網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)
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網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)
一、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)NCS是指通過(guò)一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。這種定義體現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 中,信息(參考輸入、對(duì)象輸出、控制輸入等)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在各個(gè)組成部分(傳感器、控制器、執(zhí)行器等) 之間進(jìn)行交換。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示⑴:
控制器 控制器
圖1典型NCS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(NCS)優(yōu)、缺點(diǎn)
2.1網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的有點(diǎn)
將通信網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng),連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備控制的分布化和網(wǎng)絡(luò)化,同時(shí)也加強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)控制和上層管理的聯(lián)系,這種網(wǎng)絡(luò) 化的控制模式的主要優(yōu)點(diǎn)是:
⑴信息資源能夠共享;
(2) 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與控制;
(3) 具有咼的診斷能力;
(4) 連接線路大大減少、易于擴(kuò)展、易于維護(hù)、高效率、高可靠性、靈活; ⑸廉價(jià)。
2.2網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)
通信網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng)會(huì)使系統(tǒng)的分析和綜合變得更為復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的復(fù)雜性由同性網(wǎng) 絡(luò)自身的特點(diǎn)決定。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中,由于網(wǎng)絡(luò)中斷信息源較多,信息的傳遞要分時(shí)占用網(wǎng)絡(luò) 通信線路,而網(wǎng)絡(luò)的承載能力和通信帶寬是有限的,必然造成信息的沖撞、重傳等現(xiàn)象的發(fā)生, 使得信息在傳播過(guò)程中不可避免的存在時(shí)延,時(shí)延受到所采用的通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的負(fù)載情況、 網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和信息包的大小等諸多因素,而呈現(xiàn)出或固定或隨機(jī),或有界或無(wú)界的特征,導(dǎo) 致控制系統(tǒng)性能的下降甚至不穩(wěn)定,同時(shí)也會(huì)給控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的困難,綜上所 述,NCS存在以下不足:
(一) 網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)滯問(wèn)題
將通信網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng),連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分布化和網(wǎng)絡(luò) 化,同時(shí)也加強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)控制和上層管理的聯(lián)系。但與此同時(shí),由于網(wǎng)絡(luò)的加入使得信息在傳輸過(guò) 程中不可避免地存在著延遲。例如,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下,數(shù)據(jù)包擁塞等待、網(wǎng)絡(luò)空閑檢測(cè)、長(zhǎng)距離傳輸 等。時(shí)延是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究的主要問(wèn)題之一,數(shù)據(jù)在傳輸線路上必然存在著傳輸時(shí)延,數(shù)據(jù) 在接受處理是必然存在著處理時(shí)延,傳輸時(shí)延和處理時(shí)延共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延受到網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)所采用的通信協(xié)議、路由算法、負(fù)載情況、傳輸速率等諸多因素的影響,呈現(xiàn) 出固定或隨機(jī),有界或無(wú)界的特征。
(二) 數(shù)據(jù)包丟失
數(shù)據(jù)包丟失是網(wǎng)絡(luò)的引入所帶來(lái)的又一問(wèn)題。由于通信信道的不確定性,數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中 可能出現(xiàn)錯(cuò)誤甚至丟失,這樣,接收節(jié)點(diǎn)(控制器或執(zhí)行器)就會(huì)丟棄錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或使用之前接 收到的數(shù)據(jù)。如果某一時(shí)刻采樣獲得的數(shù)據(jù)包在其后采樣的數(shù)據(jù)之后到達(dá)接收器,這種數(shù)據(jù)包也 會(huì)被丟棄。另外,數(shù)據(jù)傳輸中大于某個(gè)特定長(zhǎng)度的時(shí)滯也可以被視為數(shù)據(jù)丟失進(jìn)行處理。從系統(tǒng) 信息的傳輸來(lái)看,數(shù)據(jù)包丟失的發(fā)生相當(dāng)于信息傳輸通道暫時(shí)被斷開(kāi),使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)發(fā) 生較大的變化。
(三) 多包傳輸問(wèn)題
以數(shù)據(jù)包形式傳輸?shù)男畔⑹蔷W(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。多包傳輸是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化 系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常遇到的另一個(gè)重要問(wèn)題。多包傳輸?shù)囊粋€(gè)主要原因是由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限 制,數(shù)據(jù)包容量有限以至于無(wú)法包含一個(gè)時(shí)刻的全部采樣數(shù)據(jù),這必須通過(guò)多個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行先后 傳輸。多包傳輸?shù)牧硪粋€(gè)原因是網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的傳感器和控制器一般會(huì)分布在一個(gè)較大的物理空間 中,這樣,就不可能把同一時(shí)間的所有數(shù)據(jù)利用同一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸。
(四) 通信約束問(wèn)題
信號(hào)在數(shù)字系統(tǒng)中傳輸必然經(jīng)過(guò)量化過(guò)程,傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是把量化帶來(lái)的影響建模成外部 白噪聲擾動(dòng)(均勻分布),在忽略量化現(xiàn)象的條件下設(shè)計(jì)控制器,如果設(shè)計(jì)出來(lái)的控制器無(wú)法 滿(mǎn)足要求,調(diào)節(jié)諸如采樣頻率等參數(shù)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。
三、介質(zhì)控制訪問(wèn)方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的影響
介質(zhì)訪問(wèn)控制:又叫介質(zhì)存取控制,就是掛在通信子網(wǎng)上的站點(diǎn)向通信介質(zhì)存信息或者從 通信介質(zhì)上取得信息的控制規(guī)則。他是對(duì)傳輸介質(zhì)的使用進(jìn)行管理,將傳輸介質(zhì)的頻帶有效的分 配給網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)站點(diǎn)的方法。介質(zhì)訪問(wèn)控制是局域網(wǎng)中通信子網(wǎng)的核心內(nèi)容,各種局域網(wǎng)的心 跟那個(gè)在很大程度上取決于所采用的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式。
目前,較為流行的介質(zhì)控制訪問(wèn)方式有帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)CSMA/CD、令牌總 線、CAN總線。
3.1 CSMA/CD
以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/碰撞檢測(cè)(Carrier Sense Multiple Access with Collision
Detection-CSMA/CD)的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式。其基本工作原理是:當(dāng)某節(jié)點(diǎn)要發(fā)送報(bào)文時(shí),首先監(jiān) 聽(tīng)網(wǎng)絡(luò),如果網(wǎng)絡(luò)忙,則等到其空閑時(shí)為止,否則將立即發(fā)送;如果兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到網(wǎng)絡(luò) 空閑并同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí),它們發(fā)送的報(bào)文將在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生沖突,因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送時(shí),還必須 繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)檢測(cè)到兩個(gè)或多個(gè)報(bào)文發(fā)生碰撞時(shí),節(jié)點(diǎn)立即停止發(fā)送,并等待一段隨機(jī)長(zhǎng)度 的時(shí)間后重新發(fā)送(不堅(jiān)持退避算法)。該隨機(jī)時(shí)間由標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制指數(shù)補(bǔ)償算法確定。十六次碰撞 后,節(jié)點(diǎn)將停止發(fā)送并向節(jié)點(diǎn)微處理器匯報(bào)發(fā)送失敗信息。
不堅(jiān)持CSMA利用隨機(jī)的重發(fā)時(shí)間來(lái)減少?zèng)_撞的概率。這種算法的缺點(diǎn)是即使有幾個(gè)節(jié)點(diǎn) 有數(shù)據(jù)要發(fā)送,介質(zhì)仍然可能處于空閑狀態(tài),介質(zhì)的利用率較低。因此在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí),以太 網(wǎng)上存在的這種碰撞成了主要問(wèn)題,碰撞使以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐量降低并且增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延, 最終可能導(dǎo)致無(wú)界的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。由于一系列的碰撞后,報(bào)文可能丟失,節(jié)點(diǎn)之間的通信將無(wú) 法得到保障,從而使控制系統(tǒng)需要的通信確定性和實(shí)時(shí)性難以保證。
不堅(jiān)持CSMA/CD是一種隨機(jī)性通信協(xié)議,通信延時(shí)是隨機(jī)的,并且可能無(wú)界。但是,在 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時(shí),幾乎沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。
歸納其工作原理為:先聽(tīng)后發(fā),邊聽(tīng)邊發(fā),沖突停止,隨機(jī)時(shí)延后重發(fā)。其工作原理如圖所示。
生的
CSMA/CD的工作原理圖
礁?配幀聊抹沁、
啟動(dòng)發(fā)送幀
i逬IT
先聽(tīng)后發(fā)
IB""5
[?
中突停It
* i
發(fā)送失敗
邊聽(tīng)邊發(fā)
采用[進(jìn)制指數(shù)退避
算法計(jì)算退.避時(shí)間
■/\ \ 否
發(fā)送滬突加強(qiáng)苗號(hào)
隨機(jī)時(shí)延
后發(fā)送
''T*
|:|]后出炭送
圖2 CSMA/CD工作原理圖
3.2 CSMA/CD介質(zhì)控制訪問(wèn)方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制的影響
(1) 各個(gè)節(jié)點(diǎn)并行連接到總線,某個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行;
(2) 網(wǎng)絡(luò)接口比較簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的加入和撤出很容易,可擴(kuò)展性和可靠性較好,維護(hù)方便, 結(jié)構(gòu)靈活,成本低;
(3) 信道利用率(每一幀占用信道的時(shí)間)高,特別在輕負(fù)載(40%以下)時(shí);
(4) 傳輸時(shí)間和節(jié)點(diǎn)總數(shù)無(wú)關(guān);
(5) 在輕負(fù)載時(shí),網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)小,響應(yīng)速度快,有較高的信道吞吐量;
(6) 隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的加重,沖突的概率增加,信息傳輸時(shí)間不確定,傳輸平均延時(shí)增加,響應(yīng) 時(shí)間變長(zhǎng),信道的利用率降低,特別是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到60 %以上時(shí),網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降,所以只 有控制通信負(fù)載,限制節(jié)點(diǎn)數(shù),才能改善實(shí)時(shí)性;
(7) 從理論上,重負(fù)載下各節(jié)點(diǎn)獲得成功的概率也是一樣的,但實(shí)際上如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)不能正確 處理沖突碰撞,它將有可能在一段不確定的時(shí)間范圍內(nèi)被禁止訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò),會(huì)出現(xiàn)有些節(jié)點(diǎn)無(wú)法上 網(wǎng)的現(xiàn)象;
(8) 它不宜于傳輸像“過(guò)程數(shù)據(jù)”這樣的小數(shù)據(jù)包,因?yàn)槿缜八觯魩拈L(zhǎng)度小于規(guī)定的最 小長(zhǎng)度,則須添加不必要的無(wú)用信息,使之達(dá)到最小長(zhǎng)度才能傳輸,這樣既浪費(fèi)了信道,使有效 數(shù)據(jù)傳輸率降低,又增加了傳輸延時(shí),降低了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性;
(9) 由于信號(hào)在傳輸中會(huì)引起衰減,當(dāng)兩個(gè)站相距較遠(yuǎn)時(shí),它們發(fā)送到對(duì)方的信號(hào)與接收的信 號(hào)的疊加小于沖突閥值,無(wú)法檢測(cè)出沖突,所以通信電纜的長(zhǎng)度有限制(最長(zhǎng)為500m);
(10) 信息幀無(wú)優(yōu)先級(jí)別,不同的幀發(fā)送概率一樣,用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí),將受到各種各樣的約束;
(11) 為了檢測(cè)沖突,對(duì)信號(hào)幅度有較高的要求。
3.3令牌總線
控制網(wǎng)采用令牌傳遞總線(Token-passing Bus)的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式。此方式采用
總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)按一定的順序形成一個(gè)邏輯環(huán),每個(gè)節(jié)點(diǎn)在環(huán)中均有一個(gè)指定 的邏輯位置,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都了解先行節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)的地址,總線上各節(jié)點(diǎn)的物理位置與邏輯位置 無(wú)關(guān)。收到令牌的節(jié)點(diǎn)在一段規(guī)定的時(shí)間內(nèi)被授予對(duì)介質(zhì)的控制權(quán),因而該節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送一幀或 者多幀信息。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)的傳輸已經(jīng)完成或者規(guī)定的時(shí)間己經(jīng)用完時(shí),它將令牌傳遞給邏輯環(huán)中的 下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于只有收到令牌的節(jié)點(diǎn)才能將信息幀發(fā)送到總線上,因此與CSMA/CD訪問(wèn)方式 不同,令牌傳遞總線訪問(wèn)方式不可能產(chǎn)生碰撞。假如取得令牌的節(jié)點(diǎn)有報(bào)文要發(fā)送,則發(fā)送報(bào)文; 隨后將令牌送至下一個(gè)節(jié)點(diǎn);否則,若取得令牌的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有報(bào)文要發(fā)送,則立即將令牌送到下一 個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)接收到令牌的過(guò)程是順序依次進(jìn)行的,因此對(duì)所有節(jié)點(diǎn)都有公平的訪問(wèn)權(quán)。最 壞的情況下,一個(gè)節(jié)點(diǎn)等待取得令牌和發(fā)送報(bào)文的時(shí)間等于全部節(jié)點(diǎn)令牌傳送時(shí)間和報(bào)文發(fā)送時(shí) 間的總和。
控制網(wǎng)采用隱性令牌傳遞機(jī)制,給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的MAC標(biāo)識(shí)符。在控制網(wǎng)中稱(chēng)一 個(gè)周期的時(shí)間為網(wǎng)絡(luò)更新時(shí)間。它可以分為調(diào)度段(Scheduled)、非調(diào)度段(Unscheduled)和保護(hù) 段(Guardband),分別傳送實(shí)時(shí)性信息、非實(shí)時(shí)性信息以及同步信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。令牌傳遞總線 訪問(wèn)方式是一種確定性協(xié)議,可以估算出最大的通信延時(shí),網(wǎng)上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道信息的來(lái)去方 向,保證了較高的信息傳輸?shù)拇_定性,并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的輕重不敏感。但是在負(fù)載較輕時(shí),有很 多時(shí)間浪費(fèi)在令牌的傳遞上。
3.4令牌總線對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制的影響
(1) 由于所有節(jié)點(diǎn)有序地對(duì)介質(zhì)進(jìn)行訪問(wèn),所以這種訪問(wèn)控制方式對(duì)所有節(jié)點(diǎn)是公平的,不存 在任何節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間不能上網(wǎng)的現(xiàn)象;
(2) 理論上,它對(duì)幀的長(zhǎng)短沒(méi)有限制,一些用于控制領(lǐng)域的令牌總線可以把幀的長(zhǎng)度設(shè)置得很 短,以減少開(kāi)銷(xiāo),增加網(wǎng)絡(luò)容量;
(3) 因?yàn)閷?duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀的最大長(zhǎng)度加以限制,所以節(jié)點(diǎn)等待訪問(wèn)時(shí)間(即發(fā)送 延時(shí))的“總 量”是確定的。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都有報(bào)文要發(fā)送時(shí),最壞的情況是等待取得令牌和發(fā)送報(bào)文的時(shí)間為 全部令牌傳送時(shí)間和報(bào)文發(fā)送時(shí)間的總和。如果只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)有報(bào)文發(fā)送,則最壞的情況是等待 時(shí)間為全部時(shí)間的總和,而平均時(shí)間是它們的一半。對(duì)于控制領(lǐng)域來(lái)說(shuō),等待時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵參 數(shù),可以根據(jù)需要,確定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)和最大的報(bào)文長(zhǎng)度,從而保證在限定時(shí)間內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)都 可以取得令牌;
(4) 網(wǎng)絡(luò)效率對(duì)負(fù)載不敏感,特別是在重負(fù)載下,它的效率比較高,而且負(fù)載變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能 影響較??;
(5) 在網(wǎng)絡(luò)操作中,令牌總線能動(dòng)態(tài)地從網(wǎng)絡(luò)中增加或者刪除節(jié)點(diǎn)。但在令牌環(huán)中,節(jié)點(diǎn)已在 物理上形成了一個(gè)環(huán)的形式,所以不能動(dòng)態(tài)地增加或者刪除;
(6) 輕負(fù)載的情況下,要發(fā)送的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)仍要等待令牌到來(lái)后才能傳送數(shù)據(jù),所以它的時(shí)延比 較長(zhǎng),網(wǎng)絡(luò)有效利用率低,平均響應(yīng)時(shí)間會(huì)比CSMA/CD長(zhǎng)。無(wú)數(shù)據(jù)傳送的節(jié)點(diǎn)仍需要進(jìn)行令牌 的處理和網(wǎng)絡(luò)維護(hù),且確定接收令牌的下一節(jié)點(diǎn)比較復(fù)雜;
(7) 網(wǎng)絡(luò)中可傳輸不同長(zhǎng)度類(lèi)型的幀,控制方式相對(duì)復(fù)雜,當(dāng)誤碼導(dǎo)致令牌丟失時(shí),要快速自 愈比較困難;
(8) 當(dāng)有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入或退出令牌總線時(shí),整個(gè)總線必須重新配置以確定總線上節(jié)點(diǎn)的地址序列, 此過(guò)程所花的時(shí)間與總線上的節(jié)點(diǎn)成正比;
(9) 對(duì)于令牌環(huán)網(wǎng)來(lái)說(shuō),由于節(jié)點(diǎn)是串接在環(huán)路上的,每一次數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過(guò)所有節(jié)點(diǎn),一 旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障,就會(huì)影響所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送,因而引起全網(wǎng)癱瘓,可靠性差。
由以上分析可以看出,令牌環(huán)適用于重負(fù)載、各節(jié)點(diǎn)信息比較均衡的網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)化控制中, 主要用于高層,如管理級(jí)、優(yōu)化級(jí)等。
3.5CAN總線
CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)在己經(jīng)在過(guò)程工業(yè)、機(jī)械工
業(yè)、機(jī)器人等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。CAN 總線采用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/避免碰撞(Carrier Sense
Multiple Access/ Collision Avoidance-CSMA/CA的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式,又稱(chēng)為非破壞仲裁的 CSMA/CD(CSMA/CD with Non-destructive Arbitration-CSMA/NDA)。實(shí)質(zhì)上 CAN 總線采用 CSMA/CD協(xié)議并引用非破壞性仲裁機(jī)制解決媒體共享問(wèn)題。CAN總線上的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有地址,而 節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí),優(yōu)先級(jí)的編碼被放置在報(bào)文的標(biāo)志字段中。網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可在 任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,而不分主從。要傳送信息的節(jié)點(diǎn)首先監(jiān)聽(tīng)總線,如 果總線空閑,該節(jié)點(diǎn)就開(kāi)始發(fā)送信息。如果同時(shí)有兩個(gè)或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,就會(huì)發(fā)生碰撞, CAN總線解決碰撞的方法不同于標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CD協(xié)議。它是采用非破壞性?xún)?yōu)先權(quán)逐位仲裁規(guī)則, 優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送,而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地繼續(xù)傳輸信息。這樣 大大節(jié)省了總線沖突的仲裁時(shí)間,尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重地情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。 CAN總線上的每個(gè)信息都有唯一的標(biāo)識(shí)符,信息幀的發(fā)送是以發(fā)送標(biāo)識(shí)符的高位開(kāi)始的,當(dāng)兩 個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻向總線上發(fā)送信息時(shí),它們首先將信息幀從標(biāo)識(shí)符高位開(kāi)始逐位向總線上發(fā) 送,然后監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò),如果其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到位數(shù)據(jù)和它發(fā)送出去的位數(shù)據(jù)不相同,它就不再 往網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息。另一個(gè)節(jié)點(diǎn)贏得仲裁,繼續(xù)發(fā)送信息。網(wǎng)絡(luò)上其它的節(jié)點(diǎn)是否接收此信息完 全取決于其對(duì)標(biāo)識(shí)符濾波的設(shè)置情況。
CAN總線是面向信息的協(xié)議,采用短幀結(jié)構(gòu),傳輸時(shí)間短,受干擾概率低,具有錯(cuò)誤檢測(cè) 和處理功能,保證了信息傳輸出錯(cuò)率極低。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí),可以滿(mǎn)足不同 的實(shí)時(shí)要求,高優(yōu)先級(jí)的信息的最大通信延時(shí)是可以估算的。這些特點(diǎn)使其適合于工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用 場(chǎng)合。
3.6CAN總線對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制的影響
CAN總線對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制的影響可分為兩點(diǎn):
(1) CAN總線是一個(gè)對(duì)短消息優(yōu)化的確定性協(xié)議。消息的優(yōu)先級(jí)在仲裁域中指定,較高優(yōu)先級(jí) 的消息在仲裁中獲得對(duì)介質(zhì)的訪問(wèn),因此能夠縮短對(duì)高優(yōu)先級(jí)消息發(fā)送的延遲。
(2) 和其他網(wǎng)絡(luò)相比,CAN總線的最大缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳送率低,最大為5OOKbps。盡管它支持 大于8位的數(shù)據(jù)片段,CAN也不適用于大數(shù)據(jù)包消息的傳輸。
四、幾種介質(zhì)訪問(wèn)控制方式的比較
介質(zhì)是指物理層中的傳輸媒體,介質(zhì)訪問(wèn)方式是一種信道共享技術(shù),關(guān)系到信道的利用率?,F(xiàn)場(chǎng) 總線網(wǎng)絡(luò)屬于廣播式網(wǎng)絡(luò),僅有一條通信通道,由網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)共享。這就產(chǎn)生了所有節(jié)點(diǎn) 如何使用一個(gè)共享通道的問(wèn)題。MAC(Medium Access Control)層就是用來(lái)解決共享信道使用權(quán) 的分配問(wèn)題。通信中對(duì)于介質(zhì)的訪問(wèn)可以是隨機(jī)的,也可以是受控的。到目前為止網(wǎng)絡(luò)上常用的 介質(zhì)訪問(wèn)控制方法分為三大類(lèi):隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)類(lèi),固定分配類(lèi)和按需分配類(lèi)[1-2]。
下面對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的幾種總線協(xié)議的介質(zhì)訪問(wèn)方式進(jìn)行分析對(duì)比。
4.1隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)
4.1.1 CSMA/CD
普遍使用的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng) MAC 技術(shù)為 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision
Detection帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)),主要用于總線型和樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),基帶傳輸系 統(tǒng)。它包括以下三個(gè)要點(diǎn):載波偵聽(tīng)一一一個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)空閑之后才能發(fā)送信息;多路 訪問(wèn)一一具有兩種含義,既表示多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)訪問(wèn)媒體,也表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息幀可以 被多個(gè)節(jié)點(diǎn)所接收;沖突檢測(cè)一一如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)空閑并發(fā)送信息,就會(huì)產(chǎn)生沖突。 發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)出信息幀的同時(shí),還必須監(jiān)聽(tīng)媒體,判斷是否發(fā)生沖突,如發(fā)生沖突,則節(jié)點(diǎn)停止 發(fā)送,并等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間重新發(fā)送,等待時(shí)間的長(zhǎng)短由節(jié)點(diǎn)的退避算法決定。根據(jù)退避算法 的不同可以分為非堅(jiān)持CSMA, 1—堅(jiān)持CSMA, p—堅(jiān)持CSMA。延時(shí)結(jié)束后重復(fù)上述過(guò)程再試 圖發(fā)送。
CSMA/CD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是原理比較簡(jiǎn)單,技術(shù)上較易實(shí)現(xiàn),網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)處于同等地位,不 要求集中控制,且不需要預(yù)先分配節(jié)點(diǎn)位置,傳輸效率高,最適合用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不多,每個(gè)節(jié)點(diǎn) 的數(shù)據(jù)量不大的情況。它的主要缺點(diǎn)是不能提供優(yōu)先級(jí)控制,各節(jié)點(diǎn)爭(zhēng)用總線,沖突的產(chǎn)生具有 很大的隨機(jī)性,最壞情況下的響應(yīng)延時(shí)不可確定,當(dāng)負(fù)載增大時(shí),發(fā)送信息的等待時(shí)間較長(zhǎng),不 能滿(mǎn)足遠(yuǎn)程控制所需要的確定延時(shí)和絕對(duì)可靠性的要求。目前CSMA/CD廣泛應(yīng)用于由Ethernet 組建的局域網(wǎng)中,其國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3就是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
Lon Talk協(xié)議是為L(zhǎng)ON總線設(shè)計(jì)的專(zhuān)用協(xié)議,所用的就是改進(jìn)的CSMA介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議 ——帶預(yù)測(cè)的P—堅(jiān)持CSMA。它在保留CSMA協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),注意克服它在控制網(wǎng)絡(luò)中
的不足。所有的節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)等待隨機(jī)時(shí)間片來(lái)訪問(wèn)介質(zhì),這就有效地避免了網(wǎng)絡(luò)的頻 繁碰撞。
4.1.2 CSMA/CR
CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Resolution 帶沖突決定的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪 問(wèn))方式主要用于總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),基帶傳輸系統(tǒng)。它的基本思想是:根據(jù)需要預(yù)先設(shè)定節(jié) 點(diǎn)優(yōu)先級(jí),每個(gè)節(jié)點(diǎn)邊發(fā)送邊監(jiān)聽(tīng),當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)將產(chǎn)生沖突,這時(shí)總線進(jìn)行位 仲裁(如同“與”的關(guān)系)。如某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送了 0,而有其它的節(jié)點(diǎn)發(fā)送了 1,則“與”的結(jié)果是 0,這時(shí)總線上為0。發(fā)送0的節(jié)點(diǎn)將總線上的值與它發(fā)送的值比較后得知兩者相等則繼續(xù)發(fā)送, 而發(fā)送1的節(jié)點(diǎn)將總線上的值與它發(fā)送的值比較后得知兩者不等,則說(shuō)明它的優(yōu)先級(jí)低,將退出 發(fā)送。若某一時(shí)刻,有兩個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的值相等,則繼續(xù)進(jìn)行比較,直到比較出不同的值時(shí), 決定出優(yōu)先級(jí),優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)退出總線爭(zhēng)用,由發(fā)送節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為接收節(jié)點(diǎn)。
CSMA/CR的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)上比較容易實(shí)現(xiàn),具有沖突檢測(cè)和優(yōu)先級(jí)決定的功能,保證了實(shí)時(shí) 性。缺點(diǎn)是每次傳輸?shù)膱?bào)文數(shù)量較小。但是作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò),其本身的數(shù)據(jù)量不是很大,因此 這不是問(wèn)題。它與CSMA/CD相比較兩者在檢測(cè)到?jīng)_突后,對(duì)于沖突的處理方式不同。CSMA/CD 檢測(cè)到了沖突,選擇退避算法,產(chǎn)生了一個(gè)隨機(jī)數(shù),由這個(gè)隨機(jī)數(shù)決定再次發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間,這 就不能保證實(shí)時(shí)性。而CSMA/CR在檢測(cè)到了沖突后,直接按優(yōu)先級(jí)來(lái)決定由誰(shuí)退出,誰(shuí)繼續(xù)傳 輸,保證了實(shí)時(shí)性。
CAN總線協(xié)議就是采用CSMA/CR的介質(zhì)訪問(wèn)方式,CAN總線的數(shù)據(jù)協(xié)議幀的標(biāo)志字段 Identifier Field表示幀的優(yōu)先權(quán)。對(duì)優(yōu)先權(quán)的分配機(jī)制有兩種:靜態(tài)優(yōu)先權(quán)分配機(jī)制和動(dòng)態(tài)優(yōu)先 權(quán)分配機(jī)制。CAN總線在媒體訪問(wèn)期間,優(yōu)先權(quán)編碼被放置在報(bào)文的標(biāo)志字段中。當(dāng)總線空閑 時(shí),任何節(jié)點(diǎn)均可開(kāi)始發(fā)送報(bào)文,若同時(shí)有兩個(gè)或更多的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文,則會(huì)產(chǎn)生沖突。解決的 辦法是采用非破壞性?xún)?yōu)先權(quán)逐位仲裁規(guī)則,利用沖突進(jìn)行優(yōu)先權(quán)仲裁,沖突的過(guò)程是優(yōu)先權(quán)小的 報(bào)文逐位淘汰而優(yōu)先權(quán)大的報(bào)文非破壞性的逐位析出過(guò)程,沖突的結(jié)果是優(yōu)先權(quán)大的報(bào)文先占用 媒體得以發(fā)送。
4.2固定分配類(lèi)
為了使網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)共享傳輸介質(zhì),我們希望一個(gè)信道能夠同時(shí)傳輸多路信號(hào)。多路復(fù)用技術(shù)就 是把許多信號(hào)在單一的傳輸線路上用單一的傳輸設(shè)備進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。兩種最常用的多路復(fù)用技
術(shù)是頻分多路復(fù)用(Frequency Division Multiple Access, FDMA)和時(shí)分多路復(fù)用(Time Division Multiple Access, TDMA )。
FDMA是物理信道能夠提供比單路原始信號(hào)更多帶寬的情況下,把該物理信道的總帶寬分 割成若干個(gè)與傳輸單路信號(hào)帶寬相同的子信道,每個(gè)子信道傳輸一路信號(hào)。多路的原始信號(hào)在頻 分復(fù)用前,首先要通過(guò)頻率調(diào)制把各路信號(hào)頻譜搬移到物理信道的不同頻譜段上,這可以通過(guò)在 頻率調(diào)制時(shí)采用不同的載波來(lái)實(shí)現(xiàn)。
TDMA是將一條物理信道按時(shí)間分成若干時(shí)間片輪流地給多個(gè)節(jié)點(diǎn)使用,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都分 配一個(gè)特定的時(shí)間片,每個(gè)節(jié)點(diǎn)在這個(gè)特定的時(shí)間片內(nèi)具有總線使用權(quán)。它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)發(fā)生碰 撞,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有固定的發(fā)送順序。時(shí)延可以計(jì)算。
綜上所述,固定分配類(lèi)的一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)是采用了多路復(fù)用技術(shù),因此不存在數(shù)據(jù)幀的沖突 問(wèn)題,數(shù)據(jù)收發(fā)具有較高的實(shí)時(shí)性和確定性。
ControlNet的MAC方法為一種改進(jìn)的TDMA方式——并存時(shí)間多路存?。–TDMA)方式。 在這種方式下,節(jié)點(diǎn)可按需占用帶寬,提高了系統(tǒng)帶寬總的利用率,增強(qiáng)了帶寬分配的靈活性。 與工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中常用的源/目的通訊模式不同,ControlNet采用了一種新的通訊模式:生產(chǎn)者 /消費(fèi)者模型。生產(chǎn)者即數(shù)據(jù)的發(fā)送者,消費(fèi)者即數(shù)據(jù)的接收者。每一條數(shù)據(jù)按內(nèi)容來(lái)標(biāo)識(shí),采 用廣播方式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。數(shù)據(jù)的接收與否由接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)標(biāo)識(shí)符的篩選來(lái)確定。與源/目的 模型相比,當(dāng)同一條信息傳遞給N個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),只需要發(fā)送一次即可,因此提高了網(wǎng)絡(luò)的通訊效 率。
ControlNet的MAC幀格式如圖3所示。因每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度不同,所以不能根據(jù)固 定的時(shí)間間隔來(lái)觸發(fā)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送,因此ControlNet采用了一種特殊的令牌傳遞機(jī)制 虛 擬令牌傳遞VTP(Virtual Token Passing),來(lái)控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)送次序。
MAC幀
前同步
起始界定符
源 MAC ID
鏈路數(shù)據(jù)包
CRC
結(jié)束界定符
(16位) (8位) (8位) (0?510字節(jié))(16位) (8位)
圖3 MAC幀格式
ControlNet中的節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)是由時(shí)間來(lái)確定的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)更新時(shí)間 (NUT)中指定的時(shí)間片內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)節(jié)點(diǎn)的這種傳輸機(jī)會(huì)的控制由CTDMA算法來(lái)完成。
4.3按需分配類(lèi)
按需分配類(lèi)MAC使節(jié)點(diǎn)在有數(shù)據(jù)發(fā)送需求時(shí)才占用傳輸介質(zhì),同時(shí)采取一種稱(chēng)為“令牌”的機(jī)制來(lái)徹底 避免沖突的發(fā)生。令牌傳遞技術(shù)主要有令牌環(huán)方法和令牌總線方法兩種。
4?3?1令牌環(huán)
令牌環(huán)方法是使一個(gè)令牌沿著環(huán)循環(huán),當(dāng)各站都沒(méi)有幀發(fā)送時(shí),令牌稱(chēng)為空令牌。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送幀 時(shí),需等待空令牌到來(lái),然后將它改為忙令牌,隨后把數(shù)據(jù)幀發(fā)送到環(huán)上。由于令牌是忙狀態(tài),所以其它站不 能發(fā)送幀,必須等待。發(fā)送的幀在環(huán)上循環(huán)一周后再回到發(fā)送節(jié)點(diǎn),經(jīng)校驗(yàn)無(wú)誤后,該幀被從環(huán)上移去。同時(shí) 該節(jié)點(diǎn)將忙令牌改為空令牌,傳至后面的節(jié)點(diǎn),使之獲得發(fā)送幀的許可權(quán)。接收幀的過(guò)程是當(dāng)幀通過(guò)節(jié)點(diǎn)時(shí), 該節(jié)點(diǎn)將幀的目的地址和本站點(diǎn)的地址相比較,如地址相符,則將幀放入接收緩沖器,再輸入站點(diǎn),同時(shí)將幀 送回至環(huán)上。如地址不符合,則簡(jiǎn)單地將數(shù)據(jù)幀重新送入環(huán)上。在輕負(fù)載時(shí),由于等待令牌需要時(shí)間,因此效 率較低。在重負(fù)載時(shí),由于各節(jié)點(diǎn)公平,因此效率較高。
PROFIBUS主站之間的通信就是采用令牌環(huán)機(jī)制。三種系列的PROFIBUS (DP、PA和FMS)使用同一種總線 存取協(xié)議,也就是說(shuō)具有相同的現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層,該通信協(xié)議的MAC采用兩種存取方式,即主站之間的令 牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式,其中令牌傳遞控制如圖4所示。
Profibus總線MAC協(xié)議是混合介質(zhì)訪問(wèn)方式,即通過(guò)采用輪詢(xún)列表來(lái)支持具有時(shí)間觸發(fā)的通信活動(dòng)。輪詢(xún)列 表中的周期性信息是在主節(jié)點(diǎn)擁有令牌時(shí),發(fā)送完所有待發(fā)送的高優(yōu)先級(jí)信息后,且持牌時(shí)間大于零時(shí),將被 處理。當(dāng)表中的周期性信息處理完后,若持牌時(shí)間大于零時(shí),將處理低優(yōu)先級(jí)信息。
圖4 PROFIBUS總線存取方法
4.3.2令牌總線
令牌總線介質(zhì)訪問(wèn)控制是在物理總線上建立一個(gè)邏輯環(huán)。從物理上看,這是一種總線結(jié)構(gòu)的 局域網(wǎng)。和總線網(wǎng)一樣,站點(diǎn)共享的傳輸介質(zhì)為總線。但是,從邏輯上看,這是一種環(huán)形結(jié)構(gòu)的 局域網(wǎng)。和令牌環(huán)一樣,站點(diǎn)只有取得令牌,才能發(fā)送幀,令牌在邏輯環(huán)中依次傳遞,這是現(xiàn)場(chǎng) 總線中很常見(jiàn)的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法。
令牌傳遞技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)發(fā)生碰撞,時(shí)延可以計(jì)算,與TDMA相比,信道利用率高。 它的主要缺點(diǎn)是若令牌丟失,這個(gè)網(wǎng)絡(luò)將處于癱瘓狀態(tài),所以網(wǎng)絡(luò)必須具有令牌恢復(fù)功能,增加 了額外的開(kāi)銷(xiāo)。
FF和WorldFIP的鏈路調(diào)度就是采用了令牌傳遞技術(shù)。由于工業(yè)過(guò)程中信息通信的多樣性和 實(shí)時(shí)性,F(xiàn)F和WorldFIP均采用集中式介質(zhì)控制策略,并且按照生產(chǎn)者/仲裁者/消費(fèi)者模型來(lái)管 理信息的實(shí)時(shí)通信。通常,生產(chǎn)者和消費(fèi)者的關(guān)系通過(guò)組態(tài)來(lái)設(shè)定。在任何時(shí)候一個(gè)網(wǎng)段上只有 一個(gè)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)起到節(jié)點(diǎn)仲裁作用,即負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息通信。該節(jié)點(diǎn)在FF和 WorldFIP中分別被稱(chēng)為鏈路活動(dòng)調(diào)度器(Link Active Scheduler, LAS)和總線仲裁器(Bus Arbitrator, BA)。它具有鏈路活動(dòng)調(diào)度能力,能形成鏈路活動(dòng)調(diào)度表。
FF總線通過(guò)LAS嚴(yán)格地按照預(yù)定義調(diào)度時(shí)間表執(zhí)行周期性信息的通信活動(dòng),以支持周期性 信息的實(shí)時(shí)性要求。WorldFIP總線上BA有一個(gè)進(jìn)行周期性調(diào)度的變量掃描表,該表列出了在總 線上需要循環(huán)調(diào)度的標(biāo)識(shí)符,即進(jìn)行周期變量傳送請(qǐng)求。
WorldFIP和FF均明確區(qū)分周期信息和非周期信息,并分別給出各自不同的控制策略。二者 都利用了調(diào)度表中周期信息調(diào)度剩余的空閑時(shí)間(即非周期調(diào)度時(shí)間)進(jìn)行非周期信息的傳送, 但二者的方式有所不同。
FF采用輪詢(xún)的方法在非周期調(diào)度時(shí)間內(nèi)用PT(Pass Token)令牌按照活動(dòng)列表內(nèi)容來(lái)管理 非周期信息。WorldFIP對(duì)非周期信息傳送的方式采用查詢(xún)模式。
通過(guò)上述分析可以看到按需分配類(lèi)不同于隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)類(lèi),按需分配使網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)依 據(jù)一定的次序都有發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì),當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得發(fā)送機(jī)會(huì)時(shí),如有數(shù)據(jù)發(fā)送,則直接發(fā)送該 數(shù)據(jù),而不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)中是否有沖突存在,當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),則直接將該發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)送給 下游的其它節(jié)點(diǎn),避免了既使不發(fā)送數(shù)據(jù)也占用網(wǎng)絡(luò)資源的現(xiàn)象。