（计算机应用技术专业论文）基于mstp和以太网的bacnet服务性能仿真与评估.pdf

中文摘要 摘要 b a c n e = t 是由美国采暖、制冷和空调工程师协会( a s h r a e ) 研究和制定的一 个关于楼字自动控制系统的开放性通信协议，现在是楼控领域唯一的i s o 标准。 该协议规范了楼宇控制设备实现互操作的方法。它定义了1 8 种标准对象及属性， 提供了6 大服务，使不同厂商的产品在内部结构和算法不同的情况下，只要遵循 b a c n c t 协议，就可以实现互操作。b a c n e t 标准提供了4 种可选局域网技术 ( i s 0 8 8 0 2 3 、a r c n c t 、m s t p 和l o n t a l k ) 和一个p t p 远程连接技术。 n s 2 是一种面向对象的离散事件驱动网络模拟器，其源代码完全公开，可供 使用者在u n i x 、l i n u x 、w i n d o w s 等系统平台上使用和进行二次开发，并可以提供 有线网络、无线网络等链路层及其高层精确到数据包的诸多网络行为的模拟与仿 真。在学术界和教育界，有大量的人在使用n s 2 。 采用b a c n c t 为数据通信协议的智能建筑控制系统，尽管有节点资源共享、可 互操作性强和连接简便等特点，但同时也可能带来网络系统共有的一些缺点，如 网络瓶颈和信息传送延迟等。如何能有效地掌握b a c n c t 控制网在信息传送延迟和 流量方面的性能表现，以便在实际应用中避免出现，因网络瓶颈和信息传送延迟 而造成的对控制系统整体性能的负面影响，这是本文关注的重点。 文章介绍了目前几种典型的网络性能分析方法，计算机仿真法为计算机网络 性能分析的主流方法，尝试了使用n s 2 对基于以太网和m s t p 的b a c n e t 控制网 进行仿真测试。在仿真过程中，考虑m s t p 的复杂性，对m s t p 协议所定义的一 些重要参数进行了专门测试；另外，由于以太网主要运用于主干网，在应用服务 测试中，加入了能够传送大块数据的a t o m i c w r i t e f i l e 服务。 本文第2 章介绍了b a c n e t 协议标准，详细阐述了b a c n c t 协议的4 层体系结 构、b a c n e t 应用服务以及b a c n c t 标准所采用的5 种局域网协议；第3 章介绍了 网络性能分析评价方法和计算机仿真原理，归纳出影响计算机网络性能的主要因 素以及网络性能评价的指标，同时对仿真软件n s 2 作了详细介绍；第4 章介绍了 如何对基于m s t p 的b a c n e t 控制网性能进行仿真测试，对m s t p 协议进行了全 面且详细地描述，阐述了如何在n s 2 中加入m s f r p 协议模块以及各节点网络层以 上的功能模块，以及使用n s 2 对基于m s t p 的b a c n c t 控制网进行仿真的过程， 并对结果进行了详细分析；第5 章对基于以太网的b a c n e t 控制网络性能进行仿真 测试，由于以太网通常被用作控制系统的主干网，因此在测试时a t o m i c w r i t e f i l e 服务的性能被考虑进去，用于考察较长数据包在基于以太网的b a c n c t 控制网中的 性能表现，同时对仿真结果进行了分析；第6 章对本文的仿真结果进行总结。 重庆大学硕士学位论文 通过本文的研究，确认了能影响基于以太网和m s t p 的b a c n e t 服务性能的 关键因素，并总结出一些参考意见，可为楼宇自控系统工程师在设计和维护过程 中提供指导性帮助。 关键词；b a c n c t ，n s 2 ，m s t p ，以太网，网络仿真 英文摘要 a b s t r a c t b a c n ai sas t a n d a r dd a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rb m l d m ga u t o m a t i o na n d c o n t r o ls y s t e m s ，w h i c hi sr e s e a r c h e da n de s t a b l i s h e db ya s h r a e m e a n w h i l e , i ti st h e u n i q u ei s os t a n d a r d 0 1 1t h ef i e l do fb u i l d i n gc o n t r o l l i n g t h ep r o t o c o ls p e c i f i e st h e m e t h o do ft h eb u i l d i n gc o n t r o le q u i p m e n tt oa c h i e v ei n t e r o p u r a b i l i t y t h e r ea l e1 8 s t a n d a r do b j e c t sa n dm e i rc h a r a c t e r i s t i c sb e i n gd e f i n i t e d , 6k i n d so fs e r v i c eb e i n g p r o v i d e di nt h ep r o t o c 0 1 i ti sp o s s i b l et oa c h i e v ei n t e r o p e r a b i l i t y , a sl o n ga st h e m a n u f a c t u r e sa b i d eb yb a c n e tp r o t o c a l ，n om a t t e rw h a tk i n do fi n t e r n a ls t r u c t u r e sa n d a l g o r i t h mt h e i rp r o d u c t su e s d b a c n e tl l s 韶f o u rk i n d so fl a nt e c h n o l o g y ( i s 0 8 8 0 2 - 3 a r c n e t , m s 厂i ta n dl o n t a l k ) a n dap t pr e m o t ec o n n e c t i 、，i t yt e c h n o l o g y n s 2i sa no b j e c t - o r i e n t e dd i s c r e t ee v e n td r i v i n gn e t w o r ks i m u l a t o rw h o s e $ o u r o e c o d e si sf u l l yo p e na n di t g a l lb eu s e da n da p p l i e dt op r o d u c et h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n tb a s e do nas y s t e ms u c ha su n i x ，l i n u xa n dw i n d o w s i tc a nn o to n l y p r o v i d et h el i n kl a y e ro fw i r ea n dw i r e l e s sn e t w o r k s ，b u ta l s ot h eu p g r a d e sp r e c i s e s i m u l a t i o na n de m u l a t i o n t h e r ea r el o t so f p e o p l eb o t hi na c a d e m ya n de d u c a t i o nw h o a r eu s i n gn s 2 ac o n t r o ls y s t e mi nb n i l d i n gb a s e do nb a c n e td a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lh a s l 啪u r c es h a r i n g , g o o di n t e r - o p e r a b i l i t ya n dc o n v e n i e n tc o n n e c t i n g ；h o w e v e r , i tm i g h t a l s ob r i n ga b o u tn e t w o r k sc o m m o nd r a w b a c k ss u c ha sn e t w o r kb o t t l e n e c ka n d n e t w o r k e d - d e l a y t oe f f e c t i v e l ym a s t e rp e r f o r m a n c eo fb a c n e tc o n t r o ln e t w o r ki n n e t w o r k e d - d e l a ya n df l o wc a n a v o i dn e g a t i v ei n f l u e n c eo f c o n t r o ls y s t e m sp e r f o r m a n c e d u et on e t w o r kb o t t l e n e c ka n dn e t w o r k e d - d e l a yi np r a c t i c a la p p l i c a t i o n , w h i c hi st h e f o c a lp o i n to f t h sp a p e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss e v e r a lt y p i c a la n a l y t i c a lm e t h o d so fn e t w o r kp e r f o r m a n c e ， f r o mw h i c hw ek n o wt h a tc o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o di st h ep r i m a r ym e t h o do f c o m p u t e rn e t w o r kc o n u n u n i c a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dw h i c ha l s op u t f o r w a r dt ou s i n gn s 2b a s e do ne t h e r n e ta n db a c n e tc o n t r o ln e t w o r ko f m s t pt oc a r r y t h r o u g hs i m u l a t i o nt e s t d u r i n gt h es i m u l a t i o n , t a k i n gt h ec o m p l e x i t yo fm s t pi n t o c o n s i d e 枷o n c a r r yo u tt h es p e c i a lt e s to fc e r t a i np a r a m e t e r so fg r e a ti m p o r t a n c e d e f i n e db ym s t pp r o t o c o l ；i na d d i t i o n , s i n c ee t h e r n c ti sm a i n l yu s e da sb a c k b o n e n e t w o r k , a t o m i c w r i t e f i l ew h i c hc a nd e l i v e rl o n gd a t ai sc o n s i d e r e di nt e s t i nt h ep a p e r , c h a p t e r2i n t r o d u c e sb a c n e tp r o t o c o ls t a n d a r d sa n dg i v e sad e t a i l e d m 重庆大学硕士学位论文 e x p l a n a t i o no f f o u rh i b e r a r c h ys t r u c t u r ea b o u tb a c n e ta g r e e m e n t , b a c n e ta p p l i c a t i o n s e r v i c e sa n df i v el a np r o t o c a lt h a tb a c n e tu s e s c h a p t e r3p r e s e n t sa na n a l y s i sa n d e v a l u a t i o nm e t h o d so fn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n da nc o m p u t e rs i m u l a t i o nt h e o r y ；皿e m a i nf a c t o l 苫a f f e c t i n gc o m p u t e rn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n di n d e xe v a l u a t i n gn e t w o r k p e r f o r m a n c ea r es u m m e du p ；t h e r ei sa nd e t a i l e di n t r o d u c eo ns i m u l a t i o nt o o ln s 2 c h a p t e r4d e s c r i b e sh o wt om a k es i m u l a t i o nt e s t s t ob a c n c tc o n t r o ln e t w o r k p e r f o r m a n c e w h i c hi sb a s e d0 1 1t h em s t p ；m s t pp r o t o c o li sd e s c r i b e d c o m p r e h e n s i v e l ya n dd e t a i l e d l y , t h em e t h o dt o a d dm s t pp r o t o c o lm o d u l ea n d f u n c t i o n a lm o d u l e sa b o v et h en e t w o r kl a y e rt on s 2 ，a n da l s ot h es i m u l a t i o np r o c e s so f u s i n gn s 2t ob a c n e tc o n t r o ln e t w o r kw h i c hi sb a s e d0 1m s ；i pa t ed e s c r i b e d m e a n w h i l e , t h er e s u l t sa r ea n a l y s e dd e t a i l e d l y i nc h a p t e r5 ，t h es i m u l a t i o nt e s tt o b a c n e tc o n t r o ln e t w o r kp e r f o r m a n c ew h i c hi sb a s e do ne t h e m e t ；s i n c ee t h e r n e ti s o f t e nu s e da sb a c k b o n en e t w o r ko fc o n t r o ls y s t e m ，i th a sb e e nt a k e ni n t oa c c o u n td u r i n g t h ep e r f o r m a n c es e r v i c e st e s t sf o ra t o m i c w r i t e f i l e ；a n dw i l lb eu s e df o ri n s p e c t i o no n p e r f o r m a n c eo fp a c k e t s 、v i ml o n g e rl e n g t hd a t ai nb a c n c tc o n t r o ln e t w o r kw h i c hi s b a s e d0 1 1e t h e r n e t ；m e a n w h i l e , a na n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t sh a sd o n e c h a p t e r6 g i v e st h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ec o n c l u s i o n si nt h i sp a p e r i tw a sf r o mt h i ss t u d yt h a tm a i nf a g t o r 8 ，w h i c ha f f e c ta p p l i c a t i o np e r f o r m a n c eo f b a c n e t $ e r v i c , o sh a s e do ne t h e m c ta n dm s 厂i ea r ec o n f i r m e d ，a n da l s oi tp u tf o r w a r d s s o m es u g g e s t i o n sw h i c hc a np r o v i d er e f e r e n c e st o b u i l d i n ga u t o c o n t r o ls y s t e m e n g i n e e r si nd e s i g na n dm a i n t e n a n c eo fc o n t r o ln e t w o r k so fi n t e l l i g e n tb u i l d i n go r b u i l d i n ga n o t o m a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：b a c n c t ，n s 2 ，m s 厂i ee t h e r n e t ，n e t w o r ks i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：香鬲虫 签字日期：a ) 。7 年月e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：奇￥t 签字日期：】一1 年月e l 导师签名：膨 签字日期：函印年多月乎e l 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出 1 1 1 课题的背景 智能建筑是指利用系统集成方法，将智能计算机技术、通信技术、信息技术 与建筑艺术有机结合，通过对设备的自动监控，对信息资源的管理和对使用者的 信息服务及其与建筑的优化组合，所获得的投资合理，适合信息社会需要，并且 具有安全、高效、舒适、便利和灵活特点的建筑物。智能建筑系统主要由楼宇自 动化系统( b a s ) 、通信自动化系统( c a s ) 、办公自动化系统( o a s ) 和安防自动化系统 ( s a s ) 四大系统组成【”。 四大系统中，楼宇自动化系统是智能建筑中最基本和最重要的组成部分。楼 宇自动化系统是利用计算机及网络技术、自动控制技术和通信技术构建的高度自 动化控制和综合管理系统，将大楼内部各种设备连接到一个控制网络上，通过网 络对其进行综合的管理和控制。楼宇自动化系统在管理和控制过程中，许多共享 信息，如检测数据、控制信息数据、维护数据及管理数据等都通过控制网进行传 递。如果这些共享信息的网络延迟超过预先定义的极限值，则智能建筑中需要实 时控制和操作的一些功能将无法以预想的方式实现，有些甚至具有安全事故隐患。 所以，对楼宇自控系统工程师来说，掌握控制网的性能显得非常必型1 】【5 】。 b a c n c t 是作为世界上第一个智能楼控领域的i s o 标准，它代表了智能建筑发 展的主流趋势。b a c n c t 不是软件或硬件，也不是固件，而是一种数据通信协议， 即通信规则，为不同商家产品的系统之问进行信息交流提供平台和支持。b a c n c t 详细阐述了系统组成单元相互分享数据实现的途径、使用的通信介质、可以使用 的功能以及信息如何翻译的全部规则。b a c n c t 采用了e t h c m c t 、a r c n e t 、m s f r f 、 p t p 、l o n t a l k 五种网络技术进行通信，可根据系统通信速度选择不同的网络技术。 相对其它现场总线，b a c n c t 标准最大的优点是可以与e t h c r n c t 、l o n w o r k s 等网络 进行无缝集成。b a c n c t 标准已在全球得到了广泛的应用，全球生产和经营楼宇设 备和楼宇自控设备的主要厂商均支持b a c n c t 标准。b a c n c t 在不到1 0 年的时间内 就从一个行业学会标准迅速成为楼宇自控领域中唯一的i s o 标准【l 】。 本文是在控制网的时间确定性对控制系统的整体性能有重要影响的背景下， 提出使用n s 2 对基于b a c n c t 的控制网进行仿真，分析其底层网采用以太网和 m s t p 时的b a c n c t 服务延迟性能。它是b a c n c t 标准应用和发展的需要，是 b a c n c t 标准和计算机仿真技术结合的产物，是网络性能分析方法在b a c n e t 控制 网中的应用。 重庆大学硕士学位论文 1 1 2 课题的研究目的和意义 使用n s 2 对基于m s t p 和以太网的b a c n e t 服务性能进行仿真测试和评估， 首先要在开源软件n s 2 中加入b a c n e t 标准以及m s t p 协议模块，再使用具有 b a c n e t 模块的n s 2 对b a c n e t 服务性能进行仿真研究。因此，本课题有两个研究 的目的：第一，对n s 2 进行二次开发，加入b a c n e t 标准以及m s t p 协议模块， 为网络设计者提供一种可靠、方便的仿真工具，可用于检验智能建筑的计算机网 络设计效果，也能为以后的网络升级改造时找出网络瓶颈、判断网络的利用率提 供可靠依据；第二，研究b a c n e t 应用服务在其底层网为两种应用最广泛局域网 技术( m s t p 和以太网) 的延迟性能特征，分析比较b a c n e t 服务在两种不同局 域网技术上的性能表现，找出影响b a c n e t 应用服务延迟性能的关键因素。 本课题的研究意义： b a c n e t 标准作为i s o 标准，必将在全球范围内得到推广和应用，这是大势所 趋，也必将在全球范围内形成一个规模巨大的产业和市场。由于b a c n e t 标准在北 美和欧洲得到了广泛和成功的应用，预计未来几年内亚太地区将是b a c n e t 标准应 用增长最快的地区。因此，对b a c n e t 标准的研究将有助于b a c n e t 标准在我国推 广，加速我国智能建筑行业的发展，使我国楼宇自控技术进一步和国际接轨1 5 】【1 2 】。 使用仿真软件n s 2 对b a c n e t 协议标准进行仿真测试，除了可以获得b a c n e t 控制网的特征参数，还可以分析有关因素对控制网性能的影响程度，寻求发挥设 备最大效益的策略，以实现对控制网信息量的最佳控制；此外，还可以预测新设 计的网络性能；分析具有容错功能的控制网系统在局部发生故障时，工作效率受 到影响的程度等【l “。 本文所阐述二次开发n s 2 的原理和过程，不仅对n s 2 和b a c n e t 的结合是一 种新的尝试，而且对其他控制系统采用n s 2 进行性能评估也有借鉴作用。 1 2 国内外研究现状 有些学者对主流控制网络技术作过一些仿真研究，如美国密西根大学的l i a n 和t i b u r y 曾在i e e e 上发表过一篇文章控制网络的性能评估 1 5 1 。他们分别以 包的大小、m a c 层协议和一些时间参数( 如访问延迟、传输延迟等) 为比较对象， 并在o p n e t 上设置了专门的场景来分析比较了c a n 、以太网和d e v i c e n e t 。经过 仿真测试，该文章阐述了这几种网络技术作为控制网的特征性能：以太网在低网 络负载下几乎没有延迟；令牌总线网在较大网络负载下也能提供有效的吞吐量： c a n 网络对短帧来说，它所提供的时问确定性是最优的。这些结论和仿真分析结 果可以为本文的课题研究提供参考，且对于b a c n e t 控制网仿真具有重要的指导意 义【2 2 1 。 2 1 绪论 另外，d r e x e l 大学的m i a n y uw a n g , e r w e il i n 和e d w a r dw o e r t z 等利用o p n e t 对l o n w o r k s 分布式系统做过基于m a c 层的网络仿真【1 6 】。l o n w o r k s 的媒体访问 控制算法采用的是p pc s m a ，p pc s m a 同其他的c s m a 最大的不同是它根据对 信道流量载荷的评估来相应的调整访问信道的可能性。用这种方法，信道在重载 荷下也能有效地降低冲突率，而吞吐量和带宽利用率在轻载荷下同样可以得到保 证。针对这一算法，设计了一个只考虑传输延迟，包括6 个工作站节点的网络模 拟场景。并在该网络上传输确认服务信息和非确认服务信息，对其结果进行分析 比较。该仿真的结论是：确认服务需要一个信息接收的确认帧，增加了额外的信 息流量，因此信道饱和时间要先于非确认服务；但是确认服务是以一个平滑的过 程达到饱和点的，并且不会接近信道的传送极限能力；反之对于非确认服务。他 们的下一步工作是设置更多的l o n w o r k s 设备节点，如中继器、路由器等应用于仿 真环境2 6 1 。 n s 2 方面，n s 2 起源于r e a l 网络模拟器。在过去的几年中，n s 2 发生了实 质性的演进。1 9 9 5 年，n s 2 的开发获得了d a r p a 的支持，通过、盯项目，由 l b l 、x e r o x p a r c 、u c b 和u s c i s i 合作进行。目前n s 的开发由d a r p a 的s a m a n 项目和n s f 的c o n s e r 项目支持。n s 2 具有开放的结构和良好的可扩展性。n s 2 已经从其他研究者那里吸收了丰富的模块，包括从u c bd a e d e l u s 和c m um o n a r c h 计划以及s u n 微系统公司获得的无线代码【4 】。 n s 2 进入我国己多年，许多大学或其它一些研究机构正在用它进行协议和一 些算法的研究。其中应用得比较多的是在w l a n 方面，许多研究者研究a d h o g 的 路由算法、节点位置、运动轨迹确定和预测、流量分析等，然后在n s 2 上面进行 仿真，以证实他们的研究成果，如今a o d v ( a d h o c0 1 1d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r r o u t i n g ，a d h o c 网络的距离矢量路由算法) 和d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ，动态 源路由协议) 都能在n s 2 上实现。然而，n s 2 还在发展当中，还不是一个完善的产 品。虽然n s 2 所包含的构件库已经相当丰富，但是不可能包括所有特定用户所需 要的模块，在对控制网络特别是智能建筑中的控制网络仿真方面还属于空白领域， 而且，软件中的b u g 还在不断地发现和改正。n s 2 的用户必须自己去核实是否因 为软件中的b u g 而造成了他们的模拟结果的错误。因此，对于从事网络研究的用 户来说，在现有n s 2 版本的基础上，进行源代码的修改和再开发将是不可避免的 【3 】【1 0 1 1 3 本文研究内容及技术路线 1 3 1 本文研究内容 本文提出了使用网络仿真软件n s 2 对基于以太网和m s t p 的b a c n e t 控制系 3 重庆大学硕士学位论文 统进行仿真测试，根据测试结果分析出能够影响基于以太网和m s 厂r p 的b a c n e t 控制系统的关键因素，并且通过协议分析，更加深入地描述了以太网和m s 厂r p 协 议的性能。因此，本文研究的内容有： b a c n e t 数据通信协议。理解b a c n e t 数据通信协议实现设备控制的基本 原理，协议中各层所定义的功能，以及b a c n e t 应用服务种类和属性。 n s 2 仿真软件。研究n s 2 仿真原理、协议模块在n s 2 中实现方式。 以太网和m s 厂r p 协议，并在n s 2 中实现这两种局域网协议。 国内外对局域网性能分析的研究。借鉴这些研究，设计出本文的仿真测试 路线，并按此路线进行仿真研究。 结合b a c n e t 、以太网和m s 肿的属性，对仿真结果进行分析，找出能影 响基于以太网和m s ，1 甲的b a c n c t 控制系统延迟性能的关键因素。 1 3 2 技术路线 收集资料。收集国内外大量的参考文献，了解n s 2 目前的使用状况，主 要的使用领域，确定智能建筑中控制网络的协议还没有在n s 2 上实现。了解国外 一些学者用其他仿真工具对楼宇控制网进行的仿真，从而进一步理解仿真和熟悉 协议。 学习n s 2 仿真工具。首先，要查看c + + 和o t c l 语言，因为n s 2 是由两 种面向对象语言c + + 和o t c l 组成的。用户通过o t c l 来搭建仿真环境然后再用 c + + 编写的仿真引擎进行仿真。同时要了解o t c l 是如何来操纵c + + 类的，它们 之间的变量的邦定方法等。察看n s 2 里已有的协议模块代码，学习他们的实现思 路，为后来添加控制协议模块做准备【6 】。 对b a c n e t 标准协议及其底层网m s t p 和以太网协议进行研究。收集资料， 研究b a c n e t 标准协议及其底层网m s t p 和以太网协议，把这些协议与已经在n s 2 里实现得比较成熟的t c p i p 协议和相关的底层协议作对比，找出它们的异同，为 b a c n e t 协议在n s 2 中的实现提供参考。 在n s 2 里添加协议模块，使b a c n c t 应用服务模块以及m s 厂r p 协议在n s 2 中实现。有了对n s 2 和b a c n e t 标准协议及其底层网m s t p 和以太网协议的掌握， 接下来便对n s 2 协议模块进行修改和添加，这些都使用c + + 语言编程实现。最后 还需要在n s 2 目录下运行m 如e d 印e n d 和m a k e , 重新编译n s 2 ，至此生成了新的 n s 2 1 2 1 。 设计评估方案。研究网络性能分析评估方法，归纳出影响计算机网络性能 的主要因素以及网络性能评价的指标，借鉴国内外已有的对控制网性能进行评估 的实例，设计出b a c n e t 服务在其底层网为m s t p 和以太网时的延迟性能评估方 案。 4 1 绪论 进行仿真测试。根据评估方案，进行基于m s t p 和以太网的b a c n e = t 服务 延迟性能仿真。本文所说网络的延迟都指其统计平均值，而且是根据负载率的变 化来说明某个网络延迟性能的好坏。 分析仿真结果。根据协议特征，对一系列仿真结果进行分析，比较b a c n c t 服务在两种不同局域网技术上的性能表现，找出影响b a c n e t 应用服务延迟性能 的关键因素。 1 4 本人在论文中所做的主要工作 研究b a c n c t 标准，深入理解b a c n c t 标准的工作原理、体系结构、应用 层服务，以及m s t p 和以太网局域网协议。 收集整理网络性能分析的相关资料，总结出影响计算机网络性能的主要因 素以及网络性能的评价指标，归纳出目前常用的网络性能评价的方法；同时，结 合m s t p 协议、以太网协议和b a c n e t 应用服务的属性特征，设计一套关于b a c n c t 服务延迟性能仿真和评估的方案。 学习n s 2 软件，借鉴n s 2 中已有的相应协议模块实现原理，把m s t p 协 议和b a c n o t 应用服务模块加入n s 2 中，使其可以对基于m s t p 和以太网( n s 2 中已有m a c - 8 0 23 模块) 的b a c n c t 服务延迟性能进行仿真测试。 进行基于m s t p 和以太网的b a c n e t 服务延迟性能的仿真测试，并分析其 结果。 5 2b a c n e t 数据通信协议信 2b a c n e t 数据通信协议 2 1b a c n c t 概述 b a c n c t ( ad a t ec 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 ) ，是由a s h r a e 资助制定的开放楼宇自控网络数据通信协议，是为暖通 空调、制冷设备之间制定的一种统一数据通信协议标准。b a c n c t 采用面向对象的 方法，将实际控制网中的控制设备进行抽象，分解成有限数量的标准对象。通过 杯准对象的定义，任何实际控制设备均可以由不同的标准对象实例集合表示。标 准对象的属性可以代表控制设备的状态值，而标准对象属性值的访阀及标准对象 之间的互操作，就是设备状态值的访问和设备之间的互操作。同时，b a c n e t 定义 了自己的应用层和一组应用层服务来访问和操作( 读和写) 标准对象的属性值， 实现标准对象之间的管理和控制。b a c n c t 也定义了自己的网络层，用于提供不同 子网之间的路由功能。但b a c n o t 没有定义自己的物理层和数据链路层，而是借 用已有的物理层和数据链路层标准：a r c n e t 、m s t p 、i e e e 8 0 2 3 、l o n t a l k 、p t p 。 在b a c n c t 增补的1 3 5 a 中，还将p 协议作为其“链路层”，形成b a c n e t 1 p 网络【l 】【1 9 】。 2 2b a c n e t 的体系结构 作为开放性标准，并在o s i r m 之后诞生，b a c n o t 标准理所当然遵从和参照 o s r - r m 。这是制定b a c n c t 标准的一个基本原则，也是b a c n c t 标准具有开放性 和被其他有影响组织认可的基础。但是由于o s i r m 是解决所有计算机在任意环 境下实现互联的通用方案，它涉及到所有复杂情况下的通信问题，因而有完善的 路由选择或算法，有多种数据传输方式，有复杂的同步和错误恢复方机制，也有 不同层次的流量控制机制。而楼宇自控网络的通信环境只是o s i r m 通信环境的 一个极小子集。很显然，在楼宇自控网络中完全实现o s i r m 中所有的解决反而 是不合适的，也是不必要的。因此b a c n e t 标准并未完全定义o s i r m 中的所有内 容，而是根据自身的应用环境对o s i - r m 进行了精简和定制，使b a c n c t 标准的体 系结构更加紧凑，具有高效的特性，以适应楼宇自控系统对实时性的要求。图2 1 是b a c n e t 标准体系结构与o s i r m 的参照刚坤】。 7 重庆大学硕士学位论文 b a c n c t 协议的层次 b a c n a 应用层 b a c n d 网络层 i s 0 8 8 0 2 2m s 厂r p哪 l o n 仳 i s 0 8 8 0 2 - 3a r c ! n e te i a _ 4 8 5e i a - 2 3 2 对应i s o 的层次 应用层 网络层 数据链路层 物理层 图2 1b a c n e t 体系结构与o s i - r m 的参照图 f i g u r e 2 1t h eb a ( 址t a r c h i t e c t l l f ea n dt h eo s r - r mr e f e r e n c eh o u r e 从图2 1 可以看出，b a c n e t 标准采用了4 层结构：应用层、网络层、数据链 路层和物理层。尽管b a c n e t 标准的体系结构精减了，但b a c n e t 标准同样需要解 决楼宇自控网络中的各种通信问题。这些问题的解决方案也同样分布在o s i r m 定义的各个层中，只不过b a c n e t 标准解决通信的问题没有o s i r m 广泛，是具体 的，因而b a c n e t 标准对这些问题的解决方案更直接，并且高效实用【1 9 1 。 与o s b r m 相比，b a c n c t 标准同样具有低层( 1 - 3 层) 功能，以实现楼宇自 控网络的通信传输问题，但b a c n e t 标准的数据链路层和物理层不再是一般化和概 念化的定义，而是给出了具体的定义。并且b a c n e t 标准的网络层功能也经过了简 化，以高效实现b a c n e t 标准的路由。b a c n c t 的应用层则跨越了o s i r m 的传输 层、会话层、表示层和应用层，因此b a c n e t 标准的应用层具有与o s b r m 相应的 高层( 4 7 层) 功能，即通信处理功能，以实现楼宇自控网络中信息的表示、语法 转换、可靠性以及同步等功能。下面介绍各层实现的功能【1 9 1 。 2 2 1 物理层和数据链路层 b a c n c t 标准的数据链路层和物理层实现o s i r m 中相应两层的功能。物理层 传输无结构的比特流，链路层实现无差错的帧传输，并为网络层提供服务。因此 它们在各自的层协议定义下完成各自的功能。b a c n e t 定义了5 种具体的物理层和 相应的数据链路层，以适应不同性能价格比的要求。但无论哪种物理层和数据 链路层，其功能是与o s i r m 中定义的功能是相同的。从理论上讲，只要符合 b a c n c t 标准定义的物理层和数据链路层功能的任何网络均可以作为b a c n c t 标准 的低两层。在b a c n e t 增补的1 3 5 a 中，还将口协议作为其“链路层”，形成b a c n c t i p 网络【1 5 】【1 1 。 2 2 2 网络层 为了满足楼宇自控网络中不同楼宇自控设备对通信要求的不同，并使楼宇自 控网络具有良好的性能，价格比，定义了不同的物理层和数据链路层。于是为了屏 蔽不同低层的差异，网络层是必不可少的 1 j 。 2b a c n e t 数据通信协议信 o s i r m 网络层解决各种不同网络互联的问题，主要功能为路径与中继、网络 流量控制、网络的连接与管理等。o s b r m 的主要目的就是要为报文分组以最佳路 径通过网络到达目的主机而服务，让网络用户不必关心网络的拓扑模型与所使用 的介质。因此o s i r m 的网络层功能是非常复杂的【1 5 】【1 1 。 而楼宇自控网络首先是一个局域网络，甚至通过公用数据网或i n t e r a c t 连接的 楼宇自控网络，也可以看作一个局域网络。原因是在公用数据网络和i n t e r a c t 中的 路由、中继以及可靠性传输均由它们各自解决，不属于b a c n o t 标准的范围之内。 其次，楼宇自控网络通常是比较固定的，一旦施工完毕，很少发生变化，这样楼 宇自控网络的路由可以得到极大的简化。再次，楼宇自控网络中绝大多数传输的 是“短信息”，即使交换“长信息”，由于b a c n e t 标准应用层提供了分段机制，因此 b a c n e t 标准网络层不涉及分段功能。另外，楼宇自控网络是一个控制网络，信息 的广播传输方式较为普遍，并具有重要的作用，这就决定了b a c n e t 标准是一个基 于无连接的通信模型，基本上只有简化的路由功能。相应地，b a c n g t 标准的网络 层协议也变得较为简纠5 1 。 2 2 3 应用层 b a c n e t 标准应用的功能是根据楼宇自控网络的特点对o s i r m 中传输层、会 话层、表示层和应用层中定义的功能进行定制的，删除了不必要的功能，并将保 留的功能重新合理安排。这样b a c n e t 标准应用层的功能主要为互操作信息抽象语 法与传输语