40、网络物理系统通信技术解析

网络物理系统通信技术解析

1 引言

网络物理系统（CPS）由一个或多个相互连接的自主组件或单元组成，每个单元的服务对系统中的其他单元可见。联网是这类系统的显著特征之一，它不仅能在 CPS 各单元内部实现信息交换，还能在单元之间的更高层次进行信息交互。

此前就已经有将计算与物理过程相结合的概念，这类系统存在了几十年，通常被称为“嵌入式系统”，比如家用电器、飞机控制系统和汽车电子设备等。嵌入式系统与 CPS 的主要区别在于，嵌入式系统大多像黑匣子，不向外界展示其计算能力，外部连接也无法改变其软件行为。而在 CPS 中，系统单元功能丰富、相互联网，并通过通信网络协同工作。因此，CPS 的通信基础设施可类比人类的神经系统，连接并协调身体各部位。

CPS 通常使用本地控制网络来实现各单元内的通信，以满足受控技术过程所需的实时通信要求。而单元之间的实时要求通常没那么严格，因此可以使用包括互联网在内的其他类型网络来实现通信。

一个 CPS 单元一般包含以下实体：用于监控和控制物理过程的计算实体、与物理过程交互的传感和执行实体，以及被控制的物理过程。使用通信网络连接各单元内的组件以及单元之间的组件，带来了诸多优势，如远程监控和控制、可扩展性、灵活性以及控制的分散化等。在工业应用中，分布在不同位置、属于相同或不同应用的传感器、执行器和控制器等组件，可共享一个通信网络来交换控制信息。

2 数据通信网络

2.1 网络基本概念

通信网络是允许两个或多个端点（也称为主机）连接并交换数据的系统。端点不一定仅指计算机，还可以是任何能够连接到网络的设备。网络由节点和连接节点的链路组成，端点通过连接到某些网络节点接入网络。若网