第4章 其它控制網(wǎng)絡2017-2

4.2ARCNET網(wǎng)絡ARCNET（AuxiliaryResourceComputerNetwork）是一種基于令牌傳遞（TokenPassing）協(xié)議的現(xiàn)場總線，它最初是美國Datapoint公司在上世紀70年代末作為辦公自動化網(wǎng)絡發(fā)展起來的。由于其具有快速性、確定性、可擴展性和支持長距離傳輸?shù)忍攸c，非常適合過程實時控制，近年來被廣泛應用在各種自動化領域，是一種較理想的現(xiàn)場總線技術。14.2.1令牌環(huán)（token-ring）網(wǎng)絡簡介1.環(huán)形局域網(wǎng)的結構環(huán)形網(wǎng)絡的所有節(jié)點通過環(huán)接口設備（又稱環(huán)中繼轉發(fā)器RPU）接入環(huán)路，整個環(huán)路由一系列的環(huán)段（傳輸介質，也稱鏈路）和RPU組成。2①環(huán)中繼轉發(fā)器（RPU）。主要負責：網(wǎng)段的連接、信息的復制、再生和轉發(fā)、環(huán)監(jiān)控等。從其中的一個環(huán)段（稱為上行鏈路）上獲取幀中的每個位信號，再生（整形和放大）并轉發(fā)到另一環(huán)段（稱為下行鏈路）。如果幀中宿地址與本節(jié)點地址一致，復制MAC幀，并送給附接在本RPU的節(jié)點。若RPU故障，可導致網(wǎng)絡癱瘓。在此環(huán)形局域網(wǎng)中還有專門的環(huán)監(jiān)控器和多路訪問器。②幀的撤出問題：MAC幀無止境地在環(huán)路中再生和轉發(fā)。由發(fā)送節(jié)點完成。③專門的環(huán)監(jiān)控器：監(jiān)視和維護環(huán)路的工作。32.與總線形網(wǎng)絡不同①雖然一個節(jié)點發(fā)出的幀仍然可以像總線形網(wǎng)絡那樣被網(wǎng)絡中的所有節(jié)點接收，但這種接收是由環(huán)中所有的RPU的合作而實現(xiàn)的，每個RPU僅從其上行鏈路上獲取幀，再生幀中的每一位，并轉發(fā)到下行鏈路。②環(huán)形網(wǎng)要求專門的環(huán)監(jiān)控器，監(jiān)視和維護環(huán)路的工作。有時，環(huán)監(jiān)控的功能也分布在RPU中，但可以看到，RPU如果出現(xiàn)故障可能會導致整個網(wǎng)絡癱瘓，因此，實用中RPU常用多路訪問器（MAU）代替。43.令牌環(huán)網(wǎng)工作原理(1)具有特定格式的令牌幀繞環(huán)行駛，將訪問媒體的權利從一個節(jié)點傳遞到物理連接的另外一個節(jié)點（從一個RPU傳遞到物理鏈路另一端的RPU）；(2)希望發(fā)送信息的節(jié)點將數(shù)據(jù)組成MAC幀，并僅在獲得令牌之后，才可進行發(fā)送動作；(3)每個節(jié)點均執(zhí)行環(huán)內數(shù)據(jù)的再生和轉發(fā)；(4)只有接收節(jié)點（幀中的目的地址為本節(jié)點地址）進行數(shù)據(jù)幀的復制和接收；(5)發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點在收到繞環(huán)一周的幀后，撤出該幀并釋放令牌。54.令牌環(huán)的MAC幀格式1）幀開始/結束標志（SD/ED）2）訪問控制字段（AC）Pr/Rr：本幀優(yōu)先級和預定優(yōu)先級。T：令牌標識，T＝0時，標識對應幀為令牌幀，T＝1時，標識對應幀為信息幀。M：

監(jiān)視位，由環(huán)路中的監(jiān)控器（或者具有監(jiān)控功能的RPU）填寫，發(fā)送節(jié)點發(fā)送該幀（或令牌）時，M置為0，當該幀經(jīng)過監(jiān)控器時，監(jiān)控器將該位置為1。如果監(jiān)控器發(fā)現(xiàn)監(jiān)視位已經(jīng)被置為1，則認為發(fā)送節(jié)點出現(xiàn)故障，未能按規(guī)定撤出該幀，此時監(jiān)控器負責撤出該幀，并發(fā)出令牌幀。3）幀控制字段（FC）4）幀狀態(tài)標志（FS）65.令牌環(huán)網(wǎng)的特點1）同一時刻，環(huán)上只有一個數(shù)據(jù)幀在傳輸（一個節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)；

2）網(wǎng)上所有節(jié)點共享網(wǎng)絡帶寬；3）有最小的傳輸延遲時間（令牌傳輸需要時間）；4）數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點的時間是可計算的，可用于實時控制。5）標準：IEEE802.5。74.2.2令牌總線（token-passingbus）簡介1.令牌總線拓撲令牌總線采用總線拓撲，通過在網(wǎng)絡節(jié)點之間按照一定順序傳遞令牌（一組特定的比特模式）來分配各節(jié)點對共享型總線的訪問權利，形成閉合的邏輯環(huán)路。能完全采用半雙工的操作方式，只有獲得令牌的節(jié)點才能發(fā)送信息，其他節(jié)點只能接收信息，或者被動地發(fā)送信息為了保證邏輯閉合環(huán)路的形成，每個節(jié)點都動態(tài)地維護著一個連接表，該表記錄著本節(jié)點在環(huán)路中的前繼、后繼和本節(jié)點的地址，每個節(jié)點根據(jù)后繼地址確定下一占有令牌的節(jié)點。8令牌傳遞總線介質訪問控制應具有的功能：1）

令牌傳遞算法：邏輯環(huán)按遞減的站地址次序組成；2）

邏輯環(huán)的初始化；3）

站插入算法：應周期性的允許新的站點插入邏輯環(huán)中；4）

退出環(huán)路：一個站點能從環(huán)路上退出來，并將先行站和后繼站連接起來；5）

恢復：對丟失令牌能恢復；對多重令牌能識別等；該方式已列入IEEE802.4標準協(xié)議。92.令牌總線的基本原理采用令牌控制對介質的訪問，持令牌的站暫時控制了介質，并可以發(fā)送數(shù)據(jù)；令牌按一定的規(guī)則在網(wǎng)上的各站之間循環(huán)地傳遞，從而形成了一個邏輯環(huán)。除總線拓撲網(wǎng)絡外，樹狀網(wǎng)、星狀網(wǎng)等其它拓撲的網(wǎng)也可組成邏輯環(huán)路。實際上，網(wǎng)絡中令牌的傳送按虛線邏輯環(huán)路進行，而數(shù)據(jù)幀的傳送仍在兩站點間直接進行，這種結構叫做邏輯環(huán)網(wǎng)。一個站點要發(fā)送數(shù)據(jù)，必須持有令牌，持有令牌的站發(fā)完數(shù)據(jù)幀或發(fā)送的數(shù)據(jù)幀到達規(guī)定的個數(shù)，必須將發(fā)送控制權傳送給邏輯環(huán)的下游站。這樣，網(wǎng)上各站都有平等的發(fā)送數(shù)據(jù)幀的機會，網(wǎng)上允許只有一個令牌，沒有發(fā)送時的競爭現(xiàn)象。10邏輯環(huán)網(wǎng)與物理環(huán)網(wǎng)（IEEE802.5標準）相對比，由于物理環(huán)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)必須按環(huán)路進行，而邏輯環(huán)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)有直接通路，所以邏輯環(huán)網(wǎng)延遲時間短。11邏輯環(huán)網(wǎng)與采用CSMA的總線網(wǎng)相比，在網(wǎng)絡通信量增加的情況下，CSMA總線網(wǎng)沖突增加，系統(tǒng)開銷隨之增大，系統(tǒng)效率迅速下降。邏輯環(huán)網(wǎng)傳送令牌的時間為常數(shù)，不用解決沖突問題，效率依然很高；另外，CSMA網(wǎng)在訪問競爭中各站平等，訪問和響應具有隨機性，不具備時間確定性，不符合實時要求。而邏輯環(huán)網(wǎng)可實現(xiàn)有優(yōu)先級的數(shù)據(jù)傳送，且訪問和響應時間有確定值，符合實時要求。因此在列車通信網(wǎng)絡中可以采用ARCNET類型的令牌總線網(wǎng)絡。123.令牌總線幀的一般格式1）前導碼（P），用于收發(fā)同步；2）幀開始標志（SD），標識幀的開始；3）幀控制字段（FC），用于區(qū)分幀的類型，包括MAC控制幀（如令牌08H、設置后繼等）、LLC數(shù)據(jù)幀、站點管理數(shù)據(jù)幀等；4）宿/源地址（DA/SA）；5）數(shù)據(jù)字段（DATA），根據(jù)幀控制字段（FC）的取值，數(shù)據(jù)字段可以包含LLC協(xié)議數(shù)據(jù)單元、MAC管理數(shù)據(jù)、和MAC控制幀的數(shù)據(jù)；6）幀校驗序列（FCS），對SD和ED之間的所有字段進行循環(huán)冗余校驗；7）幀結束標志（ED），標識幀的結束，同時也標識了幀中FCS的位置。134.令牌總線幀的發(fā)送和接收①令牌傳遞有令牌的節(jié)點在發(fā)送完信息后，執(zhí)行環(huán)路維護工作，將令牌傳遞給后繼節(jié)點。繼續(xù)監(jiān)聽合法幀的傳遞，看后繼節(jié)點是否已獲得令牌，并正常工作；如果在規(guī)定時間內未監(jiān)聽到信息在媒體上的傳輸，執(zhí)行一次令牌重傳。如仍然未能監(jiān)聽到合法幀的傳輸，原后繼節(jié)點已撤出環(huán)路，開始尋找后繼和環(huán)路重構過程。發(fā)送“尋找后繼命令幀”（原后繼節(jié)點的地址為數(shù)據(jù)字段），原節(jié)點的后繼節(jié)點用“設置后繼命令幀”予以響應；雙方修改各自連接表中的后繼/前繼地址，傳遞令牌，恢復正常工作。14②令牌丟失的處理令牌環(huán)網(wǎng)中各節(jié)點設有“環(huán)不工作計時器”。在規(guī)定的時間內，未能監(jiān)聽到媒體上有信號傳輸，環(huán)不工作計時器超時，則環(huán)路中令牌丟失，或者環(huán)路處于初始工作狀態(tài)。如果任一節(jié)點判斷環(huán)上有不工作的節(jié)點，將采用競爭總線的方法爭奪生成令牌的權利。a.各節(jié)點根據(jù)本節(jié)點地址信息和一定的規(guī)則，形成不同長度的“要求令牌命令幀”，發(fā)往上網(wǎng)并監(jiān)聽網(wǎng)絡。b.不同的地址形成不同長度的幀幾乎“同時”發(fā)往網(wǎng)絡時，會產生沖突。c.節(jié)點在發(fā)送幀之后，監(jiān)聽網(wǎng)絡時，發(fā)短幀的節(jié)點會“監(jiān)聽”到其他節(jié)點的幀正在發(fā)送。發(fā)最長幀的節(jié)點感覺不到媒體上有信號的節(jié)點，贏得生成令牌的權利，執(zhí)行環(huán)路重構的過程。15③多個令牌的處理a.令牌重復：環(huán)路中同時具有多個令牌，由獲得令牌的節(jié)點進行處理。b.判斷令牌重復：獲得令牌的節(jié)點，如果仍然感知媒體上有信號在傳輸，表示有其他節(jié)點也掌握著令牌（令牌重復）。c.解決辦法：簡單地丟棄令牌，回到原接收狀態(tài)（目的在于減少環(huán)路中令牌的個數(shù)）。d.可能產生的后果：令牌丟失。165.令牌環(huán)路的維護（1）環(huán)路重構目的：在環(huán)路出現(xiàn)故障后，各節(jié)點填寫連接表，重新構造邏輯環(huán)。環(huán)路不工作后，獲得生成令牌權利的節(jié)點進行環(huán)路維護；發(fā)出“請求后繼命令幀”：尋找可能的后繼節(jié)點；限定響應節(jié)點的范圍，在此范圍內的節(jié)點用“設置后繼命令幀”響應；若有多個適合的節(jié)點予以響應（出現(xiàn)沖突），用“解決沖突命令幀”進一步限定范圍，直至有且僅有一個節(jié)點予以響應；置連接表中的后繼地址，并傳遞令牌給該后繼節(jié)點；后繼節(jié)點接收令牌，將令牌中的源地址置為連接表中的前繼地址，如果本節(jié)點維護的連接表中沒有指定后繼節(jié)點，則重復上述“尋找”后繼的動作；最終，環(huán)路形成，并且令牌返回原生成令牌的節(jié)點，完成環(huán)路重構動作，開始正常的工作。17（2）增加新節(jié)點新節(jié)點加入，須等待機會。節(jié)點在信息傳輸完畢之后，如果時間允許，應執(zhí)行必要的環(huán)路維護工作；詢問是否有新節(jié)點希望加入。如果有，則進行環(huán)路重構；若新節(jié)點符合后繼的要求，用“設置后繼命令幀”響應；部分節(jié)點修改連接表，容納新節(jié)點入網(wǎng)。18（3）節(jié)點撤出環(huán)路有兩種方法將節(jié)點撤出環(huán)路。節(jié)點可以在任意時刻、不采取任何動作地撤出環(huán)路。該節(jié)點的前繼會自動開始尋找新后繼的過程（令牌維護）；指定時刻退出環(huán)路。希望撤出環(huán)路的節(jié)點僅在收到令牌之后，用“置后繼命令幀”，將其后繼節(jié)點地址告訴前繼節(jié)點，并傳遞令牌，撤出環(huán)路。196.令牌總線的特點令牌傳遞，使所有節(jié)點對傳輸媒體進行公平和有序地訪問；可傳輸多種類型的幀，無最小幀長的限制（數(shù)據(jù)字段data>=0），控制方式復雜；整個網(wǎng)絡具有最小的傳輸延時。無數(shù)據(jù)可傳輸?shù)墓?jié)點，仍然需要處理令牌的傳遞和進行環(huán)路維護工作；可以估算整個網(wǎng)絡具有的最大發(fā)送延時。知道幀的長度、最大令牌占有時間和入網(wǎng)的節(jié)點個數(shù)之后，可以估算出每個節(jié)點的最大發(fā)送延時；令牌總線非常適合具有一定實時性要求的環(huán)境。優(yōu)點：結構簡單靈活、可靠性較高、網(wǎng)絡響應速度快、硬件設備量少、造價低、安裝使用方便，共享能力強，適合于一點發(fā)送、多點接收的場合。缺點：維修不便，一個鏈路故障，將會破壞網(wǎng)絡上所有節(jié)點的通信，探測電纜故障時，需要涉及整個網(wǎng)絡。在網(wǎng)絡中增加節(jié)點時，需要斷開節(jié)點，網(wǎng)絡將停止工作，故其網(wǎng)絡擴展性較差。204.2.3ARCNET令牌總線ARCNET是典型的令牌總線網(wǎng)絡，1999年成為美國國家標準ANSI／ATA-878.1。從OSI參考模型來看，ARCNET定義了ISO/OSI七層網(wǎng)絡體系模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其可開放底層接口，允許用戶自行開發(fā)嵌入式設備。1.ARCNET的節(jié)點及地址每個ARCNET物理節(jié)點包括一個數(shù)據(jù)鏈路層的通信控制器芯片和一個物理層的收發(fā)器芯片。每個節(jié)點有一個網(wǎng)絡地址，令牌以遞增的節(jié)點地址序號，從一個節(jié)點傳遞到另一個節(jié)點，形成邏輯環(huán)路。節(jié)點使用唯一的MAC地址標識自己，單個ARCNET子網(wǎng)最多可有255個節(jié)點，ARCNET支持點對點的定向消息和單點對多點的廣播消息。在數(shù)據(jù)鏈路層，采用令牌環(huán)機制，各節(jié)點通過傳遞令牌來協(xié)調網(wǎng)絡使用權。212.ARCNET的物理層在物理層，ARCNET支持總線型、星型以及分布式星型拓撲結構。ARCNET速率為2.5Mbit/s，傳輸?shù)慕橘|有同軸電纜、雙絞線、光纖，可滿足絕大多數(shù)自動控制應用對速度、抗干擾性和物理介質的要求。新型的ARCNETplus速率已從原來的2.5Mb/s增加到100Mb/s（使用光纖時）。223.ARCNET的幀類型雖然ARCNET遵從IEEE802.4的協(xié)議，但是在具體幀結構上還是存在著差異。ARCNET有令牌幀、空閑緩沖區(qū)詢問幀、確認幀、否認幀及數(shù)據(jù)傳輸幀等多種信息幀。23ARCNET幀不管是哪種幀，都由ALERT引導，類似于Ethernet中使用的前導碼。24邀請發(fā)送（ITT）令牌幀總是傳遞給其后繼工作站。EOT是ASCII碼中的傳輸結束控制符（04hex）。后跟的兩個字節(jié)都是DID（終點標識符），即后繼工作站的地址。重復使用DID的目的是增加可靠性。25空閑緩沖器詢問（FBE）幀。ENQ是ASCII字符集中的詢問字符（05hex）。隨其后的兩個字節(jié)DID是想通過詢問了解空閑緩沖器狀態(tài)的工作站標識。DID重復使用也是為提高尋找終點工作站的可靠性。26ACK（確認）幀由ALERT和ACK組成。ACK是ASCII字符集中的確認字符（06hex）當響應FBE幀而發(fā)送ACK時，表示接收工作站具有可供使用的緩沖器空間。ACK幀之所以沒有DID字段，是因為這種幀是作為廣播方式發(fā)送的。27NAK（否認）幀是ASCII字符集中的否認字符（15hex）。當響應FBE幀而發(fā)送NAK時，表示接收工作站不具有可供使用的緩沖空間。NAK幀也沒有DID字段，其原因與ACK幀相同。28PAC幀，即數(shù)據(jù)幀。幀中SOH（標題開始）是ASCII字符集中的標題開始字符（01hex）。SID（源點ID）和（終點ID）表示源點和終點工作站的地址。CP（連續(xù)指針）字段指示工作站在存儲器中找到的傳輸數(shù)據(jù)的起點。數(shù)據(jù)字段DATA具有可變長度，處于1字節(jié)和508字節(jié)之間，用以攜帶用戶數(shù)據(jù)。2字節(jié)的CRC字段由發(fā)送站添加，用來保護Data字段。294.ARCNET工作機制ARCNET的地址由8bit組成，其中地址0作為廣播地址。因此ARCNET上最多可以容納255個節(jié)點。ARCNET節(jié)點之間的的數(shù)據(jù)傳輸像總線型LAN一樣是廣播式的，但對總線的訪問決定于令牌。為說明這種網(wǎng)絡的操作機制，假定在一條總線上有4個節(jié)點，其地址分別為1，10，25和255。在啟動網(wǎng)絡時，這四個工作站形成一個邏輯環(huán)，每個站都跟蹤兩個信息：

①誰是后繼者；

②誰是前驅者。這兩種信息分別由字母S（后繼者）和P（先驅者）代表。一個工作站的后繼者定義為邏輯環(huán)上具有較高地址的站；先驅者則定義為邏輯環(huán)上具有較低地址的站。30由于ARCNET中站地址0用于廣播地址，因此最小站地址為1，最大站地址為255。在構成邏輯環(huán)時規(guī)定，工作站地址為255的后繼站地址為1，站地址為1的前驅站地址為255。315.幀的發(fā)送與接收32336.令牌維護3435363738（1）列車總線構成列車總線的設備有中央裝置、終端裝置、顯示器、顯示控制裝置、IC卡架以及車內信息顯示器構成。各裝置在列車內的配置情況如表4.11

所示。39列車總線傳送線路包括車輛信息傳送線（光纖環(huán)網(wǎng)）及自我診斷信息傳送線（雙絞屏蔽線）2種。車輛信息傳送線是環(huán)線回路（loop）構成，如果在一個方向的環(huán)繞中檢測到無應答的情況，就向另一個方向的環(huán)繞傳送，能夠避開故障部位。另外，當兩列車聯(lián)掛編組時車輛的中央裝置之間由2對電線（雙絞屏蔽線）連接，條件（聯(lián)掛車輛的兩個中央裝置之間，MCR是OFF的情況下）成立時，打開環(huán)線回路（loop），將聯(lián)掛前的獨立的環(huán)線回路（loop）結合在一起，就能夠保持編組環(huán)線回路（loop）的構成。40圖4.33列車總線結構4142圖4.43列車總線布線示意圖434445中央裝置4647終端裝置48MDM8.2板：光信號傳輸卡。終端裝置用該卡收發(fā)光信號，它是信息網(wǎng)絡系統(tǒng)的主要傳輸電路。MDM9板：光信號傳輸卡。終端裝置用該卡與制動控制器及牽引變流器交換信息。AIN板：模擬信號輸入卡。中端裝置用該卡采集模擬信號，模擬信號輸入范圍為0～100V。492.信息傳輸及其冗余特性（1）信息傳輸路徑列車網(wǎng)絡系統(tǒng)通過貫穿列車的光纖雙重環(huán)形網(wǎng)絡及由多股絞合線組成的備份傳送線傳輸系統(tǒng)組成?？刂浦噶顐魉蛣t采用獨立于監(jiān)視器部分的雙重CPU方式，具有故障導向安全的功能。圖4.47給出了列車網(wǎng)絡的信息傳輸途徑。50傳送通道包括環(huán)形光纖網(wǎng)絡及備份傳送線（多股膠合線構成，也稱為自我診斷傳送線）。兩端頭車（1、8號車）設置有由控制傳送部和監(jiān)視器構成的中央裝置，具有全列車整體管理和向司機駕駛臺顯示器傳送數(shù)據(jù)的功能。每節(jié)車輛分別設置有一臺終端裝置，實現(xiàn)車輛車載設備的控制與信息傳輸功能。中央裝置與終端裝置之間由環(huán)形網(wǎng)絡及備份傳送線連接，具有向左和向右兩條傳輸通道，具有較強的傳輸可靠性。51（2）傳送通道的冗余發(fā)生傳輸故障時，信息傳輸會切換傳輸路徑以避開故障發(fā)生點。切換信息系統(tǒng)傳輸路徑因傳輸路徑具有左右兩個方向，對于控制指令等具有應答性要求的信息，通常兩個方向同時傳送，可實現(xiàn)回避故障點，不會產生信號切換延遲；對于其它信息，發(fā)送方在無法收到接收方的應答時，可從發(fā)送方的光傳輸節(jié)點重新獲取信息，用其它方向的通道傳輸信息以避開故障點。圖4.49給出了一個故障實例。中央裝置內部的控制部切換控制傳輸部1、2采用雙CPU結構，運行時有內部冗余措施，當1發(fā)生故障時，才使用2的數(shù)據(jù)（異常檢測及切換在50ms內完成。52圖4.38正常傳輸示例53圖4.39終端4－6節(jié)點間出現(xiàn)故障54圖4.40中央裝置內部故障切換55備份傳送備份傳送線為獨立結構，正常運行時對傳送系統(tǒng)進行實時監(jiān)視。一旦光纖網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，可不通過光傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)控制傳送部之間數(shù)據(jù)通信（這是最后的備用手段）。563.CRH2動車組信息網(wǎng)絡系統(tǒng)功能（1）控制指令的傳輸功能控制傳送部經(jīng)由車輛信息傳送線向牽引變流器和制動控制裝置等傳送從司機臺輸入的下列控制指令。另外，在監(jiān)視器部的動作模式為檢修模式時（車上試驗執(zhí)行模式），可根據(jù)從監(jiān)視器部接收的指令發(fā)出控制指令

。57（2）診斷信息的傳輸功能診斷信息主要有以下內容：①ROM診斷：顯示中央裝置（監(jiān)視器部