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基于UIO的NOP通信协议的设计与实现

作　者: 张轲
导　师: 周庆国
学　校: 兰州大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 安全关键系统节点顺序协议时间触发网络事件触发网络用户空间接口
分类号: TN915.04
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

自计算机技术蓬勃发展以来,计算机系统被越来越多的应用到了各种与安全相关的关键领域,这种服务于关乎生命财产和资源环境安全等关键领域的系统通常被称为安全关键系统。随着功能的不断丰富,安全关键系统逐步出现分布性特征,而其子系统间的通信俨然已成为了现代分布式安全关键网络的核心部分。因此,对安全关键系统中分布式通信系统的研究显得尤为重要[1。NOP就是一种全新的安全关键实时通信协议,是在IEC61508框架下基于节点顺序理念构建分布式通信系统,取消了对全局时钟的依赖,建立基于节点顺序的以事件为触发模式来实现的时间触发协议传输语义[2]。NOP的出现同时解决了传统的事件触发网络可预见性差和时间触发网络灵活性低的缺点,在不损失其安全性能的前提下融合二者优点,提出了一种有序的、可靠的安全关键实时通信网络解决方案。本文结合Linux内核用户空间接口框架(Userspace I/O,简称UIO),在用户空间构建了一个服务于NOP协议的网络接口模块,从而使NOP协议可以工作在Linux用户空间中。同时,严格按照NOP协议通信语义将该协议在用户空间初步实现,目的在于使NOP协议可以作为一个独立于Linux内核之外的模块来完成网络的控制和通讯,提高了安全性和可靠性。此外,还对已实现的协议进行了性能评估,实验表明NOP协议具有较小的时延和高效的网络资源利用率。因此NOP协议这种全新的设计思路和理念使其具有较大的优势在未来取代某些传统的资源利用率低、灵活性较差的时间触发协议。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-7
第一章绪论  7-11
  1.1 安全关键系统的研究背景  7-8
  1.2 安全关键系统通信网络的研究现状  8-9
  1.3 论文框架  9-11
第二章安全关键实时通信协议NOP  11-21
  2.1 节点顺序的概念  11
  2.2 NOP系统模型  11-12
  2.3 安全关键实时通信协议NOP  12-21
    2.3.1 NOP协议的初始化  13-14
    2.3.2 NOP协议的通信过程  14-16
    2.3.3 NOP协议的故障检测和诊断机制  16-21
第三章 NOP协议的详细实现  21-39
  3.1 用户空间驱动程序  22-25
    3.1.1 用户空间驱动程序简介  22-23
    3.1.2 User Space I/O System  23-25
  3.2 基于UIO框架的网卡RTL8139D驱动  25-29
    3.2.1 网卡Realtek RTL8139D简介  25-26
    3.2.2 用户空间网卡RTL8139D驱动  26-29
  3.3 NOP协议的详细实现  29-36
    3.3.1 NOP协议的帧格式  29-31
    3.3.2 NOP协议通信过程实现  31-34
    3.3.3 NOP协议所使用的结构体  34-36
  3.4 程序运行结果  36-39
第四章 NOP协议的性能测试  39-45
  4.1 NOP协议的网络时延  39-42
    4.1.1 网络时延定义  39-40
    4.1.2 NOP协议的网络时延  40-42
  4.2 网络吞吐量  42-45
    4.2.1 网络吞吐量定义  42
    4.2.2 NOP协议吞吐量分析  42-45
第五章结论与展望  45-47
参考文献  47-49
在学期间的研究成果  49-50
致谢  50

基于UIO的NOP通信协议的设计与实现

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