BACnet_IP通信协议解析

Ｃ
Ｎ
Ｅ
Ｔ
ＥＩＡ－４８５ （ＲＳ４８５）
ＥＩＡ－２３２ ＬｏｎＴａｌｋ （ＲＳ２３２）
数据链路层 物理层
都可以作为 ＢＡＣｎｅｔ标准的物理局域网。
２ ＢＡＣｎｅｔ 网络与 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 互联
智能建筑的发展一直与 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 紧密相关， ＢＡＣｎｅｔ 网络目前已经得到广泛应用，为了更方便地 实现楼宇自动控制，ＢＡＣｎｅｔ网络通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ互联成 为了一个必然趋势。
ＡＰＤＵ ＮＰＤＵ ＢＶＬＬ 报文 Ｕ Ｄ Ｐ 报文 ＩＰ 报文 物理帧
图 ２ ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 协议报文处理流程图
展性。ＢＡＣｎｅｔ互联网是由两个或者多个ＢＡＣｎｅｔ网络 所组成的网络。由于 ＩＰ 网络的出现，各种 ＢＡＣｎｅｔ 网 络互联非常灵活，各种ＢＡＣｎｅｔ设备均可以在ＩＰ环境 中实现互操作，但是 ＰＡＤ 和 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 设备之间不 能直接通信，这是构建ＢＡＣｎｅｔ互联网时的基本原则 之一。本文提出一种 ＰＡＤ 与 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 网关模型的 实现方案，以实现二者协议的转换等功能，其体系 结构如图 ３ 所示。
第 ２个字节是一个控制字节，对其结构起着决定作用。
表 ４ ＮＰＣＩ 结构图
版本 控制 Ｄ Ｎ Ｅ Ｔ （目标网络号） Ｄ Ｌ Ｅ Ｎ （目标 Ｍ Ａ Ｃ 地址的长度） Ｄ Ａ Ｄ Ｒ （目标 Ｍ Ａ Ｃ 地址） Ｓ Ｎ Ｅ Ｔ（源网络号） Ｓ Ｌ Ｅ Ｎ （源 Ｍ Ａ Ｃ 地址的长度） Ｓ Ａ Ｄ Ｒ （源 Ｍ Ａ Ｃ 地址） Ｈｏｐ Ｃｏｕｎｔ（转发计数） 报文类型 Ｖｅｎｄｏｒ ＩＤ（生产商表示符）
ＢＡＣｎｅｔ是一种开放性协议，采用ＯＳＩ模型的分层 体系结构的概念，根据楼宇自控网络结构比较固定、 报文信息短小以及满足系统开放性要求等特点，对 ＩＳＯ 模型进行了精简，使 ＢＡＣｎｅｔ 标准的体系结构更加 紧凑、高效，它与ＩＳＯ的ＯＳＩ模型对应关系如表１所示。
ＢＡＣｎｅｔ 高层定义了应用层和网络层，低层定义 了五种具体的物理层和相应的数据链路层，以适应不 同性能／价格比的要求，但是一般来讲只要符合 ＢＡＣｎｅｔ 标准定义的物理层和数据链路层功能的网络
的数据封装成ＩＰ数据包，也将收到的ＩＰ数据包拆开，
提取其中的相关数据给 ＢＶＬＬ 层。
表 ２ ＢＡ Ｃｎｅｔ／ＩＰ 协议的体系结构
ＢＡＣｎｅｔ 应用层
ＢＡＣｎｅｔ 网络层
ＩＳຫໍສະໝຸດ Baidu ８８０２－２
ＭＳ／ＴＰ
ＰＴＰ
ＢＶＬＬ
（ＩＥＥＥ ８０２．２）类型１ （主 ／ 从令牌传递） （点到点协议）
ＩＳＯ ８８０２－３ （ＩＥＥＥ ８０２．３）
表 １ ＢＡＣｎｅｔ 协议层与 ＯＳＩ 对应关系
ＢＡＣｎｅｔ 协议的层次
对应 ＯＳＩ 的层次
ＢＡＣｎｅｔ 应用层
应用层
ＢＡＣｎｅｔ 网络层
网络层
ＩＳＯ ８８０２－２
ＭＳ／ＴＰ
ＰＴＰ
（ＩＥＥＥ ８０２．２）类型１ （主 ／ 从令牌传递）（点到点协议）
ＩＳＯ ８８０２－３ （ＩＥＥＥ ８０２．３）
Ａ
Ｒ
１ 字节 １ 字节 ２ 字节 １ 字节 可变字节 ２ 字节 １ 字节 １ 字节 １ 字节 １ 字节 ２ 字节
ＡＰＤＵ 由协议控制信息（ＰＣＩ）和用户数据两部分
组成。ＡＰＣＩ 包含进行应用层协议操作所需的数据，
“用户数据”包含请求和响应的具体信息。
一个ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ协议应用报文从产生到发送到网
络上进行传输的过程可以用图 ２表示。
ＩＰ路由器
ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 网络
图 ３ ＰＡＤ－ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 网关的互联模型
ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 与 Ｂ／ＩＰ ＰＡＤ 相比，两者均利用 ＵＤＰ 进 行信息传输，不同的是 Ｂ Ａ Ｃ ｎ ｅ ｔ ／ Ｉ Ｐ 网络中的所有 ＢＡＣｎｅｔ 设备均为 ＩＰ 节点，ＢＡＣｎｅｔ 应用层协议包不需 要进行封装和拆装处理。从ＩＰ数据包的角度来看，二 者数据包的形式及其之间的对应关系如图 ４ 所示。
整个ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ网络由于传输开销过大而效率降低。
位于ＢＡＣｎｅｔ网络层与ＩＰ层之间的是一个新定义
的微协议层，该微协议层简称为 ＢＶＬＬ，其作用是提
供在ＢＡＣｎｅｔ网络层与通信协议ＵＤＰ之间的接口机制，
在 ＮＰＣＩ（网络层控制信息）和 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ报文（ＩＰ报
头＋ ＵＤＰ 报头）增加了 ＢＡＣｎｅｔ 虚拟链接控制信息 ＢＶＬＣＩ 报文，进行 ＢＡＣｎｅｔ 广播管理，以及提供向其他 通信协议扩展的扩展机制。
４ ＰＡＤ－ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 网关模型
ＢＡＣｎｅｔ与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的两种互联技术：ＰＡＤ技术和 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ技术，这两种技术各有优缺点。前者是一 种异构网络互联技术，应用比较普遍，后者可以是 实现ＢＡＣｎｅｔ与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的无缝联接，具有良好的扩
ＮＰＣＩ ＢＶＬＬ 头部 Ｕ Ｄ Ｐ 头部 ＩＰ 头部 Ｍ Ａ Ｃ 地址
为了改进 Ｂ／Ｐ ＰＡＤ 的缺点，１９９９ 年 １ 月 ＢＡＣｎｅｔ 标准委员会 ＳＳＰＣ１３５ 中的 ＩＰ 工作组制定了性能较好 的ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ协议作为互联协议。
３ ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 通信协议
ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 将 ＩＰ 网络作为一个“局域网”来使用，
直接支持基于ＩＰ协议的ＢＡＣｎｅｔ设备，用ＩＰ帧接收和发
目前以太网在工业自控方面广泛应用。以太网 作为底层网络是一种趋势，在这里我们假设采用以太 网作为底层局域网。
ＰＡＤ
ＢＡＣｎｅｔ 设备 ＢＡＣｎｅｔ 设备
ＢＡＣｎｅｔ 设备
ＩＰ 路由器 ＰＡＤ－ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 网关
ＢＡＣｎｅｔ 网络
Ｉｎｔｅｒｎｅｔ
ＩＰ 路由器 ＢＢＭＤ
ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ设备 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ设备 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ设备
目前主要存在着两种互联技术，一种是 Ｂ ／ Ｉ Ｐ ＰＡ（Ｄ ＢＡＣｎｅｔ／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｐａｃｋｅｔ－Ａｓｓｅｍｂｌｅｒ－ Ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｅｒ），被称作隧道技术，具体方法就是将 ＢＡＣｎｅｔ 协议包封装在 ＩＰ 协议包中，然后在 ＩＰ 网络中 进行传输。当封装 ＢＡＣｎｅｔ 协议包的 ＩＰ 协议包到达目 的地址时，将 Ｉ Ｐ 协议包进行拆装，分离出其中的 ＢＡＣｎｅｔ 协议包。这种方法如同在 ＩＰ网络中开通一条 ＢＡＣｎｅｔ 协议包从网络的一端传输到另一端的隧道，
在 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 网络中，ＢＢＭＤ 设备是实现 ＢＶＬＬ 协 议的关键设备，ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ网络的每个ＩＰ子网只允许 有一个 ＢＢＭＤ 设备，用于注册外部 ＢＡＣｎｅｔ 设备，进行 ＢＡＣｎｅｔ广播。任意外部设备如果要参与广播活动，需 要向 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 网络中的 ＢＢＭＤ 设备进行注册，在 ＢＢＭＤ设备建立相应的ＦＤＴ（Ｆｏｒｅｉｇｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｔａｂｌｅ）记
３．１ ＢＡＣｎｅｔ 虚拟链路层（ＢＶＬＬ）协议 大多数ＩＰ网络通常不支持或者禁止广播，要通过
ＩＰ网络来实现ＢＡＣｎｅｔ的各种功能，需要定义一个新的 协议层，ＢＶＬＬ在ＢＡＣｎｅｔ网络层与通信协议之间提供了 一个接口，在ＩＰ协议之上提供一个ＢＡＣｎｅｔ网络层视图， 这包括ＢＶＬＬ协议数据格式与协议规程两个内容。协议 数据格式说明了ＢＶＬＬ报文的基本组成和功能，而后者 说明了协议功能操作的过程。ＢＶＬＬ定义了１２种类型的 协议报文，报文格式如图 １ 所示，报文头部包含 Ｔｙｐｅ、 Ｆｕｎｃｔｉｏｎ和Ｌｅｎｇｔｈ ３个域，长度为４个字节。
【关键词】Ｂ／ＩＰ ＰＡＤ ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 网关
BACnet/IP 通信协议解析
文 ■ 桂林电子科技大学计算机系 齐 涛 周 萍
１ ＢＡＣｎｅｔ 标准简介
ＢＡＣｎｅ（ｔ Ａ Ｄａｔａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｂｕｉｌｄ－ ｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）是一种为楼宇 自动控制网络所制定的数据通信协议，它由美国冷暖 空调工程师协会组织的标准项目委员会在 １９９５ 年 ６ 月正式制定，同年 １２ 月正式成为美国国家标准，并 得到欧盟标准委员会的承认，成为欧盟标准草案。 ２００３ 年 １ 月被 ＩＳＯ 总部宣布其为 ＩＳＯ的正式标准，它 是专用于楼宇自控领域的数据通信协议，其目标是将 不同厂商、不同功能的产品集成在一个系统中，并实 现各厂商设备间的互操作。
１ 字节
１ 字节
２ 字节
Ｔｙｐｅ（类型） Ｆｕｎｃｔｉｏ（ｎ 功能） Ｌｅｎｇｔｈ（总长度） ＢＶＬＬ 报文头部
可变字节 Ｕｓｅｒ Ｄａｔａ（用户数据）
图 １ ＢＶＬＬ 协议报文结构图格式 ＬＬ 图
Ｔｙｐｅ（类型）域说明低层通信协议以及其对应微 协议的类型。在 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 体系结构中，值为 Ｘ‘８１’， 表示低层通信协议为 ＩＰ 协议（ＩＰｖ４），该域提供了— 种扩展低层通信协议的机制。
送ＢＡＣｎｅｔ报文，可以在ＩＰ网络上有效地进行ＢＡＣｎｅｔ广
播，并允许在网络的任意位置动态地增加和减少设备。
ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 协议的体系结构如表 ２所示，ＩＰ协议
之上使用 ＵＤＰ 协议，ＵＤＰ协议层的作用是将来自 ＢＶＬＬ
层（ＢＡＣｎｅｔ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｌｉｎｋ Ｌａｙｅｒ，ＢＡＣｎｅｔ虚拟链路层）
ＡＲＣＮＥＴ
ＥＩＡ－４８５ （ＲＳ４８５）
ＥＩＡ－２３２ （ＲＳ２３２）
ＬｏｎＴａｌｋ Ｕ Ｄ Ｐ ＩＰ
在此处使用ＵＤＰ协议，可以避免重新定义新类型
的 ＩＰ 协议包，又可以利用现有的ＩＰ 系统建立ＢＡＣｎｅｔ
网络。如果重新定义一个新类型ＩＰ协议包，则会因为
ＩＰ路由器不能识别自定义的数据包将其简单丢弃，而
加入传输层则可以利用端口机制进而扩展。选用 ＵＤＰ
而不是 ＴＣＰ 协议，主要因为 ＴＣＰ 协议不能实现“一对
多”的广播，而且ＢＡＣｎｅｔ的应用层提供了可靠传输机
制并提供了报文分段功能，这些都同 ＴＣＰ 协议类似。
如果在 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 中使用ＴＣＰ 协议，就在同一体系结
构中同时存在两套互相独立的确认机制，这还会使得
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智能建筑与城市信息 ２００７年 第２期 总第１２３期
录项。ＢＢＭＤ 通过外部设备表 ＦＤＴ 实现外部设备的广 播，使用广播路由表ＢＤ（Ｔ Ｂｒｏａｄｃａｓｔ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｔａｂｌｅ） 管理 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 广播。
３．２ ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 协议报文格式
在 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 中 ＵＤＰ 端口的缺省值是 Ｘ‘ＢＡＣ０’，用
户也可以对其进行重新定义。
表 ３ ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 网络报文格式
ＭＡＣ ＩＰ
ＵＤＰ ＢＶＬＣＩ ＮＰＣＩ ＡＰＤＵ
ＢＶＬＣＩ域是ＢＡＣｎｅｔ虚拟链路控制信息域，至少包含
三个字段，分别表示协议类别，功能和协议包的长度
ＮＰＣＩ 是网络层协议控制信息域，结构如表４所示，其中
ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ 协议报文格式如表 ３ 所示，ＭＡＣ 地址
大小为 ６ 字节，由网络接口硬件决定，它取决于网络
所使用的硬件。ＩＰ 域包括 ２０ 字节长度的标准 ＩＰ 数据
报文的头部固定部分。
ＵＤＰ 域包括 ８个字节长度的标准 ＵＤＰ数据报文的 头部，包含有各 ２ 字节长度的源和目的 ＵＤＰ 端口号，
Intelligent Building & City Information 2007 2 No. 123
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B 楼宇自动化 uilding Automation
在隧道两端进行协议包封装和拆装的网络设备称为 ＰＡＤ，这种方式的缺点主要是缺少灵活性，网络配置 改变时，所有 ＰＡＤ 的路由信息都必须修改，而且增加 ＢＡＣｎｅｔ 设备时比较困难，此外，每个 ＰＡＤ 设备都要 创建和维护一个所有对等ＰＡＤ的信息表，这在增减网 络时会带来很大的工作量。
Ｆｕｎｃｔｉｏ（ｎ 功能）域表示该协议报文的协议功能。 该域为 １ 个字节，定义了 １２ 种协议功能，用于对信 息传输的管理。
Ｌｅｎｇｔｈ（长度）表示协议报文的总长度，其值为 报文头部（４ 字节）和报文用户数据长度之和。
ＢＶＬＬ 是—个非常简洁的微型协议层，作用非常 巨大，一是对 ＢＡＣｎｅｔ 广播进行统一管理，二是提供 在 ＩＰ 网络上动态增加或减少 ＢＡＣｎｅｔ 设备的功能，三 是提供 ＢＡＣｎｅｔ 通信系统的扩展机制，允许向其他通 信协议扩展。
【摘 要】 ＢＡＣｎｅｔ 是开放的楼宇设备自 动控制网络数据通信协议。 随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ在通信领域的发 展，控制网络与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的互 联已是必然趋势。本文介绍 了 ＢＡＣｎｅｔ 的一种互联网扩展 协议 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ，提出一种网 关模型，实现Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上ＰＡＤ设 备与 ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ设备的互联。