Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

В связи с тем, что АСУ ТП на основе МК имеют определенные особенности, возникла необходимость разработки научно обоснованного комплекса методических рекомендаций, позволяющих:

• разработчику стека TCP/IP: создавать стеки протоколов, наиболее полно отвечающие задачам коммуникации АСУ ТП на основе микроконтроллеров с внешней средой;
• разработчику, осуществляющему адаптацию стека TCP/IP под целевую платформу: более эффективно использовать, как возможности самого стека, так и аппаратных возможностей целевой платформы;
• разработчику, осуществляющему интеграцию стека TCP/IP в управляющую программу микроконтроллеров: наиболее полно и максимально безопасно для стабильности работы системы задействовать применяемый стек в своей программе.

Вопросы разработки оптимального стека TCP/IP и его эффективной адаптации под различные целевые системы разбирались в цикле статей [2], но четкий комплекс методических требований для каждого этапа интеграции стека в целевую систему АСУ ТП на основе МК сформулирован не был. В работе [5] также затрагивается данный вопрос, но рассматривается исключительно в контексте реализации непереносимого стека для конкретного микроконтроллера, не выявляя никаких обобщающих рекомендаций, которые могут быть приняты, как методика.

Особенности АСУ ТП на основе МК, влияющих на использование стеков TCP/IP

По результатам исследовательской деятельности авторов, микроконтроллеры, как подкласс микропроцессорных систем, имеют следующие особенности:

• невысокая производительность микропроцессорного ядра (см. таблицу 1);
• незначительный объем встроенной памяти программ (16-512 кб);
• значительные трудности использования исполняемого кода из внешних носителей большого объема (более 2-4 Мб);
• подавляющее большинство микроконтроллеров не содержит модуля управления памятью;
• многообразие микропроцессорных ядер, используемых в микроконтроллерах, и, как следствие, большое количество несовместимых друг с другом систем команд;
• многообразие реализаций контроллеров коммуникационных интерфейсов; используемых для подключения микроконтроллера к сетям с протоколом TCP/IP;
• разнообразие сред разработки программного обеспечения;
• затрудненная реализация системы динамически подгружаемых модулей;
• объединение в одной области постоянной памяти микроконтроллера операционной системы, стека TCP/IP и других компонентов.

Из этого вытекают следующие особенности АСУ ТП на основе МК, влияющие на реализацию стека TCP/IP:

• незначительная общая вычислительная мощность;
• незначительный объем оперативной памяти;
• невозможность выделения значительных вычислительных мощностей и объемов оперативной памяти для нужд стека TCP/IP, так как работа стека не является первоочередной для АСУ ТП любого типа;
• при использовании автономного питания зачастую не устанавливаются элементы внешней оперативной памяти, что еще более ужесточает требования к потреблению оперативной памяти стеком TCP/IP.

Таблица 1

Результаты синтетического теста производительности Dhrystone [9] для различных типов микропроцессорных ядер (Таблица составлена по материалам [3, 6, 7, 8])

Особенности стеков TCP/IP, применимых для использования в  АСУ ТП на основе МК

В соответствии с написанным выше, авторы выделяют следующие особенности стеков TCP/IP, применимых в составе АСУ ТП на основе МК:

• невозможность использования элементов стеков TCP/IP, предназначенных для высокопроизводительных и требовательных к объему оперативной памяти настольных и серверных систем, таких, как Windows, Linux, Mac OSX, BSD;
• затрудненная реализация протоколов, требующих высокой производительности процессорного ядра, таких, как SSL, PPTP, L2TP;
• наличие в составе стека поддержки наиболее распространенных протоколов прикладного уровня;
• реализация интерфейса BSD-сокетов, как протокола прикладного уровня в отличие от стеков протокола TCP/IP для настольных систем Windows, Linux, MacOSX, BSD;
• значительная привязанность стека TCP/IP к среде, в которой он разработан и типу микроконтроллера, для которого он разрабатывался, что влечет за собой значительные трудности при попытке использования стека TCP/IP, предназначенного для одной АСУ ТП на другой.

Для проверки выдвинутых предположений решено было прибегнуть к сравнительному анализу стека TCP/IP, используемого в составе операционной системы настольного компьютера, и уже существующего стека для АСУ ТП на основе МК.

Сравнительный анализ стека TCP/IP для  АСУ ТП на основе МК и стека TCP/IP для настольной системы

Для сравнительного анализа стека TCP/IP для АСУ ТП на основе МК и стека TCP/IP настольной системы предложены следующие критерии:

• область применения;
• необходимые и достаточные для нормальной работы стека аппаратные ресурсы;
• внутренняя структура.

Областью применения стека TCP/IP настольной системы являются рабочие станции, персональные компьютеры, серверы, мейнфреймы. Стек TCP/IP для АСУ ТП на основе МК используется в интеллектуальных датчиков, управляющих контроллерах, контроллерах исполнительных механизмов и других блоках АСУ ТП.

Требуемые аппаратные ресурсы в контексте вычислительной мощности микропроцессорного ядра для стеков TCP/IP настольных систем и АСУ ТП на основе МК можно увидеть в таблице 1 - пункты 6, 7 и 4, 5 соответственно. В контексте требуемого объема оперативной памяти для нормальной работы стека TCP/IP современной настольной системы необходим объем от 128 МБ оперативной памяти и 64-512 кБ - для стека TCP/IP для АСУ ТП на основе МК.

Сравнение внутренней структуры стеков является наиболее важным компонентом сравнительного анализа, так как позволяет подтвердить либо опровергнуть перечисленные в пункте 3 особенности стеков TCP/IP для АСУ ТП на основе МК. Сравнение будет производиться в рамках открытой модели сетевого взаимодействия систем - OSI [1].

Сравнительный анализ структуры стека TCP/IP для АСУ ТП на основе МК и стека TCP/IP для настольной системы

Для сравнительного анализа структуры в качестве стека TCP/IP для АСУ ТП на основе МК был выбран стек RL-ARM TCPNet компании Keil, как типичный представитель семейства  встраиваемых стеков. В качестве стека TCP/IP для настольной системы был взят стек TCP/IP операционной системы Windows XP, как наиболее распространенный.

Сравнительный анализ структуры заключается в сопоставлении компонентов, которыми реализуется тот или иной уровень модели OSI, и интерфейсов API, используемых для связи между различными уровнями. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2

Сравнительный анализ реализации уровней модели OSI в стеке TCP/IP Windows XP и встраиваемом стеке Keil RL-ARM TCPNet

Проведенный анализ показывает, что для стека протоколов TCP/IP АСУ ТП на основе МК характерно:

• наличие модулей, реализующих наиболее распространенные прикладные протоколы (HTTP, FTP, SNMP, SMTP, SNTP и др.);
• реализация интерфейс BSD-стеков как протокола прикладного уровня;
• наличие собственных уникальных функций API для взаимодействия прикладных протоколов с другими уровнями стека;
• отсутствие протоколов для шифрованной передачи данных и реализации виртуальных частных сетей;
• использование ограниченного количества протоколов канального уровня (Ethernet, PPP, SLIP);
• использование ограниченного количества физических интерфейсов соединения (Ethernet, модем);
• наличие набора драйверов для наиболее распространенных контроллеров. коммуникационных интерфейсов.

Таким образом, сравнительный анализ структур стеков TCP/IP подтвердил выделенные в пункте 3 особенности стека TCP/IP для АСУ ТП на основе МК.

Рекомендации по разработке, применению и использованию стеков TCP/IP для АСУ ТП на основе МК

Итогом работы, проведенной авторами статьи, можно назвать следующий комплекс методических рекомендаций, включающий в себя три модуля:

Модуль 1: Рекомендации для разработчиков стеков TCP/IP для АСУ ТП на основе МК:

• минимально необходимый набор протоколов прикладного уровня - HTTP, FTP, SNMP v2c/v3, Telnet, DNS, SNTP;
• основной интерфейс взаимодействия со стеком - API BSD-сокетов;
• возможность настройки стека с помощью конфигурационных файлов, находящихся на внешнем носителе;
• наличие API для расширения набора протоколов канального уровня;
• минимально необходимый набор протоколов канального уровня - Ethernet и PPP;
• наличие драйверов контроллеров Ethernet и UART для наиболее распространенных семейств микроконтроллеров (Atmel AVR32UC3A, NXP LPC1700/2300/2400/3250, STMicroelectronics STM32, Microchip PIC16/18/24/32/30);
• наличие драйверов для распространенных аппаратных контроллеров Ethernet (Wiznet W5100, Crystal CS8900, Microchip ENC28J60);
• наличие примеров применения стека для различных сред разработки программного обеспечения;
• наличие возможности переноса стека на неподдерживаемые на данный момент аппаратные архитектуры и среды разработки программного обеспечения;

Модуль 2: Рекомендации для специалистов, осуществляющих процесс адаптации стека TCP/IP под архитектуру и среду разработки программного обеспечения целевой платформы:

• обоснованный выбор микроконтроллера по таким параметрам, как производительность микропроцессорного ядра, объем оперативной и постоянной памяти;
• предварительное составление необходимых и достаточных для работы стека списка функций драйвера;
• изучение исходные тексты аналогичных драйверов для других микроконтроллеров.

Модуль 3: Рекомендации разработчику, осуществляющему интеграцию стека TCP/IP в управляющую программу микроконтроллера:

• контроль размера стека задач, необходимого для запуска и работы функции стека;
• ограничение максимального количества одновременно осуществляемых соединений TCP/IP;
• контроль необходимости дополнительных модулей, требуемых для запуска выбранного прикладного протокола;
• изучение списка прикладных протоколов, уже реализованных в стеке, для предотвращения дублирования функционала.

Ряд рекомендаций, изложенных здесь, был успешно применен авторами в процессе адаптации стека RL-ARM TCPNet к микроконтроллеру MDR32F9Q2I компании «Миландр» [4].

Рецензенты:

 Цветков Г.А., д.т.н., профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности», ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь;