系统架构设计笔记（61）—— 嵌入式网络系统

嵌入式网络是用于连接各种嵌入式系统，使之可以互相传递信息 、 共享资源的网络系统。嵌入式系统在不同的场合采用不同的连接技术，如在家庭居室采用家庭信息网，在工业自动化领域采用现场总线，在移动信息设备等嵌入式系统则采用移动通信网，此外，还有一些专用连接技术用于连接嵌入式系统。

1 现场总线网

现场总线（ Field Bus ）是 20 世纪 80 年代中期继模拟仪表控制系统 、 集中式数字控制系统及集散控制系统之后，发展起来的一项计算机控制技术，它是当今自动化控制领域技术发展的热点之一，通常也被称作工业自动化领域的计算机局域网。

现场总线是一种将数字传感器 、 变换器 、 工业仪表及控制执行机构等现场设备与工业过程控制单元 、 现场操作站等互相连接而成的网络。它具有全数字化 、 分散 、 双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。

现场总线是一种低带宽的底层控制网络，位于生产控制和网络结构的底层，因此也被称为底层网（ Infranet ）。它主要应用于生产现场，在测量控制设备之间实现双向的 、 串行的 、 多节点的数字通信。现场总线控制系统（ FieldControlSystem ， FCS ）是运用现场总线连接各控制器及仪表设备而构成的控制系统，该控制系统将控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。实际上 FCS 是一种开放的 、 具有互操作性的 、 彻底分散的分布式控制系统。

嵌入式现场控制系统将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使其具备数字计算和数字通信能力。它采用双绞线 、 电力线或光纤等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络，并按照规范标准的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成了各种适用于实际需要的自动控制系统。

简言之，现场总线控制系统把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，使这些分散的设备成为可以互相沟通信息共同完成自动控制任务的网络系统。借助于现场总线技术，传统上的单个分散控制设备变成了互相沟通 、 协同工作的整体。

2 家庭信息网

家庭信息网是一种把家庭范围内的个人计算机 、 家用电器 、 水 、 电 、 气仪表 、 照明设备和网络设备 、 安全设备连接在一起的局域网。其主要功能是集中控制上述设备并将其接入 Internet ，以共享网络资源和服务。

此外，家庭信息网还可以扩展至整幢住宅甚至整个社区，成为智能住宅小区和智能社会的基础。在家庭信息网络系统中，所有的家庭设备都是智能化的，包括家用电器 、 水 、 电 、 气仪表，以及照明设备等。它们能够互相通信，并通过家庭网关接入 Internet 。家庭信息网络的实现为人们提供了更加安全 、 便捷 、 舒适的家庭环境。如主人外出时，大门自动关闭 、 上锁，监视系统自动开启，家中出现异常情况能够自动通知主人，对家中各种设备能够随时随地进行控制，仪表数据能够自动上传等。

家庭信息网需要解决两个基本问题：
（1）如何将家用电器，水 、 电 、 气仪表，照明设备等互相连接起来。
（2）如何实现这些连在一起的设备间的互操作，即家庭信息网上的设备可以在需要的时候自动请求服务，相关设备可以提供服务或接受请求并对其进行处理。

家庭信息网可以采用不同的拓扑结构，如总线型 、 星型结构等。家庭信息网内部还可以进一步划分出若干控制子网和数据子网，其中控制子网类似于现场总线，是一种带宽不高 、 主要用于发送和接收控制信息的网络。而数据子网对带宽的要求则较高，连接在其上的设备需要传送大量的数据信息。

3 无线数据通信网

近年来，随着移动电话通信的迅速发展，个人计算机的迅速普及，多种便携式计算机，例如膝上型计算机 、 笔记本计算机 、 手持式计算机等迅速增多，固定计算机之间的数据通信已不能满足需要。

人们希望能随时随地进行数据信息的传送和交换，于是数据通信传输媒体开始从有线扩展到无线，出现了无线移动数据通信。无线数据通信网是一种通过无线电波传送数据的网络系统。它是在有线数据通信的基础上发展起来的，能实现移动状态下的数据通信。通过无线数据通信网，智能手机 、 PDA及笔记本计算机可以互相传递数据信息，并接入 Internet 。

无线数据通信网分为短程无线网和无线 Internet 。 短程无线网主要包括802.11 、 蓝牙 、 IrDA及 HomeRF 等。

无线 Internet 或移动 Internet 主要采用两种无线连接技术：一种是移动无线接入技术，例如， GSM 、 GPRS 、 CDPD （ Cellular Digital Packet Data ）等；另一种是固定无线接入技术，包括微波 、 扩频通信 、 卫星及无线光传输等。

4 嵌入式 Internet

随着 Internet 和嵌入式技术的飞速发展，越来越多的信息电器，如 Web 可视电话 、 机顶盒以及信息家电等嵌入式系统产品都要求与 Internet 连接，来共享 Internet 所提供的方便 、 快捷 、 无处不在的信息资源和服务，即嵌入式 Internet 技术。嵌入式 Internet 技术在智能交通 、 家政系统 、 家庭自动化 、 工业自动化 、 POS及电子商务等领域具有广阔的应用前景。

4.1 嵌入式 Internet 的接入方式

嵌入式设备上集成了 TCP/ IP 协议栈及相关软件，这类设备可以作为 Internet 的一个节点，分配有 IP 地址，与 Internet 直接互联。

这种接入方式的特点是：

1. 设备可以直接连接到 Internet ，对 Internet 进行透明访问；不需要专门的接入设备；
2. 设备的协议标准化；
3. 需要的处理器性能和资源相对较高；
4. 需要占用 IP 资源，由于目前 IPv4资源紧张，这种方案在 IPv6网中可能更现实。

通过网关接入 Internet ，即采用瘦设备方案，设备不直接接入 Internet ，不需要复杂的 TCP/ IP 协议全集，而是通过接入设备接入 Internet 。如嵌入式微型网互联技术（Embedded Micro Internet -workingTechnology， EMIT ）便是一种将嵌入式设备接入 Internet 的技术。
这种接入方式的特点是：

1. 对接入设备的性能和资源要求较低；
2. 接入设备的协议栈开销较小；
3. 不需要分配合法的 IP 地址；
4. 可以降低系统的整体成本；
5. 设备可以实现多样化 、 小型化。

4.2 嵌入式 TCP/IP 协议栈

嵌入式 TCP/IP 协议栈完成的功能与完整的 TCP/IP 协议栈是相同的，但是由于嵌入式系统的资源限制，嵌入式协议栈的一些指标和接口等与普通的协议栈可能有所不同。

（1）嵌入式协议栈的调用接口与普通的协议栈不同

普通协议栈的套接字接口是标准的，应用软件的兼容性好，但是，实现标准化接口的代码开销 、 处理和存储开销都是巨大的。因此，多数厂商在将标准的协议栈接口移植到嵌入式系统上的时候，都做了不同程度的修改简化，建立了高效率的专用协议栈，它们所提供的 API 与通用协议栈的 API 不一定完全一致。

（2）嵌入式协议栈的可裁剪性

嵌入式协议栈多数是模块化的，如果存储器的空间有限，可以在需要时进行动态安装，并且都省去了接口转发 、 全套的 Internet 服务工具等几个针对嵌入式系统非必需的部分。

（3）嵌入式协议栈的平台兼容性

一般协议栈与操作系统的结合紧密，大多数协议栈是在操作系统内核中实现的。协议栈的实现依赖于操作系统提供的服务，移植性较差。嵌入式协议栈的实现一般对操作系统的依赖性不大，便于移植。许多商业化的嵌入式协议栈支持多种操作系统平台。

（4）嵌入式协议栈的高效率

嵌入式协议栈的实现通常占用更少的空间，需要的数据存储器更小，代码效率高，从而降低了对处理器性能的要求。

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