局域網技術控制

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【摘要】：分析比較了傳統的局域網技術以太網和令牌網的特性和適用范圍，說明對于有實時處理要求的信息管理系統，可采用兩種技術的分層次的綜合互連，以兼顧實時控制和辦公管理的不同需求。

【關鍵詞】：信道競爭技術；令牌傳送協議；實時控制；服務質量(QoS)

1．以太網與令牌網的特性分析與適用范圍

傳統的局域網技術標準主要有以太網（IEEE802.3）、令牌總線網(IEEE802.4)及令牌環網（IEEE802.5）。以太網（IEEE802.3）采用CSMA/CD協議,它使用的是信道競爭技術，在輕負載時延遲小，重負載時因沖突發生頻繁，而使延遲加大，甚至可能發送失敗，即重負載時傳送效率很低。令牌總線網（IEEE802.4）和令牌環網（IEEE802.5）雖然拓撲結構不同，但都采用令牌傳送協議，持有令牌的站點可占用信道來傳輸數據，令牌按順序傳遞，該協議是無沖突協議，在輕負載是延遲較大，需要等待令牌的到來，而重負載時效率高，近乎100％。

以太網因其協議簡單、使用方便而在信息管理方面得到廣泛應用，成為局域網領域的流行標準。它在日常生活中用的最多，發展最快（10M/100M/1000M/10G）。但以太網本身的競爭協議造成的不確定性（對各工作站，不能保證在給定時間內獲得發送權），使它不適用于實時處理領域，如實時生產調度、實時控制和實時信息處理（包括多媒體信息系統）等。它不能保證服務質量(QoS)，這是IEEE82.3/以太網最大的缺點，也是它們常受到挑戰的原因。

實際上，以太網也在不斷的改進技術，如全雙工、交換式以太網都是為了克服CSMA/CD這個競爭協議的限制,提高系統的吞吐率和效率；還在原有的標準中增加了IEEE802.IP標準，提供了優先級的區分CoS(ClassofService)的功能，在網絡擁擠時，以太網將優先轉發高優先級的數據包。但這些局部改進仍不足以保證它的QoS。最新推出的10G以太網放棄了CSMA/CD協議，應用范圍從局域網擴展到城域網和廣域網，但還是繼承了以太網一貫的弱QoS特點。

IEEE802.4和IEEE802.5都能保證工作站在給定時間內獲得發送權，而且還分別設置了數據優先級和工作站的優先級因此，因此可實現有保障的可分級的數據傳送服務，它們能夠保證實時性和可靠性。現在自動化領域積極采用的現場總線技術，也使用了類似的令牌傳送協議，以保證信息傳輸的實時性強，可靠性高。

因此，IEEE802.3/以太網常用于辦公自動化，以及MIS系統等應用中。而IEEE802.4和IEEE802.5可以用于實時控制。對于有實時處理要求的信息管理系統，如企業的生產調度和管理系統、網上定購遠程制作的實時管理系統等。可在網絡體系結構上進行分級：底層（控制層）采用實時性能較好的協議技術，如令牌協議技術、現場總線技術；上層（信息層）采用信息管理的標準協議以太網技術，以便于接入互連網。

2．實例說明-用于工廠自動化和辦公自動化的局域網

下面先簡單介紹應用于工廠自動化中的MAP/TOP網。MAP/TOP網用于工廠自動化和辦公室自動化局域網，MAP是ManufacturingAutomationProtocal的縮寫，TOP是TechnicalandOfficeProtocal的縮寫。MAP是美國通用汽車公司GM提出的一種用于生產自動化的局域網協議，而TOP是由美國波音公司開發的一種用于辦公室自動化的局域網協議。產生MAP和TOP的背景十分相似。在通用汽車公司有40，000個可編程序的設備，可是這些設備來自很多不同的廠家，其中只有15%可互相通信，幾乎有50%的自動化投資用來解決這種設備間無法通信的不兼容問題，于是從1980年開始GM開始著手開發指定一種使用于工廠的局域網協議標準，并于1982推出第一個MAP版本MAP1.0，與此同時，波音公司也遇到類似的問題，1980年，波音公司有45臺主機，400臺小型機以及近20.000臺工作站或終端，這些設備來自85個不同廠商，1982年波音公司開始著手開發制定用于辦公自動化的局域網協議，此后，分別建立了MAP擁護協會和TOP擁護協會，并于1986年合并成MAP/TOP協議中相當一部分是和ISO/OSI的協議標準兼容，它也是七層結構。

由于集成制造系統各部分對通信要求的差別很大，采用單一的ISP/OSI模型是不實際的，應該根據不同的要求選擇不同的網絡，并且通過網絡互連構成一個綜合的通信網絡，以達到優化的結果。例如，在實時控制情況下，網絡通信的響應時間在毫秒級，但是每次傳送的數據量很小，而在工廠辦公室環境下，計算機節點之間往往有大量數據需要傳送，傳送數據的時間達幾秒，甚至幾分鐘，因此建立計算機之間連接的時間相對來說就不十分重要了。

在TOPLAN中，由于是生產控制一起掛連，所以要求實時性能高，其選用的是TOP協議，而TOP協議在介質訪問控制MAC協議選用的是802.4的TokenBuss。在主干網MAPLAN中，掛接的是質量控制與工件運輸，其要求傳輸數據量大，實時要求不高，因此選用了MAP協議，MAP協議中又是選用以太網中的CSMA/CD協議。由于各部分LAN對通信要求不一樣，所以選用了不同的協議。各主干通過路由器和網橋等將各協議有機的結合起來，以達到優化的結果。通過分級結構，實現以太網和令牌網的集成，既兼顧了實時性又便于信息管理。

3．結束語

本文對局域網標準常用的以太網(IEEE802.3)和令牌網(IEEE802.4或IEEE802.5)的特性進行了比較分析。以太網因其協議簡單、使用方便而在信息管理方面得到廣泛應用，在局域網領域發展最快，但它因為協議本身的原因，不能保證服務質量QoS(主要是實時性和可靠性不能保證)，使它不適合實時處理領域。令牌網雖然現在使用較少，但它的協議技術能保證實時性和可靠性，值得我們在實時控制和實時信息處理等領域借鑒和運用它的相關技術。而且，通過實例說明說明，對于有實時處理要求的信息管理系統，一個好的方法是把兩種協議技術分層次實現并綜合互聯，以同時滿足底層的實時控制和上層的信息管理的不同需求。

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