通信网络控制方法优化

DCS的各站要交换信息必须通过通信子网，通信子网是各站的共享资源。对通信子网使用权的合理分配调度决定了对各站所提出的请求作出响应的快慢，决定了通信子网的实时性。存取控制方法是通信子网使用分配调度算法的核心，与通信子网的实时性有密切关系。普通局域网络的存取控制方法强调信道利用率，而工业控制网络则强调通信的实时性，因此只好牺牲部分信道的利用率以保证实时性。

要保证整个通信子网的实时性，必须满足下列3个时间约束条件：

（1）限定每个站每次取得通信权的时间上限值。若超过此值，无论本次通信任务是否完成，均应立即释放通信权。这一时间约束条件可防止某站长期霸占通信子网而导致其他各站实时性恶化。

（2）保证在某一固定的时间周期内，通信子网的每个站都有机会取得通信权，以防止个别站长时间得不到通信权而导致其实时性太差甚至丧失实时性。只要有一个站出现此情况，则整个通信子网的实时性就没有达到要求。这一固定时间周期的长短标志一个通信子网实时性的高低。

（3）当紧急任务的实时性要求临时变得很高时，应给以优先服务。对于实时性要求较高的站，应使其取得通信权的机会比其他站多一些。一般采用静态（固定）的方式赋予某些站较高的优先权，采用动态（临时）的方式赋予某些通信任务比较高的优先权，以使紧急任务及重要站的实时性得到满足。

常见的访问方法有载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）、载波监听多点接入／碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA／CD）技术、令牌环（Token Ring）访问法、令牌总线（Token Bus）访问法、时间片法、轮询法、请求选择法等。如果用上述3条时间约束条件来衡量存取控制方式，则某些访问方式一条约束条件也不满足，如CSMA、CSMA／CD等；某些访问方式满足部分时间约束条件，如时间片法、轮询法、请求选择法等；某些访问方式满足全部时间约束条件，以获得良好的实时性，如令牌总线访问法、令牌环访问法等。

DCS中采用最多的存取控制是CSMA、CSMA／CD、令牌环和令牌总线方式，或是几种存取控制方法的组合。

1.CSMA

在CSMA方法中，为了避免冲突，采取“先侦听后发送”的方法。每个节点在发送数据之前，首先要检测信道上是否有载波信号，以判断公用总线的忙或闲。检测到信道为空闲时，才向总线发送数据。如果有两个节点在几乎相同的时间判断总线空闲，并同时发送数据，那么就会产生冲突，造成发送失败。在局域网中，由于覆盖范围小，数据信号传输延迟很短，因而使用CSMA是很好的。

2.CSMA／CD

CSMA／CD含有载波侦听（CSMA）和冲突检测（CD）两方面的内容，设计了侦听（监听）总线和冲突检测（碰撞检测），主要用于总线和树形网络拓扑结构，基带传输系统。信息传输是以“包”为单位的，简称信包，后来发展为IEEE 802.3基带CSMA／CD局域网标准。

1）载波监听

任一站要发送信息，首先要监测总线，用来判断介质上有否其他站的发送信号。如果介质忙，则等待一定间隔后重试；如果介质闲，则可以立即发送。查看信号的有无称为载波侦听，而多点访问是指多个工作站共同使用一条线路。由于通道存在传播时延，采用载波监听的方法仍避免不了两站在传播时延期间发送的帧会产生冲突。

2）冲突检测（碰撞检测）

一种情况是当信道处于空闲的某个瞬间，如果总线上两个或两个以上的工作站同时想发送信息，则该瞬间可能检测到信道是空闲的，认为可以发送信息而同时发送信息，从而产生冲突（碰撞）；另一种情况是某站点侦听到信道是空闲的，但这种空闲可能是较远站点已经发送了信包，但由于在传输介质上信号传送的延时，信包还未传送到此站点的缘故，如果此站点又发送信息，则也将产生冲突，因此消除冲突是一个重要问题。

由于冲突只有在发送信息包以后的一段短时间内才可能发生，超过这段时间后，总线上各站点都会监听到有载波信号在占用信道，这一小段时间称为碰撞窗口或碰撞时间间隔。如果线路上最远两个站点间信包传送延迟时间为d，碰撞窗口时间一般取为2d。CSMA／CD的发送流程可简单地概括为：先听后发，边发边听，冲突停止，随机延迟后重发。冲突检测的流程如图5-14所示。

采用CSMA／CD介质访问控制方法的总线局域网中，每个节点在利用总线发送数据时，首先要侦听总线的忙、闲状态。如果总线上已经有数据信号传输，则为总线忙；如果总线上没有数据信号传输，则为总线空闲。由于以太网的数据信号是按差分曼彻斯特方法编码，因此如总线上存在电平跳变，则判断为总线忙；否则判断为总线空闲。如果一个节点准备好发送的数据帧，并且此时总线空闲，则可以启动发送。还有一种可能，在几乎相同的时刻，有两个或两个以上节点发送了数据帧，此时会产生冲突。所以节点在发送数据的同时应该进行冲突检测。冲突检测主要采用比较法。

图5-14　CSMA／CD的发送流程

比较法是发送节点在发送数据同时，将其发送信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较。如果总线上同时出现两个或两个以上的发送信号，它们叠加后的信号波形将不等于任何节点发送的信号波形。当发送节点发现自己发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形不一致时，表示总线上有多个节点同时发送数据，冲突已经产生。所谓编码违例判决法只检测从总线上接收的信号波形。如果总线只有一个节点发送数据，则从总线上接收到的信号波形一定符合差分曼彻斯特编码规律。因此，判断总线上接收信号电平跳变规律同样也可以检测是否出现了冲突。(www.xing528.com)

如果在发送数据帧过程中没有检测出冲突，在数据帧发送结束后，则进入结束状态。

如果在发送数据帧过程中检测出冲突，在CSMA／CD介质存取方法中，首先进入发送冲突加强信号（Jamming Signal）阶段。CSMA／CD采用冲突加强措施的目的是确保有足够的冲突持续时间，以使网络中所有节点都能检测出冲突存在，废弃冲突帧，减少因冲突浪费的时间，提高信道利用率。冲突加强中发送的阻塞（Jam）信号一般为4字节的任意数据。

完成冲突加强过程后，节点停止当前帧发送，进入重发状态。进入重发状态的第一步是计算重发次数。以太网协议规定一个帧最大重发次数为16。如果重发次数超过16次，则认为线路故障，系统进入冲突过多结束状态。如重发次数N≤16，则允许节点随机延迟后再重发。

在计算后退延迟时间，并且等待后退延迟时间到之后，节点将重新判断总线忙、闲状态，重复发送流程。

从以上讲解中可以看出，任何一个节点发送数据都要通过CSMA／CD方法去争取总线使用权，从它准备发送到成功发送的发送等待延迟时间是不确定的。因此人们将以太网所使用的CSMA／CD方法定义为一种随机争用型介质访问控制方法。

CSMA／CD方式的主要特点是：原理比较简单，技术上较易实现，网络中各工作站处于同等地位，不要集中控制，但这种方式不能提供优先级控制，各节点争用总线，不能满足远程控制所需要的确定延时和绝对可靠性的要求。此方式效率高，但当负载增大时，发送信息的等待时间较长。

3.令牌环访问法

令牌环（Token Ring）是令牌通行环（Token Passing Ring）的简写，它采用环形布局和基带网，数据传送速率为4 Mbps，并采用单个令牌（或双令牌）的令牌传递方法。令牌环访问控制法的主要特点是只有一条环路，信息单向沿环流动，无路径选择问题。

令牌（Token）也叫通行证，它具有特殊的格式和标记，是由1位或多位二进制数组成的编码。例如，令牌是一个字节的二进制数“11111111”，该令牌沿环形网依次向每个节点传递，只有获得令牌的节点才有权利发送信包。令牌有“忙”和“空”两个状态。“11111111”为空令牌状态。当一个工作站准备发送报文信息时，首先要等待令牌的到来，当检测到一个经过它的令牌为空令牌时，即可以“帧”为单位发送信息，并将令牌置为“忙”（“00000000”）标志附在信息尾部向下一站发送。下一站用按位转发的方式转发经过本站但又不属于由本站接收的信息。由于环中已没有空闲令牌，因此其他希望发送的工作站必须等待。

1）接收过程

每一站随时检测经过本站的信包，当查到信包指定的地址与本站地址相符时，则在复制信息的同时继续转发该信息包。环上的帧信息绕网一周，由源发送点予以收回。按这种方式工作，发送权一直在源站点控制之下，只有发送信包的源站点放弃发送权，把令牌置“空”后，其他站点得到令牌才有机会发送自己的信息。

2）令牌环访问法的特点

令牌方式在轻负载时，由于发送信息之前必须等待令牌，加上规定由源站收回信息，大约有50%的环路在传送无用信息，所以效率较低。然而在重负载环路中，令牌以“循环”方式工作，故效率较高，各站机会均等。令牌环的主要优点在于它提供的访问方式的可调整性，它可提供优先权服务，具有很强的实时性。

令牌环访问的缺点是需有令牌维护要求，避免令牌丢失或令牌重复，故这种方式的控制电路较复杂。

4.令牌总线访问法

1）令牌总线的工作原理

令牌总线（Token Bus）主要用于总线网络结构中，综合了令牌传递方式和总线网络的优点，在物理总线结构中实现令牌传递控制方法。总线网络把总线传输介质上的各工作站形成一个逻辑上的环，即将各工作站置于一个顺序的序列内（如可按照接口地址的大小排列）。该方法可以是在每个站点中设一个网络节点标识寄存器NID，初始地址为本站点地址。网络工作前，要对系统初始化，以形成逻辑环路，其过程主要是：网中最大站号n开始向其后继站发送“令牌”信包，目的站号为n＋1，若在规定时间内收到肯定的信号ACK，则n＋1站连入环路，否则再n＋1继续向下询问（该网中最大站号为n＝255，n＋1后变为0，然后按1、2、3…递增），凡是给予肯定回答的站都可连入环路并将给予肯定回答的后继站号放入本站的NID中，从而形成一个封闭逻辑环路，经过一遍轮询过程，网络各站标识寄存器NID中存放的都是其相邻的下游站地址。

逻辑环形成后，令牌逻辑中的控制方法类似于令牌环。在令牌总线中，信息是按双向传送的，每个站点都可以“听到”其他站点发出的信息，所以令牌传递时都要加上目的地址，明确指出下一个将要控制的站点。这种方式与CSMA／CD方式的不同在于除了当时得到令牌的工作站之外，所有的工作站只收不发，只有收到令牌后才能开始发送，所以其拓扑结构虽是总线式但可以避免冲突。

2）令牌总线访问法的特点

令牌总线访问方式的最大优点是具有极好的吞吐能力，且吞吐量随数据传输速率的增大而增加，并随介质的饱和而稳定下来但并不下降；各工作站不需要检测冲突，故信号电压容许较大的动态范围，连网距离较远；有一定实时性，在工业控制中得到了广泛应用，如MAP网用的就是宽带令牌总线。其主要缺点在于其复杂性和时间开销较大，工作站可能必须等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。