控制网络节点通信协议栈可重构自组织研究

论文摘要

网络控制系统是信息时代控制系统的主要方式,控制节点之间通过通信协议栈组成控制网络,控制网络中协议的异构性、环境的动态性和任务的多样性,是影响网络控制系统性能的重要因素。在此背景下,本文提出了一套完整的面向控制网络的节点可重构自组织通信协议栈的设计、实现和优化方案,利用可重构自组织技术对通信协议栈的部分或整体进行更新和替换,使其能适应不同的应用对象和环境。总结了可重构自组织协议栈技术的概念、原理和开发流程。分析了有限状态机和Petri网两种形式化方法在协议设计和评价方面的优势。作为可重构自组织协议栈开发的关键技术,分析了虚拟在解决平台无关的应用层接口设计上的优越性,并指出了代码自动管理和网络服务质量(QoS)自适应调度算法的局限性。针对控制网络的需求和约束,提出了一种面向控制网络的可重构自组织协议栈体系结构,对其中通信协议栈、重构接口和重构管理器三大组件及其接口进行定义。给出了一种模型驱动的闭环重构管理框架,描述了参数重构和代码重构的控制流程,为开展基于形式化技术的可重构自组织协议栈开发工作奠定基础。以规范与描述语言(SDL)为基础,给出一种协议栈代码动态重构的实现框架。建立了与可重构自组织协议栈体系结构对应的SDL模型集。在此基础上,针对状态空间爆炸问题,设计了一种二进制编码规则处理从SDL模型空间到C代码的映射。利用标准的ELF文件,定义了一种协议配置文件及其读写方法,保障协议代码在网络迁移过程中的完整性,并用于支持代码目标节点上的动态加载。给出了SDL的形式化测试方法,在Linux平台下初步评估了动态重构性能,表明基于SDL的动态重构方法能有效避免协议代码实现过程中的二义性,减少功能漏洞。利用确定与随机Petri网(DSPN),提出一种可重构自组织协议栈动态性能评价框架。建立了协议实时性、任务和资源约束关系模型,用于合成综合性能评估模型。定义了DSPN可重构自组织协议栈综合性能模型,并在此基础上,给出了实时性、网络利用率和效率三种性能指标的量化方法。通过静态和动态性能仿真,能方便得到给定环境下协议栈性能的近似真实结果。在协议栈性能优化方面,结合神经网络和遗传算法,提出一种QoS自适应调度算法的改进方案,基于Elman神经网络的QoS预测值,遗传算法能预见性的主动输出新的调度策略,保证网络的稳定性。针对工业无线通信领域的应用需求,以IEEE802.15.4标准为底层硬件基础,设计了一种基于可重构自组织技术的无线通信协议栈(RcWSN)原型节点,在Mesh结构下,该节点能够以一种低功耗强实时高可靠的方式相互通信,通过路由和调度重构实现对环境和应用变化的自适应。最后对全文进行总结,对本文存在的不足进行了阐述,并对控制网络节点可重构自组织协议栈的技术发展进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号（缩写）含义表
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 论文的结构安排
• 2 可重构自组织协议栈设计基础
• 2.1 引言
• 2.2 可重构自组织协议栈的基本原理
• 2.3 可重构自组织协议栈的形式化设计方法
• 2.4 可重构自组织协议栈实现的关键技术
• 2.5 本章小结
• 3 可重构自组织协议栈的体系结构和管理框架设计
• 3.1 引言
• 3.2 总体设计需求分析
• 3.3 可重构自组织协议栈的体系结构设计
• 3.4 可重构自组织协议栈运行的管理框架设计
• 3.5 本章小结
• 4 基于SDL的可重构协议栈功能设计与实现技术
• 4.1 引言
• 4.2 SDL技术基础
• 4.3 基于SDL的协议栈功能模型
• 4.4 基于SDL的协议栈代码实现
• 4.5 SDL环境下的可重构协议栈功能测试实验
• 4.6 本章小结
• 5 基于DSPN的可重构协议栈性能评价与优化技术
• 5.1 引言
• 5.2 DSPN技术基础
• 5.3 控制网络通信性能约束模型
• 5.4 可重构自组织协议栈的综合性能评价
• 5.5 协议实时性能的优化设计方案
• 5.6 本章小结
• 6 工业无线网络中协议栈可重构自组织的应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 IEEE802.15.4标准与可重构通信协议栈的结合
• 6.3 RcWSN的原型
• 6.4 性能分析
• 6.5 本章总结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文工作的主要创新点
• 7.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的成果目录
• 附录2 发表的学术论文与博士学位论文的关系