一、 引言

　　一個現代化工業企業的網絡環境一般可分為四個層次：

　　·Internet：實現企業之間的信息交流；
　　·Intranet：實現企業內部管理、財務、辦公及人事等的信息化；
　　·Infranet：實現工業企業現場生產設備級的綜合管理、調度與監控等；
　　·Embedded Network ：嵌入式網絡。實現生產設備內部多個分布式子系統之間的實時通信。

　　Internet、Intranet都基于TCP/IP協議簇，Intranet是面向廣域網的Internet在企業內部局域網上的延伸。 Infranet的建設目前主要采用各種現場總線協議，如ProfiBus、Lonwork、CAN等。

　　隨著社會的進步和技術的發展，現代機電控制系統往往包括若干個子系統，每個子系統既自成一體，擁有自己獨立的CPU，又與其它子系統緊密協調。嵌入式網絡就是實現子系統間相互通信的手段。

　　二、對嵌入式網絡的特殊要求

　　嵌入式網絡通常應用在環境比較惡劣的工業生產現場，因此在以下幾個方面有其自身獨特的要求：

　　1. 實時性：生產設備內部多個分布式子系統信息耦合通常比較緊密，對實時性要求很高，這就要求所用的網絡協議具有可確定的實時性能，即極壞情況下的響應時間是可確定的；另外在網絡節點數比較多，或者有些節點對實時響應要求特別高時，網絡協議還應支持優先級調度，以提高時間緊迫型任務的信息傳輸可確定性。

　　2. 可靠性：嵌入式網絡本身的可靠性直接影響設備的有效作業率、成品率和生產效率，要求網絡能動態增加/刪除節點；生產現場比較惡劣的電磁環境要求嵌入式網絡本身具有很強的抗干擾能力、檢錯和糾錯能力以及快速恢復能力；

　　3. 通信效率：嵌入式網絡通信的特點之一是子系統之間通信非常頻繁，但每次通信的信息長度很短，因此要求嵌入式網絡協議盡量采用短幀結構，且幀頭和幀尾盡可能短，從而提高通信效率和帶寬的利用率；

　　4. 雙重混合支持：不同工作環境的巨大差異決定了嵌入式網絡應具有靈活的介質訪問協議，不但支持多種介質（雙絞線、同軸電纜、光纜），而且支持混合拓撲結構（星型、環型、總線型），有時甚至要求同一個嵌入式網絡能同時使用多種介質和多種網絡拓撲。如在噪聲環境中，系統中一部分連接需要使用光纜，其它部分則使用雙絞線或同軸電纜。同軸電纜適于采用總線拓撲，而光纖則更適于環型或星型拓撲，這就要求網絡協議具有雙重混合支持。

　　5. 實現難度和造價：嵌入式系統通常需要針對實際需求進行專門設計與制造，這就要求其中的網絡系統軟硬件容易實現，并與子系統控制部分集成，有關元器件商品化程度高，造價較低。

　　6. 開放性：嵌入式網絡必需具有良好的開放性，一方面能通過企業Infranet連接到Intranet中，實現企業生產管理的管控一體化；另一方面應具有公開透明的開發界面，資料完備，實現系統硬件、軟件的自主開發和集成。

　　此外，嵌入式網絡系統必須配置靈活、維護簡便。

　　通常，嵌入式網絡就覆蓋范圍而言屬于局域網。按照ISO/OSI的觀點，TCP/IP協議簇位于網絡層以上。顯然，TCP/IP協議簇已經超出了嵌入式網絡系統的范疇。嵌入式網絡包括ISO/OSI七層模型中的物理層和數據鏈路層。數據鏈路層在具體實現上可劃分成兩個子層：介質訪問控制子層（MAC子層）和邏輯鏈路控制子層（LLC子層）。MAC子層包括物理層接口硬件和實現介質訪問協議的通信控制器；通常LLC子層由軟件實現（用戶自主開發）。因此，嵌入式系統設計中網絡通信協議選擇的核心是介質訪問協議的選擇。

　　三、 常見介質訪問協議的比較

　　1、面向鏈接的協議

　　面向鏈接的協議主要用在網絡發展初期的主機–終端式網絡中，如X.25和IBM的SNA網絡。其主要缺點是：1）節點之間采用串行連接方式，每個物理連接只支持兩個節點，速度較低；2）物理上沒有連接的節點之間的通信需要經過多個中間節點的多次傳輸；3）直接相連的節點間的通信是可確定的，而間接相連的節點間的通信則無法確定延時。因此，在局域網技術已非常成熟的今天，這類協議已很少應用。

　　2、輪詢法

　　輪詢法因其簡單和實時性能可確定等特點而成為嵌入式網絡常用協議之一。采用輪詢法的協議，需指定一個主節點作為中央主機來定期輪詢各個從節點，以便顯式分配從節點訪問共享介質的權力。這類協議的缺點是；1）輪詢過程占用了寶貴的網絡帶寬，增加了網絡負擔；2）風險完全集中在主節點上，為避免因主節點失效而導致整個網絡癱瘓，有時需設置多個主節點來提高系統的健壯性(如Profibus)。

　　3、CSMA/CD（帶沖突檢測的載波監聽多路訪問）

　　CSMA/CD有許多不同的實現版本，其核心思想是：一個節點只有確認網絡空閑之后才能發送信息。如果多個節點幾乎同時檢測到網絡空閑并發送信息，則產生沖突。檢測到沖突的發送信息的節點必須采用某種算法（如回溯算法）來確定延時長短，延時結束后重復上述過程再試圖發送。

　　CSMA/CD的優點是理論上能支持任意多的節點，且不需要預先分配節點位置，因此在辦公環境中幾乎占有優勢。但在CSMA/CD中沖突產生具有很大的隨機性，在壞情況下的響應延時不可確定，無法滿足嵌入式網絡基本的實時性要求。

　　4、TDMA（時分多路訪問）

　　TDMA已大量應用于移動通信領域（如GSM、DAMPS），但也可用于局域網。TDMA的特點是：每輪信息傳輸前，網絡中的主節點先廣播一個幀同步信號以同步各從節點的時鐘，在幀同步信號之后，每個從節點在各自所分配的時間片內發送數據。TDMA的缺點是：1）每個從節點必須有一個穩定的基準時間以確定時間片，因此從節點比較復雜，造價較高；2）TDMA的主流應用領域依然是無線移動通信領域，用于嵌入式網絡的TDMA無論在相關軟硬件技術支持和市場認同方面都非常欠缺。

　　5、令牌環

　　在令牌環網中，節點之間使用端到端的連接，所有節點在物理上組成一個環型結構。一組特殊的脈沖編碼序列，即令牌，沿著環從一個節點向其物理鄰居節點傳遞。一個節點獲得令牌后，如無信息要發送，則將令牌繼續傳遞給下一個鄰居，否則首先停止令牌循環，然后沿著環發送它的信息，繼續令牌傳遞。令牌環網的優點是：1）在實時性方面是可確定的。因為容易計算出壞情況下節點等待令牌的時間；2）令牌傳遞占用的網絡帶寬極小，帶寬利用率很高，具有強大的吞吐能力。但這種協議在具體實現時為確保可靠性必須付出較大的代價：1）為了避免因電纜斷裂和節點失效導致整個網絡癱瘓，常采用雙環結構（如FDDI）和失效節點自動旁路措施，導致實施成本增加；2）為了能立即檢測到令牌是否意外丟失，不得不增加該協議實施的復雜性。

　　6、令牌總線

　　令牌總線的基本原理與令牌環網相似。但在令牌總線中，網絡上所有節點組成一個虛擬環，而非物理環。令牌在虛擬環中從一個節點傳向其邏輯鄰居節點。只有持有令牌的節點才能訪問網絡。如同令牌環一樣，令牌總線具有非常高的網絡帶寬利用率、很高的吞吐能力和良好的可確定性。另外令牌總線中各節點有相同的優先級；令牌總線中的電纜斷裂并不一定導致整個網絡癱瘓；網絡運行過程中可動態增加或關閉節點，因此節點失誤一般不會導致整個網絡癱瘓（當然在網絡啟動、增加 /刪除節點時會導致邏輯環重構，以便每個節點確定自己的邏輯鄰居，這會有點費時）；總線拓補結構還非常適合于制造設備。因此，令牌總線協議被MAP （Manufacturing Automation Protocol，制造自動化協議）、ARCnet（Attached Resource Computer Network）采用，在過程自動化控制等嵌入式場合廣泛應用。

　　7、CSMA/CA (帶沖突避免的載波監聽多路訪問)

　　CSMA/CD在節點數量不多、傳輸信息量較少時效率很高；基于令牌的協議具有良好的實時性和吞吐能力。人們已經開發出一種能綜合以上兩者優點的混合協議—CSMA/CA。CSMA/CA的本質是利用競爭時間片來避免沖突。其基本原理是：如同CSMA/CD一樣，節點必須檢測到網絡空閑之后才能發送信息；如果有兩個或更多的節點發生沖突，便在網絡上啟動一個阻塞信號通知所有沖突節點，同步節點時鐘，啟動競爭時間片（競爭時間片跟隨在阻塞信號之后，其長度比沿網絡環路傳輸時延稍長））；通常，每一個競爭時間片均指定給特定的節點，每個節點在其對應的時間片內如有信息發送則可以啟動傳輸；其它節點檢測到信息傳輸后，停止時間片的推進，直到傳輸結束所有節點才恢復推進時間片；當所有時間片都失去作用時，網絡進入空閑狀態。為確保公平性和可確定性，在每次傳輸之后，時間片要循環。此外，優先時間片（the priority slots）優先于普通時間片的推進，能支持高優先級信息的全局優先傳輸。

　　CSMA/CA 協議在具體實施中主要有兩個變種：一是RCSMA（Reservation CSMA），其特點是時間片數等于節點數。RCSMA在各種傳輸條件下都能有效工作，但顯然不適于節點較多的網絡；在另一個變種中，時間片數少于節點數，且根據沖突少的原則隨機調整時間片的分配，根據所預測的網絡流量動態地改變時間片數；如Echelon公司推出的廣泛應用于智能大廈領域的 Lonwork標準。另外，在CSMA/CA中，并非必需采用硬件來避免沖突，還可以通過軟手段來實現，例如發送使時間片在沒有網絡傳輸的情況下仍然保持活動的啞信息。

　　四、結論

　　介質訪問協議是嵌入式網絡協議選擇的核心。盡管沒有哪一種協議對各種應用場合都是十全十美的，但通過對上述各種介質訪問協議的分析和比較不難發現：令牌環、令牌總線、CSMA/CA比較適合于嵌入式網絡。但令牌環的具體實施比較復雜、成本較高，其應用越來越少。讀者可針對具體應用需求，選用令牌總線（如ARCnet）或CSMA/CA。