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基金会现场总线会话SESSION体制分析
引 言
现场总线技术的发展日新月异，现场总线形势也是层出不穷。在众多的现场总线协议中，基金
会现场总线FF以其技术上的先进性及在过程控制领域的独到优势，成为非常有发展前途的总线。
按照基金会现场总线的定义，FF总线是一种全数字的、串行的、双向传输的通信系统，是一种连接现场中各种传感器、控制器、执行单元的信号传输系统。
FF现场总线分为H1低速部分和HSE高速部分。两者的主要区别是，H1低速网络的应用层建立在物理层、数据链路层之上，而HSE高速部分建立在TCP/IP协议之上。这决定了两种现场总线的通信速率不同，HSE现场总线的通信速率为100Mb/s, 大大超过了H1总线的31.25kb/s。所以，HSE将有广阔的应用前景。
现场总线基金会致力于开发出统一标准的现场总线，并已于1996年一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的仪表互连为控制系统和通信网络。使H1低速总线步入实用阶段。而基于高速以太网(High Speed Ethernet简称HSE)的现场总线协议FS1.0于2000年3月才制定出来，同年11月又颁布了第二版FS1.1。这是一项很新的技术。 本文所描述的是第二版FS1.1中的FDA session部分。

2 FDA Session概述
如图1所示，一个完整的HSE系统有以下几部分构成：HSE 管理和TCP/UDP及其以下的协议（称为HSE通信栈）、FDA代理、用户层（包括NMA、SMK、FBAP及和H1的接口）。
其中，FDA代理则是HSE的核心部分，是最能体现HSE系统特点的部分，它不同于H1系统的相应用户层。FDA由四层协议状态机组成：高速以太网虚通信关系状态机制HSE VCR、FDA服务协议机制FSPM、应用关系协议机制ARPM、套接字映射协议机制SMPM。
其中，第一层属于FMS VCRs部分，它提供了联系上面用户层的多个接口，侧重于与各部分信息的交互和组织。可以把后面三层统称为HSE Session,Session是一种应用关系（AP-application relationship），用于在FDA代理端点之间传输数据。在一个分布式系统中，通过一个定义好的应用层通信通道来交换应用层报文，应用程序通过这种方式相互通信，这些通信通道在现场总线应用层被定义为应用关系。HSE VCR提供对虚现场设备 VFD的访问，这种访问要在Session建立的基础上才能够进行。FDA代理通过Session来传输FDA和FMS消息。

图1。基金会现场总线HSE系统结构

FDA Session用于为客户机/服务器（Client/Server）、发布者/预定者（Publisher/Server）、报文分发/报文接收（Report Source/Sink）三种类型的FDA代理端点提供通信通道，FDA Session可以工作在TCP和UDP两种协议之上，由源和目的端的网络地址（IP地址+端口号）鉴别。一方面，Session中的ARPM协议机采用对FMS消息进行编码/解码的方式，对话路的打开、关闭进行控制，为上层的VCR提供了通信通道；另一方面，Session中的SMPM协议机基于TCP/UDP协议进行操作，负责同TCP/UDP的接口。
因此，Session侧重的是通信通道的建立和保持。
3 HSE Session的协议机制
前面已提到，HSE Session协议机制可以划分为三层： FDA服务协议机制FSPM、应用关系协议机制ARPM、套接字映射协议机制SMPM。它们之间的关系如图2所示。
FDA服务协议机（FSPM : FDA service protocol machine）是作为HSE VCR与Session之间的接
口存在的。它负责把上层用户发来的信息转换成为Session的内部协议格式，并根据应用关系端点参数，为该服务选择一个合适的应用关系协议机制；同样的，根据应用关系端点参数，把Session的内部协议格式转换成用户可接收的格式，传送给上层VCR。简而言之，它是对上层的接口。
套接字映射协议机制（SMPM : Socket map protocol machine）与FSPM有些类似，它是对TCP/UDP传输层的接口。它将来自应用关系协议机制的FAS内部协议格式转换成传输层TCP/UDP可接受的服务格式，并通过套接字接口，调用TCP/UDP服务；或者反过来，从套接字接收来自传输层的数据，并以FAS内部协议格式发送给应用关系协议机制ARPM。
图2。FDA Session 的协议分层
FMS VCR
FDA服务协议机制
# n
#1 C/S
应用关系
协议机
# n
套接字映射协议机制
TCP/UDP
# 1 多播
应用关系
协议机
Session

应用关系协议机制是Session的核心部分。它描述了应用关系的创建和撤销，以及与远程ARPM之间交换协议数据单元FDA-PDU。它负责接收来自FSPM或SMPM的内部消息，根据应用关系端点类型和参数，经过编码或解码，生成新的协议信息，并把它发送到FSPM或SMPM。我们所说的建立或撤销Session，就是指试图建立或撤销这个特指的应用关系。
这三层协议机制集成在一起，构成HSE Session的有机整体。
4 Session端点角色及其特性
应用关系端点（AREP—Application Relationship Endpoint）角色描述了在一个应用进程中，一个
端点如何与该应用关系中其他端点相互作用。FDA Session作为一种应用关系，规定有以下几种应用关系端点角色：客户方（Client）、服务器方(Server)、发布方（Publisher）、预定接收方（Subscriber）、报文源方（Report Source）、报文接收方（Report Sink）。与Session端点角色相对应，存在三种不同的Session：
l 客户机/服务器 Session,即 Client/Server Session ;
l 发布者/预定者 Session,即 Publisher/Subscriber Session ;
l 报文源/接收 Session，即 Report Source/Sink Session 。
在具体实现中，客户机/服务器Session采用单播的方式实现，发布者/预定者和报文源/报文接收
Session采用多播的方式实现。
4.1 客户机/服务器 Session
在单个C/S Session上,客户端应用可同时对远程设备的多个VFD进行访问；存在以下可能性：位于两个设备上的两个不同的客户端应用，可以同时访问该设备上的同一个VFD；在同一个设备上的两个独立的Session，也可以同时访问同一个VFD。
Client Session 终端可以被组态，也可以通过本地途径动态地创建；而Server Session终端通常 被动态地创建，但是不能被组态，它通过FDA Open Session报文交换来获得它的相关属性。
为建立一个C/S Session，Client Session终端发送一个FDA Open Session请求报文给目的端的FDA Agent。该FDA临时建立一个新的服务器终端来处理该请求报文。该服务器终端可以接受请求并对报文中的参数值进行处理，或者拒绝请求。无论何种情况，都返回一个响应。
C/S Session一旦建立，两端的HSE应用都可以对多个HSE VCRs进行初始化。用以对另一端的VFD的存取访问。如果远程HSE设备是一连接设备，HSE VCRs也可通过连接设备对H1 VFD进行访问。这些VCRs是否能用于更新NMA VFD依赖于下面的Session是否是组态Session。
组态的C/S Session支持HSE VCRs向HSE或H1 NMA VFDs传送FMS更新服务。非组态Session也可以对HSE 或H1 NMA VFDs进行访问，但访问方式是只读的。
FDA Agent每次允许一个组态Session打开，这意味着，无论何时，能够改变HSE/H1 NMA VFD（包括NMIB和SMIB）的组态应用只能有一个。
4.2 发布/接收 和 报文源/接收 Session
支持发布/接收（Publishing/Subscriber）和报文源/接收（Report Source/Sink）的Session终端需要通过组态的方式建立，不能动态创建。它们使用组态信息在本地建立，而不是象Client/Server Session那样，通过两个端点交换报文来建立Session。
每个Publisher/Report Source Session端利用UDP将报文发送到组态好的IP多播地址。多个此类Session可以将报文发送到同一个IP多播地址。并且，多个Publisher/Report Source端HSE VCRs也可以利用同一个Publisher/Report Source Session端发送报文。
每个Subscriber/Report Sink Session被组态为可以支持多个Subscriber/Report Sink HSE VCRs。而每个Subscriber/Report Sink HSE VCRs被组态为从一个Session端点接收消息。
每个Subscriber/Report Source端也可以经过组态，用于侦听特定的IP多播地址。从该地址接收到的消息可以来源于不同的IP子网的源IP地址，而且从每个源IP地址来的消息也可以来自不同的 HSE VCR端点。
通过组态，每个Subscriber HSE VCR从单个Publisher HSE VCR接收消息。因为连接设备可以将H1网段上发布的数据映射到HSE VCR，所以接收到的消息可能来自H1设备。接收端Session将根据HSE或H1 Publisher VCR端的IP子网，来对送往本地接收者HSE VCR的输入流数据进行过滤。
每个Report Sink HSE VCR被组态为从一组Report Source HSE VCRs接收数据。同样接收到的报告可以来自于H1设备。 因此，Report Sink Session的作用是：对HSE 子网上相关的HSE VCRs的输入流数据进行过滤,并将接收到的报文转发给组态为用于接收这些相应报文的Report Sink VCR。
由上面我们可以看出，在单一的应用关系中，客户/服务器型所允许的通信类型为一对一，即一个客户方对应一个服务器方。发布/预定接收型所允许的通信类型为一对多，即一个发布方对零个或多个预定接收方。报文源/收存方所允许的通信关系为一对多，即一个源方对零个或多个收存方。各种Session端点角色的服务能力综合于表1。
其中，发布/预定接收型Session与报文源/收存Session的区别在于：预定接收端只接收来自一个组态好的VCR端的消息，而报文收存方可以接收来自一组组态好的VCR端的消息。
表1。Session端点角色的服务能力
Session角色
确认的服务请求
确认的服务响应
非确认的服务请求
同时通信点数
客户方
发送
接收
发送
1
服务器方
接收
发放
接收
1
发布方
无
无
发送
≥0
预定接收方
无
无
接收
1
报文源方
无
无
发送
≥0
报文收存方
无
无
接收
1

5 HSE FDA Session与H1 FAS AR之比较
HSE FDA VCR与H1总线中的VCR大体相同,HSE FDA Session作为一种应用关系（AR），在功能上对应于低速以太网中的现场访问子层应用关系（FAS ARs，FAS—Fieldbus Access Sublayer）,和它有许多相似之处，其对应关系见图3。就其信息格式而言，H1部分是为了匹配低速率的通信设置，而HSE FDA Session部分的编码格式则是为了最好的适应高速率的通信。

5.1 FDA SESSION和H1中AR的相同点
l H1 AR和SESSION支持相同的三种VCR模式（Client/Server,Publisher/Subscriber,Report Source/Sink VCR）。
l 每个H1设备或FDA代理都可以含有一个或多个H1 AR/FDA SESSION端点。
l H1 SMK用单元数据服务直接通过数据链路层实现通信，FDA SM报文类似，用UDP层传送，而不是通过SESSION。
l 所有协议数据报文（PDU）在H1 AR/SESSION传送时用相同的协议版本。
5.2 FDA SESSION和H1 AR的不同点
l 单一的SESSION可支持多个HSE VCR,而H1 AR只支持一个H1 FMS VCR。
l SESSION支持把多种报文联结成单一的UDP/TCP PDU,而每个DLL PDU只传送单一的H1 FMS报文。
l HSE支持面向无连接的客户机/服务器 SESSION,它们建立在UDP层之上，对于H1 AR,没有此概念。
l 面向连接的C/S SESSION 建立在TCP层之上，一旦TCP连接建立，客户机发送一个FDA OPEN SESSION请求报文，用来打开SESSION,H1 AR有类似的操作，但连接建立在DLL,并且数据链路层连接请求包括FAS请求，用来打开AR。
l H1 AR由源和目的的数据链路连接端点/数据链路服务访问端点鉴别，FDA SESSION由源和目的的网络地址（IP地址+端口号）鉴别。

6 结语
综上所述，FDA Session工作在TCP/UDP协议之上,可以取得比H1现场总线更快的通信速率，
体现了HSE的通信特点，是HSE现场总线中关键的一层。

参考文献：
[ 1 ] Foundation fieldbus HSE Ethernet Presence FF－586 FS 1.1
[ 2 ] Foundation fieldbus HSE System Management FF－589 FS 1.1
[ 3 ] Foundation fieldbus HSE Field Device Access Agent FF－588 FS1.1
[ 4 ] 阳宪惠 现场总线技术及其应用 清华大学出版社
[ 5 ] 刘建昌，等 PROFIBUS与基金会现场总线 基础自动化
[ 6 ] 王锦标 基金会现场总线 化工自动化及仪表

Foundation Fieldbus Session Based on High Speed Ethernet
MENG Yu,Feng Dong-qin
(???,Zhejiang University,Hangzhou,China)
Abstract: HSE FDA Session operates on TCP/UDP protocol, which makes HSE Fieldbus have much higher communication speed than H1 Fieldbus. Session is an important layer in HSE FF Fieldbus. It provides the communication channel for FMS and FDA messages.The function , the makeup of three layers ,the three roles Session plays and special characteristics of FDA Session are detailed.
Key words:High Speed Ethernet;Foudation Fieldbus;Application Relationship;TCP/UDP protocol; VFD