多业务控制网关

多业务控制网关（共6篇）

多业务控制网关 篇1

1 引言

无线Ad hoc网络是一种动态变化的无线自组织网络。随着无线网络的不断发展和研究的深入,无线 Ad hoc网络从早期主要用于传输少量的数据信息,到现阶段可以传输多媒体业务和实时业务,这些都需要网络服务质量体系的支持。然而目前对于Ad hoc网络的研究主要集中在对支持QoS的接入控制、路由以及资源预留等问题上[1,2,3,4],而对于业务的QoS则考虑的较少,为了满足网络所承载的业务,就需要对节点容量,快速变化的网络拓扑进行相应的研究,以达到网络性能的整体优化。

目前的无线通信网络中,关于拓扑控制的研究主要涉及到功率控制技术和睡眠调度技术两方面。文献[5]中Narayanaswamy等人提出并实现了一种简单的将功率控制与路由协议相结合的COMPOW算法;文献[6]中提出了基于节点度数的LMN/LMA算法,每个节点可以动态的调整自己的发射功率;文献[7]中作者提出了一种能够保证网络连通性的基于方向性的CBTC算法;文献[8]中作者提出了一种基于邻接图理论的算法DRNG,每个节点以自己所邻接的最远节点来确定其发射功率;而文献[9]中麻省理工学院的Chen等人提出的SPAN算法,是层次型网络睡眠调度算法。该算法在保证网络原有的连通性的前提下,可以自适应的决定节点是骨干节点还是进入睡眠状态;文献[10]中作者所提出的非层次型LDAS算法,主要是节点根据自己所获得的信息,独立的控制自己在工作状态和睡眠状态之间进行转换。

上述文献中关于拓扑控制的研究主要是考虑了如何保证网络的连通性,如何提升网络性能,忽略了空闲侦听时的能量消耗和覆盖冗余,未考虑降低整个网络所消耗的整体能量;而且在节点进行功率控制时,未考虑节点发射功率对业务QoS的影响,以及上下层之间的功率关系,从而使网络资源没有得到充分的利用,造成了网络能量的浪费。

为了解决上述的问题,本文提出了一种在保证用户业务QoS指标的前提下实现降低网络能耗和均衡能耗,以实现能量优化为目的的拓扑控制算法。该方法考虑了业务的QoS指标,利用高层反馈信息,在低层实行联合的功率控制,并对业务进行区分,然后构造点对点的网络拓扑结构,这里的QoS问题主要是满足应用层反馈的用户业务QoS指标,包括带宽和时延限制。本文内容安排如下:第2节阐述了跨层的模型,第3节描述了基于多业务QoS服务的拓扑控制算法,主要讲了业务的QoS服务以及跨层的拓扑算法,第4节主要讲该算法的性能分析,第5节给出全文总结。

2 跨层的模型

无线Ad hoc网络是一种动态变化的无线自组织网络,其自身的特点影响着无线网络的性能。原有的分层协议难以较好的解决无线信道的时变衰落特性以及多媒体业务对QoS的动态要求。为了能够在资源有效利用前提下,保证业务的服务质量QoS,我们采用跨层设计方案,综合相关协议层进行联合优化,以提高系统的各项性能。

目前无线网络的跨层设计主要是通过使用层间交互,不同的层次可以及时共享本地信息,减少了处理和通信开销,进而优化系统整体性能。一般来说,无线自组织网络的跨层设计可以通过两种方法来实现: (l)在对某一协议层进行优化时,不仅考虑本协议层的相关参数,同时也把其他协议层的相关参数考虑进来。 (2)把依赖关系密切的两个或多个协议层合并为一体。典型的跨层协议栈优化设计,各层间均设置有严格的跨层接口,并通过网络状态共享库来将各层集成为一体,相互协作,从整体上提升网络性能。

在网络中,由于不同的业务对其QoS的要求不同,因此各层采用的策略也有所不同,如何利用各层之间的信息交互,在实现拓扑控制的同时,有效的保证业务QoS,是本文所研究的问题之一。文献[11]提出的基于QoS自适应协议模型的跨层设计,是一个典型的跨层设计结构,其设计模型如图 1所示。

应用层:应用层根据所要实现的性能参数向下层传递要实现的QoS要求,各层为应用层提供相应的参数的变化,以实现应用层的自适应变化。

传输层:传输层常采用实时传输协议/用户数据协议( RTP/UDP),将错误的参数及抖动传递给应用层。

网络层:网络层可以把物理层的信道质量参数作为路由选择的判据,从而优化路由算法;同时,网络层和链路层分别实现延迟限制的帧和报文传输,从而实现两层的联合延迟控制。

链路层:数据链路层对各个业务流优先级的设置、调度以及信道选择等将影响端到端的QoS(如延时等)。

物理层:物理层中, 不同的调制方式和传输功率选择, 将使QoS中的误码率( BER) 、吞吐量、发送速率等发生变化。

3 基于多业务QoS服务的 拓扑控制算法

本研究是基于业务的角度考虑网络中拓扑的问题。通信系统的根本目的是保障网络所承载的业务及其服务质量,而在资源受限的无线Ad hoc网络中,就更需要从业务的角度对网络资源进行约束和优化。

3.1 业务的QoS服务

服务质量(QoS) 是网络在传输数据流业务时要求的一系列服务请求, 具体的参数有带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等性能指标。对于拓扑经常发生变化,带宽很窄,能源有限的Ad hoc网络而言,其本身不能提供QoS保证,为了更好的保障网络所承载的业务及其QoS指标,就需要结合具体的服务类型选择合适的QoS策略对网络资源进行约束和优化。保证QoS,实际上就是要提高网络的传输条件。如高质量的话音业务,就是依赖于带宽、时延和抖动这三个要素。一般而言,网络所提供的QoS保证途径有:过度配置、优先级、队列、避免拥塞和传输整形等。

根据IETF提出的区分服务体系结构DiffServ [12],将业务按实际应用中QoS需求,划分三类服务:尽力而为(BE)、保证转发(AF)、加速转发(EF)。

根据这些业务类型及其各自的QoS要求,提出具体业务的QoS服务。表 1是所提出的业务类型及其相应的QoS参数。

1) EF(最高级实时业务):

这类业务主要为紧急话音业务,对实时性要求较高,其特点是业务具有突发性、相对业务量较少,故要求网络提供低时延、低丢包率的端到端服务。在跨层的拓扑控制中,它具有最高的优先级,在网络中会优先得到处理。我们规定该业务的时延为0.2s,由于在拓扑控制中,业务的时延限制是采用QoS路由跳数来表示,因此设定其时延Δu,v为4跳,带宽λu,v为2Mbit/s,这种业务流将获得网络中最高的服务质量,在进行传输时,可抢占低优先级业务的资源,从而使这类业务获得最小时延,同时也改善了该业务的其他服务质量参数。

2)AF(中级实时业务):

这类业务主要为非紧急的话音、视频及其他多媒体业务。对带宽、时延有一定的要求。其服务原则是:无论网络是否拥塞,都保证用户占有预约的最低限量的带宽;当网络负载较轻而有空闲资源时,用户可以使用更多的带宽。该业务在网络中的优先级为中级,大部分业务流都能成功的传递,适用于网络实际状况的实时程序。规定该业务的时延为0.5s,其时延Δu,v为10跳,带宽λu,v为1Mbit/s,在进行QoS路由算法时,尽量保证该业务的丢包率达到最小,从而保证网络资源得到合理的分配。

3) BE(尽力而为业务):

此类业务对服务质量没有特定的要求,其实现对系统没有任何的要求。属于优先级最低的业务,如果一旦网络发生故障,该业务的包则很可能被丢弃。这种情况通常发生在网络没有足够的资源的情况下,或者是BE业务进行传输时,有EF业务发出带宽请求时。所以BE对应的业务是网络通信中丢包率最高的,传输最不可靠的业务。

3.2 跨层的拓扑控制算法

网络的拓扑结构直接影响着网络的QoS性能。目前的无线通信网络中,主要通过调节节点发射功率和方位角等技术措施,来保证网络的连通性。但是节点的发射功率不宜过小或过大,过小时使网络中链路较少,部分节点的流量负荷会很大,网络QoS性能就会急剧下降;过大时网络拓扑过于密集,网络中的某些节点会由于能量消耗过快脱离网络,导致网络断裂。因此,将拓扑控制与网络链路状况相结合,进行功率控制,使网络中的节点发射功率优化,均衡网络能耗,满足用户QoS需求达到网络能耗最小。

3.2.1 网络拓扑模型与问题描述

本算法主要是依靠节点的邻居信息来计算从源节点到目的节点的资源。以下是文中使用到的符号和参数:λu,v表示从源节点u到目的节点v的业务的带宽要求;Δu,v表示从源节点u到目的节点v的业务的时延要求;βi,j为链路(i,j)能够提供的带宽;βi为节点i的流量限制,即该节点可发送和接收数据的数量之和;d(u,v)指(u,v)两点之间的欧氏距离。

本文假设网络中每个节点u具有一个全向天线,而且节点u的传输功率可以在最小和最大之间连续调节,即0≤pu≤pundefined,pundefined表示节点u的最大传输功率,且所有节点的最大功率相同。每个节点配备有GPS接收器,因此它可以知道自己的位置信息。假设节点具有相同的路径损耗模型, α取决于无线传播模型。其发送功率Pu与接收功率Pv的关系为:p(u,v)=Pu/Pv=dundefined。为使分析简便,本文采用自由空间(Free Space)模型[13],α=2。

我们定义为:给定平面中节点的集合V及其位置坐标、每个节点的流量限制βi,发射功率pi和最大发送功率pmax,以及任意节点对(u,v)间的QoS需求。目标是在网络带宽所满足的条件下,通过调节节点的发射功率pi,使得当前总的发射功率p达到最小,构造一个新的网络拓扑结构,该拓扑结构不仅能够满足当前节点对(u,v)间的QoS需求,并且最小化了网络中节点的总发射功率Pmax,在网络中建立路径节点优化能量场,提高网络的能量使用效率。

算法关注业务从源节点到目的节点的性能要求,只保障所传输业务的节点的连通性能。业务性能对连接的要求如下:

undefined

其中xundefined是一个布尔变量,当有从源节点u到目的节点v经过链路(i,j)时xundefined=1,否则为 0。公式(1)表示某节点的带宽要满足业务的带宽需求;公式(2)指出网络中通过业务流最多的节点应满足带宽约束;公式(3)是时延约束,由于业务流在节点对之间可以选择不同路径,可以将这两个节点之间多条业务流所经过的平均跳数来表示时延;公式(4)是优化目标,要使总的总发射功率尽量小。

为了保证整个网络所消耗的总能量最小,整个网络中此时所有工作节点等于路由节点,其余空闲节点处于休眠状态。当前所承载的业务决定工作节点的个数和位置。

3.2.2 基于业务QoS算法实现

Step1:初始化网络,使得节点u以最大的发射功率Pundefined向周围发送广播,收集其邻居节点的v的信息,若pundefined≥p(u,v),则节点v返回TD Ack,同时节点u将节点v加入NBR(u),然后节点u恢复至睡眠状态。

Step2:当有业务进入网络时,首先唤醒源节点,同时获取该业务的QoS性能指标,由应用层将该业务QoS性能指标(带宽需求λu,v以及时延限制Δu,v)反馈至物理层,确定u和v的位置以及d(u,v),其中d(u,v)指两点之间的欧氏距离,hop=1。将u、v加入节点集合V,(u,v)加入链路集合E。

Step3:选择一个节点作为vi(i=1),若βvi≥λu,v,则执行步骤Step6,否则执行步骤Step5。

Step4:执行i++,重新选择一个节点vi,使得βvi≥λu,v,执行步骤Step5。如果不存在满足条件的节点则选择下一对节点。直到对任一节点对都不存在满足条件的节点或时延溢出。

Step5:调整节点的发射功率使dα(u,vi)+dα(vi,v)最小,且dα(u,vi)+dα(vi,v)

Step6:判断所要传输的业务的时延,若undefined,则将E中元素的长度按由大到小排序,并取使其中数值最大的节点对,按步骤4重复计算,否则将取消最后所加入的节点和链路,并将原链路重新加入链路集,形成网络拓扑承载当前业务。

3.2.3 跨层拓扑中的功率控制

拓扑控制影响物理层的链路质量,影响MAC层的带宽和空间复用度,影响网络层的可选路由和转接跳数。所以迫切的需要提出基于跨层的协同功率控制策略。我们可以认为,网络只有在满足某个或某些其他服务质量,也就是能够为用户服务的情况下才是存活的。因此需要通过高层反馈的性能参数和物理层、MAC层以及网络层的拓扑控制信息完善自适应的按需拓扑控制机制,以最大限度的节省能量消耗。

网络层功率控制主要是根据节点从网络层获得的拓扑信息进行相应操作,动态的调整节点的状态和发射功率,来改变网络的拓扑结构和路由,使网络性能得到优化。如果网络中的节点没有业务传输时,将该节点的功率调至最小,更好的节约网络的能量,其QoS路由进行选路时,在保证网络连通的前提下,尽可能选择发射功率较小的节点,以保障网络总能量消耗最小。数据链路层的功率控制是通过 MAC 层协议完成的,发送节点根据每个业务的源节点和目的节点之间的距离、以及当前信道状态信息等条件来动态调节该节点的发射功率,保证在给定节点最大发送功率前提下,通过功率控制机制尽可能节省节点的能耗,提高信道的空间复用度。链路层功率控制机制不影响网络拓扑结构,同时也不会增加信息在转发过程中所经历的平均跳数。MAC层根据应用层的QoS要求、物理层提供的信道信息及网络层的时延约束进行自适应的调节,选择最佳的接入方式,以实现最小的接入延迟及最大的吞吐量。

4 算法的性能分析

该拓扑算法通过对节点的功率进行调节,寻找出总功率最小的最优路径;并采用睡眠调度机制,进一步节约了网络的能量;同时采用跨层的思想,将应用层业务的QoS性能参数传递给下层,通过与下层进行联合的控制,有效地节约了网络能量,平衡了节点的能耗,提高了网络QoS性能,延长了网络的生存时间。

该算法在进行路由寻路时,尽量采用能耗较少的短链路代替能耗较多的长链路,解决了其他经典算法中存在的由于能量消耗不均而导致节点能量消耗殆尽,严重影响网络生存时间的问题。同时通过对节点的功率进行调节,降低单个节点的传输功率,有利于网络节点能量均衡化,延长网络寿命。

对于多业务,我们将业务划分为三类,对于各类业务有不同的QoS要求,主要是针对各业务的时延和带宽,进行拓扑约束。给出了各业务的优先等级,对不同的业务进行相应的保障,降低了网络资源的竞争,从而节约了网络的能量。

5 小结

当前拓扑控制算法,主要从节点的功率控制方面来保证网络的连通性,从而提升网络的性能,如提高吞吐量、降低链路间的通信干扰和竞争等。本文主要讨论了基于QoS保证的跨层拓扑控制方法,该方法以实际应用为背景面向用户,通过协议栈层间的交互,保证网络能耗的均衡,更好的节约了网络的能量。同时,在Ad hoc网络中依据业务的QoS指标,对业务进行区分,根据不同的业务类型进行分析各自的QoS要求及其特征,在形成网络拓扑时,考虑了带宽和时延因素,从而保证了业务的QoS。根据分析,所提方法能够提高资源利用率,减少空闲侦听时的能量消耗,并且满足不同业务的QoS需求,对无线网络中区分业务的拓扑控制方法具有一定的参考价值和理论指导意义。

移动多协议融合网关的建模 篇2

随着信息技术的飞速发展，网络的种类也越来越多，同时产生了异构的网络环境。但是由于异构网络之间的协议并不相同，网络之间也无法实现互联互通[1]。移动环境下的多协议融合网关的提出，就是试图解决这个问题的。网关能够分析各种网络的路由协议，并在协议之间转换，从而使得不同类型的网络之间能够相互通信。

目前，国内的多协议融合网关的研究主要来自电信，移动等大型的运营商。但这些运营商的网关主要静止在其核心网内，缺乏移动性和灵活性。同时，国内对于在移动环境下的多协议融合网关的研究相对较少，仅有中科院，清华大学等少数机构在研究，提出的方案也不多。本文在OPNET的基础上，对多协议融合网关进行建模并采用该模型组成多层级的移动自组织网络，实现了业务数据的交换和无缝转发。

1 OPNET仿真软件

计算机网络仿真软件OPNET是由美国OPNET Technology公司开发，通过图形化编辑界面支持面向对象的建模方式，支持有线网络、无线局域网甚至卫星通信网的建模，是当前世界上先进的网络仿真开发平台之一。它以面向研发的OPNET Modeler为基础，系列产品还包括IT Guru、SP Guru、OPNET Development Kit和WDM Guru等等。

1.1 OPNET建模原理

OPNET Modeler采用层次建模方式[2](Hierarchical Network Modeling):从协议间关系看，节点模块完全符合OSI标准，自上而下分别是业务层，TCP层(传输层)、IP封装层、IP层、ARP层、MAC层、物理信道;而从模型层次关系来看，提供了三层建模机制，分别在进程层，节点层和网络层实施由下而上的建模方式。

三层模型的最下层是进程模型(Process Model)，通过有限状态机描述;中间层次为节点模型(Node Model)，由各个处理器/队列模块组成，每个处理器/队列模块包含一个或多个进程模型。最上层则为网络模型(Network Model)，通过对节点模型的配置组合最终构成设想的网络环境。

OPNET Modeler采用离散事件驱动(Discrete E-vent Driven)的模拟机制，与时间驱动相比，计算效率得到了很大提高。每一时刻，进程模型的有效状态机总是停留在特定状态，时间触发后则执行事件，随后进行状态转移。

2 多协议融合网关建模

2.1 网关功能概述

移动环境下的多协议融合网关的功能是建立移动单元和传统网络的连接，同时具备互操作传统和非传统通信设备的网关能力[3]。其本身也可以作为一个移动终端，实现移动多跳的自组织网络，类似一个自治域，可在域内融合多种不同的末端网络。因此，网关在移动网络环境下可以灵活充当以下角色:

(1)Wi-Fi WLAN AP(Access Point):为其他Wi-Fi终端提供WLAN接入服务。

(2)单跳/多跳Ad hoc节点:与其他终端或者网关节点组成不同层级的移动自组网、移动混合自组网[4]。

(3)有线局域网节点:与其他局域网节点构成本地局域网。

(4)网关节点:同时具备以上3种角色中多种，并且提供所连接的各个末端网络之间的路由互通功能。

2.2 网关节点模型

网关节点模型如图1所示，每一组进程模块都代表OSI通信协议模型的一层。可以明显的看出，它包含tcp模块，tpal模块，udp模块，rsvp模块，ip_encap模块，ip模块，arp模块(arp0、arp1、arp2、arp3),eth_port_rx和eth_port_tx,wlan_mac和wlan_port等模块。其中各模块的功能说明如下:

(1)位于ip模块上层的模块除了tcp和udp实现了传输协议外，rrp,rip,bgp,rsvp,ospf,igrp,eigrp,isis等模块都分别实现了对应其名称的路由协议，具体在本文中都不再赘述。

(2)ip_encap模块作为ip模块与上层的接口，为上层进入ip模块的分组封装ip协议的首部，形成ip数据报文，同时作为下层的接口，对下层进入上层的数据包解封装，将报文的有效数据部分传入上层。

(3)ip模块是网关节点的核心模块，接收来自上层的分组，根据不同的路由协议执行路由选择，Ad hoc路由协议、有线网络和WLAN的路由协议均在这一层实现，是实现多协议融合的核心模块。

(4)arp模块，mac模块和wireless_lan_mac模块的作用是仿真协议栈中的有线和无线数据链路层，提供信道接入协议。

(5)eth_rx和eth_tx模块为物理层模型，负责有线网络的数据收发功能。wlan_port_rx和wlan_port_tx模块负责无线网络的数据收发功能。

由于多协议融合网关要实现功能概述中的三个功能，因此ip模块下层连接四个不同类型网络的接口，分别为有线网络，基础架构的无线网，终端级Ad hoc网络以及网关级Ad hoc网络[5]。

2.3 网关进程模型

2.3.1 IP模块

网关节点模型的核心模块是ip模块，网络层的功能几乎都通过ip模块实现，扩充和修改网络层的功能也要修改ip模块。ip模块的根进程为ip_dispatch，而ip_dispatch再通过创建各种子进程实现ip模块的所有功能[6]。MANET路由协议的增加或者修改需在manet_mgr子进程中完成。manet_mgr子进程实现了本文中网关采用的aodv协议。

ip模块的数据处理流程:上下层的数据到ip模块后，由CPU模拟进程统一接收，经判断再转发到合适的处理进程。当ip模块需向外发送数据，CPU模拟进程并不会直接对外发送数据。若是向上层(ip_encap模块)发送数据，首先将数据发送给ip模块的根进程ip_dispath，然后再由其转发到上层，若在MANET进程有数据要发送，先发送给manet_mgr，它再转发到ip_dispatch，最后ip_dispatch转发给上层;若是向下层(arp模块等)发送数据，则是靠网络接口处理进程(ip_output_iface)或(mpls-mgr进程)完成转发。

从以上分析可知，要实现多协议网关异构网的路由功能，需要修改网关节点CPU模拟进程中的路由核心函数，使其融合多种路由协议实现异构网互通。

2.3.2 网关路由转发过程

网关具体路由过程如图2所示，网关内保存了3张路由表，分别为routing table、网关级aodv table、移动终端级aodv table。routing table为除了Ad hoc以外的节点提供路由，而Ad hoc节点的路由与转发则需通过网关级aodv table或移动终端级aodv table来完成。算法步骤如下:

(1)网关每收到一个数据帧，首先检查帧的目的MAC地址是否为网关相应接收端口的MAC地址，若不是则直接丢弃，否则转步骤(2)。

(2)提取帧的目的IP地址，查找routing table，在routing table中是否查询到相应路由信息，若存在且为本地路由，则帧不再转发，网关接收处理，若非本地路由，则转步骤(3)。

(3)根据路由信息里下一跳所属的端口号，查询配置文件，确定端口连接的网络类型，若非Ad hoc网，则通过端口直接转发，否则，确定Ad hoc类型为网关级还是终端级，若为网关级(只有一种可能，即该帧的目的主机为某网关，因为通往该目的主机的路由信息在routing table中找到，可以确定目的主机所属网络必然与该网关相连;若帧的目的主机非网关，而为某子网中的节点，则在routing table中查不到路由信息)，则查询网关级aodv table，若找不到目的网关，则运行网关级aodv协议进行路由寻路。若为终端级Ad hoc网(目的主机属于该网关下的Ad hoc子网)，则查询终端级aodv table，若查询不到路由信息，则运行终端级aodv协议进行路由寻路。

(4)若在routing table中查询不到任何路由信息，则说明帧的目的主机不在该网关所连接的任何网络，而属于另一网关下的某一子网。此时查询网关级aodv table，若有去往目的主机的所属网络的路由信息，则直接路由，否则网关运行aodv协议执行路由寻路，直到目的主机所属网关响应路由寻路请求，告知本网关它可以去往目的主机;本网关更新网关级aodv table，将数据发送至目的主机所属的网关，转发完毕。

3 仿真场景设计

本文设计了两个仿真场景，其中场景一专门验证网关在不同层级的Ad hoc网络通信的功能，场景二验证网关在异构网下不同终端之间的通信功能。

3.1 不同层级Ad hoc仿真场景

仿真场景如图3所示，整个网络由两个Ad hoc子网和一个网关级Ad hoc网络组成。2个终端节点和1个网关节点组成Ad hoc子网1,1个服务器节点，1个终端节点和1个网关节点组成Ad hoc子网2,3个网关节点组成上层的网关级Ad hoc网络，其中两个子网中的网关节点是跨层级Ad hoc混合网关。

为验证网络的连通性能，在此场景中加载FTP服务，FTP Client设置在Ad hoc子网1中，FTP Server设置在Ad hoc子网2中。根据Ad hoc网络的单跳特性，Client与Server通信需多个中间节点转发数据，必然跨越多层Ad hoc网络，因此可验证网关节点的混合移动组网功能。

3.2 异构网络通信场景

仿真场景如图4所示，有线局域网，无线局域网以及Ad hoc网络三网组成异构网络。其中，有线局域网由6个终端节点，1个服务器节点以及1个交换机节点组成;无线局域网由4个无线终端节点和1个服务器节点组成;Ad hoc网络由6个终端节点和1个服务器节点组成。唯一的网关节点是异构网网关，在此场景中同时作为WLAN的AP,Ad hoc节点以及LAN的外部通信节点。

为验证异构网络的互通性，在此场景中加载FTP、Email以及Database服务。FTP Server设置在有线局域网中，FTP Client设置在Ad hoc网络中;Email Server设置在无线局域网中，Email Client设置在有线局域网中;Database Server设置在Ad hoc网络中，Database Client设置在无线局域网中。不同业务跨越不同的子网，网关节点起到转发数据的关键作用，可借此场景验证网关在异构网络组网功能。

4 仿真结果分析

仿真采用Windows XP SP3操作系统，使用OP-NET软件的版本为14.5，编译器使用微软Microsoft Visual Studio 2010编译软件。

4.1 参数设置

场景1中Ad hoc网络采用AODV路由协议[7]，参数设置如表1所示，FTP Client节点IP地址设置为192.168.1.2,FTP Server节点IP地址设置为192.168.100.3，处于不同的网段，网关1设置192.168.1.1和192.168.2.1两个IP地址，网关3设置192.168.100.1和192.168.2.3两个IP地址。

加载在场景中的FTP业务参数设置如表2所示，传输的文件大小设置为5kB。

场景2中的Ad hoc网络同样采用AODV协议，参数与场景1一致。有线局域网采用RIP路由协议，采用默认设置。加载在场景中的FTP业务参数设置与场景1一致。Email业务的参数如表3所示，每封Email的尺寸为2kB。

Database业务的参数如表4所示，两个事务发生的时间间隔服从指数分布，事务请求数据包的大小为32768bytes。

4.2 结果分析

场景1主要关注FTP Client(IP地址为192.168.1.2)与FTP Server(IP地址为192.168.100.3)节点的数据传输。仿真运行时间为10分钟，收集的统计量有Client与Server的端到端时延，FTP传输数据大小，路由跳数，丢包率等。

表5为Client与Sever通信仿真结果统计量，可得Server到Client的时延较短，双向时延均为毫秒级。Client上传了5kB的数据，这与参数设置的文件大小是一致的。Client到Server的平均跳数为6，这符合Ad hoc网络单跳的特性，从192.168.1.2到192.168.100.3恰好需要6跳路由。丢包率大致保持为0，这反映了移动组网的稳定性。

从场景1的结果分析中可得，多协议网关在多层级Ad hoc网络中能有效实现数据传输，运行Aodv协议并顺利路由报文到目的地址，与预期的结果基本一致。

场景2较场景1复杂，仿真时间设置为20分钟。本文重点分析各配对客户端与服务器的通信情况，以此验证多协议网关异构组网是否成功。图5为位于有线局域网中的FTP Server和位于Ad hoc网中的Client通信对比图，上下两图的曲线大致相同，表明Server发出的数据包均被Client收到。也即表明有线局域网和Ad hoc网络能互通。

图6为位于无线局域网中的Database Client与位于Ad hoc网络中的Database Server通信对比图，最上面的曲线为Server发送数据曲线，上下两条曲线大致相同，表明Server发出的数据包均被Client收到，也即表明无线局域网与Ad hoc网络能互通。

图7为位于有线局域网中的Email Client与位于无线局域网中的Email Server通信对比图，最上面的曲线为Server发送数据曲线，上下两条曲线大致相同，表明Server发出的数据包均被Client收到，也即表明有线局域网与无线局域网能互通。

至此，由以上3个服务运行后的统计结果可知，无论服务器节点与客户端在何种网络，两者之间均能通信并且实现无缝数据传输。从而说明多协议网关具有组建异构网络的能力。

5 结束语

多协议融合网关是一种能连通异构网络的设备。本文利用OPNET仿真软件对多协议网关进行节点域和进程域的建模，并在两种不同的场景下加载FTP,Database,Email等数据业务，模拟网关在真实网络环境下的工作情况。实验结果证明，多协议网关完全实现了异构网络下的路由与数据转发功能，对在特殊环境下的移动组网有重要的实际意义。下一步工作将在网关功能中融合3G网络，进一步增强网关的组网能力。

摘要：多协议融合网关是一种融合多种路由协议,实现异构网络混合组网的网络设备。为验证多协议网关在移动环境下的可行性,文中在OPNET网络仿真软件的基础上,对多协议网关建立模型,并设定通过网关互操作Ad hoc、WLAN、LAN网络的仿真场景,加载Email、FTP、Database业务模拟实际网络行为。结果表明,移动多协议融合网关能实现异构网络之间数据的交换和无缝转发,保障异构网络业务的需求。

关键词：多协议融合,移动,OPNET仿真,异构网络

参考文献

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多业务控制网关 篇3

从我国金融行业目前报文系统的建设现状看, 大多数中小银行仍然没有专门的报文系统, 对业务报文的处理仍然停留在手工或半手工的处理模式。如采用SWIFT的PC Connect或WorkStation、CNAPS前置MBFE等。这都使得银行业务的处理效率低下, 耗费大量人力, 无力支撑业务的大量开展。

另有部分大中型银行虽然已经建立了针对某一标准的报文系统———例如针对SWIFT MT标准的报文系统, 但这些系统或者不提供报文的路由与分拣功能;或者是独立的系统, 难以与银行内的业务处理系统集成, 无法支持业务的直通处理。更重要的是, 这些系统一般都仅支持一种报文标准, 无法满足银行加入多个清算体系的需求, 不利于金融产品功能的延伸, 造成资源的重复投入, 对系统维护和业务管理也带来不便。下面, 本文就如何建设金融报文网关系统提几点建议。

一、建设目标

鉴于银行目前的业务背景, 可以看出金融报文网关系统在建设过程中将需要实现以下目标。

1、动态的支持多个报文标准

系统需要支持多个报文标准, 并且支持的报文标准必须是可动态增加的。一方面随着银行业务开展的需要不断增加业界已公布的报文标准, 或者因为替换银行原报文系统时, 需要增加原报文系统处理的报文标准;另一方面, 随着国际国内经济的发展, 可能会出现新的报文标准, 系统必须能够在不影响已有报文标准的使用上, 增加对新报文标准的支持。

2、动态的支持报文标准升级

SWIFT的MT和MX标准几乎每年都会进行升级, 国内支付清算的报文标准也会有升级的需要, 这就要求报文系统必须能实现报文标准的动态升级。一方面必须紧随各标准制定组织的步伐, 在尽量避免系统改动的前提下, 实现报文标准的参数化升级;另一方面, 在某个标准进行升级时, 不影响到系统中其他报文标准的正常使用。

3、强大的应用整合能力

报文系统必须具备与银行行内业务系统快速集成的能力, 只有实现了与行内业务系统的集成, 才能更加充分地发挥报文系统对银行业务发展的支持, 同时减少银行的人力投入和管理成本。具体要求体现在:一方面必须对业务系统屏蔽报文标准, 同时实现报文内容与业务数据间的自动转换, 支持实现业务的直通式处理;另一方面, 支持银行内各业务系统的不同通讯协议和连接方式, 减少行内业务系统的改造。

二、设计思路

鉴于上述情况, 要求尽可能的实现业务处理与报文处理的分离, 报文处理系统将作为处理网关, 统一向业务系统提供报文接入、报文标准升级、报文标准解析、报文标准转换等服务, 业务应用系统仅需关注客户的业务需求, 从而提高业务的应变速度, 降低整体成本。

为实现上述目标, 金融报文网关的核心设计必须是提供一个弹性的规则库, 该规则库包含组织关系、权限管理、报文格式标准、格式检验标准、路由策略、接口参数等, 使得业务人员可以根据实际的业务处理流程, 动态的修改系统配置, 实现“应需而变”。具体设计思路如下:第一, 系统支持多个报文标准, 用户可以根据自身需要选择一个或多个标准, 并可支持标准的动态增加;第二, 报文标准以参数配置的形式保存及升级, 实现标准的互不干扰、动态化、非程序化更新;第三, 提供多种接入方式, 向外系统屏蔽复杂的报文标准, 以业务数据的形式实现与外部系统无缝集成;第四, 参数化的业务流程控制和路由分发, 可以按照用户需求灵活配置;第五, 严密而丰富的用户角色及其业务权限管理机制;第六, 提供增值的可定制的报文监测预警能力, 如OFAC、黑名单检测等。

三、结论

综上所述, 金融报文网关的建设将为银行业务发展提供有力支持, 将为银行带来以下价值。

1、整合现有业务系统的报文需求

金融报文网关实现报文的统一转换及接入, 向各业务系统屏蔽复杂的报文标准;同时提供灵活的系统接口, 实现与相关业务系统的无缝链接, 从而帮助用户降低开发难度及成本。

2、提供集中的报文处理平台

金融报文网关是一个大集中的报文处理平台, 在用户权限控制下, 提供完整的报文收发、路由、编辑、查询、打印等功能。在该集中处理平台上, 各操作用户通过行内网络, 在同一系统内完成各自权限范围内的操作。

3、为用户带来丰润的经济效益

金融报文网关作为一个大集中的系统, 降低了系统部署及后续维护的成本;集中、直通的业务处理降低了资金的在途占用, 提高了业务处理能力, 为银行带来更高的资金利用率及更大的业务收益。

四、典型应用

基于金融报文网关的设计思路, 东南融通公司研发了金融报文交换系统E@ble Switchman。目前国内已经有多家大型商业银行利用东南融通的E@ble Switchman陆续完成了新一代报文系统的建设, 在系统中包含了CFXPS报文标准、SWIFT的MT报文标准等, 并计划在将来增加SWIFT的MX报文标准。这些系统的上线, 使银行能够集中管理进出全行的所有报文, 为银行内部的业务系统建设 (如整体清算) 铺平道路。

参考文献

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[4]中国人民银行科技司:境内外币支付系统与直接参与机构业务系统接口规范[Z].2008.

多业务控制网关 篇4

进入21世纪以来, 现场总线技术异军突起。现场总线使得现场仪表之间、现场仪表和控制室设备之间构成网络互连系统, 实现全数字化、双向、多变量数字通信, 改变过去长时间运用的4-20m A的模拟信号标准, 这就为整个工控系统全数字化运行奠定了基础。现场总线的另一优点是控制功能下载, 控制功能基本上由智能化的现场仪表来承担:控制功能分散得比较彻底, 加上全数字化就有可能组成大型的开放式系统, 进而实现从决策层到设备层综合管理和控制。特别是, 随着计算机技术、网络技术以及控制理论的发展, 工业无线技术作为一种新兴的面向设备间信息交互的无线通信技术, 适合在恶劣的工业现场环境使用, 具有抗干扰能力强、能耗低、通信实时性好等技术特征。如何从有线/无线异构网络的集成架构入手, 分析异构网络网段间实时通信在中继和网关中的基本通信机制, 构建有线网络与无线网络相互集成的异构网络控制系统已逐渐成为一些特殊工业应用领域的必然发展趋势。

目前工业 自动化领 域运用的 无线技术 主要集中 在WLAN、Blue Tooth以及Zig Bee三种上。传统的IEEE802.11无线通信网络是面向办公环境而设计的, 其物理层的传输机制, 如WLAN的直接序列扩频技术传送速率高, 适合于高速大数据吞吐量的网络应用, 耗能也高, 抗干扰性不好, 不适于许多工业控制应用节点的使用, 必须在物理层、MAC层以及协议模型方面改进 , 以提供可靠的实时服务 ;Bluetooth的调频扩频机制对上述问题改进不明显, 且每一cell中的节点数量仅为7个 , 只能适合于某些特殊的工业应用 ;而IEEE 802.15.4技术在短距离、小数据量的无线传感网络应用中具有很好的优势和发展前景, 但在苛刻的流程工业环境应用中, 网络协议需要作一定改进, 以降低空间反射、频率干扰等带来的延迟和丢包问题。新一代短距离无线数字传输技术是宽带线性调频扩频, 又简称为切普扩频, 该调制方法综合了FSK、PSK和ASK三种方法的优点, 能十分有效地抑制工业环境中各种噪音和多径干扰。

1 有线/无线多协议转换架构

为了考虑当前有线现场总线/工业以太网为主的现状, 又兼顾了与无线网络前沿技术的无缝连接, 本文主要研究一种基于IEEE802.15.4a的工业无线网络引入Device Net现场总线和MODBUS/TCP工业以太网的多协议网关及协议转换方法, 旨在实现一种符合工业实时要求和开放数据通信的有线/无线异构控制网络网关, 构建具有通用性的协议转换机制, 使得现场带有线或无线网络接口的传感器、变送器和执行器等智能设备能够接入统一的系统协议构架内, 为实现企业综合自动化奠定基础。其有线/无线多协议网关组成结构如图1所示。

图1是基于IEEE802.15.4a的工业无线网络接 入MODBUS/TCP工业以太网和Device Net现场总线的多协议网关, 主要包括微处理器、IEEE802.15.4a无线主站、MODBUS/TCP从站、Device Net从站、外 扩SDRAM存储器和FLASH存储器、RJ45网口、CAN接口电路、USB接口。IEEE802.15.4a无线主站 实现IEEE802.15.4a无线协议 , 由MODBUS/TCP主站实现MODBUS/TCP协议 , 由Device Net从站实现Device Net协议, 由微处理器实现所述三种网络之间的协议转换。具体转换流程如下:

在无线主站模块正常工作前, 需要对无线协议芯片进行初始化, 包括初始化微处理器的SPI接口, 然后复位无线协议芯片。发送大小端同步字, 同时使能芯片内部时钟, 配置寄存器的访问方式, 设定数据的重发机制, 使能接收/发送中断等。最后启动无线芯片, 使主站开始正常运行;在MODBUS/TCP以太网从站模块正常工作前, 需要对其进行初始化, 包括初始化微处理器的EMAC接口, 然后复位以太网物理接口芯片, 配置模式控制寄存器, 使能EMAC的接收/发送中断, 使MODBUS/TCP主站模块正常工作 ;而Device Net从站接口在上电之后还处于离线状态, 不能接收任何报文, 为了实现Device Net波特率快速识别、优化中继报文收发机制等正常运行, 在CPU单元中固化波特率自动检测流程图、信息发送流程图、信息接收流程图、中断响应流程图, 以组成中继报文收发机制。无线主站轮询与协议转换步骤为:1) 无线主站收到报文, 判断报文目标地址是否在同一网络中, 若是, 直接下发报文进行操作;若否, 无线主站则轮询无线网络子节点, 更新数据副本区;2) 无线主站轮询MODBUS/TCP主站, 若MODBUS/TCP主站未收到报文, 轮询MODBUS/TCP子节点, 更新数据副本区, 转到步骤5) 继续;若MODBUS/TCP主站收到报文, 获取网络源地址与目标地址, 等待地址转换;3) 读微处理器中地址转换映射区内的结构体数组, 根据数组内容进行对应的转换;4) 地址转换完成后, 无线主站判断报文性质:1若是普通报文:对MODBUS/TCP主站的输入/输出数据副本区进行操作, 返回报文响应。在下一个轮询周期内, MODBUS/TCP主站输入区内数据将被写入子节点, MODBUS/TCP主站输出区内数据将被更新;2若是紧急报文:MODBUS/TCP主站直接对子节点进行相应操作, 返回报文 响应 ;5) MODBUS/TCP主站轮询Device Net从站 , 若Device Net从站未收到报文 , 不进行任何操作; 若Device Net从站收到报文, 根据报文内容对双口RAM进行相应操作 , 双口RAM中的数据将根据Device Net主站对从站的 轮询时间 进行随时 更新;6) 无线主站轮询结束。

2 协议转换装置主要硬件设计

设计中系统采用的核心处理器是AT91RM9200微处理器, 它支持SDRAM、SRAM、Burst Flash和Compact Flash、Smart Media以及MAND Flash的无缝连 接 , 集成有以太 网控制器ENC28J60, 该芯片的 工作电压 有两种 :1.65V-1.95V与1.65V-3.6V, 分别由LM1086-3.3V与LM1117-1.8V电源芯片提供。

2.1 电源系统设计

电源系统是整个装置的关键点, 关乎整个系统稳定运行的基本保证。考虑设计应用的工业现场环境以及系统的功耗, 采用24V、3A的稳压直流源, 采用LM2576-5V的电源芯片, 其电压输出为5V, 最大输出为3A, 效率是75%-80%。电源系统的电路图如图3所示。

2.2无线接口功能设计

微处理器通过SPI总线与无线协议模块连接, 形成一个无线主站模块, 实现无线网络与无线子节点的互联。无线协议模块Nano PAN5360通过SPI串行外部总线与通用I/O模块地板相连接, 构成了完成的无线网络节点装置。无线协议模块可以采用以无线协议芯片为基础的开发模块, 以缩短节点的开发周期并同时保证节点通信的可靠性。

2.3 以太网的功能设计

EMAC是OSI参考模型MAC子层的物理实现 , 介于物理层与逻辑链路层之间, 以IEEE802.3u数据帧格式控制着主机与PHY之间的数据交换。EMAC为逻辑, 传输和接受的DMA控制提供了FIFO缓冲区, 此外, 还为物理层管理提供了MDIO/MDC接口。以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口两大部分构成。在设计中, 使用的DM9161作为以太网的物理层接口。如图4所示。

2.4 SPC3 的 RS485 接口电路

DP从站采用RS485串行通信方式 , 分别连接SPC3的4个引脚 :XCTS、RTS、TXD和RXD, 数据传输在RS485工作模式下完成。为提高系统的抗干扰性, 接口部分要在电气上隔离。从站电路中隔离电源采用DCP010505。RS485总线驱动一侧与总线连接, 另一侧通过光耦合器与SPC3连接, 设计采用的光耦合为HCPL0601系列。同时总线驱动芯片选用了高速总线收发器SN75176B。具体电路见图5所示。

3 总结

本文主要 工作是使 有线无线 异构网络 实现互联 , 通过分析Device Net现场总线和MODBUS/TCP和IEEE8021.15.4a无线网络 协议标准 , 提出了一 种多协议 转换模型 与方法 , 实现了Device Net、Modbus/TCP工业以太网和IEEE8021.15.4a无线网络之间的互联。该系统中存在两个主站, 既可以同时作为主站独立并行工作, 两主站之间能够对等地访问对方的从节点, 同时又可以配置为主从关系。

摘要：本文研究一种DeviceNet、Modbus/TCP以及IEEE8021.15.4a无线网络异构互联的多协议网关, 构建具有通用性的协议转换机制, 为一些特殊工业领域应用奠定基础。

关键词：协议转换,网关,DeviceNet,Modbus

参考文献

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多业务控制网关 篇5

三网融合创新家庭业务

在中国电信“我的e家”、中国联通“亲情1+1”和中国移动“全球通家庭计划”之后, 三网融合让电信运营商又进入到一个更加“全业务运营”的时代, 除了固定和移动网络运营之外, 电信运营商将被允许获得广电领域的资源和提供相关业务的权利, 这将给电信运营商的市场拓展带来更大的机遇。

Frost&Sullivan咨询经理武威表示, 在全业务运营时代, 电信运营商利用固网和移动网的融合并没有开发出实际意义上的新业务, 只是将固网和移动网的业务进行简单的捆绑, 通过向客户推出一些新的套餐等吸引客户, 增加客户黏性, 而三网融合则不同, 电信运营商能够将会利用广电资源的共享去实现一些新的融合业务, 比如IPTV就是最常见的业务之一。

有专家表示, 固定电话、宽带和手机的融合只是一个简单的业务捆绑, 而三网融合或三屏合一才是真正的业务融合。

据本刊了解, 中国电信贵州公司正在试商用一种名为“影信通”的视频业务, 这一业务充分利用了三网融合条件下电信运营商拥有视频内容运营的权力, 通过和各大内容提供商的合作, 可以提供给用户丰富的视频内容。更重要的是, 可以利用用手机、固定电话、互联网随时随地搜索并定制感兴趣的视频内容, 随后该内容就会被推送到一款家庭终端上, 并可在电视机上播放。“影信通”的开发商北京建新宏业科技公司总裁郑建兴向本刊表示:“影信通业务体现了三网融合的实质, 广电拥有视频内容的播控平台, 而中国电信得到了视频内容的控制权, 并可通过多种方式让用户获得内容, 这给用户带来了真正的实惠, 不仅有利于电信运营商增加用户黏性, 更重要的是起到了广电和电信融合剂的作用。”该业务有望在今年年底由中国电信在全国范围内推广和商用。

家庭网关将成家庭终端核心

三网融合带来的融合业务必将产生新的终端形态, 例如在上述的影信通业务中, 家庭就需要一款终端, 这个终端将具有内容接收、内容存储、内容传输、播放控制等基本功能。也就是说, 数字家庭中实现不同的业务就需要一款终端, 加上目前家庭中已经有的固定电话、宽带接入终端如Modem和无线路由器、PC、机顶盒、电视机等终端, 未来的家庭中将会有各种形态、不同功能的终端。中国联通研究院李仲侠表示:“数字家庭的核心是终端平台, 而这个终端平台的管理中心就是家庭网关, 家庭网关的上端连接运营商的宽带网络, 下端则是通过不同的接口连接数字家庭中的各种应用终端, 实现如IPTV、视频电话、视频监控以及智能家居等应用。”

传统的家庭网关主要起到宽带网络接入的作用, 而三网融合后的家庭网关功能将会随着家庭信息化的广泛应用而扩展其功能, 起到家庭业务管理和控制的作用, 具体表现在以下几方面。

第一, 家庭网关能够提供有质量保证的业务通道, 比如在传输视频流时, 对通道带宽及质量要求很高, 家庭网关可以根据视频流的要求分配给足够的带宽并保证通道的质量, 以便于终端播放。第二, 未来数字家庭将拥有更多的信息化应用, 比如互联网电视、可视电话、视频监控、智能家居、远程医疗等, 而这些应用都需要通过家庭网关来加以管理和控制。此外, 三网融合时代的家庭网关还能让不同的家庭终端进行互联互通, 以实现相互间的协作, 三屏合一就是一个典型的例子。郑建兴表示, 三屏合一并不是简单地被认为是在不同的屏幕上实现相同的内容播放, 更重要的是可以充分发挥每个终端的特点, 对同一类业务进行不同的操作。

此外, 三网融合还将催生出很多新型的家庭终端形态, 比如“第四屏”概念的终端已经开始被电信运营商关注, 中国电信上海公司在今年年初就和Technicolor (原汤姆逊) 合作推出了“魔屏”。这种具备了数码相框、可视电话、IPTV管理和控制、小屏幕播放等功能的新型终端就是数字家庭应用的一种展现。但是从目前的市场来看, 作为一个新生的终端形态, 这种“第四屏”终端的运营模式还不确定, 首先, 究竟在这个终端上承载什么业务会受用户欢迎还不明朗, 其次, 目前终端成本较高, 该成本是由运营商还是用户承担, 还不确定。

家庭网关经过十几年时间的演进, 技术已经比较成熟, 针对三网融合的新形势, 其所需的每项技术都已经成熟, 只是将众多的功能按照不同的需求集成到不同的产品中, 只要电信运营商出台相应的技术规范, 传统的家庭网关厂商如华为、中兴、上海贝尔、摩托罗拉等会很快推出相应产品, 以满足电信运营商三网融合家庭信息化业务开展的需要。

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三网融合前, 视频内容的播控权被广电控制, 虽然电信运营商和有内容牌照的合作伙伴签订了协议, 但是获取的内容比较陈旧, 对用户的吸引力不够, 导致IPTV业务开展不利。而三网融合后, 电信运营商可以共享广电的内容资源, 加上以往在全国各地的IPTV试点, 电信运营商的业务模式、平台和终端建设都已具备, 同时业务流程在运营体系下都涉及到了, 做IPTV就容易多了。

多业务控制网关 篇6

1 多协议网关的作用

多协议网关又称协议转化器, 在传输层上以实现网络互联, 是最复杂的网络互联设备, 通常在使用不同协议、数据格式或语言、体系结构的网络区域或通信设备间做协议转换, 同时实现互操作, 进而达到系统需求, 简言之, 多协议网关就是为了保证大家同在一个网络的IP。多协议网关是美国Woodhead公司的一款工业自动化产品, 是可配置、外置型的智能网关, 是充当转换重任的计算机系统或设备, 支持Serial、Profibus和Ethernet TCP/IP。多协议网关在物理层以及数据连接层可以通过简单的配置实现其支持的比如Ethernet TCP/IP的众多以太网通信协议之间的相互转换, 在进行转换过程中, 无需编写额外协议转换程序, 也无需定制特殊通信电缆。

2 方案的提出

以某企业为例, 该企业的自动化仓库主要负责企业产品的中转和储运, 是保证整个生产能够顺利进行的重要环节, 主要采用先进的计算机网络监控方案, 将整个生产过程分成了3级进行管理, 其中, 第三级为计算机管理级别, 是整个中控室系统的大脑, 采用了高端PLC产品, 主要负责生产任务的设定和管理、生产数据的维护、数据库管理和维护、监控状态显示等。然而由于在中控室系统采用的是没有内置与S7—200通信协议的组态软件, 组态软件启动了冗余功能, 如何读取工作现场堆取料机的信号就成了亟需解决的问题。

通过上述, 可使用多协议网关将S7—200的工业以太网转换为Ethernet IP, 这个时候Contorl Logix控制器就可读取堆取料机的信号。组态软件支持Ethernet IP与Contorl Logix系统直接通信, 不会影响组态软件的冗余切换。该方案不仅能够满足各PLC自动化系统之间协议的转换和通信, 还能够有效避免系统之间互为冗余, 实现对堆取料机信号的正常读取。

3 项目实施中的关键问题

3.1 系统网络结构

作为Woodhead公司的成熟产品, 多协议网关专门应用于不同PLC自动化系统之间的互通互联, 实现不同厂商、不同企业之间通信协议的转换。系统网络结构主要包括中控室监控系统 (工程师站、冗余服务器、操作员站) 、多协议网关、Contorl Logix控制器、堆取料机四个部分。其中, 中控室监控系统通过Ethernet IP与控制器进行系统通信, 控制器通过Ethernet IP与多协议网关进行通信, 实现协议转换, 并通过工业以太网与堆取料机通信, 读写堆取料机的信号, 最终实现中控室对现场作业全过程的监控。

该系统网络具有以下特点:实现了模块化机制, 各模块之间不会有太多交叉点, 方便用户的选择和组合使用;各个模块具有较强的独立性, 能够保证PLC系统之间通信的稳定可靠;底层接口软件的设计中, 以太网、串口等驱动都是字符设备驱动, 应用该系统时无需关心底层设计原理, 只需要使用提供的接口就能完成应用层的工作。

3.2 系统调试

首先, 在编程软件中创建新标签, 并将这些标签以组数的方式存放, 比如创建新的标签AAA, 类型为INT[4], 那么在创建之后可使用新标签作为与多协议网关通信的存储区, 在新标签AAA创建后, 多协议网关不能对其进行直接读取, 需要将标签映射, 若将文件号改为3, 那么映射为N3变量, 以此推类进行其他映射。之后在Contorl Logix系统中下载修改后的编程软件程序, 若Contorl Logix系统中的变量名为AAA[0].0, 则映射后对应的变量名即在多协议网关中使用的变量名为N3:0/1, 若Contorl Logix系统中的变量若为AAA[0].1, 则映射后对应的变量名即在多协议网关中使用的变量名为N3:0/2, 以此推类。在西门子系列的PLC系统中配置Server模式, 设置以太网模块槽号, 在多协议网关的配置软件中添加Equipment, 并在console控制接口中添加读写cyclic, 此时可实现Contorl Logix控制器与堆取料机的信号转换。Contorl Logix系统中的数据类型与堆取料机S7—200的数据类型不同, 所以在调试过程中务必要考虑此问题, 以达到加快调试进度的目的, 在创建变量INT[4]的基础上, 可使用Contorl Logix系统中的数据类型BOOL型变量与S7通信。

3.3 系统测试

为了保证系统工作的可靠性和稳定性, 在完成系统配置之后, 需要由相关人员进行测试, 使系统能够正常运行, 满足用户使用需求, 进而实现中控室对堆取料机工作状态的全程监控。为了能够真实测试出通讯效果, 在测试时间方面, 可定为每天8小时, 每周五5天不间断地进行大数据量的数据读取, 这样以工作强度完全超过系统的实际工作状况的方式, 若在测试中系统满足了数据读取要求, 说明在实际工作状态下可以满足工作需求。在测试过程中, 要实时监控数据块中数据的变化过程, 若数据没有出现丢失、中断或错误的情况, 则实现了设计要求。

测试结果表明, 信息系统的多协议网关作为一种智能通讯网关, 在PLC自动化系统中的应用具有明显优势作用, 不仅大大降低了PLC系统的通讯编程负担, 释放了更多CPU的资源, 还能使PLC系统完成更多的控制工作, 另外, 应用多协议网关, PLC系统的通讯网络结构更简单, 既可以实现各种系统之间点对点、一点对多点、多点对多点的通讯, 还使系统网络功能的划分更加合理, 大大提高了PLC自动化系统运行的可靠性和稳定性, 这对于工业企业的正常生产和运营具有重要现实意义。

4 结语

本文主要分析了PLC自动化系统中信息系统的多协议网关的应用。目前, 多协议网关已应用于PLC自动化控制系统中, 并解决了不同通讯设备之间的协议转换问题, 能够实现中控室对企业PLC自动化系统的有效监控, 另外, 当解决新老设备之间不兼容所造成的通讯问题时, 可考虑采用多协议网关, 即建立新老设备之间通讯连接方式, 能够实现老系统的平滑升级, 这对于保证应用现场实际运行期间系统工作的可靠性和稳定性具有重要意义。

摘要：在PLC自动化系统中, 自动化仪表和设备种类繁多, 通信方式多种多样, 为了实现不同通信方式设备之间的互通互联, 可根据企业实际情况选用或自行开发专用网关, 但是专用网关不能重复使用, 往往导致多次开发, 这就会造成大量人力、物力、财力的浪费, 并增加设备成本, 为此, 有必要建立基于多协议网关的连接, 实现PLC系统之间稳定可靠的点对点通讯连接。本文主要对信息系统的多协议网关在PLC自动化系统中的应用做出了探讨, 以供参考。

关键词：PLC自动化系统,信息系统,多协议网关,系统网络结构

参考文献

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