（检测技术与自动化装置专业论文）基于epa+wireless的无线接入网关设计.pdf

摘要 摘要 近年来，使用方便、维护简单、灵活度高的无线技术越来越广泛地应用于工 业控制领域。但无线通信只是有线通信的一种发展和重要补充，而不是替代，如 何将无线网络接入到传统的有线解决方案中，如e p a 标准，已经成为一个新的 研究热点。无线网关在提高整个接入系统性能和效率方面，具有重要的作用。本 文研究基于e p a w i r e l e s s 的无线接入网关，主要工作和创新点如下。 1 在网关的网络层和传输层之间增加桥接协议，实现e p aw i r e l e s s 协议与 有线协议的转换。桥接协议有两个作用：为e p a 无线设备映射一个i p 地址，并 建立设备信息表；对e p a 无线数据和e p a 数据进行报文格式转换。 2 提出一种基于t d m a 的周期性调度算法( e p a 无线调度算法) ，并实现 e p a 无线网段和有线网段的并行调度。e p a 无线调度算法根据实时性不同，将通 信宏周期分为周期报文传输阶段和非周期报文传输阶段。在周期报文传输阶段， 每个设备都被分配了时间片用于传输实时性要求比较高的数据；在非周期报文传 输阶段，网关设备按照非周期报文的不同优先级为各设备分配时间片。 3 提出了非周期时间片的分配方法和通信宏周期的确定方法。采用这两种 方法，可以对e p a 无线调度算法进行非周期时间片分配，并确定其宏周期。这 两种方法与e p a 无线调度算法结合，可以将设备丢包率降低到万分之一。 4 实现对无线网段设备和有线网段设备的组态。网关采用两个i p 地址， 并相应的建立两个系统管理信息库，实现对无线网段设备和有线网段设备的组 态。 关键词：e p a w i r e l e s s ，无线接入，网关，桥接协议，调度算法 i i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s st e c h n o l o g yi sq u i c k l yd e v e l o p e df o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o ni nr e c e n tt i m e ， w o r k i n ga sa ne x t e n s i o no fw i r e di n d u s t r i a ln e t w o r k s i n c et h e r ei sn oo b v i o u st e n d f o rw i r e l e s se m p l o y e da sar e p l a c e m e n tf o rt r a d i t i o n a lw i r e dc o m m u n i c a t i o n s ，i ti s w o r t hf o c u s i n go nt h e i ri n t e g r a t i o nw i t hp o p u l a ri n d u s t r i a lw i r e ds o l u t i o n s ，s u c ha s e p as t a n d a r d i no r d e rt oa c h i e v ee f f i c i e n c ya n dp e r f o r m a n c ef o rt h eo v e r a l l n e t w o r k e ds y s t e m ，w i r e l e s sa c c e s s g a t e w a yp l a y sa ni m p o r t a n t r o l e i nt h e s e i n t e r c o n n e c t i o n s f o rw i r e l e s si n t e g r a t i o nw i t he p aw i r e dn e t w o r k ，w ed e v e l o p e da s e to ft e c h n o l o g i e sb a s e do ne p aw i r e l e s sg a t e w a y 1 ab r i d g ep r o t o c o li sp r o p o s e db e t w e e nn e t w o r kl a y e ra n dt r a n s p o r tl a y e ri n t h i s t h e s i s ，a c h i e v i n gp r o t o c o lt r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nw i r e da n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h e r ea r et w om a i nf u n c t i o n so ft h i s b r i d g ep r o t o c o l ：m a pi p a d d r e s s e sf o re p aw i r e l s sd e v i c e s ，b u i l tu pi n f o r m a t i o nl i s tf o re a c hw i r e l e s sd e v i c e a n dd e a l i n gw i t hp a c k e t sp a s st h r o u g ht h et w od i f f e r e n tn e t w o r k s 2 。at d m ab a s e dl i n kl a y e rs c h e d u l es c h e m ef o re p aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i sa l s op r e s e n ti nt h i st h e s i s ，w h i c hc a nc o o r d i n a t ew i t ht h ee p ac o m m u n i c a t i o n s c h e d u l em a n a g e m e n te n t i t y ( c s m e ) w i t hu n i f i e de m b e d d e dm o d u l e i ne p aw i r e l e s s ， c o m m u n i c a t i o nm a c r o c y c l ei sd i v i d e di n t ot w op e r i o d s ：c y c l ep e r i o da n dn o n c y c l e p e r i o d ，w h i c ha r es p e c i a l l yd e s i g n e df o rc y c l ep r o c e s sd a t af o rr e a l t i m et r a n s m i s s i o n a n dn o n c y c l ed a t at r i g g e r e db yp r o c e s se v e n t ss e p a r a t e l y f u r t h e rm o r e ，n o n c y c l e d a t aa r ec l a s s i f i e di n t o m u l t i p l ep r i o r i t i e s t o s a t i s f yt h e i rd i f f e r e n tr e a l t i m e r e q u i r e m e n t s 。 3 u n d e rt h ea b o v ec o m m u n i c a t i o ns c h e d u l e s t r u c t u r e ，t i m e s l o ta s s i g n m e n t a l g o r i t h mf o rn o n c y c l ep e r i o di sp r o p o s e da l o n gw i t ht h em a c r o c y c l ec a l c u l a t i o n m e t h o d t h e r e f o r e ，t h et i m e s l o tl e n g t ho ft h em a c r o c y c l ei sd e t e r m i n e da n d n o n c y c l ed a t at r a n s m i s s i o ns c h e d u l eb e t w e e nd i f f e r e n tn o d e si nw i r e l e s sn e t w o r ki s a c h i e v e d p a c k e tl o s tr a t ei sr e d u c e dt o0 10b yc o m b i n i n gt h e s et w om e t h o d 4 p a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o n sf o ra p p l i c a t i o nl a y e rb o t hf o rw i r e da n dw i r e l e s s d e v i c e sa r ea c t u a l i z e d 。i nt h ep r o c e s s ，w i r e l e s sg a t e w a yi sm a pi n t ot w ov i s u a ld e v i c e s ： aw i r e de p ad e v i c ei nw i r e dn e t w o r ka n dae p aw i r e l e s sd e v i c e ，w i t ht w oi p a d d r e s s e sa s s i g n e d k e y w o r d ：e p aw i r e l e s s ，w i r e l e s sa c c e s s ，g a t e w a y , b r i d g ep r o t o c o l ，s c h e d u l e v 浙江大学硕士学位论文 s c h e m e v i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示诩 意。 学位论文作者签名：高谚求 签字日期：汐fo 年弓月7f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿本堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字闩期： 年 月同签字只期：0 口缉多月，易日 致谢 致谢 攻读硕士研究生的两年多时间即将过去了；在这段求学的道路上，我得到了 许多师长、同学和朋友给予的帮助和支持，在此表示诚挚的感谢。 首先，我要感谢我的导师冯冬芹教授。冯老师渊博的学识、严谨求实的工作 作风、平易近人的态度一直深深的影响着我，为我在学术上和生活上都树立了楷 模。冯老师不仅在学业上给予了我极大的帮助，还在人生的发展道路上给予我珍 贵的指点。在课题进行的过程中，我还得到了浙大中控技术有限公司e p a 标准 研究中心唐建生、徐斌、陈根等众多员工的支持和帮助，对他们表示衷心的感谢。 感谢智控所1 0 8 的同学们一张赫男、谢东凯、虞乐丹、张安坤、李明辉、郭 远星、周超、段新等，在学习和生活中给予的帮助。 感谢鲁立、傅东旭、朱予辰，在你们的协助下，才完成了一系列繁琐的实验。 特别感谢我的父母和家人，没有他们的支持和关怀，我是不可能完成学业的。 最后，谨将此文献给所有关心和帮助过我的人。 高汉荣 2 0 1 0 年3 月于浙大玉泉 1 绪论 1 1 课题背景和研究意义 e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 标准【1 】是我国自主研发的基于以太网、 无线局域网等信息网络通信技术的工业控制网络通信标准。它将e t h e r n e t 、t c p i p 等商用计算机通信领域的主流技术直接应用于工业控制现场设备问的通信，是一 种基于工业以太网的现场总线解决方案，实现控制系统与现场测量控制装置之 间，以及现场测量、执行机构之间的通信【2 1 。 e p a 标准定义了确定性通信调度控制方法、网络安全导则、必要的通信规范 与服务接口，以及基于e p a 的分布式现场网络控制系统体系结构、模型与特征， 同时制定了复杂工业环境下的应用导则，应用于复杂工业现场的环境适应性要 求，包括机械环境适应性、气候环境适应性、电磁兼容性以及可靠性等要求，为 建立基于e p a 的控制系统及其应用提供指导。e p a 标准通过增加一些必要的改 进措施，改善以太网的通信实时性，在以太网、t c p i p 协议之上定义工业控制 应用层服务和协议规范，将在i t 领域应用较为广泛的以太网( 包括无线局域网， 蓝牙) 以及t c p i p 协议应用于工业控制网络，实现工业企业综合自动化系统中 由信息管理层、过程监控层直至现场设备层的无缝信息集成。 近年来，无线网络成为工控领域中迅速发展的热点之一，也是工业自动化产 品未来的新增长点【3 1 。显而易见，在配置、安装、修改和扩展等方面，无线网络 的成本都低于有线网络。特别是通过无线网络可以很方便地接入移动设备，例如 在物流过程中的装载和运输如若采用无线网络，将大大提高工作人员的工作效率 和精确性。近些年来要求设备( 包括移动设备) 的无线连接的呼声日趋强烈，这 也使得无线系统的增长呈指数增长，预示无线通信也实质性地进入工业控制领 域。 无线通信网络在流程工业中的应用受到越来越广泛的重视，美国仪表与系统 学会i s a ，成立了专门的工作组s p l 0 0 ，负责制定工业无线传感器网络的相关标 准，并计划将该标准作为提案，提交i e c ，促进工业无线传感器网络相关国际标 准的制定工作。h a r t ，f f 等现场总线标准也正在研究推出符合自身特点，能与 自身设计的现场总线系统实现无缝连接的无线标准。其中无线h a r t ，已经在工 业现场得到应用和验证。 浙江大学硕：l 学位论文 作为现场总线国际标准之一的e p a 工业以太网国际标准，也迫切需要进行 e p a 无线技术的研究，解决无线技术在e p a 的需要，制定并开发出相关的无线 e p a 标准，支持e p a 标准的系列化进程，并将e p a 无线网络接入到e p a 有线网 络中，实现无线网络和有线网络的无缝链接。 1 2 各种无线接入技术 近年来，工业无线技术的高灵活、易维护、易使用等特点使其越来越广泛的 应用于工业控制领域，但无线通信只是对有线通信的重要补充，而不是替代，工 业无线网络和有线网络相结合的混合网络将成为工业控制网络的发展趋势。现在 人们已经提出了很多种无线接入方案【4 母】，在这些方案中，网关作为连接无线网 络和有线网络的接入设备，其功能主要包括完成无线协议和有线协议的转换；实 现无线网络和有线网络的互联；管理无线网络的通信调度等。以下简单介绍三种 工业无线通信标准的接入方案。 1 2 1i s a l 0 0 1 l a 无线接入技术 2 0 0 4 年1 2 月，美国仪表系统和自动化学会成立了工业无线标准s p l 0 0 委员 会，i s a s p l 0 0 标准委员会着重在三方面制定标准：运用无线技术的环境、无线 通信设备和系统技术的生命周期和无线技术的应用。s p l 0 0 委员会在各种技术提 案的基础上，选择过程控制应用作为突破口，成立了s p l 0 0 1 l a 工作组，力争推 出一个面向过程控制应用的工业无线技术子标准，目前已经推出该标准的草案。 i s a l 0 0 1 l a 1o 】的网络结构如图1 - 1 所示，逻辑上，其主要设备类型包括：现 场设备和网络支撑设备。其中，现场设备在逻辑上又分为非路由设备、现场路由 器和现场调试设备，网络支撑设备在逻辑上分为网关和骨干网路由器。此外，系 统还包含系统管理器以及安全管理进程两个功能模块。 i s a l 0 0 1 l a 网关为现场设备和控制层网络之间提供接口，或直接作为控制层 网络的一个应用终端，完成i s a l 0 0 1 l a 通信和非i s a l 0 0 1 l a 通信之间的过渡。 因此，网关的应用程序中应包含三部分，与现场设备应用层通信部分，与控制系 统应用层通信部分，以及数据转换部分。网关可以具有系统管理功能，配置和监 测网络运行，执行基于政策的控制，报告通信配置、性能和运行状况；还可以具 有安全管理功能，保证安全系统操作。i s a l 0 0 1 l a 系统可以存在多个网关，设备 将在系统管理进程的指导下将其数据传送与特定的网关对应起来，充当圈关的作 用的设备应该能执千亍i s a l 0 01 l a 物理层协议 田1 - 1 s a l 0 0i l a 的网络结构田 2 2 无线h a r t 无线接入技术 2 0 0 4 年，h a r t 适信基金会宣布开始制定无线h a r t 协议，作为h a r t 现 场通信协议第7 版h a r t7 0 的棱心部分与所有符合h a r t 协议的仪表和设备 一样，无线h a r t 向后兼容现有的h a r t 设备和应用无线h a r t 的规范和通 信协议己在2 0 0 7 年6 月正式通过 无线h a r _ i i “规定了三种主要的网络设备：无线h a r t 现场设备，无线h a r t 网关和无线h a r t 网络管理器无线h a r t 支持无境h a r t 适配墨以便将现 有的h a r t 设备接入无线h a r t 网络，还支持无线i l a r t 手持设备，以便就近 接入相邻的无线h a r t 设备各种设备配合工作，最终形成如图1 - 2 所示的体系 结构，并实现过程控制应用以及无线网络自身的管理 围l2w i r e 踊h a r t 体糸结构 唰关配有一个或更多a p ，实现场控制网络和无线h a r t 网络间的信息交互， 同时也是时钟同步的主时钟。在无线h a r t 网络中，网关仅承担现场无线h a r t 仪表与主应用系统之问的通信，它既支持一个或多个接八点，又和其接八点都包 括在每个无线h a r t 网络中另外也支持冗余网关的结构。网络管理器负责网 络的组恋，无线h a r t 网络设备王间的通信调厦，路径表的管理和无线h a r t 网络健康状况的报告。这一特点与许多无线短程网规定的嘲关需要承担网络的蛆 态有显著的不同，较好地解决7 工业控制系统要求以冗余机制获取可靠传输的要 求。 2 3 工业无线网络w i a p a 规范无线接入技术 用于工业过程自动化的无线网络w i a p a l l2 1 ( w i r e l e s sn e t w o r k s 如r i n d u s t r i a la u t o m a t i o n p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 规范是在中科院沈阳自动化研究所牵 头下，联合淅江大学、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、重庆邮电大学等 单位，由我国科技人员自主研发成功的。w i a p a 规范干2 0 0 8 年1 0 月3 1 日经 过国际电工垂员会( i e c ) 全体成员目的投票通过，作为公共可用规范i e c p a s 6 2 6 0 1 标准化文件正武发布。w i a p a 无线网络包含5 类物理设备，王控计算机、 网美设备、路由设备，现场设备和手持设备。w i a p a 采用星型和阿状结合的两 层网络拓扑结构，物理结构图如图i - 3 所示。第一层为网状结构，由网关及路由 设备组成；第二层为星型结构，包括路由设备及现场设备或手持设备 + 、戳。：冷j + ! 泼。j。g 菇 2 5 5 ，则表示目的节点为有线节点，若小于 2 5 5 ，则表示为e p a w i r e l e s s 网络节点。 源地址：1 6 位源节点的地址，格式同上。 序列号：报文标识，设备每发送一个数据，该值加1 。 2 1 4e p a w i r e l e s s 通信的特点 e p a 无线物理层采用i e e e 8 0 2 1 5 4 的物理层，m a c 层和网络层由自己定义， 因此e p aw i r e l e s s 即具有i e e e 8 0 2 1 5 4 的一些特点也具有自身的一些特点。 e p a w i r e l e s s 的特点如下： ( 1 ) 低功耗。e p aw i r e l e s s 采用与i e e e 8 0 2 1 5 4 相同的m a c 层帧格式，采用 的射频芯片可以相同，因此具有与i e e e 8 0 2 1 5 4 相同的低功率特性。 ( 2 ) 短距离。节点设备间的距离一般在1 0 7 5 m ，用于短距离通信【3 0 1 。 ( 3 ) 低数据传输率。数据传输率只有1 0 2 5 0 k b s ，用于低速率通信。 ( 4 ) 低成本。e p a 物理层采用i e e e s 0 2 1 5 4 的物理层，数据传输速率低， m a c 层和网络层的协议也比较简单，因此成本比较低。 * “大学碗i 学位皓立 ( 5 ) 自组网e p a w i r e l e s s 的网络层支持自组网功能。 2 2e p aw i r e l e s s 接入系统结构 图2 5 为将e p aw i r e l e s s 网络接入到e p a 有线册络的京统结构图，e p a w i r e l e s s 网络和e p a 有线网络属于不同的网段，通过网关，e p a w i r e l e s s 网络接 入到e p a 有线网络中。 e p a w i r e l e s s 网络通过自组网组成图中所示的“簇”彤结构，并通过圜关将 数据发送给e p a 网桥川m i ，最终通过e p a 圈桥将数据发送到e p a 监控层。 无线网络由三种设备组成：网关节点、路由节点和终端节点。其中d i 为回 关节点，负责连接无线网络和e p a 有线网络，宴现无线设备和e p a 有线设备之 问的通信，d 2 、d 3 为路由设备，除负责基本的敷据采集和处理之外，还可对其 他节点的数据进行转发；其余节点为终端节点，负责教据的采集和处理。该网络 不满足任意节点之间的通信，各节点只能与其相连的父节点或子节点通信，同一 父节点的子节点之间不可以通信。每个父节点都规定了其最太子节点的数目，选 到最大值后，持不允许新的设备加入成为其子节点。各无线节点之间利用短地址 进行通信。 国2 - 5e p a 无线接八杀统结构图 以筑 帑 _ ；薹 2 无线接入网关总体设计 2 3 接入方案总体设计 网关是一种集成e p aw i r e l e s s 通信标准和e p a 有线通信标准的短程无线通 信设备。网关既可以与有线设备通信，又可与无线设备通信，并负责整个无线网 络的管理、调度和优化。e p a 无线接入网关的设计目标是将e p a w i r e l e s s 网络接 入到e p a 有线网络中，将e p aw i r e l e s s 设备映射为一个有线设备，并实现无线 设备和有线设备之间的通信。 在本文的e p a 无线接入网关设计方案中，网关被分配两个i p 地址，一个有 线网段i p 地址和一个无线网段i p 地址，如图2 - 5 中所示，网关被分配了一个有 线网段3 的i p 地址1 2 8 1 2 8 3 2 5 4 和一个无线网段5 的i p 地址1 2 8 1 2 8 5 2 5 4 。有 线网段i p 地址用于网关与有线网段设备的通信，无线网段i p 地址用于网关接收 有线设备发给无线网段设备的数据，利用无线接入网关的转发，实现有线设备和 e p a w i r e l e s s 网段设备之间的通信。相应的通过网关每一个e p a w i r e l e s s 设备都 被映射一个无线网段i p 地址。无线网络设备之间进行通信时，按照短地址进行 通信，当无线设备与有线设备通信时，采用i p 地址进行通信，根据i p 地址的网 段号判断通信设备是无线设备还是有线设备。 2 3 1 网关设计目标 作为e p aw i r e l e s s 网络连接到e p a 现场总线的接入点，网关应支持完整的 e p a 协议栈和e p aw i r e l e s s 协议栈，其次网关应考虑e p aw i r e l e s s 网络通信的 实时性、确定性等问题。下面是接入网关的设计目标： ( 1 ) 支持完整的e p a 协议栈和e p aw i r e l e s s 协议栈 可以支持e p a 网络通信，支持e p a 规定的各条服务，能够实现与上位机组 态软件、e p a 现场设备的连接。作为e p a w i r e l e s s 网络的一部分，可以支持无线 网络通信，支持自组网及路由协议。 ( 2 ) 实现协议转换 为了保证e p a 无线节点和e p a 有线设备之间的相互通信，网关支持e p a 无 线数据和e p a 数据之间的协议转换，实现将无线节点映射为一个有线节点，并 为无线节点映射一个独立的无线网段i p 地址。 ( 3 ) 设计无线通信调度方案并实现无线通信和有线通信的并行调度 浙江大学硕上学位论文 为了满足无线网络通信的实时性和确定性要求，应设计无线通信调度方案， 网关采用该调度方案实现对e p a w i r e l e s s 网络的调度管理。作为无线网络和有线 网络的接口，网关应支持无线调度和有线调度的并行。为了实现通信调度，应有 高精度的时钟同步精度和系统定时器服务的支持。 ( 4 ) 设计并实现组态软件对无线网段设备和有线网段设备的组态 在e p a 网络中，设备进入可操作状态之前，需要对设备基本信息、分布式 应用的组态。e p a w i r e l e s s 网络作为e p a 网络的一部分，并被映射为一个有线设 备，也应支持组态软件对它的各种操作，实现组态软件对网关无线网段和有线网 段的双组态。 2 3 2 网关设计各模块 根据以上设计目标，我们设计的网关系统模型如图2 - 6 所示，网关设计主要 分为以下三个模块： ( 1 ) 桥接协议设计：为了实现e p aw i r e l e s s 设备和e p a 设备之间的通信，设 计了桥接协议模块负责完成e p aw i r e l e s s 协议与e p a 协议之间的转换，主要用 于完成对数据包的过滤和不同类型数据帧格式的转换。 ( 2 ) 无线和有线通信调度设计模块：为了实现无线网络的确定性、实时性通 信，设计e p a 无线通信调度算法，该调度算法主要由网关来完成，并利用不同 的定时器实现无线网段调度和有线网段调度的并行。 ( 3 ) 无线网段和有线网段组态实现模块：组态软件利用网关有线i p 地址完成 有线网段的组态，利用网关无线i p 地址完成对无线网段设备的组态，通过两次 组态，实现对无线网段设备和有线网段设备的组态。 2 无线接入网关总体设计 图2 6 网关系统化模型 以下几章将详细介绍网关设计的各个模块。 2 4 硬件设计 网关用于组合从各个传感器节点得到的数据并转发至e p a 网桥。考虑到当 前工业以太网系统的调度、实时性、时间同步等对性能的要求，网关节点采用先 进的3 2 位a r m7 【3 3 1c p u 作为主处理器，这样可以大大提高数据处理和通讯控 制的运行速度，同时能为现场采样节点以及上层网络提供很好的硬件支持。 网关硬件部分可以分成数据处理单元、以太网通信单元、2 4 g 射频通信单 元以及复位电路及电源模块四大部分，如图2 7 所示。数据处理单元采用基于微 处理器a t 9 1 r 4 0 0 0 8 3 4 屿f l a s h 芯片s s t 3 9 v f l 6 0 t 3 5 1 来实现；以太网通信单元采 用i o m i o o m 自适应网卡a x 8 8 7 9 6 1 3 6 1 实现；复位电路采用x 2 5 0 4 5 复位芯片及一 些逻辑门实现；射频电路由符合i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的射频芯片c c 2 4 2 0 及一些外 围匹配电路实现；电源模块完成2 4 v 总线供电到3 3 v 和1 8 v 工作电压的转换， 为各个单元供电。 浙江大学硕+ f ：学位论文 图2 7 网关节点的硬件体系结构 2 5 软件设计 网关内部程序的主要功能是实现e p a 应用层服务、e p a 和e p aw i r e l e s s 协 议栈、以及e p a 协议和e p aw i r e l e s s 协议之间的转换，最终实现e p a 网络各设 备之间、e p a w i r e l e s s 网络各设备之闻、e p a 设备与e p a w i r e l e s s 设备之间的有 序通信。为了实现这些功能，网关软件模块建立了三个任务主循环任务 m a i n l o o p t a s k 、系统时钟任务o s t i c k t a s k 、收包处理任务p k t r c v t a s k 。各任务 驱动流程如图2 8 所示。 2 无线接入网关总体设计 图2 - 8 任务驱动流程图 在m a i n l o o p t a s k 任务中，主要处理系统对实时性要求最低的延时事件、用 户应用程序以及系统对慢速设备的操作。 在p k t r c v t a s k 任务中，完成对报文( e p a 服务报文、普通u d p 报文和无线 报文) 的解析，并调用相应套接字的回调函数，完成报文应用层的处理，相应地 报文的响应也将在该任务中执行。处理流程如图2 - 9 所示。 图2 - 9p k t r c v t a s k 任务处理流程图 在o s t i c k t a s k 任务中，完成u c o s i i 中的操作系统时钟的操作，以及完成 通信调度定时事件( 功能块执行事件、周期偏移时间事件、周期时间开始事件、 非周期时间开始事件) 的处理和调度报文的处理。处理流程如图2 1 0 所示： 浙江大学硕： ：学位论文 有线调度定时 系统时钟 、 n 有线调度定 时事件处理 无线调度定 时事件处理 j 堕薹n 田 ! 磊= 翮 图2 1 0o s t i c k t a s k 任务处理流程图 2 6 本章小结 本章主要介绍了e p a 无线接入网关的总体架构，首先介绍了e p aw i r e l e s s 通信标准，然后介绍了e p a 无线接入的系统结构，接着，提出了无线接入网关 的设计方案，制定了网关的设计目标，并把网关设计分为三个模块，最后，介绍 了网关的硬件设计，并根据功能需求设计了系统的软件模块。 哭一 3 桥接协议设计 e p a 无线接入网关的作用是连接e p aw i r e l e s s 网络和e p a 有线网络，为其 提供透明传输。 - 3 两个网络的设备进行通信时看不到网关的存在，e p aw i r e l e s s 网络和e p a 有线网络之间的通信就如同在一个网络上一样。 e p a 无线 网络层t i 无线调度i i i e e e 8 0 2 1 54 i m a ci l e e e 8 0 2l5 4 i 物理层i i l e p a 无线设备 r - e i 赢1 i ： ： 输层 i ；箩”一9 要纂菇鬻嬲黟学缓 毓，i ，；勉。巍： 幺垂# 琥缀 l e p a 无线 e p al ： 网络层网络层 l ! 无_ 线t j l 度 l e p a t j l 度i l i ! i e e e m 8 a 0 2 c 1 5 4 i e e e 8 0 2 3i m a c i i ii e e e 8 0 2 1 5 4 i e e e 8 0 23 i ：物理层物理层l e p a 伞应用层iepa ；传输层 i e p a i 网络层i i epatjiijgi l i e e e s 0 2 3m a c l i e e e 8 0 2 3l 物理层 图3 - 1e p a 无线设备接入模型 e p aw i r e l e s s 网络是按照网络短地址进行通信，采用e p a 无线报文格式，而 e p a 有线网络是按照i p 地址进行通信，采用e p a 有线报文格式。为了实现无线 网络设备和e p a 有线设备之间的通信，我们在网关的网络层与传输层之间增加 了桥接协议，如图3 - 1 所示，桥接协议的功能如下： ( 1 ) 为e p a 无线设备映射一个无线网段i p 地址，并建立e p a 无线网络设备 信息表，用于数据包的过滤。 ( 2 ) 完成e p a 网络和e p aw i r e l e s s 网络之间数据包的转发和协议转换的功 能。 3 1 地址映射 e p a w i r e l e s s 网络设备之间进行通信时，按照网络短地址进行通信，e p a 有 线网络设备之间通信时，采用i p 地址进行通信，为了把e p aw i r e l e s s 设备映射 为e p a 有线设备，就必须为e p a w i r e l e s s 设备映射一个无线网段i p 地址。我们 采用根据短地址进行i p 地址映射的方法，e p a 无线网络设备的i p 地址采用网络 2 l 浙江大学硕_ j ：学位论文 号加短地址的方式，如e p a 无线设备的短地址为3 ，无线网络为5 网段，则该设 备映射后的的i p 地址为1 2 8 1 2 8 5 3 ，如图2 5 中所示，列出了各无线节点映射 后的i p 地址。 网关建立了一个e p a 无线网络设备信息表用于维护e p a 无线设备的i p 地址 等信息，e p a 无线信息表的格式如表3 1 所示。e p a 无线设备通过自组网过程获 得自己的短地址后，会定时的向网关发送设备声明报文，网关接收到设备声明报 文后，会将设备的i p 地址，父节点的i p 地址、节点所在层数等信息存入设备信 息表中。若在一个连续的时间段内，无线设备没有发送设备声明报文，就表示该 节点已退出网络，网关就会从设备信息表中将该设备信息删除。同时，若当网关 接收到无线设备的非周期声明中包含网络结构变化信息时，也会对设备信息表进 行操作，该内容将在4 2 4 节详述。设备信息表用于网关对接收到的数据包进行 过滤，对于和网关不属于同一无线网段的设备发送的数据包，网关不处理。 表3 - 1 设备信息表格式 无线节点i p 地址父节点i p 地址无线节点所在的层数 12 8 1 2 8 5 21 2 8 1 2 8 5 11 1 2 8 1 2 8 3 31 2 8 1 2 8 1 3 22 1 2 8 1 2 8 3 4 1 2 8 1 2 8 3 22 3 2 报文格式转换 如图3 2 为e p a 无线报文和有线报文之间的报文格式转换示意图，需要传输 的e p a 数据的端口号、应用层数据等信息封装在下图中的u s e rd a t au n i t 中。当 报文从一种协议格式转换到另一种报文格式时，u s e rd a t au n i t 部分的内容保持 不变，只需对i p 头和m a c 头进行协议转换，使通信双方了解网络控制信息。 e p a 协议端 报文格式 e p a 无线协 议端报文格式 够”姊鼢” 一a 翁孬溺 c r c # f 。一* 黝l m a c 头 i p 头 lu d p 头 l 琵。：。 ，、， 、i u s e rd a t au n i t 、 ij l 无线 稳艮琴” e p a j ；i t i 习m a c l 层数据霭 结尾。蒯 图3 - 2 报文格式转换示意图 3 桥接协议设计 3 2 1i p 头转换 如图3 3 和图3 - 4 所示，e p a 报文i p 头【3 7 1 与e p a 无线报文i p 头相似，但在 某些域上含义不同或者是或是长度不一致，而且有些域在另一种报文头格式中没 有对应域，如e p a 无线报文i p 头中的8 位控制域，在e p a 报文i p 头中没有直 接对应的域，对于这种情况，我们在转换时直接填入缺省值。 4 位 4 位首8 位服务类型 1 6 位总长度( 字节数) 版本 部长度( t o s ) 3 位 1 6 位标识1 3 位片位移 标志 8 位生存时间 8 位协议 1 6 位首部校验和 ( t t l ) 3 2 位源口地址 3 2 位目的i p 地址 图3 3e p a 报文i p 头格武 8 位8 位 报文类型跳数 1 6 位目的地址 1 6 位源地址 8 位保留域8 位序列号 图3 - 4 无线报文d 头格式 e p a 无线报文i p 头各域的转换如下： 8 位控制域：由e p a 有线设备发送的报文是需要网关节点转发的路由包，因 此应填入路由包类型的缺省值0 x 9 0 。 8 位跳数：接收到的e p a 有线报文需经网关无线转发出去，该域应为网关节 点到目的无线节点所需的跳数。 1 6 位目的地址：该域为无线设备的短地址，因此该域取e p a 报文i p 头目的 地址的最后一个字节。 浙江大学硕士学位论文 1 6 位源地址：源地址为有线节点，因此该域应为e p a 报文i p 头源地址域的 最后两个字节，即网段号和主机号。 8 位保留域：任意值。 序列号：该域直接从e p a 报文e p a 头的m e s s a g e i d 宇段复制。 e p a 报文i p 头各域的转换如下： 版本：4 。 首部长度：5 。 服务类型：e p a 标准规定该域默认设置为0 x 0 0 。 总长度：总长度等于无线报文i p 头中载荷长度的值加上首都长度。 标识：直接复制无线报文i p 头中序列号域的值。 标志：e p a 标准规定了传输的允许的最大报文长度，如果报文超过该长度， 则拒绝发送，因此e p a 报文传输不需要分片。该域应设置为l 。 片位移：由于不存在分片，故该域设置为0 。 生存时间：0 x 2 0 。 协议：0 x 1 1 。 首部校验和：在i p 头形成后，按照校验和的计算方法进行计算并存入该域。 为了计算一份数据报的校验和，首先把校验和字段置0 。然后，对首部中每个1 6 b i t 进行二进制反码求和( 整个首部看成是由一串1 6 b i t 的字组成) ，结果存在校验和 字段中。 源i p 地址：源节点为无线节点，按照3 。l 描述的地址映射原则为无线节点 映射一个i p 地址，并填入该域。 目的i p 地址：同上，该域的高1 6 位设置为0 x 8 0 8 0 ，低1 6 位直接从无线报 文i p 头的1 6 位目的地址域复制。 3 2 2m a c 头转换 e p a 无线报文m a c 头和e p a 有线报文m a c 头格式分别如图3 - 5 和图3 - 6 所示，它们在各域上的意义完全不同，下面详细介绍报文格式转换时m a c 头的 转换方法。 3 桥接协议设计 4 8 位目的地址4 8 位源地址4 8 位类型 图3 - 5e p a 报文m a c 头格式 1 6 位8 位 1 6 位 1 6 位 1 6 位源 1 6 位 目的p a n p a n 帧控制 序列号 目的地址源地址 标识符标识符 图3 - 6 e p a 无线报文m a c 头格式 e p a 无线报文m a c 头各域的转换如下： 帧控制：无线报文传输时，我们采用短地址进行通信，当不需要a c k 时该 位设置为0 x 8 8 4 1 ，需要时设置为0 x 8 8 6 1 。 目的p a n 标识符：由于无线节点和网关处于同一个无线网络，该域的值为 网关的p a n 标识符。 目的地址：该域应为目的节点短地址，根据无线节点口地址的映射规则， 该域高字节应置0 ，低字节可直接从e p a 报文i p 头目的i p 地址域的最低字节复 制。 源p a n 标识符：e p a 有线报文转换为无线报文后，需网关节点进行转发， 因此该域应为网关的p a n 标识符。 源地址：该域为网关节点的短地址。 无线报文转换为e p a 报文时m a c 头的转换算法： 目的地址：网关根据上面讲述的方法获取目的i p 地址，并根据a r p 表获取 该目的i p 地址所对应的m a c 地址，并将此地址存入该域。 源地址：e p a w i r e l e s s 网络采用短地址进行通信，且无线数据转换为e p a 数 据后，需网关节点进行转发，因此该域设为网关节点的m a c 地址 类型：该域应为e p a 标准类型标识符0 x 8 8 c b 。 3 3 报文转发流程 网关节点建立个两个数据缓冲区用于实现e p aw i r e l e s s 网络和e p a 有线网 络之间的数据通信：无线数据发送缓冲区和有线数据发送缓冲区，无线数据发送 缓冲区存放由e p a 有线网络向e p aw i r e l e s s 网络发送的数据，有线数据发送缓 冲区存放由e p a w i r e l e s s 网络向e p a 有线网络发送的数据。 当网关接收到e p a 有线报文时，首先获取目的i p 地址，并判断该i p 地址是 浙江大学硕士学位论文 否属于无线网段，若不属于无线网段i p ，就表示此次