EPA网络协议栈开发及一致性测试研究

论文摘要

随着计算机网络、通信和控制技术的发展,以太网技术在工业控制中的应用成为当前控制领域的研究热点。但是,以太网自身存在的通信延迟不确定性、缺乏统一的应用层协议等缺陷,成为其进入工业控制领域的主要技术障碍。EPA（Ethernet for Plant Automation）是现场设备层的实时以太网解决方案。它通过对ISO/IEC 8802-3协议规定的数据链路层进行扩展,增加了一个通信调度管理实体,用于对报文发送进行调度以避免碰撞,解决了以太网的通信延迟不确定性。此外,针对工业控制系统中设备管理、数据传输等需求,EPA还定义了统一的应用层协议栈,解决了工业控制领域中以太网设备间的互通问题。研究了EPA应用层协议栈原理。根据协议栈的模块化结构,采用面向对象的思想及C++程序设计语言,在嵌入式Linux系统的应用层中开发了管理信息库类EPASMIB、套接字映射实体类EPASMPE、系统管理实体类EPASME和应用访问实体类EPAAAE。类的成员函数实现了EPA应用层实体需要的各项服务。研究了EPA链路层协议栈结构,分析了EPA通信调度管理实体的报文调度规则。以软件/硬件定时器的方式实现了周期报文的定式发送;通过内核QoS接口实现了报文的优先级缓存:通过修改Linux内核网络协议栈中链路层部分相关位置代码,实现了EPA链路层通信调度管理实体的协议状态机。选择一致性测试作为验证所开发的EPA协议栈功能正确性的方法。根据EPA协议一致性测试原理,组建了一致性测试平台。使用浙江中控技术股份有限公司开发的测试软件EPATester对实现的EPA应用层及链路层协议栈进行了一致性测试。测试结果表明,开发的EPA通信协议栈符合EPA标准。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 工业以太网
• 1.1.1 以太网简介
• 1.1.2 工业以太网的技术要求
• 1.1.3 以太网作为工业控制网络的技术障碍
• 1.2 工业以太网研究现状
• 1.2.1 硬件改进方式
• 1.2.2 软件改进方式
• 1.2.3 标准化的实时以太网解决方案
• 1.3 课题主要内容及本文结构
• 2 EPA实时以太网协议
• 2.1 EPA简介
• 2.2 EPA系统模型
• 2.2.1 对OSI基本参考模型的映射
• 2.2.2 EPA系统组成
• 2.3 协议栈实现平台
• 2.3.1 硬件平台简介
• 2.3.2 软件平台简介
• 3 EPA应用层协议栈的实现
• 3.1 管理信息库
• 3.1.1 管理信息库结构
• SMIB类的实现'>3.1.2 EPA_SMIB类的实现
• 3.2 套接字映射实体
• 3.2.1 套接字映射实体服务规范
• SMPE类的设计与实现'>3.2.2 EPA_SMPE类的设计与实现
• 3.3 系统管理实体
• 3.3.1 系统管理实体服务规范
• SME类的实现'>3.3.2 EPA_SME类的实现
• 3.4 应用访问实体
• 3.4.1 应用访问实体服务规范
• AAE类的实现'>3.4.2 EPA_AAE类的实现
• 4 EPA数据链路层协议栈的实现
• 4.1 EPA通信调度管理实体
• 4.2 定时器的实现
• 4.2.1 Linux内核软定时器
• 4.2.2 高精度硬件定时器
• 4.3 报文入队出队规则集的实现
• 4.3.1 Linux内核的QoS接口
• 4.3.2 EPA的QoS调度规则集
• 4.3.3 调度规则集的安装及卸载
• 4.4 协议状态机的实现
• 4.4.1 状态机控制参数
• CSME协议状态机的Linux实现'>4.4.2 EPA_CSME协议状态机的Linux实现
• 4.5 调度结果验证
• 5 EPA协议栈一致性测试
• 5.1 一致性测试原理
• 5.2 一致性测试流程
• 5.3 一致性测试结果
• 5.3.1 系统管理实体测试组
• 5.3.2 应用访问实体测试组
• 5.3.3 对象属性测试组
• 5.3.4 时间同步测试组
• 5.3.5 确定性调度测试组
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢