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实现BACnet/IP互联网互操作性

2023-08-29 理论教育版权反馈

【摘要】：如果在BACnet／IP中使用TCP，就在同一体系结构中同时存在两套互相独立的确认机制，这还会使得整个BACnet／IP网络由于传输开销过大而效率降低。5）定义了“外来”设备接入BACnet／IP网络的方法。7）规定了多个BACnet／IP网络之间的路由。BACnet／IP能够比PAD设备更有效地处理在IP网络上进行BACnet广播传输。在图5-7中，IP子网A和IP子网B组成了一个BACnet／IP网络。

1.BACnet／IP体系结构

使用PAD设备实现在IP网络上互联BACnet网络尽管较为简单，但存在着一些不容易克服的缺点，其中之一是，不容易从网络中增删设备。如果要对BACnet网络进行重构，必须重新改写每一个PAD中的对等PAD设备表。为了能够更便利地利用IP网络实现BACnet网络的互联，以及克服直接利用UDP／IP难于对BACnet网络中的广播通信机制进行控制和管理的不足，同时实现动态增减BACnet设备的功能，常设标准方案135委员会（SSPC135）在PAD基础上改进、开发了新的互联协议，称为BACnet／IP，简称B／IP，作为附件J加入到BACnet标准中。ASHRAE于1999年1月正式发布附件J作为BACnet标准的附件，成为美国国家标准。附件J详细规范了使用TCP／IP通信的设备组建BACnet网络的技术，并且将这种网络称为BACnet／IP网络，简称B／IP。

在新的BACnet／IP互联协议中，B／IP路由器的主要作用就是直接将BACnet报文封装进IP帧中进行传输。重新定义了一个微协议层（Micro Protocol Layer）。该微协议层称为BACnet虚拟链路层，简称BVLL，位于BACnet网络层与IP之间，其作用是进行BACnet广播管理，并提供向其他通信协议扩展的扩展机制。同时，为了充分利用IP协议栈，使用IP用户数据报（UDP）进行BACnet报文传输。图5-6为这种扩展方式的体系结构图，该体系结构图即BACnet／IP体系结构。

在BACnet／IP的体系结构中，IP之上使用UDP，UDP层的作用是将来自BVLL（BACnet Vir-tual Link Layer，BACnet虚拟链路层）的数据封装成IP数据包，也将收到的IP数据包拆开，提取其中的相关数据给BVLL。

在此处使用UDP，可以避免重新定义新类型的IP包，又可以利用现有的IP网络建立BACnet网络。如果重新定义一个新类型IP包，则会因为IP路由器不能识别自定义的数据包将其简单丢弃，而加入传输层则可以利用端口机制进而扩展。选用UDP而不是TCP主要因为TCP不能实现“一对多”的广播，而且BACnet的应用层提供了可靠传输机制并提供了报文分段功能，这些都同TCP类似。如果在BACnet／IP中使用TCP，就在同一体系结构中同时存在两套互相独立的确认机制，这还会使得整个BACnet／IP网络由于传输开销过大而效率降低。

2.BACnet／IP网络

BACnet标准附件J对BACnet／IP网络的定义是：BACnet／IP网络是由一个或者多个IP子网组成的集合，其中整体具有一个单独的BACnet网络号。

BACnet／IP规范的内容有7个部分：

1）定义和描述由一个或者多个IP子网组成的BACnet网络的概念。

2）定义和描述了使用BACnet非确认服务进行在BACnet／IP网络和非BACnet／IP网络之间的本地、远程和全局广播的管理。

图5-6 BACnet／IP体系结构

3）定义了BACnet广播管理新设备（BBMD），用来进行广播管理。

4）定义了一个BACnet虚拟链路层（BVLL）新的协议层，实现BACnet／IP网络通信。

5）定义了“外来”设备接入BACnet／IP网络的方法。

6）规定了在BACnet／IP网络和非BACnet／IP网络之间的路由。

7）规定了多个BACnet／IP网络之间的路由。

BACnet／IP网络是由一个或者多个具有IP域名的子网组成的、具有一个单独的BACnet网络号的集合网络。BACnet互联网由两个或者多个BACnet网络组成，这里的BACnet网络是BACnet／IP网络，如BACnet的以太网、ARCnet网络、MS／TP（主从／令牌传递）网络和LonTalk网络。BACnet／IP能够比PAD设备更有效地处理在IP网络上进行BACnet广播传输。BACnet／IP允许设备从Internet的任意接入点接入系统，能够有效地利用Internet或广域网、城域网作为BACnet局域网。

采用BACnet／IP体系结构的BACnet网络就是“BACnet／IP”网络，由一个或多个IP子网组成，并且每一个BACnet／IP网络只有一个BACnet网络号。当多个BACnet／IP网络或BACnet网络通过BACnet路由器连接时，就形成了一个BACnet／IP网络，如图5-7所示。

在图5-7中，IP子网A和IP子网B组成了一个BACnet／IP网络。与使用PAD组成BACnet互联网不同，网络的物理拓扑结构形式上基本类同，只是将PAD设备换成了BBMD（BACnet Broadcast Management Device，BACnet广播管理设备），并增加了一个称为“外部BACnet设备（foreign BACnet Device）”的BACnet设备。BACnet／IP网络中BACnet设备既是BACnet网络中的节点，同时也是IP网络中的节点，任意两个BACnet设备均可以直接进行“一对一”通信，或单播通信，无需经过封装和拆装的端到端处理。图5-7中的两个IP子网有各自不同的IP子网号，两个IP子网IP路由器和Internet组成一个BAC-net网络，并有一个且只有一个BACnet标识号。

在BACnet／IP网络中，BBMD是BVLL协议定义的关键设备，BVLL协议规定了BAC-net／IP网络中的每一个IP子网仅有一个BACnet广播管理设备（BBMD设备），负责注册外部BACnet设备，并对BACnet的广播通信过程进行协调管理，使BACnet／IP网络中的所有BACnet设备均可以进行BACnet广播。

BACnet广播管理设备BBMD使用广播路由表（Broadcast Distribution Table，BDT）管理BAC-net／IP网络内的广播通信机制，使用外部设备表（Foreign Device Table，FDT）实现对外部设备的注册和广播。

图5-7 BACnet／IP网络

外部BACnet设备是指在BACnet／IP网络以外的IP子网中接入的BACnet设备，就是说外部BACnet设备所接入的IP子网不是组成BACnet／IP网络的组成部分。但是外部BACnet设备可以作为一个“移动的BACnet网络节点”随时方便地与BACnet／IP网络互联，成为BACnet／IP网络中的节点。因此外部BACnet设备被定义了这样的功能：能够随时接收来自BACnet／IP网络的广播，也可以主动向BACnet／IP网络进行广播，即外部BACnet设备和BACnet／IP网络之间可以实现双向广播通信。

3.BACnet／IP网络报文格式

BACnet／IP网络报文格式如图5-8所示。在网络报文格式结构图中，各个不同域的意义如下：

1）MAC媒体访问控制域是下层网络帧的地址。

2）BIP域分为两部分，前面一部分是20B的标准IP数据报的头部固定部分，包含有各4B的信源节点IP地址和信宿节点IP地址，如图5-9所示。后面一部分是8B的标准UDP数据段的头部，包含有各2B的源和目的UDP端口号。

3）BVLCI（BACnet Virtual Link Control Information，BACnet虚拟链路控制信息）域是BACnet虚拟链路控制信息域。

4）NPCI（Net Protocol Control Informa-tion，网络层协议控制信息域）。

5）APDU（Application Protocol Data U-nit，应用层协议数据单元）。

图5-8 BACnet／IP网络报文格式

从IP网络的网络层来看，BACnet／IP网络报文是一个IP数据报，从IP网络的传输层来看，BACnet／IP网络报文又是一个UDP，因此BACnet／IP网络报文可以在IP网络中顺畅地传输。IP数据报、UDP用户数据报的关系如图5-10所示。

每个BACnet／IP设备都具有一个IP地址，是一个IP网络设备，而它的上层应用又是按照BACnet协议进行组织的，可以与其他的BACnet设备进行数据“对话”。

图5-9 IP数据报格式

图5-10 UDP数据报和IP数据报的关系

BACnet与Internet的两种互联技术：PAD技术和BACnet／IP技术，这两种技术各有优缺点。前者是一种异构网络互联技术，应用比较普遍，后者可以是实现BACnet与Internet的无缝连接，具有良好的扩展性。BACnet互联网是由两个或者多个BACnet网络所组成的网络。由于IP网络的出现，各种BACnet网络互联非常灵活，各种BACnet设备均可以在IP环境中实现互操作，但是PAD和BACnet／IP设备之间不能直接通信，这是构建BACnet互联网时的基本原则之一。