科遠(yuǎn)股份技術(shù)中心/程傳良
【摘要】本文對(duì)IP組播技術(shù)和其在分散控制系統(tǒng)（DCS）中的應(yīng)用作了介紹，給出了IP組播技術(shù)在分散控制系統(tǒng)（DCS）中的設(shè)計(jì)思想與實(shí)現(xiàn)方法。運(yùn)行結(jié)果表明，方案合理，運(yùn)行可靠。
【關(guān)鍵字】IP組播、組播通信、組播路由協(xié)議、分散控制系統(tǒng)、DCS
1引言
隨著經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展,分散控制系統(tǒng)(DCS)逐步形成融合信息技術(shù)（IT）、集成多種總線、采用功能安全技術(shù)集管控、儀控、電控一體化方向發(fā)展。同時(shí)對(duì)分散控制系統(tǒng)(DCS)應(yīng)對(duì)復(fù)雜大型系統(tǒng)架構(gòu)和超大容量的數(shù)據(jù)交互提出更高要求。
IP組播的技術(shù)和應(yīng)用開始快速發(fā)展。對(duì)分散控制系統(tǒng)（DCS）的超大容量的數(shù)據(jù)交互提供了新的思路。本文通過采用視頻會(huì)議常用到的IP 組播技術(shù)來(lái)提高分散控制系統(tǒng)（DCS）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，優(yōu)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益.
2 IP組播
2.1組播傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)
在IP網(wǎng)絡(luò)中TCP/IP 傳送方式有3 種: 單播, 廣播, 組播.
傳統(tǒng)的單播和廣播的通信方式均不能以最小的網(wǎng)絡(luò)開銷實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)發(fā)送、多點(diǎn)接收的問題，IP 組播技術(shù)的出現(xiàn)及時(shí)解決了這個(gè)問題。
相比單播來(lái)說(shuō)，組播的優(yōu)勢(shì)在于：由于被傳遞的信息在距信息源盡可能遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)才開始被復(fù)制和分發(fā)，所以用戶的增加不會(huì)導(dǎo)致信息源負(fù)載的加重以及網(wǎng)絡(luò)資源消耗的顯著增加。
相比廣播來(lái)說(shuō)，組播的優(yōu)勢(shì)在于：由于被傳遞的信息只會(huì)發(fā)送給需要該信息的接收者，所以不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，并能提高信息傳輸?shù)陌踩裕涣硗猓瑥V播只能在同一網(wǎng)段中進(jìn)行，而組播可以實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)段的傳輸。
2.2組播通信
在組播中，用戶按不同的應(yīng)用分為不同的用戶組,組成員要向組播服務(wù)器(一般為路由器)注冊(cè)，用戶主機(jī)發(fā)出請(qǐng)求報(bào)文，表明所要加入的組。每個(gè)組播群組有惟一的D類地址。其地址范圍從224.0.0.0到239.255.255.255。IP最多可提供多達(dá)228個(gè)同步組播群組的地址，因此，實(shí)際群組數(shù)受選路由表大小而不是編址的約束。
轉(zhuǎn)發(fā)IP組播需要特殊的組播路由器(multicast router)。通常是給常規(guī)路由器添加這種能力。組播路由器會(huì)周期性地對(duì)該組進(jìn)行查詢,檢查組內(nèi)的成員是否還參與其中，只要還有一個(gè)主機(jī)仍在參與，組播路由器就繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。當(dāng)所有的主機(jī)都離開了組后，組播路由器會(huì)收到一個(gè)Internet組管理協(xié)議(Internet Group Manage Protocol, IGMP)的“離開”消息報(bào)文，組播路由器就會(huì)馬上查詢組中是否還有活動(dòng)的組成員。如果有活動(dòng)的組成員,組播路由器就繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；如果沒有,就不再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
3 IP組播在分散控制系統(tǒng)（DCS）中的應(yīng)用
3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
在分散控制系統(tǒng)（DCS）應(yīng)用過程中，存在著大量的DPU上行數(shù)據(jù)，發(fā)送至多個(gè)人機(jī)界面（HMI）系統(tǒng)。正好可以利IP組播的優(yōu)趨，實(shí)行單播/組播相結(jié)合的混合傳輸方式，通過設(shè)計(jì)合理數(shù)據(jù)交換方案，不僅保證數(shù)據(jù)安全達(dá)到HMI工作站，而且減輕分散處理單元（DPU）和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備CPU 的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提高系統(tǒng)效率，獲得良好的性能和經(jīng)濟(jì)性。下圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)主要有四部分組成：I/O采集卡件、分散處理單元（DPU）、系統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)界面（HMI）。
如圖1，分散處理單元（DPU）通過總線協(xié)議完成與I/O采集卡件的雙向數(shù)據(jù)交換；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只要按系統(tǒng)具體的數(shù)據(jù)獲取需求，合理劃分不同的組播組，將每一個(gè)DPU（就是一個(gè)組播源）按需求加入不同的組播組，可以加入多個(gè)組播組，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以組播形式在系統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)布出去；每個(gè)人機(jī)界面（HMI）工作站（組播數(shù)據(jù)的接收者），按數(shù)據(jù)獲取要求，分別加入不同的組播組，也可以加入多個(gè)組播組，完成組播數(shù)據(jù)的接收。系統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)由備具組播功能的路由器、集線器、交換機(jī)、防火墻等構(gòu)成，共同完成組播數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。組播主要完成分散處理單元（DPU）到人機(jī)界面（HMI）上行數(shù)據(jù)，其他如控制命令數(shù)據(jù)等，輔以單播方式完成。
3.2 IP組播Winsock編程方法
在實(shí)際應(yīng)用中，IP組播編程實(shí)現(xiàn)的方法隨DPU嵌入式支撐系統(tǒng)和HMI運(yùn)行系統(tǒng)平臺(tái)的不同有所不同的；編程人員通常借助于操作系統(tǒng)中所提供的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信編程接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上的IP組播通信的功能。下面以在Microsoft Windows環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)編程接口（Windows Socket，簡(jiǎn)稱Winsock）介紹具體的IP組播編程實(shí)現(xiàn)的方法。
圖2 Winsock實(shí)現(xiàn)IP組播過程流程圖
3.2.1 IP組播數(shù)據(jù)發(fā)送流程（DPU）
● 調(diào)用WSAStartup ( )函數(shù)，Winsock 服務(wù)的初始化。
● 調(diào)用socket ( )函數(shù)，創(chuàng)建數(shù)據(jù)報(bào)套接口，它是組播組的初始化套接字，并且以后數(shù)據(jù)的發(fā)送在該套接字上進(jìn)行。
● 調(diào)用setsockopt( )函數(shù)，設(shè)置發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)本地接口(IP_MULTICAST_IF)及設(shè)置多播地址(例：239.100.1.1)和端口號(hào)(例：20120)。
● 使用sendto()函數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)，目標(biāo)地址為第二步所設(shè)置的多播地址。
● 關(guān)閉套接字，釋放Winsock資源。
3.2.2 IP組播數(shù)據(jù)接收流程（HMI）
● 調(diào)用WSAStartup ( )函數(shù)，Winsock 服務(wù)的初始化。
l 調(diào)用socket ( )函數(shù)，創(chuàng)建數(shù)據(jù)報(bào)套接口，它是組播組的初始化套接字，并且以后數(shù)據(jù)的接收在該套接字上進(jìn)行。
● 調(diào)用bind ( )函數(shù)，綁定本地地址(如：INADDR_ANY)和端口號(hào)(同發(fā)送端)。
● 調(diào)用setsockopt( )函數(shù)，設(shè)置IP_ADD_MEMBERSHIP選項(xiàng)，加入多播組。
● 調(diào)用recvfrom()函數(shù)，接收數(shù)據(jù)。
● 關(guān)閉套接字，釋放Winsock資源。
4 IP組播存在的問題
IP組播數(shù)據(jù)包典型使用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP），而UDP是一種“盡力而為”（Best-effort）協(xié)議。因此，IP組播應(yīng)用必定會(huì)遇到數(shù)據(jù)包丟失和亂序問題。
安全組播就是只有注冊(cè)的發(fā)送者才可以向組發(fā)送數(shù)據(jù)；只有注冊(cè)的接收者才可以接收組播數(shù)據(jù)。然而IP組播很難保證這一點(diǎn)。
Internet是一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，所以在設(shè)計(jì)IP組播網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須充分考慮到網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性。
5結(jié)束語(yǔ)
IP 組播技術(shù)能夠有效地解決單點(diǎn)發(fā)送到多點(diǎn)、多點(diǎn)發(fā)送到多點(diǎn)的問題，實(shí)現(xiàn)了 IP 網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)到多點(diǎn)的高效數(shù)據(jù)傳送，能夠有效地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。在實(shí)際應(yīng)用過程中，只要正視組播存在的問題，充分考慮到網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，通過設(shè)計(jì)合理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和數(shù)據(jù)交換協(xié)議，一樣可以構(gòu)造出安全可靠的系統(tǒng)。科遠(yuǎn)股份NT6000分散控制系統(tǒng)成功研制充分證明這一點(diǎn)；NT6000分散控制系統(tǒng)在應(yīng)用推廣過程中，IP組播通信技術(shù)在NT6000分散控制系統(tǒng)的應(yīng)用也充分得到客戶的肯定。
參考文獻(xiàn)：
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