1、第八章LON 和 LonWorks现场总线技术本节课介绍LON和LonWorks技术的产生、发展和特点，LonTalk协议的七层协议及各层功能。要求了解LONWORKS技术的特点，熟悉LonTalk协议及各层功能。8.1 总体概述 lLON（Local Operating Networks）是Echelon公司90年代初发布的现场总线，并开发了配套的LonWorks技术。l开放的总线平台技术，用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，并具有现场总线的一切特点。l目前数千家公司已经开发和安装了LonWorks产品，已经有超过4000万个LonWorks设备安装在世界各地的住宅、楼宇、工厂、火车及
2、其他系统中。lLonworks最大的应用领域在楼宇自动化，它包括建筑物监控系统的所有领域，即人口控制、梯和能源管理、消防/救生/安全、照明、保暖通风、测量、保安等。在工业控制领域，Lonworks在半导体制造厂、石油、印刷、造纸等应用领域都占有重要的地位。lLonMark国际协会成立于1994年，它是全球公认的楼宇、工业、交通运输以及住宅/公用设施自动化领域开放系统的领先开发者和支持者。迄今，全球有超过400家跨国知名企业成为LonMark国际的会员。lEchelon公司制订了开放系统联盟（OSA）计划。OSA成员采用LonMark认证的产品，能保证不同制造商的LonWorks产品之间的互可操
3、作性。l最高通信速率为1.25Mbps（通信距离不超过130m）l最远通信距离为27000m（通信速率为78Kbps）l节点总数可达32000个lLonWorks支持各种拓扑结构，网络的传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤等。1.Lonworks技术的组成lLonworks网络系统由智能节点组成，每个智能节点可具有多种形式的I/O功能，节点之间可通过不同的传输媒介进行通信，并遵循ISO/OSI的7层模型。l神经元芯片lLontalk通信协议lLonBuilder及NodeBuilder开发工具lLonworks技术的其他系列产品Lonworks技术包括监控网络的设计、开发、安装和调试等一整套方
4、法，要使用多种专用的硬件设备和软件，主要包括以下几个方面的内容：（1 1）支持）支持OSIOSI七层模型的七层模型的LonTalkLonTalk通信协议通信协议lLonTalk通信协议支持OSIRM的所有七层模型，是直接面向对象的网络协议。l可以与非LON系统的其他系统相兼容，具有良好的互操作性，对将来的设备维修升级改造非常有利。2.LonWorks2.LonWorks技术特点技术特点l神经元芯片是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，而且是具有I/O和控制的通用处理器。能够独立完成控制和通信功能，使用方便，功能强大，质量稳定可靠。l神经元芯片已提供了LonTalk协议的
5、第16层，开发者只需用Neuron C语言开发。l神经元芯片包括3个8位CPU、RAM、ROM、通信接口和I/O接口。（2 2）神经元芯片）神经元芯片lMAC通信处理器完成介质访问控制，即第1,2层协议；网络处理器完成第3-6层网络协议，处理网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由功能；应用处理器完成用户编程。lROM中存储操作系统、LonTalk协议和I/O函数库；RAM用于存储从网络上下载的配置数据和应用程序，每一个神经元芯片被赋予个唯一的48位标识码。l图形化工具LonMaker；l节点开发工具NodeBuilder；l节点和网络安装工具LonBilder；l网络管理工
6、具LonManager。（3）基于LNS的软件工具（4 4）开放性）开放性lLonWorks技术提供了开放系统设计平台，使不同公司生产的同类LonWorks产品可以互操互换。LonWorks产品的互操作标准由LonMark协会制定。（5）采用可预测P坚持CSMA算法l采用预测的P-坚持CSMA，改善了CSMA，在网络负载很重的情况下，不会导致网络瘫痪。（6）协议固化l网络通信控制协议已经固化在协议内部，采用面向对象的设计方法，使系统开发容易，应用编程简单，开发周期大大缩短，系统布局改变不必对应用程序作重要改动，从而保护了应用开发资源。8.2 LonTalk协议1.LonTalk七层协议七层协议
7、lLonTalk协议是LON总线的专用协议，是LonWorks技术的核心。它符合1SO/OSI参考模型的七层体系结构，即含有物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。2、LonTalk协议的特点lLonTalk对大网络的支持（分级编址）lLonTalk对多介质的支持 lLonTalk对多通道的支持（多节点通信）lLonTalk对优先级的支持lLonTalk的报文服务（短报文）lLonTalk网络认证3.LonTalk3.LonTalk各层协议及功能各层协议及功能 （1 1）物理层）物理层l物理层定义通信信道上位流的传输，它确保源设备发送的位流准确地被目的设备接收。l传输介质：双绞
8、线(twisted-pair)、电力线(powerline)、无线射频(radio-frequency)、红外线（infrared）、同轴电缆(coaxial cable)和光纤(fiber)，甚至是用户自定义的通信介质。（2）链路层数据链路层定义介质访问方法和单一信道的数据编码。物理层的位流被分割成数据帧，数据链路层定义源设备发送数据帧的时刻，目的设备如何接收数据帧以及检测传输错误，同时还定义优先级机制以确保重要信息的传送。数据链路层分为两个子层：介质访问控制MAC（Media Access Control）和逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）。LLC与介质无关，
9、MAC则依赖于介质。1 1）MACMAC（介质访问控制）子层）子层lMAC协议是确定设备安全地传送数据包，减少冲突的控制算法。lMAC协议是CSMA（载波信号多路侦听）协议的改进：带预测的P坚持CSMA (Predictive Ppresistent CSMA)。2 2）LLCLLC子层（逻辑链路控制）子层（逻辑链路控制）l链路层确保链路层数据单元（Link Protocol Data Unit，LPDU）的数据在子网内顺序无响应传输。l提供错误检测，但不提供错误恢复，当一帧数据CRC效验错，该帧被丢掉。（3 3）网络层）网络层l网络层定义设备名称和地址，源设备的报文如何选择路由到达一台或多台
10、目的设备，以及当源设备和目的设备不在同一信道上时，如何确定报文路由。LonTalkLonTalk协议的网络地址结构协议的网络地址结构 +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。+为了简化路由选择，LonTalk协议定义了分级的网络地址形式：+ 域(Domain)+ 子网(Subnet)+ 节点(Node)地址+ 组地址域地址域地址(domain)(domain)：域是一个信道或多个信道上的节点的逻辑集合。+域地址可以用来隔离不同网络上的节点。域的结构可以保证在不同的域中通信是彼此独立的。+域标识符是唯一的。子网
11、地址子网地址(Subnet)(Subnet)：子网是在同一域中节点的逻辑集合，是一个或多个通道的逻辑分组。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，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。+节点地址（节点地址（NodeNode）：节点地址是节点被赋予的所属子网内的唯一的节点标识码。节点的标识码为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（255127）。任一节点可以分属一个或两个域，容许一个节点作为两个域之间的网关(gateway)，也容许一个节点将采集来的数据分别发向两个不同的域。 地址地
12、址(Group)(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，一个组可在一个域中跨越几个子网，或几个通道。每一个组对于需应答服务的节点最多可包含64个，而对无应答服务的节点个数不限，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。分组结构可以使一个报文同时为多个节点所接收。芯片地址芯片地址(Neuron ID)(Neuron ID)：每一个神经元芯片有一个独一无二的48位ID地址，这个ID地址是在神经元芯片出厂时由厂方规定的，这个ID码是唯一的。一般只在网络安装和配置时使用，可以作为产品的序列号。节点也可
13、以用Neuron ID寻址。（4） LonTalk协议的传输层和会话层lLonTalk协议的核心部分是传输层和会话层。l传输层确保可靠的报文传输。l会话层对较低层数据交换加以控制。它支持远程操作，使用户可以对远程服务提出请求，并接收对请示的响应；它还定义了一个认证协议，使报文接收者确认发送者是否有权发送该报文。LonTalkLonTalk协议提供四种类型的报文服务：协议提供四种类型的报文服务：l应答方式(acknowledge)l请求响应方式(request/response)l非应答重发方式(unacknowledged repeated)l非应答方式(unacknowledged) 这些报
14、文服务除请求响应是在会话层实现外，其他三种都在传输层实现。（5 5）LonTalkLonTalk协议的表示层和应用层协议的表示层和应用层l表示层：表示层定义报文数据的编码。报文可被编码为网络变量、应用报文或外部帧。l应用层：应用层定义一种低层交换数据的公共语义解释，使不同应用程序中的网络变量改变时，均能自动将更新的网络变量值下传(发送)或上传(接收)。应用层还定义了一个文件传输协议，用来传输应用程序间的传输流。LonTalkLonTalk协议的表示层和应用层提供五类服务：协议的表示层和应用层提供五类服务：1)网络变量的服务2)显示报文的服务3)网络管理的服务4)网络跟踪的服务5)外来帧传输的服
15、务3. LonTalk协议使用中注意的问题协议使用中注意的问题lLonTalk协议是LonWorks技术的灵魂，它固化于神经元芯片中，是直接面向对象的网络协议。LonTalk支持OSIISO模型的七层协议，支持多种传输介质和多种传输速度。其地址设置方法提供了巨大的寻址能力，提供了可靠的通信服务，保证了数据的可靠传输。但在使用中注意以下几个问题：（1 1）LonTalkLonTalk协议的网络认证协议的网络认证lLonTalk协议支持报文认证，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。l收发双方在网络安装时约定一个6字节的认证字,接收方在接收时判断报文是否经过
16、发送方认证,只有经过发送方认证的报文方可接收。 （2 2） LonTalkLonTalk协议的网络接口协议协议的网络接口协议lLonTalk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应用程序。主处理器可以是微处理器、微控制器或PC机。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15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。（3） LonTalk协议中的定时器协议中的定时器l在使用LonTalk协议服务之前，需正确设置以下几个定时器：l事务定时器(Tramsaction Timer)l重发定
17、时器(Repeat Timer)l组接收定时器(Group Receive Timer)l非组接收定时器（Non-Group Receive Timer）l缓冲器释放定时器(Free Buffer Wait Timer)（4）网络效率）网络效率l网络的响应时间、安全性和可靠性是相互关联的。l例如，应答服务方式是最可靠的，但它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；对具有优先权的报文实时发送，对其它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。作业：作业：l1.LonWorks技术的特点是什么？l2.LonTalk协议使用中注意的问题有哪些？
