如何建立雙層網(wǎng)絡平臺

1、問題的提出

隨著計算機技術，微電子技術和通信技術的發(fā)展，出現(xiàn)了多種聯(lián)網(wǎng)技術，并有多種網(wǎng)絡架構共同存在。雖然近年來，以TP/IP和ETHERNET為代表的成熟的開放式聯(lián)網(wǎng)技術，在科學研究、信息處理等方面展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢，但是單一的網(wǎng)絡連接方式，面對目前更多應用領域聯(lián)網(wǎng)所要求的高帶寬速率、高可維護性、高可靠性仍顯力不從心，尤其在網(wǎng)絡失效保護、網(wǎng)絡控制管理等方面存在較多問題。

由此，利用傳統(tǒng)的串口通信聯(lián)網(wǎng)技術，配合現(xiàn)有的C/S開放聯(lián)網(wǎng)模式，低成本拓展構建安全高效的雙層網(wǎng)絡平臺，成為解決上述問題的一種嘗試性方案。

2、雙層網(wǎng)絡的基本模式

所謂雙層網(wǎng)絡，實際上是將“網(wǎng)絡控制信息”與“網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息”分離，在各個計算機結點之間形成控制信息流與數(shù)據(jù)信息流分離的雙層通訊通道。其中，數(shù)據(jù)流傳遞依靠目前流行的以TCP/IP和ETHERNET為代表技術的高速網(wǎng)絡架構，而控制信息流則主要依托靈活的串行聯(lián)網(wǎng)技術解決。

當然，這種雙層網(wǎng)絡的模式還是區(qū)別于計算機內部數(shù)據(jù)總線與控制總線分離模式的。雙層網(wǎng)絡對于其網(wǎng)絡間傳遞的數(shù)據(jù)并不是絕對意義上得分類傳送，而是在非失效狀態(tài)下的分類傳送，即在單一網(wǎng)絡連接失效，或者某層網(wǎng)絡體系面臨癱瘓威脅時，雙層網(wǎng)絡的安全運行機制將利用剩余的網(wǎng)絡鏈路進行備援式工作，對數(shù)據(jù)進行混合傳遞，以保障網(wǎng)絡應用的持續(xù)性。

應該特別指出的是，雙層網(wǎng)絡是“并行”意義上的雙層網(wǎng)絡，并不是把以太設備與串行設備的簡單連接。其中，控制信息和數(shù)據(jù)信息也不是絕對劃分的，控制信息更多是指用于管理和控制設備的信號，更多的保障通訊的控制信息仍和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)一起混合傳送。

雙層網(wǎng)絡平臺有如下特點：

·實現(xiàn)信息流分離
·網(wǎng)絡局部冗余
·屬于物理上的安全網(wǎng)絡
·多種聯(lián)網(wǎng)技術并存

當然，雙層網(wǎng)絡平臺中的每一層都使用同一種聯(lián)網(wǎng)技術，進行完全意義上的冗余配置，也是可行的，其效益將體現(xiàn)在易用性上，但其在建設成本和系統(tǒng)廣泛兼容方面將失去一些優(yōu)勢，因此不作為雙層網(wǎng)絡架構的主要推薦模式。

另一方面，不使用控制信息與數(shù)據(jù)信息分流技術，僅利用傳統(tǒng)的成熟的通信協(xié)議，配合雙層網(wǎng)絡的物理架構，針對現(xiàn)有的網(wǎng)絡需求，在眾多領域已經(jīng)有較為廣泛的應用前景。但這種應用方式?jīng)]有深入地挖掘雙層網(wǎng)絡架構的傳送優(yōu)勢，尤其是在網(wǎng)絡正常運行的狀態(tài)下，遠未達到網(wǎng)絡的運行的最高效率。

3、利用串口技術構建控制層面的理論依據(jù)

利用串口通信聯(lián)網(wǎng)技術構建控制層，是雙層網(wǎng)絡平臺應用的重要技術特點，也是雙層網(wǎng)絡平臺展現(xiàn)其應用優(yōu)勢的保障。

1）串口聯(lián)網(wǎng)技術日益成熟

從RS-232到RS-422、再到RS-485，串行通信標準在不斷得向前發(fā)展，通信距離短，速率低已不再成為影響串口通信應用的缺陷。相反，串口聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)解決了多點雙向的傳輸問題，已經(jīng)成為一種極為經(jīng)濟，并具有相當高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共摸范圍的通信技術。

由于RS-485串行總線與持長距離、高傳輸率和較強的抗干擾能力，所以應用于控制系統(tǒng)中十分可靠穩(wěn)定的。

根據(jù)系統(tǒng)工作環(huán)境要求和系統(tǒng)可靠性要求，可以靈活調整傳輸參數(shù)，尤其是利用對傳輸波特率的調整，可以在傳輸距離和傳輸速率之間找到平衡點，以達到更高的應用要求。

2）低成本高兼容性擴展

采用串口聯(lián)網(wǎng)技術構建雙層網(wǎng)絡平臺中的控制層面，不需要對現(xiàn)有計算機進行大規(guī)模改造，即可實現(xiàn)立即聯(lián)網(wǎng)，而針對其它多種串口設備的立即聯(lián)網(wǎng)則更為容易。即使有多種串行接口存在于同一網(wǎng)絡上，它們之間的轉換也十分方便。特別對于那些實時系統(tǒng)，不需要中斷運行，也可以實現(xiàn)網(wǎng)絡升級。

3）現(xiàn)有串口聯(lián)網(wǎng)設備的支持

使用串口技術建立雙層網(wǎng)絡平臺，是十分方便快捷的，因為已經(jīng)有許多成熟的串口聯(lián)網(wǎng)設備為之提供支持。較為成熟的產(chǎn)品有嵌入式串口網(wǎng)絡接入設備、串口電源開關管理服務設備、串口聯(lián)網(wǎng)服務器、網(wǎng)絡共享器以及路由器設備。也就是說對于串口聯(lián)網(wǎng)硬件設備而言，是相當成熟的。

4、雙層網(wǎng)絡平臺的運行失效保護。

失效保護是雙層網(wǎng)絡平臺的重要運行機制，主要解決網(wǎng)絡運行故障保護問題。眾所周知，在許多應用領域內，對網(wǎng)信平穩(wěn)運行的要求非常高。對于單一鏈路網(wǎng)絡，一旦受損，即使能迅速啟動備援系統(tǒng)，也不可能實現(xiàn)完全意義上的透明過度。

而雙層網(wǎng)絡的架構就很好的解決了這個問題。一旦基于TCP/IP的鏈路受損，甚于串行接口的網(wǎng)絡即可接替其承擔信息傳遞任務。同樣，基于TCP/IP的鏈路也可以作為控制信息傳遞的后備鏈路。當然，網(wǎng)絡運行在失效保護狀態(tài)時，其傳輸能力將明顯下降，此時可對受損網(wǎng)絡進行維護，以盡快使用網(wǎng)絡正常運行。

5、目前存在諸多應用問題

1）信息流分離與合并

構建雙層網(wǎng)絡平臺，尤其重要的是數(shù)據(jù)信息與控制信息的分離與合并。正常運行的網(wǎng)絡中兩種數(shù)據(jù)是分離的，而非正常運行的網(wǎng)絡中，兩種數(shù)據(jù)是合并的。由此，需要對通信協(xié)議作一定擴展性研究，要求在失效狀態(tài)下啟用特定的協(xié)議作為通信的規(guī)則保障。

2）監(jiān)控的設置

對于監(jiān)測網(wǎng)絡的正常，即要求網(wǎng)絡中的兩層相互檢測。而對于其實現(xiàn)，可以有軟件和硬件兩種方式。其中軟件監(jiān)測主要針對端口狀態(tài)進行，而硬件監(jiān)測主要通過對數(shù)據(jù)流的檢查進行。至于網(wǎng)絡切換當然要依據(jù)監(jiān)測的結論實施。

6、相關技術的展望

雙層網(wǎng)絡，主要是針對一些網(wǎng)絡運行的特殊要求提出的解決方案。由于其網(wǎng)絡架構的冗余性，雖然在一定程度上提高了網(wǎng)絡運行成本，但其對于網(wǎng)絡穩(wěn)定性的提高是顯而易見的，因此在許多領域都有著非常廣闊的應用前景，特別是在產(chǎn)業(yè)自動化控制領域。

我們主要討論了建立雙層網(wǎng)絡平臺的嘗試性方案。雙層網(wǎng)絡的實際應用還有待于通訊協(xié)議和相關聯(lián)網(wǎng)設備的完善，而目前實際應用中的多種聯(lián)網(wǎng)技術和網(wǎng)絡架構更多的是一種網(wǎng)絡層技術上的相互連接。這里討論的雙層網(wǎng)絡問題，更多的是基于信息流的研究，這對于提高網(wǎng)絡安全將更為有利。尤其需要指出的是，更深層次上的對數(shù)據(jù)流與控制流的研究，將對網(wǎng)絡拓撲的更新與發(fā)展有很大的促進。