LON و LonWorks چیست؟

دنیای سیستم‌های کنترلی، از اتوماسیون کارخانه‌ها و ساختمان‌های هوشمند گرفته تا ماشین‌آلات توکار (embedded) و لوازم الکترونیکی مصرفی، در حال تجربه یک تحول بنیادین به شکل گذار از کنترل متمرکز به سمت معماری‌های هوشمند و توزیع‌شده است. تولیدکنندگان در حال ساخت محصولاتی مبتنی بر معماری‌های شبکه‌ی کنترل استاندارد و باز هستند که از کنترل هوشمند توزیع‌شده با استفاده از یک پروتکل ارتباطی استاندارد و همچنین فریم‌ور (Firmware) و فرستنده-گیرنده‌های (Transceiver) ارزان‌قیمت و آماده بهره می‌برند. این راه‌حل‌های باز، قابلیت اطمینان، انعطاف‌پذیری، هزینه کمتر، توسعه سریع‌تر و نظارت و کنترل بهتری بر مصرف انرژی را در پی دارد. چنین روندی به لطف ظهور شبکه‌های کنترل، که جایگزینی کم‌هزینه برای کنترل متمرکز و سیستم‌های ارتباطی انحصاری هستند، امکان‌پذیر شده است.

در یک سیستم کنترل متمرکز، سنسورهای راه دور فیدبک ها را به یک میکروکنترلر، کنترل‌گر منطقی برنامه‌پذیر (PLC) یا سایر کنترل‌کننده‌های انحصاری ارسال می‌کنند و آن کنترل‌کننده نیز به نوبه خود، پالس‌های کنترلی را به رله‌ها و سایر عملگرها (Actuators) می‌فرستد. هر سیستم کنترل متمرکز، نیازمندی‌های ورودی/خروجی و پردازشی منحصربه‌فرد خود را دارد. سیستم‌های کنترل بزرگ و پیچیده ممکن است به دو یا چند سیستم متمرکز تقسیم شوند که کنترل‌کننده‌های آن‌ها باید به طور مداوم با یکدیگر در ارتباط باشند. این کنترل‌کننده‌ها و سیستم‌های متصل به آن‌ها مانند «جزایر اتوماسیون» عمل می‌کنند که ارتباط بین آن‌ها به صورت مصنوعی محدود شده است. این سیستم‌های کنترلی، چه تقسیم‌بندی شده باشند و چه نباشند، توسعه آن‌ها پرهزینه، نصبشان گران و گسترش آن‌ها دشوار است.

در یک شبکه کنترل، دستگاه‌های کنترل هوشمند با استفاده از یک پروتکل مشترک با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. هر دستگاه در شبکه کنترل، دارای هوشمندی داخلی است که پروتکل مشترک را پیاده‌سازی کرده و توابع کنترلی را انجام می‌دهد. به علاوه، هر دستگاه شامل یک فرستنده-گیرنده ارتباطی است که آن را به رسانه ارتباطی متصل می‌کند.

دستگاه‌ها در یک شبکه کنترل می‌توانند هرکدام یک وظیفه ساده را انجام دهند یا دستگاه‌های پیچیده‌تری باشند که وظایف متعددی را بر عهده دارند. این دستگاه‌ها ممکن است سنسورها و عملگرهای ساده‌ای مانند سنسورهای مجاورت، سوئیچ‌ها، سنسورهای حرکتی یا رله‌ها باشند. همچنین می‌توانند سیستم‌های پیچیده نظارت، کنترل و جمع‌آوری داده (SCADA) باشند که بر سایر دستگاه‌های شبکه نظارت کرده و کنترل سرپرستی کل سیستم را فراهم می‌کنند. اگرچه هر دستگاه به تنهایی ممکن است وظایف ساده‌ای را اجرا کند، اما کل سیستم می‌تواند یک کاربرد کنترلی پیچیده را مانند مدیریت یک خط تولید یا اتوماسیون یک ساختمان را به انجام رساند.

شبکه‌های کنترل به بستری متفاوت از آنچه در پردازش داده یا اتوماسیون اداری استفاده می‌شود، نیاز دارند. ویژگی متمایز شبکه‌های کنترل، پیام‌های کوچکی است که به طور مکرر ارسال می‌شوند و نیازمند قابلیت اطمینان بالا با سربار (Overhead) پایین هستند. برای مثال، یک سیستم کنترل فرآیند ممکن است دارای تعدادی سنسور فشار و دما باشد که داده‌های مربوطه را به کنترل‌کننده‌های هیتر ارسال می‌کنند. هر کنترل‌کننده هیتر از این ورودی برای تنظیم توان خروجی به المنت‌های گرمایشی استفاده می‌کند. این سیستم مگابایت‌ها داده را جابجا نمی‌کند، اما برای اطمینان از عملکرد صحیح، به تحویل قابل اعتماد به‌روزرسانی‌های دما و فشار نیاز دارد.

بسیاری از تولیدکنندگان مزایای شبکه‌های کنترل را درک کرده و تلاش کرده‌اند با ایجاد پلتفرم شبکه کنترل اختصاصی خود، این مشکلات را حل کنند. تولیدکنندگانی که شبکه‌های کنترل انحصاری توسعه می‌دهند، با مشکلی مشابه تولیدکنندگان سیستم‌های کنترل متمرکز ارتباطی روبرو هستند: آن‌ها درمی‌یابند که بیشتر تلاش مهندسی‌شان به جای توسعه ویژگی‌ها و کاربردهای کنترلی، صرف پیاده‌سازی و آزمایش سیستم‌های ارتباطی می‌شود. در نهایت، هزینه بالای این رویکرد طراحی، بازار سیستم‌های کنترلی را محدود کرده است.

با هزاران توسعه‌دهنده برنامه و میلیون‌ها دستگاه نصب‌شده در سراسر جهان، پلتفرم LONWORKS راه‌حل باز پیشرو برای شبکه‌های کنترل در اتوماسیون ساختمان و خانه، صنعت، حمل‌ونقل و تأسیسات عمومی است. پلتفرم LONWORKS با فراهم آوردن قابلیت همکاری (Interoperability)، فناوری قدرتمند، توسعه سریع‌تر و صرفه‌جویی در مقیاس (Economies of Scale)، روند فاصله گرفتن از طرح‌های کنترلی انحصاری و سیستم‌های متمرکز را تسریع می‌بخشد. توزیع پردازش در سراسر شبکه با استفاده از یک پروتکل شبکه کنترل باز و فراهم کردن دسترسی آسان به هر دستگاه، هزینه‌های کلی نصب و چرخه عمر را کاهش می‌دهد، با به حداقل رساندن نقاط شکست منفرد (Single Points of Failure) قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد و انعطاف‌پذیری لازم برای تطبیق سیستم با طیف گسترده‌ای از کاربردها را فراهم می‌کند. به عنوان مثال، در صنعت کنترل ساختمان، شبکه‌های LONWORKS برای ایجاد یک زیرساخت مشترک برای تمام سیستم‌های ساختمان استفاده می‌شوند. این امر به طراح سیستم اتوماسیون ساختمان اجازه می‌دهد تا یکپارچه‌سازی عمودی بیش از حد را که اغلب دلیل انزوای عمودی سیستم‌هاست، حذف کند.

پلتفرم LONWORKS بر اساس مفاهیم زیر بنا شده است:

۱. سیستم‌های کنترلی، صرف‌نظر از کاربردشان، نیازمندی‌های مشترک بسیاری دارند.

۲. یک سیستم کنترل شبکه‌ای به طور قابل توجهی قدرتمندتر، انعطاف‌پذیرتر و مقیاس‌پذیرتر از یک سیستم کنترل غیر شبکه‌ای است.

۳. سیستم‌های کنترل شبکه‌ای می‌توانند با تکیه بر زیربنای سیستم کنترل، به راحتی برای پاسخگویی به کاربردها، بازارها و فرصت‌های جدید تکامل یابند.

۴. کسب‌وکارها در بلندمدت می‌توانند با شبکه‌های کنترل، نسبت به سیستم‌های کنترل غیر شبکه‌ای، پول بیشتری ذخیره کرده و درآمد بیشتری کسب کنند.

LON چیست؟ شبکه‌های کنترل هوشمند

LON که مخفف عبارت Local Operating Network (شبکه عامل محلی) است، یک پلتفرم شبکه‌ای استاندارد و باز به شمار می‌رود که برای کاربردهای کنترلی و اتوماسیون طراحی شده است. این فناوری بستری را فراهم می‌کند تا دستگاه‌های الکترونیکی مختلف مانند سنسورها، عملگرها (actuators)، کنترلرها و سایر تجهیزات بتوانند به صورت هوشمند و یکپارچه با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و همکاری کنند. در حقیقت، LON را می‌توان به عنوان نوعی سیستم عصبی برای یک ساختمان، مجموعه صنعتی یا هر محیط دیگری در نظر گرفت که در آن، دستگاه‌های متعدد نیاز به تبادل اطلاعات و تصمیم‌گیری مشترک دارند. فناوری مبتنی بر این مفهوم، LonWorks نامیده می‌شود که شامل مجموعه‌ای از سخت‌افزارها، نرم‌افزارها و پروتکل‌های ارتباطی برای پیاده‌سازی این شبکه‌های کنترلی است.

اجزای کلیدی و معماری غیرمتمرکز

قدرت اصلی فناوری LON در معماری و اجزای بنیادین آن نهفته است. برخلاف بسیاری از سیستم‌های کنترلی سنتی که دارای یک کنترلر مرکزی (Master) هستند، شبکه‌های LON بر اساس یک معماری غیرمتمرکز (Peer-to-Peer) عمل می‌کنند. در این مدل، هر دستگاه یا “گره” (Node) در شبکه از هوشمندی لازم برای تصمیم‌گیری مستقل و برقراری ارتباط مستقیم با سایر گره‌ها برخوردار است. این ویژگی باعث افزایش چشمگیر پایداری و قابلیت اطمینان شبکه می‌شود، زیرا از کار افتادن یک دستگاه، عملکرد کل سیستم را مختل نمی‌کند. این هوشمندی توزیع‌شده از طریق دو جزء کلیدی محقق می‌شود:

1. پروتکل ®LonTalk: این پروتکل، زبان مشترکی است که تمام دستگاه‌های روی شبکه برای ارتباط با یکدیگر از آن استفاده می‌کنند. LonTalk مسئولیت مدیریت آدرس‌دهی، ارسال مطمئن بسته‌های داده و جلوگیری از تداخل را بر عهده دارد و بر روی انواع رسانه‌های فیزیکی مانند زوج سیم به‌هم‌تابیده یا تویستِد پِیر، خطوط برق (Power Line)، فیبر نوری و امواج رادیویی (RF) قابل پیاده‌سازی است.
2. تراشه Neuron® (Neuron Chip): این تراشه به عنوان مغز متفکر هر گره در شبکه عمل می‌کند. هر تراشه Neuron دارای چندین پردازنده، حافظه و پورت‌های ورودی/خروجی است و پروتکل LonTalk به طور کامل در آن پیاده‌سازی شده است. این تراشه به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تا به سادگی، قابلیت اتصال به شبکه LON را به محصولات خود اضافه کنند.

استانداردسازی و قابلیت همکاری (Interoperability)

یکی از اهداف اصلی LON، دستیابی به قابلیت همکاری (Interoperability) واقعی بین محصولات تولیدکنندگان مختلف است. این بدان معناست که یک سنسور دما از یک شرکت باید بتواند به راحتی با یک کنترلر تهویه مطبوع از شرکتی دیگر در یک شبکه LonWorks ارتباط برقرار کند. این هدف از طریق استانداردسازی دقیق پروتکل LonTalk محقق شده است. این پروتکل به عنوان استاندارد ANSI/CEA-709.1 در آمریکا و همچنین استاندارد بین‌المللی ISO/IEC 14908 به ثبت رسیده است. این استانداردها تضمین می‌کنند که تمام دستگاه‌هایی که از نشان تجاری LonWorks استفاده می‌کنند، از قوانین یکسانی برای ارتباط پیروی کرده و به کاربران نهایی این امکان را می‌دهند که بدون نگرانی از مشکلات سازگاری، بهترین تجهیزات را از تولیدکنندگان مختلف برای پروژه خود انتخاب کنند. این رویکرد باز، هزینه‌ها را کاهش داده و انعطاف‌پذیری سیستم‌های اتوماسیون را به شدت افزایش می‌دهد.

شبکه‌های LONWORKS

مفهوم بنیادین پلتفرم LONWORKS این است که اطلاعات در یک کاربرد سنجش، نظارت یا کنترل، در تمام بازارها و صنایع اساساً یکسان است. به عنوان مثال، یک درب گاراژ و یک درب کشتی مسافربری اساساً اطلاعات مشابهی را ارسال می‌کنند: باز یا بسته. مفهوم دوم زیربنایی این پلتفرم، این دانش است که شبکه‌ها، صرف‌نظر از عملکردشان، با افزودن گره‌ها (Nodes) قدرتمندتر می‌شوند. قانون مِتکالف (Metcalfe’s Law) هم در شبکه‌های داده و هم در شبکه‌های کنترل صدق می‌کند.

از بسیاری جهات، یک شبکه LONWORKS به یک شبکه داده سنتی شباهت دارد. شبکه‌های داده از کامپیوترهایی تشکیل شده‌اند که به رسانه‌های ارتباطی مختلف متصل شده و از طریق روترها به یکدیگر وصل می‌شوند و با استفاده از یک پروتکل مشترک مانند TCP/IP با هم ارتباط برقرار می‌کنند. شبکه‌های داده برای انتقال حجم زیادی از داده بهینه‌سازی شده‌اند و طراحی پروتکل‌های آن‌ها بر این فرض استوار است که تأخیرهای گاه‌به‌گاه در تحویل و پاسخ داده قابل قبول است. حتی با وجود اینکه شبکه‌های داده مبتنی بر پروتکل‌های باز هستند، اکثر تولیدکنندگان ترجیح نمی‌دهند اجزای شبکه داده خود مانند فرستنده-گیرنده‌ها، روترها و سیستم‌عامل‌های شبکه را توسعه دهند؛ زیرا معمولاً خرید این اجزا از یک تأمین‌کننده معتبر، مقرون‌به‌صرفه‌تر است.

همانطور که در شکل نشان داده شده است، شبکه‌های کنترل نیز اجزای مشابهی با شبکه‌های داده دارند، اما اجزای شبکه کنترل برای نیازمندی‌های هزینه، عملکرد، اندازه و زمان پاسخ‌دهی در حوزه کنترل بهینه‌سازی شده‌اند. شبکه‌های کنترل به سیستم‌های شبکه‌ای اجازه می‌دهند تا به دسته‌ای از کاربردها گسترش یابند که فناوری شبکه‌های داده برای آن‌ها مناسب نیست. تولیدکنندگان سیستم‌ها و دستگاه‌های کنترلی می‌توانند با طراحی اجزای LONWORKS در محصولات خود، زمان توسعه و مهندسی خود را کوتاه کنند. نتیجه این کار، توسعه مقرون‌به‌صرفه و سازگاری است که به دستگاه‌های تولیدکنندگان مختلف اجازه می‌دهد با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

پیچیدگی شبکه‌های LONWORKS از شبکه‌های کوچک تعبیه‌شده در ماشین‌آلات تا شبکه‌های بزرگی با هزاران دستگاه که لیزرهای همجوشی (fusion lasers)، ماشین‌آلات تولید کاغذ و سیستم‌های اتوماسیون ساختمان را کنترل می‌کنند، متغیر است. شبکه‌های LONWORKS در ساختمان‌ها، قطارها، هواپیماها، کارخانه‌ها و صدها فرآیند دیگر استفاده می‌شوند. تولیدکنندگان از تراشه‌ها، سیستم‌عامل‌ها و قطعات آماده و باز برای ساخت محصولاتی با قابلیت اطمینان، انعطاف‌پذیری، هزینه سیستم و عملکرد بهبودیافته استفاده می‌کنند.

شرکت Echelon اِشِلون طیف گسترده‌ای از محصولات LONWORKS را برای کمک به توسعه‌دهندگان، یکپارچه‌سازان سیستم (System Integrators) و کاربران نهایی در پیاده‌سازی شبکه‌های LONWORKS تولید می‌کند. این محصولات یک راه‌حل کامل LONWORKS شامل ابزارهای توسعه، نرم‌افزار مدیریت شبکه، فرستنده-گیرنده‌ها و ماژول‌های کنترل برای خطوط برق و زوج به‌هم‌تابیده (Twisted Pair)، رابط‌های شبکه، روترها، کنترل‌کننده‌ها، پشتیبانی فنی و آموزش را فراهم می‌کنند.

ساخت یک پلتفرم

پلتفرم LONWORKS و پروتکل زیربنایی آن (ISO/IEC 14908-1) توسط شرکت Echelon با یک چشم‌انداز مشخص ابداع شد: ایجاد یک استاندارد واقعی برای قابلیت همکاری. در حال حاضر هزاران تولیدکننده کنترل، دستگاه‌های LONWORKS را تولید می‌کنند. لیست جزئی این دستگاه‌ها در وب‌سایت لون مارک موجود است.

شرکت Echelon توسعه پلتفرم LONWORKS و پروتکل شبکه کنترل را در سال ۱۹۸۸ آغاز کرد. این چشم‌انداز اولیه همچنان شرکت را به پیش می‌راند؛ ابتدا با ایجاد یک روش استاندارد و مقرون‌به‌صرفه برای اینکه دستگاه‌های کنترلی ارزان‌قیمت بتوانند به راحتی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. سپس، با استفاده از قابلیت‌های ارتباطی استاندارد، این امکان را فراهم کرد که دستگاه‌های فروشندگان مختلف به راحتی در یک شبکه با هم کار کنند. Echelon دریافت که صرفاً توسعه یک مشخصات پروتکل، به هدف سیستم‌های چند-فروشنده‌ای دست نخواهد یافت. لازم بود یک روش استاندارد و مقرون‌به‌صرفه ساخته شود که از طریق آن بتوان پروتکل را به کار گرفت و تمام ابزارهای توسعه و محصولات شبکه‌ای لازم را تأمین کرد.

هدف اصلی پلتفرم LONWORKS، آسان و مقرون‌به‌صرفه ساختن سیستم‌های کنترل باز است. Echelon با این باور پلتفرم LONWORKS را توسعه داد که سه مسئله اساسی برای ایجاد محصولات قابل همکاری (interoperable) در بازار کنترل باید مورد توجه قرار گیرد. اول، باید پروتکلی توسعه می‌یافت که برای شبکه‌های کنترل بهینه‌سازی شده باشد، اما در توانایی کار با انواع مختلف کنترل‌ها، عمومی باشد. دوم، هزینه ترکیب و استقرار این پروتکل در دستگاه‌ها باید رقابتی باشد. سوم، پروتکل باید به گونه‌ای معرفی می‌شد که پیاده‌سازی آن بین فروشندگان مختلف متفاوت نباشد، زیرا این امر قابلیت همکاری را از بین می‌برد.

برای پاسخ به این چالش‌ها، شرکت Echelon بر آن شد تا پلتفرمی جامع برای طراحی، ساخت و نصب دستگاه‌های کنترل هوشمند پایه‌گذاری کند. قدم اول با ایجاد پروتکل شبکه کنترل ISO/IEC 14908-1 برداشته شد. رسیدگی به مسائل هزینه و استقرار به معنای یافتن راهی اقتصادی برای ارائه پیاده‌سازی‌های پروتکل به مشتریان به همراه ابزارهای توسعه بود. هدف پلتفرم LONWORKS ارائه یک پلتفرم کاملاً یکپارچه، با طراحی بهینه و اقتصادی برای ایجاد دستگاه‌ها و شبکه‌های هوشمند است. این فصل اجزای زیر را که پلتفرم LONWORKS را تشکیل می‌دهند، توصیف می‌کند:

• فرستنده-گیرنده‌های هوشمند (Smart Transceivers)
• ابزارهای توسعه (Development Tools)
• روترها (Routers)
• رابط‌های شبکه (Network Interfaces)
• سرورهای اینترنتی (Internet Servers)
• مدیریت شبکه (Network Management)
• ابزارهای شبکه (Network Tools)

فرستنده-گیرنده‌های هوشمند

برای دستیابی به استقرار اقتصادی و استاندارد، Echelon هسته ®Neuron را طراحی کرد. نام Neuron برای اشاره به شباهت‌های بین پیاده‌سازی صحیح کنترل شبکه و مغز انسان انتخاب شد. هیچ نقطه کنترل مرکزی در مغز وجود ندارد. میلیون‌ها نورون با هم شبکه‌بندی شده‌اند و هر کدام از طریق مسیرهای متعدد به دیگران اطلاعات می‌دهند. هر نورون معمولاً به یک عملکرد خاص اختصاص دارد، اما از دست دادن هر یک لزوماً بر عملکرد کلی شبکه تأثیر نمی‌گذارد.

هسته Neuron به عنوان یک جزء مستقل به نام تراشه Neuron (Neuron Chip) در دسترس است. برای کاهش بیشتر هزینه‌های دستگاه، Echelon همچنین هسته‌های Neuron را با فرستنده-گیرنده‌های ارتباطی ترکیب کرده است که به آن‌ها فرستنده-گیرنده‌های هوشمند (Smart Transceivers) می‌گویند.

برای توسعه‌دهنده و یکپارچه‌ساز، زیبایی هسته Neuron و فرستنده-گیرنده‌های هوشمند در کامل بودن آن‌ها نهفته است. پروتکل ارتباطی و پردازنده‌های داخلی، نیاز به هرگونه توسعه یا برنامه‌نویسی در این زمینه‌ها را از بین می‌برد. فرستنده-گیرنده‌های هوشمند نیاز به توسعه یا ادغام یک فرستنده-گیرنده ارتباطی را حذف می‌کنند. هسته Neuron لایه‌های ۲ تا ۶ مدل مرجع ISO/OSI یک پروتکل ارتباطی را فراهم می‌کند و فرستنده-گیرنده هوشمند لایه ۱ را اضافه می‌کند. تولیدکننده دستگاه فقط باید برنامه‌نویسی لایه کاربرد را تأمین کند و یکپارچه‌ساز شبکه، پیکربندی را برای یک نصب شبکه معین فراهم می‌کند. این امر پیاده‌سازی را استاندارد کرده و توسعه و پیکربندی را ساده و سریع می‌سازد.

اکثر دستگاه‌های LONWORKS از توابع هسته Neuron بهره می‌برند و از آن به عنوان پردازنده کنترل استفاده می‌کنند. هسته Neuron یک جزء نیمه‌هادی است که به طور خاص برای ارائه هوشمندی و قابلیت‌های شبکه‌ای به دستگاه‌های کنترلی کم‌هزینه طراحی شده است. هسته Neuron شامل حداکثر چهار پردازنده است که هم قابلیت‌های پردازش ارتباطی و هم کاربردی را فراهم می‌کنند. دو پردازنده پیاده‌سازی لایه‌های ۲ تا ۶ پروتکل ISO/IEC 14908-1 را اجرا می‌کنند و پردازنده سوم لایه ۷ و کد برنامه را اجرا می‌کند. هسته‌های Neuron نسخه LONWORKS 2.0 یک پردازنده چهارم برای پردازش وقفه‌ها (interrupt) اضافه می‌کنند. تولیدکننده دستگاه، کد برنامه را برای اجرا بر روی هسته Neuron و دستگاه‌های ورودی/خروجی را برای اتصال به هسته Neuron فراهم می‌کند.

شرکت Echelon هسته اصلی Neuron و هسته Neuron نسخه LONWORKS 2.0 را طراحی کرده است. هسته‌های Neuron همچنین توسط شرکای تولیدی Echelon طراحی و ساخته می‌شوند.

هسته Neuron یک سیستم-روی-تراشه (system-on-a-chip) با چندین پردازنده، حافظه و زیرسیستم‌های ارتباطی و ورودی/خروجی است. در زمان ساخت، به هر هسته Neuron یک کد ۴۸ بیتی منحصربه‌فرد در سراسر جهان به نام شناسه Neuron (Neuron ID) اختصاص داده می‌شود. خانواده بزرگی از تراشه‌های Neuron با سرعت‌ها، نوع و ظرفیت حافظه و رابط‌های مختلف در دسترس است. تا اوایل سال ۲۰۰۹ تقریباً ۳۰ میلیون هسته Neuron عرضه شده است.

یک سیستم‌عامل کامل شامل پیاده‌سازی پروتکل ISO/IEC 14908-1 به نام فریم‌ور Neuron (Neuron firmware) برای هسته Neuron موجود است.

ابزارهای توسعه

Echelon طیف گسترده‌ای از ابزارها را برای توسعه دستگاه‌ها و برنامه‌های LONWORKS فراهم می‌کند. در ادامه خلاصه‌ای از ابزارهای توسعه برای دستگاه‌های LONWORKS آمده است:

• کیت ارزیابی Mini FX: ابزارها و بردهای ارزیابی برای سنجش پلتفرم LONWORKS. کیت Mini می‌تواند برای توسعه برنامه‌های ساده LONWORKS برای یک تراشه Neuron یا فرستنده-گیرنده هوشمند استفاده شود، اما شامل دیباگر، مدیر پروژه یا ابزار یکپارچه‌سازی شبکه که برای بسیاری از دستگاه‌ها لازم است، نمی‌باشد.
• ابزار توسعه NodeBuilder® FX: ابزارها و بردهای ارزیابی برای توسعه برنامه‌های ساده یا پیچیده LONWORKS برای یک تراشه Neuron یا فرستنده-گیرنده هوشمند. این ابزار شامل دیباگر، مدیر پروژه و ابزار یکپارچه‌سازی شبکه است.
• کیت توسعه‌دهنده ®ShortStack: ابزارها و فریم‌ور برای توسعه برنامه‌های LONWORKS که بر روی پردازنده‌هایی که فاقد هسته Neuron هستند، اجرا می‌شوند. کیت ShortStack شامل فریم‌وری است که روی یک فرستنده-گیرنده هوشمند بارگذاری می‌شود و آن را به یک کمک‌پردازنده ارتباطی برای پردازنده میزبان تبدیل می‌کند.
• کیت توسعه‌دهنده FTXL: ابزارها، فریم‌ور و فایل‌های طراحی FPGA برای توسعه برنامه‌های LONWORKS که بر روی یک پردازنده ۳۲ بیتی RISC تعبیه‌شده Nios II که روی یک دستگاه FPGA خانواده Altera Cyclone II/III پیکربندی شده است، اجرا می‌شوند.

توسعه‌دهندگانی که از هر یک از این ابزارها استفاده می‌کنند، معمولاً به ابزارهای یکپارچه‌سازی و تشخیص شبکه نیز نیاز دارند. یک ابزار یکپارچه‌سازی شبکه با ابزار توسعه NodeBuilder FX همراه است، اما سایر ابزارهای توسعه LONWORKS شامل ابزار یکپارچه‌سازی شبکه نیستند. هیچ‌کدام از ابزارهای توسعه شامل ابزار تشخیص شبکه نمی‌شوند.

روترها

پشتیبانی شفاف از مولتی مدیا، یک قابلیت منحصربه‌فرد پلتفرم LONWORKS است که به توسعه‌دهندگان و یکپارچه‌سازان شبکه اجازه می‌دهد تا رسانه‌ها و روش‌های ارتباطی را که به بهترین وجه با نیازهایشان مطابقت دارد، انتخاب کنند. پشتیبانی از چندین رسانه توسط روترها امکان‌پذیر می‌شود. روترها همچنین می‌توانند برای کنترل ترافیک شبکه و جداسازی بخش‌هایی از شبکه از ترافیک بخش دیگر استفاده شوند و در نتیجه توان عملیاتی و ظرفیت کل شبکه را افزایش دهند. ابزارهای شبکه به طور خودکار روترها را بر اساس توپولوژی شبکه پیکربندی می‌کنند و نصب روترها را برای نصاب‌ها آسان و برای دستگاه‌ها شفاف می‌سازند.

روترها به یک شبکه همتا-به-همتا اجازه می‌دهند تا انواع مختلفی از رسانه‌های انتقال را در بر گیرد و از ده‌ها هزار دستگاه پشتیبانی کند. یک روتر دو طرف دارد که هر طرف دارای یک فرستنده-گیرنده مناسب برای دو کانالی است که روتر به آن‌ها متصل است. روترها برای عملکرد منطقی شبکه کاملاً شفاف هستند، اما لزوماً همه بسته‌ها را منتقل نمی‌کنند؛ هنگامی که توسط یک ابزار یکپارچه‌سازی شبکه پیکربندی می‌شوند، روترهای هوشمند به اندازه کافی از پیکربندی سیستم اطلاع دارند تا بسته‌هایی را که در طرف دیگر گیرنده‌ای ندارند، مسدود کنند. با استفاده از نوع دیگری از روتر به نام روتر IP-852، روترهای LONWORKS می‌توانند مسافت‌های طولانی را بر روی شبکه‌های گسترده (WAN) مانند اینترنت طی کنند.

رابط‌های شبکه

رابط شبکه یک کارت یا ماژول است که برای اتصال یک کامپیوتر میزبان — معمولاً کامپیوتری که مایکروسافت ویندوز را اجرا می‌کند — به یک شبکه LONWORKS استفاده می‌شود. رابط شبکه خود برنامه‌ای را اجرا نمی‌کند، بلکه لایه ۲ یا لایه‌های ۲ تا ۵ پروتکل شبکه کنترل (CNP) ISO/IEC 14908-1، به علاوه یک فرستنده-گیرنده که لایه ۱ را پیاده‌سازی می‌کند، و فریم‌وری برای تبادل بسته‌های CNP لایه ۲ یا لایه ۵ با کامپیوتر متصل را فراهم می‌کند.

سرورهای هوشمند

یک سرور هوشمند یک دستگاه قابل برنامه‌ریزی است که یک کنترل‌کننده را با یک وب سرور برای دسترسی محلی یا از راه دور، رابط شبکه LONWORKS، مدیر شبکه CNP، رابط دستگاه‌های قدیمی (legacy) و یک روتر IP-852 اختیاری ترکیب می‌کند. سرور هوشمند کم‌هزینه Echelon، i.LON SmartServer نام دارد. SmartServer دستگاه‌های LONWORKS، Modbus و M-Bus را به شبکه‌های IP شرکتی یا اینترنت متصل می‌کند. این سرور دارای یک وب سرور داخلی است که امکان دسترسی وب به تمام داده‌های مدیریت و کنترل شده توسط SmartServer را فراهم می‌کند، و همچنین برنامه‌های داخلی برای هشداردهی، زمان‌بندی، ثبت داده‌ها و ترجمه داده‌ها را در خود دارد. این سرور همچنین شامل یک برنامه Web binder برای پل زدن بین چندین دامنه LONWORKS و همچنین پل زدن از دستگاه‌های Modbus و M-Bus به دامنه‌های LONWORKS است. SmartServer یک رابط وب سرویس SOAP/XML برای استفاده توسط صفحات وب سفارشی و برای ادغام با برنامه‌های سازمانی فراهم می‌کند.

مدیریت شبکه

شبکه‌های LonWorks را می‌توان بر اساس روش مورد استفاده برای نصب شبکه دسته‌بندی کرد. دو دسته از شبکه‌ها عبارتند از شبکه‌های مدیریت‌شده (managed networks) و شبکه‌های خود-نصب (self-installed networks). یک شبکه مدیریت‌شده شبکه‌ای است که در آن از یک سرور مدیریت شبکه مشترک برای انجام نصب شبکه استفاده می‌شود. سرور مدیریت شبکه ممکن است بخشی از یک سیستم‌عامل شبکه باشد یا بخشی از یک سرور اینترنتی مانند SmartServer باشد. یک کاربر معمولاً از یک ابزار برای تعامل با سرور و تعریف نحوه پیکربندی دستگاه‌ها در شبکه و نحوه ارتباط آن‌ها استفاده می‌کند. چنین ابزاری، ابزار مدیریت شبکه نامیده می‌شود. اگرچه یک ابزار و سرور مدیریت شبکه برای برقراری اولیه ارتباطات شبکه استفاده می‌شوند، اما لازم نیست همیشه برای عملکرد شبکه حاضر باشند. ابزار و سرور مدیریت شبکه فقط زمانی مورد نیاز هستند که تغییراتی در پیکربندی شبکه ایجاد شود.

در یک شبکه مدیریت‌شده، ابزار و سرور مدیریت شبکه منابع مختلف شبکه مانند آدرس‌های دستگاه و نقاط داده را تخصیص می‌دهند. سرور مدیریت شبکه همچنین از توپولوژی شبکه آگاه است و می‌تواند دستگاه‌ها را برای عملکرد بهینه در چارچوب محدودیت‌های توپولوژی پیکربندی کند.

جایگزین شبکه مدیریت‌شده، شبکه خود-نصب است. در یک شبکه خود-نصب، هیچ ابزار یا سرور مرکزی وجود ندارد که کل پیکربندی شبکه را مدیریت کند. در عوض، هر دستگاه حاوی کدی است که جایگزین بخش‌هایی از عملکرد سرور مدیریت شبکه می‌شود و در نتیجه شبکه‌ای ایجاد می‌شود که دیگر برای برقراری ارتباطات شبکه یا تغییر پیکربندی آن به ابزار یا سرور خاصی نیاز ندارد.

نصب شبکه شامل مراحل زیر است:

• تخصیص آدرس‌های منطقی به همه دستگاه‌ها و گروه‌های دستگاه‌ها.
• اتصال (Binding) متغیرهای شبکه برای ایجاد ارتباطات منطقی بین دستگاه‌ها.
• پیکربندی پارامترهای مختلف پروتکل کنترل شبکه در هر دستگاه برای ویژگی‌ها و عملکرد مطلوب، از جمله نرخ بیت کانال، تأیید (acknowledgement)، احراز هویت و سرویس اولویت‌دار.

فرآیند نصب شبکه ممکن است بسیار پیچیده باشد، اما این پیچیدگی توسط راه‌حل‌های مدیریت شبکه‌ای که بخشی از پلتفرم LONWORKS هستند، پنهان می‌شود. برای برنامه‌های مدیریت‌شده، طراحی عملکردی شبکه می‌تواند به سادگی کشیدن بلوک‌های عملکردی برنامه دستگاه‌ها بر روی یک طرح و اتصال ورودی‌ها و خروجی‌ها برای تعیین نحوه ارتباط بلوک‌های عملکردی با یکدیگر باشد. ابزار مدیریت شبکه به طور خودکار آدرس‌های منطقی را تخصیص می‌دهد، متغیرهای شبکه را بر اساس اتصالات ترسیم شده توسط یکپارچه‌ساز متصل می‌کند و پارامترهای کنترل شبکه را پیکربندی می‌کند. برای برنامه‌های خود-نصب، طراحی عملکردی شبکه به سادگی اتصال یک جفت دستگاه و فشار دادن یک دکمه روی هر دستگاه برای برقراری ارتباط است.

فرآیند نصب شبکه برای شبکه‌های مدیریت‌شده می‌تواند یک فرآیند موردی (ad hoc) یا یک فرآیند از پیش مهندسی‌شده (pre-engineered) باشد. فرآیند نصب شبکه برای شبکه‌های خود-نصب معمولاً یک فرآیند موردی است. در روش موردی، دستگاه‌ها ابتدا به شبکه متصل و روشن می‌شوند و داده‌های پیکربندی یا به صورت خود-نصب یا از طریق شبکه پس از تعریف هر دستگاه در یک ابزار یکپارچه‌سازی شبکه، دانلود می‌شوند. در روش مهندسی‌شده، اطلاعات توسط ابزار یکپارچه‌سازی شبکه در یک پایگاه داده جمع‌آوری شده و در زمان نصب به دستگاه‌ها دانلود می‌شود. برای یک شبکه مدیریت‌شده با استفاده از هر دو روش، ابزار یکپارچه‌سازی شبکه به طور خودکار یک پایگاه داده را نگهداری می‌کند که به دقت پیکربندی هر دستگاه در سیستم را منعکس می‌کند.

شبکه‌ها می‌توانند به عنوان شبکه‌های خود-نصب با استفاده از ISI شروع شوند و با افزایش اندازه یا پیچیدگی فراتر از محدودیت‌های ISI، می‌توانند به یک شبکه مدیریت‌شده ارتقا یابند. یک شبکه خود-نصب همچنین می‌تواند برای بهره‌مندی از انعطاف‌پذیری و قابلیت‌های اضافی ارائه شده توسط یک ابزار و سرور مدیریت شبکه، به یک شبکه مدیریت‌شده تبدیل شود.

ابزارهای شبکه

ابزارهای شبکه، برنامه‌های نرم‌افزاری هستند که بر روی سیستم‌عامل شبکه برای طراحی، نصب، پیکربندی، نظارت، کنترل سرپرستی، تشخیص و نگهداری شبکه ساخته شده‌اند. بسیاری از ابزارها این عملکردها را با هم ترکیب می‌کنند، اما رایج‌ترین ترکیب‌ها به شرح زیر است:

• ابزارهای یکپارچه‌سازی شبکه: عملکردهای ضروری مورد نیاز برای طراحی، پیکربندی، راه‌اندازی و نگهداری یک شبکه را فراهم می‌کنند.
• ابزارهای تشخیص شبکه: ابزارهای ویژه‌ای برای مشاهده، تحلیل و تشخیص ترافیک شبکه و نظارت بر بار شبکه.
• ابزارهای توسعه HMI: ابزارهایی برای ایجاد برنامه‌های رابط انسان و ماشین (HMI). برنامه‌های HMI برای رابط‌های اپراتور با سیستم‌های عملیاتی استفاده می‌شوند.
• سرورهای ورودی/خروجی (I/O Servers): درایورهای عمومی که دسترسی به شبکه‌های LONWORKS را برای برنامه‌های HMI که در اصل برای شبکه‌های LONWORKS طراحی نشده‌اند، فراهم می‌کنند.

ابزارهای شبکه‌ای که مبتنی بر سیستم‌عامل شبکه LNS هستند، قابلیت همکاری دارند، به این معنی که می‌توانند همزمان در یک شبکه کار کنند و دیدی سازگار از دستگاه‌های موجود در شبکه و پیکربندی آن‌ها را حفظ کنند. پیشنهادات Echelon برای ابزارهای شبکه شامل ابزار یکپارچه‌سازی ®LonMaker و تحلیلگر پروتکل ™LonScanner است که در بخش‌های بعدی توضیح داده می‌شوند.

ابزار یکپارچه‌سازی LonMaker

ابزار یکپارچه‌سازی LonMaker یک بسته نرم‌افزاری برای طراحی، مستندسازی، نصب و نگهداری شبکه‌های LONWORKS چند-فروشنده‌ای، باز و قابل همکاری است. ابزار LonMaker که مبتنی بر سیستم‌عامل شبکه LNS است، یک معماری قدرتمند کلاینت-سرور را با یک رابط کاربری آسان Visio ترکیب می‌کند. نتیجه، ابزاری است که به اندازه کافی برای طراحی، راه‌اندازی و نگهداری یک شبکه کنترل توزیع‌شده پیچیده است، و در عین حال سهولت استفاده مورد نیاز کارکنان طراحی، نصب و نگهداری شبکه را فراهم می‌کند.

ابزار LonMaker با استاندارد پلاگین LNS مطابقت دارد. این استاندارد به تولیدکنندگان دستگاه‌های LONWORKS اجازه می‌دهد تا برنامه‌های سفارشی برای محصولات خود ارائه دهند و این برنامه‌های سفارشی به طور خودکار هنگام انتخاب دستگاه مربوطه توسط کاربر LonMaker، اجرا شوند. این امر تعریف، راه‌اندازی، نگهداری و آزمایش دستگاه‌های مرتبط را برای مهندسان و تکنسین‌های سیستم آسان می‌کند.

برای سیستم‌های مهندسی‌شده، طراحی شبکه معمولاً خارج از سایت و بدون اتصال ابزار LonMaker به شبکه انجام می‌شود. با این حال، طراحی شبکه ممکن است در محل، با ابزار متصل به یک شبکه راه‌اندازی‌شده، صورت گیرد. این ویژگی به ویژه برای شبکه‌های کوچکتر یا جایی که افزودن، جابجایی و تغییرات به طور منظم اتفاق می‌افتد، مطلوب است.

به کاربران یک محیط آشنا و شبیه به CAD برای طراحی یک سیستم کنترل ارائه می‌شود. ویژگی ترسیم اشکال هوشمند Visio، وسیله‌ای بصری و ساده برای ایجاد دستگاه‌ها فراهم می‌کند. ابزار LonMaker شامل تعدادی شکل هوشمند برای شبکه‌های LONWORKS است و کاربران می‌توانند اشکال سفارشی جدیدی ایجاد کنند. اشکال سفارشی ممکن است به سادگی یک دستگاه یا بلوک عملکردی واحد، یا به پیچیدگی یک زیرسیستم کامل با دستگاه‌های از پیش تعریف‌شده، بلوک‌های عملکردی و اتصالات بین آن‌ها باشد. با استفاده از اشکال زیرسیستم سفارشی، می‌توان زیرسیستم‌های اضافی را به سادگی با کشیدن شکل به صفحه جدیدی از طرح ایجاد کرد، که یک ویژگی صرفه‌جویی در زمان هنگام طراحی سیستم‌های پیچیده است. هر زیرسیستم را می‌توان با افزودن متغیرهای شبکه به شکل زیرسیستم، به یک «اَبَرگره» (supernode) تبدیل کرد. ابرگره‌ها با نمایش یک رابط ساده‌شده به مجموعه‌ای از دستگاه‌ها، زمان مهندسی را کاهش می‌دهند.

زمان نصب شبکه با توانایی نصاب برای راه‌اندازی همزمان چندین دستگاه به حداقل می‌رسد. دستگاه‌ها را می‌توان با پین سرویس (service pin)، اسکن بارکد شناسه‌های Neuron، چشمک زدن (winking) یا وارد کردن دستی شناسه‌ها شناسایی کرد. از کشف خودکار (Auto discovery) می‌توان برای سیستم‌های حاوی شبکه‌های توکار برای یافتن و راه‌اندازی خودکار دستگاه‌های سیستم استفاده کرد. آزمایش و پیکربندی دستگاه با یک برنامه یکپارچه برای مرور متغیرهای شبکه و خصوصیات پیکربندی، ساده شده است. یک پنجره مدیریت برای آزمایش، فعال/غیرفعال کردن یا نادیده گرفتن بلوک‌های عملکردی منفرد در یک دستگاه یا برای آزمایش، چشمک زدن یا تنظیم وضعیت آنلاین و آفلاین برای دستگاه‌ها ارائه شده است.

ابزار LonMaker می‌تواند فایل‌های AutoCAD را هم ایمپورت و هم اکسپورت کند و مستندات «ازبیلت» (as-built) را تولید نماید. یک گزارش‌ساز یکپارچه و تولیدکننده لیست مواد (bill-of-materials) نیز می‌تواند برای تولید گزارش‌های دقیق از پیکربندی شبکه استفاده شود. ابزار LonMaker یک ابزار واحد و قابل گسترش است که کل چرخه عمر شبکه را پوشش می‌دهد تا وظایف نصاب‌ها را ساده کند.

تحلیلگر پروتکل LonScanner

تحلیلگر پروتکل LonScanner یک بسته نرم‌افزاری است که ابزارهای تشخیص شبکه را برای مشاهده، تحلیل و تشخیص رفتار شبکه‌های LONWORKS نصب‌شده فراهم می‌کند.

این تحلیلگر پروتکل می‌تواند برای جمع‌آوری، ثبت زمان (timestamp) و ذخیره تمام بسته‌های CNP در یک کانال LONWORKS استفاده شود. بسته‌ها در فایل‌های لاگ ذخیره می‌شوند که بعداً می‌توان آن‌ها را مشاهده و تحلیل کرد؛ بسته‌ها همچنین ممکن است به صورت بلادرنگ همزمان با جمع‌آوری توسط تحلیلگر پروتکل، مشاهده شوند.

یک سیستم تحلیل تراکنش پیچیده، هر بسته را هنگام رسیدن بررسی کرده و بسته‌های مرتبط را به هم پیوند می‌دهد تا به کاربر در درک و تفسیر الگوهای ترافیک در شبکه‌شان کمک کند.

لاگ‌ها می‌توانند به صورت خلاصه با یک بسته در هر خط برای تحلیل سریع، یا به صورت گسترده با یک بسته در هر پنجره برای تحلیل دقیق‌تر نمایش داده شوند. با استفاده از داده‌های وارد شده از یک پایگاه داده LNS، تحلیلگر پروتکل داده‌های بسته را با استفاده از نام‌های دستگاه و متغیرهای شبکه‌ای که در حین نصب تخصیص داده شده‌اند، رمزگشایی و نمایش می‌دهد. همچنین توضیحات متنی از هر پیام و شرحی از سرویس پیام CNP که برای انتقال آن استفاده شده است، ارائه می‌دهد. حذف نیاز کاربر به تفسیر دستی صفر و یک‌های CNP، زمان و تلاش مورد نیاز برای تشخیص مشکلات شبکه را کاهش می‌دهد.

کاربر می‌تواند فیلترهای ضبط (capture filters) را برای محدود کردن بسته‌های جمع‌آوری‌شده مشخص کند. فیلترها می‌توانند برای محدود کردن بسته‌های ضبط‌شده به بسته‌های بین دستگاه‌ها یا متغیرهای شبکه منتخب، یا به بسته‌هایی که از سرویس‌های CNP منتخب استفاده می‌کنند، به کار روند.

یک ابزار آمار ترافیک، دسترسی به آمارهای دقیق مربوط به رفتار شبکه را فراهم می‌کند. این آمارها شامل تعداد کل بسته‌ها، تعداد بسته‌های خطا و بار شبکه است. نمایش آمار، خلاصه‌ای خوانا از فعالیت شبکه را در اختیار کاربر قرار می‌دهد.

پروتکل شبکه کنترل (CNP): مرکز LonWorks

پروتکل شبکه کنترل (CNP) که تحت استاندارد ISO/IEC 14908-1 تدوین شده، ستون فقرات پلتفرم LONWORKS را تشکیل می‌دهد و یک استاندارد ارتباطی قابل اعتماد، مقرون‌به‌صرفه و قدرتمند برای کاربردهای کنترلی فراهم می‌کند. این بخش، پروتکل و سرویس‌های پیاده‌سازی‌شده توسط هر لایه از آن را تشریح می‌کند. توسعه‌دهندگان بیشتر با لایه‌های ۶ و ۷ سروکار خواهند داشت، اما به اطلاعات فرستنده-گیرنده که در لایه ۱ توضیح داده شده نیز علاقه‌مند خواهند بود. طراحان و یکپارچه‌سازان سیستم نیز به همان لایه‌هایی که توسعه‌دهندگان علاقه‌مندند، توجه خواهند داشت و همچنین به درک گزینه‌های ارائه شده توسط لایه ۴ علاقه‌مند خواهند بود.

پروتکل شبکه کنترل ISO/IEC 14908-1

بنیان پلتفرم LONWORKS، پروتکل شبکه کنترل (CNP) ISO/IEC 14908-1 است، درست همانطور که پروتکل TCP/IP (RFC-791/793) بنیان اکثر شبکه‌های داده و اینترنت است. پیاده‌سازی‌های سازگار بسیاری از پروتکل ISO/IEC 14908-1 وجود دارد. پیاده‌سازی Echelon از CNP، پروتکل LonTalk® نامیده می‌شود. در سراسر این سند، پروتکل شبکه کنترل ISO/IEC 14908-1 به سادگی CNP نامیده می‌شود. CNP همچنین به استانداردهای لایه فیزیکی ISO/IEC که توسط ISO/IEC 14908-2 و ۱۴۹۰۸-۳ تعریف شده‌اند، و استاندارد تونل‌زنی IP که توسط ISO/IEC 14908-4 تعریف شده است، اشاره دارد.

CNP برای پشتیبانی از نیازهای کاربردهای کنترلی در طیف وسیعی از صنایع و نیازمندی‌ها طراحی شده است. برای دستیابی به اهداف گسترده خود، این پروتکل یک پروتکل ارتباطی کامل هفت لایه است که هر لایه برای نیازهای کاربردهای کنترلی بهینه‌سازی شده است. این هفت لایه از مدل مرجع اتصال سیستم‌های باز (OSI) که توسط سازمان بین‌المللی استاندارد (ISO) توسعه یافته است، پیروی می‌کنند. با پوشش دادن هر هفت لایه تعریف‌شده توسط مدل مرجع OSI، CNP یک راه‌حل ارتباطی قدرتمند ارائه می‌دهد که نیازهای طیف گسترده‌ای از کاربردهای امروزی را برآورده می‌کند و در آینده نیز به پاسخگویی به نیازهای در حال تکامل کاربردهای کنترلی ادامه خواهد داد.

لیست زیر ویژگی‌های اصلی CNP را خلاصه می‌کند:

• تحویل کارآمد پیام‌های کوچک: یک پیام کنترلی معمولی ممکن است شامل ۱ تا ۸ بایت داده باشد، اگرچه پیام‌های بزرگتر و کوچکتر نیز پشتیبانی می‌شوند. یک دستگاه CNP می‌تواند یک پیام را با حداقل ۹ بایت سربار پروتکل منتقل کند. پیام‌ها می‌توانند به یک دستگاه واحد یا به هر گروهی از دستگاه‌ها تحویل داده شوند.
• تحویل قابل اعتماد پیام‌ها: حتی اگر یک پیام منفرد شامل چند بایت باشد، تحویل قابل اعتماد هر پیام ممکن است برای برنامه حیاتی باشد. CNP شامل سرویس‌های تحویل پیام قابل اعتماد است که در صورت بروز خطای ارتباطی، ارسال پیام را مجدداً تلاش می‌کنند و در صورت بروز خطای غیرقابل بازیابی، به برنامه ارسال‌کننده اطلاع می‌دهند. همگام‌سازی مجدد در صورتی که یک مقصد قبلاً غیرقابل دسترس در فاصله زمانی تلاش مجدد قابل دسترس شود، فوری است.
• تشخیص پیام تکراری: برخی از انواع پیام‌های کنترلی نباید چندین بار تحویل داده شوند. به عنوان مثال، اگر یک برنامه نظارتی که رویدادها را می‌شمارد، پیام‌های تکراری دریافت کند، شمارش رویداد نادرست می‌شود. CNP از ارسال پیام‌های تکراری به برنامه گیرنده جلوگیری می‌کند.
• رسانه‌های ارتباطی متعدد: بسیاری از سیستم‌های کنترلی برای کمترین هزینه کل سیستم به چندین رسانه ارتباطی نیاز دارند. کابل زوج به‌هم‌تابیده بهترین عملکرد را ارائه می‌دهد و راه‌حل خوبی در جایی است که نصب کابل عملی باشد. ارتباطات Link Power با تأمین برق بر روی همان رسانه ارتباطی، هزینه‌های دستگاه را کاهش می‌دهد. ارتباطات بر روی خطوط برق موجود، کمترین هزینه نصب را فراهم می‌کند. CNP مستقل از رسانه است، بنابراین همه این رسانه‌ها و موارد دیگر پشتیبانی می‌شوند. علاوه بر این، CNP از روترها نیز پشتیبانی می‌کند تا دستگاه‌های روی کانال‌های مختلف بتوانند با هم کار کنند. یک طرح آدرس‌دهی سلسله مراتبی برای پشتیبانی از روترهای کم‌هزینه و با نگهداری آسان استفاده می‌شود.
• هزینه پایین دستگاه: یک دستگاه کنترلی ممکن است به سادگی یک سنسور برای یک نقطه واحد مانند یک لیمیت سوئیچ یا یک سنسور دما باشد. با قابلیت قرار دادن کنترل در هر نقطه، مهم است که پروتکل از نظر حافظه و منابع محاسباتی در هر دستگاه بیش از حد سنگین نباشد. CNP برای به حداقل رساندن اندازه کد فریم‌ور پروتکل و به حداقل رساندن نیازهای RAM برای ذخیره‌سازی بافر بهینه‌سازی شده است. به عنوان مثال، پیاده‌سازی کامل CNP که بر روی یک هسته Neuron اجرا می‌شود، به کمتر از ۱۰ کیلوبایت کد و کمتر از ۱ کیلوبایت RAM نیاز دارد.
• هزینه پایین نصب و نگهداری: هزینه پایین دستگاه منجر به هزینه پایین سیستم نمی‌شود مگر اینکه دستگاه‌ها به راحتی در شبکه‌ها نصب شوند، شبکه‌ها به راحتی اصلاح شوند و تعمیر شبکه‌ها پس از خرابی ساده باشد. CNP شامل پشتیبانی کامل برای نصب و نگهداری است تا دستگاه‌های ساده در شبکه‌های ساده بتوانند نصب شبکه خود را مدیریت کنند، ابزارهای نصب کم‌هزینه بتوانند برای نصب و نگهداری شبکه‌های پیچیده‌تر استفاده شوند و ابزارهای تشخیصی کم‌هزینه بتوانند برای تشخیص خرابی‌ها در هر نوع شبکه‌ای استفاده شوند.
• استفاده کارآمد از پهنای باند کانال: برای پایین نگه داشتن هزینه‌های سیستم، بسیاری از دستگاه‌ها باید بتوانند به طور کارآمد یک کانال ارتباطی واحد را به اشتراک بگذارند. CNP از فناوری‌های نوآورانه دسترسی به رسانه برای ارائه کارآمدترین استفاده از کانال‌های ارتباطی، حتی در شرایط بار زیاد، استفاده می‌کند.
• سیستم‌های قابل همکاری (Interoperable): چندین سیستم ممکن است برای ارائه مزایای اضافی به کاربران نهایی نیاز به همکاری داشته باشند. به عنوان مثال، یک سیستم اعلام حریق ممکن است با یک سیستم کنترل آسانسور همکاری کند تا آسانسورها را از طبقات در حال سوختن دور نگه دارد و ممکن است با یک سیستم روشنایی خروج اضطراری برای روشن کردن علائم خروج همکاری کند. علاوه بر پشتیبانی از قابلیت همکاری بین دستگاه‌ها، CNP همچنین به دستگاه‌های فروشندگان مختلف اجازه می‌دهد تا با استفاده از مجموعه مشترکی از استراتژی‌ها و ابزارهای نصب، نصب شوند.
• جداسازی سیستم‌ها: چندین سیستمی که نباید با هم کار کنند ممکن است یک رسانه ارتباطی مشترک را به اشتراک بگذارند، به ویژه در مورد رسانه‌های باز مانند خطوط برق. CNP به این سیستم‌ها اجازه می‌دهد تا با جداسازی دستگاه‌هایی که با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند در دامنه‌ها (domains)، به طور مستقل و بدون تداخل متقابل کار کنند. یک دامنه مجموعه‌ای منطقی از دستگاه‌هایی است که با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. دستگاه‌های موجود در دامنه‌های مختلف نمی‌توانند مستقیماً با یکدیگر ارتباط برقرار کنند – آنها باید از طریق یک گیت وی(gateway) مشترک ارتباط برقرار کنند.
• جلوگیری از دستکاری: از آنجا که سیستم‌های کنترلی کارهایی فراتر از انتقال داده انجام می‌دهد، نباید برای یک کاربر غیرمجاز امکان تزریق دستورات به شبکه وجود داشته باشد. CNP شامل یک پروتکل احراز هویت است که از دستکاری توسط کاربران غیرمجاز جلوگیری می‌کند.

لایه‌های CNP

برای ارائه یک استاندارد ارتباطی کم‌هزینه، قابل اعتماد و قدرتمند، CNP همانطور که توسط مدل مرجع اتصال سیستم‌های باز سازمان بین‌المللی استاندارد (ISO OSI) توصیه شده، لایه‌بندی شده است. لایه‌های OSI تضمین می‌کنند که سرویس‌های مورد نیاز بدون تعاملات غیرمنتظره بین سرویس‌ها ارائه می‌شوند.

CNP خدمات زیر را برای هر یک از هفت لایه مدل مرجع OSI ارائه می‌دهد:

1. لایه فیزیکی (Physical Layer): انتقال بیت‌های خام را بر روی یک کانال ارتباطی تعریف می‌کند. یک کانال یک رسانه انتقال فیزیکی برای بسته‌ها است. لایه فیزیکی تضمین می‌کند که یک بیت ۱ که توسط دستگاه منبع منتقل می‌شود، به عنوان یک بیت ۱ توسط همه دستگاه‌های مقصد دریافت شود. CNP مستقل از رسانه است، بنابراین بسته به رسانه ارتباطی، چندین پروتکل لایه فیزیکی پشتیبانی می‌شود.
2. لایه پیوند داده (Link Layer): روش‌های دسترسی به رسانه و رمزگذاری داده‌ها را برای اطمینان از استفاده کارآمد از یک کانال ارتباطی واحد تعریف می‌کند. بیت‌های خام لایه فیزیکی در فریم‌های داده ترکیب می‌شوند. لایه پیوند داده مشخص می‌کند که یک دستگاه منبع چه زمانی می‌تواند یک فریم داده را منتقل کند و تعریف می‌کند که چگونه دستگاه‌های مقصد فریم‌های داده را دریافت کرده و خطاهای انتقال را تشخیص دهند. یک مکانیزم اولویت‌بندی نیز برای اطمینان از تحویل اولویت‌دار پیام‌های فوری تعریف شده است.
3. لایه شبکه (Network Layer): نحوه مسیریابی بسته‌های پیام از یک دستگاه منبع به یک یا چند دستگاه مقصد را تعریف می‌کند. این لایه نام‌گذاری و آدرس‌دهی دستگاه‌ها را برای اطمینان از تحویل صحیح بسته‌ها تعریف می‌کند. این لایه همچنین نحوه مسیریابی پیام‌ها بین دستگاه‌های منبع و مقصد را هنگامی که این دستگاه‌ها روی کانال‌های ارتباطی مختلفی قرار دارند، تعریف می‌کند.
4. لایه انتقال (Transport Layer): تحویل قابل اعتماد بسته‌های پیام را تضمین می‌کند. پیام‌ها می‌توانند با استفاده از یک سرویس تأیید شده (acknowledged) مبادله شوند، که در آن دستگاه ارسال‌کننده منتظر تأیید از گیرنده می‌ماند و در صورت عدم دریافت تأیید، پیام را دوباره ارسال می‌کند. لایه انتقال همچنین نحوه تشخیص و رد پیام‌های تکراری را در صورتی که یک پیام به دلیل از دست رفتن تأیید دوباره ارسال شود، تعریف می‌کند.
5. لایه نشست (Session Layer): کنترل را به داده‌های مبادله شده توسط لایه‌های پایین‌تر اضافه می‌کند. این لایه از اقدامات از راه دور پشتیبانی می‌کند تا یک کلاینت بتواند درخواستی را به یک سرور راه دور ارسال کرده و پاسخی به این درخواست دریافت کند. همچنین یک پروتکل احراز هویت را تعریف می‌کند که گیرندگان یک پیام را قادر می‌سازد تا تعیین کنند آیا فرستنده مجاز به ارسال پیام است یا خیر.
6. لایه نمایش (Presentation Layer): با تعریف رمزگذاری داده‌های پیام، ساختار را به داده‌های مبادله شده توسط لایه‌های پایین‌تر اضافه می‌کند. پیام‌ها ممکن است به عنوان متغیرهای شبکه، پیام‌های برنامه یا فریم‌های خارجی رمزگذاری شوند. رمزگذاری قابل همکاری متغیرهای شبکه با انواع متغیرهای شبکه استاندارد (SNVT) ارائه می‌شود. خدمات لایه نمایش توسط فریم‌ور Neuron برای برنامه‌های میزبانی شده بر روی یک تراشه Neuron یا فرستنده-گیرنده هوشمند ارائه می‌شود؛ این خدمات توسط یک پردازنده میزبان و یک رابط شبکه LONWORKS برای برنامه‌هایی که روی میزبان‌های دیگر اجرا می‌شوند، ارائه می‌گردد.
7. لایه کاربرد (Application Layer): خدمات شبکه استانداردی را تعریف می‌کند که از داده‌های مبادله شده توسط لایه‌های پایین‌تر استفاده می‌کنند. خدمات شبکه استاندارد برای پیکربندی شبکه، تشخیص شبکه، انتقال فایل، پیکربندی برنامه، مشخصات برنامه، هشداردهی، ثبت داده‌ها و زمان‌بندی ارائه می‌شود. این خدمات تضمین می‌کنند که دستگاه‌های ایجاد شده توسط توسعه‌دهندگان یا تولیدکنندگان مختلف می‌توانند با یکدیگر همکاری کنند و با استفاده از ابزارهای شبکه استاندارد نصب و پیکربندی شوند.

لایه ۱ – لایه فیزیکی

لایه فیزیکی انتقال بیت‌های خام را بر روی یک کانال ارتباطی تعریف می‌کند. یک کانال، یک رسانه انتقال فیزیکی برای بسته‌هاست. لایه فیزیکی تضمین می‌کند که یک بیت «۱» ارسال شده توسط دستگاه مبدأ، به عنوان یک بیت «۱» توسط تمام دستگاه‌های مقصد دریافت شود.

پروتکل CNP مستقل از رسانه است، بنابراین بسته به نوع رسانه ارتباطی، چندین پروتکل لایه فیزیکی پشتیبانی می‌شود. یک دستگاه LONWORKS می‌تواند به انواع مختلفی از فرستنده-گیرنده‌های ارتباطی متصل شود که اتصال الکتریکی به رسانه ارتباطی را مدیریت می‌کنند. فرستنده-گیرنده‌های ارتباطی CNP برای ارتباط بر روی زوج سیم به‌هم‌تابیده، خطوط برق (Power Line)، فرکانس رادیویی (RF)، فیبر نوری و رسانه‌های مادون قرمز در دسترس هستند. مشخصات هر فرستنده-گیرنده LONWORKS، فاصله، نرخ بیت و توپولوژی‌های پشتیبانی شده را تعیین می‌کند.

یک شبکه LONWORKS از یک یا چند کانال تشکیل شده است. شکل فیزیکی یک کانال به رسانه آن بستگی دارد. به عنوان مثال، یک کانال زوج به‌هم‌تابیده، یک کابل زوج به‌هم‌تابیده است؛ یک کانال RF، یک فرکانس حامل رادیویی خاص است؛ یک کانال خطوط برق، یک باند فرکانسی خاص است که بر روی بخش پیوسته‌ای از سیم‌کشی برق حمل می‌شود.

کانال‌های متعدد توسط روترها به یکدیگر متصل می‌شوند. روترها دستگاه‌های ارتباطی هستند که دو کانال را به هم متصل کرده و بسته‌ها را بین آن‌ها مسیریابی می‌کنند. روترها را می‌توان برای استفاده از یکی از چهار الگوریتم مسیریابی نصب کرد: روتر پیکربندی‌شده (configured router)، روتر یادگیرنده (learning router)، پل (bridge) یا تکرارکننده (repeater). روترهای پیکربندی‌شده و یادگیرنده، دسته‌ای از روترها هستند که به عنوان روتر هوشمند شناخته می‌شوند.

مجموعه‌ای از کانال‌های متصل شده توسط پل‌ها یا تکرارکننده‌ها، یک سگمنت (segment) را تشکیل می‌دهد. یک دستگاه، هر بسته‌ای را از هر دستگاه دیگری در همان سگمنت خود مشاهده می‌کند. روترهای هوشمند می‌توانند برای جداسازی ترافیک در یک سگمنت به کار روند تا ظرفیت کل سیستم را افزایش داده و قابلیت اطمینان را بهبود بخشند.

نرخ بیت یک کانال به رسانه و طراحی فرستنده-گیرنده بستگی دارد. ممکن است چندین فرستنده-گیرنده با نرخ بیت‌های مختلف برای یک رسانه طراحی شوند تا امکان ایجاد توازن بین فاصله، توان عملیاتی، مصرف برق دستگاه و هزینه فراهم شود. نرخ بیت‌های معمول عبارتند از ۷۸.۱ کیلوبیت بر ثانیه برای TP/FT-10 (ISO/IEC 14908-2) و نرخ بیت‌های اترنت برای IP-852 (ISO/IEC 14908-4).

زوج به‌هم‌تابیده با توپولوژی آزاد (TP/FT-10 Free Topology Twisted Pair)

یک سیستم کنترل متداول با استفاده از سیم‌کشی توپولوژی باس (مانند RS-485) از شبکه‌ای از سنسورها و خروجی‌های کنترلی تشکیل شده است که با استفاده از یک زوج سیم به‌هم‌تابیده شیلددار به هم متصل شده‌اند. مطابق با دستورالعمل‌های RS-485، تمام دستگاه‌ها باید در یک توپولوژی باس سیم‌کشی شوند تا بازتاب‌های الکتریکی محدود شده و ارتباطات قابل اطمینان تضمین شود. هزینه بالایی با نصب و نگهداری زیرساخت کابلی که عناصر متعدد یک سیستم کنترل مبتنی بر RS-485 را به هم پیوند می‌دهد، همراه است. سیم‌کشی توپولوژی باس زمان‌برتر و گران‌تر است زیرا نصاب نمی‌تواند در نقاط مناسب، سیم‌کشی را منشعب کرده یا به صورت ستاره‌ای اجرا کند: همه دستگاه‌ها باید مستقیماً به باس اصلی متصل شوند.

بهترین راه‌حل برای کاهش هزینه‌های نصب و نگهداری و ساده‌سازی اصلاحات سیستم، یک سیستم ارتباطی با توپولوژی آزاد است. نوع کانال TP/FT-10 دقیقاً چنین راه‌حلی را ارائه می‌دهد و روشی زیبا و ارزان برای اتصال عناصر مختلف یک سیستم کنترل توزیع‌شده فراهم می‌کند.

نوع کانال TP/FT-10 از فرستنده-گیرنده‌هایی استفاده می‌کند که با مشخصات کانال زوج به‌هم‌تابیده توپولوژی آزاد ISO/IEC 14908-2 بر روی رسانه‌های زوج به‌هم‌تابیده با توپولوژی آزاد مطابقت دارند و از نرخ بیت ۷۸,۱۲۵ بیت بر ثانیه پشتیبانی می‌کنند. این فرستنده-گیرنده‌ها داده‌ها را با استفاده از کدگذاری منچستر تفاضلی (differential Manchester encoding) که در حالت تک-سر (Single-Ended Mode) که به قطبیت حساس نیست، کدگذاری می‌کنند. یک کانال TP/FT-10 شامل حداکثر ۶۴ دستگاه در یک سگمنت شبکه است؛ یا ۱۲۸ دستگاه به همراه یک منبع تغذیه لینک (link power source) که برق DC را برای دستگاه‌های روی کانال تأمین می‌کند. طول کل شبکه و تعداد دستگاه‌ها را می‌توان با استفاده از روترهای CNP و/یا یک تکرارکننده لایه فیزیکی TP/FT-10 افزایش داد.

معماری توپولوژی آزاد به کاربر اجازه می‌دهد تا دستگاه‌های کنترلی را تقریباً بدون هیچ محدودیتی در توپولوژی سیم‌کشی کند. این مثال نشان می‌دهد که برق توسط یک منبع تغذیه محلی +5VDC در هر دستگاه تأمین می‌شود. برق همچنین می‌تواند به صورت اختیاری بر روی همان زوج سیمی که داده‌ها را حمل می‌کند، منتقل شود. برخلاف طراحی‌های سیم‌کشی باس، یک کانال TP/FT-10 از یک طرح سیم‌کشی استفاده می‌کند که از هر ترکیبی از سیم‌کشی ستاره‌ای، حلقوی و باس پشتیبانی می‌کند. انعطاف‌پذیری سیم‌کشی ارائه شده توسط نوع کانال TP/FT-10 مزایای زیادی دارد:

1. نصاب در انتخاب روش سیم‌کشی و محل ترمینیشن که به بهترین وجه با نصب مطابقت دارد، آزاد است، که نیاز به برنامه‌ریزی پیشرفته را کاهش داده و امکان تغییرات لحظه آخری در محل نصب را فراهم می‌کند.
2. اگر نصاب‌ها برای استفاده از یک سبک سیم‌کشی برای همه نصب‌ها آموزش دیده‌اند، فناوری توپولوژی آزاد را می‌توان بدون نیاز به آموزش مجدد معرفی کرد.
3. نصب‌های بازسازی (Retrofit) با زیرساخت‌های سیم‌کشی موجود را می‌توان با حداقل سیم‌کشی مجدد یا حتی بدون آن، تطبیق داد. این قابلیت تضمین می‌کند که فناوری TP/FT-10 می‌تواند هم با پروژه‌های قدیمی و هم جدید سازگار شود.
4. توپولوژی آزاد اجازه می‌دهد تا سیستم‌های TP/FT-10 در آینده به سادگی با انشعاب گرفتن از سیم‌کشی موجود در راحت‌ترین نقطه، گسترش یابند. این امر زمان و هزینه توسعه سیستم را کاهش می‌دهد و از دیدگاه کاربر، هزینه چرخه عمر شبکه با توپولوژی آزاد را پایین نگه می‌دارد.

لایه ۲ – لایه پیوند داده

لایه پیوند داده، روش‌های دسترسی به رسانه و رمزگذاری داده را برای تضمین استفاده کارآمد از یک کانال ارتباطی واحد تعریف می‌کند. بیت‌های خام لایه فیزیکی به فریم‌های داده (data frames) تقسیم می‌شوند. لایه پیوند داده مشخص می‌کند که یک دستگاه منبع چه زمانی می‌تواند یک فریم داده را ارسال کند و تعریف می‌کند که دستگاه‌های مقصد چگونه فریم‌های داده را دریافت کرده و خطاهای انتقال را تشخیص دهند. یک مکانیزم اولویت‌بندی نیز برای تضمین تحویل پیام‌های مهم تعریف شده است.

هنگامی که یک دستگاه پیامی برای ارسال دارد، پروتکل لایه پیوند داده زمان‌بندی ارسال پیام را مشخص می‌کند. قبل از ارسال پیام، هر دستگاه منتظر می‌ماند تا کانال ارتباطی بیکار (idle) شود. از آنجا که ممکن است چندین دستگاه به طور همزمان منتظر بیکار شدن کانال باشند، هر دستگاه قبل از ارسال، یک بازه زمانی تصادفی منتظر می‌ماند. اگر دستگاه دیگری در طول این بازه انتظار شروع به ارسال کند، فرآیند تکرار می‌شود. یک ویژگی منحصربه‌فرد CNP این است که با افزایش بار شبکه، تعداد اسلات‌های تصادفی‌سازی نیز افزایش می‌یابد. این ویژگی عملکرد پایدار و قابل اعتماد شبکه را حتی در شبکه‌هایی با بار سنگین تضمین می‌کند.

دسترسی به رسانه

CNP از یک الگوریتم کنترل دسترسی به رسانه (MAC) منحصربه‌فرد استفاده می‌کند که یک کانال با بار بیش از حد را قادر می‌سازد تا نزدیک به حداکثر ظرفیت خود کار کند. سایر الگوریتم‌های MAC تمایل دارند در نزدیکی حداکثر ظرفیت به دلیل تصادم‌های (collisions) بیش از حد که پهنای باند موجود را مصرف می‌کنند، دچار افت عملکرد شوند.

امروزه الگوریتم‌های MAC مختلفی در شبکه‌ها وجود دارد. سه مورد از رایج‌ترین آن‌ها عبارتند از: حلقه توکن (token ring)، باس توکن (token bus) و دسترسی چندگانه با قابلیت شنود حامل (CSMA). الگوریتم MAC مورد استفاده توسط CNP به خانواده CSMA تعلق دارد.

عملکرد لایه ۲

عملکرد الگوریتم CSMA p-Persistent پیش‌بینانه در CNP

الگوریتم پیش‌بینانه CNP زمانی بهترین عملکرد را دارد که اکثر بسته‌های CNP در یک کانال، تأییدیه (acknowledgement) دریافت کنند. تعداد تأییدیه‌هایی که یک بسته مشخص تولید می‌کند، در هر بسته تأیید شده، کدگذاری می‌شود. هر دستگاه در کانال، تمام بسته‌های تأیید شده را دریافت کرده و تعداد تأییدیه‌ها را به بار تجمعی (backlog) کانال اضافه می‌کند. اگر هیچ‌کدام از بسته‌ها تأیید نشوند، بخش پیش‌بینانه الگوریتم، تعداد اسلات‌های تصادفی‌سازی را با افزایش بار، به صورت پویا افزایش نمی‌دهد. استفاده انحصاری از سرویس‌های بدون تأییدیه باعث می‌شود CNP مانند یک الگوریتم CSMA p-persistent غیر پیش‌بینانه عمل کند که در آن p = 0.0625 است. با این حال، حتی این حالت تضعیف‌شده نیز در شرایط ترافیک سنگین شبکه، به طور قابل توجهی بهتر از IEEE 802.3 (که یک پروتکل CSMA p-persistent با p = 1 است) عمل می‌کند.

لایه ۳ – لایه شبکه

لایه شبکه نحوه مسیریابی بسته‌های پیام از یک دستگاه مبدأ به یک یا چند دستگاه مقصد را تعریف می‌کند. این لایه نام‌گذاری و آدرس‌دهی دستگاه‌ها را برای اطمینان از تحویل صحیح بسته‌ها تعریف می‌کند. پیام‌ها می‌توانند به یک دستگاه واحد، به هر گروهی از دستگاه‌ها، یا به تمام دستگاه‌ها آدرس‌دهی شوند. آدرس‌دهی گروهی با پشتیبانی از تحویل یک بسته پیام واحد به چندین دستگاه، ترافیک شبکه را کاهش می‌دهد. این لایه همچنین نحوه مسیریابی پیام‌ها بین دستگاه‌های مبدأ و مقصد را هنگامی که این دستگاه‌ها روی کانال‌های ارتباطی مختلفی قرار دارند، تعریف می‌کند.

آدرس‌ها با استفاده از یک ساختار سلسله مراتبی شکل می‌گیرند که از استفاده روترهایی که پیام‌ها را بر اساس آدرس مقصدشان فیلتر می‌کنند، پشتیبانی می‌کند. با پشتیبانی از روترها در لایه شبکه، CNP نصب سیستم‌های بسیار بزرگ با هزاران دستگاه را امکان‌پذیر می‌سازد. روترها از لایه شبکه برای محدود کردن ترافیک به سگمنت‌های درون یک شبکه بزرگ استفاده می‌کنند و در نتیجه ظرفیت کل شبکه را افزایش می‌دهند.

لایه ۴ – لایه انتقال

لایه انتقال، تحویل قابل اعتماد بسته‌های پیام را تضمین می‌کند. پیام‌ها می‌توانند با استفاده از یک سرویس تأیید شده (acknowledged) مبادله شوند، که در آن دستگاه ارسال‌کننده منتظر دریافت تأییدیه از گیرنده یا گیرندگان می‌ماند و در صورت عدم دریافت تأییدیه، پیام را مجدداً ارسال می‌کند. اگر پس از تعداد مشخصی تلاش مجدد (قابل پیکربندی) تأییدیه‌ای دریافت نشود، به برنامه کاربردی اطلاع داده می‌شود.

لایه انتقال همچنین نحوه تشخیص و رد پیام‌های تکراری را در صورتی که یک پیام به دلیل از دست رفتن تأییدیه دوباره ارسال شود، تعریف می‌کند. پیام‌هایی که به قابلیت اطمینان سرویس تأیید شده نیاز ندارند، می‌توانند از سرویس‌های بدون تأییدیه یا تکراری برای ارسال پیام به صورت یک‌باره یا به تعداد دفعات قابل پیکربندی، بدون انتظار برای تأییدیه، استفاده کنند.

لایه ۵ – لایه نشست

لایه نشست، کنترل را به داده‌های مبادله شده توسط لایه‌های پایین‌تر اضافه می‌کند. این لایه از اقدامات از راه دور پشتیبانی می‌کند تا یک کلاینت بتواند درخواستی را به یک سرور راه دور ارسال کرده و پاسخی برای این درخواست دریافت کند. برای پیام‌های برنامه، درخواست به برنامه گیرنده منتقل می‌شود که پاسخ را تولید می‌کند.

لایه نشست همچنین یک پروتکل احراز هویت را تعریف می‌کند که گیرندگان یک پیام را قادر می‌سازد تا تعیین کنند آیا فرستنده مجاز به ارسال پیام است یا خیر. این قابلیت می‌تواند برای جلوگیری از دسترسی غیرمجاز به دستگاه‌ها و برنامه‌های کاربردی آن‌ها استفاده شود.

لایه ۶ – لایه نمایش

لایه نمایش با تعریف رمزگذاری داده‌های پیام، به داده‌های مبادله شده توسط لایه‌های پایین‌تر، ساختار می‌بخشد. خدمات لایه نمایش توسط فریم‌ور Neuron برای برنامه‌هایی که روی هسته Neuron میزبانی می‌شوند، ارائه می‌گردد؛ این خدمات برای برنامه‌هایی که روی پردازنده‌های میزبان دیگر اجرا می‌شوند، توسط پردازنده میزبان یا به صورت مشترک بین میزبان و یک رابط شبکه LONWORKS فراهم می‌شود.

لایه ۷ – لایه کاربرد

لایه کاربرد مجموعه غنی از خدمات شبکه استاندارد را تعریف می‌کند که از داده‌های مبادله شده توسط لایه‌های پایین‌تر استفاده می‌کنند. این خدمات شامل خدمات پیکربندی و تشخیص شبکه و همچنین خدمات استاندارد لایه کاربرد است. خدمات لایه کاربرد تضمین می‌کنند که دستگاه‌های ایجاد شده توسط توسعه‌دهندگان یا تولیدکنندگان مختلف می‌توانند با یکدیگر همکاری کنند و با استفاده از ابزارهای شبکه استاندارد نصب و پیکربندی شوند. خدمات پیکربندی و تشخیص شبکه توسط استاندارد CNP تعریف شده‌اند. لیست زیر خدمات استاندارد لایه کاربرد را خلاصه می‌کند. سایر خدمات استاندارد لایه کاربرد توسط دستورالعمل‌ها و پروفایل‌های عملکردی (functional profiles) منتشر شده توسط LONMARK International تعریف می‌شوند؛ یک سازمان عضویت جهانی که برای ترویج و پیشبرد کسب‌وکار یکپارچه‌سازی کارآمد و مؤثر سیستم‌های کنترل باز و چند-فروشنده‌ای با استفاده از استاندارد ISO/IEC 14908-1 و استانداردهای مرتبط ایجاد شده است.

• پیکربندی شبکه: مجموعه‌ای استاندارد از دستورات برای پیکربندی ویژگی‌های شبکه یک دستگاه را فراهم می‌کند. ویژگی‌های شبکه شامل آدرس شبکه و اطلاعات اتصال (binding) برای متغیرهای شبکه دستگاه است.
• تشخیص شبکه: مجموعه‌ای استاندارد از دستورات را فراهم می‌کند که می‌تواند توسط ابزارهای شبکه برای تشخیص مشکلات شبکه استفاده شود.
• انتقال فایل (File Transfer): از انتقال بلوک‌های داده بین دستگاه‌ها و ابزارهای شبکه پشتیبانی می‌کند. LONWORKS FTP مقادیر زیادی از داده (با حداکثر نظری ۲ گیگابایت) را در بسته‌های کوچکتر منتقل می‌کند، ارسال مجدد بسته‌های منفرد را در صورت لزوم انجام می‌دهد و رسیدگی به بسته‌های خارج از ترتیب را در صورت نیاز مدیریت می‌کند. بزرگترین مقدار عملی داده که می‌تواند در یک بسته CNP منتقل شود ۲۲۸ بایت است، اما LONWORKS FTP داده‌ها را با استفاده از جریانی از بسته‌های ۳۲ بایتی منتقل می‌کند. اندازه هر بسته در این جریان برای قابلیت همکاری، هزینه پایین دستگاه و استفاده بهینه از کانال، ثابت و برابر با ۳۲ بایت است.
• پیکربندی برنامه: یک رابط استاندارد برای پیکربندی رفتار یک دستگاه فراهم می‌کند. این رابط بر اساس مقادیر داده قابل پیکربندی به نام خصوصیات پیکربندی (configuration properties) است.
• مشخصات برنامه: مجموعه‌ای استاندارد از رابط‌ها را برای یک دستگاه فراهم می‌کند تا وظایفی را که انجام می‌دهد، مستند کند. هر وظیفه به عنوان یک بلوک عملکردی (functional block) نمایش داده می‌شود که به عنوان مجموعه‌ای از متغیرهای شبکه و خصوصیات پیکربندی درون آن تعریف شده است.
• تشخیص برنامه: یک رابط استاندارد برای آزمایش بلوک‌های عملکردی و دستگاه‌ها فراهم می‌کند.
• مدیریت برنامه: یک رابط استاندارد برای فعال، غیرفعال و نادیده گرفتن (override) بلوک‌های عملکردی در یک دستگاه فراهم می‌کند.
• هشداردهی (Alarming): یک رابط استاندارد برای یک دستگاه جهت گزارش شرایط هشدار فراهم می‌کند.
• ثبت داده‌ها (Data Logging): یک رابط استاندارد برای یک دستگاه جهت جمع‌آوری داده‌ها در لاگ‌های داده فراهم می‌کند که می‌توانند با استفاده از یک رابط استاندارد به یک سرور راه دور منتقل شوند.
• زمان‌بندی (Scheduling): یک رابط استاندارد برای زمان‌بندی رویدادها بر اساس زمان روز، روز هفته و تاریخ فراهم می‌کند.
• مدیریت زمان و تاریخ: یک رابط برای همگام‌سازی زمان روز و تاریخ برای دستگاه‌های درون یک شبکه فراهم می‌کند.

مزایا و معایب LonWorks

LonWorks یک پلتفرم فناوری برای شبکه‌های کنترل است که به طور مکرر در اتوماسیون ساختمان و سایر کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود. در ادامه نگاهی به برخی از مزایا و معایب آن می‌اندازیم:

مزایا

• استاندارد باز: LonWorks مبتنی بر استانداردهای بین‌المللی باز از جمله ISO/IEC 14908، ANSI/CEA-709 و IEEE 1473-L است. این امر امکان همکاری (interoperability) بین محصولات تولیدکنندگان مختلف را فراهم می‌کند.
• کنترل غیرمتمرکز: LonWorks از یک معماری شبکه همتا-به-همتا (peer-to-peer) استفاده می‌کند که در آن هر دستگاه (گره) هوشمندی خاص خود را دارد و می‌تواند مستقیماً با دیگر دستگاه‌ها ارتباط برقرار کند. این ویژگی نیاز به یک کنترل‌کننده مرکزی را از بین می‌برد و به ماژولار بودن، انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان سیستم کمک می‌کند.
• توپولوژی و رسانه انعطاف‌پذیر: LonWorks از توپولوژی‌های مختلف شبکه از جمله باس، ستاره، حلقه و توپولوژی آزاد پشتیبانی می‌کند. همچنین می‌تواند بر روی انواع رسانه‌های ارتباطی مانند زوج سیم به‌هم‌تابیده، خطوط برق، فیبر نوری و بی‌سیم کار کند.
• قابلیت همکاری (Interoperability): LonWorks از طریق استفاده از انواع داده استاندارد (SNVTs) و مدل‌های شیء، بر قابلیت همکاری تأکید دارد. انجمن LonMark Interoperability دستورالعمل‌ها را تعریف کرده و محصولات را تأیید می‌کند تا اطمینان حاصل شود که می‌توانند با یکدیگر کار کنند.
• قدرتمند و قابل اعتماد: پروتکل LonTalk، هسته اصلی LonWorks، برای قدرت و قابلیت اطمینان طراحی شده و ارتباطات به موقع و دقیق را بر نرخ داده بالا اولویت می‌دهد.

معایب

• وابستگی به سخت‌افزار: LonWorks در گذشته برای ارتباطات شبکه به تراشه تخصصی Neuron متکی بود. اگرچه این پروتکل اکنون برای پردازنده‌های عمومی نیز در دسترس است، اما اکثریت قریب به اتفاق سخت‌افزارهای LonWorks هنوز از تراشه Neuron استفاده می‌کنند.
• پیچیدگی: پیاده‌سازی و پیکربندی LonWorks در مقایسه با برخی پروتکل‌های ساده‌تر مانند Modbus می‌تواند پیچیده‌تر باشد.
• جنبه‌های انحصاری: در حالی که LonWorks یک استاندارد باز است، برخی جنبه‌های آن، از جمله تراشه Neuron، از شرکت Echelon سرچشمه گرفته‌اند. کنسرسیوم LonMark نقش کلیدی در توسعه و گسترش استانداردها ایفا می‌کند.
• پتانسیل هزینه‌های بالا: بسته به کاربرد خاص و نیاز به سخت‌افزار یا تخصص ویژه، نصب‌های LonWorks ممکن است در مقایسه با سایر پروتکل‌های اتوماسیون ساختمان گران‌تر باشد.
• نگرانی‌های امنیتی: مانند هر سیستم شبکه‌ای دیگری، شبکه‌های LonWorks می‌توانند در برابر خطرات امنیتی آسیب‌پذیر باشند، اگرچه نگرانی‌های خاص به نحوه پیاده‌سازی بستگی دارد.

به طور خلاصه، LonWorks یک راه‌حل قدرتمند و قابل همکاری برای اتوماسیون ساختمان و سایر کاربردهای کنترل توزیع‌شده، به ویژه در جایی که کنترل غیرمتمرکز و ارتباطات قابل اعتماد حیاتی است، ارائه می‌دهد. با این حال، وابستگی آن به سخت‌افزار تخصصی و پیچیدگی بالاتر ممکن است آن را برای پروژه‌های ساده‌تر یا آن‌هایی که دارای محدودیت‌های بودجه‌ای سخت‌گیرانه هستند، کمتر مناسب سازد.

نتیجه‌گیری

پلتفرم LonWorks و پروتکل زیربنایی آن، LonTalk، یک نقطه عطف در گذار از سیستم‌های کنترل متمرکز و انحصاری به سوی یک معماری توزیع‌شده، باز و ذاتاً قابل همکاری محسوب می‌شود. این فناوری با ارائه یک راه‌حل کامل و هفت لایه، نه تنها به چالش‌های ارتباطی، بلکه به نیازمندی‌های بنیادین دنیای کنترل صنعتی و اتوماسیون ساختمان پاسخ می‌دهد. قلب این پلتفرم، یعنی تراشه Neuron، با تجمیع هوشمندی و قابلیت‌های ارتباطی، بار سنگین توسعه را از دوش تولیدکنندگان دستگاه برداشته و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا بر روی کاربرد نهایی محصول خود تمرکز کنند.

انعطاف‌پذیری در انتخاب رسانه فیزیکی و پشتیبانی از توپولوژی آزاد، به ویژه در کانال TP/FT-10، هزینه‌های نصب و نگهداری را به شکل چشمگیری کاهش داده و این امکان را فراهم می‌سازد که سیستم‌های کنترلی به راحتی با زیرساخت‌های موجود تطبیق یافته و در آینده گسترش یابند. معماری همتا-به-همتا، با حذف نقطه شکست مرکزی، قابلیت اطمینان سیستم را به شدت افزایش می‌دهد و آن را برای کاربردهای حیاتی مناسب می‌سازد.

با وجود مزایای انکارناپذیر، LonWorks با چالش‌هایی نظیر پیچیدگی در پیکربندی و وابستگی تاریخی به سخت‌افزار خاص خود روبروست که می‌تواند آن را برای پروژه‌های کوچک یا با بودجه محدود، به گزینه‌ای گران‌تر تبدیل کند. با این حال، اکوسیستم گسترده‌ای که توسط LonMark International پشتیبانی می‌شود، همراه با ابزارهای توسعه و مدیریت قدرتمند، این پیچیدگی‌ها را تا حد زیادی مدیریت‌پذیر کرده است. در نهایت، LonWorks به عنوان یک استاندارد اثبات‌شده و قدرتمند، همچنان یک انتخاب استراتژیک برای سیستم‌های کنترلی پیچیده‌ای است که در آن‌ها قابلیت اطمینان، همکاری بین دستگاه‌های مختلف و مقیاس‌پذیری در بلندمدت، اولویت‌های اصلی محسوب می‌شوند.