利用串口联网技术构建双层网络平台

1、问题的提出（引言）

随着计算机技术，微电子技术和通信技术的发展，出现了多种联网技术，并有多种网络架构共同存在。虽然近年来，以TP/IP和ETHERNET为代表的成熟的开放式联网技术，在科学研究、信息处理等方面展现出其独特的优势，但是单一的网络连接方式，面对目前更多应用领域联网所要求的高带宽速率、高可维护性、高可靠性仍显力不从心，尤其在网络失效保护、网络控制管理等方面存在较多问题。

由此，利用传统的串口通信联网技术，配合现有的C/S开放联网模式，低成本拓展构建安全高效的双层网络平台，成为解决上述问题的一种尝试性方案。

2、双层网络的基本模式

所谓双层网络，实际上是将“网络控制信息”与“网络数据信息”分离，在各个计算机结点之间形成控制信息流与数据信息流分离的双层通讯通道。其中，数据流传递依靠目前流行的以TCP/IP和ETHERNET为代表技术的高速网络架构，而控制信息流则主要依托灵活的串行联网技术解决（如“双层网络示意图”所示）。

当然，这种双层网络的模式还是区别于计算机内部数据总线与控制总线分离模式的。双层网络对于其网络间传递的数据并不是绝对意义上得分类传送，而是在非失效状态下的分类传送，即在单一网络连接失效，或者某层网络体系面临瘫痪威胁时，双层网络的安全运行机制将利用剩余的网络链路进行备援式工作，对数据进行混合传递，以保障网络应用的持续性。

应该特别指出的是，双层网络是“并行”意义上的双层网络，并不是把以太设备与串行设备的简单连接。其中，控制信息和数据信息也不是绝对划分的，控制信息更多是指用于管理和控制设备的信号，更多的保障通讯的控制信息仍和网络数据一起混合传送。

双层网络平台有如下特点：
　　·实现信息流分离
　　·网络局部冗余
　　·属于物理上的安全网络
　　·多种联网技术并存

当然，双层网络平台中的每一层都使用同一种联网技术，进行完全意义上的冗余配置，也是可行的，其效益将体现在易用性上，但其在建设成本和系统广泛兼容方面将失去一些优势，因此不作为双层网络架构的主要推荐模式。

另一方面，不使用控制信息与数据信息分流技术，仅利用传统的成熟的通信协议，配合双层网络的物理架构，针对现有的网络需求，在众多领域已经有较为广泛的应用前景。但这种应用方式没有深入地挖掘双层网络架构的传送优势，尤其是在网络正常运行的状态下，远未达到网络的运行的最高效率。
　　
3、利用串口技术构建控制层面的理论依据

利用串口通信联网技术构建控制层，是双层网络平台应用的重要技术特点，也是双层网络平台展现其应用优势的保障。

1）串口联网技术日益成熟

从RS-232到RS-422、再到RS-485，串行通信标准在不断得向前发展，通信距离短，速率低已不再成为影响串口通信应用的缺陷。相反，串口联网技术已经解决了多点双向的传输问题，已经成为一种极为经济，并具有相当高噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共摸范围的通信技术。

由于RS-485串行总线与持长距离、高传输率和较强的抗干扰能力，所以应用于控制系统中十分可靠稳定的。

根据系统工作环境要求和系统可靠性要求，可以灵活调整传输参数，尤其是利用对传输波特率的调整，可以在传输距离和传输速率之间找到平衡点，以达到更高的应用要求。

2）低成本高兼容性扩展

采用串口联网技术构建双层网络平台中的控制层面，不需要对现有计算机进行大规模改造，即可实现立即联网，而针对其它多种串口设备的立即联网则更为容易。即使有多种串行接口存在于同一网络上，它们之间的转换也十分方便。特别对于那些实时系统，不需要中断运行，也可以实现网络升级。

3）现有串口联网设备的支持

使用串口技术建立双层网络平台，是十分方便快捷的，因为已经有许多成熟的串口联网设备为之提供支持。较为成熟的产品有嵌入式串口网络接入设备、串口电源开关管理服务设备、串口联网服务器、网络共享器以及路由器设备。也就是说对于串口联网硬件设备而言，是相当成熟的。

4、双层网络平台的运行失效保护。

失效保护是双层网络平台的重要运行机制，主要解决网络运行故障保护问题。众所周知，在许多应用领域内，对网信平稳运行的要求非常高。对于单一链路网络，一旦受损，即使能迅速启动备援系统，也不可能实现完全意义上的透明过度。

而双层网络的架构就很好的解决了这个问题。一旦基于TCP/IP的链路受损，甚于串行接口的网络即可接替其承担信息传递任务。同样，基于TCP/IP的链路也可以作为控制信息传递的后备链路。当然，网络运行在失效保护状态时，其传输能力将明显下降，此时可对受损网络进行维护，以尽快使用网络正常运行。

5、目前存在诸多应用问题

1）信息流分离与合并

构建双层网络平台，尤其重要的是数据信息与控制信息的分离与合并。正常运行的网络中两种数据是分离的，而非正常运行的网络中，两种数据是合并的。由此，需要对通信协议作一定扩展性研究，要求在失效状态下启用特定的协议作为通信的规则保障。

2）监控的设置

对于监测网络的正常，即要求网络中的两层相互检测。而对于其实现，可以有软件和硬件两种方式。其中软件监测主要针对端口状态进行，而硬件监测主要通过对数据流的检查进行。至于网络切换当然要依据监测的结论实施。

6、相关技术的展望

双层网络，主要是针对一些网络运行的特殊要求提出的解决方案。由于其网络架构的冗余性，虽然在一定程度上提高了网络运行成本，但其对于网络稳定性的提高是显而易见的，因此在许多领域都有着非常广阔的应用前景，特别是在产业自动化控制领域

我们主要讨论了建立双层网络平台的尝试性方案。双层网络的实际应用还有待于通讯协议和相关联网设备的完善，而目前实际应用中的多种联网技术和网络架构更多的是一种网络层技术上的相互连接。这里讨论的双层网络问题，更多的是基于信息流的研究，这对于提高网络安全将更为有利。尤其需要指出的是，更深层次上的对数据流与控制流的研究，将对网络拓扑的更新与发展有很大的促进。