5. 实现难度和造价:嵌入式系统通常需要针对实际需求进行专门设计与制造,这就要求其中的网络系统软硬件容易实现,并与子系统控制部分集成,有关元器件商品化程度高,造价较低。
6. 开放性:嵌入式网络必需具有良好的开放性,一方面能通过企业Infranet连接到Intranet中,实现企业生产管理的管控一体化;另一方面应具有公开透明的开发界面,资料完备,实现系统硬件、软件的自主开发和集成。
此外,嵌入式网络系统必须配置灵活、维护简便。
通常,嵌入式网络就覆盖范围而言属于局域网。按照ISO/OSI的观点,TCP/IP协议簇位于网络层以上。显然,TCP/IP协议簇已经超出了嵌入式网络系统的范畴。嵌入式网络包括ISO/OSI七层模型中的物理层和数据链路层。数据链路层在具体实现上可划分成两个子层:介质访问控制子层(MAC子层)和逻辑链路控制子层(LLC子层)。MAC子层包括物理层接口硬件和实现介质访问协议的通信控制器;通常LLC子层由软件实现(用户自主开发)。因此,嵌入式系统设计中网络通信协议选择的核心是介质访问协议的选择。
三、 常见介质访问协议的比较
1、面向链接的协议
面向链接的协议主要用在网络发展初期的主机–终端式网络中,如X.25和IBM的SNA网络。其主要缺点是:1)节点之间采用串行连接方式,每个物理连接只支持两个节点,速度较低;2)物理上没有连接的节点之间的通信需要经过多个中间节点的多次传输;3)直接相连的节点间的通信是可确定的,而间接相连的节点间的通信则无法确定延时。因此,在局域网技术已非常成熟的今天,这类协议已很少应用。
2、轮询法
轮询法因其简单和实时性能可确定等特点而成为嵌入式网络常用协议之一。采用轮询法的协议,需指定一个主节点作为中央主机来定期轮询各个从节点,以便显式分配从节点访问共享介质的权力。这类协议的缺点是;1)轮询过程占用了宝贵的网络带宽,增加了网络负担;2)风险完全集中在主节点上,为避免因主节点失效而导致整个网络瘫痪,有时需设置多个主节点来提高系统的健壮性(如Profibus)。
3、CSMA/CD(带冲突检测的载波监听多路访问)
CSMA/CD有许多不同的实现版本,其核心思想是:一个节点只有确认网络空闲之后才能发送信息。如果多个节点几乎同时检测到网络空闲并发送信息,则产生冲突。检测到冲突的发送信息的节点必须采用某种算法(如回溯算法)来确定延时长短,延时结束后重复上述过程再试图发送。
CSMA/CD的优点是理论上能支持任意多的节点,且不需要预先分配节点位置,因此在办公环境中几乎占有绝对优势。但在CSMA/CD中冲突产生具有很大的随机性,在最坏情况下的响应延时不可确定,无法满足嵌入式网络最基本的实时性要求。
4、TDMA(时分多路访问)
TDMA已大量应用于移动通信领域(如GSM、DAMPS),但也可用于局域网。TDMA的特点是:每轮信息传输前,网络中的主节点先广播一个帧同步信号以同步各从节点的时钟,在帧同步信号之后,每个从节点在各自所分配的时间片内发送数据。TDMA的缺点是:1)每个从节点必须有一个稳定的基准时间以确定时间片,因此从节点比较复杂,造价较高;2)TDMA的主流应用领域依然是无线移动通信领域,用于嵌入式网络的TDMA无论在相关软硬件技术支持和市场认同方面都非常欠缺。
5、令牌环
在令牌环网中,节点之间使用端到端的连接,所有节点在物理上组成一个环型结构。
一组特殊的脉冲编码序列,即令牌,沿着环从一个节点向其物理邻居节点传递。一个节点获得令牌后,如无信息要发送,则将令牌继续传递给下一个邻居,否则首先停止令牌循环,然后沿着环发送它的信息,最后继续令牌传递。令牌环网的优点是:1)在实时性方面是可确定的。因为容易计算出最坏情况下节点等待令牌的时间;2)令牌传递占用的网络带宽极小,带宽利用率很高,具有强大的吞吐能力。但这种协议在具体实现时为确保可靠性必须付出较大的代价:1)为了避免因电缆断裂和节点失效导致整个网络瘫痪,常采用双环结构(如FDDI)和失效节点自动旁路措施,导致实施成本增加;2)为了能立即检测到令牌是否意外丢失,不得不增加该协议实施的复杂性。