BACNET协议的特性分析

1、BACNET协议的技术渊源及产生的原因现代控制技术、现代计算机技术以及现代网络通信技术的广泛应用使建筑技术进入了一 个崭新的时代，并带动了智能建筑的蓬勃发展。作为智能化建筑的技术基础之一，建筑设备 监控技术也取得了长足的进步。然而，由于历史的原因，建筑设备监控系统:BAS)的产品种 类繁多，标准不一，且相对封闭，存在互不兼容现象。这与智能建筑所倡导的系统集成和信 息共享的理念不相符。为了解决这一难题，美国暖通空调工程师协会(ASHRAE)发起制订了 其协会标准ADATACOMMUNICATION PROTOCDL FOR BUILDING AUTOMATION AND CONTROL NETWORKS，简称BACnet，并于1995年获准为美国国家标准。经过数年的试验与推广，BACnet协议在北美地区(尤其是美国、加拿大等技术强国)的工 控领域中站稳了脚跟，并呈快速发展之势，有可能在今后几年内成为工控领域尤其是建筑设 备监控领域中的主流技术。由于BACnet的体系结构源自开放系统互联参考模型(OIS)(1SO 7498),这一模型是由国 标标准化组织在制定计算机网络通信协议标准时定义的，其用意在于解决计算机之间的一般 性通信问题。该模型的体系结构如图1所示。开放系统互联基本参考模型图1 BACnet模型体系结构图用户W图1 BACnet模型体系结构國:在这个体系中，每一层次既享用着其下面各层所提供的服务，同时又向其上面的各层提供服 务。对于两个应用程序之间的通信，彼此通过各自的应用层接口进行直接通信，而每层只需 了解其上下层的基本参数即可。通过类似的方式，协议的每一层均可利用下面各层的服务来 建立与另一个系统（程序）的同等层之间的虚的对等层通信（此时真正的通信只发生在物理 层）。OSI模型对计算机之间的通信进行了具有高度抽象性、概括性和一般性的描述，使之可 用于几乎所有的计算机通信领域。从这一角度来看，OSI模型无疑是极为成功的。然而，对 于工控领域，尤其是建筑设备监控系统，这一模型虽然是可行的，但却是繁琐、低效率的， 过于昂贵，这一明显的缺陷也正是促使ASHRAE开发BACnet协议的原动力。2 BACnet协议的体系结构及其技术基础BACnet协议研发机构基于对工控领域的特征分析与研究，提出了自己的简单而实用的 模型，其基本结构如图2所示：图2模型基本结构图賤Q感的协谊层次对应的OSI层次/BACnet应用层声应用层応BACnet朋络层声ISO3S02-=(IEEES02.2)类型W（主从吟牌传谨卜FTFV（端到端）以数据链路島t:ISO8802-3i-=IEEEW.珈(RS485ELA-訂齐物理层卩图2模型基本结构图，由图2可见，BACnet结构省略了表示层、会话层和传输层。而在对应于OS17层模型的 下面2层，即数据链路层和物理层，则为用户提供了5种可选协议。在工程应用中，控制域（例如DDC之间的通信）通常选用EIA-485、EIA-232以及LonTalk 协议等各类总线，而上层网络（例如系统集成平台）通常选用IS08802-3协议（也即以太网协 议）。BACnet体系结构之所以采用如此简化的模式，是考虑到现代建筑设备监控系统的以下 两个基本特征：首先，就本质而言，这类系统均为局域网。不仅小型系统是这样，而且即便 是跨区域的大型系统也是如此。因为后者所需的远程通信是借助于公共电信网络来实现的。 这种通信所需的路由、中继及校验等问题均由公共电信网络负责处理，而不必由建筑设备监 控系统（局域网）本身来承担；其次建筑设备监控系统中的实物对象（设备），在时间、空间以 及功能上都是固定不变的。基于这两点考虑，OSI模型中的表示层、会话层以及传输层就显 得有害无益了。因为表示层的功能是为通信双方提供屏蔽下层传送语法的服务；会话层的功 能是在通信双方之间建立并管理长时间对话；传输层的功能主要是为了提供可靠的端到端的 报文传输、报文分段、序列控制、流量控制以及差错纠正等服务。很显然，表示层的功能对 建筑设备监控系统的协议标准而言不需要，而会话层、传输层的功能已由电信网提供，故建 筑设备监控系统的协议标准中也不需要。由此可见BACnet所采用的4层次体系结构是建立在科学的技术分析基础上的，它比ISO 的7层结构体系更适合于BAS应用。3 BACnet 协议的基本特点BACnet协议继承了 OSI参考模型所具有的高度抽象性、概括性和一般性的特征，同时 比OSI参考模型具有更高的效率和更低的开销。BACnet协议标准并未限定于某一种特定的网络拓扑结构，它提供了 5种可选方案，这 样可以灵活地适应各种已有的应用。同时，BACnet协议标准制定时，出于安全考虑，不仅定义了用来提供对实体、数据来 源以及对操作员身份鉴别的服务，而且还为厂家在设置人机界面密码、跟踪记录以及保护 密钥属性等方面保留了软件开发的自由度。此外，还需要指出的是，BACnet协议只是规定了自控设备之间进行通信所应遵循的规 则，而并未规定如何实现这些规则，实现方法留给各厂商自主开发，以利于技术的多元化发 展。从BACnet的体系结构来看，各层的设计目标也都十分明确。例如，建立BACnet应用 层模型的目的，是为了制定应用层与应用程序之间的交互、应用层与协议栈中下面各层次的 关系，以及应用层与远程设备中应用层的对等交互等进程所应遵循的共同规则。 网络层的 设计目标是为了在BACnet网络之间实现互联时，能够屏蔽各种异构的BACnet网络在链路 技术方面的差异，并将报文从一个BACnet网络传递到另一个（可能是异构的）BACnet网络。 数据链路层能将报文从一个设备传送到另一个单独设备或者所有的本地网设备，而网络层则 不同，是能将报文直接传递到一个远程设备、一个远程网络上的所有设备甚至所有已互连的 网络上的所有设备，即具备点到点传播和广播功能。实现这类报文传递的基础条件之一，就 是网络上所有BACnm设备均具有唯一的编码，这种唯一性的编码由网络编号和MAC地址码组成，从而使得网络上的所有这类设备均可被追溯、被寻址。一个报文从所在网络的网络层向其他网络的传递是通过路由器来实现的。BACnet路由 器的功能就是使两个异构的BACnet局域网，例如Arcnet与LonTalk实现互联，并提供所需 的中继功能。或者以端到端方式(PTP)来实现两个独立BACnet网络的互联。BACnet路由器 可自动构造并管理路由表。BACnet网络层的功能不同于OSI基本参考模型中的网络层，BACnet网络层根据过程 控制的传输特点，省略了某些不必要的功能。例如基于优化算法的源与目标之间的路径选择 功能已被略去，这是因为在过程控制系统中，任何两个设备之间只有一条有效路径，故无需 选择。另一个重要的简化是OSI基本参考模型中网络层的报文分段与重组功能，在BACnet 中也通过对网络层PDU(NPDU)的长度限制来实现简化。借助于多播地址和广播地址技术， BACnet 协议支持多目标(对象)的报文传输。多播地址 是指一个报文被发送给一组目标设备(BACnet设备)去处理。广播则是指一个报文发送给本 地网络或一个远程网络或所有网络上的目标设备VDACNET设备)去处理。需要注意的是， 网络层协议报文可以实现多播或广播，而对于数据报文，则只有BACNET非证实请求协议 数据单元(BACNET-UNCONFIRMMED-REQUEST-PDU可 以使用多播或广播地址来传送。 目前只有以太网协议(1S08802-3)和LONTALK协议支持多播地址。广播形式可有三种：本地、远程和全局。一个本地广播被本地网上所有站点接收，它使 用本地网络所在地相应局域网技术的广播MAC地址。一个远程广播被一个独立的远程网络 上所有站点接收，其方法是将报文发送到与那个远程网络直接连接的一个路由器上，由该路 由器作为源设备的代表，向那个远程网络进行“本地”广播操作。而一个全局广播则被BACnet 互联网上所有网络上的所有站点接收。其方法是将报文通过所有的BACnet路由器发送到所 有的网络中的设备。BACnet协议的这种多播和广播技术对于建筑设备监控系统(BAS)的远 程(城域、广域)联网以及建筑智能化系统集成起着关键性的作用，也体现了 BACnet协议所 具有的超前性、优越性。在建筑设备监控系统中，点到点的连接(PTP)应用非常广泛，这种应用具有两个显著的 特点：(1)PTP连接可能是一个基于广域网(如公共电话网、国际互联网等)的连接，因此网络 必须能够控制这种连接的持续时间，故BACnet须能控制这种临时、可能同时又是随机的半 路由连接；(2)PTP连接总是建立在两个半路由器之间，故必须成对结合才能形成完整的独 立的路由器，正如图3所示。图3点到点连接示意圏3点到点连接示意/为了使PTP连接能顺利运作，BACnet协议对新PTP的连接过程、拆除过程、路由表的 同步过程以及差错恢复过程等都作出了明确的规定，以确保不同厂商所开发的BACnet应用 系统能顺利互联。在过程控制领域中所采用的计算机网络具有明显的多样性、异构性,这些网络各有所长, 能适应不同的应用环境，但不能直接连接进行通信。为了适应这样的应用需求，BACnet标 准将以太网应用、ARCnet局域网应用、主从令牌（传递CMS / TP）局域网应用、点到点（PTP） 应用以及LonTalk局域网应用等5种较常用的数据链路/物理层技术作为自己所支持的数据 链路/物理层技术，并建立相应的协议标准。这些措施对建筑设备监控系统的产业发展具有 重要意义，它为BAS产品开发的灵活性、多样性奠定了基础。为了有效地利用因特网等公共网络的资源，ASHRAE于上个世纪末正式颁布了BACnet-H和BACnet-J附件。这两个文件均用于实现基于IP技术的BACnet网络的互联。BACnet附件H所述方案利用隧道技术将BACnet报文通过IP互联网传送，其设备称之 为BACnet / IP分组封装设备（简称PAD），其作用类似于路由器。这种隧道技术使用点对点 通信协议，由于采用了非交换方式，使得不同来源的数据流能够在同一物理介质中同时通过 分设的隧道。通过这种隧道，可实现将数据流量强制输送到特定的目的地址、隐藏专有网络地址、提供数据安全保障等操作。尽管这是一种实现在1P网络上互联BACnet网络的简单而有效的方法，但其不足之处 也是显而易见的。例如一旦需要增减设备，就得同时改写每一个PAD的对等PAD设备表， 非常繁琐。BACnet附件J是一种改进型的方案。该文件对BACnet / JP作了如下定义：由一个或 多个IP子网络组成的集合，其中整体具有一个单独的BACnet网络号。BACnet / IP规范主 要有7个方面的内容，分别是：(1)定义了由一个或多个IP子网组成的BACn网络的概念；如何使用BACnet的非确认服务进行在BACnetp网络和非BACnet / IP网络之间的本 地、远程和全局广播的管理；(3) 定义了一个新设备即BACn广播管理设备(BBM)专用于广播管理；(4) 通过定义BACnet虚拟链路层(BLL)来实现BACnet / IP通信；(5) 提供了“外来”设备接人BACnet / IP网络的：方案；(6) 规定了在BACnet / IP网络和非BACnet / IP网络之间的路由；(7) 规定了多个BACnet / IP网络之间的路由。图4为上海某工程采用的BACnet / IP技术的逻辑框图。从现场调试情况来看，由公网 作系统间的互联相对较简便，但时延较为明显。4结束语由于BACn协议所具有的简洁、高效的体系结构，以及良好的兼容性，它在工控及楼控领域所取得的引 人注目的成功，无论从技术角度还是从商业角度来讲都是很突出的。