（电路与系统专业论文）epa网络协议栈开发及一致性测试研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 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。 e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 是现场设备层的实时以太网解决方案。它通过 对i s o i e c8 8 0 2 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，e p a 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e p a 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l i n u x 系统的应用层中开发了管理信息库类e p as m i b 、 套接字映射实体类e p as m p e 、系统管理实体类e p as m e 和应用访问实体类 e p aa a e 。类的成员函数实现了e p a 应用层实体需要的各项服务。 研究了e p a 链路层协议栈结构，分析了e p a 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q o s 接口实现了报文 的优先级缓存；通过修改l i n u x 内核网络协议栈中链路层部分相关位置代码，实现了e p a 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e p a 协议栈功能正确性的方法。根据e p a 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e p at e s t e r 对实现的e p a 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e p a 通信协议栈符合e p a 标准。 关键词：e p a 协议；实时以太网；通信调度；一致性 e p a 网络协议栈开发及一致性测试研究 e p an e t w o r kp r o t o c o ld e v e l o p m e h ta n dc o n f o r m a n c et e s tr e s e a r c h a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h e a p p l i c a t i o no fe t h e r n e ti nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l db e c o m e sar e s e a r c hh o t s p o t h o w e v e r ， t h ei n h e r e n td i s a d v a n t a g e so fe t h e m e t ，s u c ha st h eu n c e r t a i n t yo fc o m m u n i c a t i o nd e l a ya n d t h ed e f i c i e n c yo fu n i f o r ma p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l ，h i g h l yp r e v e n ti t ss t e pi n t ot h ei n d u s t r i a l c o n t r 0 1a r e a e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) i sar e a l - t i m ee t h e m e ts o l u t i o ni nf i e l dd e v i c el a y e r i te x p a n d st h ed a t al i n kl a y e rd e f i n e db yi s o i e c8 8 0 2 - 3a g r e e m e n tw i t hac o m m u n i c a t i o n s c h e d u l i n gm a n a g e m e n te n t i t y ，w h i c hs c h e d u l e st h ep a c k a g es e n d i n gt oa v o i dc o l l i s i o na n d t h e r e f o r es o l v e st h eu n c e r t a i n t yo fc o m m u n i c a t i o nd e l a y i na d d i t i o n ，e p ad e f i n e sau n i f o r m a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lt om e e tf o rt h er e q u e s to fd e v i c em a n a g e m e n ta n dd a t at r a n s m i s s i o n i n i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi m p l e m e n t st h ei n t e r c o m m u n i c a t i o na m o n ge t h e m e t d e v i c e si ni n d u s t r yc o n t r o lf i e l d t h eh i b e r a r c h yo fe p aa p p l i c a t i o n l a y e rp r o t o c o l i ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h e m o d u l a r i z e ds t r u c t u r eo ft h ep r o t o c o l ，t h ed e v e l o p m e n to fe p am a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e c l a s se p a _ s m i b ，s o c k e tm a p p i n ge n t i t yc l a s se p l s m p e ，s y s t e mm a n a g e m e n te n t i t yc l a s s e p as m ea n da p p l i c a t i o na c c e s se n t i t yc l a s se p aa a e w h i c ha r ei m p l e m e n t e di nl i n u x a p p l i c a t i o nl a y e r ，u s i n go b j e c to r i e n t e dd e s i g na n dc + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，i si n t r o d u c e d t h ea r c h i t e c t u r eo fe p ad a t al i n kl a y e rp r o t o c o li ss t u d i e da n dt h ep a c k a g es c h e d u l i n g p r i n c i p l e o fe p ac o m m u n i c a t i o ns c h e d u l em a n a g e m e n te n t i t yi sa n a l y z e d t h et i m e d m e s s a g e st r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e dt h r o u g hs o f t w a r e h a r d w a r et i m e r t h ep r i o r i t ym a n a g e m e n t o fm e s s a g e si si m p l e m e n t e dt h r o u g hl i n u xq o si n t e r f a c e t h ep r o t o c o ls t a t em a c h i n ei s d e v e l o p e dt h r o u g ht h em o d i f i c a t i o no fr e l e v a n tc o d ei nl i n u xl l cl a y e r c h o o s ec o n f o r m a n c et e s ta st h ev e r i f i c a t i o nm e t h o do ft h ei m p l e m e n t e de p ap r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt oe p ac o n f o r m a n c et e s tp r i n c i p l e ，t h et e s tp l a t f o r m i se s t a b l i s h e da n dt h e c o n f o r m a n c et e s ti sc a r r i e do u tt h r o u g he p 入j e s t e r ，w h i c hw a sd e v e l o p e db ys u p c o n t e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p l e m e n t e de p ap r o t o c o li si na c c o r d a n c ew i t he p as t a n d a r d k e yw o r d s ：e p ap r o t o c o l ；r e a l t i m ee t h e m e t ；c o m m u n i c a t i o ns c h e d u l i n g ；c o n f o r m a n c e 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：旦里圆络协这拢五发区二塾性测达珏塞 作者签名：至! 煌 日期：三! ! 量年旦月上日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名：彳嘭撇 u 、 一 日期：塑星年j 上月j 盖日 日期： 迦童年l 月2 三日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 在现代工业控制领域，由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散性，以及控 制与监控等任务对实时性的要求，工业控制内在地需要一种分布实时控制系统来实现控 制任判。在分布式实时控制系统中，不同的计算设备之间的任务交互是通过通信网络， 以信息传递的方式实现的。工业通信网络的采用，不仅为实现过程分布控制提供了现实 可行的条件，而且对系统的实时性提出了强烈的要求。为了满足工业控制中对时间限制 的要求，通常采用具有确定的、有限排队延迟的专用实时通信网络。典型的实时通信网 络就是现场总线，它是应用在生产现场，在微机化测量控制设备间实现双向串行多节点 的数字通讯系统，又称为开放式、数字化、多点通讯的低层控制网络，被誉为自动化领 域的计算机局域网。它把各个分散的测量控制设备转换为网络节点，以现场总线为纽带， 连接成为可以互相通信、沟通信息、共同完成自控任务的网络化控制系统。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展的方向，并且促 使目前的自动化仪表、d c s 和p l c 等产品所面临体系结构和功能结构的重大变革，导 致工业自动化产品的又一次更新换代。现行的现场总线国际标准i e c 6 11 5 8 已包含了f f 、 p r o f i b u s 、w o r l d f i p 、p - n e t 、c a n 、l o n w o r k s 等十种类型引。尽管现场总线获得了 巨大的成功，然而现场总线这类专用实时通信网络具有成本高、速度低和支持的应用有 限等缺陷，如何利用c o t s ( c o m m e r c i a lo f f - t h es h e l f ) 技术来满足工业控制需要，是目 前迫切需要解决的问题【3 】。其中，如何把以太网技术应用到工业已经成为工业控制和实 时通信研究的热点。 1 1 工业以太网 1 1 1 以太网简介 以太网是i e e e8 0 2 3 所支持的局域网标准，按照国际标准化组织开放系统互连参考 模型( i s o o s i ) 的7 层结构，以太网标准只定义了数据链路层和物理层，作为一个完 整的通信系统，它需要高层协议支持。在制定t c p i p 高层通信协议，并把以太网作为 其数据链路层和物理层协议之后，以太网便和t c p i p 紧密地捆绑在一起。通常将以太 网和t c p i p 协议一起称作以太网技术。 以太网作为一种成功的网络技术，进入市场已近2 0 年了，在办公自动化和工业界 获得了广泛地应用，目前已经成为最受欢迎的通信网络之一并获得了全球性的技术支 持。以太网具体包含以下几方面优点【4 】： ( 1 ) 应用广泛 e p a 网络协议栈开发及一致性测试研究 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有的 编程语言都支持以太网的应用开发，如j a v a 、v c 、v b 等。这些编程语言由于广泛使用， 并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景。因此，如果采用以太网作为现场 总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。 ( 2 ) 成本低廉 由于以太网应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视和广泛支持， 有多种硬件产品供用户选择，而且硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有 p r o f i b u s 、f f 等现场总线的十分之一甚至百分之一，而且随着集成电路技术的发展，其 价格还会进一步下降。 ( 3 ) 通信速率高 目前以太网的通信速率最低可达1 0 m ，1 0 0 m 的快速以太网已被广泛使用，1 0 0 0 m 以太网技术也已经成熟，1 0 g 以太网正在研究。其速率比目前的现场总线快很多，因此 以太网可以满足对带宽有更高要求的需要。 ( 4 ) 软硬件资源丰富 由于以太网已应用多年，人们对以太网技术的设计、应用等方面有很多的经验，对 其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的整体成本，并大大 加快系统的开发和推广速度。 ( 5 ) 资源共享能力强 利用以太网作现场总线，很容易将i o 数据连接到信息系统中，数据很容易以实时 方式与信息系统上层资源、应用软件和数据库共享。易于与i n t e m e t 互连，能实现办公 自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。 因此，如果工业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的 发展主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展，并保证技术 上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入。 1 1 2 工业以太网的技术要求 所谓工业以太网，即是应用于工业控制领域的以太网技术，它在技术上与商用以太 网( 即i s o8 8 0 2 3 标准) 兼容，但又必须满足工业控制网络通信的需求。一般来讲，工 业控制网络应该满足以下要求1 5 j ： ( 1 ) 具有较好的响应实时性 工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响 应实时性要好，一般为毫秒到0 1 秒级。 一2 一 大连理t 大学硕士学位论文 ( 2 ) 容错性要求 即在网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路； ( 3 ) 力求简洁 以减小软硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性： ( 4 ) 开放性要好 即工业控制网络尽量不要采用专用网络。 根据所处的层次不同，工业控制网络又可分为过程监控层网络和现场设备层网络， 其中过程监控层网络主要用于过程监控、优化、调度等方面信息的传输。其特点是信息 传输具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大，因此要求网络具有较大的带宽，以 前由专用网络如令牌网组成。而现场设备层网络处于工厂综合自动化系统的最底层，用 于连接工业现场变送器、执行机构、远程i o 数据采集器等现场设备。除了满足上述特一 点外，应用于现场设备层网络的工业以太网还应该满足： ( 1 ) 环境适应性要求 包括机械环境适应性( 如耐振动、耐冲击) 、气候环境适应性( 工作温度要求为4 0 8 5 c ，至少为2 0 , - 一7 0 。c ，并要耐腐蚀、防尘、防水) 、电磁环境适应性或电磁兼容性 e m c 应符合e n5 0 0 8 1 - 2 、e n 5 0 0 8 2 2 标准。 ( 2 ) 可靠性要求 即能安装在工业控制现场，且能够长时间连续稳定运行。 ( 3 ) 安全性要求 在易爆或可燃的场合，工业以太网络产品还需要具有防爆要求，包括隔爆、本质安 全两种方式。 ( 4 ) 总线供电要求 即要求现场设备层网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电 源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。 ( 5 ) 安装方便 适应工业环境的安装要求，如采用d i n 导轨安装。 1 1 3 以太网作为工业控制网络的技术障碍 以太网的诸多优势使得它受到越来越多的关注，但如何利用c o t s ( c o m m e r c i a lo f f t h es h e l f ) 技术来满足工业控制网络的需要，是目前迫切需要解决的问题。这些问题包 括通信实时性、可互操作性、现场设备的总线供电、本质安全、远距离通信等，它们直 e p a 网络协议栈开发及一致性测试研究 接影响以太网在工业现场设备中的应用，成为以太网应用于工业控制领域的技术障碍。 其中，通信实时性和可互操作性是两个最为主要的问题。 ( 1 ) 通信实时性问题 以太网采用冲突检测载波监听多点访问( c s m a c d 一一c a 仃i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 机制解决通讯介质层的竞争。其基本工作原理是：某节 点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送；如 果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，它们发送的报文将在网络上发 生冲突，因此每个节点在发送时，还必须继续监听网络。当检测到两个或更多个报文之 间出现碰撞时，节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送。该随机时 间将由标准二进制指数补偿算法确定。重发前的时间在o ( 2 1 。1 ) 之间的时间片中随机 选择( 此处i 代表被节点检测到的第i 次碰撞事件) ，一个时间片为重发循环所需的最 小时间。但是，在1 0 次碰撞发生后，该间距将被冻结在最大时间片( 即1 0 2 3 ) 上，1 6 次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。 当网络负载较重的时候，以太网的这种机制导致了非确定性的产生。因为在一系列 碰撞后，报文可能会丢失，节点与节点之间的通信将无法得到保障，从而使控制系统需 要的通信确定性和实时性难以保证。严重时会导致系统控制性能下降，控制效果不稳定， 甚至会引起系统振荡；在有紧急事件发生时，还可能因报警信息不能得到及时响应而导 致灾难事故的发生，这是以太网应用于工业控制领域的主要障碍。 ( 2 ) 互可操作性问题 互可操作性是指连接到同一网络上不同厂家的设备之间通过统一的应用层协议进 行通信与互用，性能类似的设备可以实现互换。作为开放系统的特点之一，互操作性向 用户保证了来自不同厂商的设备可以相互通信，并且可以在多厂商产品的集成环境中共 同工作。这样一方面提高了系统的质量，另一方面为用户提供了更大的市场选择机会。 互操作性是决定某一通信技术能否被广大自动化设备制造商和用户接受，并进行大面积 推广应用的关键。 由于以太网只映射到i s o o s i 参考模型中的物理层和数据链路层，t c p i p 映射到网 络层和传输层，而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前 r f c ( r e q u e s tf o rc o m m e n t ) 组织文件中的一些应用层协议，如f t p 、h t t p 、t e l n e t 、 s n m p 、s m t p 等，仅仅规定了用户应用程序该如何操作，而以太网设备生产厂家还必 须根据这些文件定制专用的应用程序。这样不仅不同生产厂家的以太网设备之间不能互 相操作，而且即使是同一厂家开发的不同的以太网设备之间也有可能不可互相操作。究 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 其原因，就是以太网上没有统一的应用层协议，因此这些以太网设备中的应用程序是专 有的，而不是开放的，不同应用程序之间的差异非常大，相互之间不能实现透明互访。 1 2 工业以太网研究现状 国内外学者近年来在工业以太网的研究工作中表明，新技术的介入和具有实时功能 的以太网协议的产生，使工业以太网将逐步成为工业控制网络的主流技术。碰撞冲突产 生的带宽问题和排队时延的不确定性问题，在理论上都得到了不同程度的解决。工业以 太网现阶段的研究在以下的方向上取得了初步的成果，同时有待更进一步的深入研究。 目前，主要改进方式可大体分为硬件改进和软件改进两大类。另外，各大公司和标准组 织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案。这些方案建立在i e e e8 0 2 3 标 准的基础上，通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性，并且做到与标准以太网的无 缝连接，这就是实时以太网( r e a lt i m ee t h e m e t ，简称r t e ) 【6 】。 1 2 1 硬件改进方式 ( 1 ) 交互式以太网 交换式以太网是在源端和交换设备的目标端之间提供了一个直接快速的点到点连 接【7 j 。随着现代交换机技术的发展，交换机端口内部之间的传输速率比整个设备层以太 网端口间的传输速率之和还要大。这可减少以太网的冲突率，并为冲突数据提供缓存。 多个交换机把整个以太网分解成许多独立的区域，以太网的数据冲突只在各自的冲突域 里存在，不同域之间没有冲突。这种做法实际上是把以太网进行了更细的划分。每个设 备有自己独立的通道，不需要竞争底层传输通道。而且没有更改原有的以太网协议，可 直接使用普通的以太网卡，大大降低了组网的成本。这种方案也有自身难以克服的缺点。 首先在交换机内部仍然存在多个通道竞争一个端口的现象，虽然在交换机内部的传输率 要大得多，但终会在交换机内部引起冲突；其次，这种结构使得广播数据变得复杂起来， 一个广播报文要在不同的端口重新发送，又增加了交换机的负担；最后，交换机是整个 网络的连接中枢，一旦它出现问题，局部网络就会瘫痪。 ( 2 ) 冗余以太网 冗余以太网是一个环行的结构，这个环保证了在发送失败的情况下数据的安全传 送，即使在几个节点同时失败的情况下，也能保证网络的整体性能【8 】。它需要设计一个 专家系统，并为一些重要的设备配有备用设备或者备用通道。专家系统实时地监测网络 的状态，分析网络的运行状况。在网络负载过大的情况下，启动备用设备或备用通道。 当一台设备发生故障后，可以暂停它的工作，经过一段时间后再重新启动它。其优点在 e p a 网络协议栈开发及致性测试研究 于保证网络可靠地运行，尽可能地减少冲突。但需要大量的硬件成本，而且要设计出一 个完善、可靠的专家系统也非易事。 ( 3 ) 高速以太网 高速以太网是尽可能提高以太网的速度，使网络的带宽很大，从而使数据冲突减小。 但传输的带宽是有限的，不能无限地增加。它只是针对目前以太网的迅速增加而相对传 输数据增加缓慢而提出的一种过渡型模型。 1 2 2 软件改进方式 ( 1 ) 通信量滤波( 仃a m cs m o o t h i n g ) 。 通信量滤波是一种控制算法上的解决方案，它是为以太网上的每一个节点分配一个 输入限制阂( s t a t i o ni n p u tl i m i t ) ，每个节点介质访问控制( m a c ) 层的数据传输率必 须小于这个阈值，这样就可以避免以太网抢占式的数据冲裂1 0 】。阙值的分配有两种方法： 静态分配和动态分配。静态分配是预先为每个节点设定的，在网络运行时不变。阈值是 由该节点数据包的生存周期和可容忍的丢失率经过统计计算得到的。但是，它可能降低 网络的使用率，在通信量不大或者某些节点无需通信的情况下，造成网络资源的浪费。 动态分配是在网络运行的时候，动态地为每个节点分配阈值。阈值是由网络的最大负荷 量、激活节点的个数和数据包的最大延迟时间计算得到的。这种方法需要在以太网上有 一个监测器，通过分析碰撞的频率或者数据包的延迟时间来计算当前网络的状态来确定 阈值。这增加了网络的成本还在一定程度上影响了通信速率。 ( 2 ) t d m a ( t i m ed e v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) t d m a ( t i m ed e v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 策略原理是，每一个节点都预先分配一个 固定的时间片来发送数据，因此可以获得一个可预测的时间行为【1 1 。3 1 。但它的缺点就是 不能反映每个节点的实际带宽需求，效率不高。基于此，r a j e n d r a y 等人提出了p c s m a ( p r e d i c t a b l ec s m a ) 1 4 】，他假定所有的实时信息都是周期性的，是一种离线的静态调 度。f o u n d a 在t d m a 的基础上，给出了具有信息优先级的p c s m a ”j ，它把时间分 为n 个时间片，节点只能在相应的时间片内发送具有最高优先级的数，因此保证了不同 优先级数据不会冲突，介质访问控制的公平性得到了提高。 ( 3 ) 虚拟时间协议v s c s m a m o l l em 和k l e i n r o c k 提出的虚拟时间协议v s c s m a 可以动态的避免冲突，当介质 空闲时，节点不是立即发送数据，而是延迟一个预定的时间后在发送，延迟时间是某个 参数的函数值，例如截至期、松弛期和优先级等。它极大的提高了通信速率，但缺点是 节点以前发送信息的状态无法记录。z h a o w 和r a m a m r i t h a m k 给出了一种基于优先 一6 一 大连理1 = 大学硕士学位论文 级的v t c s m a ，它根据不同的延迟时间分成不同的优先级，优先级越高的信息延迟时 间越短【1 昏1 7 1 。 ( 4 ) 窗口协议( w i n d o w b a s e dp r o t o c 0 1 ) 窗口协议通过在全网采用完全一致的放大，缩小和移动窗口等行为来有效的限制同 时发送信息的个数，进而避免，减少或者解决冲突。传统的窗口协议是不考虑存在时限 信息的，z h a o w 等提出了一种考虑时限信息的方法，它基于l s ( 1 a t e s tt i m et os e n da m e s s a g e ) ，即最近到达的信息被发送的可能性最大【1 8 1 。 1 2 3 标准化的实时以太网解决方案 2 0 0 3 年5 月，i e c s c 6 5 c 专门成立了w g ll 实时以太网工作组，负责制定i e c 6 1 7 8 4 2 “基于i s o i e c8 8 0 2 3 的实时应用系统中工业通信网络行规”国际标准。该标 准包括c o m m u n i c a t i o np r o f i l ef a m i l y2e t h e m e t i p 、c p f 3p r o f i n e t 、c p f 4p - n e t 、c p f 6 i n t e r b u s 、c p f l 0v n e t i p 、c p f l1t c n e t 、c p f l 2e t h e r c a t 、c p f l 3 e t h e m e tp o w e r l i n k 、 c p f l 4e p a ( 中国) 、c p f l 5m o d b u s t c p 以及c p f l 6s e r c o s 等1 1 种实时以太网行 规集。其中，包括我国e p a 实时以太网标准的6 个新增实时以太网将以i e cp a s ( p u b l i c l y a v a i l a b l es p e c i f i c a t i o n ) 公共可用规范予以发表。在上述实时以太网技术中，将有e p a 、 e t h e r c a t 、e t h e m e tp o w e r l i n k 、p r o f i n e t 、m o d b u s i d a 和e t h e m e t i p 等6 个主要的 竞争者【1 9 1 。 ( 1 ) e t h e m e tp o w e r l i n k 实时以太网 奥地利贝加莱( b & r ) 公司开发的e t h e m e tp o w e r l i n k ( e p l ) 标准是一种可满足最 苛刻实时要求( 4 级) 、并已投入实际应用的工业以太网。该公司当初开发e p l 的思路 是在标准以太网基础上建立一个现场总线系统来满足控制中最苛刻的实时要求，同时克 服以上介绍的传统解决方案的局限性。 为避免冲突、尽量利用带宽，e p l 在时间上重新组织了网络中站间信息交换机制， 在c s m a 基础上引入时间槽管理机制。网络其中一个站点充当管理站管理网络通信， 对其他所有站点给定同步节拍，分别分配各站发布权限，各站只能在得到发布权限后才 可发布信息。e p l 采用i e e e l 5 8 8 进行时钟同步。 e p l 接口函数a p i 和标准以太网驱动函数完全兼容。在应用层上，基于i p 的协议 或软件都可不加改动就直接使用。在通信实时性不重要时，如程序下载、系统编程诊断 或参数配置过程中，用e p l 的开放模式可使所有站点作为普通以太网站点的模式来使用 ( 非实时模式) 。在这个模式下e p l 站点对普通以太网来说完全透明。 ( 2 ) p r o f i n e t 实时以太网 e p a 网络协议栈开发及一致性测试研究 p r o f i n e t 实时以太网是由p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l ( p i ) 组织提出的基于以太网的自动 化标准。从2 0 0 4 年4 月开始，p i 与i n t e r b u sc l u b 总线俱乐部联手，负责合作开发与制 定标准。p r o f i n e t 构成从i o 级直至协调管理级的基于组件的分布式自动化系统的体系 结构方案，p r o f i b u s 技术和i n t e r b u s 现场总线技术可以在整个系统中无缝地集成。 p r o f i n e t 提出了对i e e e8 0 2 1 d 和i e e e1 5 8 8 进行实时扩展的技术方案，并对不同实 时要求的信息采用不同的实时通道技术。p r o f i n e t 提供一个标准通信通道和两类实时通 信通道。标准通道是使用t c p i p 协议的非实时通信通道，主要用于设备参数化、组态 和读取诊断数据。实时通道r t 是软实时s r t ( s o f t w a r e r t ) 方案，主要用于过程数据 的高性能循环传输、事件控制的信号与报警信号等。它旁路第3 层和第4 层，提供精确 通信能力。为优化通信功能，p r o f i n e t 根据i e e e8 0 2 1 p 定义了报文的优先级，最多可用 7 级。实时通道i r t 采用了i r t ( i s o c h r o n o u sr e a l - t i m e ) 等时同步实时的a s i c 芯片解决 方案，以进一步缩短通信栈软件的处理时间，特别适用于高性能传输、过程数据的等时 同步传输、以及快速的时钟同步运动控制，在l m s 时间周期内，实现对1 0 0 多个轴的控 制，而抖动不足l “s 。 ( 3 ) e p a 实时以太网 e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 是在国家标准化管理委员会、全国工业过程测 量与控制标准化技术委员会的支持下，由浙江大学、浙江中控技术有限公司、中国科学 院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、清华大学、大连理工大学、上海工业自动化仪表 研究所、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、北京华控技术有限责任公司等单位联 合成立的标准起草工作组，经过3 年多的技术攻关，而提出的基于工业以太网的实时通 信控制系统解决方案【2 们。 由国际电工委员会i e c 于2 0 0 7 年1 0 月5 日发布的实时以太网国际标准应用行规 i e c6 1 7 8 4 2 ，现场总线国际标准i e c6 115 8 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 的投票结果，这些标准均以 1 0 0 的赞成率通过了f d i s ( f i n a ld r a f ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ) 阶段的投票，表明这两 个标准已经正式成为国际标准i s ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ) ，并进入国标标准出版阶段。 其中，e p a 标准协议作为第十四类型t y p e l 4 列入了i e c6 1 1 5 8 3 0 0 n 0 0 5 0 0 6 0 0 ( 分别 对应数据链路层服务数据链路层协议应用层服务应用层协议) ，而e p a 的应用层技术 则作为c p f l 4 ( c o m m o np r o f l ef a m i l y1 4 ，公共行规簇) 列入了实时以太网国际标准i e c 6 1 7 8 4 2 。这也是目前第一个由中国人主持并制定的工业自动化国际标准。e p a 实时以 太网协议栈的软件实现将是本文的研究重点。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 课题主要内容及本文结构 本课题主要通过分析e p a 实时以太网解决方案的协议栈结构，在基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器的嵌入式硬件平台及l i n u x 操作系统软件平台上，实现e p a 通信协议栈程序。其 中，e p a 应用层协议栈采用c + + 程序设计语言，利用面向对象的思想在l i n u x 系统应用 层实现；e p a 链路层协议栈采用硬件定时器配合l i n u x 内核q o s 接口的方式，在l i n u x 系统内核的链路层实现。最后对e p a 网络协议栈的实现进行了一致性测试。 本文的主要结构为： ( 1 ) 第一章简要介绍了以太网和工业以太网的概念，阐述了以太网进入工业控制领 域的技术障碍，并介绍当前工业以太网领域的研究现状及各种实时解决方案。 ( 2 ) 第二章主要分析了e p a 实时以太网协议栈的结构，并简要介绍了协议栈的实现 平台。 ( 3 ) 第三章详细介绍了e p a 应用层协议中管理信息库、套接字映射实体、系统管理 实体和应用访问实体四个主要部分的软件设计思想及面向对象的实现方法。 ( 4 ) 第四章详细介绍了在l i n u x 链路层实现e p a 通信调度管理实体的具体方法，包 括精确定时的实现、报文入队出队规则的实现及协议状态机的实现。 ( 5 ) 第五章介绍了e p a 协议一致性测试规范及方法。并对所实现的e p a 通信协议 栈软件进行了一致性测试。测试结果表明，实现的e p a 协议栈软件符合e p a 标准。 一9 一 e p a 网络协议栈开发及一致性测试研究 2 e p a 实时以太网协议 2 1 e p a 简介 e p a 全称为e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ，是一种用于工业测量与控制系统的实时 以太网标准。e p a 系统是一种分布式系统，它利用i s o i e c 8 8 0 2 3 、i e e e s 0 2 1 1 、 i e e e 8 0 2 1 5 等协议定义的网络，将分布在现场的若干个设备、小系统以及控制监视设 备连接起来，使所有设备一起运作，共同完成工业生产过程和操作中的测量和控制。e p a 系统可以用于工业自动化控制环境。e p a 系统结构提供了一个系统框架，用于描述若干 个设备如何连接起来，它们之间如何进行通信、如何交换数据和如何组态。 e p a 实时以太网技术的攻关，以国家“8 6 3 ”计划c i m s 主题系列课题“基于高速 以太网技术的现场总线控制设备 、“现场级无线以太网协议研究及设备开发 、“基 于蓝牙技术的工业现场设备 、“监控网络及其关键技术研究 ，以及“基于e p a 的 分布式网络控制系统研究和开发”、“基于e p a 的产品开发仿真系统 等滚动课题为 依托，先后解决了以太网用于工业现场设备间通信的确定性和实时性、网络供电、互可 操作、网络安全、可靠性与抗干扰等关键性技术难题，开发了基于e p a 的分布式网络 控制系统，首先在化工、制药等生产装置上获得成功应用。在此基础上，标准起草工作 组起草了我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准用于工业测量与控制系统 的e p a 通信标准。 2 2e p a 系统模型 2 2 1 对0 si 基本参考模型的映射 e p a 网络通信模型参照i s o o s i 开放系统互连模型( i s o7 4 9 8 ) ，取其物理层、数 据链路层、网络层、传输层、应用层，并在应用层之上增加用户层( 采用i e c6 1 4 9 9 6 1 8 0 4 标准) ，在网络层和传输层之间增加e p a 实时通信调度接口【2 1 1 。e p a 对i s o o s i 模型 的映射关系如表2 1 所示。 ( 1 ) 物理层和数据链路层 为e p a 提供数据传输物理道，并描述了多个设备共享通信信道的一种机制。在e p a 中采用了i e e e8 0 2 系列范围，即i e e e 8 0 2 3 、i e e e 8 0 2 11 和i e e e8 0 2 1 5 ，但在传输介 质与物理接口上增加适用于工业生产现场的应用导则。 大连理工大学硕士学位论文 表2 1e p a 对i s 0 0 s i 模型的映射 t a b 2 1i s o o s im a p p i n go fe p a i s o 各层e p a 各层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 ( ( 用户层) 用户应用进程) h t t p 、f t p 、d h c p 、s n t p 、s n m p 等 e p a 应用层 未使用 t c p ，u d p i p e p a 通信调度管理实体 i s o i e c8 8 0 2 - 3 i e e e8 0 2 1l i e e e8 0 2 15 ( 2 ) e p a 实时通信管理接口 e p a 通信调度接口定义了网络层( t p 层) 与数据链路层( m a c 层) 之间的接口， 用于控制由网络层到m a c 层的实时数据包与非实时数据包的传输调度，以满足e p a 通 信过程的实时性。 ( 3 ) 网络层和传输层 e p a 的网络层和传输层为e p a 应用层提供报文传输的平台，采用t c p ( u d p ) i p 协议集，其中u d p 协议不需要在通信两端建立连接和确认，用于实时通信；对于实时 性要求不高、对传输的可靠性要求高的应用，可使用t c p 协议，也可使用u d p 协议。 ( 4 ) 应用层 e p a 应用层为e p a 设备之间周期和非周期的传输数据提供通信通道和服务接口。 它由e p a 实时通信规范和通用通信协议两部分组成。其中e p a 实时通信规范是专门为 e p a 实时控制应用进程之间的数据传输提供通信通道和服务接口。而通用通信协议则主 要包括h t t p 、f t p 、t f t p 等互联网络中广泛使用的协议。 ( 5 ) 用户层 用户层直接面向用户，用户根据自己的控制逻辑需要，利用组态软件组态不同功能 块应用进程以完成各种控制策略，也可根据自己的需要组态各种非实时性应用程序的服 务。e p a 用户层采用基于i e c6 1 4 9 9 定义的功能模块结构模型和i e c6 1 8 0 4 定义的功能 模块元素。 2 2 2 e p a 系统组成 e p a 系统结构的主要组成如图2 1 所示。 e p a 网络协议栈开发及一致陛测试研究 图2 1e p a 系统结