关于隧道内环网Controller Link和Ethernet的比较

　　在介质访问控制上,以太网与现场总线有本质区别。介质访问控制要求通信的实时性和确定性。确定性是指站点每次得到的网络服务间隔和时间是确定的，实时性是指网络分配给站点的服务时间和间隔可以保证站点完成它确定的任务。

　　以太网的介质访问控制(Media Access Control，即MAC)方式是CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect），即载波监听多路访问/冲突检测方法。CSMA/CD是一种争用型的介质访问控制协议。它起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议，并进行了改进，使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率。CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。

　　根据CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)机理，它不能满足工业网络通信的实时性和确定性要求。以太网的这种技术内涵使得它只适合于应用在信息层网络上，即一般控制层网络到管理信息层(如监控中心，系统调度机房等)这种大数据量，实时性要求不高的场合。

　　Controller Link现场总线使用的是令牌(Token)机制保证实时性和确定性。Controller Link总线有令牌总线方式和令牌环网两种组网方式。令牌环网方式不仅具有自愈冗余功能,在介质访问控制(MAC)上也具有以太网不具备的实时性和控制性要求。

　　下面介绍一下令牌环网的机理。典型的令牌环网的网络组成结构如下：

　　令牌环网和IEEE 802.5是两种最主要的基于令牌传递机制的网络技术（其它还包括FDDI等）。令牌传递网络采用一种被称为令牌的特殊帧在网络中传递数据。获得令牌的节点可以向网络发送数据。如果接收到令牌的节点不需要发送任何数据，将会把接收到的令牌传递给网络中下一台终端站。每台工作站保留令牌的时间不得超过网络规定的最大时限。

　　如果一台网络工作站需要发送数据，那么首先必须获取在网络中传递的令牌，然后更改令牌帧中的特定比特位，把令牌帧设为所要发送信息的起始帧，最后把信息附在令牌帧之后传递给网络环路中的下一台工作站。除非网络支持令牌早期释放功能，否则当信息帧沿环行网络传递时，网络中不会有任何令牌帧。也就是说其它需要发送数据的工作站必须等待信息帧传递完毕，令牌帧重新释放之后才有机会获得令牌帧发送自己的信息。因此，采用令牌环技术的网络不会发生以太网那样的信息碰撞。

　　信息帧沿环行网络传递到达目标接收站，后者对所传递的信息进行复制，提交至下一步处理。原先的信息帧仍然会继续沿网络环路传递，最终返回发送方，由发送方将其从网络中清除。发送方可以通过检查返回的信息帧判断信息是否已经被目标接收方接收和复制。

　　与CSMA/CD网络（例如以太网）不同，基于令牌传递技术的网络可以计算出任何一台终端站在能够传递数据之前所需要等待的最长时间。这一特点结合令牌环网本身所具有的较高的可靠性使令牌环网非常适合在能够对网络延时做出准确预测和需要强鲁棒性网络运行能力下使用。例如，生产厂房中的自动化系统多采用令牌环技术组网。

　　令牌环网采用了一种较为复杂的优先级系统，允许某些由用户指定的具有较高级别的工作站优先使用网络。只有那些具有与令牌相同或更高优先级别的工作站才可以获得令牌。在令牌被获取并被改换为数据帧之后，只有那些具有比数据帧发送方更高优先级别的工作站才能够预约在下一个循环周期中使用令牌。

　　令牌环网采用了一整套错误检测和修复机制，用户可以指定令牌环网中的任何一台工作站作为主动监控器，为其它工作站提供时钟信息，同时执行各种环路维护功能。例如，当信息帧的发送设备失效时，将无法清除已经发出的信息帧，使信息帧在网络环路中持续传递下去，影响其它工作站正常发送信息，并有可能最终导致整个网络瘫痪。为了避免上述情况的发生，令牌环网中的主动监控器可以及时检测并清除网络中出现的错误帧，并自动生成新的令牌发送到网络当中。令牌环网所采用的星型拓扑结构对提高整个网络的可靠性具有很大的帮助。因为令牌环网中的所有信息都可以通过主动式MSAU进行监控，所以能够及时的检测出错误，并在需要的时候把出现问题的工作站从网络环路中断开。

　　令牌环网和IEEE 802.5网支持两种最基本的帧的类型，分别是令牌帧和数据/命令帧。令牌帧的长度为3个字节，由帧首定界符，访问控制字节和帧尾定界符三部分组成。数据/命令帧的长度不固定，视信息域的具体长度而定。其中，数据帧包含提供给上层协议使用的信息，命令帧包含控制指令信息。两种类型帧的结构示意图如下：

附录： Controller Link 和Ethernet 比较

　　在隧道监控系统，隧道内区域控制器环网应该具有自主控制能力，即一旦与监控中心失去联系，区域控制器网络能自动或通过变电所触摸屏手动控制隧道机电系统自动运行。从这个意义上讲，采用Controller Link现场总线令牌环网尤为必要。