展的后尘，从中心化时代( 系统结构是一个中央控制器直接连接许多 远程传感器和执行器) ，到分极化时代( 系统结构是一个中央工作站直接连接一些 d d c ，再由d d c 分别连接传感器和执行器) ，发展到今天的网络化时代( 系统结构是 由智能自主控制节点连接组成网络) ，发展方向是朝着与因特网的融合，进入网络的 网络时代。控制网络发展的步伐基本上落后计算机网络发展步伐十年左右。尽管控制 网络最终要与因特网完全融合，也就是说所有的控制节点最终都会成为i p 节点，但 是这是一个较长的发展时期，目前还远没有达到这样的条件。在目前阶段，可行的方 式是形成完善的控制网络，而控制网络作为一个整体与因特网联接。 在控制网络技术中，最有希望成为主流技术并且完成向i p 网络过渡的是b a c n e t 网络技术，这是由b a c n e t 网络的特点所决定的。 b a c n e t ( ad a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rb u i l d i n ga u t o m a t i o na n dc o n t r o l n e t w o r k ) 1 1 是一种为楼宇自动控制网络所制定的数据通信协议，它由美国冷暖空调工 程师协会组织的标准项目委员会1 3 5 p ( s t a n d a r dp r o j e c tc o m m i t t e e ：s p c1 3 5 p ) 于1 9 9 5 年6 月正式通过制定。标准编号为a n s u a s h r a es t a n d a r d1 3 5 1 9 9 5 同年1 2 月正式 成为美国国家标准，2 0 0 3 年1 月b a c n e t 通过国际标准组织( i s o ) 投票，成为i s o 的正式标准，标准编码为：i s o1 6 4 8 4 - 5 。 b a c n e t 标准产生的背景是用户对楼宇自动控制设备互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 的广泛要求，即将不同厂家的设备组成一个一致的自控系统。b a c n e t 实现楼宇自控 设备的互操作性的思想是这样的，一般楼宇自控设备从功能上讲分为两部分，一部分 专门处理设备的控制功能，另一部分专门处理设备的数据通信功能，不同厂商生产的 设备使用各自专门的数据通信的方式，所以不同厂商的设备之间没有很好的互操作 性。b a c n c t 标准只是规定了楼宇自控设备之间要进行“对话”所必须遵守的规则， 并不涉及如何实现这些规则，各厂商可以用不断进步的技术来开发，从而使得整个领 华中科技大学硕士学位论文 域的技术不断进步。 b a c n e t 网络的第一个特点是开放性，b a c n e t 协议是一个完全的开放协议，任何 开发商都可以依据b a c n e t 协议开发出具有互操作性的产品，而不需要使用专用的芯 片。b a c n e t 网络的第二个特点是简洁的体系结构，这个体系结构继承了t c p i p 网络 层次分明的体系结构的特点，同时又根据控制信息报文短小、实时性要求高的特征， 精简层次的功能，使得协议特别适合控制网络。b a c n e t 网络的第三个特点是对底层 传输链路多选择的包容性，b a c n e t 协议将目前流行的几种数据传输链路技术作为自 己的底层传输技术，使得网络的实现成本降低，而且可以与t c p i p 网络共享传输链 路。b a c n e t 网络的第四个特点是向应用提供了完整的实现手段，这就是b a c n e t 协议 定义的对象和服务，同时又可以使得开发商按照不同的控制应用进行具体的开发。 b a c n e t 协议的第五个特点是其开发可以纳入到基于w e b 技术的开发环境内。 目前t c p 口已成为工业标准，它已经无处不在了，b a c n e t 之所以能成为控制网 络主流技术，其中最重要的一个因素就是它能够非常容易地向i p 网络过渡。b a c n e t i p 完美地包容了t c p i p 技术，根据该协议，我们能够在i p 网络上构建b a c n e t 网络， 这样就使得现在已经广为存在的球网络用户能够经济地建立自己的b a c n e t 网络。 i n t e r n e t 之所以取得成功，就在于它的互联性，完成互联功能的设备就是i p 路由器，i p 路由器把分布在世界各地的独立的i p 网络连接在一起，形成了一个互联 的世界，从而深刻地影响了人类社会，对人类的各种各样活动产生了难以估计的作用。 和i n t e 鼢姬t 类似，b a c n e t 要取得成功，必须要进行有效的网络互联，特别是 随着楼宇自动控制网络规模和复杂性的增强，对它的各个不同b a c n e t 网络进行互联 越来越显的重要，鉴于目前t c p i p 网络的普及，开发b a c n e t i p 路由器来完成多个 b a c n e t i p 网络的互联也就显得尤为重要。 本课题就是要完成这样的工作：开发出能够互联两个或多个b a c n e t i p 网络的 b a c n e t i p 路由器，从而使各个独立的b a c n e t 网络能够互联成为一个整体。在实现 了b a c n e t i p 网络的互联后，用户就能够在远程控制网络了，比如，用户可以在办公 室中控制家中的空调、门窗、冰箱等b a c n e t 设备。 b a c n e t i p 路由器在国内的发展尚处于起步阶段，其产品的开发基本属于空白。 在国外，已有数家公司进行了路由器产品的开发，有部分产品已经投向市场。其 中比较著名的公司包括了a l e r t o n ，d e l t ac o n t r o l s ，c i m e t r i c si n c ，a u t o m a t e dl o g i c ， g o v e m a i 等。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 本论文的工作 本文对b a c n e t i p 网络体系结构和b a c n e t i p 互联网拓扑结构进行了分析，描述 了b a c n e t i p 路由器的功能，提出了连接多个b a c n e t i p 网络的路由器软件要解决的 关键技术问题，最后完成了b a c n e t i p 路由器软件的实现。 作者所做的一些具体工作如下： ( 1 ) 进行了b a c n e t i p 路由器总体构架方案设计工作。 ( 2 ) 由于设计工作与口路由器系统的特性和运行原理有着极为紧密的联系，因此 首先需要对i p 路由器系统有较深了解。作者深入研究了i p 路由器系统的运 行原理；研究了口网络层、网络接口层，对i p 层、以太网驱动程序进行了 分析； ( 3 ) b a c n e t i p 路由器运行于b a c n e t 网络层，完成寻径功能，因此应该对 b a c n e t i p 网络的拓扑结构进行分析，本论文在详细分析了b a c n e t 网络协议 的体系结构、b a c n e t i p 网络的各层运行原理后，对b a c n e t i p 网络拓扑结构 进行了深入的分析。 ( 4 ) b a c n e t i i p 路由器程序开发设计到i p 网络、b a c n e t 网络、l i n u x 系统、j a v a 语言、c 语言等众多庞杂的知识，开发者难以独立编写出能够运行良好的路由 程序。因此借鉴i p 路由器的实现技术尤为重要。作者研读了大量l i n u x 系统 中的i p 路由源程序、i p 网络源代码，编写了b a c n e t i p 路由器程序，实现了 数据的转发，路由寻径，完成了b a c n e t i p 网络互联： ( 5 ) 针对b a c n e t i p 网络拓扑结构，设计出了实用的路由表结构，完成了路由表 的动态维护，能够响应路由协议所规定的网络层协议报文，实现了网络拥塞 控制； ( 6 ) 详述了b a c n e t i p 路由器数据接收的实现，完成了单播、本地广播、全局广 播的接收，实现了本地报文的隔离，完成了远程报文的接收： ( 7 ) 完成了b a c n e t i p 路由器查寻路由表的实现，完成了b a c n e f f l p 路由器数据 发送通道的实现，完成了单播、本地广播、全局广播的发送； ( 8 ) 实现了b a c n e t i p 路由器处理网络层数据报文、网络层协议报文的功能； ( 9 ) 对程序进行了单元测试，模块测试，进行了系统联合调试。本论文给出了 b a c n e t i p 路由器的启动案例、报文路由案例的测试结果及分析。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 论文章节安排 第一章：绪论。 第二章：分析b a c n e t 网络系统的体系结构、拓扑结构，以及b a c n e t 网络层的 功能和运行原理，并且针对本论文项目实现的b a c n e t i p 网络互联，详细分析了 b a c n e t i p 网络的拓扑机构： 第三章：对i p 路由器的功能、应用进行了介绍，对i p 路由器的体系结构进行了 分析，并对i p 路由器和网络层的运行过程进行了详细分析，对i p 各种选路协议也做 了介绍。最后对p 路由算法进行了分析； 第四章：设计出了b a c n e t i p 路由器的体系结构，提出了实现b a c n e t i p 路由器 报文处理功能的方案，并且进一步针对网络层数据报文提出了报文的转发功能实现方 法，针对网络层协议报文提出了路由协议的实现方法，这一章也就是b a c n e t i p 路由 器的总体设计方案。 第五章：详细介绍b a c n e “i p 路由表的实现：设计出了b a c n e f f i p 路由器的路由 表数据结构，然后根据路由表的数据结构，实现了对路由表的各种操作，如查询、删 除、更新、增加等方法： 第六章：实现了b a c n e t i p 路由器的主函数，实现了端口的初始化，实现了路由 表的初始化。然后讲述了路由器发送i - a m r o u t e r - t o n e t w o r k 、 w h o i s r o u t e r - t o - n e t w o r k 报文的过程； 第七章：简要讲述了u m l 语言的用法，并且使用u m l 描述了b a c n e t i p 路由 器系统的类图，然后借用类图，对系统数据接收通道、数据发送通道的实现进行了描 述。 第七章：总结： 最后是致谢和参考文献。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 b a c n e t 网络 b a c n e t 网络可以使用多种底层局域网技术，而b a c n e t i p 这种特殊的组网技术 又使b a c n e t 网络构成变得更加复杂，这一章我们首先分析b a c n e t 网络的体系结构、 拓扑结构，然后再分析b a c n e t f i p 网络嵌入式操作系统目前在微控制和手持仪器等方 面得到了越来越广的应用。 2 1 概念术语 b a s ：楼宇设备管理自动化系统( b a s ) 。 b a c n e t 设备( b a c n e td e v i c e ) ：是指任何一种支持用b a c n e t 协议进行数字通信 的真实的或者虚拟的设备。 b a c n e t 用户( b a c n e t - u s e r ) ：是一个应用进程中由b a c n e t 用户元素所表示的那 个部分。 广播( b r o a d c a s t ) ：表示一个报文，这个报文作为一个单一单元而发送到多个设备 上。 实体( e n t i t y ) ：具有独立的、可区分特征的存在事物，并且可以用一组属性来描 述它的具有可标识的性质。 网络( n e t w o r k ) 由网桥互联起来具有相同网络地址的一个或多个网段的集合。 互联网络( i n t e m e t w o r k ) ：由路由器互联起来的两个或多个网络的集合。在个 b a c n e t 的互联网络中，任意两个节点之间存在着唯一一条报文传输路径。 直接连接网络( d i r e c t l yc o n n e c t e dn e t w o r k ) ：通过一个路由器即可访问的、报文 无须中间路由器中继的网络。一个p t p 连接，当p t p 连接有效时，并且没有使用中 间路由器时，就是一个直接连接网络。 网关( g a t e w a y ) ：用来连接两个或多个不同网络的设备，信息可以通过这个设备 在这些网络之间交换。 全局( g l o b a l ) ：关于一个通信互联网络上的所有设备或节点。 全局广播( g l o b a lb r o a d c a s t ) ：表示一个报文，这个报文被发送到一个b a c n e t 互 联网上的所有网络中的设备或节点。 路由器( r o u t e r ) ：在网络层连接两个或多个网络的设备。 半路由器( h a l f r o u t e r ) ：是一个设备或者节点，用在一个p t p 连接的一端。两个 华中科技大学硕士学位论文 半路由器形成一个路由器，并建立起一个有效的p t p 连接。 本地( 1 0 c a l ) - 同一网络上作为参考设备的相关设备。 本地广播( 1 0 c a lb r o a d c a s t ) ：表示一个报文，这个报文被发送到同一网络上所有 设备或节点。 远程( r e m o t e ) ：与当前讨论的设备在不同网络的设备或节点。 远程广播( r e m o t eb r o a d c a s t ) ：表示一个报文，这个报文被发送到与报文源不同 网络上的所有设备或节点。 节点( n o d e ) ：与通信传输介质相连的可寻址的设备。 对等实体( p e e r - e n t i t i e s ) ：在相同的协议层次中的实体。 第n 层服务访问点( ( n ) - s e r v i c e a c c e s s p o i n t ) ：协议中第n 层实体向第n + i 层实 体所提供的服务的访问点。( i s o7 4 9 8 ) 第n 层服务数据单元( ( n ) 一s e r v i c e d a t a - u n i t ) ：协议中第n 层的接口数据，其一 致性不受第n 层通信的影响。( i s o7 4 9 8 ) 服务用户( s e r v i c e u s e r ) ：是在某个开放系统中的实体，该实体通过服务访问点使 用一个服务。( i s ot r8 5 0 9 ) 服务提供者( s e r v i c e - p r o v i d e r ) ：向对等服务用户提供服务的所有实体的抽象总和。 ( i s ot r8 5 0 9 ) 服务原语；原语( s e r v i c e p r i m i t i v e ；p r i m i t i v e ) ：用来描述服务用户和服务提供者 之间交互作用的、抽象的、与具体实现无关的表示方式。( i s ot r8 5 0 9 ) 请求( 原语) ( r e q u e s t ( p r i m i t i v e ) ) ：一种交互作用的表示方式，用来描述服务用 户希望得到完成某些操作的服务而调用一些过程。( i i s ot r8 5 0 9 ) 指示( 原语) ( i n d i c a t i o n ( p r i m i t i v e ) ) ：一种交互作用的表示方式，在该作用中， 服务提供者或者指示本身已经主动调用了某些过程，或者指示在对等服务访问点的服 务用户已经调用了一个过程。( i s o t r8 5 0 9 ) 响应( 原语) ( r e s p o n s e ( p r i m i t i v e ) ) ：一种交互作用的表示方式，在该作用中， 服务用户表明已经完成了先前一个交互作用所调用的一些过程，其中所指的先前的一 个交互作用是由一个指示原语所表示的。( i s ot r8 5 0 9 ) 证实( 原语) ( c o n f i r m ( p r i m i t i v e ) ) ：一种交互作用的表示方式，在该作用中，一 个服务提供者在一个特定的服务访问点指示某些过程已经完成，这些过程是在相同的 服务访问点由前一个请求原语所调用的。( i s o t r8 5 0 9 ) 6 华中科技大学硕士学位论文 用户元素( u s e re l e m e n t ) ：是个应用进程的某部分的表示，这个应用进程的部 分因为需要实现该应用进程的通信目的而要使用应用服务元素。( i s o7 4 9 8 ) a p d u 应用层协议数据单元a p d u ( a p p l i c a t i o n p r o t o c o ld a t a u n i t ) 。 n p d u ：网络层协议数据单元( n e t w o r k p r o t o c o ld a t au n i t ) 。 l p d u ：链路层协议数据单元( 1 i n kp r o t o c o ld a t au n i t ) 2 2b a c n e t 网络分析 2 2 1 智能建筑和控制网络的发展 自从8 0 年代第一座智能大厦在美国诞生之后，智能建筑在各个方面都有了长足 的发展，其中，控制系统在发展的道路上正在步计算机发展的后尘，从中心化时代( 系 统结构是一个中央控制器直接连接许多远程传感器和执行器) ，到分极化时代( 系统 结构是一个中央工作站直接连接一些d d c ，再由d d c 分别连接传感器和执行器) ， 发展到今天的网络化时代( 系统结构是由智能自主控制节点连接组成网络) ，控制网 络的发展方向是朝着与因特网的融合，进入网络的时代。 p 粼备i | 晌鬻赃il 通雠各i a 动控制层 | 及应用程序 i1 用程序 ll 及应用程序i 岬哪压 传输媒体层 智能建筑的分层体系结构 图2 1 智能建筑的分层体系结构 华中科技大学硕士学位论文 智能建筑系统是指为了实现智能建筑的目标而实施的综合系统。智能建筑系统所 要实现的功能归根到底要是作为信息的交换和处理的平台，所以，智能建筑系统就是 向实现智能建筑的功能的各种应用系统提供信息交换和处理的能力。智能建筑的分层 体系结构如图2 1 所示。 智能建筑的技术核心是系统集成，这是一个公认的观点。然而，系统集成的本质 是什么，使用什么技术进行集成以及怎样建立一套标准的集成方法等这些问题，还没 有完全讨论清楚。智能建筑在发展过程中一直在应用和试图完善的是两个领域的技 术，一个是自动控制领域，另个是数据处理领域，分别形成楼宇设备管理自动化系 统( b a s ) 和办公自动化系统( o a s ) 。智能建筑系统的一个思想是结合通信技术和计算机 技术，将b a s 和o a s 集成为体。从发展的进程来看，这种一体化的集成是建立在 一个统一的通信网络之上的。对于用户来说，集成所表现的形式为：用一个同一的操 作界面可以访问和处理自动控制信息和数据信息，而且还可以在上面开发一些专用管 理和应用程序。用专业术语描述就是：智能建筑系统不但要给用户一个统一界面的应 用程序，而且还要给用户一个开放的应用程序接口，以适应智能建筑应用的发展。我 们提出的智能建筑的分层体系结构中，其自动控制层向管理应用层提供的服务，就是 要描述这样一种开放的接口。智能建筑要求能够对所有楼宇自动控制设备进行集成， 集成的本质是能够实现设备和系统之间的信息交换，从而达到互操作的目的。b a c n e t 是关于楼宇自动控制网络的标准数据通信协议，提供了实现楼宇自动控制系统集成的 通信基础设施。 b a c n e t 是一种为楼宇自动控制网络所制定的数据通信协议，其产生的背景是用 户对楼宇自动控制设备互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 的广泛要求，即将不同厂家的设备 组成一个一致的自控系统。b a c n e t 实现楼宇自控设备的互操作性的思想是这样的， 一般楼宇自控设备从功能上讲分为两部分，一部分专门处理设备的控制功能，另一部 分专门处理设备的数据通信功能，不同厂商生产的设备使用各自专门的数据通信的方 式，所以不同厂商的设备之间没有很好的互操作性。b a c n e t 标准只是规定了楼宇自 控设备之间要进行“对话”所必须遵守的规则，并不涉及如何实现这些规则，各厂商 可以用不断进步的技术来开发，从而使得整个领域的技术不断进步。 可见，b a c n e t 能够满足智能建筑对所有楼宇自动控制设备进行集成的要求。 华中科技大学硕士学位论文 此外，智能建筑和智能小区系统从本质上来说就是楼盘加上宽带信息网络。目前 存在的信息网络的形式主要有四种，它们是：以传输话音业务为主的电信网络，以传 输模拟视频信号为主的有线电视网络，以传输数据通讯信号为主的计算机网络，和以 传输设备控制信号为主的控制网络。智能建筑和智能小区系统要实现这样四种网络的 共同接入，从而实现所谓的“四网合一”。 电信网络的传输机制是p c m 编码的同步时分复用，这是电路交换的网络，目前 世界各国正在对电信网络进行大规模的改造，目标是要实现宽带化和i p 化。i p 化的 含义是用t c p i p 这种技术来组建整个通信网，所有的通信设备，包括传输、交换、 无线系统、各类终端、信令系统等，都将在统一的i p 网络上进行通信。随着波分复 用直接装载i p 数据报技术( i po v e rw d m ) 的成熟，这个改造的进程将加快。从这个 发展趋势来看，电信网络与计算机网络的融合实际上是把目前同步时分复用的电话网 络改造成为分组异步时分复用的t c p i p 网络。 目前有线电视网络的优势是形成了进入千家万户的宽带网络的基础，但是由于这 种网络是以传送模拟视频信号为基础的，要直接在这种网络上实现各种新业务是困难 的。随着数字视频技术的不断发展，视频业务应用也将逐渐实现i p 化，有线电视网 络的发展方向将是以现有宽带传输线路作为基础的t c p i p 网络。 因特网已经成为全球数据通信的骨干网络，由于因特网就是t c p i p 网络，所以 计算机网络必将在t c p ，m 网络上实现统一。 b a c n e t 网络顺应了这种发展潮流，规范了居于t c p i p 技术的b a c n e t 网络，即 b a c n e t i p 网络技术，它使用因特网t c p i p 协议实现网络互联和报文传输的应用。 b a c n e t i p 技术使b a c n e t 网络具有了强大的生命力。并且于2 0 0 3 年1 月成为i s o 的 正式标准。 2 2 2 b a c n e t 网络系统体系结构分析 国际标准化组织在制定计算机网络通讯协议标准时定义了一个模型，称为开放系 统互联参考模型( o s d ( i s o7 4 9 8 ) 3 1 。模型的目的是解决计算机与计算机之间普遍 的通信问题。在这个模型中，将计算机通信这样一个复杂的问题分解成7 个小的、容 易解决的子问题，每个子问题只与某些通信功能相关，并且把这些子问题称为协议体 协结构的一层，整个模型是一个七层的体系结构。在图2 1 中给出这七层的体系结构 华中科技大学硕士学位论文 图。 对于某个层次来说，它使用下面各层所提供的服务，同时也向它上面的各层提供 服务。每一层可以想象成一个黑盒，黑盒的上面和下面都具有经过认真定义的接口。 一个应用程序通过与o s i 应用层的相连，实现与另一个远程应用程序的通信。对于这 用户1 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 管理与用户应用程序的实际 编码、加解密、信息转换 会话管理、传输同步 可靠的端到端报文传输、报文分 建立点到点通路、路由选择 数据分组、通信介质访问的管 在物理介质上传输比特流 两个节点间的物理介质 用户2 图2 - 2 开放系统互联基本参考模型 种发生在两个应用程序之间的通信，看起来两个程序似乎是通过各自的应用层接口直 接相连。各层之间仅仅需要了解其它层的很少的情况。通过类似的方式，协议的每一 层利用下面各层的服务来提供通信服务，与另一个系统的同等层建立起一个虚的对等 层通信。而真正的通信只发生在物理层。 o s i 模型以高度概括的观点来分析计算机与计算机的通信，用来解决在全世界范 围内的、巨大而复杂的计算机网络的通信问题。在这种情况下，互相通信的单个计算 机之间可能相距很远，因此报文要通过一系列中间点才能到达。而这些中间点相应地 可能需要实现路由选择功能、某种解析功能，以及复杂的同步和差错恢复功能。 实现o s i 模型协议所需的费用较高，在绝大部分楼宇自动控制系统中，并不需要 实现o s i 模型的所有内容。不过只从o s i 的功能性方面来考虑，经过简化，o s i 模型 仍然是楼宇自动控制协议的一个很好的参考。如果只选择o s i 模型中需要的层次，形 成一个简化的模型，作为楼宇自动控制系统的协议体系结构，就可以减少报文的长度， 降低通信处理的开销，并且也满足楼宇自动控制系统的需要。这个简化的体系结构降 l o 一一一一一一一一一一一一 华中科技大学硕士学位论文 低了楼宇自动控制工业的生产成本，同时处理器的大批量生产、局域网技术的发展， 也为过程控制和办公自动化工业的发展起到了推动作用。另一方面，可以充分利用现 有的、易用的、应用广泛的局域网技术，如以太网、a r c n e t 和l o n t a l k 。这样不但 可以降低成本，而且也有利于提高性能，为系统集成开辟新的途径。 b a c n e t 建立在包含四个层次的简化分层体系结构上，这四层相当于o s i 模型中 的物理层、数据链路层、网络层和应用层。b a c n e t 标准定义了自己的应用层和简单 的网络层，对于其数据链路层和物理层，提供了以下五种选择方案。 第一种选择是i s o8 8 0 2 2 类型1 定义的逻辑链路控制( l l c ) 协议【2 1 ，加上i s o 8 8 0 2 3 介质访问控制( m a c ) 协议和物理层协议。i s o8 8 0 2 2 类型1 提供了无连接 ( c o n n e c t i o n l e s s ) 不确认( u n a c k n o w l e d g e d ) 的服务，i s o8 8 0 2 3 则是著名的以太网 协议的国际标准。 第二种选择是i s o8 8 0 2 - 2 类型1 定义的逻辑链路控制协议，加上a r c n e t ( a t a a n s i8 7 8 1 ) 。 第三种选择是主从令牌传递( m s f f p ) 协议加上e i a 4 8 5 协议。m s f f p 协议是专 门针对楼宇自动控制设备设计的，同i s o8 8 0 2 2 类型1 一样，它通过控制e i a 4 8 5 的 物理层，向网络层提供接口。 第四种选择是点对点( p t p ) 协议加上e i a 2 3 2 协议，为拨号串行异步通信提供 了通信机制。 第五种选择是l o n t a l k 协议。 这些选择都支持主从m a c 、确定性令牌传递m a c 、高速争用m a c 以及拨号访 问。拓扑结构上，支持星型和总线型拓扑。物理介质上，支持双绞线、同轴电缆、光 缆。 简化的四层b a c n e t 体系结构，是在仔细考虑了b a c n e t 网络的独特特征和要求， 以及尽可能少的协议开销原则后得出的。在下面的分析里，将讨论b a c n e t 体系结构 只包括物理层、数据链路层、网络层和应用层的原因。 仔细分析b a c n e t 网络的特征后，可以得到以下两点： 首先，b a c n e t 是一种局域网。即使在某些应用中，楼宇里设备间的远距离通信 必不可少时，b a c n e t 仍然是一种局域网。因为这种远距离的通信功能，由电信网来 实现。通信中要完成的路由、中继、可靠的传输等问题都由电信网来处理，电信网可 华中科技大学硕士学位论文 看成是b a c n e t 外部的部分。 其次，b a c n e t 设备是静态的( s t a t i c ) ，即在空间上，它们不会经常被移来移去。 在要完成的功能上，从某种意义上说也是不变的，即不会今天生产的设备的功能是这 样，明天就完全不同了。 在充分了解b a c n e t 网络的特征后，就可讨论o s i 模型的各层在b a c n e t 网络中 的适用性了。 物理层提供了连接设备和传输数据载波信号的方式，显然在b a c n e t 协议中，物 理层是必不可少的。 数据链路层负责将数据组织成帧( f r a m e ) 或分组( p a c k e t ) 、管理通讯介质的访 问、寻址，以及完成一些差错校正和流量控制的任务，这些都是b a c n e t 协议所需要 的，因此数据链路层也是必不可少的。 b a c n e t 的协议层次 b a c n e t 应用层 b a c n e t 网络层 i s o8 8 0 2 2m s t pp t p ( i e e e8 0 2 2 ) 类型1( 主从令牌传递)( 点到点协议) l o n t a l k i s o8 8 0 2 3 a r c n e t e i a 4 8 5e i a 2 3 2 ( i e e e8 0 2 3 ) ( r s 4 8 5 )( r s 2 3 2 ) 图2 - 3b a c n e t 简化的体系结构层次图 对应的 o s i 层次 应用层 网络层 数据 链路层 物理层 网络层的功能包括：将全局地址解析为局部地址、在一个或多个网络中进行报文 的路由、协调不同类型网络的差异( 如不同网络所允许的最大报文长度) 、序列控制、 流量控制、差错控制、以及多路复用。由于b a c n e t 网络的拓扑特点，在各个设备之 间只存在一条逻辑通路，这样便不需要最优路由的算法。其次，b a c n e t 网络是由中 继器或者网桥互联起来的一个或者多个网段所组成的网络，它具有单一的局部地址空 1 2 华中科技大学硕士学位论文 间。在这样一种单一网络中，许多o s i 网络层的功能也变得多余，或者与数据链路层 相重复。但是在b a c n e t 网络系统中，网络层又是必不可少的。例如，在一个b a c n e t 的互联网中，当两个或者多个网络使用了不同的m a c 层时，便需要区别局部地址和 全局地址，这样才能将报文路由到正确的网络上去。在b a c n e t 协议中，通过定义了 一个包含必要的寻径和控制信息的网络层头部，来完成这种简化了的网络层功能。 传输层主要是负责提供可靠的端到端的报文传输、报文分段、序列控制、流量控 制，以及差错校正。传输层的许多功能与数据链路层相似，只是在作用范围上有所不 同。传输层提供的是端到端的服务，而数据链路层则提供的是单一网络上点到点的服 务。由于b a c n e t 支持多种网络的配置，因此协议必须提供传输层端到端的服务。而 可靠的端到端传输和差错校正功能，在b a c n e t 协议中由b a c n e t 的应用层利用报文 超时重传方式来完成。其次，考虑到缓冲区和处理器资源的管理，报文分段和端到端 的流量控制也是必要的。这是因为即使