集成IP网络的开放楼宇自动化网络架构设计 　　 衣卓，2005年10月15日 　　 1 开放标准的楼宇自动化网络架构 　　楼宇自动化的网络架构是楼宇自动化系统中重要的组成部分。网络架构的开放与标准化，是评价楼宇自动化系统是否真正开放的重要条件。全开放的楼宇自动化系统架构，其构成组件的标准化，使得在整个楼宇自动化生命周期内都可自由选择，而不被锁定到任何的原有厂商。 　　网络架构由架构组件及其不同的组合连接方式构成。开放的网络架构应包括符合标准的网络接口，网络信道类型，转发数据的路由器或者网关，与企业系统和互联网应用的标准通信接口等。 　　基于开放标准的IT与互联网技术，与楼宇自动化紧密结合，使得楼宇自动化系统的顶端网络架构形式，具有集成IP网络的统一特征，即控制网络进入IP世界。 　　对于采用不同控制协议（开放协议，专有协议）的楼宇自动化系统，集成IP网络的开放标准的楼宇自动化网络架构，有BACnet/IP路由，EIA709/IP 852路由，以及BACnet和XML网关等，如图一。
　　 　　图一 　　遵循以上开放标准的网络架构将不同厂商的基于BACnet协议，LonMark开放系统以及其他控制协议和系统，在IP网络上实现物理与逻辑上的互联。 　　无论是采用BACnet/IP路由的开放网络架构还是LonMark IP 852路由的开放网络架构，其构成楼宇自动化系统从控制器单元到系统全部采用统一的开放控制协议（Native BACnet和LON）以及其基于IP协议的封装，信息可无任何丢失或者隐藏被路由到IP网络上。这样的开放网络架构是全开放的，且BACnet/IP 和IP 852路由器均可从不同厂商来选择。 　　采用XML和BACnet网关的开放网络架构，其构成的楼宇自动化系统从控制单元到系统采用非统一的控制协议或数据格式，网关的系统接口是开放和标准的，即BACnet或者XML，而控制单元可能采用开放的（LON，BACnet，Zigbee，EIB，Modbus等）或者专有的控制协议。XML和BACnet网关一般需要依赖于原有厂商提供控制单元与网关标准接口之间的映射关系与配置。 　　限于篇幅，本文主要讨论全开放的集成IP网络的LonMark标准开放网络架构设计。 　　 2 集成IP 852的LonMark标准开放网络架构设计 　　 　　基于LonMark标准的楼宇自动化开放系统，需要采用符合标准的网络架构进行系统设计。网络架构的设计质量将决定LonMark楼宇自动化系统的整体性能。 　　集成IP 852的开放网络架构使得基于LonMark标准的楼宇自动化系统真正进入IP世界，易于利用存在的IT网络架构，进行系统扩展、远程分析诊断、维护、控制与管理。 　　集成IP852的LonMark标准网络架构设计，主要应用IP 852网络接口或者LNS VNI网络接口，IP 852信道，IP 852路由等标准网络架构组件来构建。 　　 　　2.1 IP 852信道 　　IP 852信道是基于以太网的LonMark标准信道，主要用于设计IP主干网络架构的信道类型。IP 852信道通过IP 852路由同FT-10和XF-1250信道类型连接。其中，设备信道类型FT-10，已经成为最流行用于暖通空调控制的物理层。当今，全世界领先的楼宇控制产品厂商都提供兼容FT-10信道类型的产品线。IP852信道也可直接连接LonMark认证的IP852控制器。 　　2.2 IP 852网络接口 　　IP 852网络接口是指基于以太网连接LonMark IP-852信道与同PC计算机的852标准网络接口。IP 852网络接口同时支持LonMark IP 852信道上的基于LNS和MIP等网络服务应用。同IP 852网络接口相比，大家所熟悉的传统的LNS/VNI网络接口，需要在LNS的支持下，才可兼容IP 852信道。 　　2.3 多端口EIA709/IP 852路由 　　随着LonWorks系统安装规模增加，这种安装的复杂也相应增加。在构建自由扩展的集成IP852楼宇自动化开放网络架构中，需要采用多端口EIA709/IP 852路由设计，如图二，多端口EIA709路由-L-Switch，多端口IP 852路由-L-IP等。
　　 　　图二 　　路由器按照OSI 三层参考模型路由网络消息，根据内部路由表的信息转发协议包到规定的端口。在LON以及IP 852配置路由模式下，路由表在安装过程通过网络管理工具来配置。在LON以及IP 852智能交换模式下，路由表通过网络交通来学习，不需要网络管理工具来配置。 使用多端口EIA709/IP 852路由设计LonMark系统的主要原因包括： 　　（1）每个LonWorks信道上最大节点数量：收发器规范和LonMark互操作指南规定了节点的最大数量，节点数量依赖于收发器类型。例如，在一个网段，基于TP/FT-10 节点最大数量是64个，基于IP852信道最大数量是256个。如果节点数量超过这个，网络需要通过多端口EIA709/IP 852路由被分割为若干网段。 　　（2）最大线缆长度：收发器和LonMark 规范限制了每个网段的最大线缆长度，最大长度依赖于收发器和网络拓扑（如总线型，自由拓扑型）。 　　（3）减少网络交通：随着网络上安装节点数量的增加，以及节点之间交换数据的增加。为了避免网络过载情况的发生，需要采用多端口EIA709/IP 852路由组件。这些组件基于目的地址来过滤网络上的协议包。 　　（4）增加可靠性：多端口EIA709/IP 852路由可以过滤网络上的噪声和坏包（无效内容或者CRC错误）。如果一个报文被损坏，它将被放弃而经过路由不向前转发。这保证了网络的整体性能具有高质量，甚至在一些网段存在问题。 　　（5）增加可维护性：多端口EIA709/IP 852路由结构化网络可以隔离单一信道，达到维护诊断目的，而不影响网络的其他信道。甚至能通过路由远程连接信道，进行协议分析。 　　2.4 EIA709/ IP 852路由模式的选择 　　对于EIA709路由，推荐的操作模式是智能交换模式。在这种模式下，能提供了简单和快速的安装，尤其是多端口。对于EIA709/ IP 852路由，推荐的操作模式是配置路由器模式。在这种模式下，IP网络的资源能被更有效的应用。通常，如果网络中很多组应用非确认或者非确认重复服务，路由模式应该被应用，或者应用子网范围的广播的网络，也应该选择配置路由器模式。 　　2.5 IP 852网络架构的安全性 　　集成IP852网络的开放楼宇自动化网络架构的安全性可以利用IP网络安全方法和IP 852 MD5认证方法。 　　对于IP网络安全方法，具体可以采用防火墙（Firewall）或者NAT（网络地址翻译）路由器等。通过网络地址翻译路由表，NAT路由器能被配置基于端口转发，NAT路由器有固定的公开IP地址和私有IP地址端口，IP852路由器位于NAT路由器私有端口之后，IP852路由器采用同子网的私有IP地址。例如，见图三，NAT公开的IP地址为135.23.2.1，私有IP地址为192.168.1.1。NAT路由器分别转发端口为1628和1629的UDP和TCP协议包到IP地址为192.168.1.100的IP852路由器；转发端口为1630的UDP和TCP协议包到IP地址为192.168.1.102的IP852路由器；转发端口为1631的UDP和TCP协议包到IP地址为192.168.1.103的IP852路由器。
　　 　　图三 　　IP 852 MD5认证是一种验证IP852发送设备身份认证的一种方法。MD5加密采用16字节。仅采用MD5认证且使用相同的MD5加密的IP852设备才能彼此分享交换信息。如果IP852配置服务器已经采用MD5认证，仅有那些采用MD5认证且与IP852配置服务器具有相同的MD5加密的IP852设备，才能逻辑加入到IP852(CN/IP)信道上，进而使网络更加的安全。 　　2.6 集成IP 852的TAC LonMark Vista系统设计 　　TAC Vista楼宇自动化系统满足基于集成IP852网络的LonMark标准开放网络架构设计，网络接口除可以应用大家所熟悉的传统的LNS/VNI之外，同时也支持最新的IP852网络接口连接IP852信道。Vista通过IP852接口或者LNS/VNI和IP852路由，在IP852信道上实现监控管理Xenta控制器以及任何LonMark认证或者兼容的设备，如图四。
　　 　　图四 ------------------------------------------