EAST实时网络通信系统的研究

摘要

随着EAST装置的逐渐升级以及放电实验时间的不断增加，EAST PCS的等离子体控制需求越来越复杂，实时反馈控制需要的数据也越来越多。作为一个大型的核聚变实验装置，EAST结构复杂，包含了众多分布在不同的电磁环境中的子系统，并且各子系统关于实验数据的采样频率和采集通道数不尽相同。若要求PCS在控制周期内完成对各子系统测量数据的全部实时采集并且无失真传输是比较困难的;但是测量数据的品质与控制效果息息相关，甚至直接影响到等离子体的性能。所以，需要选择合适的实时通信系统将各子系统在实验期间采集的数据实时地传输给PCS，同时保证该数据能够可靠地传输到EAST数据服务器。为了满足上述的需求，本文设计了EAST实时网络通信系统，该系统能够保证各子系统实验数据完整存储于EAST数据服务器的基础上;同时将该数据在PCS控制周期内(100us)实时无失真地传送给PCS以进行复杂的控制计算。该系统高效地利用了各子系统原有的数据采集系统，同时减轻了PCS的采集负担。
　　本文调研了国内外托卡马克装置中所使用的实时网络通信系统，结合EAST现状，对EAST实时网络通信系统进行了需求分析和可行性分析;采用了具有高速、实时性好、可靠性高等特点的反射内存卡(RFM)、提供确定性响应时间的MRG-R(Messaging，RealTime and Grid-RealTime)实时操作系统以及具有高并发性的多线程技术;然后，论文阐述了系统的硬件架构以及软件结构，最终实现了EAST实时网络通信系统。该系统具有良好的可扩展性和灵活性，能够适应EAST的动态需求。为了保证EAST放电实验稳定可靠地运行，本文还设计了基于Cacti的EAST网络监控系统，实现对EAST实验网络设备的流量监控以及对故障设备的报警功能。
　　论文的创新点总结如下:
　　(1)在EAST实时网络通信系统中，设计了一种“多类型网络”的分布式实时框架，分别部署了RFM实时网络和千兆以太网。RFM网络负责在100us的控制周期内将各子系统采集的数据实时地传输给EAST PCS，实现各子系统之间测量数据地实时共享;以太网负责将上述数据同步地可靠地传送给EAST数据服务器以进行存储。RFM的数字传输模式解决了测量数据从EAST装置现场到PCS长距离传输过程中的电磁干扰和信号损耗等问题，提高了测量数据的品质，为PCS提供了更好的控制效果。
　　(2)采用了MRG-R实时操作系统，并结合使用CPU亲和力、多核绑定技术、实时调度策略与优先级策略以及多线程并发技术以提高EAST实时网络通信系统的实时性，实现了在100us内子系统实验数据到PCS的实时传输。
　　(3)对RFM的数据读写模式进行深入地分析和研究，解决了PCIE接口类型的读写速度过慢的问题，优化了读/写速度，从原先8.6MBps/47.7MBps提升到现在的51.4MBps/51.3MBps（在读写512Bytes时），显著降低了数据的实时传输延时。
　　(4)开发基于Cacti的EAST网络监控系统，实现了对EAST实验网络的7*24H的有效监控。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 核聚变研究现状

1．1．2 EAST现状

1．2 国内外研究现状

1．2．1 JT-60中的实时网络通信系统

1．2．2 KSTAR中的实时网络通信系统

1．2．3 ITER中的实时网络通信系统

1．2．4 EAST中的实时网络通信系统

1．3 课题提出

1．4 研究意义与研究内容

1．5 论文创新点

1．6 本章小结及论文结构

第2章 系统总体设计

2．1 需求分析

2．2 可行性分析

2．3 网络的规划与部署

2．3．1 反射内存网络

2．3．2 千兆以太网

2．3．3 可考虑的数据传输升级方案

2．4 系统设计

2．4．1 EAST子系统采集设备硬件结构

2．4．2 系统硬件架构设计

2．5 反射内存卡的速度优化

2．5．1 测试的硬件结构

2．5．2 测试的软件结构

2．5．3 系统测试以及结果分析

2．6 本章小结

第3章 系统软件设计

3．1 CPU的多核技术

3．2 MRG实时操作系统

3．2．1 CPU affinity(CPU亲并口性)

3．2．2 实时调度策略与优先级

3．2．3 实时调优工具

3．3 MRG-R与CentOS系统的性能对比

3．3．1 测试环境

3．3．2 延时测试的方法

3．3．3 测试结果

3．3．4 结果分析

3．4 多线程技术

3．4．1 线程简介

3．4．2 线程的基本状态

3．4．3 线程间的同步机制

3．4．4 多线程在实时通信系统中的优势

3．5 系统软件功能设计

3．5．1 功能模块设计

3．5．2 系统的多线程使用

3．5．3 数据采集软件中的数据流

3．6 本章小结

第4章 系统测试与实现

4．1 总体概述

4．2 实时系统的优化

4．2．1 系统实时属性调节

4．2．2 系统服务进程设置

4．3 系统的台面测试

4．3．1 台面测试的系统搭建

4．3．2 台面测试的结果与分析

4．4 系统的现场测试

4．4．1 放电期间系统的搭建

4．4．2 实验结果

4．5 本章小结

第5章 基于Cacti的EAST网络监控系统

5．1 需求分析

5．2 相关概念及技术

5．2．1 SNMP协议简介

5．2．2 RRDTool的工作原理

5．3 Cacti的工作原理

5．3．1 Cacti概述

5．3．2 Cacti的基本架构

5．4 系统设计

5．4．1 设计目标

5．4．2 系统架构设计

5．5 系统实现

5．5．1 系统平台的搭建

5．5．2 绘图显示功能

5．5．3 设备状态监控功能

5．5．4 网络气象图

5．5．5 故障报警

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果