CN1964353A - 面向无线工业控制网的协议栈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向无线工业控制网的协议栈。其通讯模型由物理层、数据链路层和应用层组成，所述的物理层和应用层分别采用国际标准网络互连模型OSI的物理层和应用层，其特征在于所述的数据链路层分成二层：下面子层使用传统的载波监听多址接入CSMA协议作为无线信道接入控制协议；上面子层使用一种基于令牌的控制协议，在全互连的无线分布系统中建立一个令牌逻辑环，从而控制下面子层的CSMA协议；设置一个令牌逻辑环自愈机制，避免因令牌的丢失使得令牌逻辑环失效；并确定一个令牌逻辑环扩展和收缩机制，使系统能自动适应各移动站点的加入和退出变化。本发明能避免通讯传输中的碰撞，满足针对工业对象的实时控制要求。

Description

面向无线工业控制网的协议栈

技术领域

本发明涉及一种网络协议栈，特别是一种面向无线工业控制网的协议栈。

背景技术

工业现场控制中的移动或旋转对象上的传感器、手持数据采集设备、需临时安装的设备等，电缆的使用是较难甚至无法实现的。同时在极其冷热、危险、潮湿的环境中使用有线的物理介质连接也将降低通讯系统的可靠性。随着无线通信技术的发展和日趋成熟，将无线通信技术应用于工业控制网络，构成无线工业控制网络WICN(Wireless Industrial Control Network)成为可能。

其相关研究中的一个重要问题就是数据链路层协议的研究，其数据链路层的协议问题对WICN网络的实时性能和可靠性能影响很大。如何设计一个合适的适用于工业现场控制用的无线工业控制网络的数据链路层协议是目前国际上的一个重要的研究方向。

无线局域网络的实时性主要取决于数据链路层的媒体介入控制，该问题的研究已有一段时间，但是其目前基本上仍限于使用传统的CSMA(载波监听多址接入)法。这种基于争用的方法是一种常用的决定对媒体访问权的协议。尽管人们用了各种改进措施，如增加CA(碰撞避免)功能等，还是不能从根本上避免传输中的通信碰撞，不能保证工业控制系统中对响应时间确定性的要求。

几种一般无线局域网使用的协议存在不同的缺点。例如：1、MACA(MultipleAccess with Collision Avoidance)是早前为无线局域网设计的一个协议。它的基本思想是，发送方刺激一下接收方，让它输出一个短帧，因此，接收方附近的站可以检测到该帧，从而在接下去的数据帧传输过程中它们不再发送数据了。由于采用了RTS-CTS握手机制，MACA减少了数据包的冲突。但是，在MACA中依然存在冲突，且在冲突后采用BEB退避机制，故信道接入的公平性很差，实时性得不到保证。2、MACAW(MACA for Wireless)协议在MACA的基础上做了改进，它增加了载波检测，另外它除了使用RTS/CTS握手信号外，还使用了其它的控制信号(DS，ACK，RRTS)，进一步提高了网络的吞吐量。MACAW还采用了MILD退避算法代替了BEB退避机制，改善了信道接入的公平性。但其过多的握手信号增大了它的网络开销和传输时延。MACA-P是为了适应多跳ad-hoc网的需求，而在MACA基础上的一种改进，增强了基于802.11的RTS/CTS功能，可以允许同时的收发，但其并不合适WICN网。3、IEEE802.11协议支持两种操作模式。一种模式称为DCF(Distributed CoordinationFunction)，另一种模式称为PCF(Point Coordination Function)。其中DCF模式是节点共享无线信道的基本接入模式，它把CSMA/CA(CSMA with Collision Avoidance)技术和确认(ACK)技术结合起来，并使用了虚拟信道监听机制和帧分片技术，从而提高了整个网络的吞吐量。但802.11协议仍采用BEB退避机制，所以无法保证无线信道接入的公平性。目前还没有一个合适的专门面向工业无线控制网络的协议。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向无线工业控制网的协议栈，能避免通讯传输中的碰撞，满足针对工业对象的实时控制要求。

为了达到上述目的，本发明采用下述技术方方案：

一种面向无线工业控制网的协议栈，其通讯模型由物理层、数据链路层和应用层组成，所述的物理层和应用层分别采用国际标准通讯模型OSI的物理层和应用层，其特征在于所述的数据链路层分成二层：下面子层使用传统的载波监听多址接入CSMA协议作为无线信道的实际接入控制协议；上面子层使用一种基于令牌的控制协议，在全互连的无线分布系统中建立一个令牌逻辑环，从而控制下面子层的CSMA协议；设置一个令牌逻辑环自愈机制，避免因令牌的丢失使得令牌逻辑环失效；并确定一个令牌逻辑环扩展和收缩机制，使系统能自动适应各移动站点的加入和退出变化。

上述的使用基于令牌的控制协议，在全互连的无线分布系统中建立令牌逻辑的步骤如下：

(1)初始时，各站点STA首先进入复位状态，然后侦听信道，等待主站的邀请加入；

(2)主站得电后先复位，然后生成一个令牌Token；

(3)令牌Token沿着逻辑环依次传递，直到等待发送数据帧的站点是STA接收到它，然后它发送读求帧Solicit_successor，邀请其它的从站加入；

(4)其它从站侦听到Solicit_Successor后，退避一个随机时隙后发送后继站设置帧Set_successor，竞争成功的站点成为主站的后继站；

(5)后继站再把主站先前的后续站设置为它的后继站，对第一个加入的从站来说，主站先前的后继站就是主站本身，由此构成一个初始的含2个站点的令牌逻辑环；

(6)若任务队列为空或数据帧传送处理完毕后，令牌持有时间THT还未耗尽，主站就再发送Solicit_successor，邀请其他的从站加入；

(7)依据步骤(1)～(6)机制，经历一段时间后，经历一段充足时间后，无线分布式系统中的各个站点就会自动组建成一个令牌逻辑环，从而形成一个网络系统。

上述的令牌逻辑环自愈机制的自愈步骤如下：

(1)主站在建立令牌逻辑环后，生成一个令牌在环上传递，然后主站侦听从站发出的每一个令牌；

(2)在主站中设定一个令牌恢复和最大等待间TRMWT，当主站帧听到一个令牌，就将TRMWT复位；

(3)当主站的TRMWT耗尽后还未侦听到下一个令牌，它就认为令牌丢失，然后根据事先存储的连接表信息生成一个新的令牌且发送到丢失令牌的站点。

上述的令牌逻辑环扩展和收缩机制，确定从站STA的加入和退出过程如下：

(1)从站的加入过程：

①由主站控制，主站在队列为空时发送Solicit_Successor；

②欲加入系统的从站在收到Solicit_Successor后将主站设为其前驱站，将主站的后继站设为它的继站，并向主站发送Set_Sucessor；

③主站收到Set_sucessor后，将该从站设为它的后继站，并向其先前的后继站发送前驱站设置帧为Set_Predecessor；

④主站先前的后继站收到Set_Predecessor后将该从站设为其前驱站，并向主站发送确认帧Ack；

⑤主站在收到Ack帧后就将令牌传递给此新加入的从站，至此从站的加入过程完成。

(2)从站的退出过程：

①想退出的从站在收到令牌后向其前驱站发送Set_Successor；

②其前驱站收到Set_Successor后将该从站的后继站设为它的后继站，并向该从站的后继站发送Set_Successor；

③该从站的后继站收到Set_Successor后向该从站回送Ack帧；

④从站收到Ack帧后将令牌传给其后继站并退出。

上述的令牌帧、请求帧、后继站设置帧、前驱站设置帧、Ack帧和数据帧的格式如下：

(1)令牌帧Token的格式：依次含有帧类型FC、逻辑号Seq、建表信息SucA、本站地址LA、前驱站地址PreA和令牌循环数TRC；

(2)请求帧Set_Successor的格式：依次含有帧类型FC、广播Br、主站后继站地址HSuoA和主站地址HA；

(3)后继站设置帧Set_Successor的格式：依次含有帧类型FC、目的地址DA、后继站地址SucA和本帧源地址；

(4)前驱站设置帧Set-Predecessor的格式：依次含有帧类型FC、目的地址DA、本帧源地址SA、前驱站地址PreA和Ack帧回道目的地址；

(5)Ack帧的格式：依次含有帧类型FC、目的地址DA和本帧源地址SA；

(6)数据帧的格式：依次含有帧类型FC、本数据帧传送的预计时限Duration、目的地址DA、本帧源地址SA、数据的优先级别PC、数据Data和循环冗余校验码CRC。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明提供的协议栈中的数据链路层增设了上面子层，使用一种基于令牌的控制协议控制下面子层的CSMA协议，使信道的传输不发生碰撞，满足针对工业对象的实时控制要求；设置了一个令牌逻辑环自愈机制，避免因令牌丢失使得令牌逻辑环失效，工作可靠；并确定一个令牌逻辑环扩展和收缩机制，使系统能自动适应各移动站点的加入和退出变化，提高系统使用灵活性。

附图说明

图1是本发明的通讯模型的结构示意图。

图2是令牌帧的格式示意图。

图3是Solicit_Successor帧的格式示意图。

图4是Set_Successor帧的格式示意图。

图5是Set_Predecessor帧的格式示意图。

图6是Ack帧的格式示意图。

图7是数据帧的格式示意图。

图8是从站点的加入示意图。

图9是从站点的退出示意图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

参见图1，本面向无线工业控制网的协议栈是：为满足实时性要求和降低成本，其通信模型在OSI(开放互连模型)的基础上进行了简化。它仅采用了OSI模型中的3层，即物理层、数据链路层和应用层。

本协议栈中的数据链路层分成2层。数据链路层的下面子层仍然使用CSMA做为实际的无线信道接入控制协议。数据链路层的上面子层使用一种基于令牌的控制机制来控制下层的CSMA。其基本操作过程如下：①在全互连的无线分布式系统中建立一个令牌逻辑环，系统中所有以接收/发送模式工作的STA(站点)都要加入该逻辑坏，STA得到令牌后，从而控制下层的CSMA协议独占无线信道来具体实现发送数据帧，以此避免了CSMA协议中的各点无序竞争引发的碰撞。②为了避免因令牌的丢失使得令牌逻辑环失效，系统中设置了自愈机制，保证在一定时间内恢复令牌逻辑环。③还定义了此令牌环的扩展和收缩机制，使系统能够自动适应各移动站点的加入和退出变化。

本发明的意义在于针对WICN网络的要求，设计出了一个能够兼容和利用目前应用广泛的CSMA协议，又避免了其缺陷的数据链路层协议，可以广泛地在如ZigBee，WLAN等网络的应用中使用。

下面详细解释本面向无线工业控制网的协议栈的数据链路层中使用的令牌控制机制的建立和实施过程。

1、令牌环的建立过程

(1)初始时，各个从站都未加入逻辑环，各站点首先进入复位状态，然后侦听信道等待主站(与有线网络相连)的邀请加入。(2)主站得电后也先复位，然后主站生成一个令牌Token。(3)令牌沿着逻辑环依次传递，直到等待发送数据帧的站点STA接收到它。然后它发送请求帧Solicit_Successor，邀请其他的从站加入。(4)其它从站侦听到Solicit_Successor后，退避一随机时隙发送后继站设置帧Set_Successor，竞争成功的站点成为主站的后继站。(5)后继站再把主站先前的后继站设置为它的后继站。对第一个加入的从站来说，主站先前的后继站就是主站本身。由此构成了一个初始的2个站点的逻辑环。(6)当令牌沿着令牌逻辑环回到主站，主站先处理队列中的数据传送任务(其数据帧见图7)。若队列为空或数据帧处理完毕后令牌持有时间THT还未耗尽，主站就再次发送Solicit_Successor，邀请其他的从站加入。(7)依据步骤(1)～(6)机制，经历一段充足时间后，无线分布式系统中的站点就会自动组建成一个令牌逻辑环，从而形成一个系统。

2、系统自愈机制

(1)主站在建立令牌逻辑环后，生成一个令牌在环上传递，然后主站侦听从站发出的每一个令牌。(2)在主站中设定一个令牌恢复的最大等待时间TRMWT(TokenResume Max Wait Time)，每当主站侦听到一个令牌就将TRMWT复位。(3)当主站的TRMWT耗尽后还未侦听到下一个令牌，它就认为令牌丢失，然后根据事先存储的连接表生成一个新的令牌且发送到丢失令牌的站点。

为了保证响应的实时性，在无线工业控制网中的每一个站点都设有一个固定的最大令牌持有时间MTHT(Max Token Hold Time)。当站点的MTHT耗尽时，即把令牌传给下一个STA。如此周而复始。

为了在发生令牌丢失现象后，能够自动在一定时间内恢复正常，以保证该协议的正常运转，需要合理的设定令牌恢复的最大等待时间TRMWT。

令牌恢复的最大等待时间TRMWT定义如下：

TRMWT＝THT+MTTTD

其中，THT(Token Holding Time)为STA最大令牌持有时间，MTTTD(Max TokenTransmit Time Delay)为令牌在逻辑环上任意两个STA间传输所需时间的最大值。

如果令牌重传两次后，主站还未侦听到该从站传出的令牌，就断定该从站出现故障。主站就将该从站从逻辑环上删除，并把令牌传给该从站的后继站。

3、从站STA的加入和退出过程

(1)从站的加入过程：①由主站控制，主站的队列为空时发送Solicit_Successor；②欲加入系统的从站在收到Solicit_Successor后将主站设为其前驱站，将主站的后继站设为它的继站，并向主站发送Set_Sucessor；③主站收到Set_sucessor后，将该从站设为它的后继站，并向其先前的后继站发送前驱站设置帧为Set_Predecessor；④主站先前的后继站收到Set_Predecessor后将该从站设为其前驱站，并向主站发送确认帧Ack；⑤主站在收到Ack帧后就将令牌传递给此新加入的从站，至此人站的加入过程完成。各从站点的加入过程如图8所示。

(2)从站的退出过程：比加入过程简单，①想退出的从站在收到令牌后向其前驱站发送Set_Successor；②其前驱站收到Set_Successor后将该从站的后继站设为它的后继站，并向该从站的后继站发送Set_Successor；③该从站的后继站收到Set_Successor后向该从站回送Ack帧；④从站收到Ack帧后将令牌传给其后继站并退出。各从站的退出过程如图9所示。

4、本实施例中的6种特殊的帧格式如下：

1).令牌帧的格式

如图2所示，其中FC(Frame Control)指明帧的类型(令牌，令牌控制帧等)，Seq(Sequence)为STA的逻辑号，PreA(Predecessor Address)为前驱站地址，LA(LocalAddress)为本地站地址，SucA(Successor Address)为后继站地址，TRC(Token RotateCounter)为令牌在环中循环的次数，Res(Reserve)为保留字段。

令牌帧中的PreA，LA，SucA为建立连接表提供了信息。主站侦听到令牌帧后，取出其中PreA、LA、SucA字段的信息与连接表中的信息相比较。如果信息有变化则更新连接表，否则简单的丢弃。其中SucA还指明了令牌帧的接收站地址。

Seq的操作由主站和从站共同完成，主站的序列号总是为0，每当从站收到令牌，它就把令牌中的Seq字段加1。当令牌回到主站时，主站把Seq字段清零。序列号Seq可以使主站清楚的知道目前逻辑环中从站的个数。

TRC由主站进行控制，每当主站收到令牌，它就把TRC加一，如此循环往复。

2).Solicit_Successor帧的格式

如图3，其中FC指明帧的类型，HA为主站的地址，HSucA为主站后继站的地址，Br表示该帧用于广播。

3).Set_Successor帧的格式

如图4，其中FC指明帧的类型，SA为该帧的源地址，DA为该帧的目的地址，SucA为设置的后继站地址。

4).Set_Predecessor帧的格式

如图5，其中FC指明帧的类型，SA为该帧的源地址，DA为该帧的目的地址，PreA为设置的前驱站地址，AA指明Ack帧回送的目的地址。

5).Ack帧的格式

如图6，其中FC指明帧的类型，SA为该帧的源地址，DA为该帧的目的地址。

6).数据帧的格式

如图7，其中FC指明帧的类型，Duration为本数据帧传送的预计时限Duration，SA为该帧的源地址，DA为该帧的目的地址，PC为数据包的优先级别，Data为数据域，CRC为循环冗余校验码。

Claims (5)

1.一种面向无线工业控制网的协议栈，其通讯模型由物理层、数据链路层和应用层组成，所述的物理层和应用层分别采用国际标准通讯模型OSI的物理层和应用层，其特征在于所述的数据链路层分成二层：下面子层使用传统的载波监听多址接入CSMA协议作为无线信道接入控制协议；上面子层使用一种基于令牌的控制协议，在全互连的无线分布系统中建立一个令牌逻辑环，从而控制下面子层的CSMA协议；设置一个令牌逻辑环自愈机制，避免因令牌的丢失使得令牌逻辑环失效；并确定一个令牌逻辑环扩展和收缩机制，使系统能自动适应各移动站点的加入和退出变化。

2.根据权利要求1所述的面向无线工业控制网的协议栈，其特征在于所述的使用基于令牌的控制协议，在全互连的无线分布系统中建立令牌逻辑环的步骤如下：

(1)初始时，各站点STA首先进入复位状态，然后侦听信道，等待主站的邀请加入；

(2)主站得电后先复位，然后生成一个令牌Token；

(3)令牌Token沿着逻辑环依次传递，直到等待发送数据帧的站点STA接收到它，然后它发送读求帧Solicit_successor，邀请其它的从站加入；

(4)其它从站侦听到Solicit_Successor后，退避一个随机时隙后发送后继站设置帧Set_successor，竞争成功的站点成为主站的后继站；

(5)后继站再把主站先前的后续站设置为它的后继站。对第一个加入的从站来说，主站先前的后继站就是主站本身，由此构成一个初始的含2个站点的令牌逻辑环；

(6)若等待任务队列为空或数据帧传送处理完毕后，令牌持有时间THT还未耗尽，主站就再发送Solicit_successor，邀请其他的从站加入；

(7)依据步骤(1)～(6)机制，经历一段时间后，经历一段充足时间后，无线分布式系统中的各个站点就会自动组建成一个令牌逻辑环，从而形成一个网络系统。

3.根据权利要求1所述的面向无线工业控制网的协议栈，其特征在于所述的令牌逻辑环自愈机制的自愈步骤如下：

(1)主站在建立令牌逻辑环后，生成一个令牌在环上传递，然后主站侦听从站发出的每一个令牌；

(2)在主站中设定一个令牌恢复和最大等待间TRMWT，当主站帧听到一个令牌，就将TRMWT复位；

(3)当主站的TRMWT耗尽后还未侦听到下一个令牌，它就认为令牌丢失，然后根据事先存储的连接表信息生成一个新的令牌且发送到丢失令牌的站点。

4.根据权利要求1所述的面向无线工业控制网的协议栈，其特征在于所述的令牌逻辑环扩展和收缩机制，确定从站STA的加入和退出过程如下：

(1)从站的加入过程：

①由主站控制，主站在队列为空时发送Solicit_Successor；

②欲加入系统的从站在收到Solicit_Successor后将主站设为其前驱站，将主站的后继站设为它的继站，并向主站发送Set_Sucessor；

③主站收到Set_sucessor后，将该从站设为它的后继站，并向其先前的后继站发送前驱站设置帧为Set_Predecessor；

④主站先前的后继站收到Set_Predecessor后将该从站设为其前驱站，并向主站发送确认帧Ack；

⑤主站在收到Ack帧后就将令牌传递给此新加入的从站，至此，从站的加入过程完成。

(2)从站的退出过程：

①想退出的从站在收到令牌后向其前驱站发送Set_Successor；

②其前驱站收到Set_Successor后将该从站的后继站设为它的后继站，并向该从站的后继站发送Set_Successor；

③该从站的后继站收到Set_Successor后向该从站回送Ack帧；

④从站收到Ack帧后将令牌传给其后继站并退出系统。

5.根据权利要求1、或2或3、或4所述的面向无线工业控制网的协议栈，其特征在于所述的令牌帧、请求帧、后继站设置帧、前驱站设置帧、Ack帧和数据帧的格式如下：

(1)令牌帧Token的格式：依次含有帧类型FC、逻辑号Seq、建表信息SucA、本站地址LA、前驱站地址PreA和令牌循环数TRC；

(2)请求帧Set_Successor的格式：依次含有帧类型FC、广播Br、主站后继站地址HSuoA和主站地址HA；

(3)后继站设置帧Set_Successor的格式：依次含有帧类型FC、目的地址DA、后继站地址SucA和本帧源地址；

(4)前驱站设置帧Set-Predecessor的格式：依次含有帧类型FC、目的地址DA、本帧源地址SA、前驱站地址PreA和Ack帧回道目的地址；

(5)Ack帧的格式：依次含有帧类型FC、目的地址DA和本帧源地址SA；

(6)数据帧的格式：依次含有帧类型FC、本数据帧传送的预计时限Duration、目的地址DA、本帧源地址SA、数据的优先级别PC、数据Data和循环冗余校验码CRC。

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