现场总线协议转换的原理

1、引言
   多种现场总线标准的并存实际上意味着没有标准，各种现场总线的协议标准的不同以及总线协议的多样性和互不兼容性，使得不同总线的控制网络之间的互联和互操作性大大降低。
   由于现场总线协议众多且通信协议差异很大，要实现不同现场总线产品的互联非常困难。面对众多的国内用户，巨大的市场发展潜力，不管从当前的经济利益还是长远的战略意义上来说，研究不同现场总线协议的转换解决方案具有着重要的现实意义。因而，多种现场总线综合网络的研究越来越多的关注和重视。多现场总线综合网络涉及到异构控制网络的互联问题，即不同通信协议的相互转换问题。

2、协议转换的原理及方法
   协议转换技术可以为异构互连网络提供普通的通信服务，其设计机理主要取决于进行转换的协议之间的兼容程度。不同的兼容程度采用的转换方法存在着一定的差异。
   无论哪一种总线协议，都要对总线的物理特性、机械特性、电气特性、信号特性等内容进行规范。不论是简单的还是复杂的总线协议都会对“物理、电气、逻辑、处理过程”这四个方面给出定义，从而构成一个总线协议的基本内容。在物理方面，必须规定物理设备和物理媒体之间的接口标准；在电气方面，规定了接口电路的信号电平、阻抗和传输速率等；在逻辑方面，规定了如何把数据位或字符变换成传输过程中的数据帧或数据包，规定传输控制字符的功能及使用方法等；在处理过程方面，规定了使用通信控制字符的顺序、数据帧中各字段内容的含义以及控制数据流穿越接口的命令和应答方式等。
   因此，要实现两异构现场总线协议的互通互联，就要从这四个方面分析它们的不同点和相同点，根据各自总线传输所实现的功能和条件，定义总线互连设备的具体功能，通过这个互连设备使两个不同的现场总线网络能够互联、互操作。物理、电气两方面的特性属于硬件的范畴，而逻辑、处理过程两方面属于软件的范畴，说明所有实现协议转换的总线互连设备都是由硬件和软件两大部分组成的。
   硬件部分，根据设备工作在ISO/OSI 参考模型的层次，可以把互连设备划分为中继器、网桥、路由器和网关。
   中继器又称放大器或转发器，执行物理层协议，实现电气信号的“再生”，只能用于连接同一种现场总线的网络。
   使用网桥时，要求数据链路层以上的协议完全一致，用于连接同一种现场总线网络或者两种仅在物理层和数据链路层有差异的总线网络。
   凡是在应用层协议不相同的两个网络系统的互联都需要使用网关。对于两个异构的现场总线，由于它们的数据链路层和应用层协议是截然不同的，只有采用网关类型的互连设备才能实现互联。网关工作在协议的最高层，通常采用软件的方法实现，经过不断解包数据实现从一类协议接收信息，经翻译后再打包送往另一类协议，其作用是将一个现场总线设备的底层信息逐层向上传递，得到真正的的用户数据，再逐层向下传递，通过最下层的信道，到达另一个现场总线设备。
   软件部分，要解决的是两种或多种总线协议的传输数据的封装（打包）和解封（解包）问题。如果互连的两种总线协议在传输速率方面差异较大，则还要考虑数据缓冲的问题。
   针对当前现场总线的发展趋势，协议转换主要应用在现场总线之间、现场总线与以太网之间。

3、现场总线之间的协议转换
   如前所述，对于两个异构的现场总线，只有采用网关类型的互连设备进行协议的转换。这种互连设备，在硬件方面，必须包含一个符合总线协议A的物理接口和一个符合总线协议B的物理接口，通过这两个不同的物理接口连接总线设备1和总线设备2，如图2-10所示。
   在软件方面，网关内将总线设备1发送来的数据按总线协议1自底向上逐层次解包，得到其中的用户数据；然后按照总线协议2将用户数据自顶向下逐层打包，发送到总线设备2。反向的数据传输，与此同理。从而完成不同总线协议数据的交互任务，达到协议转换的目的。对这两种现场总线网络来说，实现协议转换的互连设备（网关）相当于集成网络中的一个互联设备。

         

         图2-10 网关的工作原理

4、现场总线与以太网之间的协议转换
   现场总线与以太网之间的互联常采用类似隧道技术（Tunneling）的方法实现。隧道技术是一种通过使用互联网在网络之间传递数据的方式，类似于点到点的连接，它可以使来自众多信息源的数据在互联网中通过不同的隧道进行传输。通过隧道传递的数据可以是不同协议的数据帧或包，不同协议的数据帧或包需要重新封装再通过隧道发送。
   现场总线与以太网互联时，隧道技术工作在现场总线的数据链路层，与以太网的传输控制层相连。它们的互联模型如图2-11 所示。
 

         图2-11 现场总线与以太网互联模型
   在模型中，路由器的现场总线接口一侧，连接的现场总线协议都具有物理层和数据链路层。当路由器现场总线侧的数据链路层将数据帧向路由器以太网侧发送时，首先把数据帧添加到IP分组的载荷字段中，再以预先约定的传输服务访问点（TSAP）向以太网广播。在以太网中，需要从现场总线接收数据的主机则对特定TSAP进行监听，如果收到符合要求的报文，就取出其中的数据并转交给传输层以上的应用程序。
   当以太网中的主机需要向现场设备传输数据时，从系统管理模块处获取该现场设备的信息，并申请一个在现场总线上的虚拟地址。主机虚拟站点层根据现场总线协议生成数据包，其中包含数据链路层协议控制信息，数据包的内容和现场总线中的发送数据完全一样。生成的数据包按照以太网协议方式再次封装打包并通过以太网发送到路由器，路由器中经解包得到原来的总线协议数据包，通过路由器的现场总线接口侧发往现场总线网络之中。
   数据在现场总线设备与以太网主机上虚拟站点层间的传输过程，类似于两个同构网络使用隧道技术通过中间异构网络传输数据的过程。与多层次的网络互连相比，它的结构简洁，操作灵活。具体实现的方法有两种：
    ① 封装法
   将现场总线的报文作为“用户数据”原封不动地嵌入到TCP/ IP的数据帧中，在以太网中进行传送。该方法可以保持现场总线协议不变，用以太网同时传输几种不同现场总线协议的数据，从而用以太网兼容众多的现场总线网络。
    ② 拆分法
    对于较长的TCP/ IP数据帧，按照规定的大小拆分后嵌入到总线协议的报文中，在现场总线网络中进行传送，被分割的数据包在接收方重新装配从而恢复为原来的数据。