isa100.11a

ISA100.11a

工业级无线传感器网络国际标准之一。基于IEEE 802.15.4, 但仅使用其2.4GHz的ISM频段（不使用Sub-1GHz的频段）。已经于2014年09月获得了国际电工委员会（IEC）的批准，成为正式国际标准，标准号IEC 62734。

标准

ISA100.11a是四种最常见的无线传感器网络标准之一，另外的三种分别是Zigbee, WirelessHART, WIA-PA。

其由国际自动化学会(ISA)下属的ISA100工业无线委员会制定，该委员会致力于通过制定一系列标准、建议操作规程、起草技术报告来定义工业环境下的无线系统相关规程和实现技术ISA100.11a标准的主要内容包括工业无线的网络构架、共存性、健壮性、与有线现场网络的互操作性等，其定义的工业无线设备包括:传感器、执行器、无线手持设备等现场自动化设备。ISA100.11a标准希望工业无线设备以低复杂度、合理的成本和低功耗、适当的通信数据速率去支持工业现场应用。

ISA100.11a标准的目标是将各种传感器以无线的方式集成到各种应用中，所以IP技术与无线技术融合的想法促使ISA100.11a网络层的主要工作是采用IPv6协议的骨干网以及骨干网与DL子网间的转换上。网络层主要负责网络层帧头的装载和解析，数据报文的分片和重组，IPv6帧头的HC1压缩方案以及6LoWPAN的路由技术等。

ISA100.11a在遵循欧洲、日本、加拿大和美国相关规范的前提下，可以在全世界范围内应用。如果一些地区的政策和法规不允许实现某些特征(如加解密算法的使用和无线电频谱使用限制等)，可通过对ISA100.11a设备进行针对性的配置，使其不具备这些特征。

ISA100.11a标准遵循公认的ANSI标准化流程，标准的制定过程一直立足于用户的需求。ISA100.11a标准是用于工业传感器和执行器网络的多功能标准，它可以为众多应用提供可靠、安全的运行方案。ISA100.11a通过简单的无线基础结构能够支持多种协议: HART，Profibus，Modbus，FF 等；ISA100.11a支持多种性能水平，以满足工业自动化的多种不同的应用需求，Ifu不仅仅局限于过程工业。与WirelessHART、WIA-PA标准相比，ISA100.11a标准具有以下一些特色和优势: (1)隧道和映射技术，ISA100.11a能够便利地、简单地通过无线介质传输各种应用协议；(2)骨干网路由机制，通过高效的骨干网更为直接的传递数据信息，这样可以减少数据无线传输的跳数，在网络规模较大其优势尤其明显；(3)灵活的时隙长度和超帧长度。

2009年4月24口，ISA100.11a标准以81.0%的赞成率通过了ISA100委员会的阶段投票。随后，ISA100委员会正式向国际电工委员会IEC/SC65提交了IEC PAS文件草案的表决稿，以期望成为IEC国际标准。该阶段投票的通过说明ISA100.11a标准草案已经基本成熟。随后，基于ISA100.11a标准的设备将越来越多地被应用于工程实际，最终形成ISA100.11a标准的设备产业集群。

世界著名市场调研公司ONWorld的2007年度调研报告表明“55%的人计划采用ISA100技术，40%的人说计划支持无线HART”。由此可见，ISA100.11a是将会成为最受关注、最有影响力的工业无线技术之一，针对ISA100.11a技术的研究和开发工作正如火如荼的进行。但是，由于ISA100.11a标准使用自然语言描述，并涉及很多关键技术，实现者对于协议的不同理解会导致不同的协议实现，甚至有时会是错误实现。因此，ISA100标准产业化的前提条件之一是所有产品必须通过严格的一致性、互操作性等测试和认证，来检测被测协议实现与协议规范的符合程度。

产品介绍

ISA100.11a标准是第一个开放的、面向于多种工业应用的标准，其主要特征如下:

(1)提供过程工业应用服务，包括工厂自动化；

(2)在工厂内/工厂附近使用；

(3)全球部署；

(4)提供等级1(非关键)到等级5的应用；

(5)保证不同厂家设备的互操作性；

(6)跳信道的方式支持共存和增加可靠性；

(7)使用一个简单的应用层提供本地和隧道协议，以实现广泛的可用性；

(8)针对IEEE 802.15.4-2006[19]安全的主要工业威胁，提供简单、灵活、可选的安全方法；

(9)现场设备具有支持网状和星型结构的能力。

体系结构

ISA100.11a标准协议体系结构遵循ISO/OSI的七层结构，但只使用了其中的物理层(Physical Layer, PHY)、数据链路层(Data Link Layer, DLL)、网络层(Network Layer, NL)、传输层(Transport Layer, TL)和应用层(Application Layer, AL)等五层，在这一点上与以太网是相同的。

图1 ISA100.11a标准协议体系结构

如图1所示，每一层定义了两种服务实体：数据服务实体(Data Entity, DE)和管理服务实体(Management Entity, ME)。DE用于为上层提供数据传输服务，ME用于提供管理服务。相应地有两种服务访问点(Service Access Point, SAP): 数据服务实体访问点(DESAP)和管理服务实体访问点(MESAP)。上层通过DESAP使用下层提供的数据传输服务；又定义了一个具有管理功能的实体：设备管理应用进程(Device Management Application Process, DMAP)，来统一地访问各层的MESAP，从而对协议栈各层进行管理和配置。系统管理器下发的管理信息都通过设备的DMAP对本设备的每一层进行管理和配置。在一个设备中，DMAP会设置一个专门的通道通向较低的协议层，目的是对这些层的操作提供直接的控制，并且能对诊断和状态信息提供直接的接口。

应用层包括应用子层、用户应用进程和设备管理器进程。用户应用进程是一个设备内的所有应用对象的总和。在ISA100.11a网络中，一个设备只能通过应用子层(ASL)提供的数据服务访问点与其它设备进行通信。应用子层不包含任何用户应用，只在那些应用和网络服务间提供接口，即给用户应用进程和设备管理进程提供各种服务，ISA100.11a中共有7种服务，分别为读服务、写服务、发布服务、执行服务、隧道服务、报警服务、报警接收服务。

传输层提供端到端的通信服务，负责传输层帧头的装载和解析，传输层的安全和管理信息库的管理。传输层支持UDP协议，为了实现设备与其他网络的统一编址和网络的互通，传输层支持IPv6。

数据链路层包括①IEEE 802.15.4的MAC子层、②ISA100.11a的MAC扩展层和③数据链路层上层。IEEE 802.15.4的MAC子层通过数据服务访问点(ML-DESAP)和管理服务访问点(ML-MESAP)给ISA100.11a的MAC扩展层提供了服务接口。ISA100.11a的MAC扩展层主要负责时间同步、跳信道和通信调度，提供点对点的重传机制，TDMA和CSMA信道访问机制，在两个对等的ISA100.11a的MAC扩展层实体之间提供一个可靠的通信链路。数据链路子层(DLL)子层通过数据服务访问点(DLDE SAP)给网络层提供服务接口，通过管理服务访问点(DL-MESAP)给系统管理器或设备管理应用进程(DL-MESAP)提供了服务接口。DLL子层主要负责DLL帧头的装载和解析、DLL层的安全、ISA100.11a DL子网内的路由、邻居发现及 ISA100.11a的MAC扩展层的时间同步、跳信道和通信调度能够正常工作。

物理层通过物理层数据服务访问点(PL-DESAP)和物理层管理服务访问点(PL-MESAP)给IEEE 802.15.4的MAC子层提供了服务接口。物理层主要功能有激活和休眠射频收发器，发射功率控制，信道能量检测(ED)，检测接受数据包的链路质量指示(Link Quality Indication, LQI)，空闲信道评估(Clear Channel Assessment, CCA)和收发数据。

网络拓扑

为满足工业应用的需求，ISA100.11a支持多种网络拓扑，如星型拓扑、网状拓扑等。星型网络拓扑结构，容易实现，实时性高，但仅限单跳范围。网状结构拓扑结构灵活，便于配置和扩展，同时具备良好的稳定性。为了扩大网络覆盖面积，在ISA100.11a网络结构中引入了骨干网，骨干网是一个高速网络，可以减小数据时延。所有现场设备通过骨干路由器接入骨干网，现场设备和骨干路由器组成的网络为ISA100.11a DL子网。ISA100.11a DL子网不含骨干网就组成了ISA100.11a网络。如果ISA100.11a网络中没有骨干网，ISA100.11a DL子网包括现场设备和网关，等同于ISA100.11a网络。

如果ISA100.11a网络中有骨干网，ISA100.11a DL子网只包含现场设备和骨干路由器，而ISA100.11a网络包含所有相关DL子网骨干路由器和网关。

设备类型

该协议定义了以下5种类型的设备角色:

(1)上位机控制系统，是用户、工程师与ISA100.11a系统实现交互的平台。

(2)网关(Gateway)，提供了上位机和网络的接口，也是与其它工厂级网络的接口。一个ISA100.11a网络系统中可以存在有多个网关。

(3)骨干路由器(Backbone Router, 即BBR)，是ISA100.11a骨干网络的基础设施，负责骨干网中的数据路由。ISAl00.11a骨干网上的通信协议可以是无线协议，如WiFi；也可以是有线协议，如标准以太网。即，ISA100.11a的骨干网是其它高性能的网络。

(4)现场设备，有①终端节点设备和②现场路由器两种。终端节点设备一般带有传感器/执行器。现场路由器除了具有传感器/执行器外，还具有路由功能，可以在ISA100.11a DLL子网内，路由终端节点设备的数据。

(5)手持设备(Handheld Device)，是访问ISA100.11a系统的设备，用于现场维护与配置设备。

现状

在工业无线市场上取得了广泛的认可，特别是横河电机(Yokogawa)和霍尼韦尔(Honeywell)两大巨头已经开发出了ISA100.11a中等规模的系统解决方案，单一系统中最大可以接入500个终端设备节点。

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