现场总线应用技术：LonTalk提供服务

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：LonTalk地址唯一地确定一个LonTalk数据包的源节点或目标节点，路由器则利用这些地址在信道之间选择数据包的传输路径。2）LonTalk报文服务：LonTalk协议提供以下4种可选择的报文服务。

1.物理信道管理

LonTalk协议支持一种或多种不同传输介质构成的网络。这些传输介质包括双绞线、电力线、无线射频、同轴电缆和光纤等。不同介质的传输距离、传输速率、网络拓扑结构以及所使用的收发器均不相同。每个网络节点连接到物理信道上，一个或多个信道具有特定频率的射频，一条电力线信道是与交流电力线相连的线段。多条信道由网桥和路由器连接，收发器是神经元芯片与信道的接口，信道的传输速率与传输介质和收发器有关。

2.LonTalk协议的命名机制和寻址方式

1）神经元芯片命名：神经元芯片具有一个特有的48位标识（Neuron ID），Neuron ID由芯片生产厂家唯一确定，并且终生不变。由此，Neuron ID作为神经元芯片的名字，可以唯一地区别于其他神经元芯片。

2）地址：地址是一个对象或一组对象的特有标识，与名字不同，地址是可以改变的。LonTalk地址唯一地确定一个LonTalk数据包的源节点或目标节点，路由器则利用这些地址在信道之间选择数据包的传输路径。尽管Neuron ID也可以作为地址，但它不能作为寻址的唯一方式，这是因为该寻址方式只支持一对一的传输，将需要过于庞大的节点路由表以优化网络流量。仅仅当网络安装和配置时，才使用芯片的Neuron ID寻址方式。

3）寻址方式：该方式由域地址、子网地址和节点地址等方式组成。

①域地址（Domain）：域是一个信道或多个信道上的节点的逻辑集合。一个域就是一个实际意义上的网络，通信只能在同一域中配置的节点之间进行。多个域可以占有同一个信道，所以，域地址可以用来隔离不同网络上的节点。例如，两个相邻的建筑物或许在同一信道上，并且建筑物使用的网络节点装备有同一频率的无线射频收发器。为了避免这些节点所运行的应用程序的相互干扰，每个建筑物内的节点可以被配置为分属不同的域。域地址用域标识符ID来表示，域标识符（ID）可以分为0、1、3或6个字节。域标识符是唯一的。

②子网地址（Subnet）：一个子网是在同一域中节点的逻辑集合。一个子网最多可有127个节点，一个域最多可有255个子网。子网中的所有节点必须在同一信道上，并且子网不能跨越智能路由器。如果一个节点属于两个域，该节点必须属于每个域中的一个子网。

③节点地址（Node）：一个子网内的节点被赋予该子网内的唯一的节点标识码。节点标识码为7位，所以每个子网最多可以有127个节点。一个域中最多可以有32385个节点。

④组地址（Group）：组是一个域内节点的逻辑集合。与子网不同，组不需要考虑节点的物理位置。组可以包括路由器，一个节点最多可以属于15个组，一个域最多可以有256个组。组地址的长度为1个字节。

⑤芯片地址（Neuron ID）：除了子网/节点地址之外，节点可以用Neuron ID寻址。Neuron ID为48位长，这个ID码是唯一的。

域/Neuron ID寻址方式是在网络安装期间对节点进行初始配置时，由网络管理工具将每个节点配置给一个或两个域，并且配置子网和节点标识码。

4）寻址格式：节点有五种寻址方式。寻址格式确定了地址格式的字节数。每种寻址格式的字节数见表5-13。注意，在计算整个地址长度时，应在表5-13给出的地址长度基础上再加上域地址长度（该域地址长度范围为0～6B）。

表5-13 LonTalk协议的五种地址格式

3.网络管理与网络设备

1）网络管理：一个LonWorks网络是否需要一个网络管理节点，取决于实际应用的需求。一个网络管理节点具有以下功能：

①寻找未配置的节点并下载网络地址。

②停止、启动和复位应用程序。

③访问节点通信统计。

④配置路由器。

⑤下载新的应用程序。

⑥提取运行网络的拓扑结构。

在一个开发环境中，网络管理节点的应用相当于LonBuilder开发平台的网络管理器，其任务包括定义、配置、下载和控制LonWorks网络。LonBuilder协议分析仪具有监视、采集和显示网络通信流量以及性能统计等功能。

2）路由器：一个路由器连接两个信道并且在信道间转发数据包。路由器可以用以下4种路由算法之一配置。

①中继器：中继器是一个最简单的路由器，数据包只能前向传输。利用中继器，一个子网可以跨越多个信道。

②网桥：网桥在两个信道间前向转发，并与本域的所有数据包相匹配。利用网桥，子网可以跨越多个信道。

③学习路由器：一个学习路由器监视网络流量并在域/子网级感知网络的拓扑结构，学习路由器利用所学知识在信道间为数据包选择路径。

④配置路由器：与学习路由器相似，配置路由器借助其内部的路由表在信道间为数据包选择路径。和学习路由器不同的是，其内部路由表的内容由网络管理工具定义。网络管理工具可以为子网和组寻址定义路由表以优化网络流量。(www.chuimin.cn)

4.LonTalk提供的通信服务

1）网络效率：网络的响应时间、安全性和可靠性是相互关联的。例如，应答服务方式是最可靠的，但与非应答方式和非应答重发方式相比需要较大的网络带宽；它具有优先权的报文实时发送，对其他报文的发送是不利的；使用报文认证服务可使安全性增加，但要传送的报文数量将是无报文认证服务的两倍。

2）LonTalk报文服务：LonTalk协议提供以下4种可选择的报文服务。

①确认服务（Acknowledged）：这是最可靠的服务方式。以这种方式发送报文，发送方必须收到每个接收节点的确认信号。如果事务定时器溢出还没有收到所有节点的全部确认信号将重新发送，而重发次数和事务定时是可以任选的。确认信号由神经元芯片的网络CPU产生，而无须应用程序干涉。事务ID号用于跟踪报文和确认信号，以避免应用程序不会收到重发的报文。

②请求/应答服务（Request/Response）：请求/应答服务与确认服务有相同的可靠性，发送方需要接收到每个接收节点的应答信号，也包括重发次数和事务定时。应答信号包含数据，所以该方式适用于远程过程调用或客户机/服务器应用。

③非确认重发服务（Unacknowledged Repeated）：这是一种比较可靠的方式，报文向一个或一组节点发送多次，而不等待应答信号。这种报文方式适合于向节点数较多的组进行广播传送，这时如果组内节点都产生应答，网络就会过载。

④非确认服务（Unacknowledged）：非确认服务是一种最不可靠的服务，它不需要等待接收节点的应答信号。它适用于对网络效率要求很高而网络带宽有限，且对报文的丢失不敏感的应用场合。

3）冲突检测：LonTalk协议的冲突退避的算法是特有的，称为预测P-坚持CSMA（Predictive P-presistence CSMA）。它在保留CSMA优点的同时，克服了其缺点，保证在过载情况下不会因为冲突而降低吞吐量。当使用支持硬件冲突检测的传输介质（双绞线）时，一旦收发器检测到冲突，LonTalk协议就可以有选择地取消报文的发送，这使节点可以马上重新发送并使冲突不再重发。

4）报文认证：LonTalk协议支持报文认证服务，即允许报文的接收者确定报文的发送方是否有权发送。它用于防止未授权节点介入应用。报文认证的实现是在节点安装时，分配到一个48位的密钥，对于一个报文被接收方接收，则发送方和接收方要有相同的密钥。

5.LonTalk协议中的定时器

在使用LonTalk协议服务之前，需正确设置以下几个定时器：

1）事务定时器（Transaction Timer）。

2）重发定时器（Repeat Timer）。

3）组接收定时器（Group Receive Timer）。

4）非组接收定时器（Non-Group Receive Timer）。

5）缓冲器释放定时器（Free Buffer Wait Timer）。

在使用确认报文服务时，事务定时器定义在重发之前对确认信号的等待时间，这个时间可在报文地址表中的目的地址中定义。如果一个节点在事务定时器溢出之前没有收到确认信号，将重新发送同一报文，重新控制计数器重发的次数。

重发定时器用于非确认重发报文服务。当要访问的节点数量很大时，确保报文被每个需接收的节点都接收到。因为节点数量很大，如果使用确认方式的报文服务时，网络中的数据流量会变得很大，而使反应时间变慢，重发次数最多为15次。

当一报文到达目标节点时，接收节点检查报文的源地址和事务ID。如果在源地址和事务ID中都没有发现有效的“接收事务”，就产生了一个新的接收事务。如果因为节点用完而使有效事务不能产生时，报文就会丢失。假设节点能够为报文分配一个有效的事务记录，节点将启动接收定时器；节点根据发送节点的寻址方式选择启动哪个接收定时器。如果发送者用组地址寻址，在报文的地址表中就有一个组地址的入口地址，接收节点则启动组接收定时器；如果使用其他寻址方式，则节点启动非组接收定时器。

6.网络接口

LonTalk协议包含一个可选择的网络接口协议，该协议支持在任一主处理器上运行的LonWorks应用。主处理器可以是微处理器、微控制器或PC。主处理器管理LonTalk协议的第6和7层，并且使用LonTalk网络接口管理协议的1～5层。LonTalk网络接口定义网络接口和主处理器之间的数据交换格式。

不同的网络接口具有不同的网络接口协议。在主处理器上执行的应用程序通过网络驱动器与网络接口通信，网络驱动器管理缓冲器分配，将来自或发往网络接口的数据送入缓冲器并且在网络接口层协议中屏蔽主机应用的任何差异。LonTalk网络驱动器定义了主机应用与网络驱动器之间的标准报文格式。

7.数据表示

LonTalk协议采用面向数据的应用协议。在这种方式下，节点间以标准工程单位或其他预定义的单位交换诸如温度、压力、状态和文字串等应用数据，而命令语句封装在接收节点的应用程序中且不将命令在网上传送。以这种方式，同一工程量可送到多个节点，然而每个节点对该数据有不同的应用程序。

“数据表示”由基于芯片节点的芯片固件完成；在基于主机的节点中，“数据表示”由主处理器完成。

1）网络变量：网络变量是LonTalk协议中表示层的数据项，网络变量可以是数据项或是一个结构，网络变量用关键字Network定义。每个网络变量由应用程序表明其数据类型。对于基于芯片的节点来说，当在一个应用程序中通过赋值操作引起了输出网络变量的变化，神经元芯片固件自动地用LonTalk协议服务在网络上传播其更新的值。

2）显式报文：将报文的目的地址、报文服务方式、数据长度和数据组成APDU（应用层数据单元）下传并发送，将发送结果上传并激活相应的发送结果处理进程。当收到信息时，能根据上传APDU判断是否是显式报文，并根据报文代码激活相应的处理进程。

现场总线应用技术：LonTalk提供服务

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